Глава 1. ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИЛ НА ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ОБЛАКАХ

Электрические поля и заряды как облаков и атмосферы, так и отдельных частиц в облаках оказывают влияние на элементарные процессы, протекающие в облаках. Поскольку рассмотрение электрических характеристик собственно атмосферы выходит за пределы темы о грозовом электричестве, приведем только краткие сведения, которые могут оказаться полезными в дальнейшем.

1.1. ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ АТМОСФЕРЫ «ХОРОШЕЙ» ПОГОДЫ

Все процессы в облаках происходят при постоянном взаимодействии облачного воздуха с окружающим воздухом. Электричество атмосферы является, таким образом, фоном для электрических процессов в облаках, но вместе с тем электричество облаков в значительной степени формирует электричество атмосферы. Для большей определенности рассмотрим электричество атмосферы при «хорошей» погоде. Под «хорошей» погодой принято понимать условия в атмосфере, при которых отсутствуют такие метеорологические явления, как облака, туманы, пыль, осадки, сильный ветер и пр., приводящие к возмущению ее электрических характеристик. Остановимся на данных только для тропосферы, так как грозовая деятельность в основном наблюдается в этой части атмосферы.

Электрическое поле «хорошей» погоды направлено сверху вниз, т. е. земля заряжена отрицательно, а атмосфера — положительно. Это направление поля принято считать нормальным, а вертикальный градиент потенциала — положительным Градиент потенциала у поверхности земли в среднем равен 130 В/м, несколько выше на материках и несколько ниже на океанах. Для Советского Союза приведем следующие значения среднего годового градиента потенциала: Слуцк (Ленинград) 171 В/м, Свердловск 149, Ташкент 120 [179], Зуй (вблизи Иркутска) 119 [20], Якутск 86, Алма-Ата 116, Тбилиси 126 В/м. Среднее значение градиента потенциала «хорошей» погоды для Советского Союза равно 126 В/м [155].

Годовой ход градиента потенциала электрического поля для северного полушария простой, с минимумом летом и максимумом зимой [154]. В Слуцке и Зуе минимум наступает в июне, а максимум — в феврале, тогда как в Ташкенте — соответственно в мае и январе [155].

Суточный ход напряженности электрического поля над полярными областями и океанами имеет вид простой волны, а над континентами — вид сложной волны с двумя максимумами. В Слуцке [4] летом максимумы наступают в 6—7 и 23-24 ч, минимумы — в 4—5 и 13-14 ч местного времени. В январе максимум наступает в 18-19 ч, минимум — в 4-5 ч. При изучении суточного хода напряженности электрического поля над океанами и полярными областями было обнаружено, что изменения поля в разных пунктах происходят синхронно и имеют примерно одинаковые амплитуды. Этот ход получил название унитарной вариации напряженности электрического поля. На континентах унитарная вариация не наблюдается вследствие ряда причин, приводящих к искажению градиента потенциала. Это в первую очередь большие объемные заряды в атмосфере, особенно вблизи земной поверхности, претерпевающие значительные периодические и непериодические изменения, изменения проводимости атмосферы и электродный эффект (влияние хорошо проводящей поверхности земли).

По величине напряженности поля у поверхности земли можно определить поверхностную плотность ее заряда. У поверхности земли напряженность электрического поля связана с поверхностной плотностью заряда а соотношением

Так как значения диэлектрической проницаемости для воздуха и вакуума практически совпадают, то везде вместо будем писать Используя значение находим

С высотой происходит быстрое уменьшение напряженности электрического поля, которое связано с плотностью объемного заряда атмосферы уравнением Пуассона для одномерной задачи

где V — потенциал на высоте над поверхностью земли. Выражение (2) позволяет найти распределение объемных зарядов с высотой.

Распределение электрического поля с высотой над континентами весьма обстоятельно исследовалось в период Международного геофизического года (1957-1959 гг.) под руководством И. М. Имянитова в Ленинграде, Киеве и Ташкенте на самолетах [72]. Было получено, что профили поля весьма разнообразны, но в общем их можно подразделить на три основные группы: первая — экспоненциальное убывание напряженности поля с высотой;

вторая — экспоненциальное убывание с высотой, но с переменой знака, чаще всего на высотах 3500-4000 м; третья — рост напряженности поля в слое перемешивания атмосферы, а затем убывание с высотой, часто с переменой знака на высотах 3500-4000 м. Подобные профили электрического поля наблюдались при измерениях, проведенных различными методами в разных частях света.

