4.14. ПРЕДСТАВЛЕНИЯ АВТОРА

При рассмотрении процессов образования осадков в кучево-дождевых облаках обращает на себя внимание тот факт, что на определенной стадии развития облаков возникает сильное электрическое поле; следовательно, должно существовать его влияние как на электризацию гидрометеоров, так и на условия их роста. На этом основании можно сделать вывод, что невозможно построить теорию грозового электричества, не учитывая существования взаимной связи между ростом и электризацией гидрометеоров в кучево-дождевых облаках.

В развитых мощных кучевых облаках даже при условии образования значительной переохлажденной части наблюдаются сравнительно небольшие электрические поля, средняя напряженность которых порядка а максимальная обычно не превышает в отдельных небольших объемах. Объемные заряды обоих знаков распределены по всему облаку таким образом, что суммарный заряд в верхней половине облака положительный, а в нижней — отрицательный. Вследствие того, что облако пересекается значительным числом конвективных струй, хаотически распределенных внутри облака, и из-за сравнительно малых различий в размерах капель (отсутствуют крупные капли) макроразделение зарядов и создание заряженных областей большой плотности в мощных кучевых облаках не происходят. В развитых мощных кучевых облаках сравнительно быстро устанавливается стационарное состояние, при котором образование зарядов компенсируется их диссипацией.

Описанные условия господствуют в мощных кучевых облаках, развивающихся над сушей, и, по-видимому, именно поэтому нет каких-либо достоверных сведений об образовании «теплых» гроз над сушей. Иное положение существует над теплыми морями, где благодаря высокой влажности, большому количеству гигантских ядер конденсации и высокому уровню изотермы 0° С в мощных кучевых облаках могут развиваться интенсивные восходящие токи, охватывающие все облако. Тогда в них появляются условия для образования крупных капель и электрических процессов с обратной связью. Такие процессы могут происходить в капельно-жидких облаках только благодаря механизму электризации при контакте и разрушении капель в электрическом поле.

4.14.1. Схема образования теплых гроз

При падении крупной капли в среде облачных капелек возможен ее кратковременный контакт с капельками, сопровождаемый их отражением от нижней части капли или скольжением и отрыванием их в верхней части капли. Но во втором случае капли заряжаются в вертикальном электрическом поле зарядами таких знаков, которые при разделении внутри облака могут привести только

к ослаблению поля. Следовательно, применительно к внутренней части облаков представляет некоторый интерес случай с отражением капелек от нижней части крупной капли. Если же соударения капель с облачными капельками будут происходить в восходящих токах не между заряженными областями в облаке, а ниже центра области, расположенной внизу облака, то рассмотренные механизмы электризации поменяются ролями. К усилению поля будут приводить соударения со скольжением капелек и отрыванием в верхней части капли. Тогда восходящие токи унесут положительно заряженные капельки вверх, в верхнюю положительно заряженную область, а крупные отрицательно заряженные капли будут удерживаться в нижней области или выпадут из облака. Так как сейчас нет достаточных оснований для того, чтобы считать какой-либо из этих двух процессов — скольжение или отражение — преимущественным в облаках, приходится сделать вывод, что заряды, образующиеся за счет этих механизмов, должны в значительной степени скомпенсироваться. Необходимо еще иметь в виду возражения относительно возможности контакта капелек с каплей без слияния в поле напряженностью более Поэтому надо полагать, что эти механизмы электризации вряд ли вносят основной вклад в баланс зарядов теплой грозы.

