3.7. ИЗМЕНЕНИЕ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ, ОБУСЛОВЛЕННОЕ МОЛНИЕЙ ОБЛАКО-ЗЕМЛЯ

3.7.1. Введение

Вормель [94] в Англии применил капиллярный электрометр для измерений изменений момента, обусловленных вспышками молний. Он нашел, что наиболее часто встречающаяся величина момента, разрушающегося как при положительных, так и при отрицательных изменениях поля, составляет около , причем средняя величина составляет около . Средняя величина значительно выше наиболее часто встречающейся величины из-за случайного появления разрядов с очень большими изменениями момента (до . Пайерс и Вормель [61] в конце 40-х годов в Англии использовали осциллограф для измерения изменений момента, обусловленных отдельными импульсами, лидерами и междуимпульсными процессами. Было найдено, что среднее изменение момента, вызванное как ступенчатым лидером, так и возвратным ударом, составляет около . Брук и др. [8] в Нью-Мексико провели измерения изменения момента и переноса заряда,

Рис. 3.13. Примеры измерений электрического поля совместно с фотографированием молнии. Записи несколько изменены по сравнению с оригиналом для получения большей выразительности [401. а — вспышка с интервалом непрерывного тока (вспышка № 106, расстояние 20 км); б — вспышка без непрерывного тока (вспышка № 109, расстояние 19 км).

вызванные отдельными импульсами, непрерывным током и межимпульсными процессами. Установлено, что среднее изменение момента за импульс составляет около , а средний перенос заряда — около Вспышки только с дискретными импульсами характеризовались средним изменением момента в в то время как для вспышек с интервалами непрерывного тока (примерно для половины наблюдавшихся вспышек) было характерно среднее изменение момента в Среднее изменение момента, обусловленное интервалом непрерывного тока, составляло , а средний заряд, переносимый за интервал, был равен Вонг [85, 86], работающий в Сингапуре, нашел для вспышек облако — земля среднее изменение момента равным , а средний заряд, переносимый за вспышку, составлял

Обычно структура наблюдаемого изменения электрического поля, обусловленного разрядом молнии, согласовывалась с фотографическими исследованиями разряда молнии. На рис. 3.13 показаны основные черты фотографической регистрации и выполненных одновременно записей электрического поля двух вспышек молний по данным Китагавы и др. [40]. (Измерители электрического поля и его изменений рассмотрены в разд. 3.5.1.) Измеритель изменения электрического поля записывает события, происходящие в короткие промежутки времени, но имеет такую постоянную времени, что прибор возвращается в нулевое положение за время около Наиболее очевидной чертой записей рис. 3.13 является резкое изменение поля, обусловленное возвратным ударом, — -изменение поля. На рис. 3.13 также показаны -изменение, вызванное непрерывным током, текущим на землю, -изменение, вызванное -компонентом, -изменение, которое происходит в промежутке между импульсами, и -изменение, приписываемое так называемому процессу слияния, протекающему в облаке между импульсами. Не показаны -изменение, медленное положительное изменение поля, которое часто следует за последним импульсом во

вспышке, и детальные изменения поля, вызванные лидерным процессом. В следующих разделах мы подробно рассмотрим различные изменения электростатического поля и свойства молнии, которые можно изучить, исходя из этих изменений поля.

3.7.2. Ступенчатый лидер

На рис. 3.14 показаны изменения электрического поля, предшествующие первому импульсу во вспышке, в зависимости от расстояния до разряда. Обозначения изменения поля предшествующие -изменению, вызванному возвратным ударом, введены Кларенсом и Маланом [14]. В означает пробой, I — промежуточный процесс и -лидер.

Рис. 3.14. Схемы типичных изменений поля при разрядах на землю. а — электростатическое поле на расстоянии электростатическое поле на расстоянии в — электростатическое, индукционное и радиационные поля (относительная амплитуда -части уменьшена); г — радиационные поля на расстоянии в интервале частот от 200 Гц до Продолжительности: В от 2 до от до от 4 до

Участок В характеризуется значительным изменением поля в течение нескольких миллисекунд, I — медленным или нерегулярным изменением поля и более быстрым изменением поля. Знак изменения, как это показано на рис. 3.14, меняется с расстоянием. Кларенс и Малан предположили, что стадия В обусловлена электрическим пробоем между центрами и -зарядов, стадия I обусловлена заряжением канала пробоя отрицательным электричеством за счет дополнительных разрядов, или стадия лидера, возникает после того, как канал разряда у основания облака достаточно зарядится. Таким образом, только участок предимпульсного изменения поля относится к сфотографированному ступенчатому лидеру. Кларенс и Малан измеряли изменения электрического поля перед возвратным ударом с длительностью вплоть до измеренных величин превышали превышали Китагава и Брук [39] сообщили о предударных изменениях поля с продолжительностями от 10 до причем наиболее часто встречающаяся величина составляла около Изменения поля, предшествующие первому возвратному удару, измеренные Пайерсом вдали от разряда, имели по существу те же черты, что показаны на рис. 3.14, в. Пайерс нашел, что только около 15% из 332 измеренных предударных изменений поля имели различимый участок . В остальных случаях поле уменьшалось более или менее однородно по всему предударному промежутку времени. Пайерс [61, 62] обозначил эти общие предударные изменения поля, в которых участок был различим, как те же, в которых он был неразличим, как Средняя продолжительность изменения равнялась этого времени в течение действительно происходило изменение поля). Обозначения были взяты у Шонланда и др. [74]. По их предположению, за быстрым участком В следует спокойный участок что вызвано начальной быстрой и последующей медленной стадиями ступенчатого -лидера. В дальнейшем Шонланд [71] изменил свое мнение. Он ввел обозначение В для всего предударного изменения поля, предшествующего участку То, что Шонланд обозначил В, Кларенс и Малан [14] разделили на Китагава [36] в Японии

также изучал предударные изменения поля. Его результаты даны в старых обозначениях Шонланда.