И. М. Имянитов и Е. В. Чубарина [72] построили профили объемного заряда по данным о ходе напряженности поля с высотой. Для первой группы профили объемного заряда подобны профилям напряженности поля. Средняя плотность объемного заряда столба воздуха в Ленинграде, Киеве и Ташкенте соответственно равна 1,6; 1,3 и

Рис. 1. Распределение объемного заряда свободной атмосферы с высотой при профилях третьей группы. По И. М. Имянитову и Е. В. Чубариной [72]. 1 — Ленинград, 2 — Киев, 3 — Ташкент.

Профили объемного заряда второй группы подобны профилям первой группы. На рис. 1 приведены профили третьей группы. В этих случаях атмосфера в слое обмена поляризуется: в нижней части находится отрицательный заряд, в верхней — положительный. Средняя плотность отрицательного заряда для Ленинграда, Киева и Ташкента составляет соответственно а положительного — соответственно 0,7; 2,0 и Кларк [266] получил подобным образом для Центрального Канзаса (США) среднюю плотность объемного заряда около

Максимальные значения плотности наблюдаются в слое обмена под инверсией температуры, их уровень совпадает с уровнем максимальной концентрации ядер конденсации. Максимальные значения плотности объемного заряда над сушей и над морем Наблюдаются в нижнем километровом слое.

Наблюдения с самолета за объемным зарядом были выполнены Муром и др. [449] в Центральном Иллинойсе (США)

с помощью прибора, основанного на методе фильтра В. Н. Оболенского. Плотность объемного заряда превышала Максимальные значения плотности объемного заряда и напряженности поля во всех случаях наблюдались в слое обмена, непосредственно под инверсией температуры в области дымки. Над морем максимум величины объемного заряда оказался более чем на порядок меньше, чем над сушей:

Распределение объемных зарядов устанавливается в значительной степени под влиянием токов проводимости в атмосфере.

Проводимость воздуха определяется содержанием и подвижностью ионов в нем, а именно:

где заряд электрона; соответственно концентрация и подвижность легких и тяжелых ионов.

Легкие ионы — это комплексы из нескольких молекул с одним элементарным зарядом. Подвижность легких ионов порядка Тяжелые ионы представляют собой сравнительно крупные частицы с одним элементарным зарядом. Их подвижность порядка Тяжелые ионы, как правило, возникают в случае присоединения легких ионов к аэрозолям. Поэтому с увеличением запыленности воздуха концентрация тяжелых ионов увеличивается, а легких уменьшается. Наблюдения в городах, где запыленность воздуха велика, подтверждают это. В Слуцке средние концентрации , тогда как в центре Киева . Если сопоставить вклад легких и тяжелых ионов в проводимость атмосферы, то легко обнаружить, что второй член выражения (3) мал по сравнению с первым. Поэтому (3) можно с достаточной точностью записать следующим образом:

где — средние значения соответствующих величин.

Экспериментальные измерения спектра подвижности ионов подтверждают представление, что проводимость воздуха практически определяется легкими ионами.

В атмосфере в условиях «хорошей» погоды течет вертикальный электрический ток, плотность которого равна

Здесь соответственно токи проводимости, диффузии и конвекции; коэффициент турбулентной диффузии; скорость вертикального переноса объемного заряда конвективным потоком.

Оценки показывают, что в условиях «хорошей» погоды в среднем плотность токов диффузии и конвекции имеет порядок может составлять только несколько процентов от плотности тока проводимости, но в отдельных случаях в пределах слоя обмена может достигать значений того же порядка, что и ток проводимости [368]. Так что полный ток в атмосфере определяется в основном током проводимости. Среднее годовое значение тока проводимости различно в разных пунктах: в Павловске Ташкенте на Шпицбергене в Давосе и в среднем на океанах

По данным [368], средний ток проводимости над океанами

В условиях «хорошей» погоды в атмосфере отсутствуют такие дополнительные источники токов, как, например, грозовые облака, которые являются мощными генераторами электричества. Поэтому можно полагать, что плотность тока в областях «хорошей» погоды с высотой остается постоянной. По данным Краакевика [368], который одновременно измерял проводимость и напряженность поля с самолета, ток проводимости выше слоя обмена остается постоянным с точностью до 10%. Над океанами постоянство тока проводимости с высотой проявляется с особенно большой точностью. Колебания лежат в пределах ±2%.

С ростом содержания аэрозолей в атмосфере и, следовательно, с уменьшением концентрации легких ионов должна расти и напряженность электрического поля. Типичным аэрозолем в атмосфере являются ядра конденсации, поэтому с ростом их концентрации должна расти напряженность электрического поля. Действительно, измерения обнаруживают параллельный ход напряженности поля и концентрации ядер конденсации с высотой [37, 77]. Даже по данным ограниченного числа зондирований в Киеве линейная зависимость между напряженностью поля и концентрацией ядер хорошо прослеживается [87].

