4.14.2. Схема образования гроз умеренных широт

Модель грозы, развивающейся в кучево-дождевых облаках смешанной структуры, должна быть значительно сложнее, чем модель теплой грозы. Это усложнение в первую очередь вызвано весьма большим числом механизмов электризации, в том числе и индукционных, которые могут действовать в таких облаках. Необходимо ожидать значительно большую грозовую активность в смешанных облаках как из-за большей вертикальной протяженности, так и вследствие развития в них весьма сильных восходящих токов. Вышеупомянутое может привести к заметному разнообразию в структуре и электрической активности отдельных гроз. В результате этого чрезвычайно усложняются условия построения общей модели грозы.

В кучево-дождевых облаках, кроме процессов электризации капель, которые имеют место в теплых грозовых облаках, возможны процессы электризации при замерзании переохлажденных капель и таянии ледяных частиц, при разрушении ледяных частиц и при соударении ледяных и жидких частиц.

При построении модели грозы необходимо определить последовательность и интенсивность различных механизмов электризации для того, чтобы оценить их значение и выяснить, какие из них и на какой стадии развития грозовых облаков являются основными. По-видимому, выполнить такую задачу можно только на основании представлений о развитии самих кучево-дождевых облаков. Поэтому будем рассматривать последовательные стадии развития кучево-дождевых облаков, начиная с момента преобразования мощных кучевых облаков в кучево-дождевые, и механизмы электризации, которые могут проявляться на этих стадиях развития.

В мощных кучевых облаках капельки переносятся вверх в восходящих струях воздуха. В струях, развивающихся в верхней части облаков, скорость токов превышает 1 м/с. Облачные капельки радиусом около 100 мкм уже не смогут опуститься вниз и будут накапливаться несколько ниже вершины. Такие капельки имеют шанс замерзнуть первыми, так как вероятность замерзания капли зависит от ее объема. Замерзание капелек сопровождается их растрескиванием и выбрасыванием осколков льда, которые являются вторичными ядрами замерзания. Процесс выбрасывания

осколков сопровождается электризацией, причем, согласно Мейсону [116], заряд замерзающей капли можно определить на основании выражения

где температура воздуха; радиус капельки. Если то Так как скорость падения таких капель а скорость падения ледяных осколков меньше то скорость разделения зарядов не будет превышать Таким образом, для образования свободных зарядов, удаленных друг от друга по вертикали на 2 км, потребуется около 2-104 с, т. е. больше За это время ледяные частицы будут вынесены восходящими токами за пределы облака. Поэтому процесс кристаллизации облачных капелек сам по себе не может привести к какому-либо заметному увеличению напряженности поля в облаках, особенно при существовании интенсивной турбулентности, которая наблюдается в кучево-дождевых облаках.

Вообще роль турбулентности в кучево-дождевых облаках проявляется двояким образом. С одной стороны, усиление турбулентности приводит к увеличению частоты соударений мелких частиц, которые при этом электризуются, и, следовательно, к увеличению зарядов в облаке. Но, с другой стороны, усиление турбулентности при наличии частиц с зарядами разных знаков должно приводить к более быстрой их нейтрализации. Поэтому чем больше турбулентность, тем быстрее будет наступать равновесное состояние в той части грозовых облаков, в которой в основном имеются частицы малых размеров. Такое состояние наблюдается в начальной стадии преобразования мощных кучевых облаков в кучево-дождевые и в вершинах развитых кучево-дождевых облаков. Необходимо предположить, что свободный заряд в вершинах кучево-дождевых облаков образуется за счет зарядов, которые приносятся из центральных частей облака, а не в результате процессов электризации облачных элементов — капелек и ледяных кристаллов. Поэтому в дальнейшем мы будем считать несущественным для построения модели грозы рассмотрение процессов электризации облачных элементов самих по себе.

