3.6. РАННИЕ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ; ДИПОЛЬНАЯ МОДЕЛЬ ОБЛАКА

Результаты первых измерений электростатических полей грозовых облаков и изменений электростатического поля, вызванных молнией, приведены в работах Среди заключений, сделанных в результате этих исследований, были следующие: 1) грозовое облако по существу. является электрическим диполем с положительным зарядом, расположенным выше отрицательного заряда; 2) обычная вспышка молнии между облаком и землей переносит на землю отрицательный заряд, приводя к нейтрализации электрического дипольного момента, равного . В экспериментах, выполненных Вильсоном [89, 90], а также Шонландом и Крейбом [73],

использовались электрометры с золотыми лепестками (ранняя работа Вильсона) или с разнообразными капиллярами. Эпплтон, Ватсон-Ватт и Герд [2] наряду с оборудованием, аналогичным оборудованию Вильсона, использовали антенну, присоединенную к осциллографу. Рассмотрим теорию и результаты измерения, которые привели к двум вышеупомянутым выводам.

О том, что грозовое облако по существу является вертикальным электрическим диполем с положительным зарядом в верхней части (положительный диполь), мы узнаём из измерений постоянного электростатического поля грозового облака в зависимости от или из измерений изменения поля. Как можно видеть из рис. 3.3, вдали от грозового облака (в котором величины зарядов показаны равными, хотя это равенство не было установлено точно) его постоянное электрическое поле положительно; на расстоянии равном приблизительно 8 км, знак поля меняется, и при меньших поле отрицательно. Перемена знаков постоянного поля была предсказана Вильсоном [90] на основе его измерений изменения поля, а первое доказательство этому было приведено Шонландом и Крейбом [73].

Рассмотрим далее изменения электростатического поля, которые должны ожидаться, если 1) во вспышке молнии к земле переносится отрицательный заряд, 2) во вспышке молнии к земле переносится положительный заряд, 3) внутриоблачный разряд частично разрушает положительный электрический диполь. Напомним, что по определению положительным электрическим полем на земле называется поле от положительного заряда над землей. Если положительный заряд разрушается то изменение поля отрицательно, т. е. положительное поле уменьшается. Подобным образом, если разрушается отрицательный заряд выше земли, то изменение поля положительно, т. е. отрицательное поле уменьшается. Изменение электрического поля, измеренное на земле в точке и обусловленное переносом отрицательного заряда с высоты в облаке к земле, исходя из (3.3), равно

Это выражение положительно при всех величинах то результирующее изменение дипольного момента можно записать в виде

Изменение электростатического поля, измеренное на земле в точке и обусловленное переносом положительного заряда с высоты в облаке к земле, исходя из (3.3), равно

Оно отрицательно для всех величин Если , то результирующее изменение дипольного момента может быть записано в виде

Изменение электрического поля на земле в точке обусловленное внутриоблачным разрядом, разрушающим часть вертикально расположенного положительного электрического диполя, может быть вычислено при суммировании выражений (3.37) и (3.39), учитывая, что

Знак изменения поля с уменьшением меняется на противоположный: при малых изменение поля положительно, при больших отрицательно (рис. 3.3). Если часть диполя разрушается, положительное постоянное поле на больших расстояниях будет уменьшаться, что приводит к отрицательному изменению поля; отрицательное постоянное поле на близких расстояниях также будет уменьшаться, приводя к положительному изменению поля. Если величины зарядов не равны, то расстояние, на котором изменение поля меняет знак, будет отличаться от расстояния, на котором меняет знак постоянное поле. Расстояния, на которых происходит смена знаков, различаются и в том случае, если положение верхнего и нижнего концов разряда отличается от положения

эффективных центров двух заряженных областей, между которыми происходит разряд. Если изменение электрического поля, даваемое выражением (3.41), может быть записано как

и результирующее изменение дипольного момента будет

Итак, отрицательные вспышки на землю сопровождаются положительными изменениями поля, положительные вспышки на землю — отрицательными; внутриоблачные разряды, нейтрализующие часть положительного диполя, сопровождаются положительными изменениями поля при малых и отрицательными при больших

Рассмотрим далее результаты измерений. Вильсон [89, 90], работающий в Англии, где, согласно Вормелю [95], разряды облако—земля составляют около 40% всех вспышек и около 90% таких разрядов переносят на землю отрицательный заряд (хотя эти факты не были известны Вильсону в то время), нашел, что отношение положительных изменений поля к отрицательным равно 1,56 для 900 разрядов (облако — земля и внутриоблачных), наблюдавшихся с различных расстояний. На расстояниях до отношение составляло около 3 [90, рис. 2]. Вывод заключается в том, что вспышки облако—земля переносят отрицательный заряд на землю и что диполь грозового облака положителен. Вильсон нашел почти ту же среднюю величину изменения момента [он измерял и использовал приближенный вид уравнения (3.38) при вычислении для положительного и отрицательного изменений поля. Он нашел, что среднее изменение момента составляет около . (Отметим, что будет меньше действительного изменения момента, если ненамного больше и вспышка удалена не более чем на Вильсон установил, что средний заряд, переносимый во вспышке, находится в диапазоне

Картина диполя Вильсона получила дальнейшее подтверждение в работе Эпплтона и др. [2]. Работая в Англии,

они нашли, что на расстоянии больше 50 км от канала молнии отрицательные изменения поля встречаются почти в два раза чаще, чем положительные.

