3.2.6. Коронный разряд на каплях и ледяных частицах как причина электризации гидрометеоров

В сильных электрических полях грозовых облаков возможно образование коронного разряда на гидрометеорах, как жидких, так и твердых. В результате может возникнуть целый ряд процессов, весьма существенных для образования и разделения зарядов в грозовых облаках. Так, потоки электронов и ионов при коронном разряде являются источником высоких концентраций легких ионов в воздухе. В случае одностороннего коронного разряда должно происходить интенсивное заряжение гидрометеоров. Поэтому существенно рассмотреть, какие элементарные процессы могут привести к возникновению коронного разряда в грозовых облаках.

В электрическом поле сферическая капля преобразуется в эллипсоид, причем тем более вытянутый, чем больше напряженность поля. Кроме того, в сильных полях на полюсах эллипсоида образуются заострения.

При определенном вытягивании капли и малом радиусе кривизны на концах капли поле оказывается достаточным для возникновения коронного разряда, особенно при уменьшении давления. При сближении двух крупных капель в электрическом поле создаются условия, которые облегчают возникновение коронного разряда на концах этих капель.

В случае ледяных гидрометеоров сферической формы также можно ожидать возникновения коронного разряда, но при более высоких значениях напряженности электрического поля из-за отсутствия искривления поверхности под действием сил поля. Однако твердые гидрометеоры сферической формы редко имеют идеально гладкую поверхность; как правило, на них появляются всякого рода выпуклости, рога и т. п. Для твердых гидрометеоров продолговатой или пластинчатой формы существуют благоприятные условия для возникновения коронного разряда в электрическом поле, особенно если отношение осей велико и длинная ось имеет то же направление, что и электрическое поле. Весьма легко должен возникать коронный разряд с концов пары гидрометеоров продолговатой формы, когда они сближаются своими концами и составляют одну линию с направлением электрического поля. В этом случае коронный разряд будет происходить не только с внешних концов гидрометеоров, но и в промежутке между ними.

При сближении гидрометеоров сферической и продолговатой формы, когда последние имеют направление, совпадающее с направлением электрического поля, создаются благоприятные условия для возникновения коронного разряда с продолговатого гидрометеора на сферический и в воздух. Если сферический гидрометеор

жидкий, возможно достижение критической напряженности на поверхности капли, достаточной для локального искривления и разрушения поверхности, что облегчает возникновение коронного разряда.

При коронном разряде существуют благоприятные условия для разделения зарядов на гидрометеорах. Но если этот процесс не сопровождается макроразделением зарядов в гравитационном поле, то он может только способствовать уменьшению напряженности электрического поля, а не созданию заряженных областей в грозовых облаках. Поэтому особый интерес представляют все те случаи, когда при возникновении коронного разряда происходит заряжание гидрометеоров, имеющих разную скорость падения, или когда происходит разделение зарядов между гидрометеорами и воздухом. По-видимому, с этих позиций разделение зарядов между гидрометеорами, например каплями или ледяными частицами почти равных размеров, представляет мало интереса. Наоборот, во всех случаях, когда происходит односторонний коронный разряд и разделение зарядов осуществляется между гидрометеорами и воздухом, надо ожидать макроразделения зарядов. Кроме того, при сближении капель или ледяных частиц разных размеров можно также ожидать макроразделения зарядов за счет коронного разряда. Таким образом, в грозовых облаках может осуществляться ряд процессов, при которых возникает коронный разряд, имеющий большое значение для развития грозовых явлений. Однако эти процессы являются одними из наименее исследованных.

Зелени [590, 591] первым установил, что при приложении достаточно высокого потенциала к искривленной поверхности капли воды, выжимаемой из капилляра, происходит образование коронного разряда. При давлениях воздуха, близких к нормальному, искривление поверхности под действием электрических сил вызывает ее разрушение и выбрасывание из нее тонкой струйки воды. Это приводит, с одной стороны, к увеличению отношения длины «жидкого» острия (длина капилляра плюс длина капли, вытянутой в направлении электрических сил) к диаметру капилляра, а с другой — к значительному уменьшению радиуса кривизны на конце струйки перед ее разрушением на капельки. Оба эти обстоятельства вызывают значительное понижение критического потенциала зажигания коронного разряда. Из опытов Зелени нельзя определить, возможен ли коронный разряд без разрушения поверхности «жидкого» острия или он при нормальном давлении является только сопутствующим явлением. Зелени пришел к выводу, что ток, который течет с острия, в основном вызван зарядами, уносимыми капельками, а не током коронного разряда.

