4.1. СХЕМА ЭЛЬСТЕРА И ГЕЙТЕЛЯ

Эльстер и Гейтель [290] обратили внимание на то, что капли облаков и осадков поляризуются под действием электрического поля атмосферы. Они предположили, что при соударении дождевой капли с облачной капелькой последняя скользит по поверхности первой и отрывается в ее верхней части. В нормальном электрическом поле дождевые капли получают положительные заряды, а облачные капельки — отрицательные. В результате падения дождевых капель происходит разделение зарядов, и облако становится биполярным: верхняя часть заряжена отрицательно, нижняя — положительно. Осадки должны иметь преимущественно положительные заряды. Эльстер и Гейтель не делали различий между механизмами электризации в облаках слоистых форм и в грозовых облаках. Надо отметить, что схема разделения зарядов Эльстера и Гейтеля должна приводить не к усилению поля, а к его ослаблению.

В дальнейшем Эльстер и Гейтель [291] пытались усовершенствовать свою теорию. Они учли, что крупные капли при падении сплющиваются, и предположили, что при соударении с облачными капельками последние будут от них отражаться. Кроме того, Эльстер и Гейтель распространили область электризации на ледяные частицы (град, ледяную крупу), указав, что при их соударении с облачными капельками отражение капелек обеспечивается еще в большей степени, чем при соударении с дождевыми каплями. В результате в нормальном электрическом поле верхняя часть облака должна получить положительный заряд, а нижняя и осадки — отрицательный.

Теория грозы Эльстера и Гейтеля подвергалась многократной критике в первую очередь из-за несоответствия между знаком зарядов осадков и направлением поля. Согласно этим авторам, между знаками зарядов дождя и электрического поля должна существовать следующая связь: знак зарядов дождя должен быть таким же, как и знак поля у поверхности земли. Наблюдения показали, что часто обнаруживается как раз обратная связь между знаками зарядов осадков и электрического поля, так называемый зеркальный эффект. Однако основное возражение против их теории заключается в том, что при соударении капли с облачными капельками будет происходить их коагуляция, а не кратковременный контакт. Из экспериментов Готта [314] следует, что при падении крупной

капли через среду облачных капелек в электрическом поле заряжение ее вследствие индукции не происходит.

Сартор, учитывая критику теории Эльстера и Гейтеля, обратил особое внимание на то, что вероятность слияния капель при соударении не равна единице и что возможно разделение зарядов без прикосновения частиц друг к другу. Механизм разделения зарядов в электрическом поле был рассмотрен выше (см. раздел 3.2.2). Сартор [164] рассчитал скорость накопления зарядов в единице объема без учета факторов, уменьшающих ее:

где концентрация капель соответственно в -том и -том интервалах размеров, причем радиусы меньших и больших капель соответственно; конечные скорости падения капель; гц — коэффициент эффективности разделения частиц, т. е. доля капель, приобретающих в процессе контакта заряд, который, согласно (84), равен при условии, что линия, соединяющая центры капель, совпадает с направлением поля. Так как значение у не очень сильно зависит от соотношения размеров -той и -той капель, вступающих в контакт (см. табл. 46), то Сартор выбрал для расчетов некоторое среднее значение

Расчеты были выполнены как для капель, так и для ледяных частиц, для которых использовались распределения по размерам, наблюдаемые в активных грозах. При этом для капель было выбрано два значения коэффициента разделения частиц: 0,1 и 0,01, а для ледяных частиц одно: 0,9, так как вероятность их коагуляции при соударении сравнительно невелика. Результаты вычислений показали, что в грозовых дождях за счет контактов капель скорость заряжения единичного объема составляет т. е. имеет тот же порядок, что и скорость заряжения, которая требуется для грозового облака. Еще большая (на один-два порядка) скорость заряжения получается в случае контакта ледяных частиц. Скорость заряжения настолько велика, что, даже если проводимость в облаках начальное поле может увеличиться на два порядка.

На основании этих расчетов Сартор приходит к выводу, что процессы индукционного заряжения гидрометеоров при контакте играют в грозовых облаках не меньшую, а иногда и большую роль, чем любые другие возможные механизмы электризации в них. Необходимо отметить, что значительно раньше Сартора Мюллер-Гиллебрандт [452], исходя из расчетов разделения зарядов при контакте ледяной крупы и кристаллов в электрическом поле, пришел к выводу, что такие процессы могут обусловливать образование грозы.

