4.11. СХЕМА ГРЕНЕ—ВОННЕГУТА

Грене создал теорию грозового электричества, которая была развита Воннегутом [558]. Грене считает, что легкие ионы, поступающие в кучевое облако с восходящими токами и имеющие продолжительность жизни около 5 с, оседают на облачных капельках. Вследствие этого проводимость в облаке уменьшается по сравнению с проводимостью свободной атмосферы и в облаке накапливается заряд. Под действием поля этого заряда происходит подтягивание зарядов противоположного знака, которые оседают на облачных капельках на границе облака. Так образуется компенсирующий заряд на границе облака.

Рис. 70. Схема развития грозового облака Грене-Воннегута. а — начальная стадия развития, возникновение тока проводимости вокруг облака под действием внешнего электрического поля, в — возникновение разряда с острий на земле, усиление переноса положительного заряда внутри облака, дальнейшее развитие процессов до возиикновення грозовых разрядов.

В дни с развитием кучевых облаков в приземных слоях атмосферы существует, как правило, избыток положительных ионов и облака приобретают положительный заряд (рис. 70 а). В результате роста облака и развития нисходящих токов на его периферии происходит усиление положительного заряда внутри облака, а отрицательный заряд накапливается в его внешних частях (рис. 70 6). Дальнейший рост облака приводит к увеличению зарядов, положительного в центральной части и отрицательного в нижней и средней периферийных частях (рис. 70в). Усиление электрического поля под периферийными частями облака приводит к возникновению коронного разряда с остроконечных тел на поверхности земли. Положительные ионы коронного разряда будут переноситься восходящими токами внутрь облака, что вызовет быстрое увеличение положительного заряда внутри облака и значительный рост напряженности электрического поля. Усиление электрического поля приведет к заметному увеличению скорости коагуляции капель и образованию дождя (рис. 70г).

К этому времени напряженность электрического поля достигает пробойных значений, и возникает грозовой разряд.

Воннегут и Мур [559] считают, что грозовые разряды создают особенно благоприятные условия для коагуляции, поэтому существует связь между разрядами молнии и усилением осадков, наблюдаемых у земли. Это усиление дождя должно происходить после разряда через некоторое время, необходимое для достижения крупными каплями поверхности земли.

Воннегут и его коллеги выполнили большое число исследований, задачей которых было получить подтверждение правильности описанной выше теории грозового электричества и в первую очередь подтверждение того, что первичным в грозовых облаках является накопление зарядов, а вторичным — образование осадков.

Воннегут и Мур [558] создавали в приземных слоях атмосферы искусственный объемный заряд с помощью тонкой проволоки, к которой подавался высокий потенциал (до 30 кВ). Длина проволоки около 7 км, подвешивалась проволока на высоте 10 м. Существование дополнительного объемного заряда прослеживалось по крайней мере на расстоянии 8 км от проволоки с подветренной стороны. Изменение знака потенциала проволоки приводило к соответственному изменению градиента потенциала в атмосфере. Воннегут и др. [562] провели ряд наблюдений с самолета за кучевыми облаками, которые развивались с подветренной стороны от источника объемного заряда. Оказалось, что распределение зарядов в них согласуется с конвективной теорий заряжения облаков в первой стадии развития (см. рис. 69). Так, при создании отрицательного объемного заряда у поверхности земли кучевое облако почти полностью имело заряды того же знака. Только на периферии облака в нижней его половине образовался экранирующий положительный заряд. При перемене знака заряда, создаваемого проволокой, происходило соответствующее изменение знаков зарядов в облаке.

На основе измерений отражаемости от грозовых облаков с помощью чувствительного трехсантиметрового радиолокатора Мур и др. [448] пришли к выводу, что для возникновения первого удара молнии не требуется значительная интенсивность осадков и что после грозового разряда отражаемость резко возрастает. Через некоторое время (примерно 1 мин) после разряда у поверхности земли интенсивность дождя достигает 70 мм/ч и больше. На этом основании сделан вывод, что осадки являются не причиной грозовых разрядов, а, скорее, их следствием. При анализе рассматриваемых данных наблюдений необходимо обратить внимание на то, что использовались вертикальные разрезы. В таком случае вследствие движения очагов ливней очень трудно произвести радиолокационный разрез через то же самое сечение облака. Ввиду большой неоднородности грозовых облаков это может привести к весьма неопределенным результатам. Из снимков, приведенных Муром и др. (448], следует, что за 10—20 с происходит не только рост радиоэхо в одних частях радиолокационного обзора, но и их быстрый

распад в других частях, а этот факт с позиций автора [448] уже не имеет достаточно убедительного объяснения.

Многие авторы отмечают усиление осадков после грозовых разрядов, например Росман [491] и др. Возможно, что причиной такой связи, как указал В. М. Мучник, является не что иное, как приближение к месту наблюдения грозовой ячейки через несколько минут после разряда. Во всяком случае статистическая обработка данных о колебаниях площади осадков отдельного грозового очага показала, что колебания имеют другую частоту, чем грозовые разряды (Т. Н. Заболоцкая, В. М. Мучник [51]). Отметим еще, что из данных Мура и др. [448] получаются огромные маловероятные скорости коагуляции частиц в грозовых облаках и скорости опускания нижней границы радиоэхо (порядка 50 м/с).

Так как основным источником зарядов по теории Грене-Воннегута является ток с острий, рассмотрим этот вопрос несколько подробней. Согласно рис. 70, положительные заряды, создаваемые током с острий под периферийными частями облака, должны уноситься восходящими токами к центральным частям облака, где они поднимаются вверх. Но при своем движении заряды должны пересекать область интенсивного дождя, в которой они в большинстве будут захвачены каплями — известный механизм перезарядки капель, наблюдаемый под грозовыми облаками, приводящий к возникновению «зеркального» эффекта [521]. Так что у положительных ионов мало шансов достигнуть центральной части облака, тем более что вместе с ливневым дождем развиваются нисходящие токи.