Из опытов Инглиша [292] с «жидким» острием следует, что при пониженном давлении, около при положительном потенциале возникает коронный разряд, который не сопровождается образованием струйки капелек. При понижении давления до происходит пропорциональное, довольно значительное понижение потенциала зажигания положительного коронного разряда, тогда

как отрицательный коронный разряд начинается только в результате образования струйки при практически не зависящем от давления потенциале. Таким образом, обнаруживается значительное различие в образовании коронного разряда в зависимости от знака потенциала. Хотя эксперименты Зелени и Инглиша позволяют получить представление о некоторых существенных особенностях коронного разряда с поверхности воды, их результаты нельзя приложить непосредственно к каплям, свободно падающим в электрическом поле.

Уже Нолан [461] отмечал, что при разрушении свободно падающих капель в горизонтальном электрическом поле наблюдается свечение коронного разряда. Такой же эффект был обнаружен Вильсоном, как сообщает Мекки [411]. Значительно больше подробностей было получено Мекки [411], который исследовал тихий разряд при разрушении капель в электрическом поле, в частности, в связи с возможным влиянием разряда на образование ионов в грозовых облаках. Он обнаружил, что при нормальном атмосферном давлении при достижении критической напряженности поля на обоих концах капли образуются нити и возникает коронный или искровой разряд. Мекки отмечает, что в положительном вертикальном поле для капель, радиус которых больше 1,1 мм, существует различие между критическими напряженностями образования коронного и искрового разрядов. Для капель радиусом меньше 1,1 мм это различие не обнаружилось, так как во всех случаях разрушение капель сопровождалось искровым разрядом. Необходимо, однако, учитывать, что возникновение того или иного типа разряда зависит от расстояния между электродами конденсатора, создающего поле; в опытах Мекки это расстояние составляло около 8 см. При больших расстояниях между электродами искровой разряд может и не возникнуть, и тогда обнаружится только коронный разряд. С повышением напряженности поля свечение усиливается, что указывает на усиление тока коронного разряда. Наиболее интенсивное развитие корона получает на положительном полюсе капли. В горизонтальном электрическом поле также наблюдается образование коронного разряда с более интенсивным свечением на положительном полюсе капли. Мекки не обнаружил какой-либо зависимости критической напряженности зажигания коронного разряда от давления воздуха, по крайней мере до 350 мб. С понижением давления воздуха обнаруживается только увеличение интенсивности свечения разряда. Таким образом, между результатами экспериментов Мекки [411] и Инглиша [292] существует заметное различие, которое, по-видимому, определяется различиями в условиях экспериментов.

Для установления причины возникновения коронного разряда Мекки поместил в поле между электродами металлический шарик диаметром 6 мм. Для возникновения разряда потребовалась напряженность поля но разряд был только искровым. Затем Мекки моделировал каплю металлическим телом, состоящим из двух конусов, соединенных основаниями. Диаметр в основании

4 мм, длина тела 15 мм. При помещении этого тела в поле таким образом, чтобы его длинная ось была направлена вдоль линий поля, наблюдался коронный разряд с более интенсивным свечением на положительном конце, т. е. было получено качественное воспроизведение коронного разряда с капли.

Мекки предпринял попытку определить ток коронирования в зависимости от напряженности электрического поля. Он получил, что ток разряда зависит от превышения напряженности поля над критической. В частности, для капли радиусом 1,56 мм при напряженности поля превышающей критическую на ток коронирования оказался приближенно равным Но Мекки не исследовал, какие заряды переносятся капельками при разрушении водяной нити, а какие — токами разряда.

При сближении двух капель в электрическом поле в промежутке между ними происходит локальное искажение поверхности, тем более интенсивное, чем больше напряженность. Согласно [47], степень искажения поверхности приблизительно пропорциональна второй степени напряженности поля. Поэтому можно ожидать, что при сближении капель еще до момента их соприкосновения происходит разряд. Как показал В. А. Дячук [43], для капель радиусом около 1 мм в поле напряженностью примерно за с до слияния расстояние между вершинами конусов в промежутке между каплями составляет около 0,1 мм. Для грубой оценки примем, что разряд начинается при расстоянии между вершинами конусов 0,05 мм и продолжительностью его Так как электропроводность воды достаточно велика, это время значительно больше времени релаксации, и разделение зарядов произойдет еще до момента соприкосновения вершин конусов.