В верхней части мощного кучевого облака, где скорость восходящих токов около 1 м/с, существуют условия для накопления большого числа сравнительно крупных ледяных частиц. Укрупняясь, ледяные частицы приобретают большую скорость падения и превращаются в снежную крупу, а затем и в град. Скорость падения снежной крупы радиусом плотностью на уровне около 5 км равна примерно 5 м/с. Поэтому при электризации крупы разделение зарядов будет происходить довольно быстро. Так как предполагается, что в развитых грозах максимальная скорость восходящих токов превышает, как правило, 20 м/с, то уровень со скоростями 5 м/с лежит значительно выше уровня с максимальными скоростями. По этой причине снежная крупа не может опускаться ниже уровня с максимальными

скоростями и не может быть ответственной за образование там зарядов. Только градины при своем росте могут приобрести скорость падения, большую любой скорости восходящих токов, опуститься ниже уровня максимальных скоростей и обеспечить там образование зарядов. Если в облаке образуются даже сравнительно небольшие градины радиусом 5 мм и плотностью то и тогда их скорость падения на высотах около 5 км будет около 18 м/с, что может обеспечить требуемую скорость разделения зарядов.

Рассмотрим возможные механизмы электризации снежной крупы и оценим их роль в образовании электрического поля грозы. При падении снежная крупа соударяется с переохлажденными облачными капельками и ледяными кристаллами. Так как эти процессы происходят при температуре ниже —10° С, то переохлажденные капельки будут в основном намерзать на поверхности крупы без отрывания от нее. Ледяные частицы при соударении с крупой будут скользить по ее поверхности и отрываться где-то в районе электрического экватора, если рассматривать ее поляризацию в вертикальном электрическом поле. Только сравнительно крупные частицы имеют шансы отражаться без скольжения. Следовательно, электризация крупы может происходить за счет выброса осколков при намерзании переохлажденных капелек и при соударении с ледяными частицами. Для расчета заряжения крупы воспользуемся формулой (120) в следующем виде:

где заряд, образующийся при замерзании капельки на поверхности крупы; коэффициент эффективности соударения капелек с крупой; радиус крупы; ее скорость падения; концентрация капелек с (см. раздел 3.1.6); время.

Так как необходимо определить зависимость заряжения крупы от пути, пройденного частицей между определенными уровнями в облаке (эти уровни определяются как границы, в пределах которых возможно существование крупы), то используем уравнение Тогда

где высота, скорость восходящих токов.

Для решения уравнения (126) воспользуемся моделями кучево-дождевых облаков, рассмотренными выше (в главе 2) при расчете роста крупы и града при падении. Так как под понимается концентрация капелек с т. е. таких капелек, которые при замерзании на крупе растрескиваются с выбросом осколков, то, согласно Мейсону [116], будем считать, что Исходя из того, что радиусы капелек лежат в пределах а размеры крупы превышают 0,5 мм, получаем, что слабо меняется и лежит в пределах Следовательно, можно пользоваться средним значением Кроме того, вряд ли при замерзании капельки образуется 10 осколков, как это полагает Мейсон; более

правильным является предположение, что число осколков равно 1—2 (см. раздел 1.6.4). Поэтому для расчетов примем значение, равное 2. Расчет электризации по уравнению (126) с учетом зависимостей был проведен на ЭВМ М-220 [143]. Результаты расчета для грозовой и градовой моделей приведены на рис. 73.

Рис. 73. Зависимость от высоты заряда гидрометеора, образующегося в результате электризации при выбрасывании ледяных осколков из поверхности замерзающих капелек радиусом больше 25 мкм в области сухого роста, в грозовой и градовой (2) моделях.

Как видно из этого рисунка, для градовой модели облака максимальный заряд, который может образоваться на частичке крупы за время пребывания в области сухого роста, равен а средний — около Эти значения получены в предположении, что проводимость воздуха в грозовом облаке мала — порядка тогда как в действительности она велика, и в области сухого роста ее значение не меньше Следовательно, время релаксации меньше времени, в течение которого происходит накопление заряда на крупе. Поэтому заряд на крупе вряд ли будет превышать Если принять, что интенсивность грозового дождя составляет 60 мм/ч, то, согласно модели, средняя концентрация крупы в области сухого роста равна около Исходя из этих данных и не учитывая заряды противоположного знака, находим, что на границе сферы радиусом напряженность поля не превысит

Для градовой модели максимальный заряд крупы, по Мейсону, равен а средний . В такой модели проводимость воздуха может, по-видимому, достигать так что время релаксации (100—200 с) значительно меньше времени накопления заряда на крупе. Для столь проводящей среды механизм электризации Мейсона-Лезема малоинтенсивен. Если принять, что интенсивность осадков (града и дождя) в градовой модели составляет 300 мм/ч, то средняя концентрация ледяных частиц в облаке сухого роста равна приблизительно Тогда на границе сферы радиусом 500 м напряженность поля не будет превышать

