Meteoweb.ru
     Интернет-журнал
 
главная страница
о проекте
обратная связь
текущая погода
солнечный монитор
 
прогнозы погоды на 5 - 30 сут.
метеостанции проекта
фотодневник погоды
карты погоды
астрономические наблюдения

Сегодня:
26.06.2017 

 3 мая
 11 мая
 19 мая
 25 мая
 Весеннее равноденствие
 20.03, 04:30 UTC
 Летнее солнцестояние
 20.06, 22:34 UTC
 Осеннее равноденствие
 22.09, 14:21 UTC
 Зимнее солнцестояние
 21.12, 10:44 UTC
 

Электризация конвективных облаков и формирование грозовых разрядов

Автор: Николай Веремей

Введение

Изучение механизмов формирования гроз является важной задачей как с фундаментальной, так и с прикладной точки зрения.
Грозы являются важной составляющей глобальной электрической цепи, объединяющей атмосферу и Землю. Электростатические силы существенно влияют на эволюцию динамических и микрофизических характеристик облаков и осадков, и, как следствие, на перенос тепла и влаги в атмосфере. Изучение гроз поможет составить полную картину целого ряда процессов, происходящих в атмосфере.
Известно, что грозы оказывают существенное влияние на жизнь, здоровье и хозяйственную деятельность человека, причем, как правило, негативное. Поражение людей, хозяйственных объектов и летательных аппаратов молниями, помехи радиосвязи, перебои в электроснабжении - вот далеко не полный перечень негативных факторов, связанных с грозовыми разрядами. Обеспечение эффективной грозозащиты, в том числе путем активных воздействий на облака и осадки, возможно только при знании физических механизмов, ответственных за формирование гроз.
К настоящему времени окончательная физическая картина формирования молниевых разрядов в конвективных облаках до сих пор еще не составлена. Изложим основные представления, существующие на сегодняшний день.

1. Электрический пробой воздуха

Начнем изложение, как ни странно, с конца. Допустим, в атмосфере в силу каких-то причин, о которых поговорим позже, сформировалось достаточно мощное кучево-дождевое облако. В самом облаке, между ним и Землей, а также между ним и другими облаками непрерывно увеличивается электрическое поле (откуда оно берется, тоже потом обсудим). Зададимся вопросом: доколе оно будет расти?
Бесконечно? Ни в коем случае.
Воздух, как и любое другое вещество, состоит из электрических зарядов. Они могут быть взаимно скомпенсированными и при этом образовывать большие электрически нейтральные объемы, ничем себя внешне не проявляя. Однако они существуют. Молекулы и атомы, из которых состоит воздух, до поры, до времени удерживают свои электроны за счет внутренних сил. Но именно до поры, до времени.
В один прекрасный момент напряженность электрического поля в какой-то области пространства достигает некоторого критического значения. Это значение не постоянно, зависит от многих факторов (в том числе и от состава воздуха) и, по данным натурных исследований, варьируется в пределах 105 - 106 В/м. С этого момента в данной области начинают происходить весьма интересные процессы.
В воздухе всегда присутствуют в небольшом количестве свободные электроны. Под действием электрического поля они начинают разгоняться, приобретают значительные скорости и, сталкиваясь с атомами воздуха, ионизируют их, <вышибая> оттуда новые электроны. Те, в свою очередь, также становятся свободными, разгоняются и выбивают электроны из других атомов. Процесс становится лавинообразным. Область пространства, охваченная этим процессом, увеличивается в длину с огромной скоростью (порядка 100 км/с) и за доли секунды достигает того места, в которое собирается ударить будущая молния. В большинстве случаев, это - Земля, но часто бывает другое облако или даже другая часть одного и того же облака.
В результате в воздухе образуется проводящий канал, который называется лидер.
Это - еще не молния. Это - только, так сказать, вступление к ней.
Что мы в итоге имеем? Огромное электрическое поле (образно говоря, батарейка) и проводящий канал (образно говоря, кусочек проволоки). Что мы получим в результате? Правильно. Электрический ток.
Как и любой уважающий себя проводник, заряженный воздух, из которого состоит лидер, при прохождении электрического тока разогревается. Сила тока весьма достопочтенная (порядка 104 - 105 Ампер). Поэтому нагрев происходит тоже существенный (порядка 103 - 104 K). Проводящий канал, нагреваясь, начинает ярко светиться. Таким образом, очевидец наблюдает молнию.
Молния обычно имеет форму разветвленной ломаной или кривой линии. Это является следствием того, что лидер распространяется не по прямой и не сразу. Лавинообразный процесс ионизации периодически затухает и возобновляется вновь. При этом направление распространения лидера изменяется, часто происходит ветвление. Он как бы <выбирает>, где присутствует наибольшее количество свободных зарядов, и распространяется именно туда - по пути наименьшего сопротивления. В дальнейшем всю эту траекторию с большой точностью повторяет молния. Все эти архисложные процессы занимают ничтожные доли секунды.
Нагрев при вспышке происходит очень быстро (длительность всего молниевого разряда обычно составляет порядка 10-1 - 100 с). А нагретый воздух, по законам физики, имеет свойство расширяться. Необычайно быстрое расширение воздуха представляет собой взрыв, что сопровождается звуковыми эффектами. Эти звуки хорошо известны каждому и в быту получили название гром. При охлаждении воздуха по окончании разряда наблюдается столь же быстрое и громкое сжатие. Звук, распространяясь в окружающем пространстве, многократно отражается от Земли, облаков, местных предметов и др. Поэтому наблюдатель обычно слышит раскаты грома, представляющие собой многократное, пришедшее с разных сторон эхо.
Образование лидера и следующий за ним молниевый разряд, обычно, повторяются многократно. Это тоже сказывается как на световых эффектах (мерцающая молния), так и на звуковых (неравномерный звук грома).
После разряда происходит полная или частичная нейтрализация электрических зарядов (о них поговорим ниже) в облаке и его окрестностях (в том числе, на Земле). Напряженность электрического поля скачкообразно уменьшается на 1 - 4 порядка. Обычно, к этому времени облако еще живет полной жизнью, генерация зарядов и усиление электрического поля возобновляются, и через некоторое время молниевый разряд повторяется вновь. Количество и частота разрядов зависят от конкретной ситуации и варьируются на порядки: от десятков молний в секунду до одной-двух за всю грозу.

