5.2. РЕГУЛИРОВАНИЕ ГРОЗОВОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ПУТЕМ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА МИКРО- И МАКРОФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КУЧЕВО-ДОЖДЕВЫХ ОБЛАКОВ

Л. М. Левин и Н. И. Вульфсон [395] показали, что, используя естественную неустойчивость конвективных облаков, можно разрушать их, инициируя в этих облаках слабые импульсы нисходящих токов. Авторы [395] получили, что если в развивающихся конвективных облаках искусственно создать импульсы нисходящих токов достаточной мощности, то в них разовьются интенсивные нисходящие токи, которые приведут не только к прекращению развития облака, но и к существенному, а то и к полному его разрушению. Левин и Вульфсон сообщают о девяти опытах, проведенных в конвективных облаках мощностью до 5-6 км. Импульсы нисходящих токов создавались турбовинтовыми самолетами в режиме кабрирования на больших углах. Во всех этих экспериментах в среднем примерно через 5—10 мин после полетов самолетов, вызывающих импульсы нисходящих токов, облака распадались на части или значительно опускались их вершины, или наблюдалось полное разрушение облаков. Эти опыты также подтвердили, что чем интенсивнее было развитие облаков до воздействия, тем быстрее и с большим охватом происходило их разрушение.

В свою очередь, основываясь на результатах полевых исследований разрушения небольших кучевых облаков при воздействии грубодисперсными аэрозолями (И. И. Гайворонский [27]) и лабораторных исследований взаимодействия гидрофильных и гидрофобных грубодисперсных аэрозолей с капельками воды (Л. И. Бодунова и др. [14]), И. И. Гайворонский пришел к выводу о возможности воздействия такими реагентами на грозовые облака с целью их разрушения.

Для проверки этих предположений Гайворонский и др. [305] выполнили большой ряд опытов по воздействию на развитые кучево-дождевые, в основном грозовые, облака.

Механизм действия грубодисперсных аэрозолей на мощные кучевые и кучево-дождевые облака заключается в следующем. При сбрасывании в вершину облака аэрозолей происходит их смачивание и быстрый рост вследствие коагуляции с облачными капельками. При падении крупные капли увлекают за собой воздух, в результате чего в вершину начинает поступать более холодный воздух, что приводит к уменьшению скорости восходящего тока. Ослабление восходящего тока и особенно образование нисходящих токов приводят к опусканию капель, которые ранее были уравновешены восходящим током. Вследствие этого произойдет дальнейшее ослабление восходящих токов и т. д., вплоть до разрушения конвекции и рассеяния облака.

То, что воздействие грубодисперсными аэрозолями в конечном счете является воздействием на систему восходящих токов в конвективных облаках, подтверждается следующим обстоятельством: при воздействии на слоистые облака, для существования которых не требуются интенсивные восходящие токи, или на туманы положительный эффект не наблюдается. В то же время воздействия порошкообразным на мощные кучевые облака с вертикальной мощностью до 5 км, в которых существуют сравнительно интенсивные восходящие токи, оказались успешными. Частицы имели размеры от 50 до 100 мкм, и их плотность была примерно в 2 раза больше плотности цемента. Оказалось, что для достижения положительного эффекта воздействия этим реагентом достаточно расходовать значительно меньше 1 кг на облака. Так, в 40 из 65 опытов, в которых был зафиксирован положительный эффект, расход реагента составлял от 0,2 до 0,4 кг на облака. Таким образом, эти эксперименты подтвердили, что порошкообразные реагенты действуют именно на конвективные облака, нарушая систему восходящих токов воздуха, которая им свойственна. По мнению авторов [305], из опытов с мощными кучевыми облаками следует, что для их рассеяния достаточно вызвать сравнительно слабый импульс нисходящих токов, который развивается и охватывает все облако.

И. И. Гайворонский и др. [27, 305] приводят сведения о 68 опытах по воздействиям в основном на развивающиеся внутримассовые и фронтальные грозовые облака, а также на индивидуальные облака . У большей части облаков вершины находились на высотах от 6,5 до 12 км, а температура окружающего воздуха на этих уровнях составляла от —20 до —53° С. Засев производился в наиболее развитые облака среди наблюдаемых. Для засева использовались порошки цемента и белой глины (гумбрин) высокой дисперсности, с удельной поверхностью Размеры частиц от 5 до 50 мкм. В облака сбрасывалось от 8 до 56 кг реагента в зависимости от их вертикальной мощности. Сбрасывание реагента производилось в те части кучево-дождевых облаков, которые имели признаки наличия жидкой фазы. Обычно это были части облака, находящиеся под наковальней, или вершины развивающихся ячеек, прорывающиеся через наковальню.

