3.8. ИЗМЕНЕНИЕ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ, ОБУСЛОВЛЕННОЕ ОБЛАЧНЫМИ РАЗРЯДАМИ

Хотя исследования молнии облако — земля довольно многочисленны, о природе разрядов внутри облака, между облаками или между облаком и воздухом известно не так много. К тому же наблюдаются значительные расхождения в параметрах облачного разряда, полученных различными авторами. В то время как вспышки на землю характеризуются быстрым -компонентом изменения поля, происходящим каждые 50 мс и продолжающимся порядка 1 мс, внутриоблачные разряды приводят к медленным, относительно гладким изменениям поля. Как облачные разряды, так и разряды облако — земля имеют примерно одинаковую продолжительность, обычно доли секунды. Качественные характеристики изменений поля, обусловленных облачными разрядами, впервые были рассмотрены Шонландом и др. [74].

Пайерс измерил продолжительность 685 медленных отрицательных изменений поля и 143 медленных положительных изменений поля, причем все наблюдались вдали от разряда. Пайерс относит медленные отрицательные изменения поля к «разрядам в воздухе или облачным разрядам, которые либо снижают положительный заряд, либо, что более вероятно, поднимают отрицательный заряд»; медленные положительные изменения поля он относит к «вспышкам, которые не достигают земли и, вероятно, включают движение вверх отрицательного заряда». Пайерс [61] приводит среднюю продолжительность вспышки, равную 245 мс для отрицательных изменений поля и 145 мс для положительных изменений поля. Таким образом, медленные положительные изменения поля имеют меньшую продолжительность и встречаются реже, чем медленные отрицательные изменения поля. Было установлено, что как положительные, так и отрицательные медленные изменения поля обычно приводят к изменению момента около

Если облачный разряд происходит между двумя центрами сферических зарядов, расположенными не вертикально, то необходимы 7 параметров для полного описания результирующего изменения поля. Эти параметры представляют собой три пространственные координаты для каждого из зарядов и величину реализованного заряда. При вертикальном заряде необходимо только 5 параметров. Если не требуется полного описания параметров разряда, изменение поля вертикального облачного разряда можно описать четырьмя параметрами, согласно (3.41), где две Пространственные координаты определяют расстояние Если измерения поля проводятся на 7 различных станциях, то результирующие данные вполне достаточны для полного описания 7 параметров разряда. О таких измерениях впервые сообщили Воркман и др. [91], работающие в Нью-Мексико. Воркман и др. проанализировали свыше 100 облачных разрядов (три грозы). Было установлено, что переносимый заряд изменяется от 0,3 до 100 Кл. Среднее расстояние между зарядами по вертикали составляет 0,6 км, причем положительный заряд находится выше отрицательного. Случалось, что отрицательный заряд был выше положительного. Расстояние

между зарядами по горизонтали изменялось от 1 до 10 км со средней величиной около 3 км. Таким образом, было установлено, что внутриоблачные разряды являются скорее горизонтальными, чем вертикальными.

Рейнольде и Нейл [67], также работающие в Нью-Мексико и использующие методику Воркмана и др. [91], привели данные по 35 облачным разрядам, причем центр положительного заряда для 28 разрядов находился выше отрицательного. Средняя высота центра отрицательного заряда приблизительно равна 5,5 км над уровнем земли (примерно 8 км над уровнем моря). Обычное расстояние по вертикали между центрами зарядов составляло около 0,6 км. Расстояния по горизонтали изменялись от очень малых величин до Было установлено, что заряд, нейтрализующийся в облачном разряде, заключен в интервале от 1 до 40 Кл, причем обычно лежит в интервале от 10 до 20 Кл. Следовательно, типичное изменение момента было около что на порядок меньше величин, приведенных Вильсоном [90], Вормелем [94] и Пайерсом [61] для облачных разрядов. Данные, подтверждающие наблюдения Рейнольдса и Нейла [67], были получены Тамурой и др. [82] в Японии. Они сообщают, что изменения момента при облачном разряде (измерения в 8 местах) заключены между с наиболее часто встречающейся величиной около . С другой стороны, Хатакияма [23], также работающий в Японии, сообщает о средних изменениях момента в облачных разрядах, равных Вонг [85, 86] сообщает о средних изменениях момента в облачных разрядах, равных

Смит [78], работающий в центральной Флориде, проводил одновременные записи медленных изменений электрического поля, вызванных облачными разрядами, на двух станциях, находившихся на расстоянии 13,2 км. Были получены данные, для которых изменения поля на двух станциях были противоположны по знаку, указывая на то, что станции были расположены с разных сторон по отношению к расстоянию, на котором изменение поля меняет знак. Смит [78] проанализировал данные по изменению электрического поля для 54 разрядов, каждый из которых производил изменение поля, содержащее

