Глава 5. ПРОБЛЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ ГРОЗОВОГО ЭЛЕКТРИЧЕСТВА

Одной из важнейших практических задач физики атмосферы наряду с воздействиями на облака с целью борьбы с градом и для регулирования осадков, наряду с рассеянием туманов и низких облаков является воздействие на кучево-дождевые облака для предупреждения или прекращения грозовой деятельности. Воздействия на грозу можно подразделить на две категории:

1) воздействия непосредственно на электрические характеристики кучево-дождевого облака с целью искусственного разряжения заряженных областей и уменьшения напряженности поля;

2) воздействия на микро- и макрофизические характеристики кучево-дождевого облака, которые должны привести к изменению процессов электризации и прекращению грозовой деятельности.

5.1. ВОЗДЕЙСТВИЕ НА ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГРОЗОВЫХ ОБЛАКОВ

Одно из первых заслуживающих упоминания предложений по воздействию на грозовое электричество принадлежит Воркмену и Рейнольдсу [584]. Исходя из своей теории грозового электричества, согласно которой электрические заряды образуются при частичном замерзании дождевых капель, представляющих собой слабые растворы солей, на поверхности градин, они предложили изменять концентрацию солей в дождевой воде. Так как величина и знак зарядов сильно зависят от концентрации и состава солей, Воркмен и Рейнольде считают вполне достаточным сбрасывать в кучево-дож-девое облако 250 кг солей аммония, которые настолько изменят электризацию, что разделение зарядов не сможет обеспечить образование электрического поля, необходимого для разрядов. В дальнейшем Воркмен [582] уточнил эти расчеты и указал на то, что наиболее убедительным результатом воздействия явилось бы изменение характеристик грозового облака, а не уменьшение грозовой деятельности.

По мнению Воркмена [582], для воздействия на кучево-дождевое облако, содержащее 108 кг воды, требуется около 1000 молей для получения концентрации реагента Наиболее действенным

реагентом он считает безводный аммиак, около 20 кг которого необходимо для получения концентрации При такой концентрации должно произойти ослабление электризации и грозовой деятельности. Если желательна перемена полярности облака, то необходимо достигнуть концентрации т. е. в облако следует сбросить около 200 кг безводного аммиака.

Воркмен и Рейнольде [584] предприняли попытку экспериментально проверить свои представления. При полетах в Нью-Мексико они сбрасывали в грозовые облака раздробленные соли аммония. Результаты всего двух опытов не позволили сделать вывод об успешности этих опытов, однако они вселили уверенность в правильности избранного авторами пути. Поэтому Воркмен и Рейнольде поставили перед собой задачу выполнить большое количество подобных опытов, что дало бы возможность оценить эффективность воздействия. Но в дальнейшем сообщения о таких опытах больше не поступали. Причина этого заключается, возможно, в том, что Рейнольде изменил свою точку зрения на природу грозового электричества в результате обоснованной критики. В частности, указывалось, что грозовые облака при их развитии над индустриальными районами подвергаются интенсивному воздействию посторонних примесей. Однако грозовая деятельность над такими районами не претерпевает заметных изменений по сравнению с грозовой деятельностью в районах с аналогичным климатом, но без индустриальных загрязнений атмосферы.

К представлению о возможности воздействия на генерацию электричества в кучево-дождевых облаках с помощью тех или иных примесей пришли также Л. Г. Качурин и др. [82]. Они основываются на своих опытах, из которых следует, что даже небольшие изменения в концентрациях кислот и оснований, приводящие к изменениям растворов, оказывают сильное влияние на интенсивность электризации капель, разрушающихся при замерзании. Однако Качурин и его коллеги не приводят никаких .сведений о типе реагентов и их расходах, требующихся для получения положительного эффекта в естественных условиях.

Интересный метод воздействия на грозу, получивший дальнейшее развитие в работах Каземира и Вейкмана [357, 564], предложен Вейкманом [563а]. Он исходит из представления, что молния начинается с коронного разряда на частицах осадков. Если воздействовать на поле кучево-дождевого облака таким образом, чтобы разрядить облако и понизить напряженность до значения, при котором не сможет возникнуть коронный разряд, то тем самым будет исключена вероятность инициирования грозовых разрядов. В качестве разрядников, уменьшающих напряженность электрического поля облака, Вейкман предлагает металлизированные мякину или нейлоновые нити.

