2.6. ПОСЛЕДНИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.6.1. Введение

Значительные фотографические исследования молнии были проведены недавно в Аризоне, Нью-Мексико и Швейцарии. Исследования молнии в этих местах продолжаются и сейчас, когда эта книга уже написана. Вблизи Таксона, Аризона, и вблизи Соккорро, Нью-Мексико, были проведены фотографические, электрические и спектроскопические изучения молнии. Сфотографированы разряды молний на две вышки вблизи Лугано, Швейцария, и измерен ток молнии. Мы рассмотрим наиболее значительные результаты фотографической части исследований, проведенных в трех указанных местах.

2.5.2. Фотографии молний в Аризоне

Эванс и Волкер [10] сфотографировали молнию с расстояния примерно 110 м. Для фотографирования ударов молний в телевизионную ретрансляционную вышку на вершине Маунт Бигелоу, около Таксона, они использовали высокоскоростную барабанную камеру, которая дает возможность получить 224 кадра при скорости 26 000 кадров в секунду. Съемка проводилась с экспозицией

2 мкс, а интервал между кадрами составлял 77 мкс. На кадре отображался участок плоскости, которая проходила через вершину башни, размерами Анализ фотографий давал возможность определить радиус канала молнии, светимость канала в зависимости от времени и данные, относящиеся к изменению геометрической формы канала отдельного возвратного удара и от удара к удару в пределах одной вспышки. Поскольку камера была непрерывного действия, а интервал между кадрами составлял 77 мкс, время начала удара относительно первого кадра можно было определить только с точностью до 77 мкс. Неизвестно, были ли вызваны сфотографированные импульсы лидерами, движущимися вверх или вниз, либо теми и другими вместе.

Далее обсуждаются фотографии трех вспышек. В первой вспышке насчитывалось четыре импульса, продолжительность свечения которых равнялась 2,3; 1,1; 1,0 и 0,5 мс соответственно номеру импульса. Вторая вспышка состояла из шести импульсов с продолжительностью свечения от 0,2 до 0,7 мс. В третьей вспышке был один импульс, продолжительность свечения которого составляла около 0,6 мс. Для большинства зарегистрированных импульсов первый кадр был самый яркий, а затем интенсивность постепенно падала. В одном из импульсов было зафиксировано два пика светимости. В каналах молний, по-видимому, были области различной толщины, особенно четко выраженные на ярких кадрах. На наименее ярких кадрах каналы были мелко (порядка сантиметров) закручены и изогнуты. Было установлено, что форма канала не претерпевает существенных изменений в пределах одного импульса, но иногда наблюдаются изменения от импульса к импульсу в пределах одной вспышки. Изменение формы канала от импульса к импульсу было отмечено также Шонланд ом [38].

Измерения показали, что радиусы канала молнии лежат в интервале 1,5 — 6 см. Для сравнения приведем интервал, который получил Шонланд [38] с помощью фотографического метода: 7,5 —11,5 см (разд. 2.3.4). Юман [48, а также неопубликованные результаты] измерял размеры отверстий, проплавленных в фиберглассовом экране при прохождении через него молнии.

Обычно наблюдались отверстия от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров. Методика измерения радиуса канала могла приводить к меньшим величинам, чем фотографическая, поскольку внешняя часть канала, хотя она и светится, могла быть недостаточно горячей в течение длительного времени, чтобы вызвать плавление фибергласса. Исследуя влияние молнии на металлические электроды, Хилл [16] пришел к выводу, что радиус канала молнии порядка миллиметров. Выводы относительно радиуса канала, полученные из наблюдений явлений на электродах, не могут считаться надежными. Электропроводность смеси паров металла с воздухом у электродов должна быть выше электропроводности воздуха вдали от электрода, и, следовательно, для прохождения данного тока требуется канал меньшего радиуса. Кроме того, электродные явления при больших токах сложны и не совсем понятны. Дальнейшее обсуждение вопросов, связанных с радиусом канала молнии, дано в разд. 7.6.