Рассмотрим теперь образование зарядов на крупе при ее контактах с переохлажденными капельками и ледяными частицами в области сухого роста. Примем, согласно И. М. Имянитову

и Е. В. Чубариной [73], что при контакте лед—вода разность потенциалов и эффективность контакта капелек без захвата крупой Для льда неизвестно, но, по-видимому, реально принять, что Кроме того, примем, что ледяные частицы на крупе почти не оседают. Расчеты можно проводить по той же формуле (126), но суказанными выше константами. Если принять, что концентрация капелек и ледяных частиц то окажется, что максимальный заряд крупы в грозовой модели облака на нижней границе области сухого роста для каждого из этих механизмов электризации равен а средний и соответственно вградовой Так что величина зарядов, которые могут образоваться за счет электризации при соударении частиц, примерно такая же, как и за счет вырывания осколков. Поэтому на границе области сухого роста за счет электризации крупы нельзя ожидать образования полей с напряженностями, превышающими Если же допустить, что для льда то тогда можно получить значения зарядов, на порядок большие, чем приведенные выше. Таким образом, напряженность поля на границе между областями сухого и мокрого роста может достичь критического значения. Вместе с тем должны резко увеличиться проводимость в облаке и токи утечки. Так что если грозовые разряды и возникнут, то гроза будет малоинтенсивной, частота разрядов должна быть небольшой. Возможно, что именно так развиваются зимние грозы, в которых наблюдается весьма большая концентрация ледяной крупы.

Роль зарядов крупы должна, вообще говоря, ограничиваться созданием поля вблизи границы области сухого роста, так как ниже этой границы механизмы электризации проявляются иным образом. Вследствие большой проводимости облачного воздуха эти заряды не могут длительно сохраняться на крупе и должны нейтрализоваться несколько ниже границы области сухого роста.

В области мокрого роста может действовать механизм заряжения, заключающийся в контакте облачных капель с поверхностью смоченных градин, т. е. контакт вода—лед. Поэтому расчеты заряжения могут быть выполнены по формуле (126) с константами, принятыми выше, и Результаты этих расчетов для грозовой и градовой моделей приведены на рис. 74. Согласно рисунку, для грозовой модели максимальный заряд градин на уровне изотермы 0°С равен а для градовой Средние заряды градин в сферах радиусом 1000 м, расположенных над уровнем изотермы равны примерно соответственно. Для принятых выше значений интенсивности осадков для грозовой и градовой моделей средние концентрации градин в сферах составляют около 5 и соответственно. Следовательно, на границе сферы напряженность поля для грозовой модели примерно а для градовой — около

При вычислении напряженности поля, создаваемого в результате действия контактного механизма электризации, не

учитывалась высокая проводимость в грозовых облаках. Если принять, что в области мокрого роста проводимость порядка то вычисленные значения следует уменьшить по крайней мере в 3 раза. Вместе с тем возможно, что контактная разность потенциалов значительно выше — может быть, даже на целый порядок. Поэтому можно полагать, что напряженность поля, создаваемого контактным механизмом электризации гидрометеоров в кучево-дождевых облаках, лежит в пределах вероятно, достигает

В области мокрого роста и в области таяния возможны процессы электризации при соударении градин с дождевыми каплями, при срывании капель с градин и при спонтанном разрушении крупных капель в электрическом поле. Как в восходящих, так и в нисходящих токах лишь первый из механизмов электризации будет приводить к усилению поля, тогда как остальные два — к ослаблению. Как следует из экспериментов [128], вероятность срывания капель с зарядами противоположных знаков примерно одинаковая. Поэтому механизм электризации, увеличивая число заряженных капель в облаке, не будет значительно влиять на скорость роста напряженности поля.

Рис. 74. Зависимость от высоты заряда гидрометеора, образующегося в результате контактной электризации в области мокрого роста, в грозовой и градовой (2) моделях.

Существуют два вида спонтанного разрушения капель — гантеле- и грибообразное. Заряд, образующийся при гантелеобразном разрушении, мал по сравнению с зарядом, образующимся при грибообразном разрушении. Насколько можно судить по данным разных авторов, частота грибообразного разрушения капель мала по сравнению с частотой гантелеобразного разрушения. Поэтому общий заряд, который может образоваться в результате этого механизма электризации, будет небольшим по сравнению с зарядом, образующимся благодаря механизму электризации при соударении градин с каплями в электрическом поле. Необходимо еще учесть, что скорость разделения зарядов при спонтанном разрушении капель в несколько раз меньше, чем при соударении градин с каплями. Поэтому можно полагать, что скорость генерации зарядов незначительно изменится за счет механизма электризации при спонтанном разрушении капель в электрическом поле.