Каземир и Вейкман [357] выдвигают три условия, необходимые для успешного воздействия на грозовые облака:

1) коронный разряд на металлизированных нитях (линейных разрядниках) должен происходить при напряженности

электрического поля более низкой, чем напряженность, необходимая для возникновения грозовых разрядов;

2) суммарный ток для коронного разряда с линейных разрядников должен быть того же порядка или предпочтительно больше тока, рассеиваемого молниями;

3) линейные разрядники должны быть внесены в соответствующее место и в соответствующее время в грозовое облако.

Все эти три условия были ими рассмотрены.

Каземир и Вейкман [357] вычислили увеличение напряженности поля на концах линейного разрядника, представляемого в виде тонкого вытянутого эллипсоида вращения. Они получили весьма простую приближенную формулу

где с и а — соответственно большая и меньшая полуоси эллипсоида, причем и соответственно напряженность внешнего поля и на концах линейного разрядника.

Если считать, так же как авторы [357], что для разряда в облаке необходима напряженность то для нитей мякины с получается значение Таким образом, согласно формуле (139), первое условие удовлетворяется. Необходимо, однако, отметить, что формула (139) имеет слишком приближенный характер и зависимость от представлена слишком грубо. Действительно, на основании лабораторных исследований зависимости критической напряженности коронного разряда от выполненных Каземиром [357], оказывается, что для при значениях а от до изменяется в пределах Эти значения в 2—4 раза больше значения вычисленного на основании формулы (139). Кроме того, обнаруживается, что зависимость от является не линейной, а более сложной. Это подтверждается результатами лабораторных исследований В. М. Мучника и др. [138] с металлическими проволочками, у которых а изменялось от до 0,6 мм. Авторы [138] получили, что при изменении от 20 до 250 происходит уменьшение критической напряженности от до Так что при увеличении более чем в 10 раз уменьшается примерно в 4 раза. Поэтому необходимо найти более достоверную зависимость от что было выполнено В. А. Дячуком и В. М. Мучником.

Как известно, для возникновения разряда необходимо, чтобы электроны получили ускорение, достаточное для ионизации молекул воздуха и образования лавины. Однако если протяженность зоны с напряженностью поля, достаточной для придания электронам необходимого ускорения, будет небольшой, то лавина не разовьется и разряд не сможет осуществиться. Для возникновения разряда недостаточно, чтобы в какой-то точке напряженность поля достигла критического значения: оно должно быть достигнуто в зоне некоторой протяженности. Поэтому для возникновения

коронного разряда существенную роль играет не только абсолютное значение напряженности поля, но и ее градиент. Очевидно, что при больших градиентах напряженности поля на поверхности тела для возникновения разряда требуется более высокая напряженность, чем при малых градиентах.

Напряженность поля вблизи конца эллипсоида должна очень быстро убывать с расстоянием. Конец реального линейного разрядника представляет собой не конец вытянутого эллипсоида вращения, а срез узкого цилиндра. Поэтому вблизи концов линейного разрядника наблюдается весьма большая неоднородность поля, оценить которую трудно, но несомненно, что вблизи конца цилиндра напряженность поля изменяется с расстоянием более резко, чем на конце эллипсоида. При этом чем тоньше линейный разрядник, тем больше будет для одного и того же значения отклонение напряженности поля на его концах от рассчитанной. Вследствие этого падение напряженности поля вдоль оси линейного разрядника будет тем больше, чем меньше его радиус. Для определения критической напряженности поля необходимо знать, как влияет кривизна конца линейного разрядника на изменение напряженности поля с расстоянием, что представляет собой чрезвычайно трудную задачу. Для определения необходимо пользоваться даннымй Вейкмана [564], В. А. Дячука и В. М. Мучника (рис. 75).

Рис. 75. Зависимость критической напряженности электрического поля коронного разряда с линейных разрядников от их длины I и диаметра. Диаметр разрядников (мкм): 1) 22, 2) 27, 3 ) 50, 4) 75 (Каземир [356]), 5) 50, 6) 150, 7) 310 (В. А. Дячук и В. М. Мучник [46]).