Следует отметить, что нейтрализация зарядов приводит к резкому уменьшению напряженности электрического поля в некоторой области пространства. Поля, создаваемые разными группами зарядов (разными облаками, разными частями одного облака), подчиняются принципу суперпозиции (грубо говоря, накладываются друг на друга). Поэтому разряд приводит к столь же резкому изменению суммарной напряженности электрического поля в соседних областях. Каким будет это изменение, зависит от расположения зарядов. Ведь напряженность - величина векторная, характеризуется не только величиной, но и направлением. Может произойти и так, что рассматриваемое нами поле до разряда уравновешивало, нейтрализовывало поля других заряженных областей. После разряда ситуация резко изменится, равновесие исчезнет, и уже в соседних облаках значение напряженности может <зашкалить> за критическое. В результате там могут произойти новые, вторичные, молниевые разряды.

2. Заряды и электростатическое поле в атмосфере

Теперь поговорим о том, как появляется электрическое поле, приводящее к молниевому разряду.
Что есть поле? Как гласит классическое определение, это - особый вид материи, отличный от вещества. В глубинную сущность понятий поля и вещества мы вдаваться не будем, эти вопросы рассматриваются далеко за рамками классической физики. Упомянем лишь, что поле создается каждым электрическим зарядом и действует на другие заряды с некоторой силой. Формулы мы для простоты опустим.
Электрическое поле характеризуется напряженностью, измеряемой в Вольтах на метр или, что то же самое, в Кулонах на квадратный метр (кто ненавидит систему единиц СИ, к тем проявим веротерпимость, но от своей веры не отступим). Напряженность электрического поля численно равна силе, с которой заряд (-ы), создающий (-е) поле, действует (-ют) на единичный заряд. Данная величина является векторной, имеет не только величину, но и направление. Заряды разных знаков, при прочих равных условиях, генерируют противоположно направленные поля. Причем, поля, создаваемые разными зарядами (любыми), накладываются друг на друга (по принципу векторной суммы). Это особенно важно.
Теперь вернемся к атмосфере. Временно забудем про грозу. Давайте посмотрим, что там творится при хорошей безоблачной погоде.
Если взять все электрические заряды, присутствующие в воздухе, получится астрономическая цифра. Но они себя никаким образом не проявляют. Почему? Большинство частиц, из которых состоит воздух, содержит равное число положительных и отрицательных зарядов и потому электрически нейтрально. Под частицами здесь подразумеваются атомы, молекулы, кластеры молекул и аэрозольные частицы всех мастей и калибров. Носители нескомпенсированных электрических зарядов (свободные электроны, положительные и отрицательные ионы, заряженные аэрозольные частицы), конечно же, тоже присутствуют в изобилии. Сказывается ионизирующее действие космических лучей и радиоактивных элементов, содержащихся в земной коре и в самом воздухе. Но эти носители, будучи заряжены разноименно, хаотически перемешаны между собой. И электрические поля, создаваемые ими, почти полностью взаимно компенсируют друг друга. Как лебедь, рак и щука из известной басни.
Если взять произвольный макроскопический объем воздуха (хотя бы несколько м3), его удельный заряд будет чисто символическим (обычно порядка 10-13 - 10-12 Кл/м3). Конечно, от места к месту электрические параметры атмосферы могут изменяться на порядки, но <экзотические> места (промышленные предприятия, электростанции, ЛЭП, железные дороги, месторождения урана и др.) здесь не рассматриваются. Речь идет об атмосфере над среднестатистическим ландшафтом.
Напряженность электрического поля в такой среднестатистической атмосфере при хорошей погоде составляет порядка 101 - 102 В/м. Это ничтожно мало (напомним, в грозовых облаках при разряде это значение составляет 105 - 106 В/м). Напряженность не обращается вовсе в ноль по двум причинам. Во-первых, концентрация отрицательных и положительных зарядов немножко по-разному меняется с высотой, из-за чего и возникает незначительное их разделение. Во-вторых, свою лепту вносят заряды, содержащиеся в земной коре.
Для того, чтобы сгенерировать сколько-нибудь серьезные электрические поля в пространственном масштабе порядка 102 - 103 м, необходимо: 1) создать достаточное количество нескомпенсированных электрических зарядов разных знаков; и 2) разделить их в пространстве. Вспомним принцип наложения полей. Если нам удастся разделить разноименные заряды, то положительные будут направлять поле от себя (такой выбор направления является условно-общепринятым), а отрицательные, наоборот, к себе, тем самым еще более его усиливая (рис. 1).