Рассмотрим теперь возможную роль электризации при разрушении крупных капель при падении в восходящих токах. На уровне с максимальной скоростью восходящих токов создаются условия для особенно интенсивного роста капли. Ниже этого уровня, где скорости недостаточно велики для поддержания капли, рост ее продолжается, но с меньшей интенсивностью. Так что капли, преодолевшие уровень с максимальными скоростями, должны быть наибольшими и в нижней части облака должны иметь максимальные размеры. Если капли достигнут состояния неустойчивости, последует их разрушение в электрическом поле, направленном вверх. Тогда крупные фрагменты получают отрицательные заряды, а мельчайшая водяная пыль, легкие и тяжелые ионы — положительные. В восходящих токах происходит макроразделение зарядов, причем крупные фрагменты поднимаются в отрицательную область, а водяная пыль, легкие и тяжелые ионы вместе с облачными капельками, на которые они вскоре осядут, поднимаются выше, в положительно заряженную область. Каждый акт разрушения капель приводит к увеличению зарядов основных областей в облаке. Поэтому каждый следующий подобный акт происходит в более сильном электрическом поле, что приводит к более интенсивной электризации фрагментов. Следовательно, должен иметь место процесс нарастания электрического поля с положительной обратной связью (В. М. Мучник [125, 126, 133]).

Из экспериментальных данных известно, что крупная капля (радиусом 2,5-3 мм) разрушается на 10—20 капель радиусом около 0,5 мм. Эти капли, будучи подняты восходящими токами вверх, имеют значительно больше шансов вырасти до предельных размеров и снова принять участие в спонтанном разрушении. Происходит

размножение капель, участвующих в процессе заряжения облака. Как известно, примерно такое же представление о размножении капель положил Лэнгмюр [109] в основу своей теории образования ливней из теплых облаков.

Для оценки скорости накопления зарядов в грозовых облаках необходимо определить также токи утечки, которые в случае теплых облаков образуются за счет выпадения осадков и токов проводимости. Ток утечки с острий под облаком можно не учитывать исходя из предположения, что теплые грозы развиваются над морской поверхностью. Нет необходимости вводить в рассмотрение ток утечки за счет тока молний, так как оценку скорости накопления зарядов в облаке предполагается осуществлять до момента наступления разряда.

Проводимость в недождящих кучевых облаках ниже, чем проводимость свободной атмосферы на том же уровне. При образовании в облаках крупных капель, способных к спонтанному разрушению в электрическом поле, появляется дополнительный источник легких ионов. К сожалению, сейчас нет сведений о зависимости образования числа легких ионов от напряженности поля. Известно только, что легкие ионы имеют знак, соответствующий знаку индуцированного заряда на верхней части капли. Для оценки будем считать, что число легких ионов при разрушении капель не зависит от напряженности поля и составляет 106 ионов на каплю, так как значение 105 ионов на каплю, ранее полученное Мучником [124], следует считать заниженным (см. раздел 3.2.5). Так как средняя продолжительность жизни легких ионов в облаке составляет около 5 с, можно считать, что зона повышенной проводимости в облаке совпадает с зоной разрушения капель. Если облако имеет вертикальную протяженность в несколько километров, то можно полагать, что основная зона разрушения капель имеет протяженность не более 500-1000 м исходя из разной истории роста отдельных капель. Будем считать, что разрушение капель происходит равномерно во всей этой зоне.

Кроме электрической проводимости, на ток утечки влияет ток турбулентной проводимости, вызываемый перемешиванием частиц с зарядами противоположных знаков. Как указывает И. М. Имянитов [74], в теплых кучево-дождевых облаках, развивающихся над акваториями морей и океанов, турбулентная проводимость должна быть малой, так как в этих условиях в облаках возникает сравнительно слабая турбулентность. На этом основании можно пренебречь турбулентной проводимостью по сравнению с электрической.

Теперь примем, что в облаке падает поток капель одинакового размера (радиусом около 3 мм), соответствующий интенсивности грозового ливня Это означает, что через сечения облака за 1 с будет проходить, разрушаясь, около капель, причем образуется ионов. Так как длительность жизни ионов 5 с, в облачном столбе высотой и с основанием будет находиться в каждый момент времени ионов, т. е. в около ионов. Поскольку скорость образования

ионов в атмосфере составляет примерно пар ионов то за те же 5 с в каждом кубическом метре облачного воздуха будет образовываться ионов. Таким образом, проводимость в теплых грозовых облаках до момента возникновения грозового разряда мало будет отличаться от проводимости мощных кучевых облаков.