Вейкман [564] на основании лабораторных исследований зависимости силы тока от напряженности поля пришел к выводу, что она хорошо описывается формулой, полученной Чепменом [264] для тока коронного разряда с антенны радиозонда для измерения напряженности поля:

где а — множитель, зависящий от давления; и — подвижность ионов; напряженность поля в облаке; скорость движения антенны относительно воздуха; критическая напряженность

возникновения коронного разряда; 2а — длина антенны. Для случая выбрасывания тонких нитей можно положить и тогда выражение (140) значительно упростится:

Для нитей диаметром 75 мкм и длиной Если принять (как указывает Вейкман, это максимальная напряженность поля, которую измерил Каземир в основании единичной грозовой ячейки), то Таким образом, достаточно сбросить в кучево-дождевое облако нитей, чтобы ток коронного разряда достиг 4,7 А, т. е. величины, сопоставимой с током, генерируемым грозой. Так как 1 кг мякины содержит до нитей, то достаточно сбросить в облако всего несколько килограммов, чтобы добиться необходимого эффекта. Таким образом, второе условие также выполняется.

По мнению Каземира и Вейкмана (357], в грозовом облаке существуют две области, воздействие на которые должно приводить к наибольшему эффекту. Первая область находится в верхней части облака между зонами положительных и отрицательных зарядов, где напряженность поля в облаке максимальная и где возникают внутриоблачные грозовые разряды. Вторая область воздействия находится ниже отрицательно заряженной части облака и нижнего положительного заряда, где формируются молнии, идущие к земле. Однако до получения статистически обоснованных экспериментальных данных нельзя считать, что имеются условия для удовлетворения третьего требования.

Каземир и Вейкман выполнили в 1964 г. пять опытов, во время которых сбрасывалась мякина в грозовые облака и производилось измерение напряженности поля. Техника проведения опытов заключалась в следующем. С самолета каждые полсекунды сбрасывался пакет, содержавший около нитей. Это время соответствовало отрезку пути в 50 м. Обычно в течение одного опыта сбрасывалось 50—60 пакетов. Для установления наиболее выгодного места сбрасывания мякины экспериментаторы с самолета, летевшего непосредственно под основанием хорошо развитого кучево-дождевого облака, определяли положение, в котором наблюдалась максимальная напряженность поля, превышающая После разворота самолета производилось сбрасывание по тому же пути полета. Затем самолет продолжал некоторое время повторять полеты по той же трассе для оценки результатов воздействий. Каземир и Вейкман считают, что в трех опытах отчетливо проявился положительный эффект засева (даже тогда, когда гроза находилась в стадии развития). В четвертом случае после засева произошел разряд молнии, и уменьшение напряженности поля могло быть вызвано этим разрядом, а не засевом. В пятом опыте засев был произведен в значительной степени под наковальней, вне главного ствола облака, и в этом случае уменьшение поля не наблюдалось.

Результаты записи напряженности электрического поля при успешных опытах представлены на рис. 76. На графиках по оси ординат отложена вертикальная составляющая напряженности поля, а по оси абсцисс — время. В среднем требовалось около 3 мин для разворота самолета на 180°. Как видно из данных для 22 июля (рис. 76 а), при пролете через участок воздействия примерно через 5 мин после окончания засева произошло значительное уменьшение напряженности поля по сравнению с напряженностью, измеренной при сбрасывании мякины. Особенный интерес представляют результаты полета 31 июля (рис. 76 б), когда удалось несколько раз пролететь под участком засева.

Рис. 76. Ход вертикальной составляющей напряженности электрического поля под грозовыми облаками при воздействиях металлизированной мякиной. По Каземиру и Вейкману [357]. а - 22 июля, б - 31 июля, в — 1 августа 1964 г.; 1 - участок засева мякиной, 2 — участок разворота самолета на 180°, 3 — участок воздействия.

Как видно на этом рисунке (кривая напряженность в процессе сбрасывания практически не изменялась. Зато после разворота самолета и пролета через участок воздействия (3) наблюдалось ее заметное уменьшение. Особенно успешным оказался повторный засев, результаты которого представлены кривыми II и III. В этом случае произошло значительное уменьшение напряженности поля на участке воздействия по сравнению с напряженностью во время засева (1). В последующем напряженность на участке засева стала несколько расти, но и во время пятого пролета она не выросла до значения перед воздействием. Засев 1 августа (рис. 76 в) был выполнен при напряженности поля около Было обнаружено, что сразу после засева возник интенсивный коронный разряд, так как обнаружилась весьма сильная осцилляция поля. Кроме того, экран радиолокатора сопровождения каждый раз при входе самолета на участок засева забивался помехами, вызванными высокочастотным шумом. К сожалению, из-за неисправности полемера нельзя было обнаружить падение напряженности поля после засева.