Рис.1

Каким же способом осуществить разделение зарядов? Давайте рассуждать логически.
Чтобы построить такую зарядовую структуру и сделать ее относительно устойчивой, необходимо приложить две противоположно направленные силы. Каждая из них будет ответственна, в основном, за перенос зарядов одного знака. Обе силы должны существовать стабильно в течение некоторого промежутка времени (скажем, от нескольких минут до нескольких часов).
Одну из них мы находим сразу. Самой стабильной и самой большой силой на Земле, как показывает повседневный опыт, является сила земного тяготения. Она действует вечно и практически не меняется. Гравитационными аномалиями, конечно же, можно смело пренебречь.
Стало быть, вторую силу, противоположно направленную, следует искать именно в вертикальной плоскости (рис. 1 как раз и изображен по вертикали - это уже подсказка). Это - сила, оказываемая на носители электрических зарядов восходящими воздушными потоками.

3. Вертикальные движения воздуха

Вертикальная составляющая скорости движения воздуха так или иначе присутствует всегда. Взаимодействие и перемещение различных объемов воздуха носит столь сложный характер, что даже интуитивно понятно: одной лишь горизонтальной плоскости явно недостаточно. Чаще всего эта составляющая незначительна (порядка 10-2 - 10-1 м/с). Но в некоторых ситуациях она может достигать 100 - 101 м/с. А это уже много.
Причины возникновения таких потоков (нас интересуют, в основном, восходящие) можно разделить на пять основных групп:
1. Естественные температурные неоднородности земной поверхности (неравномерный нагрев Солнцем в дневное время, неравномерное остывание в темное время суток, источники тепла в земной коре, теплые течения и источники в водоемах и др.). Объем воздуха, более теплый по сравнению с окружающей воздушной массой, оказывается более легким и всплывает вверх по закону Архимеда.
2. Вторжение холодного атмосферного фронта в более теплую воздушную массу. При этом холодный воздух, будучи более плотным, вытесняет теплый вверх. Отсюда - восходящий поток.
3. Сходимость (конвергенция) воздушных потоков различного масштаба (в частности, глобальных ячеек циркуляции). При взаимодействии встречных потоков воздух вытесняется вверх.
4. Циркуляция воздуха в тропических циклонах. Механизм формирования и поддержки этой циркуляции пока недостаточно изучен.
5. Источники тепла, возникающие в экстремальных ситуациях как природного (извержения вулканов), так и антропогенного происхождения (пожары, взрывы, выбросы атомных электростанций и др.). Это - практически то же, что в п.1, однако сопровождается целым рядом специфических особенностей.
Возможны комбинации вышеперечисленных факторов (наиболее типично сочетание п.1 и п.2).
Это - что касается возникновения. Раз возникнув, вертикальное движение воздуха может развиться, а может, наоборот, ослабеть и исчезнуть. Факторы, благоприятствующие развитию восходящих потоков, следующие:
А. Резкое падение температуры с высотой. Если поднимающийся объем воздуха остывает медленнее, чем окружающий воздух, он оказывается теплее (а, следовательно, легче) последнего и продолжает всплывать вверх по закону Архимеда.
Б. Значительное содержание водяного пара в воздухе. При охлаждении во время подъема пар с некоторого момента начинает конденсироваться (образуется облако). При этом выделяется скрытая теплота конденсации. В результате поднимающийся объем воздуха дополнительно нагревается, и упомянутый закон Архимеда начинает работать с умноженной силой. При замерзании капель или сублимации водяного пара (если образовавшееся облако пересечет изотерму 0°C) происходит аналогичный эффект.
Фактор, упомянутый в пункте Б, наиболее значимый. Именно благодаря этому самые мощные восходящие потоки всегда связаны с конвективными облаками, но не с сухими конвективными потоками.
Оба этих фактора обусловлены текущими параметрами атмосферы, а именно - распределением температуры и влажности с высотой. Если закономерности этого распределения благоприятны для развития восходящих потоков, говорят, что атмосфера конвективно неустойчива. В противном случае (плавное падение температуры или даже ее увеличение с высотой и (или) низкая влажность) атмосфера конвективно устойчива. Наибольшая неустойчивость обычно наблюдается в нижнем, приземном слое атмосферы. С высотой наблюдается тенденция к увеличению устойчивости. Именно поэтому рост конвективных облаков, неразрывно связанных с восходящими потоками, всегда в той или иной степени ограничен по высоте.
Следует отметить, что в некоторых случаях восходящие потоки (а зачастую, как следствие, и облака) развиваются при любых параметрах атмосферы. Например, при наступлении холодного фронта. Это обусловлено тем, что воздух в этом случае постоянно подвергается воздействию внешней силы, направленной вверх. Для возникновения таких потоков благоприятные местные условия не обязательны. Однако в любой ситуации строение атмосферы играет важную роль.
Говоря о вертикальных воздушных движениях, я умышленно склонял разговор именно к конвективным облакам и старался избегать упоминаний о сухих конвективных потоках. С точки зрения образования грозы последние совершенно бесполезны. Они способны лишь перегонять туда-сюда атмосферные ионы, слегка искажая фоновую электрическую структуру атмосферы. Но не более того. Мы договорились: каждая из двух сил должна доминировать над зарядами какого-либо одного знака. Носители зарядов, взвешенные в безоблачной атмосфере, одинаково, независимо от знака, увлекаются (практически полностью) восходящими потоками. И опять-таки, одинаково притягиваются (очень слабенько) Землей. Они все одинаково маленькие и легкие.
Совсем по-другому будет выглядеть картина, если носители заряда какого-то одного знака как следует утяжелить - так, чтобы земное притяжение на них действовало гораздо сильнее, чем восходящий поток. Тогда эти носители будут стремиться вниз, унося с собою заряд одного знака, а заряды противоположного знака будут вместе с легкими частичками переноситься восходящими потоками вверх. Вот тогда-то мы и получим картину, схематически изображенную на рис. 1, и сгенерируем электрическое поле, достаточное для грозового разряда.
Так вот: в роли упомянутых тяжелых носителей выступают атмосферные осадки - всем известные дождевые капельки, градины и снежинки. А осадки образуются исключительно в облаках, в результате укрупнения облачных капелек и кристалликов.
Таким образом, мы окончательно сформулировали, что нам надо от жизни: осадкообразующее облако, содержащее восходящий поток воздуха. Такое облако называется кучево-дождевым и относится к классу конвективных. В быту оно именуется дилетантским термином <туча> - произносить это слово в кругу метеорологов не рекомендуется.

