Название: Восемь лекций по физике атмосферы и гидросферы (Браже Р. А.)

Жанр: Радиотехнический

Просмотров: 1221


3.4. грозовые процессы

 

В результате тепловой конвекции в тропосфере образуются конвективные ячейки (рис.3.6). Нагретые нижние слои воздуха поднимаются вверх   по осям ячеек, адиабатически охлаждаясь. При этом содержащиеся в воздухе пары воды конденсируются с образованием кучевых облаков. Охлажденный воздух опус- кается вниз по границам ячеек.

 

14        5

 

12

 

Подпись: Высота, км10

 

4          B

8          g

 

=

 
6          T R      - 15 C

B

4

 

,

 

+

 

+

 

3

 

2

 
2          N , O   B

2          2

1

 

Рис. 3.6. Схема образования грозового облака: 1 – поверхность Земли, 2 – конвективная ячейка, 3 – ионный вихрь, 4 – электронное облако, 5 – кучевое (грозовое) облако

 

Достаточно мощное кучевое облако может превратиться в грозовую тучу за счет электризации содержащихся в нем частиц снежной крупы и мелких кри- сталликов льда [8–10]. Тяжелые частицы снежной крупы, падая сквозь взвесь более мелких кристалликов льда и переохлажденных капель воды, заряжаются отрицательно при температуре  ниже  TR = -15˚C, называемой температурой реверса, и положительно при более высокой температуре. Сами же льдинки приобретают дополнительный заряд. Температура реверса соответствует высо- те около 6 км. Здесь в основном и сконцентрирован отрицательный заряд гро- зового облака. Верхняя, заряженная положительно за счет льдинок, часть гро- зового облака может достигать высоты 12–15 км. В нижней части облака нахо- дится относительно небольшой положительный заряд, обусловленный положи- тельно заряженными крупинками снега или образовавшимися из них при тая- нии каплями воды, выпадающими на землю в виде осадков.

В воздухе всегда имеется некоторое количество ионов. В нижней части атмосферы основными ионизаторами являются космические лучи, скорость ио- нообразования   которыми   на   высоте   нескольких   километров   составляет

i

 
q  ~ 107

м-3 · с-1  . Коэффициент объемной рекомбинации ионов воздуха на тех

 

же высотах

 

 

 

 

 

11

 
i  ~ 10

м3  · с-1. Следовательно, в условиях квазистационарной

 

 

 

 
ионизации концентрация ионов в тропосфере  ni

qi  /

~ 10 9 м-3. Это, глав-

i

 
ным образом, молекулярные ионы

N 2   и

O 2 , гидратированные несколькими

молекулами воды, и свободные электроны.

Наряду с конвекцией в электронно-ионно-молекулярной смеси воздуха идет процесс термодиффузии [11]: более мелкие электроны устремляются в

«горячую» осевую часть конвективных ячеек, а  тяжелые молекулы      и          ионы диффундируют            к            «холодной»    периферии     (см. рис. 3.6). В нижней части

 

 

 

 
ячеек, где скорость конвективного потока  может достигать 25 м/с, вертикаль-

 

 

 

 
ная составляющая геомагнитного   поля с индукцией

Bv  ~ 5

10 5  Тл

(для уме-

ренных широт) отклоняет ионы

N 2   и

O 2   от радиального направления  движе-

ния, вовлекая во вращение с циклотронным радиусом ~ 1 м. Это приводит к по- явлению мелкомасштабных ионных вихрей, закрученных левоспирально в Се- верном полушарии и правоспирально в  Южном полушарии. Так как давление воздуха внутри вихревых воронок ниже  атмосферного, они засасывают в себя пыль, снег, мелкий мусор, которые под действием центробежных сил выносят- ся на периферию воронок и делает их видимыми.

Термодиффузиционные электроны, поднимаемые конвективными пото- ками вдоль осей ячеек, частично компенсируют положительный заряд в нижней

части грозового облака и частично увеличивают отрицательный заряд снежной

крупы, образуя своего рода электронное облако [11]. Напряженность электро- магнитного поля между нижней частью грозовой тучи и землей ~105 В/м, что примерно на порядок меньше его пробойного значения в воздухе. Наличие электронного облака обеспечивает, тем не менее, в этих условиях возможность электрических разрядов и существование молнии. Во-первых, между ним и по- ложительно заряженной верхней частью тучи происходят искровые разряды (внутриоблачные молнии). Во-вторых, в месте   наибольшей напряженности электрического поля возникает сток электронов на землю и появляется ступен-

чатый лидер, с которого  начинается процесс молниевого  разряда на землю

(рис. 3.7).

