2.2.7. Токи с острий под грозовыми облаками

Градиент потенциала на поверхности земли под грозовыми облаками может достигать высоких значений. Вследствие этого происходит коронирование с высоких остроконечных предметов (кустарников, деревьев) и образование ионизационных токов. Первым обратил на это внимание Вильсон (см. в [179]), который поместил земляной блок, покрытый травяным покровом, в электрическое поле. При градиентах потенциала, близких к наблюдаемым под грозовыми облаками, он измерял значительный ток коронирования.

Измерения токов с естественных острий — деревьев и т. п. — имеют свои трудности, так как приходится изолировать деревья от земли. Поэтому возникла необходимость в замене естественных острий эквивалентными по своему действию искусственными остриями. Специальные параллельные исследования в лабораторных условиях с естественными (ветками, листьями и т. п.) и искусственными остриями (металлическими стержнями с заострениями на конце) в электрическом поле показали, что при одинаковой длине они имеют примерно одинаковые значения потенциалов, при которых с них начинает течь коронный ток.

Изучение зависимости тока с острия от градиента потенциала привело к выводу, что между ними существует связь, которую можно приближенно выразить квадратичным законом. Для теоретического обоснования этой связи был предпринят ряд попыток. Чалмерс [260] получил выражение для тока

ранее уже полученное им, но с эмпирическими постоянными. В (54) разность потенциалов на большом расстоянии от места измерения на высоте острия и на его конце (при этом потенциал на конце острия принимается равным потенциалу земли); скорость ветра. Согласно теории для постоянных получены следующие значения: Здесь диэлектрическая постоянная; подвижность ионов, принимаемая равной высота острия. Сопоставление расчетного значения с экспериментальными значениями, полученными разными авторами, выявило, что в большинстве случаев результаты согласуются, хотя для данных Киркмана и Чалмерса [362] расхождение достигало целого порядка величины. Однако, несмотря на такое расхождение, Чалмерс [260] считает, что выражение (54) с полученным им теоретическим значением более достоверно, чем выведенные ранее выражения для тока с острия.

Непосредственные измерения токов коронирования при грозах были выполнены Уормелем [586] в Кембридже (Англия) с помощью металлического острия, установленного на высоте около 12 м в поле, окруженном высокими деревьями, которые находились не ближе 70 м. При градиентах потенциала, превышающих 800 В/м, наблюдался значительный ток коронирования, причем суммарный положительный ток за время одной грозы превышал отрицательный. Уормель подсчитал, что за время прохождения одной грозы количество положительного электричества, истекающего из острия, достигает Считая, что ток с острий равен току с естественных предметов, Уормель пришел к выводу, что под центральной частью грозы плотность тока истечения должна составлять не меньше Максимальный ток с острия оказался равным 15 мкА. Для Кью (Англия) Уипл и Скрейз [568] получили, что при градиентах потенциала под грозовыми облаками ток с острия соответствующего знака может достигать . Симпсон [522], используя данные наблюдений в пришел к выводу, что плотность тока под центральной частью грозового облака равна

Михновский [443] в Швидере (Польша) измерял ток с острия, установленного на высоте При близких грозах он получил экстремальные токи Для близких гроз отношение заряда, перенесенного положительным током, к заряду, перенесенному отрицательным током, было больше единицы, а для всех случаев гроз — близких и отдаленных — оно оказалось равным 1,5.

Параллельные измерения токов с изолированного от земли дерева высотой 4 м и с острия были проведены в Южной Африке

Шонландом [506]. На основании этих измерений он принял, что под центральной частью грозового облака среднее значение тока с одного дерева равно 0,8 мкА. При этом оказалось, что отрицательный ток с дерева был пренебрежимо мал по сравнению с положительным. Для предполагаемой густоты деревьев, отстоящих друг от друга на 5 м, Шонланд получил, что плотность суммарного тока под грозой равна Зависимость тока с острия от напряженности поля для установки Шонланда иллюстрируется табл. 37.

Таблица 37

Зависимость тока с острия от напряженности поля при близкой грозе. По Шонланду [506]

Данные табл. 37 согласуются с формулой (54).

Перри и др. [468] измеряли ток с острия в Нигерии. В среднем при грозах отток положительных зарядов превышает приток примерно в 2,5 раза. Сиварамакришнан [525] провел в Пуне (Индия) измерения тока с острия, установленного на высоте 17,8 м; измерения показали, что под грозой плотность тока истечения находится в пределах Эти значения оказались значительно более низкими, чем полученные другими авторами.

Согласно В. В. Зыковой [54], в Южно-Сахалинске при грозах отток положительных зарядов из острия в 3,5 раза больше притока.

Для получения значений токов с деревьев, находящихся в естественных условиях, Маунд и Чалмерс [437] разработали способ измерений, не требующий изоляции дерева от земли. Они обнаружили, что ток коронирования с дерева значительно меньше, чем было получено ранее. Мильнер и Чалмерс [445] провели измерения тока коронирования с деревьев еще одним способом, не нарушающим их естественного состояния. Они получили аналогичные результаты. Обнаружилось также, что при быстрых изменениях поля, вызванных грозовыми разрядами, колебания тока с дерева вообще отличаются от таковых для острия (Чалмерс [260]).

М. Н. Герасимова [33] измеряла ток с острия, установленного на Эльбрусе на высоте 4250 м. При близкой грозе наблюдался максимальный ток до 152 мкА, т. е. значительно больший, чем на равнине. Причинами этого являются пониженное давление и более высокое значение градиента потенциала. При близких грозах отток положительных зарядов с острия значительно превышал их приток.