2.2.4. Быстрые изменения электрического поля, обусловленные процессами развития молнии

Исследования быстрых изменений поля, возникающих во время процесса развития молнии, позволили получить метод определения ряда характеристик грозовых осадков, который был развит Маланом и Шонландом [422]. Прежде чем рассмотреть этот метод,

необходимо вкратце остановиться на современных представлениях о развитии молнии.

Развитие разряда из облака на землю начинается с образования стримера, который продвигается ступеньками длиной 10-200 м. В конце каждой ступеньки происходит задержка движения стримера, так называемого ступенчатого лидера, которое затем возобновляется, и стример проходит очередную ступеньку и т. д. до момента приближения к земле. В результате продвижения стримера образуется ионизированный канал ступенчатого лидера молнии. По каналу лидера развивается с поверхности земли главный возвратный удар молнии, который переносит основной заряд молнии. Средняя скорость продвижения ступенчатого лидера порядка тогда как скорость главного удара Ток, протекающий в канале главного удара, достигает 2-105 А. Обычно вслед за первым, ступенчатым лидером через сотые доли секунды происходит развитие по тому же каналу стреловидного лидера. Скорость его распространения по ионизированному каналу больше скорости ступенчатых лидеров: После достижения поверхности земли по каналу стреловидного лидера проходит второй главный возвратный удар. Этот процесс может многократно повторяться; в среднем молния включает три главных разряда.

Типичная осциллограмма напряженности поля при грозовом разряде на землю представлена на рис. 46.

Рис. 46. Осциллограмма изменения напряженности электрического поля при удаленных ударах молнии, переносящих на землю отрицательный заряд.

Сначала наблюдается рост напряженности поля на участке со средней длительностью около 0,1 с, который соответствует развитию ступенчатого лидера. Затем наблюдается скачкообразный рост напряженности поля соответствующий возвратному удару, длительность которого около 1 мкс. Далее следует участок обусловленный прохождением стреловидного лидера со средней длительностью около 0,03 с. В конце процесса развития молнии наблюдается участок 5, в течение которого происходит сравнительно медленное возрастание напряженности поля, продолжающееся в среднем около 0,12 с.

Малан и Шонланд [422], исследуя изменения поля на участке сделали ряд заключений о динамике разряжения облачных зарядов на землю. Они установили, что на расстояниях до 5 км изменения поля на этом участке отрицательные, а свыше 12 км - положительные. Это означает, что происходит нейтрализация положительных зарядов в разветвленной вершине канала молнии. Отрицательный заряд в грозовых облаках расположен в вертикальном столбе, в среднем на высотах между 3 и 9 км при уровне изотермы 0°С около 4 км. Высота разрядов отрицательного заряда на землю увеличивается последовательно в среднем на 0,7 км.

Представление Малана и Шонланда [422] о том, что в грозовых облаках примерно от уровня изотермы 0°С вверх на высоту около 6 км простирается отрицательный, вертикально расположенный заряд, не всегда подтверждается. Малан [420] обнаружил, что для гроз Южной Африки на расстояниях свыше 20 км в 75% случаев изменения напряженности поля на участке отрицательные или равны нулю. Это указывает на вероятность возникновения в ряде случаев разрядов из положительно заряженной области, расположенной над уровнем изотермы Последнее обстоятельство хорошо иллюстрируется данными, полученными Уормелем [588] (табл. 34).

Таблица 34 (см. скан) Повторяемость разрядов молнии в Кембридже (Англия). По Уормелю [588]

Как следует из табл. 34, наряду с переносом отрицательных зарядов вниз при разрядах на землю, наблюдается перенос положительных зарядов в этом направлении, что указывает на существование в нижней части облака положительного заряда. При разрядах внутри облака, кроме разрядов, при которых происходит перенос отрицательного заряда вверх, наблюдается заметное число случаев переноса его вниз, что также свидетельствует о возможности существования в вершине облака отрицательного заряда, а внизу — положительного.

Исследования процесса переноса заряда при грозовых разрядах получили дальнейшее развитие в работах Китакава и др. [363]. Они установили, что среди многократных разрядов молнии на землю наблюдаются такие, которые сопровождаются длительным излучением, в пределах 40-500 мкс. В течение этого продолжительного «гибридного» разряда на землю переносится больший заряд, чем при обычном дискретном ударе. Китакава и его коллеги получили, что при дискретных разрядах переносится на землю в среднем 2,5 Кл и происходит изменение электрического момента на При гибридных разрядах переносится 2,7 Кл и происходит изменение момента на Для многократного дискретного разряда общий средний заряд составляет 19,4 Кл, а среднее изменение момента Соответственно для многократного гибридного разряда было получено Максимальный заряд и момент оказались соответственно равными 79 Кл и . Упомянутые авторы, так же как

Малани Шонланд [422], получили, что каждый последующий разряд происходит с более высокого уровня, чем предыдущий. Так, среднее изменение уровня для дискретных разрядов составляло 0,3 км, а для интервалов длительного излучения наиболее часто изменения высоты находились в пределах 0,9-1,6 км. Брук и др. [246] пришли к выводу, что участок который, согласно Малану и Шонланду [422] и др., связан с процессом переноса зарядов внутри облака, также может быть связан с длительным током на землю. Брук и др. считают, что большие скачки потенциала, полученные Маланом и Шонландом [422], вызваны не разрядами внутри облаков, а длительными разрядами на землю.