Электрические поля и заряды как облаков и атмосферы, так и отдельных частиц в облаках оказывают влияние на элементарные процессы, протекающие в облаках. Поскольку рассмотрение электрических характеристик собственно атмосферы выходит за пределы темы о грозовом электричестве, приведем только краткие сведения, которые могут оказаться полезными в дальнейшем.
Предпринимались попытки более точно вычислить скорость конденсационного роста капель в условиях пересыщения водяного пара, в частности И. П. Мазиным [ПО], В. И. Смирновым [171] и др.; результаты этих расчетов не изменили вывода, сделанного на основании вычислений Беста. В дальнейшем привлекались представления о влиянии на конденсационный рост размеров ядер конденсации, в особенности «гигантских», и пульсаций пересыщения в облаках, а также представление о коагуляционном росте капель.
Н ачало исследованиям влияния электрических сил на взаимодействие капель было положено в опытах по влиянию электрического поля на поведение струи. Обнаружилось, что капли при отрывании от струи получают заряды, которые обусловливают взаимодействие капель (Релей [479]).
Процесс коагуляции капель разделяется на два процесса, первый из которых состоит из сближения и соударения капель, а второй — из их слияния. При теоретическом рассмотрении коагуляции разделение этих двух процессов не вызывает каких-либо затруднений. Это позволило теоретически исследовать условия соударения капель. Совершенно иным оказывается состояние теории слияния капель — она фактически отсутствует. Поэтому достаточно полная теория коагуляции капель как единого процесса еще не разработана, хотя такая необходимость существует. Имеется достаточно оснований полагать, что на близких расстояниях, порядка долей радиуса большей капли, взаимодействие капель обусловливается не только их движением как твердых сфер, но и особенностями искажений формы в зазоре между ними.
При с = а (сфера) выражение (22) переходит в (21).При С= 1,3 • 10 12 получается хорошее согласие с результатами экспериментальных исследований. Однако это значение не соответствует значению, вычисленному согласно (23). Такое несоответствие обусловлено приближенным характером предположений, которыми Зелени воспользовался при выводе выражения (23). Он допускал, что не только в условиях равновесия, но и при его нарушении внутреннее давление компенсируется внешним давлением. Кроме того, оно было выведено для случая, когда сфероид мало отличался от сферы. Такие предположения оказываются неправильными для момента наступления разрушения поверхности капли и приводят к неверному результату для критического значения поля, так как в сильных электрических полях отклонение от сферической формы и разность внутреннего и внешнего давления могут быть весьма большими.
Когда вершина мощных кучевых облаков оказывается в области низких отрицательных температур, происходит замерзание капелек, что приводит к изменению условий роста частиц и электризации. Поэтому до рассмотрения особенностей роста ледяных частиц в облаках представляется целесообразным ознакомиться с процессами кристаллизации переохлажденных капелек и влиянием на них электрических сил.
Свойство воды находиться в переохлажденном состоянии установлено более двух столетий тому назад. Были выполнены многочисленные исследования, которые привели к представлению, что замерзание масс и капель переохлажденной воды является вероятностным процессом. Для возникновения твердой фазы в переохлажденной воде необходимо образование зародыша — устойчивого комплекса молекул с льдоподобной решеткой, способного расти, создавая ледяной кристалл. В переохлажденной воде твердые нерастворимые частицы субмикронных размеров могут служить ядрами кристаллизации. Вероятность образования зародыша твердой фазы на поверхности нерастворимой частицы будет зависеть от подобия строения вещества частицы и льда и температуры переохлаждения. Вероятность замерзания капли воды будет зависеть, кроме того, от ее объема.
Влияние зарядов и электрического поля грозовых облаков на кристаллизацию переохлажденных капель может проявляться двояким образом. Во-первых, может осуществляться непосредственное влияние электрических сил на состояние переохлажденных капель, приводящее к их кристаллизации при более высоких температурах, чем при отсутствии этих сил. Во-вторых, электрические силы могут влиять на частоту поступления на поверхность переохлажденных капель активных ядер кристаллизации, что может привести к увеличению вероятности кристаллизации капель при данной температуре переохлаждения.
Если у капель с тонкой прозрачной оболочкой давление воздуха уменьшается вследствие деформации поверхности, то у капель с толстой матовой оболочкой давление воздуха непрерывно возрастает. Это приводит к прорыву оболочки в отдельных местах. Зачастую через отверстия прорыва выливаются на поверхность небольшие порции воды, создается впечатление «вскипания». Иногда вода выбрасывается в виде струйки [81].
Сублимационный рост ледяных частиц должен играть существенную роль при зарождении грозовых облаков, когда водность велика. Тогда происходит быстрая перекачка водяного пара с облачных капелек на ледяные частицы и рост последних. Можно полагать, что электрические силы должны привести к ускорению сублимационного роста ледяных частиц.