Согласно (84), при контакте двух капель радиусом 1 мм в поле напряженностью происходит разделение заряда Если предположить, как это делает Н. С. Шишкин [203], что только малая часть этого заряда попадает в воздух, то и тогда при одном акте контакта между каплями в воздух поступит большое количество ионов. Очевидно, существует необходимость в экспериментальном подтверждении предположения, высказанного Шишкиным.

При соударении двух капель в сильных электрических полях, особенно если линия, соединяющая их центры, оказывается параллельной направлению электрического поля, создаются благоприятные условия для возникновения коронного разряда с их концов. После осуществления электрического контакта силы, притягивающие капли друг к другу и проявляющиеся в основном в зазоре между ними, исчезают, и пару капель следует рассматривать как одно тело. Силы, действующие на полюсах пары капель, можно приближенно вычислить, заменяя капли одним эллипсоидом вращения с длинной полуосью, равной и короткой полуосью, равной На полюсах такой пары капель должна возникнуть максимальная напряженность поля, примерно на 30% большая, чем на полюсах одинарной капли (см. табл. 45). Вследствие этого неустойчивость

на концах пары капель возникает при напряжениостях поля, примерно на 30% меньших, чем для одинарной капли. На рис. 15 показаны последовательные этапы поведения пары капель в горизонтальном электрическом поле, достаточном для возникновения их неустойчивости. На определенном этапе на их концах отчетливо видны конусообразные заострения. В результате неустойчивости и вырывания струек из концов пары капель произойдет коронный разряд, при котором в воздухе может образоваться значительное количество легких ионов. Образование конусообразных заострений на концах пары капель может создать такие условия, при которых возможно возникновение коронного разряда без вырывания струек из полюсов, в особенности при пониженном давлении.

Согласно Мекки, для разрушения крупных капель (радиусом около 2,5 мм) требуется напряженность поля около Для пары таких капель потребуется поле напряженностью уже около Если учесть возможное влияние давления воздуха на критическую напряженность зажигания коронного разряда, то она на высоте облаков не должна превышать До сих пор при рассмотрении поведения пары капель в электрическом поле упускалось из вида влияние аэродинамического воздействия, которое должно быть весьма значительным. При падении и спонтанном разрушении крупных капель последние сравнительно часто принимают так называемую гантелеобразную форму. Следовательно, аэродинамические силы сами по себе способствуют образованию вытянутой в горизонтальном направлении формы капли. Поэтому они должны способствовать образованию коронного разряда в горизонтальных электрических полях.

В грозовых облаках наблюдаются ледяные частицы продолговатых форм — иглообразные, пластинчатые, дендритные — и хлопья, которые состоят из скрепленных между собой ледяных частиц. Когда такого рода ледяная частица располагается вдоль направления электрического поля, создаются условия для возникновения коронного разряда на ее концах. Согласно Чепмену [264], ток коронирования с линейного проводящего разрядника, представляющего собой проволоку длиной I, причем -диаметр проволоки), можно представить следующим выражением:

где множитель, зависящий от давления; подвижность ионов; соответственно напряженность внешнего поля и критическая напряженность.

Проверка, выполненная Каземиром [356] для металлизированных нитей диаметром 22 и 27 мкм и медных иголочек диаметром 50 и 75 мкм, дала удовлетворительное согласие с формулой. Для того чтобы иметь возможность использовать выражение (92) для ледяных частиц, необходимо знать значение критической напряженности зажигания коронного разряда для льда в зависимости от соотношения длины и толщины кристаллов. Кроме того, значение

будет, по-видимому, зависеть и от электропроводности льда. К сожалению, непосредственные эксперименты с ледяными частицами отсутствуют. Некоторые косвенные суждения могут быть сделаны на основании исследований коронного разряда с острия из льда, выполненных Банделом [220].