4. Динамика конвективных облаков и осадкообразование

Поговорим подробнее о динамике облачной конвекции, пока не касаясь электричества.
По степени развития конвективные облака можно подразделить на четыре категории.
1. Плоские кучевые (Cu hum), они же - кучевые облака хорошей погоды. Внешне выглядят в виде белых клочьев, разбросанных по небу.
2. Средние кучевые (Cu med). По внешнему виду представляют собой нечто среднее между Cu hum и Cu cong.
3. Мощные кучевые (Cu cong). Выглядят в виде башен или гор с клубящимися вершинами.
4. Кучево-дождевые (Cb). Представляют собой огромные облачные массы, сильно развитые по вертикали, с вершиной либо в виде гладкого купола, либо в виде более-менее плоской поверхности, либо в виде бесформенной волокнистой структуры, напоминающей перистые облака. С Cb обычно бывают связаны наиболее интенсивные осадки и подавляющее большинство опасных атмосферных явлений (грозы, шквалы, грозы, смерчи).
Четкие количественные различия между разновидностями конвективных облаков не определены до сих пор (хотя, говорят, существует ГОСТ, на который, впрочем, всем начхать). Характерные значения вертикальной мощности: для Cu hum - менее 1 км, для Cu med - 1 - 2 км; для Cu cong - 2 - 4 км; для Cb - свыше 4 км (рекордные значения, наблюдаемые в тропических широтах, зашкаливают за 20 км). Эти критерии, еще раз повторюсь, довольно условны. Для выявления Cb существует еще и качественный признак: наличие осадков, выпадающих из облака (пусть даже не достигающих Земли). Конвективное облако с такими осадками в любом случае считается Cb.
Конвективные облака, помимо формы, различаются еще и по структуре конвективных движений. Cu hum, обычно, порождаются беспорядочными всплывающими объемами воздуха (термиками) в виде пузырей. Эти объемы <обтекаются> встречным воздухом и, помимо этого, никаких <ответных> движений не создают. Иное дело, когда всплывающий термик приобретает форму не пузыря, а непрерывной струи. При этом в местах, откуда поднялся воздух, образуется разрежение. Оно заполняется воздухом с боков. Вверху, наоборот, избыток воздуха стремится распространиться в стороны. На некотором расстоянии воздушное движение замыкается. Такая система называется конвективной ячейкой. Упорядоченная структура воздушных потоков, состоящая из одной или нескольких ячеек, характерна для Cu cong и Cb. В зависимости от этого облако называется одноячейковым или мультиячейковым.
Любое конвективное облако изначально возникает как Cu hum. В дальнейшем оно может развиться до Cu med, затем - до Cu cong или даже Cb. Но каким бы ни был быстрым этот процесс (хотя обычно он занимает десятки минут), он непрерывен и строго последователен. Например, перескочить непосредственно из Cu hum в Cb (из рядовых в генералы) облаку никогда не удастся. Сначала оно пройдет через стадии Cu med и Cu cong. Причем, на любой из этих стадий развитие может закончиться. В отдельных случаях облако может временно уменьшаться в размерах (вертикальная мощность иногда испытывает колебания), или сливаться с другими облаками.
Cb (если таковое, все-таки, образовалось) существует от нескольких десятков минут до нескольких часов. После этого оно распадается и либо полностью исчезает, либо его остатки превращаются в неконвективные облака (чаще всего, слоисто-кучевые, высоко-кучевые, а в верхней части - в перистые).
Основными факторами, способствующими рост конвективных облаков, как уже говорилось, являются резкое падение температуры с высотой в фоновой атмосфере, а также выделение тепла при фазовых переходах влаги (конденсация, замерзание, сублимация), для чего необходимо достаточно большое содержание водяного пара в воздухе. Сдерживающим фактором является наличие в атмосфере слоев, в которых температура слабо падает с высотой, вплоть до изотермии (температура с высотой не меняется) или инверсии (потепление с высотой). К факторам, способствующим разрушению уже образовавшихся облаков, относятся давление взвешенных капель и кристаллов на воздушную среду (сила, действующая вниз и способная вызвать нисходящий поток) и фазовые переходы, при которых происходит поглощение тепла и охлаждение воздуха (испарение воды и льда, таяние льда). Такие переходы, обычно, наблюдаются в подоблачном слое, когда туда выпадают осадки.
Таким образом, облако, доросшее до стадии Cb, сразу же само себе подписывает смертный приговор. Осадки, образующиеся при укрупнении капель и (или) кристаллов, являются причиной нисходящих потоков, которые разрушительны для Cb в силу его динамической неустойчивости. Как показывают исследования, нисходящие потоки в нижней его части и в подоблачном слое вызывают особенно сильный эффект - из-под облака, образно говоря, выбивается фундамент.
