2.2.5. Восстановление электрического поля после грозовых разрядов. Проводимость в грозовых облаках

При грозовых разрядах происходит уменьшение электрического момента в грозовых облаках, т. е. нейтрализация зарядов и соответственное уменьшение напряженности электрического поля. Вслед за этим начинается восстановление зарядов в облаке, а вместе с тем и поля. Под облаками в области осадков из-за больших объемных зарядов (обязанных осадкам икоронированию) изменение поля после разряда происходит по весьма сложным законам. На значительных расстояниях, где объемные заряды под облаком сказываются слабо, восстановление поля происходит по экспоненциальному закону. Вначале напряженность поля растет весьма быстро, а затем замедляется, приближаясь к своему прежнему значению. Уормель [587] установил, что время релаксации для восстановления поля для гроз, удаленных от места наблюдения более чем на 15 км, составляет в среднем 7 с.

Рис. 47. Схема распределения зарядов в грозовом облаке. Согласно Вильсону [572] и Уормелю [587], механизм восстановления поля в грозовых облаках заключается в следующем. В облаке в результате генерации зарядов к какому-то моменту времени накапливаются большие и одинаковые заряды обоих знаков, равномерно распределенные по всему объему. Заряды одного знака находятся на гидрометеорах, а противоположного — в окружающем их воздухе (рис. 47). Гидрометеоры переносят заряд вниз

с постоянной относительной скоростью Вследствие этого граница отрицательных зарядов переносится за время на расстояние На такое же расстояние смещается и верхняя граница, где образуется такой же слой с положительными зарядами. Между этими слоями, как между обкладками плоского конденсатора, образуется электрическое поле. Поле будет действовать против гравитационных сил, так что образование зарядов и прирост напряженности электрического поля будут замедляться. Оказывается, что при таком предположении замедление процесса образования заряда происходит по экспоненциальному закону. Но предположение о влиянии электрических сил на скорость падения гидрометеоров (капель, градин) не соответствует действительности, так как при напряженностях поля, которые, как показали непосредственные измерения, наблюдаются в грозовых облаках, изменение скорости падения крупных частиц незначительно.

Более правильным является представление Имянитова [77]. Если принять, что генерация гидрометеоров с зарядом происходит по всему объему облака V с постоянной интенсивностью то скорость накопления заряда в столбе с площадью сечения, равной единице, можно представить выражением

В (47) первый член справа представляет собой линейную скорость накопления зарядов в области толщиной определяемую скоростью разделения зарядов в облаке. Второй член характеризует потери заряда вследствие проводимости к, а третий член — потери вследствие турбулентности, которые приблизительно равны

где коэффициент турбулентности; плотность объемного заряда.

Решая уравнение (47), получим

Как указывает Имянитов, турбулентность в облаках играет ту же роль, что проводимость, и поэтому на основании (49) можно определить эффективное время релаксации для скорости восстановления зарядов и полей после разряда молнии:

Скорость падения крупных капель около время релаксации около 7 с, поэтому Можно считать, что в грозовых облаках Имянитов [57], Эванс [293]). Отсюда тогда как значение для грозовых облаков

имеет порядок Необходимо также учесть, что крупные частицы не увлекаются целиком воздухом и значение выноса заряда должно быть значительно меньше, чем при предположении о полном увлечении. Поэтому для активных гроз можно пренебречь значением выноса заряда за счет турбулентности по сравнению с его уменьшением за счет проводимости. Следовательно, в грозовых облаках кривая восстановления характеризуется практически только скоростью генерации и разделения зарядов и их рассеянием благодаря проводимости, а время релаксации целиком определяется только проводимостью, т. е.

Из (51) следует, что на основании определения по кривой восстановления при условии, что влияние объемных зарядов под грозовыми облаками невелико, и в предположении о сравнительно простом строении грозовых облаков — монозарядном или дипольном — можно найти значение проводимости в грозовых облаках.

Тамура [545] обратил внимание на особенности хода кривых восстановления у поверхности земли после разрядов в грозовых облаках и на их зависимость от расстояния. В дальнейшем типизацию этих кривых выполнил Смит [526] (рис. 48).

Рис. 48 Изменения напряженности электрического поля при разрядах внутри облаков и на землю для разных расстояний По Смиту [526]. Расстояния: 1 — близкие, 2 — промежуточные, 3 — дальние.

