2.2.2. Электрическое поле

Разделение разноименно заряженных облачных частиц и гидрометеоров приводит к образованию в грозовых облаках электрического поля. Вследствие большой динамичности процессов в грозовых облаках распределение зарядов в них быстро видоизменяется, а вместе с тем происходит столь же быстрое изменение

распределения электрического поля. Поэтому весьма существенно получение общих характеристик распределения зарядов и электрического поля в зависимости от стадии развития грозовых облаков. Однако выполнение этой задачи в полном объеме сейчас еще невозможно из-за ограниченности данных измерений.

Первые, представляющие значительный интерес исследования распределения электрического поля были выполнены Симпсоном и Скрейзом [524], Симпсоном и Робинсоном [523] в Кью (Англия) с помощью зондов (альтиэлектрографов). Недостатками этого метода были отсутствие достаточно точных сведений о траектории полета зонда внутри грозового облака, неточность измерения величины напряженности поля, приводящая к весьма большим ошибкам (при правильном определении направления поля), и искрение между электродами в полях высокой напряженности. Несмотря на это, исследования позволили получить многие характерные черты распределения поля с высотой.

Согласно Симпсону, в верхней части грозовых облаков, на высотах больше 7 км, при температурах обычно ниже — 10° С наблюдаются положительные заряды. Ниже, в интервале высот примерно 2-7 км, расположена область с отрицательными зарядами с центром вблизи уровня изотермы 0°С. Вторая, более слабо выраженная область положительных зарядов находится при положительных температурах — она не всегда обнаруживается. Эти данные были подтверждены Чепменом [263], который также проводил наблюдения с помощью зондов. В среднем размеры областей (если считать их сферами) примерно следующие: радиус верхней положительной области около 2 км, отрицательной около 1 км, нижней положительной около 0,5 км. Однако в отдельных облаках или в разных частях грозового облака с несколькими ячейками наблюдалось иное распределение заряженных областей. В некоторых случаях над верхней областью положительных зарядов обнаруживалась область отрицательных зарядов. Область положительных зарядов в нижней части облака могла простираться выше уровня изотермы 0°С.

В. И. Арабаджи [8] в 1955 г. провел в Минске наблюдения с зондами в грозовых облаках (9 июля во фронтальных облаках, 2 августа в малоподвижной грозе). Непосредственно под уровнем изотермы 0°С наблюдалась отрицательная напряженность поля, которая в области температур 0-10° С сменялась положительной напряженностью. Претерпевая те или иные изменения, напряженность поля оставалась положительной до предельных высот 9 - 11 км.

Детальный анализ результатов нескольких полетов в грозовых облаках был произведен в США Ганном [322]. 5 августа 1944 г. на высоте около 3900 м в активной грозе на трассе протяженностью около 13 км наблюдались две последовательные области с положительной и отрицательной напряженностью поля; их ширина составляла около 4 км, и в каждой из них существовал резко выраженный максимум напряженности поля. В области с положительной напряженностью он достигал а в области с отрицательной

напряженностью в момент удара молнии Средняя напряженность по всей трассе полета оказалась равной примерно Для пересчета эти данные необходимо уменьшить в 2,1 раза, если отсутствует горизонтальная компонента поля. Однако имеются все основания полагать, что таковая в грозах существует. 24 июля 1945 г. производились полеты на разных высотах (рис. 41). На высоте при положительной температуре поле было слабым и отрицательным, хотя встречались большие заряды капель разных знаков на разных участках трассы. Так что непосредственная связь между зарядами капель и полем на данном уровне не обнаруживается. На высоте где температура воздуха была близка к наблюдались сильные колебания напряженности поля вплоть до перемены его знака и смесь капель с большими положительными и отрицательными зарядами.

Рис. 41. Напряженность электрического поля на разных высотах в грозовом облаке 24 июля 1945 г.

По Ганну [322]. Высота (км): 1) 1,5, 2) 3, 3) 4,5, 4) 6.