Сейчас уместно рассмотреть изменение поля В и предполагаемую физическую интерпретацию. Кларенс и Малая [14] заявляют, что в их исследованиях изменение поля В отрицательно для расстояний меньших и положительно для расстояний, больших 5 км. В 43 записях, полученных от разрядов между -изменение поля начиналось с положительного изменения и 22 изменения — с отрицательного. Для расстояний от 2 до знак изменения В обычно меняется в процессе изменения поля. Используя модель, лидера, описанную в разд. 3.2, можно обсудить интерпретацию Кларенса и Малана. По их мнению, -изменение поля обусловлено или отрицательным лидером, движущимся вниз от -области к -области, или положительным лидером, движущимся вверх от -области к -области, причем оба случая равновероятны. Сначала рассмотрим отрицательные изменения поля на расстоянии менее Как видно из рис. 3.5, эти изменения может вызвать отрицательный лидер, движущийся вниз между, скажем, от 1 до 0,3), если больше Таким образом, для высота Из рис. 3.8 видно, что отрицательное изменение поля может также быть обусловлено положительным лидером, движущимся вверх, если Таким образом, для высота Рассмотрим далее положительные изменения поля на расстояниях, больших Положительное изменение поля (рис. 3.5) может вызвать отрицательный лидер, движущийся вниз, если Таким образом, для высота Из рис. 3.8 видно, что положительное изменение поля может быть обусловлено положительным лидером, движущимся вверх между, скажем, если Таким образом, для высота

Рассмотрим изменение поля в интервале от 2 до Отрицательный лидер, движущийся вниз (рис. 3.5), будет вызывать сначала отрицательное, а затем положительное изменение поля по мере снижения с 3 до если При расстояние Из рис. 3.8 видно, что положительный лидер, движущийся вверх, будет вызывать сначала

положительное, а затем отрицательное изменение поля по мере продвижения вверх от 1 до 3 км, если При расстояние Вычисленные высоты, которые приблизительно совпадают с отправными точками положительного движущегося вверх лидера (1 км) или отрицательного движущегося вниз лидера (3 км), находятся в разумном согласии с высотами -области и нижней части -области. Точность анализа результатов зависит от модели, принятой для описания движения заряда. Кларенс и Малан [14] использовали данные рис. 3.2 (в качестве модели выбран точечный заряд, движущийся вверх или вниз), на основе которых пришли к выводу, что либо положительный заряд движется вверх с минимальной высоты 1,4 км, либо отрицательный заряд движется вниз с максимальной высоты 3,6 км. Согласно Малану и Шонланду [53], основание южноафриканских грозовых облаков, где расположен -заряд, обычно находится в над землей, а нижняя граница центра отрицательного -заряда обычно располагается на 1 км выше основания облака. Малан [46] наблюдал, что часто облака излучают свет в течение порядка 100 мс, перед тем как из основания облака появится ступенчатый лидер. Эти наблюдения подтверждают гипотезы, согласно которым ступенчатому лидеру предшествует разряд в облаке.

Кларенс и Малан [14] сообщают об измерении пульсаций электрического поля малой амплитуды, которые имели различный характер в течение каждого из трех определенных предударных периодов. Измерительная система имела полосу пропускания до 300 кГц. Наблюдавшиеся грозы были ближе 80 км. Установлено, что -пульсации имели более длинные межимпульсные интервалы времени и большие амплитуды, чем -пульсации. Стадия I характеризовалась пульсациями высокой частоты и очень малой амплитуды. Тот факт, что стадия относительно более спокойна по сравнению с стадией В, впервые был отмечен Шонландом и др. [74].

Рассмотрим далее участок разряда Модель, введенная в разд. 3.2 для отрицательно заряженного лидера облако — земля (ожидаемое изменение поля, вызванное им, показано на рис. 3.5), применима к ступенчатому лидеру только качественно. Она приемлема только вначале,

так как ступенчатый лидер ветвится, создавая неоднородное распределение заряда. Хотя изменение поля на рис. 3.5 дано в зависимости от высоты над землей на практике данные по изменению поля снимаются с линейной по времени разверткой. Если отсутствует однозначная корреляция с фотографическими данными, необходимо переходить к предполагая скорость лидера постоянной. Поскольку средняя скорость движения к земле непостоянна, особенно для ступенчатых лидеров -типа, возникают дополнительные трудности при попытке провести количественное сравнение данных с рис. 3.5. Тем не менее качественная модель применима, и можно ожидать, что -изменение будет отрицательным и серпообразным вблизи и положительным вдали от разряда. Примеры близких и далеких изменений поля в -области приведены на рис. 3.14. Кроме того, следует ожидать, что мы сможем различать -лидеры по измерениям изменения поля.

Шонланд утверждает, что между продолжительностью -изменения поля и продолжительностью лидерного процесса, полученной с помощью фотографий, наблюдается некоторое соответствие. Он построил диаграммы изменений поля, вызванных ступенчатыми лидерами -типа на расстояниях 3 и 15 км. На близких расстояниях лидер -типа приводит к серпообразному изменению поля, как это показано на рис. 3.5. Согласно диаграмме Шонланда, лидер -типа, который быстро движется вблизи облака и относительно медленно вблизи земли (разд. 2.3.2), вначале вызывает на близких расстояниях более быстрое отрицательное изменение поля, чем лидер -типа. Этот эффект следует ожидать, если лидер -типа в своей начальной стадии быстро переносит отрицательный заряд по направлению к земле.

Электростатическое поле ступенчатого лидера, измеренное на близких расстояниях, не имеет заметных ступеней [12, 70]. Шонланд [70] сообщает о ступенчатых изменениях электростатического поля, которые были меньше десятой доли непрерывных изменений поля в интервалах между ступенями. Согласно Шонланду, короткие светящиеся ступени не связаны с переносом вниз значительного заряда. Китагава [36] и Китагава и Брук [39] сообщили о кратковременных ступенчатообразных

изменениях электростатического поля, обусловленных предударными процессами. Они нашли, что для всего предударного периода наиболее часто встречающийся интервал между кратковременными ступенчатообразными изменениями поля составляет и предположили, что эти изменения поля связаны с фотографически зарегистрированными ступенями лидера. Средний интервал времени между изменениями поля для гроз, исследовавшихся в Нью-Мексико, составлял 80 мкс.