На агрегацию ледяных кристаллов оказывают влияние гравитационные, аэродинамические и электрические силы. Под действием этих сил происходит соударение ледяных кристаллов. Причинами соединения кристаллов между собой, кроме механического сцепления, обязанного особенностям их конфигурации, являются адгезия и смерзание.
Зародышем крупы может быть, по-видимому, любой кристалл льда независимо от его природы, образовавшийся или занесенный в вершину кучево-дождевого облака. Соударения кристалла как с сильно переохлажденными капельками, так и с другими кристаллами могут привести к образованию частицы только малой плотности, что характерно для крупы. При небольших скоростях падения растущей частицы и низкой температуре замерзание переохлажденных капелек будет происходить весьма быстро, так что они должны слабо расплываться. Браунскомб и Халлет [251] получили, что при скоростях соударения, близких к конечным, капельки при замерзании остаются сферическими. С увеличением размеров и скорости соударения и с повышением температуры деформация капелек увеличивается (деформация определяется как отношение радиуса расплывшейся по поверхности льда капельки к ее начальному радиусу). Исследования строения отложений льда показали, что при низких температурах переохлаждения и малых скоростях соударения плотность «упаковки» замерзших капелек мала [407 и др.]. При температуре —16,5° С и скорости соударения 2 м/с плотность льда оказалась равной 280 кг/м3, тогда как при —4° С и 11,4 м/с плотность льда 890 кг/м3.
До сих пор мы рассматривали процессы, обусловливающие рост частиц в кучево-дождевых облаках. Существует необходимость и в рассмотрении процессов разрушения гидрометеоров. Эти процессы существенны не только вследствие того, что они радикальным образом изменяют спектр распределения гидрометеоров в кучево-дождевых облаках, но и потому, что они обусловливают основные механизмы электризации в них. В кучево-дождевых облаках может осуществляться, по-видимому, большое число разнообразных процессов разрушения жидких и твердых гидрометеоров: самопроизвольное разрушение крупных капель, их разрушение при соударении друг с другом и с градинами, разрушение капель, срывающихся с тающих градин, самопроизвольное разрушение хлопьев снега под действием турбулентности, разрушение ледяных частиц при соударении друг с другом. Разрушение капель при замерзании уже было рассмотрено в разделе 1.6.4. Разрушение ледяных частиц при соударении друг с другом и под действием турбулентности совершенно не исследовано. Поэтому дальнейшему разбору будут подвергнуты только процессы, при которых происходит разрушение жидких капель.
Вследствие срывания капель с градин в областях мокрого роста и в результате таяния градин в грозовых облаках существует смесь градин и капель. Тем самым предопределяется соударение градин с каплями и разрушение последних. Возможны два типа соударений — лобовые и касательные. К первым следует отнести все те соударения, при которых капли отражаются от нижней части градины без существенного скольжения, а ко вторым — соударения со скольжением и отрывом в верхней части градины.
В разделе 1.5 приведены сведения о влиянии сильных электрических полей на возникновение неустойчивости капли, в результате которой происходит выбрызгивание струек. Здесь будет рассмотрена потеря массы каплями как следствие выбрызгивания в зависимости от напряженности поля выше критической.
Грозовые явления в умеренных широтах развиваются в основном в конвективных облаках, а именно в кучево-дождевых. Даже в тех случаях, когда эти явления наблюдаются летом на теплых фронтах, которым вообще свойственны облака слоистых форм, вследствие неоднородности условий происходит чаще всего развитие неустойчивости и образование кучево-дождевых облаков.
Длительное время предполагалось, что в умеренных широтах только слабая морось (радиус капель порядка 100 Мкм) может образоваться в капельно-жидких облаках, что даже сравнительно слабый дождь может выпадать исключительно из облаков со смешанной фазой.
Кристаллизация вершин мощных кучевых облаков и их преобразование в кучево-дождевые могут происходит за счет двух процессов: спонтанного замерзания капелек или их замерзания при внесении посторонних ледяных зародышей. Воздушные токи, скорость которых в вершинах достигает 1—2 м/с, могут переносить вверх капли диаметром 100—500 мкм. При температуре в вершине ниже —12° С уже существует некоторая вероятность замерзания таких капель. Возможно, что капли имеют некоторые шансы замерзнуть при температурах выше —12° С при поступлении ядер кристаллизации на их поверхность [311]. Если в атмосфере присутствуют ледяные кристаллы, то при падении они могут попасть в переохлажденную вершину мощных кучевых облаков и вызвать кристаллизацию. Особенно обильный засев ледяными кристаллами возможен при наличии перистых облаков [240].
Расположение уровня зарождения дождя в конвективных облаках относительно изотермы 0°С определяется, по-видимому, механизмом образования дождя. Предполагается, что причиной образования дождя является или конденсационно-коагуляционный процесс роста капель, или сублимационно-коагуляционный процесс роста твердых частиц. В первом случае следует ожидать, что зарождение радиоэхо, т. е. образование частиц таких размеров, которые обнаруживаются радиолокатором, должно происходить ниже уровня изотермы 0°С, а во втором — выше уровня изотермы 0° С. Н. С. Шишкин [202] допускает, что в облаках действует коагуляционный механизм образования осадков и что ливни могут начинаться с образования и выпадения капель. Наиболее же распространено представление о том, что образование ливней совпадает с кристаллизацией крупных облачных капелек в переохлажденной части мощных кучевых облаков.
На основании приведенных данных можно утверждать, что электрические разряды являются следствием процессов образования осадков и возникают только в том случае, если интенсивность образования осадков достигает определенного значения.
Условия образования и разделения электрических зарядов в конвективных облаках в значительной степени определяются токами, в первую очередь вертикальными, и турбулентностью. Но измерение этих параметров в кучево-дождевых облаках является весьма сложной задачей, и поэтому сейчас сведения о них ограниченны.
Примечание. Здесь с — самолетные наблюдения, сб — сбрасываемые ловушки.В. И. Скацкий [170] на основании полетов в кучево-дождевых облаках в районе Нальчика тоже считает, что в грозовых облаках существуют большие области с водностью порядка 0,01 кг/м3. Он также указывает, что значительные различия между данными обусловлены тем, что измерения выполнялись разными методами в облаках, находящихся в различных стадиях развития. Необходимо отметить, что при малых замеряемых объемах даже одна капля может привести к представлению о весьма большой водности. Поэтому при измерении водности кучево-дождевых облаков с самолетов возможны значительные ошибки в сторону ее завышения.
На основании приведенных в разделе 2.1.3 данных можно выделить два типа грозовых облаков в умеренных широтах: 1) облака с вершиной между 6 и 9 км, из которых выпадает крупнокапельный ливневый дождь; 2) облака с вершиной выше 9 км, из которых выпадает град. По-видимому, какие-либо существенные различия в механизме образования этих облаков отсутствуют. В обоих типах облаков существуют твердые гидрометеоры (ледяная крупа и градины), но в первом восходящие токи, высота и как результат размеры твердых гидрометеоров меньше, чем во втором. Вследствие этого градины, зарождающиеся в грозовых облаках первого типа, успевают полностью растаять при своем падении ниже уровня изотермы 0°С, тогда как при облаках второго типа они достигают поверхности земли.
Рассмотрим качественно рост частицы в кучево-дождевом облаке в начальной стадии его развития.В струях восходящих токов создаются благоприятные условия для образования крупных облачных капель. В этих струях возможны большие отклонения водности, электрических зарядов на капельках и полей от средних по облаку, что должно привести к значительному увеличению скорости коагуляции капелек. И. М. Имя-нитов и др. [74] назвали такие области «питомниками» крупных капель.
Объемные электрические заряды кучево-дождевых облаков состоят в основном из зарядов облачных элементов и гидрометеоров и в какой-то степени из зарядов ионов. Хотя проводимость воздуха грозовых облаков значительно выше, чем свободной атмосферы, и содержание легких ионов велико, их вклад в объемные заряды сравнительно небольшой, так как разность между концентрациями положительных и отрицательных ионов также невелика. К сожалению, сейчас почти полностью отсутствуют сведения о зарядах облачных капелек и ледяных кристаллов в грозовых облаках.
Хатчинсон и Чалмерс [343] установили, что почти всегда одновременно с каплями, заряды которых соответствуют зеркальному эффекту, имеются капли с зарядами противоположного знака. Сопоставляя заряды, вычисленные в предположении, что они образуются в результате захвата ионов, и измеренные, Хатчинсон и Чалмерс не получили ожидаемого согласия между ними. В связи с этим Ганн и Девин [329] считают, что не поле и токи коронирова-ния обусловливают заряды капель в приземных слоях воздуха, а объемный заряд капель создает электрическое поле. Действительно, сопоставляя токи конвекции и токи проводимости у поверхности земли, они пришли к выводу, что первые могут значительно превышать вторые.
Как видно из (43), на некотором расстоянии /. должна произойти смена знака изменения поля, что может служить признаком биполярности облака. Так как при внутриоблачных грозовых разрядах на близких расстояниях изменения поля имели положительный знак и на больших расстояниях — отрицательный, а при ударах молнии в землю знак изменения поля оказался положительным, Вильсон [571] получил, что верхний заряд грозовых облаков положительный, а нижний — отрицательный.
Развитие разряда из облака на землю начинается с образования стримера, который продвигается ступеньками длиной 10—200 м. В конце каждой ступеньки происходит задержка движения стримера, так называемого ступенчатого лидера, которое затем возобновляется, и стример проходит очередную ступеньку и т. д. до момента приближения к земле. В результате продвижения стримера образуется ионизированный канал ступенчатого лидера молнии. По каналу лидера развивается с поверхности земли главный возвратный удар молнии, который переносит основной заряд молнии. Средняя скорость продвижения ступенчатого лидера порядка 104—105 м/с, тогда как скорость главного удара 107—108 м/с. Ток, протекающий в канале главного удара, достигает 2 105 А. Обычно вслед за первым, ступенчатым лидером через сотые доли секунды происходит развитие по тому же каналу стреловидного лидера. Скорость его распространения по ионизированному каналу больше скорости ступенчатых лидеров: (1- 2)-10® м/с. После достижения поверхности земли по каналу стреловидного лидера проходит второй главный возвратный удар. Этот процесс может многократно повторяться; в среднем молния включает три главных разряда.
Из (51) следует, что на основании определения т по кривой восстановления при условии, что влияние объемных зарядов под грозовыми облаками невелико, и в предположении о сравнительно простом строении грозовых облаков — монозарядном или диполь-ном — можно найти значение проводимости в грозовых облаках.
Измерения над грозовыми облаками в районе субтропиков были выполнены Стерджисом и др. [535]. Они получили, что ток на одно грозовое облако в среднем равен 0,8 А, т. е. значительно больше, чем у Гиша и Уайта. Максимальный ток оказался равным 4,3 А. Возможно, что здесь сказывается влияние географического положения места измерений: в низких широтах грозы более интенсивны, чем в высоких.
Михновский [443] в Швидере (Польша) измерял ток с острия, установленного на высоте 19,2 м. При близких грозах он получил экстремальные токи —7 и 15 мкА. Для близких гроз отношение заряда, перенесенного положительным током, к заряду, перенесенному отрицательным током, было больше единицы, а для всех случаев гроз — близких и отдаленных — оно оказалось равным 1,5.
Здесь р — объемный заряд; Е — напряженность поля; 2 — высота.На основании многочисленных исследований в мощных кучевых и грозовых облаках И. М. Имянитов [61] получил данные об объемных зарядах и скорости их накопления (табл. 38).
При исследованиях электричества дождящих конвективных облаков (электрического поля, зарядов облачных и дождевых капель и т. д.) чрезвычайно мало внимания уделялось вопросу о структуре этих облаков — жидкокапельные они или смешанные. Получение характеристик электрического состояния теплых облаков в умеренных широтах — весьма сложная задача, поскольку редко существует возможность достаточно четко выделить наблюдения, относящиеся именно к таким облакам. Поэтому нами будут использованы результаты наблюдений в низких широтах и материалы наблюдений в теплых облаках слоистых форм.
Весьма интересным представляется вопрос о возможности образования грозы в теплых облаках. Считается общепринятым, что в субтропических и тропических районах грозы в теплых облаках образуются не редко. Не исключена вероятность образования грозы в таких облаках и в умеренных широтах. Однако сведения об образовании гроз в теплых облаках весьма скудны. Более того, значительное число данных о грозах в теплых облаках, которые описаны в литературе, получено в результате случайных наблюдений. Поэтому их достоверность вызывает некоторое сомнение, и существует необходимость в специальных исследованиях для решения этого вопроса.
Образованию заряженных областей в грозовых облаках предшествуют процессы, приводящие к электризации облачных частиц и гидрометеоров. Только в тех случаях, когда электризация частиц протекает таким образом, что на частицах, перемещающихся под действием гравитационных сил с разной скоростью, оказываются заряды разных знаков, или заряды на частицах и в воздухе имеют разные знаки, может происходить их разделение. Если процессы электризации будут протекать достаточно интенсивно и длительно, а процессы рекомбинации зарядов и их диссипации — сравнительно медленно, возможно накопление зарядов в определенных областях грозового облака, между которыми возникнут сильные электрические поля с напряженностью, достигающей критических, т. е. достаточных для возникновения молнии, значений. Следовательно, образование заряженных областей в грозовых облаках, как, впрочем, и в любых других, начинается с электризации облачных частиц и гидрометеоров в них. Поэтому для выяснения механизма возникновения грозового электричества необходимо в первую очередь рассмотреть, какие процессы электризации могут иметь место в ку-чево-дождевых облаках. Затем необходимо выяснить, какие из этих процессов являются доминирующими.
На процессы переноса зарядов в воде в жидкой и твердой фазах оказывает значительное влияние ее электропроводность и диэлектрическая проницаемость. Поэтому перед тем, как перейти к рассмотрению процессов электризации, остановимся на этих вопросах.
Формула (56) однозначно определяет стационарный заряд в зависимости от отношения полярных проводимостей и радиуса капли. При X +>Х заряд капли будет положительным, а при Х+<Х —-отрицательным.Из (57) следует известное выражение (51) для времени релаксации. Заметим, что, согласно Френкелю [186], время релаксации также определяется формулой (51), но только X является не полярной, а суммарной проводимостью воздуха.
Согласно Гельмгольцу, при контакте двух тел разной химической природы на поверхностях соприкосновения образуются заряды в виде двойного электрического слоя, которые при разделении тел могут остаться на них уже как свободные. В этом случае разность потенциалов двойного электрического слоя пропорциональна контактной разности потенциалов тел. Эти верные в основе своей представления все же совершенно недостаточны для описания механизма образования зарядов при контакте, так как их величина зависит от многих факторов: кроме химического состава тел, от их кристаллической структуры, геометрии, упругости, теплового состояния, молекулярных сил сцепления, относительной скорости и условий соударения, электропроводности и диэлектрической проницаемости, плотности окружающей среды и пр. Именно поэтому происходит электризация также при контакте тел одинаковой химической природы.
При соприкосновении двух тел, состоящих из различных веществ либо из одного вещества, но в разных фазах, в частности воды и льда, на их границе возникает двойной электрический слой. Можно ожидать, что, вследствие различий в подвижности ионов разных видов в воде и во льду, при замерзании воды будет происходить сепарация ионов, а в результате— электризация воды и льда. Такое представление было выдвинуто Воркменом и Рейнольдсом [584], которые наблюдали электризацию при замерзании слабых растворов воды. Еще до них это явление наблюдали Динджер и Ганн [281]. Они, так же как Воркмен и Рейнольдс, для измерения разности потенциалов устанавливали один электрод в воде, а другой— во льду. Даже при использовании дистиллированной воды высокой очистки разность потенциалов оказалась сравнительно большой (6—10 В), но авторы [281] не придали этому явлению какого-либо самостоятельного значения.
Представляют интерес исследования Качуриным и Бекряевым [81] временного хода образования заряда при взрывании капель. Продолжительность взрыва и процесса образования заряда составляет несколько сотых долей секунды, при этом отделяются частицы, несущие как отрицательные, так и положительные заряды (рис. 54). Положительные заряды образуются за весьма малое время, скачками (пики 2, 3, 4), тогда как отрицательные нарастают сравнительно плавно. По мнению авторов [81], образование положительных зарядов на оставшейся части капли обусловлено тем, что при взрыве отделяется значительная часть льда, которая уносит с собой большой отрицательный заряд. Затем происходит исторжение части воды в виде струйки капелек, несущих положительные заряды. Длительность этого процесса несколько больше продолжительности первого процесса. Непосредственно перед моментом взрыва капли и образования основного заряда почти всегда наблюдается образование небольшого положительного заряда (пик 1). Причиной возникновения этого заряда авторы считают мельчайшие ледяные осколки, которые вырываются из поверхности замерзающей капли до момента взрыва, унося отрицательные заряды.
При повторении таких опытов (Хатчинсон [341]) были получены диаметрально противоположные результаты. Так, когда при температуре в камере —18° С и скорости соударения около 10 м/с концентрация капелек превышала концентрацию кристаллов, пробное тело заряжалось положительно, а при малой концентрации капелек — отрицательно. Средняя величина зарядов оказалась равной 3-10-16 Кл на одно соударение. В этих опытах не было исключено влияние углекислоты, которая могла поглощаться капельками и льдом. Кроме того, не была известна температура поверхности льда пробного тела. Так что условия в описанных опытах могли несколько отличаться друг от друга, и это является еще одним указанием на большое влляние свойств поверхности на процессы электризации при контакте ледяных частиц.
Пытаясь объяснить баллоэлектрический эффект, Ленард [391] предполагал, что на поверхности воды существует двойной электрический слой, одна из обкладок которого, а именно отрицательная, находится в воздухе. В дальнейшем Ленард [393] пришел к выводу, что двойной электрический слой полностью расположен в поверхностном слое воды толщиной порядка 10-2 мкм. Внешняя обкладка отрицательная, а внутренняя — положительная. Если при разрушении слоя происходит образование капелек размером меньше 10 2 мкм, то они должны иметь отрицательные заряды; если же образуются капли большего размера, то они должны быть нейтральными.
В связи с существованием разных типов спонтанного разрушения 1 капель — гантеле- и грибообразного — необходимо определить электризацию капель разных размеров, при разной степени их разрушения. К сожалению, несмотря на сравнительно большое число опытов по электризации при разрушении капель воды, имеется очень мало сведений о зависимости электризации от размеров капель и интенсивности их разрушения.
Исследования электризации капель воды при их разрушении в результате соударения с твердыми телами были начаты в связи с электрическими явлениями, обнаруженными вблизи водопадов. Число этих исследований, выполненных в основном в первой четверти XX столетия, весьма велико. Нас интересуют те из них, которые могут помочь внести некоторую ясность в малоизученный вопрос об электризации при соударении капель с градинами. Вместе с тем электризация при соударении капель с твердыми и жидкими поверхностями представляет определенный самостоятельный интерес.
Можно представить по крайней мере два процесса в кучеводождевых облаках, при которых происходит выделение воздушных пузырьков из гидрометеоров. При подъеме крупных капель вверх и их переохлаждении и замерзании выше уровня изотермы 0иС происходит выделение воздуха в виде пузырьков. Динджер и Ганн [281] наблюдали выделение микроскопических пузырьков при замерзании воды, в которой был растворен воздух. Это явление происходит настолько бурно, что создается впечатление «вскипания» воды, которая выливается через трещины в ледяной оболочке на ее поверхность (В. М. Мучник и Ю. С. Рудько [139]). Второй процесс, при котором происходит выделение пузырьков из гидрометеоров, имеет место при падении града и снежинок ниже уровня изотермы 0° С, когда освобождается воздух, содержащийся во льду.
Как было показано ранее, в основе всех механизмов электризации лежит несколько процессов, приводящих к первичному разделению зарядов; многочисленность этих механизмов обусловлена многообразием процессов контакта и разрушения гидрометеоров. Единственным исключением является электризация в поле воздушных ионов, для которой не требуется контакт или разрушение гидрометеоров.
Как следует из табл. 47, для полей с напряженностью, значительно меньшей минимальной напряженности, которая требуется для возникновения разряда, экспериментально наблюдаемые заряды меньше или близки к вычисленным на основании (87). Для больших напряженностей поля, приближающихся к разрядным, характерен быстрый рост экспериментальных значений по сравнению с вычисленными, что может обусловливаться влиянием сильного поля на конфигурацию капель в момент их отрыва друг от друга. При вытягивании пары капель в направлении поля их конфигурации приближаются к вытянутым эллипсоидам, что должно привести к увеличению зарядов на разделяющихся каплях.
Соударение градин с переохлажденными или неполностью замерзшими каплями выше уровня изотермы 0° С приводит к частичному намерзанию воды на поверхности градин. Этот механизм совершенно не исследован; неизвестно, сколько образуется жидких и твердых фрагментов капель и каковы их размеры. Отсутствие этих сведений не позволяет сейчас сделать достаточно определенные заключения об электризации при соударении градин с переохлажденными каплями в электрическом поле. Во всяком случае, можно не сомневаться, что такая электризация имеет место и ее степень должна зависеть, в частности, от температуры переохлаждения и размеров капель. При малых размерах и низких температурах переохлаждения капли будут в основном намерзать на поверхности градин. Крупные капли при более высоких температурах будут отражаться или большей частью срываться с градин, смачивая их поверхность. Все капли, соударившиеся с поверхностью градин при температурах выше 0° С, будут срываться. К ним должна прибавляться вода, образующаяся при таянии градин.
Вырывание пузырьков из поверхности тающей градины вряд ли является симметричным процессом. Это обусловлено тем, что при таянии в градине возникает конвекция, которая будет переносить пузырьки в верхнюю часть падающей градины. Так как можно ожидать, что в падающей градине большая часть пузырьков будет вырываться из поверхности ее верхней половины, то знак заряда градины в поле нормального направления должен быть положительным. Необходимо отметить, что данные предположения еще не проверены экспериментально.
Эльстер и Гейтель [290] первыми обратили внимание на возможное влияние разрушения капель в электрическом поле на образование зарядов в грозовых облаках. Они считали, что при разрушении больших капель в электрическом поле должно происходить разделение зарядов, образующихся на каплях благодаря поляризации: на маленьких капельках возникают заряды одного знака, а на более крупных каплях — заряды противоположного знака. Эти представления подверг критике Симпсон [519]. Он указал, что, согласно опытам Ленарда [392], при разрушении крупных капель все фрагменты разлетаются радиально, симметрично по отношению к капле. Поэтому как крупные, так и мелкие капельки в вертикальном электрическом поле имеют одинаковую вероятность получить заряды того или иного знака, и никакое макроразделение зарядов в гравитационном поле не должно иметь места. Это ошибочное мнение не подвергалось пересмотру до 1945 г., пока В. М. Мучник в ряде предварительных качественных опытов 1 не получил, что при разрушении крупных капель в электрическом поле на крупных фрагментах образуются заряды в основном одного знака, а на водяной пыли —■ заряды другого знака, что обусловливает их разделение в гравитационном поле Земли.
В сильных электрических полях грозовых облаков возможно образование коронного разряда на гидрометеорах, как жидких, так и твердых. В результате может возникнуть целый ряд процессов, весьма существенных для образования и разделения зарядов в грозовых облаках. Так, потоки электронов и ионов при коронном разряде являются источником высоких концентраций легких ионов в воздухе. В случае одностороннего коронного разряда должно происходить интенсивное заряжение гидрометеоров. Поэтому существенно рассмотреть, какие элементарные процессы могут привести к возникновению коронного разряда в грозовых облаках.
Со времени установления электрической природы грозы было предложено огромное количество ее теорий. Для объяснения возникновения грозового электричества использовались, можно сказать без преувеличений, все механизмы электризации, когда-либо открытые человечеством. Достаточно было появиться сообщению о каком-либо новом механизме электризации тел, как его тотчас же привлекали в качестве основного механизма образования грозового электричества. Так было с трибоэлектричеством, термоэлектричеством, фотоэлектрическим эффектом и т. д. и т. д. Рассмотрение всех гипотез представляет, безусловно, очень большой интерес, в особенности для истории науки, но оно потребовало бы слишком много места, и поэтому мы ограничимся только теориями, основывающимися на рассмотренных в главе 3 механизмах электризации, которые могут иметь место в грозовых облаках. Такую работу необходимо выполнить для того, чтобы выяснить, какая теория наиболее правильно описывает образование грозового электричества. При рассмотрении теории грозы обнаруживается любопытная тенденция, заключающаяся в том, что большинство из них опирается только на один какой-то механизм электризации, который считается основным. При этом часто упускается из вида, что в грозовом облаке может одновременно действовать несколько механизмов электризации, особенно в разных частях облаков и на разных стадиях их развития.
Симпсон предположил, что в верхней части грозового облака при отрицательных температурах существуют ледяные кристаллы. При соударении друг с другом под воздействием интенсивной турбулентности, которая должна иметь место в грозовых облаках, кристаллы получают отрицательные заряды, а воздух — положительный. При падении ледяных кристаллов происходит разделение зарядов, причем вверху образуется положительно заряженная область, а внизу — отрицательно заряженная. Нижняя, положительно заряженная область образуется в результате дробления капель. Эта модифицированная схема дает согласие с наблюдаемым распределением заряженных областей в грозовых облаках. Однако количественная оценка заряда, которая может быть получена исходя из представлений Симпсона, дала отрицательный результат. Так, Мейсон [428], предполагая, что одна и та же масса воды трехкратно примет участие в дроблении капель, из которых она состоит, пришел к выводу, что максимальный заряд за счет схемы заряжения, рассмотренной Симпсоном, не превысит 10-4 Кл/м3, т. е. он примерно на два порядка меньше наблюдаемого. Несколько больший заряд был получен им для механизма электризации при соударении снежных кристаллов: 5 10—4 Кл/м3, но эта величина также намного меньше требуемой для развития грозы. Таким образом, эффекты электризации, рассматриваемые Симпсоном, не могут играть главную роль в образовании грозового электричества.
При г = 10-5 см, £ = 9,81 м/с2 и ==0,25 В получаем, что для устойчивого облака —1,5 - 105 В/м. Так как при этом не вносятся какие-либо предварительные условия, то отсюда следует, что в любых облаках, из которых не выпадает дождь, напряженность поля должна быть много больше напряженности, имеющей место в действительности. Для того чтобы согласовать свои представления с данными наблюдений, Френкель указывает на необходимость учитывать проводимость воздуха. Как известно, чем больше проводимость, тем меньше напряженность поля. Поэтому в слоистых облаках проводимость должна быть больше, чем в грозовых, тогда как из данных наблюдений вытекает обратное соотношение. Необходимо также отметить, что экспериментальные исследования адсорбции ионов не дают однозначного ответа относительно избирательного заряжения капель воды в среде ионов (см. раздел 3.1.2).
Анализируя полученные результаты, Мейсон указывает на то, что крупа радиусом 1 см и более не наблюдается. Поэтому он считает, что концентрация частиц крупы должна быть больше принятой ранее, а их радиусы не должны превышать 2,5 мм. Тогда общий генерируемый заряд увеличивается примерно до 2700 Кл, что Мейсон считает завышенным. Заметим, что при этих вычислениях не была учтена потеря разделяющихся зарядов за счет проводимости.
Как отмечает Рейтер, теорию грозы, основанную на развитых выше представлениях, нельзя считать завершенной, так как отсутствует еще полная ясность как относительно процесса микроразделения зарядов под действием различий в концентрации ЫОз , так и в отношении процесса макроразделения зарядов под действием турбулентности, гравитационных сил и сил, связанных с соударением частиц. Пока нет оснований утверждать, что рассмотренный механизм электризации с обратной связью является достаточным для полного объяснения грозовой деятельности. Это видно хотя бы из того, что для начальной электризации требуется какой-то иной механизм. По-видимому, в грозе действует несколько механизмов, которые еще должны быть установлены. Вместе с тем Рейтер считает, что описанный механизм электризации с обратной связью является существенным фактором в образовании электричества грозы.
Схема грозы Рейнольдса вызывает ряд возражений. Как указывают Мейсон [116], Брук [17] и Чалмерс [196], между экспериментальными данными Рейнольдса и др. [486], с одной стороны, и Ле-зема и Мейсона [380, 382] — с другой, существует расхождение на четыре порядка, которое не получило еще окончательного объяснения. Во всяком случае, величина заряда при одном контакте в 1,6х X Ю 13 Кл, принятая Рейнольдсом и др. [486], по-видимому, значительно завышена, тем более что это значение получено для заметной разности между температурой пробного тела и температурой ледяных кристаллов, которую нельзя ожидать при соударении крупы с ледяными кристаллами в облаках. Рейнольдс исходит из соображения, что крупа при падении теплее, чем ледяные кристаллы, что в действительности не должно иметь места. При падении ледяных кристаллов радиусом 30 мкм и более коагуляция с переохлажденными капельками наряду с сублимацией играет значительную роль в их росте. Вероятность захвата капелек крупными частицами пропорциональна квадрату их радиуса. Вместе с тем повышение температуры этих частиц за счет тепла капелек должно быть обратно пропорционально массе частиц, т. е. кубу их радиусов. Следовательно, повышение температуры частиц за счет тепла кристаллизации переохлажденных капелек должно быть обратно пропорционально радиусу этих частиц, т. е. частицы больших размеров должны меньше нагреваться, чем частицы малых размеров. Этот эффект будет усиливаться за счет вентиляции частиц при падении, так как интенсивность теплообмена частицы с окружающим воздухом будет увеличиваться с увеличением коэффициента вентиляции, который приблизительно пропорционален радиусу частицы.
Грене создал теорию грозового электричества, которая была развита Воннегутом [558]. Грене считает, что легкие ионы, поступающие в кучевое облако с восходящими токами и имеющие продолжительность жизни около 5 с, оседают на облачных капельках. Вследствие этого проводимость в облаке уменьшается по сравнению с проводимостью свободной атмосферы и в облаке накапливается заряд. Под действием поля этого заряда происходит подтягивание зарядов противоположного знака, которые оседают на облачных капельках на границе облака. Так образуется компенсирующий заряд на границе облака.
При рассмотрении процессов образования осадков в кучеводождевых облаках обращает на себя внимание тот факт, что на определенной стадии развития облаков возникает сильное электрическое поле; следовательно, должно существовать его влияние как на электризацию гидрометеоров, так и на условия их роста. На этом основании можно сделать вывод, что невозможно построить теорию грозового электричества, не учитывая существования взаимной связи между ростом и электризацией гидрометеоров в кучево-дождевых облаках.
Модель грозы, развивающейся в кучево-дождевых облаках смешанной структуры, должна быть значительно сложнее, чем модель теплой грозы. Это усложнение в первую очередь вызвано весьма большим числом механизмов электризации, в том числе и индукционных, которые могут действовать в таких облаках. Необходимо ожидать значительно большую грозовую активность в смешанных облаках как из-за большей вертикальной протяженности, так и вследствие развития в них весьма сильных восходящих токов. Вышеупомянутое может привести к заметному разнообразию в структуре и электрической активности отдельных гроз. В результате этого чрезвычайно усложняются условия построения общей модели грозы.
Одно из первых заслуживающих упоминания предложений по воздействию на грозовое электричество принадлежит Воркмену и Рейнольдсу [584]. Исходя из своей теории грозового электричества, согласно которой электрические заряды образуются при частичном замерзании дождевых капель, представляющих собой слабые растворы солей, на поверхности градин, они предложили изменять концентрацию солей в дождевой воде. Так как величина и знак зарядов сильно зависят от концентрации и состава солей, Воркмен и Рейнольдс считают вполне достаточным сбрасывать в кучево-дождевое облако 250 кг солей аммония, которые настолько изменят электризацию, что разделение зарядов не сможет обеспечить образование электрического поля, необходимого для разрядов. В дальнейшем Воркмен [582] уточнил эти расчеты и указал на то, что наиболее убедительным результатом воздействия явилось бы изменение характеристик грозового облака, а не уменьшение грозовой деятельности.