2.2.8. Объемные заряды

При рассмотрении вопроса об объемных зарядах в грозовых облаках следует отличать суммарный заряд данного объема, создаваемый всеми носителями, находящимися в нем, от объемного заряда,

создаваемого зарядами только гидрометеоров. Нас будет интересовать именно суммарный заряд, так как электрическое поле в грозовых облаках обусловливается распределением объемных зарядов. Поскольку отсутствуют данные непосредственных измерений суммарного объемного заряда в грозовых облаках (известно только небольшое число измерений зарядов гидрометеоров, о которых уже упоминалось), по распределению напряженности поля, используя уравнение Пуассона, можно найти величину объемных зарядов, если можно пренебречь горизонтальными составляющими поля:

Здесь объемный заряд; напряженность поля; высота.

На основании многочисленных исследований в мощных кучевых и грозовых облаках И. М. Имянитов [61] получил данные об объемных зарядах и скорости их накопления (табл. 38).

Таблица 38 (см. скан) Объемные заряды и скорость их накопления в мощных кучевых и грозовых облаках. По И. М. Имянитову [61]

Из табл. 38 следует, что для грозовых облаков характерны большие средние объемные заряды и особенно большие скорости их накопления. Можно полагать, что экстремальные значения, которых может достигать плотность объемного заряда в малых объемах, достаточны для инициирования грозовых разрядов.

Весьма существенным является вопрос о напряженности поля, при которой происходит начальное образование разряда. Предполагается, что для дальнейшего развития молнии требуется значительно меньшая напряженность поля. И. М. Имянитов и Т. В. Лободин [67] считают, что для возникновения молнии достаточна напряженность Максимальная измеренная напряженность поля при ударе молнии оказалась равной примерно так как нет оснований полагать, что измерения были выполнены именно в том объеме, где инициировался разряд, можно считать, что действительное значение лежит где-то между 106 и

Размеры областей инициирования грозовых разрядов должны быть значительно меньше размеров основных заряженных областей.

Отдельные грозовые ячейки имеют по горизонтали не более 10 км, поэтому предполагается, что размеры основных областей зарядов в них не превышают нескольких километров. Объемы с максимальной плотностью зарядов, где происходит инициирование молний, должны быть еще на порядок меньше, т. е. их линейные размеры составляют несколько сотен метров. Исследования этого вопроса были выполнены Имянитовым и Лободиным [67] по измерениям электрического поля и собственного заряда самолета ТУ-104 при полетах в двух активных и 25 разрушающихся грозовых облаках (табл. 39).

Таблица 39 (см. скан) Повторяемость зон неоднородности в грозовых облаках.

По И. М. Имянитову и Т. В. Лободину [67]

Согласно табл. 39, в зрелых грозовых облаках существуют зоны неоднородности с размерами примерно до 2000 м; максимальной повторяемостью характеризуются зоны размером 200-400 м. В процессе распада грозовых облаков ширина зон растет. Так, максимум повторяемости перемещается на интервал 400-600 м. Как указывают авторы [67], в мощных кучевых облаках размеры зон в основном не превышают 500 м, а максимум повторяемости приходится на интервал 50-100 м. Таким образом, по мере развития облаков от мощных кучевых к грозовым происходит увеличение размеров зон неоднородности.

Следуя [67], вычислим плотность объемного заряда в зоне неоднородности, достаточную для образования напряженности пробоя Пусть зона неоднородности представляет собой сферу радиусом 100 м; тогда плотность объемного заряда равна около Таким образом, плотность объемного заряда в зонах неоднородности грозовых облаков должна быть на один-два порядка выше средней.

В связи с отсутствием измерений объемного заряда в грозовых облаках в свободной атмосфере представляют интерес измерения М. Н. Герасимовой [33] на Эльбрусе на высоте 4250 м. Экстремальные значения плотности объемного заряда, измеренной ею при слабой грозе, оказались равными и находятся в пределах данных, полученных для гроз другими методами (см. табл. 38).