Впрочем, встречаются среди Cb и долгожители. Иногда при сдвиге ветра облако деформируется, и выпадение осадков происходит чуть в стороне от восходящего потока. Тогда осадки, напротив, будут не разрушать Cb, а поддерживать - ведь нисходящий поток сбоку от облака в любом случае существует и является неотъемлемой частью конвективной ячейки. Если ячейку уподобить колесу, получается, что осадки в такой ситуации, как бы, это колесо раскручивают. В результате облако (оно в таких случаях именуется суперячейковым) продолжает существовать в течение многих часов. За это время оно разрастается и по вертикали, и по горизонтали до чудовищных размеров (иногда до 50 и 20 километров соответственно) и порождает исключительные по своей силе грозы, ливни, градобития и шквалы, а иногда и смерчи.
Остается поговорить о механизмах, вызывающих образование и рост осадков в облаке. Первоначально в нем существуют только мелкие облачные капельки, образующиеся и растущие за счет конденсации водяного пара. В дальнейшем, укрупняясь, капельки начинают сталкиваться между собой и сливаться (этот процесс называется коагуляцией). Этому способствует рост разности скоростей падения разных капель и, как следствие, увеличение относительной скорости их движения.
Когда верхняя граница облака пересекает изотерму 0°C, капли становятся переохлажденными и при определенных условиях могут начать замерзать. Чем выше вершина облака и, соответственно, ниже температура воздуха, тем вероятнее замерзание. Образовавшиеся при этом ледяные частицы играют колоссальную роль в осадкообразовании, так как они хорошо растут при намерзании воды и сублимации пара на их поверхности. Жидкие капли не могут расти столь интенсивно, так как они имеют сравнительно низкую механическую устойчивость и потому часто дробятся и разбрызгиваются. Кроме того, происходит перегонка водяного пара с капель на ледяные частицы. Это связано с разницей насыщающего значения концентрации водяного пара над поверхностями льда и воды (для льда это значение ниже).
Достаточно укрупнившись, осадки начинают падать вниз. Первоначально этому препятствуют восходящие потоки, но только до поры. В случаях, когда частицы льда растут достаточно интенсивно, они не успевают растаять по пути к земной поверхности и выпадают в виде града. В противном случае они тают полностью и превращаются в дождевые капли. Последние образуются не только в результате таяния, но и непосредственно (осадки способны образовываться и в облаках, не содержащих льда, хотя в этих случаях осадкообразование протекает не столь интенсивно).
В заключение следует отметить, что динамические и микрофизические процессы, происходящие в конвективном облаке, а также взаимосвязи между этими процессами столь сложны, что качественные объяснения, приведенные выше, способны дать лишь общую картину. Более детальное теоретическое исследование облако- и осадкообразования применительно к конкретным ситуациям проводится только с помощью численных моделей.

5. Генерация и разделение зарядов в конвективном облаке

Теперь нам осталось рассмотреть всего два вопроса:
1. Каким образом в конвективном облаке образуются нескомпенсированные объемные заряды?
2. Как получается, что тяжелые осадки заряжаются одним знаком, а легкие облачные капли (кристаллы) и другие носители, взвешенные в воздухе - противоположным?
Вот здесь-то и лежит бесконечное поле деятельности для целого ряда специалистов. Сколько диссертаций было защищено в этой области, сколько книг и статей написано, сколько жарких дискуссий произошло на конференциях, и сколько всего этого еще предстоит в будущем - даже не берусь сказать.
Дело в том, что механизмов разделения зарядов настолько много, и каждый из них зависит от столь большого числа факторов, что построить универсальную теорию формирования зарядовой структуры конвективного облака (на все случаи жизни) пока не представляется возможным.
Однако диссертации защищались не впустую. Выявлен ряд общих закономерностей, имеющих место для большинства конвективных облаков. Механизмы генерации и разделения зарядов в целом перечислены и классифицированы.
Вклад того или иного механизма в конкретной ситуации - вопрос совсем другой. Для того, чтобы количественно оценить роль каждого процесса в каждом конкретном случае, с учетом всех обратных связей, необходимо использование полных численных моделей. Численное моделирование конвективных облаков, в том числе и их электризации, ведется уже в течение нескольких десятилетий. Однако составление полной модели, учитывающей все многообразие электрических процессов, пока еще не создано. Хотя работы в этом направлении ведутся как в России, так и за рубежом.
Таким образом, качественные рассуждения, приведенные ниже, дают лишь самую общую картину.