Бандел исследовал коронный разряд с ледяного острия на металлическую пластину, подобно тому как Инглиш [292] экспериментировал с «жидкими» остриями. Ледяное острие имело длину 30 мм и наименьший диаметр 1 мм. При этом принимались меры для того, чтобы поверхность льда была гладкой. Расстояние от конца острия до пластины, создающей поле, было постоянным — 80 мм. Измерения критической напряженности зажигания и тока коронного разряда производились с остриями, изготовленными из дистиллированной и питьевой воды и платины, при температуре —78° С. Бандел обнаружил, что разряд возникает как при положительном, так и при отрицательном потенциале. Поскольку на концах острий, несмотря на принимавшиеся меры, вырастали маленькие кристаллики (возможно, образовывался иней в электрическом поле), нельзя было зафиксировать точное значение критической напряженности, при которой начинался разряд. Бандел пришел к выводу, что в пределах точности измерений критический потенциал зажигания коронного разряда с ледяного острия примерно такой же, как и с металлического. Бандел обнаружил зависимость тока короны от электропроводности льда. Ток с ледяного острия из дистиллированной воды при потенциале . В достигал ток с острия из питьевой воды составлял уже а с платинового острия — При этом сопротивление ледяного острия из дистиллированной воды было порядка 1014 Ом, а сопротивление острия из питьевой воды колебалось от до 1013 Ом.

Подобные опыты были выполнены Рейнольдсом и др. [486] со льдом из дистиллированной воды и раствора удельное сопротивление которого было равно тогда как сопротивление льда из дистиллированной воды на 2—4 порядка выше. Эти авторы не обнаружили возникновения короны с острия из дистиллированной воды для потенциалов до 7-105 В при расстоянии между электродами 1 мм. В то же время при потенциале около отчетливо обнаруживался коронный разряд с резким возрастанием тока для острия из раствора. К сожалению, эти авторы не указывают, при какой температуре проводились опыты.

В связи с малостью токов, которые могут возникнуть при коронном разряде с ледяных частиц в грозовых облаках, Леб (см. в [257]) высказал соображения, что такие процессы не могут быть эффективными и не влияют на концентрацию ионов в атмосфере. Однако этот вывод не является достаточно обоснованным, так как вопрос о влиянии сопротивления льда на ток коронирования пока недостаточно исследован. В частности, отсутствуют сведения о влиянии на электропроводность льда примесей, которое, как это вытекает из сведений, приведенных Рейнольдсом и др. [486], весьма велико. Действительно, использование льда с электропроводностью

привело к значительному снижению порога зажигания коронного разряда и появлению значительного тока коронирования, Отсутствуют также сведения о том, как влияет температура электропроводность льда с примесями. Если судить по электропро водности чистого льда, то эта зависимость довольно заметная. Так, при температуре около 0°С электропроводность чистого льда оказывается равной около тогда как при —20° С она понижается примерно до изменяется на порядок.

Все рассуждения о токе коронирования обычно основываются на электропроводности массы льда, и совершенно упускается из вида то обстоятельство, что электропроводность на поверхности льда значительно отличается от объемной вследствие образования на поверхности особого, квазижидкого слоя. К этому следует добавить, что в естественных условиях в облаках при наличии переохлажденных капель на поверхности льда происходит сублимация водяного пара. Молекулы воды, осевшие на поверхность льда, некоторое время будут обладать несколько большей подвижностью, чем молекулы, закрепленные внутри льда. Кроме того, вследствие процессов самоочищения льда при кристаллизации воды на его поверхность выделятся ионы примесей, что также приведет к повышению поверхностной проводимости льда по сравнению с объемной. Поэтому можно полагать, что в грозовых облаках может осуществляться коронный разряд с ледяных частиц.

Подтверждением высказанных соображений могут служить результаты опытов, выполненных В. М. Мучником и Ю. С. Рудько, в 1960 г. Если в холодильной камере в горизонтальном электрическом поле замерзали капли на подвеске и при этом из их поверхности вырастал «рог» примерно в направлении поля, то на каплях обнаруживался заряд, который увеличивался в течение нескольких секунд. На конце «рога» обнаруживались небольшие тонкие отростки льда тоже в направлении поля. В поле напряженностью образовывались заряды в пределах Так как при замерзании температура льда близка к то электропроводность льда должна быть высокой, и на конце «рога» мог возникнуть коронный разряд. Грубо приближенно можно положить, что ток короны стационарный. Тогда где заряд капли, время накопления заряда. Для с получаем

Если при росте единичного «рога» на капле происходит ее заряжение в электрическом поле, то тем более интенсивное заряжение следует ожидать при росте инея на поверхности замерзшей капли. Но в случае роста инея на обоих полюсах и образования коронного разряда с обеих сторон частицы заряд, который будет накапливаться на замерзшей капле, определяется разностью токов, текущих с обоих полюсов. В 1960 г. Мучник и Рудько поставили опыты с целью изучения этих явлений. В холодильную камеру, где находилась на подвеске замерзшая капля в горизонтальном электрическом поле напряженностью вдувался влажный воздух. Температура в камере в течение опытов находилась в пределах

от —25 до —30° С. Капли изготовлялись из дистиллированной воды, и их объемная электропроводность была, по-видимому, не очень высокой. Ледяные кристаллы, которые возникали в камере из водяного пара, должны были иметь еще меньшую электропроводность. В то же время поверхностная электропроводность ледяных частиц должна быть высокой, так как в течение опыта происходили непрерывная сублимация водяного пара на их поверхности и образование квазижидкого слоя.