2.5.3. Фотографирование молний в Нью-Мексико

Воркман и др. [53] сфотографировали вспышку молнии, состоявшую из 54 пиков светимости, 26 из которых представляли собой комбинацию лидер — возвратный удар. Вспышка продолжалась 2 с. В типичных многоимпульсных вспышках светимость импульса уменьшается с номером импульса, причем первый импульс наиболее яркий. В наблюдавшейся вспышке такая регулярность не была очевидной. Однако 26 импульсов могут быть разбиты на группы, для каждой из которых характерны типичные свойства. По-видимому, импульсы от 6 до 14, от 15 до 19, от 20 до 22 и от 23 до 25 составляют группы, в которых светимость уменьшается с номером импульса. Было установлено, что продолжительность светимости каждой группы имеет тот же порядок величины, который характерен для типичнои вспышки облако — земля. В других вспышках молний, сфотографированных во время той же грозы, также отмечалось большое число импульсов, иногда превышающее 20. Воркман и др. [53] пришли к выводу, что они наблюдали необычные грозовые условия, в которых последовательность импульсов несла заряд,

в четыре — шесть раз превышающий обычно существующий в грозовом облаке. Постулируется, что этот заряд распределяется в четырех-шести расположенных рядом ячейках, структура заряда в каждой из которых до некоторой степени аналогична изображенной на рис. 1.2. Вероятно, все ячейки достигали стадии зрелости с точки зрения электрической активности в одно и то же время, и заряд во время вспышки значительно перемещался в горизонтальном направлении.

Китагава и др. [22] и Брук и др. [7] опубликовали результаты анализа 193 фотографий вспышек молнии. Были опубликованы также результаты электрических измерений, которые обсуждаются в следующей главе. Установлено, что 50% многоимпульсных вспышек (составляющих 90% вспышек облако — земля) содержали по крайней мере один импульс, за которым следовал длительный период непрерывной светимости, продолжавшийся от 40 до 500 мс, со средней длительностью 180 мс. Чтобы отличать эти вспышки от вспышек только с дискретными импульсами, их назвали гибридными вспышками. Показано, что в непрерывную светимость вносили вклад -компоненты (разд. 2.3.6). Доказано, что в некоторых случаях, когда импульс распространяется по каналу предыдущего импульса через интервал времени от 100 до 500 мс, большая часть этого интервала характеризуется непрерывной светимостью от предыдущего импульса. Часть интервала времени, в которой отсутствует непрерывная светимость, сравнима по продолжительности с максимальным интервалом времени между импульсами без непрерывной светимости.

Если в многоимпульсных вспышках нет импульсов с длительным (более 40 мс) периодом непрерывной светимости, то после короткого (менее 40 мс) периода непрерывной светимости, включающего и -компонент, наблюдаются более длинные интервалы между импульсами, чем после истинно дискретных импульсов. Китагава и др. [22] предположили, что, после того как ток в канале уменьшается до величины, ниже которой светимость не регистрируется, проводимость канала падает вслед за импульсом с коротким периодом непрерывного тока более медленно, чем за дискретным импульсом. После того как канал перестанет светиться, последующий импульс может

пройти по тому же каналу, если образование стреловидного лидера происходит в пределах 100 мс. Для больших времен последующий импульс идет по другому каналу с новым ступенчатым лидером.

Как уже упоминалось, одноимпульсные вспышки происходили редко. Среди одноимпульсных вспышек примерно только 1% имеет период непрерывной светимости. Дополнительные данные, относящиеся к протеканию непрерывного тока, приведены в разд. 3.7.5. Было установлено, что ни один первый импульс в многоимпульсных вспышках не имел периода непрерывной светимости.

Рис. 2.10. Данные Брука и Китагавы, свидетельствующие о том, что стреловидные лидеры медленнее проходят более старые каналы. Вертикальные линии характеризуют интервал скоростей для тех стреловидных лидеров, скорости которых не были постоянными. Наикратчайшее время между импульсами 3 мс [51].

За возвратным ударом в одноимпульсной вспышке следует период, во время которого ряд лидеров безуспешно пытаются достичь земли; они обрываются в воздухе под облаком.

Китагава и др. [22] свели результаты своих фотографических исследований в семь таблиц: классификация 193 вспышек на землю, анализ 11 дискретных одноимпульсных вспышек, анализ 36 многоимпульсных дискретных вспышек, анализ 36 гибридных вспышек, сравнение одно-импульсных и дискретных многоимпульсных вспышек из трех различных гроз и сравнение гибридных многоимпульсных вспышек из трех гроз. Для получения детальной информации читатель отсылается к этим таблицам,

Брук и Китагава (как сообщил Винн [51]) измерили скорость стреловидного лидера в зависимости от интервала между импульсами (рис, 2.10). Более медленным стреловидным лидерам соответствуют более длинные интервалы. Как уже указывалось (табл. 2.5), Шонланд и др. [45] первыми установили корреляцию скорости стреловидного лидера с интервалом между импульсами.