Рассмотрим изменение поля, начиная с какой-то начальной напряженности допустим, что основным механизмом генерации

зарядов в принятых выше моделях грозовых облаков является электризация при соударении градин с каплями в электрическом поле [143, 451 а].

Заряд, который образуется за единицу времени на градине радиусом при соударениях с каплями радиусом имеющими распределение по размерам будет равен

где заряд, который образуется при единичном соударении градины с каплей радиусом в поле с напряженностью и Гтах — соответственно наименьший и наибольший радиусы капель; — конечная скорость падения градины и капли соответственно; время.

Учитывая, что согласно [130] заряд пропорционален можно написать

Тогда из (127) получаем

где

Ввиду отсутствия достаточных сведений о спектре крупных капель в грозовых облаках будем считать, что он слабо меняется со временем, и тогда можно положить Но так как часть заряда градины будет уноситься срывающимися с нее каплями, (129) примет следующий вид:

где частота срыва капель с градины; заряд, уносимый каплей.

Таким образом будет происходить непрерывное перераспределение зарядов между каплями и градинами, и поле будет зависеть не только от зарядов градин, но и от зарядов, унесенных каплями. Можно считать, что

Если предположить, что некоторая сфера радиусом равномерно заполнена градинами, радиус которых одинаковый, а концентрация постоянная, то с учетом (130) и (131) и утечки

зарядов за счет проводимости заряд сферы за время окажется равным

где

Если теперь еще учесть заряды сорвавшихся с градин капель, находящихся в пределах сферы радиусом то напряженность поля на ее границе будет равна

где

Поле внутри облачной сферы неоднородно, так как концентрация капель не является постоянной по объему. Кроме того, вследствие большой турбулентности в грозовых облаках концентрация капель, а вместе с тем и поле должны претерпевать сильные флуктуации, сведений о которых нет. Поэтому необходимо ввести какое-то упрощающее допущение относительно поля внутри сферы. Так как размеры сферы выбираются сравнительно небольшими примем напряженность поля внутри сферы одинаковой во всех точках и равной половине ее значения на границе сферы. В этом случае можно положить

Для решения (133) необходимо знать значение Оно, согласно [143, 451а], может быть определено из уравнения

Поскольку можно считать, что токи утечки с капель и градин пропорциональны их суммарным зарядам, то

Кроме того, общий ток разрядки через сферу равен

Здесь эффективная проводимость.

Учитывая (132), (134), (135) и (136), в результате преобразований (133) получаем

где

и

Решение (137) имеет вид

где корни уравнения постоянные, определяемые из начальных условий.

Используем уравнение (138) для оценки времени, необходимого для возникновения очередного разряда. Для этого рассмотрим, в каких пределах изменяются основные параметры, входящие в уравнение (138).

Можно полагать, что верхний предел напряженности электрического поля необходимый для возникновения грозового разряда, тогда как послеразрядная напряженность поля которая является начальной для развития следующего разряда, находится в пределах Проводимость в грозовых облаках велика, ее реальные пределы Размеры сферы не должны превышать размеры грозовой ячейки, но должны быть больше размеров отдельных неоднородностей, так что можно принять, что радиус сферы равен 1000 м. Данные о размерах и концентрациях градин и частоте срывания капель с них выбираются согласно грозовой и градовой моделям, рассмотренным в разделе 2.1.9. Наконец, предполагается, что радиусы капель, срывающихся с градин, одинаковы:

Как следует из табл. 56, время, необходимое для возникновения очередного разряда в грозовой модели кучево-дождевых облаков, находится в пределах 100—300 с, если проводимость не превышает При значениях проводимости порядка механизм электризации в сравнительно слабо развитых кучево-дождевых облаках оказывается недостаточно эффективным для возникновения грозовой деятельности. Полученные значения времени можно считать реальными для большинства сравнительно слабых гроз.

Для грозовой модели кучево-дождевых облаков со значительной интенсивностью осадков время между разрядами лежит в пределах 10—30 с. Эти значения характерны для интенсивных гроз. Здесь также наблюдается зависимость времени между разрядами от проводимости, однако она менее сильно выражена, чем для слабых гроз.