Авторы считают, что в 66 из 68 случаев воздействий был получен положительный эффект, заключающийся в прекращении роста облака, диссипации вершины и расслоении капельно-жидкой части. Обычно разрушение облаков происходило в течение 10—30 мин. При этом кристаллическая наковальня превращалась в покрывало в виде которые могли сохраняться в течение нескольких часов.

В табл. 57 приведены данные 19 успешно выполненных опытов в Алазанской долине (Грузинская ССР). Эти данные авторы сопоставляли с данными естественного развития контрольных облаков, обнаруженных вблизи. Была отмечена высокая эффективность порошкообразных реагентов для разрушения кучево-дождевых (грозовых) облаков, даже если их вершины росли со скоростью до 10 м/с. Сопоставление результатов воздействия порошкообразным нерастворимым реагентом и твердой углекислотой показало, что первый реагент действует примерно в 2 раза быстрее, чем второй. Радиолокационные наблюдения за крупнокапельными зонами до и после воздействий обнаружили большую эффективность воздействий, так как после них зоны разрушались.

Остается, однако, пожалеть, что опыты, выполненные И. И. Гайворонским и др. [305], не сопровождались прямыми наблюдениями за электрическим полем грозовых облаков и частотой разрядов, которые характеризуют грозовую деятельность. По-видимому, только такие наблюдения могут быть безусловно доказательными, и на их основании можно оценить эффективность воздействия на грозу. Действительно, при анализе данных табл. 57, сколь интересными они ни являются, возникают некоторые сомнения, которые желательно было бы устранить. Так, время диссипации кучево-дождевых облаков, согласно этой таблице, составляет в среднем 18 мин, тогда как среднее время естественного разрушения очагов около 11 мин (М. Л. Маркович и др. [113], Т. Н. Заболоцкая и В. М. Мучник [49]). Таким образом, можно предположить, что в ряде случаев, приведенных в таблице, диссипация происходила не за счет воздействия, а в результате естественного хода развития кучево-дождевых облаков.

В заключение заметим, что существуют успешные попытки определить результаты воздействия порошками на электрические характеристики теплых конвективных облаков (Н. В. Красногорская [94]). В опытах, описанных Красногорской, один самолет засевал облака реагентом, а второй измерял объемный заряд. Было получено, что при засеве теплых конвективных облаков сыпучими веществами их объемный заряд уменьшается. Таким образом, результаты данных опытов в какой-то степени подтверждают представления И. И. Гайворонского о влиянии засева порошком кучево-дождевых облаков на их электрическую активность.

Можно показать, что не только воздействия, в результате которых происходит разрушение системы восходящих токов в кучево-дождевых облаках, но и воздействия, при которых гидрометеоры преобразуются, могут привести к уменьшению, а то и к прекращению грозовой деятельности.

Общие результаты воздействия на грозовые (см. скан)

Таблица 57 (см. скан)облака. По И. И. Гайвороискому и др. [305]

Так, В. М. Мучник [136] полагает, что «всякое воздействие, приводящее к уменьшению вероятности образования града в конвективных облаках, меры, предупреждающие его образование, вместе с тем являются воздействием на грозовую деятельность». Такого же мнения придерживаются И. М. Имянитов и В. Я. Никандров [71]. Они считают, что «все методы воздействия, приводящие к уменьшению размеров частиц выпадающих осадков, рассеиванию облаков, будут однозначно вести к уменьшению зарядов, накопленных в облаке, и к уменьшению грозовой опасности». Основанием для подобного рода утверждений служит нижеследующее.

Многочисленные наблюдения на горных станциях и с самолетов дают основание считать, что грозы возникают только в том случае, если в кучево-дождевых облаках образуется крупа или град. Только при процессах роста крупы или града происходит образование и разделение электрических зарядов, достаточных для возникновения электрических разрядов. Так как механизм воздействия на град по современным воззрениям заключается в том, что при введении в облака большого числа эффективных ядер кристаллизации происходит одновременный рост большого количества гидрометеоров, последние не могут вырасти до размеров крупного града на высотах. Образуются гидрометеоры сравнительно малых размеров, которые успевают растаять до выпадения на землю. Уменьшение размеров гидрометеоров приводит к уменьшению генерации и скорости разделения зарядов в облаках и в конечном счете к уменьшению, а то и к полному прекращению грозовой деятельности. Необходимо также отметить, что введение кристаллизующих реагентов в переохлажденную капельно-жидкую часть облака приводит к образованию многочисленных ледяных кристаллов, которые сами по себе могут служить разрядниками электрического поля.