Отрицательный потенциал нижней части тучи намного более электроот- рицателен, чем поверхность Земли. Поэтому электроны начинают двигаться с

ускорением вниз. Скоростная съемка установила, что вначале из тучи появляет-

ся небольшой светящийся комок – ступенчатый лидер. Он движется к земле  со скоростью около 0,1 скорости света, но проходит около 50–70 м и замирает. Следует пауза около 50 мкс, и лидер делает следующий шаг. Так, скачками он приближается к земле, по дороге ионизуя воздух и прокладывая проводящий

канал, по которому устремляется основной заряд из тучи (около 20–30 Кл). Сила тока в молнии может достигать 10000 А.

 

Поверхность земли

 

+          +          +          +          +

 

Рис. 3.7. Схема возникновения молнии

 

При этом практически мгновенно выделяется большое количество тепла. Плазма в канале молнии раскаляется до температуры, достигающей 10000 К. Ее расширение при такой температуре происходит со скоростью, превышаю- щей скорость звука в воздухе. Поэтому молния сопровождается ударной звуко- вой волной, которую мы воспринимаем на слух как гром. При отражении от различных преград возникает эхо, и мы слышим раскаты грома.

Процессы электризации в туче происходят быстро. Достаточно всего 5 с, чтобы туча восстановила свой заряд. Рекомбинационные процессы идут гораз-

до медленнее, поэтому в проводящем канале, проложенном ступенчатым лиде- ром первой молнии, может ударить и вторая молния, затем третья и т. д. Иногда их бывает больше десяти. Часто ступенчатый лидер дробится, и молния полу-

чается ветвистой. Тогда может случиться, что первый разряд пойдет по первой ветви, а второй – по другой ветви. Вариантов здесь много.

Нарисованная нами картина на самом деле несколько упрощена. Когда ступенчатый лидер оказывается примерно в 100 м от земли, напряженность электрического поля на его конце усиливается. Под его воздействием навстречу лидеру устремляется электрический разряд – ответный стример. Причем раз- ряд начинается с заостренных и выступающих предметов, так как именно вбли- зи них напряженность электрического поля выше. Это свойство молнии ис- пользуется в молниеотводах (громоотводах). Поэтому же во время грозы не ре- комендуется находиться под высокими уединенными деревьями.

Внутриоблачные молнии обычно ограничиваются лишь лидерной стадией развития. Их длина колеблется от 1 до 150 м. Доля внутриоблачных молний возрастает по мере продвижения к экватору, достигая 90\% в приэкваториаль- ной полосе.

По подсчетам метеорологов ежегодно на Земле случается шестнадцать

миллионов гроз, причем каждый день в небе сверкает больше сорока тысяч молний – около ста молний в секунду! На планете есть места, которые грозы и молнии посещают особенно часто. Рекорд здесь принадлежит индонезийскому городу Богору, над которым молнии сверкают 322 дня в году. В Африке самой

«наэлектризованной» страной является Кения, где случается более 200 гроз в году. В Европе одним из «гнезд молний» является селение Оравикоски в Фин- ляндии. В 1987 году здесь был установлен своеобразный мировой рекорд: за

год было зафиксировано 2276 молний, причем учитывались лишь те молнии, которые разрядились в землю. Есть и обратные примеры. Так, в городе Санта- Мария в штате Калифорния (США) грозы бывают не чаше одного раза в два го- да, а в Египте можно увидеть грозу вообще один раз в двести лет.

Понятно, что грозовая активность связана с циклонами, и грозы чаще бы-

вают в местах наиболее вероятного их появления. Что касается молний, то они чаще бьют в места с пониженным сопротивлением грунта, причиной которого обычно бывает наличие источников подземных вод или залежей металлов.

Специфическими видами молнии являются шаровая и чѐточная молнии. Мы, однако, здесь эти молнии рассматривать не будем ввиду отсутствия в на- стоящее время общепринятой теории, объясняющей их возникновение.