Шонланд и Крейб [73] в ЮАР проводили измерения полей облаков и изменений полей с помощью экспериментальной установки, подобной той, что описана Вильсоном [90]. В ЮАР основную часть вспышек составляли внутри-облачные. Разряды от основания облака к земле случались гораздо реже. Поэтому следует ожидать, что отдаленные грозы будут давать преимущественно отрицательные изменения поля, а близкие грозы — преимущественно положительные. Из 798 изменений поля от грозовых облаков, удаленных более чем на 8 км, 666 изменений были отрицательными. Для грозовых облаков, наблюдавшихся на расстоянии менее 6 км, зарегистрировано 39 положительных и 9 отрицательных изменений поля. Кроме того, было найдено, что постоянные поля положительны при отдаленных грозах и отрицательны при близких. Была подтверждена модель положительного электрического диполя облака. Шонланд и Крейб нашли среднюю величину для 82 разрядов на расстоянии от 10 до 30 км, равную , истинные величины отличались от среднего значения в раза.

Хотя в предыдущем обсуждении были приведены веские доказательства существования положительного электрического диполя в грозовом облаке, в литературе встречаются значительные разногласия по поводу полярности диполя и знака преобладающего заряда в основании грозового облака. Хороший отчет об этом дан Дженсеном [32].

Однако еще до 30-х годов стало ясно, что модель Вильсона, представляющая облако в виде положительного диполя, по существу верна. Вормель [92, 93] многократно измерял вертикальные электрические токи разряда с острия в зависимости от расстояния до гроз. Направление вектора электрического поля под грозовым облаком выводилось из наблюдаемого направления тока. В работе [93] Вормель представил записи тока, которые сопровождались в некоторых случаях прямыми измерениями электрического поля. Полученные им данные подтверждают тот факт, что преобладающее большинство как

грозовых, так и снежных облаков биполярны, причем верхний заряд положителен.

Работа Шонланда и Крейба [73] была продолжена Шонландом [68] с целью исследования большего числа разрядов молнии. К тому же Шонланд наблюдал визуально или фотографировал большинство разрядов, при которых проводилось измерение изменения поля.

Дженсен [29—32] в США получил многочисленные данные по измерению электрического поля с одновременным фотографированием молнии. Он исследовал 185 вспышек, которые происходили ближе, чем расстояние, где меняется знак электрического поля. Большинство ветвившихся вниз разрядов облако — земля сопровождалось положительным изменением поля, свидетельствуя о переносе на землю отрицательного заряда. Дженсен сообщил, однако, что разряды облако — земля, сопровождавшиеся отрицательным изменением поля, по-видимому, обусловлены разрядами от положительных частей облака (разд. 3.7.6). На фотографиях некоторых из этих разрядов видны многочисленные тонковолокнистые «стримеры», характерные для лабораторных разрядов с положительных электродов.

Шонланд и Алибоне [72] сообщили, что из 404 вспышек, для которых были получены изменения поля и соответствующие оптические данные, по крайней мере 95% происходили из отрицательно заряженной части облака. Шонланд и Алибоне провели эксперименты с импульсным генератором в 1 MB, чтобы показать, что ветвление к заземленной пластине может быть как от положительного, так и от отрицательного стержневого электрода. Эти эксперименты показали, что направление ветвления не может служить критерием для распознавания типа заряда области, из которой происходит молния.

Симпсон [75] ранее доказывал, что ветвление вниз, наблюдаемое в молниях облако — земля, можно встретить только из области положительного заряда облака.

Холлидей [20] в ЮАР привел дополнительные данные, аналогичные полученным Шонландом и Крейбом [73] и Шонландом [68].

Доказательство того, что нижняя часть облака заряжена преимущественно отрицательно, было в дальнейшем

подкреплено наблюдением токов молнии к линиям передач, которые, как было установлено во всех ранних работах, переносят отрицательный заряд к земле. Эти измерения токов, проведенные в США около 1930 г., будут рассматриваться в следующей главе.

Поскольку измерения поля и его изменений проводились еще в самом начале нашего века, были проведены наземные измерения и измерения в свободной атмосфере постоянного электрического поля грозовых облаков. В общем эти измерения подтверждают ранние работы. Не будем касаться подробностей измерений постоянного поля, так как оно обычно не связано с разрядом молнии. За ссылками относительно измерений постоянного поля, проделанных с середины 30-х годов до настоящего времени, читатель отсылается к работам [17, 18, 84, 95].