научная статья по теме ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ РАЗРЯДОВ НА ФАЗОВЫЕ И МИКРОСТРУКТУРНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ВОДЫ В ОБЛАКАХ Геофизика

Текст научной статьи на тему «ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ РАЗРЯДОВ НА ФАЗОВЫЕ И МИКРОСТРУКТУРНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ВОДЫ В ОБЛАКАХ»

УДК 551.576.11+551.594.22

Исследование влияния электрических разрядов на фазовые и микроструктурные преобразования воды в облаках

В. Д. Степаненко*, Ю. А. Довгалюк*, А. А. Синькевич*, Н. Е. Веремей*, Ю. Ф. Пономарев*, Т. А. Першина*

Приводятся результаты теоретических оценок и лабораторных экспериментов по исследованию влияния электрических разрядов разного типа на микроструктуру туманов. Получено, что электрические разряды при определенных условиях могут приводить к повышению температуры замерзания капель, заметному укрупнению частиц тумана, увеличению концентрации кристаллов и изменению их формы, способствовать ионизации воздуха и обеспечивать резкое увеличение объемного заряда облака.

1. Введение

В последние три десятилетия к вопросам влияния электрических сил на фазовые и микроструктурные характеристики облаков и туманов было привлечено внимание ряда исследователей. Эти вопросы изучались как теоретически, так и экспериментально [1—4, 6, 7, 9, 10, 13, 18, 21, 23]. В результате было уточнено представление о механизме влияния знака заряда на конденсационный рост капель и дано его теоретическое обоснование [13], изучено влияние поверхностного заряда капли на скорость нуклеации льда, сформулирована физическая концепция этого явления [7], получены эмпирические данные о влиянии ионизации среды и постоянного внешнего электрического поля на замерзание переохлажденных капель воды [6, 23].

Вместе с тем, многие аспекты влияния электрических сил на процессы в облаках остаются неизученными, в том числе вопросы фазовых и микроструктурных преобразований воды в облаках в условиях повышенной ионизации среды вследствие электрических разрядов. Наличие электрических разрядов в облаках является установленным фактом. К этим разрядам относятся локальные коронные разряды, возникающие при сближении облачных частиц [3—5, 8, 19, 22, 24, 25], мезомасштабные внутриоблачные разряды, возникающие между отдельными объемами облака и проявляющиеся в предгрозовом радиоизлучении [11, 15, 19], молнии облако — облако, облако — земля, облако — подоблачная атмосфера [16]. Следствием электрических разрядов, прежде всего, является образование областей с существенно (на 5 порядков и более) повышенной ионизацией среды, а следовательно, и появление новых микроструктурных эффектов.

• Главная геофизическая обсерватория им. Л. И. Воейкова.

Целью настоящей работы являлось изучение особенностей микроструктурных и фазовых превращений воды в облаке при разрядах разных видов методом лабораторного моделирования и теоретических оценок.

2. Влияние концентрации ионов на диффузионное заряжение капель

Основным начальным механизмом заряжения капель является адсорбция атмосферных ионов, диффундирующих к их поверхности [1, 9, 13]. В приближении отсутствия электрического взаимодействия между каплями рост заряда на капле, согласно [19], описывается уравнением

где д — заряд капли, /4 — потоки диффундирующих к ней ионов,

(1)

еД

дп^

л

-е£>

*дг' дп

епжЕ

4лг'

>2.

дг'

еп и Е

Ажг'

(2)

Здесь е — элементарный заряд, В± = щкТ/е — коэффициент диффузии ионов соответствующего знака, и± — их подвижность, Е — напряженность электрического поля заряженной капли, Г—температура» к — постоянная Больцмана, г' — расстояние от центра капли, щ. — концентрация ионов.

Если пренебречь зеркальными силами [20] и считать поле капли куло-новым (Е = д/г*2), то

/+ = 4жщкТ

-»2

дп+

ед „

— п. кТ

/

4яги кТ I -г1

.гЗ"-

ед

(3)

Далее, следуя Я. И. Френкелю, можно получить следующие выражения для потоков ионов на каплю:

^ _ 4леи+п+д + ~ ехр(ед/гкТ) -1'

г 4жеи_п_д

е\р(-ед/гкТ) -1

при граничных условиях

(4)

ПА = П. = СОШ1:, П

0,

г'-+сО

п\ = 0.

п_ = С01Ш,

(5)

Используем гипотезу о селективном поглощении поверхностью капли диффундирующих к ней ионов, тогда в общем случае можно записать следующие выражения для потоков ионов, захватываемых каплей:

1 = (1 _ $ у 4леи+п+д ,

ехр(ед/гкТ) - 1

, (6)

ехр(-е^МГ) - 1

где в± — коэффициенты, моделирующие селективность поглощения каплей положительных и отрицательных ионов.

Из (6) для стационарного равновесного заряда капли когда /+ = /_ = /, будем иметь

{7)

Ч' е (1 - б.)Я.

