3.1.6. Электризация при соударении крупных ледяных частиц с переохлажденными капельками и ледяными кристаллами

В предыдущих разделах (3.1.3, 3.1.4 и 3.1.5) были рассмотрены механизмы электризации при соударении ледяных частиц друг с другом, ледяных частиц с переохлажденными каплями и при разрушении замерзающих капель. Как уже указывалось выше, первый механизм может иметь место только в верхних частях наковален кучево-дождевых облаков. Второй и третий механизмы электризации могут проявляться в областях как сухого, так и мокрого роста ледяных частиц. Но особенно часто в нижней части области сухого роста и в верхней части области мокрого роста должно происходить соударение крупных ледяных частиц (града, ледяной крупы) со смесью ледяных кристаллов и переохлажденных

капелек, которые содержатся там в больших концентрациях. При таких соударениях процесс электризации должен быть весьма сложным, поскольку одновременно может происходить электризация при контактах ледяных частиц между собой и с переохлажденными капельками и электризация при разрушении капель на поверхности крупных ледяных частиц. Поэтому опыты по электризации при имитации подобных условий представляют значительный интерес.

Ряд опытов в большой холодильной камере с контролируемыми условиями был выполнен Рейнольдсом и др. [486]. На конце горизонтального коромысла помещалась небольшая сфера, имитирующая ледяную крупу; линейная скорость вращения составляла 7,5-9 м/с.. В камере создавалось облако из переохлажденных капелек или ледяных кристаллов, или их смеси. Водность облака регулировалась в пределах концентрация ледяных кристаллов При концентрациях ледяных кристаллов от и значительной водности крупа заряжалась отрицательно; если же концентрация находилась в пределах и облако состояло в основном из ледяных кристаллов, то крупа заряжалась положительно. В среднем заряды, образовавшиеся при одном соударении ледяного кристалла с пробным телом, составляли около Заметных изменений в размере ледяных кристаллов до и после соударения с крупой не было обнаружено, что указывало на отсутствие их разрушения. Поэтому авторы [486] предположили, что основной эффект электризации связан с различием в температурах крупы и ледяных кристаллов. При большой водности переохлажденные капельки, замерзая на поверхности льда, выделяют большое количество тепла, так что ледяные кристаллы имеют более низкую температуру, чем лед, и пробное тело заряжается отрицательно. Действительно, если в опытах с образованием больших положительных зарядов нагревали поверхность пробного тела, то знак заряжения изменялся на отрицательный.

При повторении таких опытов (Хатчинсон [341]) были получены диаметрально противоположные результаты. Так, когда при температуре в камере —18° С и скорости соударения около 10 м/с концентрация капелек превышала концентрацию кристаллов, пробное тело заряжалось положительно, а при малой концентрации капелек — отрицательно. Средняя величина зарядов оказалась равной на одно соударение. В этих опытах не было исключено влияние углекислоты, которая могла поглощаться капельками и льдом. Кроме того, не была известна температура поверхности льда пробного тела. Так что условия в описанных опытах могли несколько отличаться друг от друга, и это является еще одним указанием на большое влляние свойств поверхности на процессы электризации при контакте ледяных частиц.

Рейнольде и др. [486] провели также опыты со льдом, содержащим посторонние включения. В камеру впускался в виде дыма. Это приводило к образованию капелек с концентрацией около

тогда как ледяные кристаллы состояли из чистой воды. В результате пробное тело заряжалось отрицательно независимо от соотношения концентраций водяных капелек и ледяных кристаллов и температуры. Когда примеси вносились в виде пара или и влияли на чистоту как капелек, так и ледяных кристаллов, знак электризации становился неопределенным. Причина этого заключалась в неопределенности захвата примесей капельками и кристаллами в каждом отдельном опыте. Из опытов Рейнольдса следует, что электризация при соударении ледяных частиц зависит как от разности их температур, так и от различий в концентрации и химическом составе примесей в них.

Рейнольде и др. [486] для объяснения результатов своих опытов привлекли представление о нагревании ледяных частиц вследствие асимметричного трения и за счет тепла кристаллизации переохлажденных капелек. Они считают, что знак и величина разделяющихся зарядов зависят от разности температур ледяных частиц.

Существование различия электризации при соударении ледяных кристаллов в смеси с переохлажденными капельками и без них с ледяной поверхностью подтверждается и другими экспериментальными данными, например данными Кюттнера и Лавой [371]. Когда на пробник из льда попадали только снежинки, то наблюдалось слабое положительное заряжение. Если же на пробник попадали переохлажденные капельки и снежные кристаллы, то заряжение пробника было интенсивным и в 100% случаев отрицательным. Это согласуется с опытами Рейнольдса, так как число ледяных кристаллов, поднятых с поверхности снежного покрова, вряд ли превышало

В опытах Магоно и Такахаши [419], описанных в разделе 3.1.3, кроме исследований электризации при соударении пробного тела с ледяными кристаллами, изучалась электризация при одновременном соударении пробного тела с ледяными кристаллами и переохлажденными капельками. Было получено, что в этом случае заряды увеличивались на один-два порядка; это находится в согласии с опытами Рейнольдса и др. [486]. Магоно и Такахаши обнаружили, что нарастание инея на пробном теле в пределах от до является важной составляющей механизма электризации льда при соударении смеси переохлажденных капелек и ледяных частиц. Они считают, что если температура достаточно низкая, а водность достаточно высокая, то на поверхности пробного тела образуется иней с кристаллической структурой. Если же температура недостаточно низкая или скорость образования инея мала, то на пробном теле возникает твердый и гладкий покров, как это следует из микрофотографий. Отрицательная электризация характерна для благоприятных условий образования инея с тонкой кристаллической структурой, тогда как положительная электризация имеет место при таких условиях, когда наблюдается стекловидная поверхность льда. Следовательно, механизм интенсивного заряжения связан в первую очередь с разруцгением веточек инея, причем их температура сама по себе не играет роли; существенное значение

имеет градиент температуры. Механизм положительной электризации при температурах выше —10° С заключается в срывании пленки жидкой воды, что находится в согласии с представлениями Воркмена и Рейнольдса [584] о разделении зарядов при замерзании чистой воды.