5.1. Наблюдаемые факты

Итак, расскажем, что на сегодняшний день известно в данной области. Начнем с наблюдаемых фактов, выявленных в результате натурных наблюдений и измерений.
1. Зарядовая структура грозового облака обычно проходит три стадии. Сначала, когда облако находится на стадии Cu hum - Cu med, оно, обычно, целиком заряжено положительно. При этом закон сохранения заряда никоим образом не нарушается. Заряды противоположного знака оказываются в окружающей атмосфере. Когда облако дорастает до стадии Cu cong, оно, как правило, приобретает двухполюсную структуру: вверху накапливается положительный заряд, внизу - отрицательный. Эта структура сохраняется и тогда, когда облако переходит в Cb. В дальнейшем, когда начинается интенсивное выпадение осадков, и близится распад Cb, в нижней части облака обычно формируется небольшая область положительного заряда. Таким образом, возникает трехполюсная зарядовая структура, которая считается классической (рис. 2). С распадом облака упорядоченная система зарядов <размывается>.

Рис.2

2. Грозы в подавляющем большинстве случаев наблюдаются в тех облаках, в которых влага присутствует сразу в трех агрегатных состояниях: пар, вода и лед. В так называемых теплых конвективных облаках, состоящих только из пара и воды, грозы редки, а по утверждению ряда специалистов, и вовсе невозможны. Аналогично весьма редки и грозы в чисто ледяных облаках, не содержащих водяных капель.
3. Выпадение града практически всегда сопровождается грозой. Обратное неверно - грозы бывают без града.

5.2. Классификация механизмов генерации и перераспределения электрического заряда в конвективном облаке

Теперь перечислим основные механизмы генерации нескомпенсированных электрических зарядов и их перераспределения между атмосферными ионами, жидкими каплями и ледяными частицами.
1. Захват ионов каплями и ледяными частицами. В воздухе всегда присутствуют ионы обоих знаков, причем, ионообразование происходит непрерывно. Эти ионы захватываются частицами, составляющими облако. Сразу скажу, что речь здесь идет, в первую очередь, о каплях. Ионные механизмы играют существенную роль на ранней стадии эволюции облака, когда оно приобретает формы от Cu hum до Cu cong. В это время ледяные частицы в нем еще не успевают образоваться, так как облако полностью располагается ниже области отрицательных температур.
Заметим важную деталь: капли находятся во внешнем электрическом поле. Оно пока еще невелико и близко к фоновому (102 - 103 В/м), но все равно способно искажать электрическую структуру капель, которые, даже будучи электрически нейтральными, поляризуются (рис. 3). Молекулы воды, представляющие собой диполи, обращаются положительным полюсом в направлении поля (вниз) и отрицательным в противоположном направлении.

Рис.3

Капли, постепенно укрупняясь, перестают полностью увлекаться восходящим потоком и приобретают собственную скорость, направленную вниз. Для мелких облачных капель, характерный диаметр которых не превышает десятки микрон, эта скорость составляет порядка 10-2 - 10-1 м/сек, для осадков, которые уже начинают формироваться, она в несколько раз выше. О выпадении осадков из облака пока речи не идет (это еще не Cb). Ионы представляют собой частицы гораздо меньшего размера (обычно, это - отдельные молекулы или кластеры из нескольких молекул), и потому несутся вместе с восходящим потоком навстречу падающим каплям.
Нижняя часть капель заряжена положительно, поэтому она охотнее захватывает из встречного потока отрицательные ионы, чем положительные. Верхняя же часть, по законам электростатики, стремится захватывать ионы противоположного знака. Но здесь вступает в силу аэродинамика. Выхватить ионы из потока, обтекающего падающую каплю вверху, уже гораздо труднее, чем из встречного потока. В результате возникает асимметрия. Описанное явление называется селективный захват ионов. Крупные капли заряжаются отрицательно и постепенно оседают вниз, а оставшийся по закону сохранения положительный заряд движется с восходящим потоком в вершину облака. Именно так и образуется двухполюсная структура с положительным зарядом вверху.
Ионные механизмы электризации играют определяющую роль в формировании зарядовой структуры конвективного облака приблизительно до стадии Cu cong.
Процессы захвата ионов каплями четко описаны математически (что, к сожалению, нельзя сказать о других механизмах - см. ниже). Таким образом, ранняя стадия электризации конвективного облака достаточно хорошо изучена.