И. М. Имянитов и др. [65] при полетах в районе Гадяча (Украина) и Батайска (Ростовская область) на высотах 5000-6000 м по перифериям грозовых облаков в полосах падения ледяных кристаллов из наковален наблюдали поля как с положительной, так и с отрицательной напряженностью более с некоторым преобладанием положительных полей. В зонах осадков под грозовыми облаками на высотах 200-500 м были обнаружены поля с положительной и отрицательной напряженностью, максимум которой достигал

Исследования поля грозовых облаков на Дальнем Востоке были выполнены И. М. Имянитовым и Т. В. Лободиным [66]. При полетах над вершинами грозовых облаков были зафиксированы как положительные, так и отрицательные поля (рис. 42). Так как кривые хода напряженности поля не меняли своего знака, можно сделать вывод, что эти облака то ли однозарядные, то ли биполярные или многополярные, но со значительным избытком зарядов одного знака.

Имянитов и Лободин получили, что в 40 случаях (69%) из 58 поле над облаками оказалось отрицательным, т. е. у большинства облаков вверху находился положительный заряд или они имели избыточный положительный заряд. Большой интерес представляют случаи, когда при полетах над грозовым облаком наблюдались области с зарядами разных знаков; их протяженность составляла 5-10 км, т. е. они имели размеры отдельных грозовых ячеек. Следовательно, не только отдельные облака, но и рядом находящиеся очаги в одном облаке могут иметь полярность противоположных знаков. На основании полетов под облаками было получено, что в 19 случаях (68%) из 28 полярность биполярных облаков была положительной, или поле создавалось положительным избыточным зарядом. Таким образом, эти данные подтверждают результаты, полученные при полетах над облаками. В ливневых и грозовых облаках с вершинами выше 9-10 км (до 15 км) центры униполярных зарядов находились на высотах в основном 5-9 км, причем наиболее часто в слое 6- 7 км.

Рис. 42, Напряженность электрического поля над однозарядными облаками. По Имянитову и Лободину [66]. а - 4 ч 48 мин 18 августа, б - 9 ч 05 мин 22 августа, в - 9 ч 30 мин 25 августа, г - 10 ч 02 мин 25 августа, д - 10 ч 07 мин 25 августа.

Вопрос о преобразовании поля во времени в грозовых облаках представляет значительный интерес. Согласно И. М. Имянитову и Т. В. Лободину [66], примерно через 10 мин после преобразования мощного кучевого облака в кучево-дождевое были зарегистрированы грозовые разряды (рис. 43). В течение примерно еще 10 мин происходило увеличение размеров радиолокационного ядра, накопление зарядов и усиление электрического поля, которое сопровождалось грозовыми разрядами. Следовательно, грозовые разряды сами по себе не служили причиной уменьшения скорости накопления зарядов. Затем следовала стадия разрушения, которая проявлялась в уменьшении радиолокационного ядра и средней максимальной напряженности поля.

В этой стадии также обнаруживались грозовые разряды, указывающие на то, что продожалось значительное разделение зарядов. Возможно, что и в этот период происходило образование зарядов. Время диссипации грозового облака составило около 10 мин. Таким образом, общее время грозовой деятельности в облаке составило около 30 мин.

Рис. 43. Ход средней (1) и максимальной (2) напряженности электрического поля над грозовым облаком. По И. М. Имяиитову и Т. В. Лободину [66]. — моменты начала и конца грозовых разрядов, В — момент начала оледенения вершины облака.

Результаты наблюдения вертикальной и горизонтальной составляющих электрического поля в верхней части изолированного развивающегося грозового облака высотой до 13 км приводит Фицджеральд [183]. При полете вблизи радиолокационного ядра наблюдались наибольшие значения как вертикальной так и горизонтальной составляющих поля. Вертикальное поле по всей трассе было отрицательным. При полете на большом расстоянии от радиолокационного ядра обе составляющие оказались меньше и вертикальная составляющая имела как положительное, так и отрицательное направление. Из наблюдений Фицджеральда следует, что области с наибольшей водностью являются одновременно и областями наибольшего содержания зарядов, которые создают в непосредственной близости весьма большие поля. На расстояниях от центра радиолокационного ядра, сопоставимых с его размерами, происходит многократное уменьшение поля. Это указывает на сложную структуру распределения зарядов в грозовых облаках.