Брук и Воннегат [8] сообщили результаты визуальных наблюдений за -стримером, представляющим собой процесс, при помощи которого электрические разряды движутся вверх в интервале между импульсами многоимпульсного разряда, соединяя канал, направленный к земле, с новыми источниками заряда.

Наблюдалось, что наивысшая область, из которой начинается возвратный удар, движется (в ступенях напоминая стрелы) вверх или наружу, освещая новые районы облака, прежде чем новые части облака добавятся к каналу предыдущего возвратного удара и последует новый импульс. По-видимому, некоторые разряды на землю образуются из вертикального столба, но значительно большее число развивается горизонтально или с наклоном около 30° к горизонту... Представляет также интерес характер горизонтального распределения стримера слияния. Стример слияния иногда развивается горизонтально в расходящихся; направлениях, и хотя во внутриоблачной части стримеры слияния разделены друг от друга и часто имеют весьма значительную длину, возвратные удары, видимо, следуют по одному и тому же пути из-под облака к земле. Эти наблюдения являются важными, так как они показывают, что, когда действуют одновременно много гроз в одном направлении, молниевые импульсы могут часто соединять отдельные конвективные ячейки.

Этот вывод подтверждается измерениями Воркмана и др. [53], которые обсуждались ранее. Об аналогичных визуальных наблюдениях сообщили Шонланд и др. [45]. Фотография, иллюстрирующая это явление, воспроизведена на фронтисписе.

2.5.4. Фотографирование молний в Швейцарии

Бергер и Фогельзангер [3] (см. также обзор Бергера [1 ]) привели результаты фотографирования разрядов молний на вышки, расположенные на двух горах вблизи Лугано, Швейцария, а также на землю в окрестности этих вышек. Вершина Монте Сан Сальваторе расположена на высоте 640 м над уровнем озера Лугано и 915 м над уровнем моря. Вышка на Монте Сан Сальваторе примерно на 55 м выше вершины горы. Вершина вышки на Монте Сан Карло находится примерно на 650 м выше уровня озера. Расстояние между вышками по горизонтали 365 м. Покадровые и барабанные камеры (максимальное временное разрешение 5 мкс) были расположены таким образом, чтобы можно было фотографировать поражение вышки молниями с расстояний примерно 350 и 3200 м. Кроме того, на обеих вышках регистрировался ток молний.

В работе [3] приведены следующие новые и существенные результаты.

1. Было исследовано четыре ступенчатых лидера: движущийся вниз отрицательно заряженный (обычный ступенчатый лидер), движущийся вниз положительно заряженный, движущийся вверх отрицательно заряженный и движущийся вверх положительно заряженный лидеры. Установлена четкая разница между положительно и отрицательно заряженными лидерами.

2. Представлены доказательства, показывающие, что движущиеся вверх лидеры, несущие отрицательный заряд, иногда связаны с движущимися вниз лидерами, причем место встречи находится на 2 км выше того уровня, где образовался движущийся вверх лидер.

3. Перед яркими вершинами двух отрицательно заряженных движущихся вверх ступенчатых лидеров был сфотографирован коронный разряд слабой светимости. Обсудим теперь полученные результаты.

Мы уже видели (разд. 2.4.2), что Эмпайр стейт билдинг являлся источником движущихся вверх ступенчатых лидеров. Знак заряда, переносимого этими ступенчатыми лидерами, не обсуждался в статьях Мак-Ичрона [35, 36], Хагенгуса и Андерсона [14]. Движущиеся вверх ступенчатые лидеры вызвали примерно 75% вспышек, зарегистрированных на Монте Сан Сальваторе и Монте Сан Карло. Импульсы, вызванные движущимися вверх ступенчатыми лидерами, легко определяются, так как они ветвятся вверх, в то время как импульсы, вызванные движущимися вниз ступенчатыми лидерами, ветвятся книзу. Шестнадцать направленных вверх разрядов было сфотографировано в окрестности вышки (исключая разряды на сами вышки); тринадцать из них приходилось на такие объекты, как здания, башни или столбы на других горах, два — на покрытые лесом вершины гор и один — на церковь, расположенную на 200 м выше уровня озера Лугано. Фотографии движущегося вверх лидера, несущего отрицательный заряд, и последовавшей за ним вспышки приведены на рис. 2.11. Вообще направленные вверх разряды происходят главным образом в конечной фазе грозового облака и по времени совпадают с длинными горизонтальными разрядами между облаками.