На основании рассмотренных выше опытов Каземир и Вейкман пришли к выводу, что поле грозы изменялось в результате воздействий. Однако они считают, что для увеличения эффективности

этого метода воздействия необходимо получить более реальную модель генерации электрического поля в грозовых облаках, а также улучшить способы засева. Необходимо рассеивать линейные разрядники непрерывно и по большей площади, так как полосы длиной 3 км и шириной около 50 м составляют очень малую часть площади основания грозового облака.

Представления Вейкмана и Каземира встретили возражения. И. М. Имянитов и др. [74] считают, что если учесть высокую проводимость в грозовых облаках, то необходимо вызвать коронный ток силой не 1 А, а около 100 А. Поэтому для изменения напряженности поля потребуется не острий. Если еще учесть влияние турбулентности на рекомбинацию ионов, образующихся при коронном разряде, то потребуется около 109 острий. Необходимо, однако, отметить, что в своих расчетах Имянитов и др. исходили из того, что 5- 103 острий из мякины весят 1 кг, тогда как согласно Каземиру [356] на 1 кг приходилось острий, т. е. в действительности на облако требуется всего около 100 кг мякины.

Возражения Имянитова, безусловно, весьма существенны, и поэтому представления Вейкмана и Каземира о механизме воздействия следует пересмотреть. Действительно, с позиции Вейкмана и Каземира для изменения поля во всем грозовом облаке потребуется огромное количество разрядников. Задача оказывается технически невыполнимой. Но законно встает вопрос: для изменения поля грозового облака необходимо воздействовать на все облако или по крайней мере на значительную его часть или достаточно воздействовать на какие-то особые участки облака? Согласно современным представлениям о строении грозовых облаков (например, И. М. Имянитов и . Шифрин [77]), инициирование грозовых разрядов происходит в небольших объемах с высокой концентрацией заряженных частиц, где напряженность поля достигает критического значения. Поэтому нет необходимости воздействовать на значительные объемы грозового облака, а достаточно разряжать эти сравнительно небольшие объемы. Следует еще учесть, что грозовое облако является неустойчивой системой и что генерация зарядов, по-видимому, зависит от напряженности поля. Если более или менее существенно нарушить естественный ход напряженности поля в области генерации, то может произойти соответствующее изменение образования зарядов и напряженность поля, необходимая для возникновения разрядов, не будет достигнута. Следует также учитывать, что коронный разряд с системы близко расположенных острий происходит при меньшей критической напряженности поля, чем с отдельного острия, поэтому воздействие будет особенно эффективным, если разрядники будут располагаться в облаке сравнительно компактной массой, т. е. до их значительного рассеяния по объему облака. Возможно, что именно этим объясняются положительные результаты некоторых опытов Вейкмана и Каземира.

Как сообщает Ю. С. Седунов [167], в США в группе Фиквея полагают, что при перекристаллизации переохлажденной части облака

с образованием большого числа кристаллов создаются условия для возникновения коронного разряда с этих кристаллов, для увеличения проводимости и соответствующего уменьшения напряженности электрического поля в облаке. Был выполнен ряд опытов, в которых производился засев грозовых облаков иодистым серебром с земли или самолета. В серии из 26 рандомизированных опытов, в которых засев производился в 12 случаях, а в 14 не производился, был получен положительный эффект. Так, на основании статистической обработки данных наблюдений для одной грозы число разрядов на землю для случаев с засевом уменьшилось с 57,9 до 19,3. В то же время почти полностью исчезли длительные разряды. Вместе с тем Седунов сообщает, что мнение многих специалистов в области атмосферного электричества по этому поводу отрицательное. Они считают, что появление большого числа ледяных кристаллов должно привести к усилению грозовой деятельности, а не к ее ослаблению. Заметим еще, что в группе Фиквея считают, по-видимому, что проводимость в грозовых облаках мала и что ее можно заметно увеличить. Но, как известно, в грозовых облаках проводимость весьма велика.

Рассмотрение представлений Вейкмана и Фиквея показывает, что они базируются на одних и тех же закономерностях. Если учесть, что в электрическом поле должен произойти поворот ледяных частиц в направлении сил поля (В. М. Мучник и др. [138]) и что множество кристаллов благодаря взаимодействию друг с другом понижают критический потенциал зажигания коронного разряда в большей степени, чем единичный кристалл, то можно ожидать положительный эффект при засеве грозовых облаков. Так как коронный разряд в облаке является началом грозовых разрядов, а при перезасеве ледяными кристаллами коронный разряд должен происходить при меньших критических напряженностях поля, то засев должен привести, с одной стороны, к уменьшению токов молнии, а с другой —к уменьшению числа разрядов на землю.