Воннегут и др. [561] провели наблюдения за грозовыми облаками во Флориде (США) с самолета, летевшего на высоте 21 км. Наковальни грозовых облаков находились на высоте около 15 км. При полете над ними наблюдалось увеличение напряженности поля, вызванное в первую очередь конвективными башнями, купола которых прорывались сквозь наковальни. Во всех случаях поле было отрицательным, что указывает на существование в верхней части грозовых облаков области положительных зарядов. Одновременно производились измерения вертикальной и горизонтальной составляющих электрического поля внутри грозовых облаков (Фицджеральд [298]). Из. табл. 30 следует, что при ударах молнии в самолет наблюдаются весьма значительные скачки как вертикальной, так и горизонтальной составляющей поля. При этом может изменяться и знак поля.

Таблица 30 (см. скан) Изменения градиентов потенциала и максимальный ток при ударах молнии в самолет. Август 1965 г. По Фицджеральду [298]

12 августа 1965 г. в относительно простом грозовом облаке с вершиной на высоте тропопаузы (околе 15 км), находящемся в стадии диссипации, на высоте 4,8 км наблюдалось максимальное отрицательное значение вертикальной составляющей градиента потенциала — около а под наковальней — положительное с максимумом около При ударах молнии в самолет наблюдался максимальный ток, превышающий 12-103 А.

Весьма большой материал наблюдений за электрическим полем, полученный при полетах над кучево-дождевыми облаками, был обобщен И. И. Камалдиной [78]. Она определила, что в 64% случаев вертикальный градиент потенциала был отрицательным, т. е. в большинстве случаев в верхней части облаков находился положительный заряд. Рассмотрев три стадии развития кучево-дождевых облаков — роста, зрелости и диссипации (по Шметеру [205]), Камалдина определила для них повторяемость обоих знаков градиентов потенциала.

Как следует из табл. 31, большая часть случаев с положительным градиентом потенциала соответствует стадии роста кучево-дождевых облаков, а большая часть с отрицательным градиентом— стадиям зрелости и диссипации. При развитии облаков происходит, как правило, смена положительного градиента отрицательным. Из 19 случаев, когда удалось проследить ход градиента от начала развития кучево-дождевых облаков до диссипации, в 14 (74%) наблюдалось изменение знака. При образовании новых конвективных башен в облаках, находящихся в стадии зрелости или диссипации, наблюдалась смена отрицательного градиента потенциала положительным.

Особый интерес для понимания процессов, происходящих в грозовых облаках, представляют случаи многократного изменения знака градиента потенциала над облаками.

Таблица 31 (см. скан) Повторяемость (%) случаев с градиентом потенциала положительного и отрицательного направления в зависимости от стадии развития кучево-дождевых облаков. По И. И. Камалдииой [78]

Трудно представить себе такие изменения в течение жизни грозового облака при процессах электризации, которые никак бы не зависели от самих зарядов в облаках, точнее, от электрического поля, обусловленного этими зарядами. Камалдина считает, что перемены знака поля обусловлены смещением гидрометеоров, несущих заряды определенного знака, восходящими токами.

Изучая вопрос о величине максимальных градиентов потенциала в зависимости от расстояния над вершиной облаков, Камалдина приходит к выводу, что их изменение непосредственно вблизи вершины нельзя объяснить только изменением расстояния. Она считает, что причиной этого эффекта является экранирующий объемный заряд, создаваемый токами проводимости. Воннегут и др. [561] также считают, что на границах облака существует экранирующий заряженный слой. Однако, в отличие от этих авторов, Камалдина не придает этому слою столь большого значения в изменении знака поля при его разрушении. Она справедливо указывает, что для изменения знака поля необходимо, чтобы исчез источник поля, а не экранирующий заряд.

Обобщив данные измерений электрического поля в Советском Союзе, проведенных при полетах самолетов, И. М. Имянитов и др. [74] получили распределение градиента потенциала в облаках разных форм (рис. 44). Как следует из рисунка, эти данные достаточно хорошо аппроксимируются логарифмически-нормальным распределением.