При исследовании ступенчатого лидера с больших расстояний, на которых снижающийся отрицательный заряд приводит к начальному положительному изменению поля, могут стать значительными промежуточный и радиационный компоненты поля. Согласно (3.24), эти компоненты пропорциональны соответственно току и скорости изменения тока. По Кларенсу и Малану [14], лидер -типа характеризуется радиационным полем, которое состоит из однородной последовательности импульсов, амплитуда которых часто меньше амплитуды, обусловленной возвратным ударом. Лидер -типа характеризуется начальными импульсами, амплитуда которых меняется от значений, несколько превышающих характерные значения для более поздних импульсов, до таких больших величин, как половина величины амплитуды возвратного удара. Импульсы -лидера, следующие после больших начальных ипульсов, похожи на импульсы -типа. Согласно Ходжесу [26], радиационные импульсы -типа составляют по модулю около импульса последующего возвратного удара; для радиационных импульсов -типа эта величина составляет около Диапазон величин для лидеров -типа лежит в пределах от для лидеров -типа— Кларенс и Малан [14] записали радиационные импульсы в -промежутке с интервалами времени между импульсами от 30 до 100 мкс. Эти величины хорошо согласуются с интервалами времени между ступенями лидера.

Шонланд [70] и Ходжес [26] пытались определить ток в ярких ступенях лидеров сравнением амплитуд радиационных импульсов ступенчатых лидеров и возвратных ударов. Они предположили, что измеренные амплитуды импульсов обоих типов представляются некоторым

постоянным коэффициентом, умноженным на скорость изменения тока. Таким образом, отношение амплитуд импульсов равно отношению скоростей изменения тока. Не ясно, обосновано ли это необходимое для расчетов предположение. Даже если амплитуды импульсов равны предположенным, частотные характеристики импульсов лидера и возвратного удара должны существенно различаться, так что полоса пропускания измерительной системы должна давать точное отношение амплитуд импульсов. Тем не менее полученные результаты приемлемы.

Ходжес [26], используя скорость нарастания тока возвратного удара нашел, что модуль скорости нарастания тока для лидеров -типа составляет а для лидеров -типа Для тока продолжительностью 1 мкс (продолжительность свечения ступени 1 мкс или меньше, а время разрешения камеры Бойса около 1 мкс) следует ожидать максимальный ток порядка Заряд, переносимый вниз в течение 1 мкс, будет равен Вполне развившийся лидер длиной 4 км с общим зарядом 4 Кл будет иметь удельный заряд около Поскольку длина ступени около 50 м, заряд, приходящийся на ступень лидера, на порядок выше, чем заряд, снижающийся в течение периода свечения лидера, что подтверждает точку зрения Шонланда [70]. Подтверждение того, что верхний предел тока в ступени составляет можно найти в фотографических данных. След, оставленный на фотографии (полученной камерой Бойса с разрешением 1 мкс) ступенью лидера с током, скажем, 10 кА и продолжительностью 1 мкс, должен быть, вероятно, таким же ярким, как и от возвратного удара. Установлено, что светимость ступени очень слаба по сравнению со светимостью возвратного удара. (Отметим, что светимость канала не обязательно прямо пропорциональна току в канале.) Дополнительные подтверждения тому факту, что ток в ступени не превышает 1 кА, могут быть получены из измерений магнитного поля Нориндера и Кнудсена [57]. Эти данные будут обсуждаться в разд. 3.9.

Чтобы из измерений поля лидера определить, какой заряд заключается в ступенчатом лидере, необходимо знать,

какой процент изменения поля вызван ступенчатым лидером, и иметь однозначную физическую модель распределения заряда ступенчатого лидера. Таких данных в нашем распоряжении нет. Пайерс [61] сообщает, что общее предударное изменение поля было в среднем на 120% больше, чем последующее изменение поля в результате возвратного удара для предударных изменений без части и на 240% больше для предударных изменений с частью Пайерс дает среднее изменение момента за весь предударный процесс около Он предположил, что, согласно его измерениям, ступенчатый лидер переносит заряд около 8 Кл. Кларенс и Малан [14] не представляют никаких количественных данных относительно изменений поля. Шонланд [71] предполагает, что ступенчатый лидер переносит по крайней мере 9 Кл, часть из которых используется для нейтрализации части заряда -области.

Брук и др. [8] нашли, что минимальный заряд, переносимый первыми импульсами, составляет 3 Кл, а наиболее часто встречающаяся величина этого заряда лежит между 3 и 4 Кл. Для одноимпульсных вспышек средний переносимый заряд составляет 4,6 Кл. Было найдено, что первые импульсы переносят заряд вплоть до 20 Кл. Определение заряда лидера из этих данных должно проводиться с особой осторожностью, поскольку величина заряда, переносимого возвратным ударом вслед за ступенчатым лидером, может быть больше или меньше заряда ступенчатого лидера. Она будет больше, если ток во время возвратного удара течет из резервуара облачного заряда, или меньше, если возвратный удар отводит не весь заряд, перенесенный ступенчатым лидером в окружающую среду. По разумным оценкам порядка величины ступенчатый лидер будет иметь заряд 5 Кл. Для переноса заряда этой типичной величины в течение десятков миллисекунд потребуется ток порядка 100 А. Вильяме и Брук [87] измерили магнитные поля двух ступенчатых лидеров и оценили их средние токи в 50 и 63 А. Токи движущихся вверх ступенчатых лидеров (разд. 4.4) имеют величины порядка 100 А. Следовательно, имеющиеся данные относительно установившихся токов ступенчатых лидеров находятся в удовлетворительном согласии с данными о заряде лидера.

3.7.3. Стреловидный лидер

Из фотографических измерений (разд. 2.3.3) было установлено, что стреловидные лидеры обычно движутся к земле почти с одинаковой скоростью. Чтобы изменение поля, показанное на рис. 3.5 (как функция или однозначно представляло изменение поля стреловидного лидера, канал стреловидного лидера должен быть заряжен равномерно. Шонланд и др. [74] представили доказательства, что это действительно так, проверив отношение изменения поля лидера к изменению поля последующего возвратного удара. Из рис. 3.9, полученного для равномерно заряженного лидера, видно, что при отношение изменений поля лидера и возвратного удара равно единице. Как отмечалось на стр. 82, центр эффективного отрицательного заряда лидера, когда он касается земли, находится на высоте Возвратный удар снижает центр эффективного заряда от до земли. Таким образом, для 1 и равномерно заряженного лидера ожидается, что положительное изменение поля, обусловленное лидером (эффективный заряд движется от до равно положительному изменению поля, обусловленному возвратным ударом (эффективный заряд движется от до 0). Если стреловидный лидер заряжен неравномерно, то центр эффективного заряда будет находиться не на высоте (исключая специальный случай симметричного распределения заряда относительно и отношение изменений поля лидера и возвратного удара не будет равно единице. Например, если верхняя часть стреловидного лидера заряжена сильнее, то центр эффективного отрицательного заряда, когда лидер коснется земли, будет находиться, скажем, на высоте Если возвратный удар снижает этот эффективный заряд с до земли, то отношение изменений поля лидера и возвратного удара, измеряемое при малых будет равно Шонланд и др. [74] нашли, что наиболее часто встречающаяся величина отношения равна единице. Они исследовали 46 стреловидных и 26 ступенчатых лидеров -типа (замечание Шонланда: нет отчетливых или -фаз). 85% исследованных лидеров имели центры эффективного заряда

между причем большие отклонения от связаны со ступенчатыми лидерами.

