4.8. СХЕМА ВОРКМЕНА—РЕЙНОЛЬДСА

Воркмен и Рейнольде [584] положили в основу своей теории грозового электричества явление электризации при замерзании весьма слабых растворов воды. Согласно этой теории, зона разделения зарядов лежит между уровнями изотерм 0°С и —10° С. В ней ледяная крупа и град соударяются с каплями, поднимаемыми восходящими токами воздуха. Переохлажденные капли при соударении с градинами частично намерзают на них, а частично сохраняются в жидком виде, растекаясь по поверхности до тех пор, пока не срываются потоком воздуха. Так как замерзание всех слабых растворов (за исключением аммиачных) приводит к отрицательному заряжению льда и положительному заряжению воды, в результате происходит разделение зарядов. Положительно заряженные капли поднимаются восходящими токами вверх, а отрицательно заряженные

ледяные частицы опускаются вниз, создавая таким образом главные положительно и отрицательно заряженные области в грозовых облаках. Ниже уровня изотермы 0°С происходит соударение ледяных частиц с водяными каплями, которые уносят вверх отрицательные заряды, полученные от ледяных частиц. Эти заряды будут добавляться к нижней, отрицательно заряженной области, как и отрицательные заряды капель, которые возникают при таянии ледяной крупы и града ниже уровня изотермы 0° С. Воркмен и Рейнольде считали, что если для образования грозы достаточно образования объемных зарядов около то предполагаемый ими механизм позволяет ожидать возникновения объемных зарядов, по крайней мере в 1000 раз больших.

Схема Воркмена-Рейнольдса позволяет получить обычно наблюдаемое распределение знаков основных заряженных областей в грозовых облаках, а механизм генерации зарядов настолько интенсивный, что с избытком может обеспечить любой заряд, требуемый для возникновения грозовых разрядов большой мощности и большой частоты. Однако очевидным недостатком этой теории оказалось то, что ею не учитывается весьма большая зависимость интенсивности электризации от концентрации растворов при замерзании. Была поставлена под сомнение возможность существования в грозовых облаках таких концентраций солей, которые приводили бы к значительным потенциалам замерзания, принимаемым в этой теории. Вообще, согласно [69, 145], большие потенциалы замерзания не предопределяют разделения больших зарядов. Кроме того, в индустриальных районах, где содержание примесей, в частности аммиака, в атмосфере весьма велико, грозы должны были бы иметь совершенно иные характеристики, чем в районах с чистым воздухом, что, однако, не наблюдается. В результате указанных совершенно справедливых критических замечаний Воркмен еще в 1963 г. предпринял попытку дальнейшего развития этой теории грозы.

Воркмен [23, 581] расширил представление об эффекте Воркмена-Рейнольдса, распространив его на случай соударения сухого града с переохлажденными каплями. При соударении сухой градины с переохлажденной каплей намерзание льда происходит в течение времени, необходимого для разбрызгивания капли и отрывания ее фрагментов от поверхности градины. Специальные эксперименты, имитирующие такой процесс (см. раздел 3.1.4), показали, что вода любого состава и концентрации, за исключением аммиачной, заряжается положительно, а лед — отрицательно. Интенсивность электризации, по грубым расчетам, достигает Следовательно, интенсивность процессов «мокрой» и «сухой» электризации достаточна для объяснения большой скорости генерации зарядов в грозовых облаках. Кроме того, благодаря «сухому» эффекту зона генерации зарядов значительно расширяется по вертикали, до уровня изотермы —30° С.