По мнению ряда авторов, эти же механизмы играют роль не только на ранних стадиях, но и на протяжении всей эволюции облака. Запас ионов в воздухе, который быстро исчерпывается, пополняется в результате локальных коронных разрядов, возникающих вблизи поверхности капель и кристаллов при полях порядка 103 - 104 В/м. Однако эта гипотеза не проверена.

2. Суммирование зарядов капель и (или) ледяных частиц при их слиянии. Этот механизм довольно прост. Все частицы, присутствующие в облаке, движутся с разными скоростями и сталкиваются друг с другом. При столкновении может произойти упругий отскок (об этом поговорим отдельно), перераспределение влаги между сталкивающимися частицами или, чаще всего, полное их слияние (коагуляция). Поскольку электрический заряд - величина аддитивная, то образующаяся при коагуляции частица приобретает заряд, равный сумме зарядов слившихся частиц (со своим знаком!). Таким образом, если эти заряды окажутся разноименными, они нейтрализуются, и коагуляция будет сдерживать разделение зарядов и рост электрического поля.
Данный механизм играет наибольшую роль при столкновении переохлажденной капли и ледяной частицы в области низких температур. Их слияние наиболее вероятно и почти неизбежно сопровождается замерзанием капли. Наименее эффективно коагуляция происходит при столкновении двух ледяных частиц - в этом случае, как правило, происходит упругий отскок.
Коагуляционный механизм тоже достаточно четко описывается математически, если известны функции распределения частиц, присутствующих в заданном объеме, по размерам и по электрическим зарядам. Скорость перемещения разных частиц, от которой зависит вероятность столкновения, с достаточно большой точностью вычисляется на основании их размера и свойств окружающего воздуха. Однако здесь есть две крупных проблемы: 1) вычисление вероятности столкновения частиц, движущихся друг на друга (они могут и разойтись - здесь нужно учитывать аэродинамику) и 2) определение вероятности слияния столкнувшихся частиц (они могут и разлететься). В этом направлении предстоит большой объем новых исследований.
3. Обмен зарядом при столкновении капель (ледяных частиц). Теперь поговорим о случаях, когда сталкивающиеся частицы не сливаются, а либо упруго отскакивают друг от друга, либо частично обмениваются водой (льдом) при столкновении, прежде чем разлететься.
Здесь уже картина гораздо более сложная. Количество и знак заряда, перераспределяемого между сталкивающимися частицами, зависит от огромного количества факторов (исходные заряды частиц, величина и направление внешнего электрического поля, которое их поляризует, температура частиц и окружающего воздуха, форма и размеры частиц, их фазовый состав, наличие примесей других веществ, кроме воды и др.). Причем, попытки вывести какие-то аналитические зависимости оказываются успешными, в лучшем случае, для каких-то узких диапазонов условий.
Наиболее четко описано разделение зарядов между двумя сталкивающимися каплями воды. Их форма близка к сферической, что несколько упрощает дело, хотя формулы изобилуют эмпирическими коэффициентами. Этот процесс начинает играть существенную роль в электризации приблизительно на стадии Cu cong (тоже способствуя формированию двухполюсной структуры), а в дальнейшем работает и на стадии Cb, вплоть до распада облака.
Экспериментально показано, что при столкновении мелкой облачной и крупной дождевой капли первая отскакивает от нижней части последней и уносит часть ее заряда (а он, как явствует из рис. 3, на стадии Cu cong, как правило, положительный; это определяется направлением поля). Таким образом, легкие капельки, гонимые восходящим потоком, получая положительный заряд, уносят его вверх. Дождевые же капли с отрицательным зарядом под действием силы тяжести стремятся вниз. Величина заряда, разделяемого при таком процессе, по оценкам ряда авторов, достаточно высока, чтобы повысить значение напряженности электрического поля до пробойного.
Именно этот механизм, по мнению ряда авторов (которое разделяет и Ваш покорный слуга), объясняет еще и возникновение положительного заряда в нижней части облака (уже на стадии Cb). Ведь именно там, как показывают исследования, вертикальная составляющая электрического поля меняет знак! Это связано с тем, что отрицательный заряд, скапливающийся между низом и центром облака (рис.2), постепенно направляет поле к себе (т.е., вверх, если смотреть снизу). В этой зоне знак заряда, разделяемого при столкновении капель, сразу меняется на противоположный. Легкие капли заряжаются уже отрицательно и поднимаются в среднюю часть облака, усиливая и без того отрицательный заряд. А положительно заряженные осадки как раз и образуют нижний <плюс>, довершая формирование классического трехполюсника.
Аналогичные процессы происходят и при столкновении ледяных частиц между собой. Но здесь еще рано говорить о каких-либо общих закономерностях, хотя исследований проведено более чем достаточно. Одна только систематизация их результатов уже потянула бы на докторскую диссертацию. Но, по всей видимости, решающей роли эти механизмы не играют, так как в полностью ледяных облаках, не содержащих жидкой влаги, грозовые разряды происходят редко. Это подтверждается наблюдениями за зимними грозами, при которых, в большинстве случаев, облако частично попадает в область положительных температур.
Тем не менее, без систематизированных знаний о процессах, связанных с ледяной фазой, картина эволюции гроз явно остается неполной.