Как указывается на рис. 3.5, изменение поля стреловидного лидера будет вначале положительным, если измерения проводятся при и отрицательными, если Последующие стреловидные, лидеры в многоимпульсных вспышках имеют большие отводя отрицательный заряд из все более высоких частей -области. Таким образом, если измерения проводятся при постоянном (между можно ожидать, что будут наблюдаться положительные изменения поля для нескольких первых стреловидных лидеров в многоимпульсной вспышке с последующими отрицательными изменениями поля для остальных стреловидных лидеров. Малан и Шонланд [53] приводят выборочные примеры из данных Эпплтона и др. [2], которые указывают на это явление. Эти данные воспроизведены на рис. 3.15. Изменение поля, показанное в левой части рис. 3.15, обусловлено ступенчатым лидером. Изменения поля, протекающие в промежутке между возвратным ударом и последующим стреловидным лидером, на рисунке не приведены. Вспышка № 208 имела длительное изменение поля ступенчатого лидера с почти ясными -стадиями, хотя постоянная времени использованной аппаратуры была недостаточной и наблюдалось уменьшение выходного сигнала в течение стадии Стреловидные лидеры, для которых четко наблюдается отрицательное изменение поля, помечены стрелкой. Предшествующие им стреловидные лидеры имеют положительное изменение поля, последующие — серпообразное изменение поля, отрицательное вначале.

Высоты стреловидных лидеров или результирующих возвратных ударов можно определить различными способами. Малан и Шонланд [53] перечислили 5 методов.

1. Время изменения поля лидера можно сравнить с продолжительностью и высотой лидера, полученными из фотографий, чтобы получить истинную высоту лидера Делается предположение, что скорость стреловидного лидера постоянна. Изредка при приближении к земле лидеры замедляют свое движение. Брук и др. [8] в таких случаях определяли несколько величин скорости вдоль канала и получали скорость стреловидного лидера

в облаке путем экстраполяции. Малая и Шонланд [52] рассматривают метод коррелированных электрофотографических измерений отдельно для ступенчатых и стреловидных лидеров. Применение метода к стреловидным лидерам относительно несложно.

Рис. 3.15. Изменения электрического поля, вызванные последовательными чередованиями лидер — возвратный удар в многоимпульсных вспышках [52].

Для ступенчатых лидеров оно усложняется нечетким пониманием процессов, связанных с изменением поля, предшествующим первому возвратному удару во вспышке, и неравномерностью скорости ступенчатого лидера.

2. Высоту стреловидного лидера, при которой изменение поля на расстоянии от вспышки меняется с положительного на отрицательное, можно определить, если известно: Расстояние до вспышки определяется измерением интервала времени между испусканием света и ударом грома путем радиолокационных

наблюдений или из анализа фотографий, на которых видна земля, вспышка и основание облака, если известна нижняя граница облака. Так, для вспышки № 91 на рис. 3.15 высота лидера составляет около 5 км.

3. Из рис. 3.9 видно, что отношение изменений поля лидера и поля возвратного удара является довольно чувствительной функцией если измерения проводятся вблизи разряда. Таким образом, если известно, можно определить по измерениям этого отношения.

4. Метод учитывает смену знака изменения поля, обусловленного так называемым -стримерным процессом. Этот метод будет обсуждаться в разд. 3.7.5.

5. Изменение поля, обусловленное лидером или возвратным ударом, может рассматриваться как функция трех переменных где действующий заряд при вертикальном разряде. Если измерения проводятся на двух разных станциях, для которых известно, то можно вычислить и Если измерения проводятся на трех станциях и если разряд вертикален, то можно вычислить все три переменные и . В общем случае для полного описания изменения поля, вызванного прямым невертикальным разрядом, требуется семь параметров (по три координаты для концов разряда и для того чтобы определить семь параметров, изменения поля необходимо измерять на семи различных станциях.

Малан и Шонланд [52], используя первые 4 из 5 перечисленных методов, нашли среднее увеличение высоты лидера на импульс; интервалы приращения высоты имеют тенденцию к уменьшению с увеличением номера импульса во вспышке. Максимальная высота лидера была около 10 км над уровнем земли. Хокинг [19], проделав измерения на 3 станциях и использовав 5-й метод, подтвердил, что последующие импульсы продвигаются в район больших высот; кроме того, он нашел, что часто существует горизонтальное смещение канала вплоть до нескольких километров. Хокинг [19] не смог получить количественных данных для из измерений, проведенных на трех станциях, вероятно, из-за того, что разряды не были вертикальными.

Брук и др. [8] определили по 1-му методу. Они нашли, что наиболее часто (25 случаев) высоты

последовательных импульсов, не разделенных интервалом непрерывного тока, различались на 0,3 км. Для разницы высот около 0,7 км было зарегистрировано 14 случаев. На рис. 3.16 приведена зависимость высоты лидера от номера импульса.

Рис. 3.16. Кажущаяся высота лидера в зависимости от номера импульса во вспышках без интервалов непрерывного тока (кружки) и во вспышках с интервалами непрерывного тока (крестики) [8].

Для данных, приведенных на рис. 3.16, среднее число импульсов на вспышку равно 7 (или 6, если включить одноимпульсные вспышки), что несколько выше средней величины 3 или 4 импульса на вспышку, характерной для южной Африки.