Источником легких ионов в грозовых облаках может быть тихий разряд с капель, на что указывал еще Мекки [411]. Необходимо допустить, что напряженность поля в теплых грозовых облаках (с учетом влияния давления) достигает значения около при котором происходит разрушение крупных капель, сопровождающееся образованием коронного разряда на их вытянутых концах. Но можно указать еще на некоторые элементарные процессы, которые могут привести к коронному разряду при меньших значениях критической напряженности поля. Возможно образование коронного разряда с капли при ее грибообразном разрушении и с капель, вступающих в контакт друг с другом (см. раздел 3.2.6) при критических напряженностях поля Поскольку, согласно современным воззрениям, возникновение коронного разряда в облаках является началом грозового разряда, то в теплых грозовых облаках не могут существовать большие напряженности поля.

Так как средняя продолжительность жизни легких ионов в облаках около 5 с, увеличенная проводимость будет существовать примерно такое же время. Если частота грозовых разрядов большая, то повышение проводимости будет сказываться на скорости восстановления поля до критического. Если же интервалы между разрядами велики по сравнению с 5 с, то влиянием повышения проводимости на скорость восстановления поля можно пренебречь. К сожалению, вопрос о факторах, влияющих на проводимость в грозовых облаках, а тем более в теплых, совершенно не разработан.

Рис. 72. Схема распределения заряженных областей в теплом кучево-дождевом облаке.

Предпримем попытку оценить время, необходимое для образования заряда, достаточного для возникновения разряда в теплом биполярном облаке с положительным направлением поля (рис. 72). Так как изменение зарядов основных областей происходит медленно по сравнению с изменением зарядов отдельных частиц, процессы заряжения областей можно рассматривать как квазистационарные. Это позволяет использовать для оценок электростатическую

схему вместо электродинамической. Будем считать, что размеры заряженных областей одинаковые (радиус ) причем области примыкают друг к другу. Пусть зона разрушения и разделения зарядов находится непосредственно под нижним краем отрицательно заряженной области. Тогда напряженность вертикального поля между заряженными областями будет равна

где свободные заряды областей.

Между заряженными областями напряженность поля будет наибольшей по сравнению с другими частями облака, так что именно между ними должны в первую очередь происходить грозовые разряды. Определим теперь напряженность поля в зоне разрушения, поскольку от ее значения будет зависеть величина зарядов, образующихся при разрушении капель:

Так как второй член составляет около 10% первого, то для приближенных вычислений им можно пренебречь, предполагая, таким образом, что на уровне разрушения капель определяется зарядом нижней области. Из (108) и (109) можно получить, что

При разрушении крупной капли в поле с образуется заряд

где а — постоянная.

Пусть за единицу времени на единице площади произойдет актов разрушения больших капель, при этом интенсивность дождя, критический объем капель, которые для простоты считаем одинаковыми. За время на площади произойдет актов разрушения капель. Поэтому заряд, образующийся за время в поле с будет равен

Предполагается также, что по всей площади сечения зоны разрушения напряженность поля одинаковая. Допускается, что потеря зарядов вследствие соударения с другими облачными элементами мала и ею можно пренебречь по сравнению с переносимыми зарядами облачных капелек, захвативших ионы, мельчайших водяных капелек и крупных фрагментов разрушившихся капель. Так

что заряды, образующиеся в результате разрушения, будут перенесены вверх и почти целиком прибавятся к зарядам соответствующих областей, что приведет к усилению поля. Одновременно с накоплением зарядов происходит их потеря за счет проводимости и зарядов осадков. Ток проводимости, протекающий через горизонтальную площадь будет равен

где заряд, который теряется вследствие проводимости плотность тока проводимости. Заряд, который за время уносится каплями осадков, равен

где некоторая постоянная, поскольку предполагается, что в среднем заряд капель осадков не зависит от напряженности поля.