Воннегут и Мур [558] предложили воздействовать на электрическое состояние конвективных облаков путем внесения в них электрических зарядов, генерируемых у поверхности земли. Так как, согласно Грене и Воннегуту (см. раздел 4.11), электрическое состояние мощных кучевых облаков обусловливает развитие грозы, то, соответствующим образом влияя на электрическую структуру мощных кучевых облаков, можно воздействовать на условия образования грозы.

Для генерирования зарядов Воннегут и Мур [558], Воннегут и др. [562] использовали явление коронирования с тонкой проволоки, находящейся под высоким напряжением. Для более интенсивного и, главное, направленного внесения зарядов в облака Колгейт (см. в [550]) осуществил подачу ионизированного воздуха через полиэтиленовую трубу длиной 350 м. При слабом ветре труба устанавливалась почти вертикально под действием напора воздуха, нагнетаемого мощным вентилятором.

Но эти эксперименты, выполненные со слаборазвитыми кучевыми облаками, не могли дать какое-либо подтверждение представлениям Воннегута и Мура, так как схема грозового электричества Грене и Воннегута не может претендовать на достоверность: основные заряды грозы образуются не за счет объемных зарядов атмосферы, а в результате процессов электризации при росте гидрометеоров в кучево-дождевых облаках. Поэтому, чтобы изменить электрическую структуру грозовых облаков, необходимо воздействовать на них токами, равными по силе токам, генерируемым грозой, т. е. токами, сила которых на 4—5 порядков больше, чем в опытах Воннегута и Мура.

Здесь нет необходимости останавливаться на традиционных методах грозозащиты с помощью молниеотводов. Им уделено достаточно внимания в специальной литературе. Однако в процессе рассмотрения этих методов был разработан метод «дренирования» грозовых облаков, заключающийся в отводе электричества из облаков на землю по безопасным каналам.

Так как сила тока грозового генератора достигает нескольких ампер, для дренирования необходимо создать условия для противотока такой же силы между облаком и землей. И. С. Стекольников 1173] указывает, что такой противоток не может быть обеспечен отдельными металлическими каналами (например, тросами аэростатов), поскольку из опытов, проведенных Стекольниковым и другими авторами, следует, что при подъеме заземленного троса на высоту 1-2 км грозовые разряды из облака не прекращались.

Попытки создать противоток с помощью острий в поле грозового облака также не достигают цели. Это следует из того, что над большими городами, где достаточно много острий, грозовая деятельность не претерпевает каких-либо заметных изменений. Причиной малого влияния острий могут оказаться объемные заряды, которые образуются в пространстве между облаками и землей и ослабляют ток истечения с острий. Кроме того, снос ионов ветром может привести к тому, что они не достигнут основания облака, тем более что к моменту возникновения грозы в облаке развиваются нисходящие токи воздуха.

Если в достаточной степени увеличить проводимость воздуха между основанием облака и землей, то между ними возникнет противоток, который приведет к ослаблению электрического поля. Расчеты показывают, что при использовании в качестве ионизаторов радиоактивных элементов и рентгеновского излучения нельзя существенно изменить проводимость значительного слоя воздуха между облаком и землей. Некоторая надежда возлагается на лазеры высокой мощности, способные интенсивно ионизировать воздух [457].

Хотя методы дренирования зарядов грозовых облаков с превентивной целью кажутся технически невыполнимыми, представляет, по-видимому, интерес возможность их локального применения. Под этим следует понимать отвод зарядов из какого-либо участка облака, например, для защиты важных объектов

на ограниченных участках или для защиты ракет при их движении в облаке. Исследования, выполненные с ракетами, несущими заземленную проволоку, привели Ньюмена [455, 456, 457] к выводу, что локальное дренирование грозовых облаков представляет практический интерес для грозозащиты. Он отмечает, что положительный эффект был обнаружен над Атлантическим океаном и не обнаруживался другими авторами над сушей. Возможно, причиной такого несоответствия являются объемные заряды, которые образуются при истечении с острий на суше, что было подтверждено лабораторными экспериментами. Положительный эффект, полученный Ньюменом, заключается в том, что при быстром движении проволоки на ее конце не успевает образоваться экранирующий объемный заряд.