В одном из опытов примерно через 30 с после начала вдувания воздуха в камеру на замерзшей капле и на металлической проволочке подвески появился слабый иней. Заряжение капли происходило сначала сравнительно медленно, а затем с большей скоростью. Приближенная оценка тока заряжения дала, например, для первой минуты а для четвертой Безусловно, ток коронирования должен, быть значительно большим, так как полученные значения представляют собой разность токов положительной и отрицательной корон. Затем вдувание воздуха было прекращено и измерения повторены. Скорость заряжения уменьшалась, по-видимому, вследствие того, что при отсутствии вдувания воздуха скорость сублимации водяного пара на ледяной поверхности уменьшилась, а вместе с ней уменьшилась и поверхностная электропроводность льда. За первые 30 с ток заряжения составлял а за третьи 30 с — уже . В следующем опыте ток заряжения был того же порядка, но положительный. Встречались случаи, когда в течение опыта происходила смена знака заряжения. Это подтверждает предположение о том, что заряжение капли происходило вследствие различий в токе положительной и отрицательной корон.

В некоторых опытах, кроме плавного нарастания заряда на капле, иногда наблюдалось скачкообразное изменение заряда. Причиной этих скачков следует считать обламывание веточек инея на поверхности замерзшей капли в электрическом поле. В одном случае заряд изменился на а в другом — на Для приближенной оценки заряда, который может унести веточка инея при отламывании от поверхности сферы, предположим, что она представляет собой половину эллипсоида вращения, укрепленного на сфере. Тогда можно для вычислений воспользоваться выражением (83), считая, что сфера не искажает однородное поле напряженностью Пусть обламывается веточка инея длиной 1 мм и толщиной 0,2 мм; тогда и в поле с Таким образом, при обламывании веточки инея с поляризованной ледяной сферы в поле напряженностью около на ней могут образоваться заряды порядка

В области мокрого роста в грозовых облаках должны существовать крупные обводненные ледяные частицы (град, крупа), толщина водяной пленки на их поверхности может достигать десятых долей миллиметра. Поскольку такие ледяные частицы нередко имеют коническую или вообще неправильную форму,

можно ожидать их коронирования в электрическом поле грозы. В. М. Мучник и Ю. С. Рудько [142] моделировали коническую обводненную крупу, имеющую высокую электропроводность, стальным шариком с острием из иглы. Было обнаружено, что при равенстве диаметров шарика и острия критическая напряженность коронного разряда была равна около . С уменьшением длины острия I по отношению к диаметру шарика наблюдалась тенденция к увеличению критической напряженности. Так, для шарика с

При рассмотрении различных механизмов электризации, выполненном в этой главе, неоднократно указывалось, что все они, за исключением механизма электризации частиц, находящихся в среде ионов, могут быть описаны как механизмы, обязанные своим существованием контактной разности потенциалов. Более того, формальное описание, развитое для контактной электризации, может быть с успехом использовано для описания электризации частиц в электрическом поле, за исключением электризации в среде ионов и при коронировании в сильных электрических полях.

Необходимо также отметить одно весьма существенное различие между механизмами электризации, обусловленными внешним электрическим полем и контактной разностью потенциалов. При единичном акте электризации, например при соударении градины с каплей, при контактном механизме величина заряда целиком зависит от особенности материалов, вступающих в контакт, и условий контакта. Величина заряда, разделяющегося при единичном акте, сравнительно невелика: она не превышает Следовательно, для объяснения зарядов на гидрометеорах порядка необходимо допустить существование многократных соударений градины с каплями, т. е. процесс образования заряда на крупных частицах можно назвать накопительным. В случае электризации в электрическом поле заряды порядка могут образоваться на гидрометеорах при наблюдаемых в грозовых облаках, находящихся в стадии зрелости, напряженностях поля за счет одного или всего нескольких актов, т. е. процесс образования заряда на крупных частицах практически мгновенный.