Анализ данных табл. 56 показывает, что полученные значения времени, необходимого для возникновения очередного разряда, имеют тот же порядок, что и наблюдаемые для гроз средней интенсивности и для весьма интенсивных гроз. Принимая на поверхности сферы значение получаем, что в ней накапливается заряд около 70 Кл. Если теперь считать, что разряд в облаке имеет протяженность около 2 км, то электрический момент оказывается равным

Таблица 56 (см. скан) Время необходимое для увеличения напряженности поля от начального значения до предельного

Эти значения также соответствуют значениям, наблюдаемым в грозовых облаках. Таким образом, развитая выше схема позволяет получить приближенные количественные значения основных электрических параметров грозовых облаков. Вместе с тем она отличается некоторыми характерными чертами от приведенных в обзоре схем грозового электричества, и в первую очередь особенностями условий образования свободных зарядов в облаках.

В последнее время подобные взгляды на образование грозового электричества стали развивать Левин и Скотт [395а, 3956].

При разряде происходит нейтрализация свободных зарядов в грозовых облаках. Для того чтобы произошел очередной разряд, необходимо появление объемных зарядов, достаточных для образования критического поля разряда. Существуют различные мнения о том, каким образом осуществляется образование объемных зарядов. Так, Мейсон [115] считает, что в облаке постепенно накапливаются большие, одинаковые по величине заряды обоих знаков, причем на больших частицах — заряды одного знака, а на меньших — другого. После разряда в результате опускания больших частиц относительно меньших происходит разделение зарядов: внизу появляется свободный заряд одного знака, а вверху — противоположного. Другого мнения придерживается И. М. Имянитов [77]. Он считает, что в условиях больших концентраций частиц с зарядами противоположных знаков и интенсивной турбулентности будет происходить быстрая нейтрализация зарядов. Кроме того, при непосредственных измерениях в не было обнаружено накопление зарядов, на которое рассчитывал Мейсон [115]. Поэтому заряды обоих знаков могут существовать только при их непрерывной генерации. Именно этим объясняется необходимость больших скоростей образования зарядов в грозовых облаках. Точку зрения Имянитова следует считать более обоснованной и отвечающей природе грозовых облаков, чем мнение Мейсона.

Если с этих позиций рассмотреть вопрос о механизмах электризации гидрометеоров, то обнаруживается, что все механизмы, которые приводят к постепенному накоплению зарядов на гидрометеорах, малоэффективны. При всех этих механизмах для образования больших зарядов гидрометеоров, наблюдаемых в естественных условиях, требуется время, в лучшем случае сопоставимое с временем релаксации. Поэтому большие скорости образования зарядов могут быть объяснены только существованием механизмов электризации практически мгновенного действия. К таким механизмам принадлежат все механизмы электризации при соударении и разрушении крупных гидрометеоров в электрическом поле. Именно такой механизм электризации и является основой схемы грозы, разработанной автором книги.

Все рассмотренные выше схемы грозового электричества, за исключением схем Имянитова и автора, основываются на том, что разделение зарядов осуществляется в восходящих токах. Только схема Имянитова качественно оценивает разделение зарядов гидрометеоров в нисходящих токах. В схеме автора все расчеты образования зарядов в грозовых облаках проведены для нисходящих токов, т. е. для условий, более соответствующих реальным.

Вполне естественно, что и схема грозы автора не может претендовать на завершенность, так как о ряде параметров грозовых облаков либо почти совсем ничего неизвестно, либо известно сравнительно мало. Поэтому по мере появления новых результатов наблюдений схему следует соответствующим образом корректировать. В частности, сейчас еще нет достаточных оснований для более строгой оценки вклада в электричество грозовых облаков таких механизмов, как электризация при спонтанном разрушении капель, при срывании капель с тающих градин и т. п. Остается надеяться, что в дальнейшем осуществятся необходимые исследования.

Из проведенного обзора современного состояния теории грозового электричества можно заключить, что работа по ее созданию не только не ослабевает, но все более усиливается. Такое положение обусловливается как возросшими возможностями в исследованиях грозовых облаков и их моделировании, так и практической важностью создания теории грозы. Только при условии создания достоверной теории грозового электричества можно будет решить такие насущные вопросы, как прогноз грозы, воздействие на грозовые облака, увеличение безопасности полетов в грозовых условиях и т. п.