максимум или минимум на одной или обеих регистрирующих станциях. Эти данные вместе с тем, что было известно о положении станции относительно разряда молнии, позволяли определить знак и направление движения заряда внутри облака. Чтобы провести это определение, были построены диаграммы, подобные тем, что даны на рис. 3.5 — 3.8. Смит использовал в качестве моделей разряда вертикальный положительный диполь (положительный точечный заряд над отрицательным) и вертикальный отрицательный диполь (отрицательный точечный заряд над положительным), в которых один из точечных зарядов мог двигаться. Он нашел, что в 39 случаях из 54 диполь был положительным. Для 39 случаев положительного диполя отрицательный заряд поднимался 30 раз, а положительный заряд опускался 9 раз. Для 15 случаев отрицательного диполя положительный заряд поднимался 9 раз, а отрицательный опускался 6 раз. Исходя из этих данных, Смит заключает, что разряд положительных диполей происходит на значительно большей высоте, чем разряд отрицательных диполей. Около 80% измеренных медленных изменений поля можно удовлетворительно объяснить однородным вертикальным движением заряда одного знака (модель точечного заряда) внутри облака.

Китагава и Брук [39] получили записи поля и его изменений для 1400 облачных разрядов при помощи измерителей электрического поля (разд. 3.5.1). Типичные данные изменения поля приведены на рис. 3.21.

Рис. 3.21. Схема типичного изменения поля при внутриоблачном разряде. Верхняя и нижняя записи соответствуют одновременной регистрации с помощью измерителя изменения электрического поля и измерителя электрического поля соответственно [39]. 1 — начальная часть; 2 — очень активная часть; 3 — часть -типа.

Китагава и Брук [39] разделили изменение поля облачных зарядов на 3 части: 1) начальная часть, 2) очень активная часть и 3) часть -типа.

Начальная часть характеризуется пульсациями с относительно небольшой амплитудой и средним интервалом между импульсами около 680 мкс. Продолжительность начальной части облачного разряда изменяется от 50 до 300 мс. Таким образом, приводятся существенные различия между начальными стадиями облачного разряда и разряда облако — земля: интервал времени между импульсами в начальной части и продолжительность начальной части облачного разряда значительно больше, чем межимпульсный интервал ступенчатого лидера и его продолжительность. В противоположность этим данным в работах [71, 74] указывается, что пульсации, накладывающиеся на медленное изменение электрического поля, обусловленное облачным разрядом, имеют те же межимпульсные интервалы времени, что и пульсации ступенчатого лидера. Китагава и Брук [39] сообщают, что характеристики изменения поля на начальных стадиях облачного разряда и разряда облако — земля настолько различны, что по записи изменения поля в течение первых 10 мс они могут, с вероятностью более 95%, предсказать, достигнет ли разряд земли или останется в облаках.

Очень активная часть изменения поля облачного разряда характеризуется сначала относительно быстрым изменением поля и соответствующими большими импульсами на измерителе изменения электрического поля.

Последняя часть -типа изменения поля облачного разряда похожа на -часть разряда на землю, -изменения происходят с интервалами от 2 до 20 мс. Китагава и Брук привели графики частотного распределения интервалов меркду -изменениями для 671 разряда на землю и для -части 1318 облачных разрядов. Распределения для двух типов разрядов почти одинаковы, а значит, и механизм разряда в облаке между импульсами на землю и механизм последней части облачного разряда по существу одинаковы. Изменение поля в части -типа не такое быстрое, как в предыдущей очень активной стадии. Эта часть облачного разряда сильно отличается по характеру от начальной и очень активной частей, Разница между начальной и

активной частями, однако, не всегда ясна, причем переход от одной части к другой обычно происходит более или менее постепенно.

Установлено [39], что из 1400 изученных облачных разрядов 50% содержали все три указанные стадии, 40% состояли из очень активной и -типа частей, в оставшихся 10% отсутствовала часть -типа и разряды состояли либо из начальной, либо из очень активной части, либо из обеих.