Мейсон [116], однако, считает, что процессы электризации за счет контакта в электрическом поле не могут быть источником значительных зарядов. На основании своих опытов он пришел

к выводу, что при полях напряженностью больше капли обязательно коагулируют и механизм Эльстера-Гейтеля-Сартора перестанет работать в грозовых облаках задолго до достижения критической напряженности поля. Шансы вступить в кратковременный контакт имеют только те капельки, которые приходят в касательное соударение, а не в лобовое или близкое к нему. Но при касательном соударении наиболее вероятно скольжение капельки с последующим отрыванием в районе электрического экватора капли, причем в верхней ее части. В вертикальном электрическом поле нормального направления, например, заряды капель будут положительными и могут привести только к ослаблению поля, и, кроме того, заряды на каплях при их разделении в районе электрического экватора, где поле, индуцированное на самой капле, мало, вообще должны быть небольшими. Такое представление в какой-то степени подтверждается результатами опытов Мантгомери и Доусона [446] с крупными каплями почти одинаковых размеров. Они получили, что при разрыве контакта капли всегда получают заряды, которые могут привести только к ослаблению поля.

Как указывает Сартор [164], значительно большая скорость индукционной электризации единичного объема с ледяными частицами (примерно на два порядка) по сравнению с каплями обусловливается большими размерами ледяных частиц и значительно большим коэффициентом эффективности разделения частиц: 0,9. Но уже Лезем и Мейсон [380] показали, что при соударении пробного ледяного тела с ледяными кристаллами в электрическом поле напряженностью происходит изменение электризации всего на 10% по сравнению с электризацией без электрического поля. Как было показано в разделе 3.2.2, причиной этого являются особенности движения ледяных кристаллов по отношению к пробному телу в электрическом поле (а не малое время контакта, как полагают Лезем и Мейсон [382]). Поэтому результаты экспериментальных исследований электризации [380, 382] правильно оценивают интенсивность электризации при соударении крупной ледяной частицы, допустим сферы (градина, крупа), с ледяными кристаллами в электрическом поле: интенсивность электризации невелика.

Теперь необходимо рассмотреть электризацию при соударении сравнительно крупных ледяных частиц в электрическом поле. Как показали В. А. Дячук и В. М. Мучник [46], электризация таких частиц происходит в полном согласии с теорией, что на первый взгляд является аргументом в пользу представлений Сартора. При соударении ледяных частиц полное отражение от поверхности будет иметь место, по-видимому, только при лобовых или близких к ним соударениях. При тангенциальных соударениях появляется в дополнение к отражению скольжение, в результате чего в вертикальном электрическом поле такие ледяные частицы будут отрываться около экватора и заряды будут весьма малыми. Поэтому весьма важным является вопрос о том, при каких углах соударения появляется тангенциальная составляющая, благодаря которой меньшая частица начинает скользить вдоль поверхности большей

частицы. Такие экспериментальные данные, к сожалению, отсутствуют. Некоторое представление об этом можно составить на основании экспериментов В. М. Мучника [131] по электризации при соударении металлических шаров и капель воды в вертикальном электрическом поле. Как следует из табл. 54, уже при углах около 30° при относительных скоростях соударения шаров и капель больше 4 м/с происходит изменение знака электризации вследствие скольжения капель по поверхности шара. При этом капли только смачивают поверхность градин. На критическое значение угла, при котором возникает скольжение капель вдоль поверхности шара, влияют силы прилипания воды к поверхности металла, которые в случае соударения ледяных частиц не столь велики. Поэтому реально, по-видимому, предположение, что скольжение при соударении ледяных частиц будет иметь место при несколько больших углах, допустим 45°. Это приводит к тому, что вероятность лобовых и скользящих соударений становится примерно одинаковой.

Необходимо еще определить, не изменяется ли при скользящих соударениях знак электризации на обратный по отношению к лобовым соударениям, как это имеет место при соударении капель и шаров. Если учесть, что при падении твердой частицы в ее тыловой части воздух разряжается, то малые частицы при скользящих соударениях после прохождения экватора должны засасываться в тыловую часть крупной частицы и там отрываться от нее. Таким образом, скорость заряжения единичного объема при падении ледяных частиц в вертикальном электрическом поле должна быть значительно меньше, чем вычисленная Сартором.

При соударении ледяных частиц в горизонтальном электрическом поле также нельзя ожидать макроразделения электрических зарядов, хотя микроразделение будет иметь место. Можно считать, что вероятность соударения положительной и отрицательной полусфер падающей ледяной сферы с мелкими частицами одинаковая. Поэтому при большом числе соударений заряд сферы равен нулю, а число положительно и отрицательно заряженных ледяных частиц окажется примерно одинаковым. Так что макроразделение зарядов не произойдет и облако, в горизонтальном электрическом поле которого будут происходить такие процессы, останется в целом нейтральным.

Из рассмотрения схемы грозы Эльстера-Гейтеля-Сартора можно сделать вывод, что описанные механизмы электризации сами по себе недостаточно эффективны для создания необходимого количества электричества, наблюдаемого в грозах. Однако при разработке теории грозового электричества необходимо учесть электризацию при контакте в электрическом поле в первую очередь твердых частиц.