Рис. 2.11. (см. скан) Движущийся вверх ступенчатый лидер, несущий отрицательный заряд, и результирующая вспышка. Лидер начинается с вышки да Монте Сар Сальваторе вблизи Лугано, Швейцария [3].

Таким образом, направленные вверх разряды зависят, по-видимому, от разрядов облако — облако, так как для их появления необходимы местные электрические поля с высокой напряженностью у поверхности земли. При измерениях тока на вышках было установлено, что сильно разветвленные направленные вверх разряды переносят заряды большой величины, порядка 100 Кл.

Основные различия между первыми лидерами, несущими отрицательный заряд, и первыми лидерами, несущими положительный заряд, кратко изложены ниже, причем знак заряда определялся по измерению тока. Отрицательные ступенчатые лидеры (ступенчатые лидеры, несущие отрицательный заряд), движутся ли они вверх или вниз, характеризуются отдельными регулярными ступенями по всей длине лидерного канала. Положительные ступенчатые лидеры (ступенчатые лидеры, несущие положительный заряд) имеют ступенчатый характер только в небольшой части всей длины канала. Оставшуюся часть канала занимает, вероятно, непрерывный лидер, для которого характерны периодические или нерегулярные изменения интенсивности. Лидер, несущий положительный заряд, гораздо слабее излучает свет, чем отрицательный лидер. Лидеры могли быть идентифицированы лишь в 7 из 46 сфотографированных положительных импульсов, направленных вверх от вышек. В этих 7 случаях лидер не был виден до тех пор, пока канал не достигал длины по крайней мере 40 м (за это же время ток лидера достигал нескольких сотен ампер). Затем от 60 до 150 м по вертикали лидер продвигался вверх ступенями. Выше примерно 200 м вершины вышки положительный лидер переходит в описанный выше непрерывный лидер. Фотографии движущегося вверх ступенчатого лидера, несущего положительный заряд, и последующей вспышки показаны на рис. 2.12. Поднимающийся с Эмпайр стейт билдинг ступенчатый лидер, фотография которого воспроизведена Хагенгусом и Андерсоном [14], обладает типичными свойствами движущегося вверх ступенчатого лидера, несущего положительный заряд.

Некоторые из данных, полученных Бергером и Фогельзангером [3] из анализа фотографий молний, приведены в табл. 2.8, Движущиеся вниз к вышкам отрицательно

Таблица 2 8 (см. скан) Свойства ступенчатых лидеров, определенные из фотографий. Если не оговорено особо, то интервал времени между ступенями, длина ступени и средняя скорость лидера представляют собой усредненные по 5—30 ступеням величины. Зарегистрированные скорости являются двумерными [3].

заряженные ступенчатые лидеры (№ 1 в табл. 2.8.) вызывают импульсы тока, максимальное значение которого заключено между 16 и 53 кА. Движущиеся к земле отрицательно заряженные ступенчатые лидеры (№ 2) обладают более высокой средней скоростью и большей длиной ступеней вблизи облака.

Рис. 2 12. Движущийся вверх ступенчатый лидер, несущий положительный заряд, и результирующая вспышка. Лидер начинается с вышки на Монте Сан Сальваторе вблизи Лугано, Швейцария [3].

Длина ступеней и средняя скорость уменьшаются при приближении лидера к земле. Бергер и Фогельзангер [3] наблюдали короткие вертикальные разряды с одной из вышек, появляющиеся одновременно с движущимися вверх отрицательными лидерами, и последующий большой ток с другой вышки. Общая длина коротких разрядов (№ 4) составляла от 10 до 55 м. Естественно предположить, что разряды с обеих вышек несли заряд одного и того же знака. Токи в коротких разрядах были меньше порога чувствительности 20 А. Был зарегистрирован только один движущийся к земле положительный лидер (№ 7). Поскольку этот разряд не попал в вышку, никаких заключений о его заряде было сделать

невозможно, и, следовательно, его идентификация возможна только на основании подобия его свойств светимости со свойствами движущихся вверх ступенчатых лидеров, несущих положительный заряд. Результирующий импульс сопровождался сильным громом. Была получена фотография положительного направленного к башне импульса с одновременной записью токов, но лидер на ней не был виден. Бергер и Фогельзангер [2] привели данные о результатах измерения токов по 46 положительным разрядам, при исследовании которых не использовалась фотографическая методика. Из 46 исследованных разрядов 18, по-видимому, были вызваны движущимися вниз положительными лидерами, что было определено по временным изменениям тока.