Следует заметить, что Мейсон [116] ставит под сомнение результаты, полученные Рейнольдсом. Он указывает на то, что напряженность поля на поверхности ледяного кристалла при заряде Кл должна превышать 108 В/м и разряд между поверхностями градины и кристалла должен начаться раньше, чем напряженность поля сможет достигнуть такой величины. Кроме того, Мейсон указал, что этот заряд почти на три порядка больше общего заряда всех носителей, которые могут присутствовать в кристалле из чистого льда. Если даже учесть возможность появления дополнительных носителей в результате асимметричного нагрева кристалла при трении и если даже он нагреется до 0°С, то и тогда общий заряд носителей окажется на порядок меньше, чем заряд, полученный Рейнольдсом.

Критика Мейсона кажется недостаточно обоснованной. Для образования пробоя между телами, находящимися на расстояниях, меньших радиуса наименьшей частицы, требуется напряженность поля, значительно превышающая 108 В/м (Лезем и др. [379]). Поэтому разряд между градиной и ледяным кристаллом возможен только тогда, когда расстояние между ними очень мало, но не меньше длины свободного пробега молекул газа. Что касается второго замечания, то Мейсон исходит исключительно из теории электризации льда под действием температурного градиента, тогда как это не единственная и, по-видимому, не основная причина разделения зарядов в опытах Рейнольдса. В экспериментах Лезема и Мейсона [381], Рейнольдса и др. [486] имеют место совершенно разные механизмы электризации, и результаты этих опытов не следует сопоставлять без соответствующих оговорок, как это делают Мейсон [116] и Брук [17]. Действительно, в опытах Лезема и Мейсона ледяные кристаллы соударяются с ледяной поверхностью, тогда как в опытах Рейнольдса и др. происходит соударение смеси переохлажденных капелек и ледяных кристаллов с ледяной поверхностью. Именно в этом состоит основное различие между опытами. Для случая соударения только ледяных кристаллов с ледяной поверхностью Рейнольде, с одной стороны, Лезем и Мейсон — с другой, получают сходные результаты.

Можно предложить объяснение, базирующееся на особенности, которая является характерной для электризации при одновременном соударении переохлажденных капелек и ледяных кристаллов с ледяной поверхностью. При обильном поступлении первых и вторых возможен следующий процесс. Когда на ледяную поверхность попадает переохлажденная капелька, происходит ее быстрая кристаллизация с выделением тепла, которое нагревает ее до Если в этот момент на поверхность замерзающей капельки попадет ледяная частица, то между ними возникнет весьма тесный контакт.

Часть заряда, образующегося при замерзании капельки благодаря эффекту Воркмена-Рейнольдса, поступит на эту ледяную частицу, причем тем большая часть, чем больше емкость частицы, т. е. размеры. Если контакт временный, то частица унесет с собой указанный заряд. Так как лед по отношению к воде имеет положительный потенциал, эта частица тоже должна заряжаться положительно, а ледяная поверхность — отрицательно, что согласуется с данными опытов Рейнольдса и др. [486], Магоно и Такахаши [419]. Если предположить, что контактная разность потенциалов вода—лед равна 1 В, а частица льда сферическая с радиусом 10 мкм, то она должна унести заряд порядка при радиусе Эти заряды оказываются примерно того же порядка, что и заряды, полученные в опытах Рейнольдса и др., Магоно и Такахаши, несмотря на специальный выбор для оценки сравнительно малого значения разности потенциалов вода—лед.

Из экспериментов Чарча (см. в [294]) следует, что описанный выше механизм может иметь место при соударении и временном контакте замерзающих капелек с холодной ледяной поверхностью. При падении капелек радиусом 150 мкм через столб воздуха с мельчайшими кристалликами при температуре —23° С и при соударении с ледяной поверхностью последняя получала средний заряд капелькам радиусом 90 мкм соответствовал заряд Капельки не обнаруживали следов разрушения. Если же капельки не замерзали, то они расплывались по поверхности. Обнаруживались отдельные капельки радиусом до но ледяные кристаллы отсутствовали. При температуре пробного тела около —13°С и температуре капелек около —3° С тело получало отрицательный заряд порядка Если температура капелек была выше 2° С, то заряд был положительным и в среднем составлял

Из проведенного выше анализа механизмов электризации при соударении ледяных частиц и переохлажденных капелек с поверхностью льда вытекает, что наиболее интенсивным из них является механизм электризации при одновременном соударении ледяных частиц и переохлажденных капелек с поверхностью льда. Этот механизм является комплексным. Можно полагать, что основную роль здесь играет активация протонов под влиянием градиента температуры, механической энергии и процессов, протекающих на границе вода—лед при кристаллизации. Необходимо отметить, что, согласно современным воззрениям, присутствие в воде примесных ионов также сказывается на активации протонов и тем самым на электризации. Знак и интенсивность электризации зависят от соотношения между собой указанных процессов, действующих в том или ином направлении на активацию протонов.