2.2.3. Изменения электрического поля при грозовых разрядах

Наблюдения за электрическим полем у поверхности земли при определенных условиях могут быть источником полезной информации о распределении зарядов в грозовых облаках, особенно если они выполняются синхронно в нескольких пунктах и если распределение зарядов в облаках не очень сложное, уни- или биполярное. При грозовых разрядах происходит резкое изменение напряженности поля, позволяющее судить о величине заряда, протекающего в молнии.

Рис. 45. Схема распределения зарядов в биполярном грозовом облаке, нейтрализация которых приводит к изменению электрического поля в удаленных от облака пунктах.

Изменение поля связано с нейтрализацией зарядов биполярного облака при разряде нижнего заряда на землю или при разряде внутри облака между верхним зарядом и нижним (рис. 45). При грозовом разряде, когда заряд будет перенесен на землю, произойдет изменение поля:

Здесь высота заряда над землей; проекция расстояния от наблюдателя до заряда; электрический момент.

Для больших расстояний, когда получаем

Для случая разряда внутри облака, учитывая, что имеем

Для больших расстояний (43) принимает вид

Как видно из (43), на некотором расстоянии должна произойти смена знака изменения поля, что может служить признаком биполярности облака. Так как при внутриоблачных грозовых разрядах на близких расстояниях изменения поля имели положительный знак и на больших расстояниях отрицательный, а при ударах молнии в землю знак изменения поля оказался положительным, Вильсон [571] получил, что верхний заряд грозовых облаков положительный, а нижний — отрицательный.

Наблюдения, выполненные в Англии Уормелем [587], подтвердили результаты, полученные Вильсоном. Однако в ряде случаев при близких грозах наблюдались отрицательные изменения поля, а при отдаленных грозах — положительные. Это указывает на возможность существования грозовых облаков отрицательной полярности, когда основной заряд вверху облака отрицательный, а внизу — положительный. Шонланд и Крайб [507] установили, что грозы Южной Африки также являются в значительной степени биполярными с положительным распределением зарядов. Такое же распределение зарядов обнаружил Смит [526] по данным измерений в Гамне (Флорида, США). Он наблюдал значительные изменения поля при разрядах грозовых облаков к концу их активности.

Бернард [223] в Южной Африке производил одновременную регистрацию изменения поля при разрядах на трех близкорасположенных станциях. Это дало ему возможность приближенно определить значения расстояние между центрами заряженных областей. Оказалось, что грозовые облака являются, как правило, биполярными с верхним положительным зарядом. Вертикальное расстояние между центрами составляло в среднем 5,2 им, колеблясь от 2,5 до

Из (42) и (43) на основании данных об изменении поля можно определить величину электрического момента, нейтрализующегося при грозовых разрядах (см. табл. 33). Если иметь сведения о высоте центров заряженных областей, то можно определить величину зарядов, протекающих в канале молнии.

Существует возможность определять координаты центров зарядов по данным наземных наблюдений за изменением поля при грозовых разрядах на ряде пунктов. Изменение поля в точке с координатами при разряде внутри облака между зарядами, центры которых имеют соответственно координаты определяется выражением

и аналогичными уравнениями для других станций. В случае если происходит разряд на землю из центра с координатами принимает вид

Для решения уравнения (45) требуются наблюдения не менее чем в семи пунктах, в четырех пунктах. Наблюдения в семи пунктах провели Рейнольде и Нейл [487] в Нью-Мексико (США) на высоте около 2100 м. Было получено, что центр отрицательного заряда находится в среднем на высоте около 7500 м при температуре в некоторых случаях даже при температурах до —33° С. Облака биполярные, и центр положительного заряда обычно расположен выше отрицательного в среднем на 600 м. Горизонтальное расстояние между центрами также невелико, не более 500 м. Это говорит о том, что или размеры областей положительного и отрицательного зарядов в грозовых облаках малы, или вообще эти области нельзя представить в виде каких-то более или менее четко очерченных сфер. В большинстве случаев при разрядах нейтрализуется меньше 10 Кл, но примерно в 25% случаев разряжается более 20 Кл.

Тамура [545] провел наблюдения на девяти станциях в Японии. Он получил, что разряды на землю и внутриоблачные разряды происходят в разных, горизонтально разделенных частях грозовых облаков. Центры отрицательных зарядов лежат в основном на высотах 6-8 км, и с развитием грозы наблюдается тенденция к их снижению. Из этих центров происходят разряды на землю. Внутриоблачные разряды осуществляются между дипольными зарядами, разделенными по вертикали на 5-6 км и имеющими положительный знак. Центры диполей в основном располагаются на высотах 4-6 км и мало изменяются с развитием грозы. Тамура не обнаружил нижних положительных зарядов, отмеченных еще Симпсоном.

Хатакеяма [336] (Япония) определял положение центров зарядов в грозовых облаках по их расстояниям до четырех станций, синхронно определявших время между моментами вспышки молнии

и громом, и по изменениям поля. Высоты молнии внутри облаков, вычисленные обеими способами, сильно различаются. Для двух гроз Хатакеяма получил, что заряженные области находились на высотах 10 и 6 км и в молниях протекал заряд более 100 Кл. При затухании гроз заряды оказались меньше 40-60 Кл; наиболее часто встречались случаи с зарядами меньше 10 Кл.

Так как сведения об электрических моментах и зарядах, нейтрализующихся при ударах молнии, представляют значительный интерес, сведем данные об этих характеристиках грозовых облаков в таблицу (табл. 33).

Таблица 33 (см. скан) Электрические моменты и заряды, нейтрализующиеся при ударах молнии

Как видно из этой таблицы, данные измерений, проведенных разными авторами в одних и тех же районах, хорошо согласуются между собой. Наблюдается значительное увеличение электрических моментов и зарядов, нейтрализующихся при грозовых разрядах, в более низких широтах по сравнению с высокими. Если исключить данные Хатакеяма [336], то можно полагать, что максимальные заряды, нейтрализующиеся в самых интенсивных разрядах, не превышают 100 Кл. В умеренных широтах расстояние между главными зарядами в грозовых облаках составляет 2-3 км, тогда как в более низких широтах 5-6 км. Необходимо заметить, что из ряда исследований ([487, 523] и др.) вытекает, что главные заряды разделены не только по вертикали, но и по горизонтали и разряды молний между ними имеют наклонные траектории.