3.1.10. Электризация при разрушении воздушных пузырьков на поверхности воды и при таянии льда

При выходе воздушных пузырьков на поверхность жидкости происходит разрушение пленки, которое сопровождается электризацией. Кроме того, в кратер на поверхности, образующийся в момент разрушения пузырька, быстро затекает окружающая жидкость, что приводит к фонтанированию струйки, распадающейся на несколько капелек. Этот процесс также сопровождается электризацией. Однако экспериментальные исследования показали, что электризация имеет место только в случае полярных жидкостей и зависит от их диэлектрической проницаемости. Согласно Коэну и Мозеру [270], при использовании воды с обнаруживается на порядок более высокая электризация при разрушении воздушных пузырьков, чем, например, при применении ацетона с а при использовании таких веществ, как хлороформ и бензол электризация оказывается совсем слабой. При разрушении нитей из неполярной жидкости (бензол и четыреххлористый углерод) на капельках, как показали Джонас и Мейсон [351], заряды не обнаруживаются. Как механизм разрушения воздушных пузырьков на поверхности воды, так и явления электризации при этом были довольно обстоятельно исследованы (Вудкок и др. [576], Бланшар [237] и др.) в связи с вопросом об образовании гигантских ядер конденсации и проблемой электрического состояния атмосферы.

Можно представить по крайней мере два процесса в кучево-дождевых облаках, при которых происходит выделение воздушных пузырьков из гидрометеоров. При подъеме крупных капель вверх и их переохлаждении и замерзании выше уровня изотермы происходит выделение воздуха в виде пузырьков. Динджер и Ганн [281] наблюдали выделение микроскопических пузырьков при замерзании воды, в которой был растворен воздух. Это явление происходит настолько бурно, что создается впечатление «вскипания» воды, которая выливается через трещины в ледяной оболочке на ее поверхность (В. М. Мучник и Ю. С. Рудько [139]). Второй процесс, при котором происходит выделение пузырьков из гидрометеоров, имеет место при падении града и снежинок ниже уровня изотермы 0° С, когда освобождается воздух, содержащийся во льду.

Степень электризации замерзающих переохлажденных капель при вырывании пузырьков воздуха из их поверхности специально не исследовалась. Однако на основании экспериментов Мучника и Рудько можно считать, что заряды, образующиеся на замерзающей капле радиусом около 1 мм, малы и не первышают на каплю.

Динджер и Ганн [281] исследовали электризацию при таянии льда, изготовленного из свежей бидистиллированной воды. При вырывании пузырьков воздуха лед получал положительный заряд, а воздух — отрицательный. Максимальный заряд составлял Это довольно большой заряд по сравнению с зарядом

около полученным при спонтанном разрушении крупных капель воды. Электризация зависела от и скорости таяния льда: с уменьшением скорости она быстро уменьшалась. Для равновесного значения (дистиллированная вода) заряд имел наибольшее значение и быстро уменьшался с увеличением и уменьшением от 6,2. Для большего 10 и меньшего 2,5, заряд уменьшался практически до нуля. Авторы [281] также обнаружили быстрое уменьшение заряда с увеличением электропроводности воды. Большое влияние на величину зарядов оказывали даже небольшие примеси Динджер [279] обнаружил, что вообще любое загрязнение примесями сильно влияет на результаты экспериментов.

Опыты Динджер а и Ганна были повторены Метьюсом и Мейсоном [435]. Они получили, что независимо от способа изготовления снега и его чистоты при таянии электризация практически не наблюдалась. Во всяком случае, она меньше Это поразительное несоответствие в какой-то степени можно объяснить тем, что в установках Метьюса и Мейсона скорость таяния была небольшой. Кроме того, как признали авторы [435], в их опытах была возможно загрязнение льда примесями

Магоно и Кикучи [413] исследовали электризацию при таянии ледяных частиц, растущих в результате сублимации. Измерения зарядов как растаявших, так и не подвергавшихся нагреванию и таянию частиц дали следующие результаты. Частицы инея в 41% случаев имели отрицательные заряды, в -положительные, а в 34% случаев заряды не были обнаружены. Растаявшие частицы инея имели соответствующие заряды в 14, 41 и 45% случаев, так что число отрицательно заряженных капелек значительно уменьшилось, а число положительных увеличилось по сравнению с соответствующими данными для ледяных частиц. Магоно и Кикучи выполнили также опыты с изменением зарядов при таянии естественных снежинок. Они обнаружили, что в результате таяния снежинок повторяемость случаев с положительными зарядами возрастает. Но результаты этих опытов вызывают сомнение, так как авторы не исключили возможное влияние изменения градиента температуры в приборе на электризацию.

В дальнейшем Кикучи [359] предпринял попытку исследовать зависимость электризации при таянии от типа естественных ледяных частиц и от содержания в них пузырьков воздуха. Он выяснил, что все ледяные частицы при таянии преимущественно приобретают положительные заряды. При этом электризация наиболее сильно выражена у дендритов и ледяных кристаллов неправильной формы и менее сильно — у игл. При таянии естественных ледяных частиц обнаруживались пузырьки воздуха. Электризация кусочков льда, полученных искусственным путем, показала, что заряд, образующийся при их таянии, приближенно пропорционален общему объему воздуха, заключенного в пузырьках. Кикучи обращает внимание на то, что его данные получены при больших скоростях таяния ледяных частиц. Кикучи [360] установил, что отношение числа капелек с положительными зарядами, образующихся при

взрывании воздушных пузырьков, к числу капелек с отрицательными зарядами уменьшается с увеличением электропроводности воды. В частности, для грозовых дождей это отношение меньше единицы, т. е. градины и образовавшиеся из них крупные капли должны заряжаться положительно.

