3.1.1. Электропроводность и диэлектрическая проницаемость воды в жидкой и твердой фазах

На процессы переноса зарядов в воде в жидкой и твердой фазах оказывает значительное влияние ее электропроводность и диэлектрическая проницаемость. Поэтому перед тем, как перейти к рассмотрению процессов электризации, остановимся на этих вопросах.

Как известно, вода и лед обладают электропроводностью, сильно зависящей от примесей. В чистой воде электропроводность обеспечивается ионами образующимися вследствие диссоциации молекул воды. В тщательно очищенной от примесей воде при температуре 25°С находится Измерения показали, что электропроводность тщательно очищенной воды равна Из расчетов было получено, что для чистой воды что находится в хорошем согласии с данными измерений. Бидистиллированная вода обычно имеет Диэлектрическая проницаемость воды весьма велика: в постоянном электрическом поле она равна

Дождевая вода имеет всегда значительно большую электропроводность, чем бидистиллированная вода. В ней обнаруживаются многие химические вещества, в первую очередь хлориды, сульфиды и сульфаты, а также нитраты и нитриты и ряд других соединений. Это происходит вследствие того, что капельки в облаках образуются на ядрах конденсации, большинство из которых имеет морскую природу или представляет собой продукты сгорания как естественного, так и искусственного происхождения. Кроме того, капли при падении вымывают примеси из атмосферы. По измерениям Т. Г. Бондаренко [15], дождевая вода имеет электропроводность в основном от до с максимумом повторяемости от до . В среднем электропроводность воды не зависит от типа дождя, за исключением грозового, для которого она значительно выше. Причина этого не ясна, так как в грозовых дождях не обнаружено какого-либо увеличения общего содержания примесей.

Из сопоставления данных для чистой и дождевой воды следует, что электропроводность за счет ионов диссоциации составляет небольшую часть электропроводности, обусловленной ионами примесей. Как показала Т. Г. Бондаренко [15], электропроводность, рассчитанная по данным об ионах примесей, в пределах 2—3% совпадает с экспериментальными данными. Е. С. Селезнева [168] получила, что существует линейная связь между минерализацией (содержанием примесей в и электропроводностью осадков, которая в какой-то степени зависит также от (концентрации водородных ионов).

Данных об электропроводности облачной воды вообще очень мало, но можно сделать вывод, что она незначительно отличается от электропроводности дождевой воды. Заборы проб в облаках в Ленинградской области на высотах 500-1000 м позволили получить значения электропроводности облачной воды в пределах и одно аномально-высокое значение: Дроздова и др. [40]).

Исследований электропроводности льда также очень мало, а исследования атмосферного льда вообще отсутствуют. Электропроводность чистого льда (для постоянного тока) при температуре около 0°С таким образом, она близка к электропроводности чистой воды при этой температуре. С понижением температуры электропроводность льда уменьшается. С увеличением частоты переменного тока электропроводность льда увеличивается. Причина этого заключается в появлении некоторой дополнительной электропроводности, обусловленной, по-видимому, особенностями электронной, дипольно-релаксационной и упругодипольной поляризации молекул. Изменение знака поляризации молекул сопровождается рассеянием электрической энергии.

Рассеяние электрической энергии в переменном поле сказывается и на величине диэлектрической проницаемости. Так, если диэлектрическая проницаемость льда в постоянном электрическом поле при температуре около 0°С приближается к ее величине для

воды, т. е. к то в переменном поле и при более низких температурах она может принимать намного меньшее значение. Для сравнительно низких частот существует хорошо выраженная зависимость диэлектрической проницаемости от температуры. Если при то при понижении температуры до . В то же время для сравнительно высоких температур наблюдается отчетливая зависимость диэлектрической проницаемости от частоты. Так, при и Однако эта зависимость нарушается для частот порядка Гц и выше. По-видимому, при столь больших частотах время перемены направления поля имеет тот же порядок, что и время установления дипольно-релаксационной поляризации молекул, что приводит к изменению характера их поляризации.

Необходимо учитывать, что как на электропроводность, так и на диэлектрическую проницаемость льда оказывают значительное влияние примеси. Химический анализ воды в твердой фазе (града, снега, изморози и т. п.) обнаружил в ней те же примеси и примерно в тех же концентрациях, что и в жидкой воде. Этого следовало ожидать, так как, согласно современным воззрениям, до образования твердой фазы вода всегда проходит стадию конденсации на ядрах конденсации.

Благодаря достаточно большой электропроводности льда электрические процессы, например распределение свободных зарядов по поверхности, протекают на ледяных частицах так же, как и на жидких каплях. Для оценки времени релаксации, необходимого для протекания процесса, можно использовать выражение (51). Подставляя в (51) значения для льда при Гц, а именно [180], получаем Рассмотрим время релаксации заряда на ледяной сферической частице, находящейся в газовой среде с проводимостью k. Согласно Френкелю [186], это время релаксации также определяется выражением (51). В атмосфере на уровне изотермы —10° С, который для умеренных широт летом соответствует высоте около электропроводность имеет порядок . В грозовых облаках она составляет Подставляя эти значения в (51) и учитывая, что для воздуха получаем т. е. оно на 2—4 порядка больше времени релаксации, необходимого для равномерного распределения зарядов до поверхности ледяной частицы.