Заряд, переносимый стреловидным лидером, можно определить из изменения поля стреловидного лидера или вывести (см. дискуссию в последнем абзаце разд. 3.7.2) из определения заряда, переносимого возвратным ударом, следующим за стреловидным лидером. Первое, по-видимому, не сделано. Брук и др. [8], используя соотношение (3.37) с определенным по методу, и определенным из фотографических измерений, сообщают, что минимальный заряд, переносимый вниз импульсами,

следующими за первым, равен а наиболее часто встречающаяся величина заряда лежит между Таким образом, стреловидный лидер будет, вероятно, переносить меньший заряд, чем ступенчатый лидер. Если стреловидный лидер снижает заряд в 1 Кл за 1 мс, то результирующий ток стреловидного лидера будет порядка 1 кА.

3.7.4. Возвратный удар

Изменение поля возвратного удара состоит из двух частей. Первая часть, которую Малан и Шонланд [52] обозначали заключается в быстром положительном изменении поля (для возвратных ударов, переносящих отрицательный заряд к земле) в течение Эта стадия показана на рис. 3.11. Следующая за ней стадия положительного изменения электрического поля может продолжаться, но только с меньшей скоростью изменения вплоть до нескольких миллисекунд. Эта последняя стадия была названа Маланом и Шонландом [52] -стадией. Начало -стадии можно видеть на рис. 3.11. В некоторых статьях -стадия обозначается через а -стадия — через с. Обозначения и с были введены Эпплтоном и Чепменом [1].

Шонланд и др. [74] измерили -изменения поля для 60 первых возвратных ударов и установили, что их продолжительность составляет от 50 до 250 мкс, причем наиболее часто встречающаяся величина равна 165 мкс. Поскольку определенное фотографическим методом время распространения от земли к облаку для 56 первых возвратных ударов находилось в интервале от 20 до 160 мкс, авторы связали -стадию с фазой распространения возвратного удара. Шонланд и др. [74] сообщили, что продолжительность -стадии для первых 39 возвратных ударов заключена в интервале от 70 до Они отнесли -изменение поля к периоду светимости канала, следующему за периодом распространения возвратного удара. Из опубликованных ими осциллограмм, очевидно, следует, что время конца -стадии определялось постоянной времени измерительной системы. Малан и Шонланд [50] установили, что -стадия длится, как правило, от 1 до 3 мс.

Они сообщают, что -стадия отсутствовала в 60% из 199 возвратных ударов, наблюдавшихся на близких расстояниях. Источниками -изменения поля, вероятно, являются снижение заряда из облака на землю через разрядный канал или поток отрицательного заряда, находящегося в воздухе вокруг канала, в канал и далее к земле. Первое предположение вполне разумно и имеет место, например, в случае длительных непрерывных токов. Последнее предположение основано на теории ступенчатого лидера Брука [9, 10], которая будет детально рассмотрена в гл. 7. По существу Брук представил канал лидера в виде высокопроводящей отрицательно заряженной дуги в центре, окруженной отрицательно заряженной коронирующей областью.

Пайерс и Вормель [65] предположили, что волновой фронт возвратного удара разряжает и связывает с потенциалом земли только дуговое ядро. Таким образом, после прохождения возвратного удара ядро будет под положительным потенциалом по отношению к окружающему потенциалу короны. Заряд в канале будет двигаться радиально. Ожидаемые значения коронного тока были рассчитаны Пайерсом [63] и и Батачарой [66]. Были предсказаны максимальные токи порядка 1 кА и продолжительностью 1 мс. Дальнейшее обсуждение этих идей дается в разд. 7.6.

Брук и др. [8] измерили заряд, переносимый импульсами и непрерывным током. Они привели подробные данные для 24 вспышек, содержащие заряд, переносимый возвратным ударом, и высоту возвратного удара, в дополнение к аналогичным данным для интервалов непрерывного тока. На рис. 3.17 приведены данные, касающиеся заряда, снижаемого возвратным ударом, в зависимости от номера импульса. Было найдено, что возвратные удары, следующие за ступенчатыми лидерами, переносят заряд, равный по крайней мере 3 Кл. Наибольший рассчитанный заряд, перенесенный первым возвратным ударом, составил 19,4 Кл. Минимальный заряд, перенесенный возвратным ударом, следующим за стреловидным лидером, составил 0,21 Кл; это был 16-й импульс во вспышке № 124. Многие возвратные удары, следующие за первым, переносят на землю заряд менее 1 Кл.

(кликните для просмотра скана)

Вонг [86] в Сингапуре получил для наиболее интенсивного удара во вспышке среднее изменение момента в Соответствующий средний перенесенный заряд составил 5,7 Кл. Вонг сообщил, что исследованные разряды облако — земля состояли в среднем из 5 или 6 импульсов; каждый импульс переносил на землю заряд от 2 до 5 Кл.

3.7.5. Процессы, протекающие между импульсами

Различаются три основных типа процессов, протекающих в интервалах между импульсами.

1. Непрерывный ток между облаком и землей, приводящий к переносу отрицательного заряда от облака на землю.

2. Движение заряда внутри облака.

3. Движение заряда, окружающего облако, включая движение заряда между облаком и верхней атмосферой.

Любая гипотеза, рассматривающая движение заряда, приведет к предсказываемым изменениям электрического поля, которые можно измерить на земле. Данные по измерениям полей использовались на практике для выяснения существования различных движений заряда.

Перечислим названия, данные исследователями межимпульсным изменениям поля. -изменение поля — медленное положительное изменение, сопровождающееся светимостью канала. Признаком -изменения является непрерывный ток. -изменение — медленное изменение поля, которое отрицательно для близких разрядов и положительно для удаленных. Существование смены знака изменения поля с расстоянием свидетельствует о том, что -изменение связано с движением заряда внутри облака, -изменение — медленное положительное изменение поля, которое может происходить вслед за последним импульсом во вспышке. Оно, по-видимому, аналогично -изменению. -изменение поля является кратковременным изменением, связанным с -компонентом светимости, и служит показателем того, что отрицательный заряд течет к земле, -изменение — кратковременное изменение поля, происходящее, вероятно, в результате резкого движения заряда внутри облака. В дополнение к вышеуказанным

изменениям Малан [45] сообщает о медленном отрицательном межимпульсном изменении поля, наблюдавшемся в ЮАР на расстояниях от 25 до 100 км. По сообщению Малана [49], эти изменения составили 44% всех межимпульсных изменений поля, исследованных в ЮАР.