Вообще, длина ступеней лидеров, сфотографированных на высотах вплоть до нескольких сотен метров над вышкой, где проводились измерения, была порядка 10 м, что находится в хорошем согласии с длинами ступеней, найденными при измерениях на Эмпайр стейт билдинг (разд. 2.4.2). Большие длины ступеней, находящиеся в лучшем согласии с данными, полученными в ЮАР, являются, вероятно, более обычными на больших высотах, где заземленный объект не вносит значительных искажений в картину распределения электрического поля, обусловленного облаком.

Было установлено, что для разрядов между отрицательно заряженным облаком и положительно заряженной землей многоимпульсные вспышки часто следуют как за движущимися вниз, так и за движущимися вверх ступенчатыми лидерами. Многоимпульсные вспышки между положительно заряженным облаком и отрицательно заряженной землей встречаются редко. Наблюдались обычные стреловидные лидеры, движущиеся от облака к земле и предшествующие импульсам, следующим за первым. Средняя скорость, найденная для 80 стреловидных лидеров, составляла . Были сфотографированы также стреловидно-ступенчатые лидеры, аналогичные лидерам, которые наблюдались в ЮАР.

Представлены доказательства того, что развивающийся вверх из отрицательной вышки канал может иногда соединиться с развивающимся вниз каналом из облака. В пяти

зарегистрированных случаях через 3-14 мс после зарождения направленного вверз отрицательного лидера следовал импульс тока с вышки порядка 22 - 106 кА. К сожалению, точки соединения были выше поля зрения камеры или не могли быть зафиксированы фотографически по другим причинам. По предположению, длина растущих вверх каналов или связанных разрядов может колебаться от 500 до 1 800 м. Времена роста тока в импульсах, несущих положительный заряд к земле, меньше, чем в импульсах, несущих отрицательный заряд к земле [2].

Представленные данные показывают, что малое время нарастания в положительных импульсах обусловлено длиной связанного разряда, и те из положительных импульсов, у которых большее время нарастания тока, имеют более короткие связанные разряды.

Для импульсов, несущих отрицательный заряд к земле, связанный разряд, если он существует, намного короче по длине.

Из фотографий ударов в вышку видно, что разряд с вышки и вершина последней ступени лидера сливаются в главный разряд, когда конец лидера находится в 20- 70 м над вышкой. Движущийся вверх от вышки разряд обычно несет положительный заряд. Этот тип разряда очень слабо светится вблизи вышки, и, следовательно, его трудно сфотографировать. Бергер и др., фотографируя распространяющиеся вверх короткие каналы, когда вблизи вышки происходил разряд молнии на землю, получили доказательства существования связанных разрядов с движущимися вниз отрицательными импульсами. Дополнительные доказательства существования положительно заряженных связанных разрядов представлены в разд. 7.6 в виде фотографий. Доказательством этого явления служат также осциллограммы тока [2], которые свидетельствуют о том, что ток, вызванный направленным вниз отрицательным импульсом, может за десятые доли миллисекунды достигать нескольких сотен ампер. Затем он трансформируется в обычный ток с микросекундным временем нарастания. Время нарастания соответствует распространению движущегося вверх лидера примерно на 40 м со скоростью

Бергер и Фогельзангер [3] привели фотографии двух движущихся вверх отрицательно заряженных ступенчатых лидеров, которые свидетельствуют о наличии перед светящимся концом лидера слабого коронного разряда. Коронный разряд распространялся вверх примерно на длину ступени лидера. В действительности он не развивается непрерывно между двумя ступенями; это скорее след коронного разряда на пленке за время, меньшее 5 мкс - времени разрешения камеры. По-видимому, излучение нового коронного разряда начинается одновременно с преобразованием предыдущего коронного разряда в светящуюся головку лидера. Наблюдение короны перед концом лидера существенно, поскольку это дает информацию об электрическом поле впереди лидера, что важно для построения адекватной теории ступенчатого лидера.

ЛИТЕРАТУРА

(см. скан)

(см. скан)

(см. скан)

(см. скан)