Как видно из этого рисунка, на близких расстояниях от грозовых облаков не существует каких-либо заметных различий в ходе кривых для разрядов на землю и внутри облаков. На некотором расстоянии происходит изменение полярности скачка потенциала. Для близких расстояний (до 3 км) скачки велики — в среднем около а для значительных расстояний (около 20 км) эти скачки составляют примерно

Таблица 35. Зависимость времени релаксации электрического поля для грозовых разрядов на землю от расстояния, по данным наблюдений в Йоханнесбурге. По Малану [421]

На изменение времени релаксации с расстоянием (табл. 35) не могут оказывать влияние процессы восстановления главных зарядов после их нейтрализации при разряде. Поэтому Тамура [545] предположил, что, кроме главных зарядов, существует еще объемный заряд над облаком, который создает дополнительную компоненту поля, зависящую от расстояния. Смит [526] нашел для средних значений связь между временем релаксации и скачком потенциала после разряда

Смит подчеркивает, что эта формула верна только для средних значений. Он обнаружил отчетливые различия хода кривых восстановления для близких гроз на двух станциях, находящихся друг от друга на расстоянии 50 м. Кривые восстановления перестают быть плавными, на них видны колебания, которые можно приписать флуктуациям объемного заряда. Особенно значительными эти флуктуации оказались в период интенсивного ливня.

Чтобы избежать искажений, обусловленных приземным объемным зарядом, И. М. Имянитов [57] предложил проводить измерения на самолете. Измерения, выполненные в районе Кавказа, позволили получить значения времени релаксации поля после ударов молний (табл. 36).

Таблица 36. Вероятностное распределение иремени восстановления поля.

По И. М. Имянитову [57]

Как следует из табл. 36, вероятность случаев с временем релаксации поля, равным в среднем 4,9 с, быстро уменьшается с увеличением времени. В дальнейшем Имянитов [60], анализируя данные для юга Европейской территории Советского Союза, получил несколько меньшее среднее значение времени релаксации — 3,6 с. По этим данным число случаев с с составляет 5% общего числа случаев. Если считать, что то на основании (51) проводимость в грозовых облаках оказывается порядка Согласно Имянитову, наименьшее значение времени релаксации примерно 1 с, а наибольшее не превышает 33 с. Таким образом, средняя проводимость в грозовых облаках может лежать в пределах

Так что можно полагать, что в отдельные моменты времени в ограниченных объемах пространства проводимость в грозах может быть около и больше. Необходимо отметить, что над грозовыми облаками на ход кривых восстановления поля оказывает некоторое влияние экранирующий заряд над облаком Камалдина [78а]).

Попытка определить величину проводимости по данным измерений времени релаксации поля после разрядов молнии у поверхности земли была предпринята Фрайером [302] для дипольной модели грозового облака. Он провел наблюдения над изменением поля после грозовых разрядов в Нью-Мексико (США) и определил время релаксации поля для ряда случаев на основании этой модели. Фрайер получил значение с и среднее значение Интерпретируя данные наблюдений Уормеля [587] подобным образом, он получил Таким образом, Фрайер также пришел к выводу, что проводимость в грозовых облаках высока.

Представление о том, что в грозовых облаках, в отличие от облаков других форм, проводимость по крайней мере на порядок выше, чем в окружающей безоблачной атмосфере, вызвало возражения. Чалмерс [261] указал, что Фрайером не учтены объемные заряды, возникающие благодаря коронному разряду с поверхности земли, которые на близких расстояниях будут влиять на ход кривой восстановления поля. Но при наблюдениях на больших расстояниях на поверхности земли и с самолета кривая восстановления правильно отображает основные процессы восстановления поля внутри облаков, так что результаты, полученные Имянитовым и Фрайером, бесспорны, хотя и требуют уточнения.

При рассмотрении вопроса о природе повышенной проводимости в грозовых облаках высказывались предположения о зависимости проводимости от напряженности электрического поля. Так, при критическом значении напряженности поля начинается коронный разряд с частиц, ток с которых является функцией напряженности поля выше критической (см., например, [138, 203, 303]). В. М. Мучник [126] предположил, что проводимость является функцией напряженности поля, т. е. так как число легких ионов, образующихся при дроблении капель в электрическом поле, пропорционально его напряженности. Такого рода представления вызвали сомнение в законности определения проводимости по кривой восстановления поля. Однако Фрайер [303] пришел к выводу, что, несмотря на нарушение закона Ома, по времени релаксации восстановления поля после разряда можно правильно оценить величину проводимости в грозовых облаках.

В связи с различиями во мнениях относительно величины проводимости в грозовых облаках большое значение имеют непосредственные ее измерения. Такие измерения были проведены Эвансом [293] (Аризона, США). Он использовал зонды, сбрасываемые с самолета в вершины грозовых облаков. Измерения проводимости ограничивались значениями Эванс считает,

что точность измерений находилась в пределах 50%. В активных грозовых облаках высотой около 9 км была получена максимальная проводимость Из данных Эванса следует, что в грозовых облаках существуют зоны повышенной проводимости. В двух случаях наблюдений, когда на двухкилометровом пути падения зонда поле мало изменялось, было получено 10- и 100-кратное превышение проводимости внутри облаков над ее значением вне облаков. Весьма интересным является почти параллельный ход градиента потенциала и проводимости, обнаруженный в этих наблюдениях. При измерениях в негрозовых облаках значения проводимости оказались малыми, что указывает на правильность методики измерения