Далее обсудим детально различные межимпульсные изменения поля.

Брук и др. [8] и Китагава и др. [40] исследовали -изменение поля путем коррелированных электрических и фотографических измерений. -изменение показано на рис. 3.13. Брук и др. [8] нашли, что среднее изменение момента за интервал непрерывного тока составляет Измеренная продолжительность непрерывного тока заключена в интервале среднее время равнялось 150 мс. Заряд, переносимый в интервалы непрерывного тока, по расчетам изменялся от 3,4 до 29,2 Кл, причем среднее значение составляло около 12 Кл. Было установлено, что величина непрерывного тока независимо от продолжительности его протекания изменяется в относительно узком диапазоне от 38 до 130 А. Вильяме и Брук [87] приводят величины непрерывного тока, полученные из магнетометрических измерений: для 14 продолжительных импульсов средний ток равен 184 А, средний переносимый заряд 31 Кл и средняя продолжительность 174 мс. По сообщениям [8, 40], около половины из 200 наблюдавшихся вспышек имели интервалы непрерывного тока и около четверти всех интервалов между импульсами характеризовалось -изменением поля.

Если измерения проводятся вдали от разряда молнии, то как непрерывный ток на землю, так и процессы в облаке, поднимающие положительный заряд и снижающие отрицательный заряд, приведут к положительному изменению электрического поля. Брук и др. 18] заключают из своих измерений, что изменение поля из-за внутриоблачных процессов, т. е. -изменение, слишком мало (максимальное изменение момента чтобы его можно было определить на расстояниях, больших 50 км. Таким образом, они утверждают, что медленные межимпульсные изменения поля, измеренные дальше 50 км, вероятно, обусловлены непрерывным током. На этих расстояниях невозможно получить коррелированные фотографии

канала разряда, подтверждающие эту гипотезу. Пайерс [61] провел измерения вдали от канала разряда и нашел, что около четверти межимпульсных изменений поля были медленными положительными изменениями со средним изменением момента от 40 до . В остальных 75% межимпульсных интервалов определить характер изменения поля было невозможно. Пайерс приписывает измеренные им межимпульсные изменения поля -процессам, но, как утверждают Брук и др. [8], эти изменения, вероятно, обусловлены течением непрерывного тока.

Малан [45] сообщает, что в ЮАР четверть медленных изменений поля, происходящих между импульсами, являются положительными для вспышек на расстояниях больше 20 км, остальные равны нулю или отрицательны. В более поздней работе Малана [48] сообщается, что 19% медленных межимпульсных изменений поля, измеренных в ЮАР для отдаленных вспышек, являются положительными и обусловлены непрерывным током. Из остальных изменений поля 37% равны нулю, а 44% отрицательны. Малан предполагает, что причиной отрицательного изменения поля может быть перестройка пространственного заряда выше облака. Другие исследователи не сообщают об отрицательных межимпульсных изменениях поля.

Рассмотрим далее -изменение поля. Оно происходит вслед за последним импульсом вспышки и является медленным положительным изменением поля, которое, по-видимому, очень похоже на -изменение. Малан [44] предполагает, что -изменение поля обусловлено непрерывным разрядом на землю части отрицательно заряженного столба, расположенного выше точки, которой достигает последний возвратный удар. Он утверждает, что -изменение чаще всего появляется после вспышек, состоящих менее чем из четырех импульсов. Половина из 71 одноимпульсной вспышки, 43% из 181 двух- и трех- импульсных вспышек и 21% из 107 четырехимпульсных вспышек, наблюдавшихся Маланом, имели -изменения. Из 110 вспышек, содержащих более 6 импульсов, только 6% имели -изменение. Малан привел данные, свидетельствующие о том, что средний ток, текущий во время -изменений, равен среднему току, текущему во время -процессов

предшествующих межимпульсных интервалов.

Пайерс [61] установил, что за 59% одноимпульсных вспышек следовали медленные положительные изменения поля (он назвал их Проценты для вспышек с двумя - четырьмя или пятью и более импульсами были равны 44 и 30 соответственно. Брук и др. [8] не делали различия

Между непрерывным током, который течет между импульсами, и непрерывным током, который течет после последнего импульса во вспышке. Однако из 12 рассмотренных вспышек, содержащих непрерывный ток, у 4 из 5 двух- и трехимпульсных вспышек за последним импульсом следовал непрерывный ток. Остальные 7 вспышек содержали больше 7 импульсов. Только за двумя из семи вспышек следовало -изменение. В противоположность данным Малана [44] и Пайерса 161] Китагава и др. [40] пришли к заключению, что непрерывное свечение после одноимпульсных вспышек появляется редко (разд. 2.5.3).

Обсудим теперь -изменение поля. Оно было определено как медленное изменение поля (отрицательное для близких импульсов, положительное для отдаленных), не сопровождающееся заметным свечением канала между основанием облака и землей, т. е. -изменение есть поле, вызванное движением заряда в облаке. Чтобы измерить -изменение, необходимо, вероятно, быть ближе от разряда.

Малан и Шонланд [52] измерили -изменения в 105 вспышках на землю (388 импульсов). Типичное -изменение показано на рис. 3.18. Для разрядов, происходивших ближе от точки измерения, Малан и Шонланд нашли, что в 80 случаях наблюдалось отрицательное изменение поля, в 8 случаях оно равнялось нулю и в 2 было положительным.

Рис. -изменение поля, наблюдаемое на различных расстояниях

В разрядах на расстояниях от 12 до 30 км они обнаружили 7 отрицательных, 29 нулевых и 64 положительных изменений поля. Малан и Шонланд отмечают, что некоторые из нулевых межимпульсных изменений поля для разрядов, находившихся на расстояниях от 12 до 30 км, «вполне могут быть положительными, поскольку -изменения поля на значительных расстояниях слишком слабы, чтобы их можно было точно измерить». Для разрядов в интервале от 5 до 12 км Малан и Шонланд [53] получили 71 отрицательное изменение поля, 64 нулевых и 63 положительных. Кроме того, что -изменение поля меняет знак на некотором расстоянии от разряда, -изменение может менять знак в одной вспышке (С на рис. 3.18). Это значит, что внутри одной вспышки межимпульсные -изменения поля могут быть сначала положительными, а затем отрицательными. Этот тип изменения знака встречается обычно при наблюдениях с расстояний от 5 до 12 км.