В опытах Мак-Криди и Праудфша [406] были созданы условия, имитирующие таяние градин при падении. Они изготовляли из дистиллированной воды ледяные сферы диаметром 16 мм, которые помещали в аэродинамическую трубу со скоростью потока около 8 м/с. В процессе таяния с градины срывались капли. При таянии льда образовывался положительный заряд около Скорость образования заряда в начале таяния была сравнительно небольшой и достигала максимума в конце таяния. Авторы [406] обнаружили, что существует хорошо выраженная зависимость величины заряда от скорости воздушного потока. При скорости потока около нуля заряд, образующийся при таянии градин, собираемых на почве, был пренебрежимо мал и быстро увеличивался для скоростей от 3 до 10 м/с. Градины размерами от горошины до виноградины получали положительные заряды При росте размеров заряд увеличивался, однако с большими колебаниями. Максимальный заряд оказался равным около При таянии прозрачных градин (с малым числом воздушных пузырьков) обнаруживались ничтожно малые заряды.

Динджер [280] обратил особое внимание на чистоту льда. В его установке кусок льда обдувался потоком воздуха со скоростью около 0,5 м/с. При изготовлении льда из трижды дистиллированной свежей воды он получал очень большие заряды: При таянии свежевыпавшего снега плотность заряда значительно меньше: При таянии льда, приготовленного из снеговой и дождевой воды, были обнаружены заряды соответственно. Динджер еще раз подтвердил существование весьма большой зависимости электризации при таянии льда даже от очень малых концентраций примесей, в том числе углекислого газа. Он получил, что при концентрациях, соответствующих равновесию с содержащимся в воздухе углекислым газом, электризация при таянии практически равна нулю.

Дрейк [286] исследовал зависимость электризации при таянии ледяных сфер радиусом 1-3 мм от скорости потока воздуха, его температуры и влажности, температуры замерзания воды и т. д. Он обнаружил четкую зависимость заряда от скорости воздушного потока: при скоростях меньше 2 м/с, когда не наблюдается конвекция в водяной оболочке тающего льда, заряды очень малы, но быстро вырастают до максимального значения при скоростях от 2 до 4 м/с. Максимальные значения плотности заряда для дистиллированной воды или слабых растворов (с концентрациями, не превышающими находятся в пределах Увеличение концентрации растворов до значений выше приводит к значительному уменьшению зарядов. Депрессивное действие сказывается только при отсутствии конвекции в тающей сфере, т. е.

при скоростях потока меньше 2 м/с. Температура и влажность воздуха действуют в такой степени, в которой они обеспечивают увеличение скорости таяния льда и возникновение конвекции в водяных оболочках ледяных сфер.

Результаты экспериментальных исследований электризации при таянии снежинок и особенно градин показывают, что при этих процессах образуются значительные заряды. Однако разные авторы приводят данные, отличающиеся друг от друга иногда на несколько порядков. Причиной таких больших расхождений являются условия, при которых происходит таяние ледяных частиц. Одним из наиболее существенных условий является возникновение в тающей частице конвекции, приводящей к постоянному обновлению воды на поверхности, что весьма существенно для электризации при вырывании пузырьков воздуха.

Процесс электризации при выделении пузырьков из тающего льда может быть объяснен образованием на поверхности пузырьков двойного электрического слоя. Из опытов по катафорезу известно, что пузырьки, выходя на поверхность и разрушаясь, могут унести отрицательный заряд с собой. При разрушении пузырька радиусом более 0,1 мм в очень чистой воде, согласно Ирибарне и Мейсону [346], образуется заряд около Надо предположить, что при таянии должно образоваться около 103 пузырьков радиусом 0,1 мм для того, чтобы удельный заряд оказался равным примерно т. е. того же порядка, что и значения, полученные Динджером и Ганном [281], а также Дрейком [286]. Большое влияние на величину зарядов оказывают примеси. При концентрации в воде образуются заряды порядка на один пузырек. Такое же действие производят примеси солей, например Если концентрации растворов меньше то заряды одного пузырька находятся в пределах т. е. приближаются к значениям для чистой воды.

Такахаши [541] пытается дать другое объяснение. Вследствие различий в концентрациях и подвижностях ионов и в воде и льду при таянии должно происходить их разделение таким образом, что в воде окажется избыток а во льду — избыток Из вычислений Такахаши получил, что разность потенциалов должна быть равна 0,15 В, а из экспериментов по таянию льда, взятого из ледника Менденхолл на Аляске, им была получена максимальная разность потенциалов между водой и льдом, равная около 0,11 В. Для этого случая поверхностная плотность зарядов оказалась равной приблизительно

Если сопоставить такие, казалось бы, совершенно разные механизмы, как электризация при замерзании слабых растворов и при разрушении, например, пузырьков на поверхности этих растворов, то обнаружится заметный параллелизм. Так, для них характерна одинаковая зависимость интенсивности электризации от электропроводности растворов. Это говорит в пользу представления И. М. Имянитова и др. [74] о том, что баллоэлектрические эффекты — это не что иное, как специфические проявления контактных

механизмов электризации. Таким образом, все механизмы электризации, рассмотренные в разделах 3.1.3-3.1.10, можно отнести к механизмам контактной электризации.