На основании уравнений (108) — (114) вычислим заряд, получаемый, например, нижней заряженной областью за время

Учитывая на основании (108), (110) и (111) связь сводя значение и опуская индекс находим

Уравнение (116) можно использовать для вычисления времени, которое требуется для возникновения первого разряда, а также промежутков времени между следующими друг за другом разрядами. Если теперь учесть, что теплые грозы не сопровождаются какими-либо заметными осадками (см. раздел 2.2.10), то членом можно пренебречь по сравнению с членом Тогда уравнение (116) можно записать в удобном для интегрирования виде:

где соответственно начальная напряженность электрического поля в момент и критическая в момент Интегрирование (117) дает

Для интегрирования уравнения (117) необходимо определить пределы интегрирования по и по Для этого рассмотрим, как будут протекать процессы электризации и разделения зарядов в облаке. С момента появления крупных капель на уровне их разрушения и электризации будет происходить разделение зарядов.

До тех пор пока заряды противоположных знаков не будут разнесены в соответствующие области, можно приближенно считать, что их поля компенсируют друг друга. Поэтому дополнительные свободные заряды появляются в областях только после того, как восходящие токи перенесут положительно заряженные облачные капельки в верхнюю положительную область, т. е. время разделения зарядов равно

где скорость восходящих токов.

Таким образом, в течение времени происходит электризация капель при разрушении в поле облака с а также за счет баллоэлектрического эффекта. При образовании крупных дождевых капель должна происходить также электризация за счет поглощения ионов, контактной разности потенциалов и контакта в электрическом поле. Рассмотрим возможный вклад каждого из этих механизмов электризации для оценки их значения в образовании электричества грозы.

Будем считать, что напряженность поля облака к моменту начала процесса разрушения крупных капель (значение, характерное для мощных кучевых облаков). Тогда, если принять на основании экспериментальных данных (В. М. Мучник [122, 124]) заряд, образующийся при разрушении капли, согласно (111), оказывается равным За счет баллоэлектрического эффекта при разрушении крупной капли может в среднем образоваться заряд около во всяком случае не больше (см. раздел 3.1.7). Но при этом заряд крупных фрагментов оказывается положительным, т. е. обратным заряду нижней области, и может привести только к уменьшению напряженности поля в облаке.

Знак зарядов капель, образующихся за счет поглощения ионов и контакта, зависит от направления поля. Капля, падающая или поднимаемая восходящими токами, например, через отрицательно заряженную область (см. рис. 72), будет получать в нижней части области заряд одного знака, а в верхней — заряд противоположного знака. В результате должна произойти компенсация зарядов, получаемых от ионов. Такой же эффект будет иметь место и при контактной электризации в поле. Кроме того, как указывалось при рассмотрении схемы грозы Эльстера-Гейтеля-Сартора, электризация капель при контакте в вертикальном электрическом поле должна быть вообще мала.

Для оценки электризации при падении крупной капли в среде монодисперсных облачных капелек будем следовать И. М. Имянитову и Е. В. Чубариной [73], которые выполнили эту задачу для слоисто-дождевых облаков. Заряд, приобретаемый каплей при условии, что за время равен

где контактная разность потенциалов между каплей и облачной капелькой; соответственно радиусы капли и капельки; доля капелек, соударявшихся с каплей без слияния; концентрация капелек; конечная скорость падения капли. При этом скоростью падения капелек по сравнению со скоростью падения капель можно пренебречь.

Рассмотрим случай падения капли со скоростью в среде капелек концентрация которых принимается сравнительно большой: Примем, согласно [73], При скорости восходящих токов получаем, что время пребывания капель в пределах области диаметром т. е. Подставив принятые значения в (120), получим Таким образом, заряд, который может получить капля за счет контактной разности потенциалов, примерно на порядок меньше заряда, образующегося при разрушении капли в электрическом поле напряженностью и его можно не учитывать. Следует, однако, заметить, что расчет выполнен для , тогда как в облаках над теплыми морями, где имеется большое количество гигантских ядер конденсации, возможно, значительно превышает 0,1 В.