Данные показывают, что во время межимпульсных интервалов внутри облака отрицательный заряд движется вниз или положительный — вверх. Кроме того, высота области, в которой происходит перемещение заряда, увеличивается с номером импульса. Это утверждение иллюстрируют рис. 3.5 и 3.8. Теперь целесообразно рассмотреть физическую сущность -процесса или процесса слияния. Шонланд [69] предположил, что в интервале между импульсами возникают разряды к вершине бывшего канала от ранее недействовавших центров отрицательного заряда, связывая, таким образом, вершину канала с новыми источниками заряда. Брус и Голд [11] предположили, что процесс слияния наиболее вероятно происходит от вершины канала предыдущего возвратного удара к новым центрам заряда. Малан и Шонланд [53] согласились с этой точкой зрения. Как было показано, каждый последующий возвратный удар длиннее предыдущего. Удлинение, по-видимому, обусловлено -процессом.

Чтобы определить, включает ли -процесс движения положительного заряда вверх или отрицательного заряда вниз, нужно тщательно исследовать свойства -изменения поля. Из рис. 3.5 можно видеть, что движение отрицательного заряда вниз от его центра на высоте приводит к

изменению электрического поля, которое начинается с отрицательного наклона при наблюдении с расстояния Если -процесс протекает на достаточно большой высоте, то отрицательный наклон изменения электрического поля становится с течением времени положительным. Из рис. 3.8 можно видеть, что положительный заряд, движущийся вверх от центра на высоте приводит к изменению электрического поля, которое начинается с положительного наклона при наблюдении с расстояния Если высота, на которой происходит -процесс, достаточна, наклон изменения поля будет меняться с течением времени от положительного к отрицательному.

Малан и Шонланд [52] привели 8 случаев, когда меняется наклон -изменения поля в межимпульсном интервале. Эти -изменения поля имели большую длительность (в среднем 0,18 с) и, вероятно, большую длину по вертикали. Семь из восьми изменений поля свидетельствовали о движении положительного заряда вверх, восьмое — о движении отрицательного заряда вниз. Для более определенных выводов необходимо гораздо большее количество данных. Кроме того, не ясно, движется ли положительный заряд вверх. Чтобы объяснить изменение момента в результате -процесса, величина заряда около должна поступать к вершине канала, поскольку максимальная величина изменения момента в -процессе, найденная Бруком и др. [8], составляла Пайерс предположил, что вершина канала разряда и области короны вокруг нее должны быть положительно заряжены в течение нескольких миллисекунд после возвратного удара, пока еще канал остается электрически связанным с землей.

Как было показано, теория позволяет оценить величину при которой меняется наклон изменения поля, вызванного -процессом. Если известно, можно определить. Вычисление по данным -изменения поля соответствует, согласно [53], 4-му методу (разд. 3.7.3) определения высоты лидеров и последующих возвратных ударов. Радиолокационные наблюдения -процесса рассматриваются в разд. 3.10.

Рассмотрим и -изменения поля. Малан и Шонланд [50] сообщили о фотографических исследованиях,

выполненных одновременно с измерением электрического поля, 37 вспышек облако — земля (199 импульсов), большинство из которых происходило на расстояниях, меньших Было установлено, что в течение -части изменения поля возвратного удара, пока канал еще слабо светится, происходят кратковременные серпообразные изменения поля.

Рис. 3.19. Изменение электрического поля, вызванное -компонентами, при наблюдении вблизи от разряда молнии и соответствующие изменения светимости канала молнии [50].

Эти серпообразные изменения поля совпадают с увеличением светимости канала — фотографически наблюдаемыми -компонентами. На рис. 3.19 даны примеры изменения поля, вызванного -компонентами. Малан и Шонланд [50] установили, что 60% исследованных возвратных ударов не имели -части. Это указывает на отсутствие -компонент. Серпообразные -изменения поля, наблюдаемые на близких расстояниях, начинаются с отрицательного изменения, за которым без всякой паузы следуют большие положительные изменения. Изменение поля обычно составляет от до -изменения. Было установлено, что серпообразный процесс продолжается от 200 до 800 мкс, хотя наблюдались и большие величины, причем серпообразный процесс большей продолжительности связан с большими интервалами времени между возвратным ударом и появлением -компонента.

Китагава и др. [40] установили, что -изменение бывает также во время периодов непрерывной светимости (непрерывных токов). Они установили связь между -изменениями, которые на ленте самописца имеют вид

всплесков, и увеличением светимости канала. Пример таких данных показан на рис. 3.13. Эти данные показывают, что в течение первых 15 мс после возвратного удара интервал времени между -компонентами быстро увеличивается с течением времени; между 15 и 40 мс эта тенденция ослабевает и после 40 мс интервал времени между -компонентами не зависит от прошедшего времени. Китагава и др. показали, что -изменения — небольшие быстрые изменения электрического поля, которые встречаются в интервале между и после импульсов многоимпульсных вспышек [37, 39], — связаны с -компонентами, сфотографированными во время периода непрерывной светимости канала. Значит, -изменения поля, наблюдаемые с отдаленных расстояний во время периода непрерывной светимости, являются -изменениями. Более того, было установлено, что наиболее часто встречающийся интервал между К- и -изменениями во время непрерывной светимости составляет Китагава и др. полагают, что нет существенной разницы между -изменениями, связанными с -компонентами, -изменениями, которые появляются в отсутствие светимости в межимпульсные периоды. Они сообщают, что в отсутствие непрерывной светимости -компонентов) -изменения связаны со светимостью внутри облака или с волнами светимости (подобными стреловидному лидеру), которые распространяются вниз по каналу, но, ослабев, не достигают земли. На основе своих исследований Китагава и др. предположили, что -изменение является доказательством движения проникающих стримеров в новые части облака. Появление этих стримеров должно целиком определяться условиями внутри облака. Китагава и Брук [39] и Китагава [37] утверждают, что измеренные медленные -изменения поля можно представить как результат интегрирования измерительным прибором серии быстрых -изменений, продолжительностью менее и с изменением момента от нескольких сотых до этой точки зрения, -изменение представляет собой сглаженную запись электрического поля, которая в действительности состоит из ряда очень маленьких ступеней -изменений. Данные относительно -изменений в облачных разрядах и разрядах в воздухе приведены в разд 3.8.