Такеджи [80] и Огава и Брук [60] сравнили изменения электрического поля, обусловленные внутриоблачными разрядами, с изменениями поля, подобными тем, что даны на рис. 3.5 — 3.8. Они установили, что наблюдаемые вариации электрического поля в начальной части разряда находятся в соответствии с моделью положительного диполя со снижающимся положительным зарядом. Огава и Брук сообщают, что начальная и очень активная части изменения поля облачного разряда, вероятно, связаны с распространением вниз положительно заряженного лидера. Такеджи предположил, что эффективная скорость движущегося вниз лидера составляет около Для отдельной грозы показано [60] постоянное поле облака и изменения поля (около 600) при облачном разряде в зависимости от расстояния до грозы. Расстояния, на которых происходит перемена знака изменения поля и самого поля, различались [см. обсуждение перед (3.42)]. Последняя, -часть облачного разряда состоит главным образом из отрицательных стримеров отдачи (разд. 2.3.7), которые связываются с -изменением поля. Вероятно, стримеры отдачи появляются, когда движущийся вниз положительный разряд приходит в контакт с областью концентрированного отрицательного заряда. Стримеры отдачи, сфотографированные [60] в разрядах облако — воздух, зарождаются на головке развивающегося разряда и распространяются назад вдоль канала, -изменения, появляющиеся в последней части облачного разряда, имеют продолжительность от 1 до 3 мс и среднее изменение момента около (это несколько выше, чем момент -изменения, связанного с молнией облако — земля, для которого измеренный верхний предел составлял около Наиболее частое число -изменений за разряд

равнялось 6. Обычно никаких изменений поля между -изменениями не было заметно, причем полное изменение поля во время конечной части разряда являлось суммой отдельных -изменений. В начальной и очень активной частях облачных разрядов нет -изменений; они, по-видимому, не являются частью начального процесса распространения разряда.

Считают [60, 80], что отрицательные стримеры отдачи -изменения) являются по существу отрицательными возвратными ударами. Предполагают [60], что -изменения сосредоточены в канале длиной от 1 до 3 км, и поскольку продолжительность -изменения порядка 1 мс, скорость распространения их составляет около Заряд, нейтрализуемый за -изменение, составляет около 3,5 Кл, и средний ток, связанный с -изменением, заключен в интервале от 1 до 4 кА.

Величины заряда стримера отдачи, тока, длины канала, скорости распространения и частоты появления, приведенные в [80], отличаются не более чем в 2—3 раза от величин, полученных в [60]. В работе [80] предполагается, что внутриоблачные разряды и процессы, протекающие в облаке между импульсами вспышки облако — земля, подобны, за исключением направления распространения разряда. Таким образом, -процесс является движущимся вверх положительным разрядом, вниз от которого распространяются отрицательные стримеры отдачи. Стример отдачи большой интенсивности может стать стреловидным лидером, распространяющимся вниз к земле по каналу предыдущего возвратного удара.

Такеджи [80] провел фотоэлектрические измерения светимости облака совместно с измерениями изменений электрического поля. Установлено, что полная светимость облачного разряда продолжалась 0,2 — 0,5 с. Медленное изменение поля, которое Такеджи относил к движущемуся вниз положительному лидеру, сопровождалось слабой непрерывной светимостью. Непрерывная светимость сильно флуктуировала, но среднее время ее возрастания от начала процесса до максимальной величины составляло общей продолжительности свечения. Сильные импульсы свечения, как было найдено, совпадали с -изменениями поля. Светимость импульса возрастала до

максимального значения примерно за 0,5 мс и падала до половины своего значения примерно за то же время. Подобные измерения светимости облачных разрядов проведены Маланом [46] (разд. 2.3.7) и Бруком и Китагава [6].

Такеути [81] сообщает об изменениях поля облачных разрядов, наблюдавшихся с трех различных станций в Японии. Он ссылается также на ранее опубликованные работы, сообщая об измерениях изменения поля, проведенных сотрудниками Исследовательского института атмосфериков университета Нагойя. В качестве моделей разряда берутся вертикально ориентированный положительный диполь, вертикально ориентированный отрицательный диполь и горизонтальный диполь. Найдено, что большинство облачных разрядов удовлетворяет первой модели. Заряд, переносимый между верхним положительным зарядом и нижним отрицательным зарядом, часто превосходил 100 Кл. Длина разряда обычно составляла несколько километров. Установлено, что общее число опускающихся положительных зарядов (24) примерно в 2 раза превышает число поднимающихся отрицательных зарядов. Эта статистика плохо согласуется с данными Смита [78], но подтверждается наблюдениями Такеджи [80] и Огавы и Брука [60]. Вертикально ориентированные отрицательные диполи наблюдались в двух грозах. Разряды возникали на больших высотах и переносили меньший заряд (от 5 до 40 Кл на расстояние нескольких километров), чем разряды для положительных диполей, что опять расходится с выводами Смита. Получены количественные данные для трех горизонтальных разрядов. Было найдено, что горизонтальные разряды встречаются на высотах от 6 до 12 км и имеют длины от 2 до 8 км. Сообщается, что два горизонтальных разряда переносили заряд от 5 до 10 Кл, третий

Скорость распространения облачного разряда можно оценить по длине пути (определенной из изменения поля) и продолжительности изменения поля. Такеути сообщает, что средняя скорость распространения независимо от полярности разряда и его длины составляла Более того, наблюдавшиеся разряды распространялись с относительно постоянной скоростью по всей длине.