4.7. СХЕМА МЕЙСОНА

Так как электризация, сопровождающая осаждение переохлажденных капелек на поверхности льда, имеет сравнительно большую интенсивность, Мейсон [115], несмотря на критику теории грозы

Финдейзена, рассчитал заряды, образующиеся при росте крупы в грозовых облаках. При этом он исходил из данных наблюдений Кютнера [370], обнаружившего, что крупа является наиболее часто повторяющимся видом гидрометеоров в грозовых облаках, а также из данных Малана и Шонланда [422] о том, что в грозах Южной Африки отрицательно заряженная область распространяется до высот с изотермой —40° С. Мейсон считает, что крупа зарождается на уровне с температурой —5° С, затем, продолжая расти, поднимается постоянным восходящим током со скоростью 10 м/с до некоторой максимальной высоты, где скорость восходящих токов сравнивается со скоростью падения крупы. При падении крупа растет в области сухого роста, и ее электризация происходит за счет коагуляции облачных частиц до момента наступления мокрого роста. Плотность крупы начиная с радиуса 100 мкм принимается постоянной и равной Скорость электризации берется равной согласно данным Вейкмана и Кампе [565]. При этих условиях Мейсон получил, что в ячейке грозового облака радиусом 2 км за время 11,5 мин вследствие электризации крупы генерируется заряд около 500 Кл, которого достаточно для возникновения грозы средней интенсивности.

Анализируя полученные результаты, Мейсон указывает на то, что крупа радиусом 1 см и более не наблюдается. Поэтому он считает, что концентрация частиц крупы должна быть больше принятой ранее, а их радиусы не должны превышать 2,5 мм. Тогда общий генерируемый заряд увеличивается примерно до 2700 Кл, что Мейсон считает завышенным. Заметим, что при этих вычислениях не была учтена потеря разделяющихся зарядов за счет проводимости.

Учитывая такие факторы, как распределение крупы по размерам, изменение скорости восходящих токов с высотой, ток утечки, обусловленный проводимостью воздуха и током с острий под грозовым облаком, Мейсон [116] произвел новые расчеты скорости накопления зарядов и изменения напряженности электрического поля. Полная скорость образования зарядов между уровнями в грозовом облаке в результате замерзания капелек на поверхности градин равна

где А — средняя площадь поперечного сечения восходящего тока; средний заряд, образующийся при замерзании капельки с (это значение выбрано в связи с тем, что капельки меньших размеров при замерзании дают малое число ледяных осколков); 20 — некоторый начальный уровень. Величина представляет собой объем, -выметаемый» сухими градинами на уровне за единицу времени:

Здесь критический радиус градины, при котором происходит ее увлажнение на уровне скорость падения градины.

Плотность распределения градин по размерам в восходящем токе можно представить, согласно Атласу и Ладлему [215], следующим образом:

где некоторые постоянные, не зависящие от положения градин в восходящем потоке.

В формуле плотность распределения переохлажденных капелек с Так как эти капельки постоянно захватываются градинами всего спектра и вследствие этого их концентрация убывает с высотой, можно написать

где концентрация капелек на уровне скорость восходящего потока на уровне объем захвата капелек, относящийся ко всему спектру града. Подставив значения из (98), (99) и (100) в (97), получим

Мейсон, исходя из требования, чтобы в грозовой ячейке за 20 мин генерировалось около 1000 Кл, полагает Далее, полагая, что (средний радиус ячейки определяя значения и по данным наблюдений Атласа и Ладлема [215] для грозы, у которой скорость восходящего тока задавалась выражением измерялось в километрах), и принимая водность равной Мейсон получил на основании (101), что Он считает, что это значение вполне правдоподобно, так как, согласно измерениям, концентрации капелек с до встречались в кучево-дождевых облаках (Вейкман и Кампе [565]).

Мейсон [116] показал, что скорость нарастания напряженности электрического поля в результате макроразделения зарядов на градинах и ледяных осколках можно представить выражением

где коэффициент, пропорциональный току утечки за счет токов с острий под облаком и токов проводимости воздуха; интенсивность осадков; средняя плотность ледяных частиц; -взвешенные средние скорости падения и радиуса градин соответственно.

Допуская, что интенсивность осадков быстро увеличивается во времени до максимального значения ртах, которое затем остается неизменным в течение нескольких минут, можно написать

где а — некоторая постоянная величина.

Тогда уравнение (102) принимает следующий вид:

где

Для начальных условий и решением (104) будет выражение

Можно положить общий ток утечки равным где проводимость воздуха и токи с острий. Учитывая, что при напряженности порядка и полагая, что получаем Полагая далее, что Мейсон получил на основании (105), что через 10 мин достигнет значения и через 15 мин Если ячейка имеет радиус 2 км, то за 10 мин полный отрицательный заряд крупы достигнет который скомпенсируется на объемным зарядом, создаваемым токами проводимости и током с острий. Следовательно, в этом объеме будет находиться отрицательный заряд 35 Кл, который создаст поле напряженностью

Мейсон далее предполагает, что через время напряженность поля достигает пробойного значения и при разряде нейтрализуется большая часть заряда, так что напряженность поля практически уменьшается до нуля. Вследствие того что процесс отделения крупы от ледяных осколков продолжается, поле начинает восстанавливаться. Скорость восстановления поля можно представить интегралом уравнения (104) в пределах от до

Отсюда

Используя прежние значения Мейсон получил, что значение, достаточное для возникновения разряда. За это же время произошло разделение заряда 30 Кл.

К недостаткам теории грозы Мейсона следует отнести в первую очередь отсутствие определенности в условиях образования осколков в кучево-дождевых облаках. Исследования показывают, что чем ближе условия проведения лабораторных экспериментов к естественным, тем больше имеется оснований предполагать, что при замерзании капель не происходит их разрушение с образованием большого числа осколков. Нет также ясности в отношении величины заряда, разделяющегося при образовании осколка; в этом отношении у ряда авторов получены весьма противоречивые данные. Если даже встать на позицию Мейсона относительно числа осколков, образующихся при одном акте замерзания капельки на поверхности градины, и величины заряда, разделяемого при таком акте, то и тогда его теория встречает ряд возражений. Так, при вычислении напряженности поля по (105) Мейсон принял, что проводимость воздуха в облаке тогда как внутри грозовых облаков проводимость на два порядка выше, т. е. Если теперь провести вычисления с прежними значениями и значением для с, то тогда Таким образом, критическая напряженность поля порядка необходимая для возникновения грозового разряда, не достигается. Если принять объем заряженной области равным то средняя плотность заряда равна т. е. меньше наблюдаемой в грозовых облаках. Кроме того, принятый механизм электризации не позволяет объяснить существование в грозах высокой проводимости. Таким образом, теория грозы Мейсона не выдерживает количественной проверки и не является достаточно обоснованной. Однако механизм электризации, положенный в основу этой теории, может играть, по-видимому, определенную роль в образовании грозы на начальных стадиях ее развития.