Глава 4. ТЕОРИИ ГРОЗОВОГО ЭЛЕКТРИЧЕСТВА

Со времени установления электрической природы грозы было предложено огромное количество ее теорий. Для объяснения возникновения грозового электричества использовались, можно сказать без преувеличений, все механизмы электризации, когда-либо открытые человечеством. Достаточно было появиться сообщению о каком-либо новом механизме электризации тел, как его тотчас же привлекали в качестве основного механизма образования грозового электричества. Так было с трибоэлектричеством, термоэлектричеством, фотоэлектрическим эффектом и т. д. и т. д. Рассмотрение всех гипотез представляет, безусловно, очень большой интерес, в особенности для истории науки, но оно потребовало бы слишком много места, и поэтому мы ограничимся только теориями, основывающимися на рассмотренных в главе 3 механизмах электризации, которые могут иметь место в грозовых облаках. Такую работу необходимо выполнить для того, чтобы выяснить, какая теория наиболее правильно описывает образование грозового электричества. При рассмотрении теории грозы обнаруживается любопытная тенденция, заключающаяся в том, что большинство из них опирается только на один какой-то механизм электризации, который считается основным. При этом часто упускается из вида, что в грозовом облаке может одновременно действовать несколько механизмов электризации, особенно в разных частях облаков и на разных стадиях их развития.

Лишь в последнее время стала очевидной ограниченность подобного подхода к рассмотрению процессов, протекающих в грозах. Так, Сартор [164] пишет по этому поводу: «Можно допустить, что механизмы, предложенные Бруком, Мейсоном и Воннегутом, играют важную роль в процессах генерации и разделения зарядов в грозовых облаках. Но нельзя согласиться с тем, что какой-то один из этих механизмов является главной причиной электризации грозового облака (как это подразумевается каждым из этих авторов). Вероятно, в облаках имеются области, в которых каждый из предложенных механизмов является основной причиной электризации. Однако если рассматривать грозовое облако в целом, то целесообразно рассмотреть, каким образом все перечисленные процессы могут действовать: совместно или последовательно

в связи с микро- и макродвижениями в облаке, чтобы обеспечить необходимую электризацию в реальных условиях. Такой подход более эффективен, чем поиски главного механизма электризации».

При обозрении теорий грозового электричества обнаруживается также, что почти все авторы рассматривают кучево-дождевые облака только как арену, на которой разыгрываются электрические процессы. В результате исчезает взаимосвязь и взаимообусловленность процессов образования и развития грозового облака и электрических процессов в них. Представление о том, что грозовые облака являются системой с обратной связью, в которой изменения физических параметров гидрометеоров (концентрации, размеров, фазового состояния) вызывают изменения электрических параметров (зарядов и электрического поля) и наоборот, достаточно определенно было высказано В. М. Мучником [136] на Всесоюзном научном совещании по активным воздействиям на градовые процессы в Тбилиси в 1962 г. И. М. Имянитов и В. Я. Никандров [71] на Конференции по физике облаков и активным воздействиям в Москве в 1965 г. изложили свое мнение о том, что «электричество облаков может быть и следствием, и причиной их фазовых и структурных преобразований».

Приступая к обзору теорий грозового электричества, необходимо иметь четкое представление о том, каким главным требованиям они должны удовлетворять. Эти требования вырабатывались на основании сведений о характеристиках грозовых облаков и изменялись по мере углубления наших знаний. Мейсон [115] первым составил такой перечень и в дальнейшем корректировал его [116]:

1. Средняя продолжительность осадков и электрической активности отдельной грозовой ячейки составляет около 30 мин.

2. Средний электрический момент, разряжаемый молнией, составляет примерно а соответствующий заряд равен 20-30 Кл. В типичной грозовой ячейке интервалы между отдельными грозовыми разрядами составляют около 20 с, что дает средний ток молнии порядка 1 А.

3. Величина заряда, разделяемого непосредственно после грозового разряда за счет скорости падения элементов осадков, имеет порядок скорость падения частиц относительно воздуха в метрах в секунду) и составляет около 1000 Кл.