Из проведенного рассмотрения вытекает, что по истечении времени с момента начала разрушения капель напряженность поля между заряженными областями будет увеличиваться от до Поэтому для удобства начнем отсчет времени не с момента начала разрушения капель, а с момента, смещенного на время и положим Таким образом, для расчетов времени, требуемого для развития первого грозового разряда от момента разрушения капель до последующих разрядов, можно воспользоваться выражением (118). Пусть интенсивность грозового ливня в области разрушения Если критический объем капель то Так как то Если теперь принять для проводимости довольно большое значение то оказывается, что член с К составляет около 5% от и этим членом можно пренебречь при вычислении А. Примем также, что площадь разрушения равна миделеву сечению сферы Тогда для рассматриваемого случая Если предположить, что то, согласно (118), время, необходимое для возникновения первого разряда, окажется равным т. е. около 1 мин. Если теперь учесть еще время согласно (119), которое для данного случая равно с, т. е. около 4 мин, то можно считать, что примерно через 5 мин после начала образования крупных капель и их разрушения в восходящих токах можно ожидать возникновения разрядов в теплых кучево-дождевых облаках. Такое значение времени представляется вполне реальным.

При возникновении коронного разряда в теплых грозовых облаках произойдет нейтрализация части свободного заряда, накопленного в заряженных областях. В этом случае, в отличие от искрового разряда (обычная молния), не должно происходить

столь значительное разряжение областей, какое имеет место при искровом разряде в обычной грозе, так как ток тихого разряда меньше тока искрового разряда. Поэтому резонно предположить, что напряженность поля уменьшается не более чем на порядок, а возможно, только в 2—3 раза. Примем, что при неполном или частичном разряде за счет утечек возникает большое количество ионов, которые увеличивают проводимость облачного воздуха до тогда как за время между разрядами проводимость уменьшается до Поэтому будем считать, что проводимость растет с ростом поля и в грубом приближении

Для оценки а положим Так как то и Подставляем это значение в (116), по-прежнему пренебрегая членом с учитывая, что интегрируем в пределах от до и от до . В результате получаем

где Отсюда

Подставив соответствующие значения в (123), получаем Такое время между разрядами согласуется с данными наблюдений за вспышками в теплых грозах над морями (см. раздел 2.2.10).

При падении крупные капли увлекают за собой воздух, и возникают нисходящие токи. Поэтому в ту часть облака, обычно тыловую, где развиваются нисходящие токи, прекращается поступление водяного пара. Это приведет к уменьшению конденсации водяного пара и выделения тепла конденсации, а следовательно, к уменьшению образования облачных капелек и интенсивности восходящих токов. В результате произойдет уменьшение, а затем и прекращение электрической активности грозового облака.

Развитая выше приближенная модель теплой грозы дает некоторое основание утверждать, что над теплыми морями действительно возможно образование теплых гроз. Напомним, что возможность возникновения теплых гроз все еще вызывает возражения у некоторых исследователей. Исходя из этой модели можно считать, что в теплых грозах должна наблюдаться более высокая напряженность поля, и поэтому при полете в них можно ожидать более интенсивное коронирование с самолета. Это указывает на то, что самолет при полете в теплых кучево-дождевых облаках, вероятно, больше влияет на возникновение грозового разряда, чем при полете в облаках смешанного строения (И. М. Имянитов [63], Шонланд [206]). Поэтому необходимо считать, что полет в теплых

грозовых облаках представляет большую опасность. Это следует учитывать в связи со значительным развитием полетов над морями и океанами субтропических и тропических широт. Следует отметить, что в Советском Союзе также имеются районы, в которых возможно развитие теплых грозовых облаков. Это морское побережье Крыма и Кавказа, где в июле и августе уровень изотермы 0° С может превышать 4 км. Там существуют условия для развития теплых кучево-дождевых облаков мощностью до 5 км, в которых возможны интенсивные электрические процессы.