Внимательный читатель спросит: почему же тогда в п. 5.1 написано, что и при отсутствии льда в облаке грозы тоже маловероятны? Казалось бы, капли есть, они сталкиваются, заряд разделяется - что еще от жизни надо? Но не стоит забывать, что образование наиболее крупных дождевых капель происходит при таянии именно ледяных частиц, которые способны хорошо расти. Между прочим, и тающие градины с водяной пленкой на поверхности ведут себя почти как дождевые капли, но имеют гораздо больший размер (диаметр градин иногда измеряется в сантиметрах) и гораздо большую скорость падения, что увеличивает число столкновений. Таким образом, образование льда в облаке, по меньшей мере, косвенно способствует электризации.

4. Перераспределение заряда при дроблении капель (ледяных частиц). Механическая устойчивость частиц, составляющих облако, вопрос особо интересный. Явление разбрызгивания капель в воздушном потоке интуитивно понятно, так как неустойчивость капель воды хорошо известна из повседневно-бытового опыта. Вследствие сложных микрофизических процессов при дроблении между фрагментами капли перераспределяется электрический заряд, величина и знак которого зависят от размеров фрагментов. На основании экспериментальных данных показано, что крупные остатки материнской капли, сравнимые с нею по размером и являющиеся дождевыми, приобретают положительный заряд, а мелкие - отрицательный. В старой-престарой литературе авторы пытаются свести к этому механизму весь процесс электризации грозового облака. Гипотеза не выдерживает критики - ведь в результате получается облако с отрицательной вершиной, что противоречит данным наблюдений. Полярность разделения зарядов меняется только при изменении химического состава влаги. Например, при достаточно высокой концентрации растворенных солей, характерной для морской воды. Но в облаках эта концентрация на порядки меньше. Единственное, что представляется разумным, это - частично объяснить электризацией при дроблении формирование нижнего положительного заряда. Именно в нижней области присутствуют наиболее крупные и, следовательно, неустойчивые дождевые капли.
Менее понятно дробление ледяных частиц. Если они представляют собой относительно неустойчивые агрегаты (например, снежинки), то и здесь дробление будет вызываться потоком воздуха. Но разрушение может быть вызвано и внутренними причинами. Иногда при замерзании капель или при их намерзании на уже готовые ледяные частицы происходит выброс мелких ледяных кристалликов. Описание этого процесса весьма сложно и не до конца изучено, но вкратце его можно объяснить тем, что при фазовом переходе не сразу устанавливается механическое равновесие между разными частями образующейся ледяной частицы. Выброшенные кристаллики уносят в верхнюю часть облака положительный заряд, в то время как крупная материнская частица переносит отрицательный заряд вниз. По оценкам ряда авторов, этот механизм достаточно эффективен и играет заметную роль в электризации облака.

Заключение

Итак, на основании изложенного можно сделать следующие основные выводы:
1. Причиной молниевого разряда является возникновение сильного электрического поля, которое, по достижении некоторого критического значения, вызывает лавинообразный процесс ионизации молекул воздуха и образование проводящего канала. Через этот проводящий канал протекает электрический ток, вызывающий нагрев и, как следствие, свечение (молния) и взрывообразные звуковые эффекты (гром).
2. Сильные электрические поля возникают в результате разделения разноименных электрических зарядов в пространстве.
3. Системой, обеспечивающей разделение зарядов, являются осадкообразующие конвективные облака, в которых присутствую восходящие воздушные потоки и тяжелые взвешенные частицы (осадки). Осадки преимущественно заряжаются отрицательно и, оседая, переносят отрицательный заряд вниз, а легкие (атмосферные ионы, облачные капли и кристаллы) заряжаются положительно и вместе со своим зарядом переносятся восходящими потоками вверх. В дальнейшем в нижней части облака разделение заряда меняет знак, и образуется небольшая область положительного заряда внизу. Таким образом, в облаке формируется трехполюсная зарядовая структура <плюс-минус-плюс>.
4. Основные механизмы, ответственные за генерацию и перераспределение нескомпенсированных зарядов, можно подразделить на 4 группы: захват ионов каплями и ледяными частицами; суммирование зарядов капель и (или) ледяных частиц при их коагуляции; обмен зарядом при столкновении капель (ледяных частиц); перераспределение заряда при дроблении капель (ледяных частиц). Все перечисленные процессы сложным образом взаимосвязаны между собой и зависят от многих факторов.
5. Роль каждого механизма в образовании грозы определяется конкретной ситуацией.

Примечание

Как уже упоминалось, процессы формирования гроз являются весьма сложными и не до конца изученными. По ряду вопросов, связанных с этой темой, существует много разнообразных мнений. Автор изложил свое видение проблемы, которое может частично не соответствовать точке зрения его коллег. Критика и дополнения всегда приветствуются! Возможны дискуссии.

Назад в раздел

 

© Meteoweb.ru 2006 – 2017
Все права защищены. Авторы проекта не несут ответственности
за точность прогнозов погоды и за возможные негативные
последствия, возникшие при использовании информации с сайта.
При использовании информации с сайта гиперссылка на Meteoweb.ru обязательна!



INFOBOX - хостинг php, mysql + бесплатный домен! Индекс цитирования.