Процесс генерации зарядов и их распределение Воркмен представляет себе следующим образом. При падении ледяной крупы

с уровня изотермы —30° С, где уже имеются достаточно большие переохлажденные капли воды, способные разбрызгиваться при соударении с крупой, происходит «сухая» электризация. Градины заряжаются отрицательно, а фрагменты капель — положительно. Зона «сухой» электризации простирается по вертикали до уровня изотермы —10° С. В восходящих токах заряды разделяются под действием сил тяжести, вследствие чего положительные заряды поднимаются вверх, в область выше уровня изотермы — 30° С, а градины опускаются ниже уровня изотермы —10° С (рис. 69). Ниже этого уровня начинает действовать эффект «мокрой» электризации, который был описан выше. Как видно из рис. 69, где-то на уровне изотермы —20° С имеет место компенсация положительного и отрицательного зарядов, т. е. на этом уровне находится раздел между положительно и отрицательно заряженными областями в грозовых облаках. Центр положительно заряженной области находится в пределах уровней изотерм —20 и —30° С, а отрицательной — в пределах уровней изотерм и При этом центры и раздел между ними могут смещаться в зависимости от водности, т. е. их положение будет различным во влажных и сухих климатических районах. Поскольку эффект «сухой» электризации почти не зависит от степени загрязнений, как это свойственно эффекту «мокрой» электризации, то возражение относительно большого влияния загрязнений на процесс грозообразования, таким образом, также снимается.

Рис. 69. Схема распределения зарядов в грозовом облаке по Воркмену.

Воркмен пытался объяснить ряд явлений, характеризующих грозовые облака. Он считает, что в интенсивной грозе напряженность электрического поля может достигнуть таких значений, при которых возникает коронный разряд, сопровождающийся значительным повышением проводимости облачного воздуха. Очевидно, механизм генерации зарядов должен быть в состоянии компенсировать их максимальную утечку. Поэтому должна существовать взаимосвязь между генерацией электричества в грозовых облаках и образованием осадков. Воркмен дал следующее объяснение явлению быстрого восстановления поля после грозовых разрядов. Так как разделение зарядов в грозовых облаках происходит в восходящих токах, перенос токами положительного заряда вверх и перенос градинами отрицательного заряда вниз осуществляются с большой скоростью. Поэтому для восстановления поля требуется сравнительно малое

перемещение зарядов и соответственно малое время восстановления поля.

Схема грозы Воркмена-Рейнольдса в настоящем ее представлении базируется на современной модели грозового облака и на интенсивном механизме электризации гидрометеоров, поэтому она в состоянии объяснить многие явления, наблюдаемые в грозах. Вместе с тем эта теория встречает ряд существенных возражений, в первую очередь количественного характера. Воркмен и Рейнольде [584], Воркмен [23, 581] и др., оценивая интенсивность электризации, т. е. образования заряда при замерзании единицы массы раствора, исходили из количества зарядов, образующихся на границе лед-вода. В действительности интенсивность электризации при отрывании одной частицы от другой (так как только при этом условии происходит разделение зарядов) определяется разностью потенциалов и электрической емкостью этих частиц (см., например, В. М. Мучник и А. X. Шмуклер [145], И. М. Имянитов [59]). Поскольку речь идет об отрывании мелких капелек после их соударения с градиной или крупой, радиус капелек обычно не превышает 1 мм. Исследования показали, что при быстром замерзании, в пределах десятых и сотых долей секунды, возникает разность потенциалов, не превышающая 10 В (см. раздел 3.1.4). Поэтому заряд, который разделяется при отрывании даже столь крупного фрагмента капли, не превышает Таким образом, чтобы получить разделение зарядов порядка требуется примерно 102 соударений градины с крупными каплями, причем этот процесс не должен сопровождаться диссипацией заряда с градины, что весьма мало вероятно. Можно еще предположить, что заряды на градинах и крупе образуются за счет соударения с крупными облачными капельками. Но тогда придется отказаться от существующих представлений о коагуляционном росте градин в переохлажденной части облака при температурах ниже —10° С. Таким образом, при всей своей привлекательности схема грозы Воркмена-Рейнольдса не в состоянии дать правильное объяснение ее образования. Вместе с тем не следует упускать из виду возможное значение эффекта Воркмена-Рейнольдса на ранних стадиях развития грозы.