4. В кучево-дождевом облаке большой мощности этот заряд генерируется и разделяется в объеме около имеющем средний радиус около 2 км и ограниченном уровнями изотерм и —40° С.

5. Центр отрицательного заряда расположен вблизи изотермы —5° С, а основной положительный заряд сосредоточен на несколько километров выше; вблизи основания облака существует также дополнительный положительный заряд с центром вблизи уровня изотермы 0° С или немного ниже.

6. Процессы образования и разделения зарядов тесно связаны с появлением осадков, особенно крупы. Частицы осадков должны

иметь возможность падать, преодолевая восходящие токи со скоростью несколько метров в секунду.

7. Чтобы обеспечить возникновение первого удара молнии через 12—20 мин после появления частиц осадков с размером, обнаруживаемым радиолокатором, должно произойти образование и разделение достаточно большого заряда.

Чалмерс [196] указывает на то, что критерии грозы Мейсона основываются на средних параметрах грозовых облаков и что теория должна удовлетворять требованиям, вытекающим из сведений об интенсивных грозах, в частности чтобы токи молнии достигали а частота молний — 10 в минуту. Это означает, что скорость накопления зарядов в мощных грозовых облаках должна превышать таковую для средних грозовых облаков примерно на два порядка.

В свою очередь Воркмен [23] считает, что теория грозового электричества должна удовлетворять следующим требованиям, которые в какой-то степени дополняют критерии, развитые Мейсоном и Чалмерсом:

1. Развивается сильно заряженная, относительно компактная область отрицательного заряда.

2. Почти вертикальный диполь ограничен снизу уровнем изотермы 0°С или близкой к ней, а сверху — вершиной облака.

3. Образуемое количество зарядов превышает требуемое для поддержания молний во много раз (возможно, с коэффициентом 100 или выше).

4. Между центрами отрицательного и положительного зарядов существует область разделения с суммарным зарядом, близким к нулю.

5. Осадки, падающие через область отрицательного заряда, не переносят его на землю.

6. Электрическое поле у поверхности земли нарастает во времени по квазиэкспоненциальному закону.

7. Возникновение осадков, развитие заряженных областей и появление молний происходят в определенном порядке.

Таким образом, среди большинства ученых господствует представление, что при развитии грозы первичным является образование осадков в кучево-дождевых облаках, а вторичным — образование зарядов и заряженных областей. Однако необходимо отметить, что существует и диаметрально противоположная точка зрения, базирующаяся на том, что многие требования, на которые указывают Мейсон, Чалмерс и Воркмен, полностью не выполняются. По мнению Воннегута [22], несоответствия этим требованиям заключаются в следующем:

1. Имеется слабая корреляция между интенсивностью или характером осадков и электризацией, оцениваемой по частоте ударов молнии (Ганн [327]).

2. Измерения тока осадков у поверхности земли показывают, что обычно этот ток слишком мал и имеет обратную полярность по сравнению с той, которая необходима для электризации.

Из работ Смита [526] и др. следует, что токи осадков являются следствием, а не причиной электризации облака.

3. Если бы осадки, несущие заряд, были причиной электризации в грозах, можно было бы, по крайней мере, иногда наблюдать удар молнии из области осадков под облаком. Однако об этом никогда не сообщалось.

4. Если электризация облака вызывается падением осадков внутри облака, то ток проводимости из ионосферы к верхней части облака должен противодействовать этой электризации. Так как проводимость свободной атмосферы возрастает с высотой, следовало бы ожидать, что в очень высоких облаках образуется мало молний. В действительности же справедливо обратное, и обычно чем выше облако, тем сильнее оно электризуется (Воннегут и др. [562]).

5. В мощных грозовых облаках скорость восходящих токов часто в несколько раз превышает конечную скорость падения осадков. Поэтому следует ожидать, что интенсивные конвективные движения в грозах будут противодействовать упорядоченному разделению зарядов при выпадении осадков. Однако это не наблюдается. Наоборот, конвекция скорее усиливает процессы электризации, чем противостоит им.