Рассмотрим медленные отрицательные изменения поля, которые, как сообщил Малан [49], встречаются в ЮАР в 44% межимпульсных периодов для вспышек на расстояниях от 25 до 100 км. Малан выдвигает теорию, объясняющую отрицательные изменения поля. Физической основой теории является увеличение пространственного заряда выше облака, обусловленное возрастанием поля, после того как возвратный удар перенесет на землюотрицательный заряд. Используя определенные предположения, он вычисляет отношение изменения поля (которое он назвал -изменением), вызванного увеличением пространственного заряда, к -изменению поля, -изменение имеет знак, противоположный -изменению. Если величины этих двух полей одинаковы на расстоянии 20 км (отношение равно единице), то на расстояниях от 50 до 100 км изменение будет в 3 раза больше, чем -изменение. Изменение поля от пространственного заряда, по-видимому, недостаточно велико, чтобы объяснить приведенные медленные изменения электрического поля. Кроме того, не ясно, сможет ли пространственный заряд сам по себе перераспределиться в только что созданном электрическом поле в течение 50 мс или около этого. Малан предполагает, что в некоторых случаях поля могут быть достаточно велики, чтобы вызвать коронный разряд между пространственным зарядом и ионосферой, что приводит к значительному уменьшению времени релаксации пространственного заряда.

Возможно, что в течение межимпульсного периода к земле текут слабые постоянные токи, которые не могут вызывать свечения канала, достаточного для почернения пленки на расстояниях, где обычно применяются камеры. Брук и др. [8] рассмотрели эту возможность. Ток в 10 А, текущий в течение 50 мс между импульсами, приведет к переносу заряда в 0,5 Кл и, полагая высоту разряда к изменению момента «Темновой» ток вызовет положительные изменения поля, которые приведут к уменьшению отрицательных -изменений, появляющихся в пределах зоны смены знака.

На рис. 3.20 приводятся данные по межимпульсным интервалам времени, которые измерены на основании записей изменения электрического поля в ЮАР.

Подобные данные можно найти также в разд. 2.5.3 и на рис. 2.10. Дополнительная информация относительно межимпульсных интервалов дана в разд. 7.7.

Рис. 3.20. Частота появления импульсов в зависимости от интервалов между импульсами по измерениям в ЮАР [71 ].

3.7.6. Разряды, переносящие положительный заряд к земле

В то время как большинство вспышек молний облако — земля приводит к переносу отрицательного заряда от облака на землю, бывают разряды, которые переносят положительный заряд. Положительный заряд находится в областях р и Р, так что естественно ожидать появления положительного разряда.

Шонланд и Алибоне [72] на основе измерений электрического поля и визуальных наблюдений за 50 грозами в ЮАР пришли к выводу, что чистый отрицательный заряд переносится на землю по крайней мере в 95% из 404 исследованных вспышек. Подразумевается, что положительные вспышки также регистрировались. Холлидей [20] сообщает о подобных наблюдениях, найдя 267 отрицательных вспышек облако — земля и 16 положительных, что составляет около 6%. Дженсен [32] в США получил совместные фотографические данные и данные по изменению электрического поля для вспышек молнии. Он нашел, что 19 вспышек облако — земля сопровождались отрицательными изменениями поля, 93 вспышки —

положительными изменениями, а для 21 такой вспышки изменение поля было неопределенным.

Брус и Голд [11] обобщили данные, накопленные до 1941 г. по полярности вспышек молнии на землю. Некоторые данные с их точки зрения ошибочны, поскольку полярность вспышки определялась из данных по изменению поля без уточнения, было ли вызвано это изменение облачным разрядом или разрядами облако — земля. Процент вспышек, переносящих чистый положительный заряд, согласно обработке 17 опубликованных статей, изменяется по существу от 0 до примерно 30%.

Пайерс [61, 62] провел измерения электрического поля с достаточным разрешением во времени, так что -части вспышек, переносящих положительный заряд на землю, можно было выделить. Проводя измерения вдали от вспышек, он нашел 34 изменения поля, которые были отрицательными и имели отрицательные -части. В 6 из них было зарегистрировано больше одной -части изменения поля. Положительные изменения поля с положительными -частями были найдены в 373 случаях. В общих чертах они были подобны отрицательным изменениям поля с отрицательными -частями, за исключением следующего: 1) изменения поля, предшествующие первоначальному отрицательному -изменению, значительно продолжительнее, чем изменения, предшествующие первоначальному положительному Д-изменению; 2) изменение момента, предшествующее первому отрицательному -изменению, почти в два раза больше, чем предшествующее первому положительному Д-изменению; 3) обычно в положительном разряде был только один -элемент. Пайерс [62] предполагает, что эти явления свидетельствуют о том, что вспышка, переносящая на землю положительный заряд, зарождается в -области. Он утверждает, что вспышки, переносящие положительный заряд, наиболее часто встречаются в последних стадиях грозы, когда -область меньше экранируется от земли -областью, чем в ранних стадиях.

Пайерс [61, 62] зарегистрировал вспышки, в которых -изменение сначала было отрицательным, а последующие -изменения — положительными; это свидетельствует о том, что первый возвратцый удар переносит

положительный заряд, а последующие — отрицательный. Этот тип изменения поля был более обычным, чем тот, который содержал только отрицательные -изменения. Изменение поля с первоначальным положительным -изменением и с последующим отрицательным обычно происходит в конце грозы.

Из измерений магнитного поля, сопровождавшего 2286 вспышек молнии, Нориндер [55] в Швеции определил знак заряда, переносимого этими разрядами. Он сообщает, что почти 92% импульсов переносили преимущественно отрицательный заряд и около 3% — преимущественно положительный заряд, остальные переносили как положительный, так и отрицательный заряды. Результаты измерения магнитного поля, полученные Нориндером и сотрудниками, будут рассмотрены в разд. 3.9 и гл. 4.

Дополнительные данные относительно вспышек, переносящих положительный заряд на землю, собраны при прямом измерении токов молнии. Эти данные будут рассматриваться в гл. 4, часть из них содержится в разд. 2.5.4. Бергер и Фогельзангер [4] опубликовали фотографию, как предполагается, движущегося вниз положительно заряженного лидера (разд. 2.5.4).