Авторы считают, что существует определенная, хотя и небольшая вероятность того, что в слоисто-дождевых облаках абсолютные значения градиента потенциала могут быть достаточными для возникновения грозовых разрядов.

Представляют значительный интерес сведения об абсолютных максимальных значениях напряженности поля, измеренной в грозовых облаках (табл. 32). На основании этой таблицы можно считать, что для возникновения грозовых разрядов достаточно, чтобы в облаках напряженность поля достигла По-видимому, эти или близкие к ним значения напряженности поля представляют собой напряженность инициирования молнии, а для ее распространения достаточны напряженности значительно меньшие, но охватывающие большое пространство.

Обзор приведенных выше данных показывает, что электрическая структура грозовых облаков очень сложная и быстро меняется во времени и пространстве. Сейчас еще отсутствуют необходимые сведения (особенно о зарядах и полях внутри грозовых облаков), чтобы построить полную схему их электрической структуры. Вследствие этого представляют интерес, хотя и ограниченный, сведения о ходе поля на вершинах гор.

Рис. 44. Распределение абсолютных значений градиента потенциала электрического поля в в вероятностно-логарифмической сетке. По И. М. Имянитову и др. [74].

На результаты этих наблюдений оказывают большое влияние объемные заряды, образующиеся за счет токов коронирования остроконечных предметов, в первую очередь деревьев и кустарников.

Кюттнер [370] на горе Цугшпитце (Северные Альпы) высотой около 3000 м получил, что в основании грозовых облаков при положительных температурах существуют, как правило, положительные градиенты потенциала, что указывает на существование там положительно заряженной области, центр которой лежит вблизи уровня изотермы 0°С. При отрицательных температурах наблюдаются почти исключительно отрицательные градиенты потенциала, свидетельствующие о существовании выше уровня изотермы 0° С отрицательно заряженной области с центром около уровня изотермы —8° С.

Таблица 32 (см. скан) Абсолютное значение вертикальной составляющей максимальной напряженности электрического поля в грозовых облаках

Кюттнер пришел к выводу, что для возникновения сильных полей необходимо, чтобы основание кучево-дождевых облаков находилось ниже уровня изотермы Обнаружилось, что горизонтальные и вертикальные размеры заряженных областей примерно одинаковые. Горизонтальная протяженность положительно заряженной области несколько меньше 1 км. Отрицательно заряженная область имела большие размеры, чем положительная. Перед возникновением грозовых разрядов поле в 70% случаев имело отрицательное направление.

Рейнольде и Брук [485] предприняли одновременные радиолокационные измерения и измерения градиента потенциала. Радиолокатор находился на высоте 2100 м примерно в 20 км от вершины горы Уитингтон (3140 м), где был установлен прибор для измерения поля. Образование радиоэхо само по себе не приводило к заметному росту градиента потенциала. Только при вертикальном росте радиоэхо наблюдался переход положительного градиента потенциала к отрицательному с дальнейшим ростом по абсолютной величине до момента возникновения грозового разряда. Во всех случаях градиент потенциала был отрицательным, что указывает

на образование в нижней части грозовых облаков отрицательного заряда.

Мур и др. [447] вели наблюдения на горе Уитингтон с помощью зондов, подвешиваемых к тросу баллона, который поднимался на высоту до 5 км. В развивающемся кучево-дождевом облаке примерно за 25 мин до начала грозовой деятельности на высоте около 5 км при температуре, близкой к наблюдался положительный градиент потенциала, а ниже, на высоте около 4 км, - отрицательный. В другом случае перед близким разрядом молнии в облаке на высоте около 500 м над его основанием при температуре 7° С был зарегистрирован положительный градиент потенциала, который в дальнейшем сменился отрицательным.

Кобб и др. [267] выполнили измерения электрического поля на горе Уошберн (Вайоминг, США) на высоте около 3000 м. Они обнаружили, что в большинстве случаев продолжительность периодов с отрицательным полем и максимальные отрицательные значения поля превышали таковые для положительного поля. При прохождении гроз часто наблюдалась смена положительного направления поля на отрицательное и наоборот.