(Я± = еи±п± — проводимость среды). Из (7) следует, что величина стационарного равновесного заряда капли существенно зависит от ее радиуса и соотношения проводимостей ионов разных знаков, значения которых при известной их подвижности определяются концентрацией ионов в среде. Если в+ = &_ = 0, то имеем формулу Френкеля

д^ГКы^. (8)

е А_

Если использовать данные А. П. Сергиевой [14] о том, что заряд капли (? > 0 при А+/А_ >2 и <7 < 0 при л ./Я. < 2, и положить = 0 при А+/А_ = 2, то из (7) получим

= = —ьА (9)

2 е А_

При kjk_ » 1, раскладывая логарифм в рад и ограничиваясь первым членом ряда, получаем формулу Н. С. Шишкина [20]

е А +/А_ + 2

В нестационарном случае заряд капли растет со временем, и при \ец/гкТ\ « 1 эта зависимость имеет вид

^(0 = 2гкТ]+а- ~2й - ехр[-2я;(А+/2 + А_)ф. (11)

е А+/А_ + 2

При выводе (11) также полагалось, что в+ = 1/2, в_ = 0 и капля в начальный момент времени не заряжена, т. е. ц = 0 при г = 0.

Из (И) видно, что заряд капли со временем растет, и скорость этого роста определяется соответствующей суммарной проводимостью среды, пропорциональной концентрации ионов. Таким образом, при разной концентрации ионов в среде заряд на капле через равные интервалы времени

41

окажется разным. Так как обычно концентрация ионов в облаке порядка 102 см'3 при скорости ионизации v = 10 см ъ- с-1, то заряд на капле радиусом 10 мкм равен q » - 5е через 10 с. Далее он увеличивается незначительно, так что практически через 20 и 30 с остается таким же. Однако при V = 104 см~ъ■ с"1 через 10, 20 и 30 с заряд оказывается примерно равным -20е, -50е и -81е соответственно, т. е. при повышенной скорости ионизации капля может накопить достаточно быстро заряд порядка 100 элементарных зарядов [19]. Оценки этого эффекта, выполненные в [19], а также в настоящей работе, показали, что при больших скоростях ионизации среды, когда концентрация ионов возрастает на несколько порядков, значительное число капель может приобрести достаточно большой заряд.

При возникновении разрядов в облаках в области разряда концентрация ионов резко повышается, достигая значений п = 10" см'1 [17], что примерно на 6 порядков и более превышает обычно наблюдаемую в облачной среде. Столь большие концентрации ионов и резкие изменения напряженности электрического поля при разрядах неизбежно изменяют микрофизические характеристики облака. Поэтому в области разряда следует ожидать быстрого заряжения капель и формирования областей с зарядами капель, превышающими предельные, характерные для обычных условий ионообразования в облаках.

Дальнейшее сближение этих капель между собой или сближение с каплями осадков, в свою очередь, может вызвать следующий разряд между ними, что приведет к цепной реакции заряжения капель. Такой процесс электризации облака может явиться одним из основных механизмов, приводящих к формированию грозового облака. При этом, как показано ниже, электрические разряды приводят не только к заряжению облака, но и резко изменяют его фазовый состав: при отрицательных температурах в области разрядов интенсивно образуются кристаллы.

Для исследования этих эффектов в лаборатории физики облаков ГГО были созданы две установки и проведен цикл экспериментов, в которых изучалось влияние электрических полей и разрядов от высоковольтного источника на температуру замерзания капель, а также на микроструктуру тумана, создаваемого в большой камере туманов (БКТ). Результаты этих экспериментов описаны ниже.

3. Влияние электрических полей и разрядов на температуру замерзания капель

Лабораторная установка. Эксперименты выполнялись в малой камере туманов (MKT), имеющей внутренний объем 0,006 ж3. Конструктивно MKT представляет собой камеру с отверстиями, через которые к иглодержателям подключается источник питания. На иглодержатели подвешиваются исследуемые капли и освещаются поляризованным светом, наблюдения ведутся с помощью микроскопа. Температура в камере может устанавливаться от 20 до -25°С.

Методика проведения экспериментов. Подвешивались крупные капли (-1000 мкм), далее осуществлялось охлаждение камеры. Между иглами создавалось постоянное или переменное электрическое поле. Напряжен-42

Таблица 1

Статистические характеристики температуры замерзания капель (°С)

Условия эксперимента Объем выборки Среднее Медиана Мода Стандартное отклонение Минималь^ ное значение Максимальное значение

Без электрического 49 -15,5 -16,5 -16,5 3,3 -20,5 -6,8

поля

Постоянное элект- 52 -11,9 -11,7 -8,0 3,4 -19,0 -6,5

рическое поле

Переменное элект- 42 -5,5 -5,1 -5,0 1,1 -9,0 -4,0

рическое поле

ность постоянного электрического поля составляла в разных экспериментах от 4 до 30 kB/см, Напряженность переменного электрического поля варьировала от 5 до 30 kB/см (приводятся данные о максимальной расчетной напряженности электрического поля в промежутке между каплями или иглодержателями). Процесс кристаллизации капель регистрировался с помощью микроскопа. При этом осуществлялось измерение температуры, при которой кристаллизация полностью завершена (температура замерзания).

Постоянное электрическое поле в первой серии экспериментов присутствовало в течение всего опыта (не изменяясь), а во второй серии экспериментов с импульсным источником формировалось переменное электрическое поле, источник включался в разных опытах на время от 1 до 30 с.

Анализ результатов измерений. Данные о температуре замерзания капель в фоновых экспериментах, когда отсутствовало постоянное или переменное электрическое поле, представлены в табл. 1 и на рис. 1. Из данных таблицы видно, что средняя температура замерзания -15,5°С, что характерно для дистиллированной воды, которая хранилась в течение 2—5 мес с момента дистилляции. Общее число фоновых экспериментов, которые случайным образом чередовались с экспериментами с постоянным или переменным электрическим полем, было 49. Минимальная температура кристаллизации равн

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком