Глава 2 Структура и механизм электризации грозового облака
Электрическая структура грозового облака
Распределение и движение электрических зарядов внутри и вокруг грозового облака является сложным непрерывно меняющимся процессом. Тем не менее, можно представить обобщенную картину распределения электрических зарядов на стадии зрелости облака. Доминирует положительная дипольная структура, в которой положительный заряд находится в верхней части облака, а отрицательный заряд находится под ним внутри облака. В основании облака и под ним наблюдается нижний положительный заряд. Атмосферные ионы, двигаясь под действием электрического поля, формируют на границах облака экранирующие слои, маскирующие электрическую структуру облака от внешнего наблюдателя. Измерения показывают, что в различных географических условиях основной отрицательный заряд грозового облака расположен на высотах с температурой окружающего воздуха от 5 до 17 °C. Чем больше скорость восходящего потока в облаке, тем на большей высоте находится центр отрицательного заряда. Плотность объемного заряда лежит в диапазоне 1-10 Кл/км. Существует заметная доля гроз с инверсной структурой зарядов: — отрицательным зарядом в верхней части облака и положительным зарядом во внутренней части облака, а также со сложной структурой с четырьмя и более зонами объемных зарядов разной полярности.
Для получения надежных данных о размерах облачных зон, занимаемых одноименно заряженными частицами в конвективных грозовых облаках, выполнены прямые измерения электрической структуры облаков с помощью измерительных зондов. Эти работы начаты сравнительно недавно и позволяют измерять напряженности электрического поля в различных частях и привязать его к микро- и макро- физическим характеристикам исследуемого облака.
|
|
|
По даннымисследованийконвективные облака содержат два основных заряда. Вверху, как правило(75% случаев), расположен положительный заряд, занимающий всю верхнюю часть облака, внизу – отрицательный. Плотность среднего объемного заряда в этих областях невелика, в 50% случаев она составляет 3·10-12…6·10-11 Кл/м 3. Напряженность электрического поля в таких облаках может достигать значения нескольких тысяч вольт на метр. Исследованиями показано, что на фоне относительно малых объемных зарядов в облаке хаотически расположены отрицательные и положительные объемные заряды большой плотности. В 75% случаев эти заряды не превышали 6·10-11 Кл/м 3. В среднем зоны экстремальных зарядов имеют размеры от десятков до сотен метров. Наиболее вероятный размер зон неоднородностей около 150 м, в кучево-дождевых облаках он может достигать 400-600 м. Напряженность поля в этих зонах в 50% случаев превосходит 1000 В/м, в 25% случаев превышает 10000 В/м. По данным экстраполяции, в 0,1 % случаев напряженность может доходить до 20000 В/м. Скорость накопления объемных зарядов достигает 3·10-15…3·10-13 Кл/м 3 с. Основное отличие электрической структуры кучево-дождевых облаков от грозовых состоит в появлении третьей положительно заряженной области в нижней части облака, связанной с зоной выпадения осадков[9, с.32]. Кроме того, основные заряды в кучево- дождевых облаках значительно больше, чем вбезосадочных облаках, и их структура может заметно меняться в процессе развития. По данным самолетных измерений, напряженности электрического поля атмосферы под грозовыми облаками в процессе их развития электрическая структура претерпевает значительные изменения. Наблюдалось много случаев, когда на первой стадии – станции развития облака – градиенты потенциала над вершиной облака были положительными и лишь впоследствии происходил переход к отрицательным градиентам.
|
|
|
Выполнены обширные исследования электрической структуры слоистых облаков. Большинство данных о величине напряженности электрического поля в облаках слоистых форм получено во время вертикальных зондирований атмосферы. К настоящему времени эти данные достаточно полно обобщеныи показано, что с увеличением вертикальной протяженности слоистых облаков возрастают значения напряженности полей.
|
|
|
Осадки играют важную роль в возникновении и разделении электрических зарядов: молниевые разряды часто сопровождаются сильными ливнями, состоящими из маленьких крупинок града и капель воды. По наблюдениям Кютнера, твердые элементы в осадках из грозовых облаков присутствовали в 93% случаев. Тумей обнаружил довольно значительное, преимущественно положительное, заряжение капель в теплых облаках и преимущественно отрицательное заряжение капель в облаках, содержащих твердую фазу. Он объяснил такое явление возникновением отрицательных зарядов на растущих ледяных частицах при соударении с переохлажденными каплями. По результатам самолетных измерений Ганн установил связь между размерами капель грозовых дождей и значением их электрических зарядов. Имеющиеся в литературе значения зарядов облачных частиц и гидрометеоров значительно расходятся, что обусловлено особенностями и условиями измерения, и это затрудняет их анализ.
Так, в двух полетах в грозовых облаках Мак-Криди и Прауд-Фит наблюдали весьма большие положительные заряды до +1,5⋅10-9 Кл на уровне изотермы - 8,8°С, связанные с градом небольшого размера. На уровне изотермы +9 °С, когда отмечалось интенсивное таяние градин, положительный знак зарядов сменялся отрицательным и находился в пределах от -0,3⋅10-10 до -5⋅10-10 Кл. Эти измерения показывают, что градины могут служить источником разделения значительных зарядов.
|
|
|
Механизм электризации
Для объяснения формирования электрической структуры грозового облака предлагалось много механизмов, и до сих пор эта область науки является областью активных исследований. Основная гипотеза основана на том, что если более крупные и тяжелые облачные частицы заряжаются преимущественно отрицательно, а более легкие мелкие частицы несут положительный заряд, то пространственное разделение объемных зарядов возникает за счет того, что крупные частицы падают с большей скоростью, чем мелкие облачные компоненты. Этот механизм, в целом, согласуется с лабораторными экспериментами, которые показывают сильную передачу заряда при взаимодействии частиц ледяной крупы (крупа — пористые частицы из замерзших водяных капелек) или града с ледяными кристаллами в присутствии переохлажденных водяных капель. Знак и величина передаваемого при контактах заряда зависят от температуры окружающего воздуха и водности облака, но также и от размеров ледяных кристаллов, скорости столкновения и других факторов. Возможно также действие и других механизмов электризации. Когда величина накопившегося в облаке объемного электрического заряда становится достаточно большой, между областями заряженными противоположным знаком происходит молниевый разряд. Разряд может произойти также между облаком и землей, облаком и нейтральной атмосферой, облаком и ионосферой [12, с.126]. В типичной грозе от двух третей до 100 процентов разрядов приходятся на внутри облачные разряды, меж облачные разряды или разряды облако-воздух.Оставшаясячастьэторазряды облако-земля.
В последние годы стало понятно, что молния может быть искусственно инициирована в облаке, которое в обычных условиях не переходит в грозовую стадию. В облаках, имеющих зоны электризации и создающих электрические поля, молнии могут быть инициированы горами, высотными сооружениями, самолетами или ракетамиоказавшимися в зоне сильных электрических полей.
В формировании электрической структуры грозовых облаков и в возникновении и развитии молниевых разрядов в них существенную роль играют процессы электризации гидрометеоров при замерзании облачной воды. При направленной кристаллизации воды в зависимости от концентрации примесей возникает межфазная разность потенциалов, достигающая сотен вольт. При замерзании 1 г воды образуется заряд довольно большой величины от 1 до 10 нКл. Для льда наибольшая вероятность появления зарядов связана с селективным захватом ионов в процессе отвердения. Захваченный заряд не рассеивается мгновенно вследствие существования времени релаксации, зависящего от удельного сопротивления и других параметров твердой фазы. При таянии льда, из-за малости времени релаксации освобождение зарядов, которое должно было бы привести к появлению электрического тока, не наблюдается. Явление возникновения разности потенциалов между расплавом и твердой фазой получило название эффекта Рибейро-Воркмана-Рейнольдса (1948-1950 гг.).
Основная трудность исследования данного явления состоит в том, что оно обнаруживается при достаточно малых концентрациях инородных веществ в воде, и поэтому необычайно чувствительно к присутствию случайных примесей и растворенных газов [10, с.42].Результатыанализа ряда исследований свидетельствуют, что большие разности потенциалов, при кристаллизации чистой воды и растворов щелочей и кислот можно отнести за счет неконтролируемых примесей аммиака и окиси углерода.
Максимальная величина разности потенциалов зависит от следующих факторов: концентрации примесей в воде, показателя рН, электропроводности раствора, скорости кристаллизации. Эти факторы также определяют полный разделенный заряд, т.е. то количество электричества, которое протекает через внешнее сопротивление в течение процесса кристаллизации.
Дата добавления: 2018-04-15; просмотров: 1654; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!