Концентрация легких ионов в атмосфере зависит от интенсивности ионизации молекул воздуха излучением радиоактивных примесей и космическими лучами. Так как источником радиоактивных примесей является земная поверхность, то с высотой интенсивность ионизации радиоактивных примесей уменьшается. Космические лучи, проходя через толщу атмосферы, несколько ослабевают, и интенсивность ионизации космических лучей с высотой растет. В приземных слоях воздуха на интенсивности ионизации сказывается также излучение радиоактивных веществ находящихся в почве. Уравнение баланса концентрации легких ионов в свободной атмосфере можно написать приближенно в следующем виде:

где соответственно коэффициенты рекомбинации легких ионов одного знака с легкими и тяжелыми ионами

противоположного знака и с нейтральными частицами . В случае стационарного состояния можно положить тогда

Аналогичное выражение можно написать для концентрации отрицательных ионов. Измерения показали, что в свободной атмосфере значения малы по сравнению с и ими можно пренебречь.

Измерения тяжелых ионов, проведенные с самолета [534], показали, что их концентрация весьма велика в слоях дымки, а выше уменьшается на два порядка и более. Поэтому выше слоя обмена членами с можно пренебречь по сравнению с членами, содержащими Следовательно, выражение (7) для концентрации ионов обоих знаков можно записать в таком виде:

Измерения ионизации вблизи поверхности земли показали, что ее интенсивность равна в среднем При этом создается за счет радиоактивных веществ в земной коре, за счет их содержания в атмосфере и воздействием космических лучей [35]. Летом интенсивность ионизации несколько больше, а зимой из-за влияния снежного покрова несколько меньше. Над океанами, воды которых содержат значительно меньшее количество радиоактивных веществ, чем почва, интенсивность ионизации не превышает

Интенсивность ионообразования в свободной атмосфере зависит не только от интенсивности космических лучей, но и от плотности воздуха на данной высоте. В свою очередь интенсивность космических лучей зависит от широты: с увеличением широты она увеличивается. Это так называемый широтный эффект, обязанный своим возникновением отклоняющему действию магнитного поля Земли на космические лучи. На рис. 2 приведены кривые распределения интенсивности ионообразования с высотой в результате действия космического излучения. Как следует из этих кривых, интенсивность ионообразования растет до высоты а затем уменьшается.

Рис. 2. Распределение интенсивности ионообразования с высотой. 1 - Мадрас (3° с. ш.), 2 - Омага (51° с. ш.).

У поверхности земли концентрация положительных ионов несколько выше, чем отрицательных а с высотой это отношение приближается к единице. Отношение полярных проводимостей . У поверхности земли близко к единице, по в некоторых случаях значительно больше единицы. Так, отношение равно в Слуцке 1,20, в Ташкенте 1,05, в Киеве 1,05, в Потсдаме 1,25, Давосе 1,13, для Атлантического и Тихого океанов 1,19 [179]. Причиной заметных превышений отношения над единицей является электродный эффект.

Рис. 3. Вековой ход элементов атмосферного электричества в «нормальные» дни. По К. Э. Церфасу [195]. Суммарная проводимость X: 1 - Тбилиси, 2 — Ташкент; униполярность q: 3 - Ташкент; градиент потенциала V: 4 — Воейково, 5 — Ташкент, 6 — Ташкент (все дни), 7 — Тбилиси.

Поэтому в свободной атмосфере отношение должно быть более близким к единице, чем у поверхности земли. Было установлено, что над Атлантическим океаном отношение равно [492], над Техасом . В полетах на 48° с. было получено [273].

Примером влияния проводимости на электрическое поле является воздействие ионизации атмосферы в результате испытаний атомных бомб на поле. Стюарт [536] в Англии и Португалии обнаружил уменьшение средней годовой напряженности поля начиная с 1952 г. К 1958 г. это уменьшение стало примерно двукратным и приблизительно во столько же раз увеличилась проводимость. Хатакеяма [192] для Какиоки и Меманбетсу получил, что кривая годового хода напряженности поля имела минимум в 1958 г. В связи с прекращением испытаний ядерного оружия

напряженность поля восстановилась до ее нормального значения, а затем, с возобновлением испытаний в 1961 г., началось очередное уменьшение напряженности поля. Так как этот процесс имел глобальный характер, то он был обнаружен . Церфасом [195] в ряде пунктов Советского Союза (рис. 3). Во всех пунктах в 1958—1959 и в 1963 гг. наблюдались экстремумы проводимости и градиента потенциала, которые соответствовали с некоторым сдвигом во времени периодам активных испытаний ядерных устройств.