Интересно отметить, что в некоторых случаях при воздействиях твердой углекислотой на переохлажденные мощные кучевые облака наблюдается тенденция к уменьшению напряженности электрического поля (И. М. Имянитов и А. П. Чуваев [75], И. М. Имянитов и В. Я. Никандров [71], Н. В. Красногорская [94]). Так, при рассмотрении опытов по воздействиям на конвективные облака, сопровождающихся измерениями электрического поля, было обнаружено, что если в результате воздействия облака имели тенденцию к рассеиванию, то в них всегда наблюдалось уменьшение напряженности поля. К сожалению, перечисленные авторы не привели никаких сведений о виде и стадии развития конвективных облаков, подвергнутых воздействиям.

Определенное подтверждение высказанных выше соображений можно найти в [150]. Статистический анализ результатов воздействий на грозовые облака иодистым серебром по проекту «Скайфаер» показал, что вероятность разрядов на землю при воздействиях уменьшается. Однако авторы не нашли этому объяснения.

До сих пор речь шла о воздействиях на конвективные облака с целью ослабления и прекращения грозовой деятельности.

Но, по-видимому, представляют интерес и такие воздействия, при которых в конвективных облаках электрические процессы усиливаются вплоть до возникновения грозовых разрядов. Сейчас уже имеются некоторые достаточно убедительные данные о возможности таких воздействий.

В естественных условиях образование грозы сопровождается кристаллизацией вершин мощных кучевых облаков и ростом гидрометеоров. Поэтому при искусственной кристаллизации мощных кучевых облаков можно ожидать быстрого роста напряженности электрического поля и в некоторых случаях возникновения грозовых разрядов.

Рис. 77. Изменение хода вертикального градиента потенциала электрического поля после воздействия на мощное кучевое облако в районе Нижнеилимска 21 июня 1969 г. По Ю. П. Сумину и Я. М. Шварцу [176]. Время траверсов ближней точки облака при проходах: а - 14 ч 32 мин 30 с, б - 14 ч 37 мии, в - 14 ч 42 мни 30 с, г - 14 ч 45 мин 30 с. Стрелками показано направление полета самолета. воздействие.

Как показали И. М. Имянитов и др. [75, 64], Н. В. красногорская [94], Ю. П. Сумин и Я. М. Шварц [176], при воздействии на вершины переохлажденных мощных кучевых облаков твердой углекислотой, или вызывающими их кристаллизацию, происходит значительный рост напряженности электрического поля облака. Так, максимальная напряженность поля в облаках до воздействия колебалась от до после воздействия она оказалась в пределах от до Время, в течение которого наблюдался рост напряженности поля, колебалось от 4 до 25 мин. Рисунок 77 иллюстрирует действие засева иодистыми соединениями серебра или свинца на электрическое поле мощного кучевого облака. Через 5 мин после засева наблюдалось изменение напряженности поля от 50 до т. е. на Из этих данных следует, что рост поля обусловлен не только самим эффектом электризации при кристаллизации капель с разделением зарядов, но и электризацией при росте гидрометеоров, так как за 5—10 мин должен произойти значительный рост

замерзших частиц. Указанные авторы не наблюдали случаев, когда засеянные мощные кучевые облака преобразовывались в грозовые.

Ряд наблюдений дает основание предполагать, что в результате воздействия кристаллизующими реагентами на мощные кучевые облака последние развивались в грозовые облака. В таких случаях после воздействия наблюдался рост вершины облака до значительной высоты. Правда, к этим сообщениям необходимо относиться с некоторой осторожностью, так как возможно, что эти облака и без засева превратились бы в грозовые. Нередко засевались мощные кучевые облака, которые в действительности уже являлись кучево-дождевыми, так как в облаках к моменту засева уже обнаруживалось радиоэхо. В частности, такие случаи наблюдались автором книги в 1962-1965 гг. при воздействиях на мощные кучевые облака на экспериментальном метеорологическом полигоне УкрНИГМИ в районе Днепропетровска. На это же указывал и Г. Ф. Прихотько [157]. Случаи, когда в результате воздействий наблюдались грозовые разряды, приводит, например, Лэнгмюр [372] Мак-Криди [403], Мак-Криди и Праудфит [405].

Мак-Криди [403] при воздействиях на мощные кучевые облака обнаружил, что в течение 4—6 мин после воздействия происходит полная кристаллизация вершин, температура на уровне которых не ниже —12° С, с развитием осадков, усилением электрического поля, а иногда и с грозовыми разрядами. В то же время облака, которые не засевались, давали осадки и грозовые разряды не ранее чем через 15 мин после достижения вершиной облака уровня изотермы —18° С.