Очевидно, для выяснения правильной позиции необходимо рассмотреть возражения Воннегута, что будет выполнено в том же порядке:

1. Ганн [327] указывает не столько на слабую корреляцию между интенсивностью осадков и грозовой активностью, сколько на то, что между ними нет простой связи. Кроме того, он утверждает, что быструю регенерацию и рост напряженности электрического поля, сопровождаемые разрядами молнии большой частоты, вряд ли следует ожидать, если интенсивность осадков не превысит некоторого определенного значения. Так что ссылка на Ганна не имеет оснований. Кроме того, непосредственные наблюдения за частотой разрядов и интенсивностью дождя выявляют существование между ними некоторого параллелизма (Н. С. Шишкин [202], Парчевский [462]).

2. Ток осадков у поверхности земли сильно зависит от условий, в которых они падают ниже уровня изотермы т. е. ниже центра отрицательной области. Эти условия приводят к нейтрализации и переразрядке капель осадков, поэтому величина тока и его полярность не имеют простой связи с электризацией капель в облаке. Из работ Смита [526] и др. можно сделать вывод только о некоторой роли процессов соударения капель с поверхностью земли в образовании объемных зарядов в приземных слоях воздуха, а не о том, являются ли токи осадков причиной или следствием электризации облаков. Более того, согласно данным о зарядах капель внутри облаков (см. раздел 2.2.1), токи осадков в них велики.

3. Для возникновения грозового разряда в жидкокапельной области осадков необходимы поля с критической напряженностью,

Превышающей соответствующие значения для области с кристаллическими гидрометеорами, поэтому разряд в части облака с отрицательными температурами наступает раньше, чем он может произойти под облаком при положительных температурах. Действительно, в большинстве случаев разряды берут свое начало в области отрицательных температур (Малан и Шонланд [422]).

4. Проводимость воздуха в грозовых облаках значительно выше, чем в окружающей облако атмосфере, по крайней мере на высотах до Несмотря на большие токи проводимости внутри грозовых облаков, интенсивность генерации и разделения зарядов в них столь велика, что образуются отдельные заряженные области и электрические поля с напряженностью, достаточной для возникновения разрядов. С увеличением высоты грозовых облаков интенсивность генерации и разделения зарядов в них увеличивается в достаточной степени для перекрытия токов утечек.

5. Воннегут упускает из рассмотрения существование твердых гидрометеоров (градин), скорость падения которых может быть больше любой скорости конвективных токов. Поэтому не следует ожидать, что конвективные токи будут противодействовать упорядоченному разделению зарядов при выпадении осадков. Более того, можно полагать, что наличие конвективных токов способствует образованию заряженных областей в грозовых облаках, что действительно имеет место.

Из рассмотренного выше следует, что возражения Воннегута недостаточно обоснованы.

Анализ требований к теории грозы, выработанных Мейсоном, Чалмерсом и Воркменом, и современных сведений о строении и электрической структуре кучево-дождевых облаков (см. главу 2) дает возможность более четко сформулировать основные свойства грозовых облаков, которым должна удовлетворять теория грозы:

1. Средняя продолжительность осадков и электрической активности отдельного грозового облака 30—40 мин.

2. Средний электрический момент, нейтрализуемый при грозовом разряде, около а максимальный — порядка . В канале молнии нейтрализуется в среднем а в интенсивных грозах — до

3. Частота разрядов в умеренной грозе около 1 в 1 мин, а в интенсивной грозе до 5—10 в 1 мин.

4. Средняя плотность объемных зарядов от до а скорость их накопления

5. Средняя напряженность поля от до максимальная

6. Эффективная проводимость внутри активных гроз

7. Основные процессы разделения электрических зарядов протекают в области мокрого роста гидрометеоров, в основном вблизи уровня изотермы 0° С.

8. Вертикальная мощность облаков, как правило, превышает 5 км и может достигать 15-18 км. В облаке обязательно наличие крупы или града.

Начнем обозрение теорий грозового электричества со схемы Эльстера и Гейтеля, не потерявшей интереса до сих пор, особенно в связи с попытками Сартора возродить эту теорию на основании современных сведений о процессах в кучево-дождевых облаках.