ИЗВЕСТИЯ РАИ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2009, том 45, № 2, с. 255-265
УДК 551.594
О ГЕНЕРАЦИИ СЛОЕВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЗАРЯДА В МЕЗОМАСШТАБНЫХ КОНВЕКТИВНЫХ СИСТЕМАХ
© 2009 г. А. А. Евтушенко, Е. А. Мареев
Институт прикладной физики РАН 603950 Н.Новгород, ул. Ульянова, 46 E-mail: a_evtushenko@inbox.ru, mareev@appl.sci-nnov.ru Поступила в редакцию 23.04.2008 г., после доработки 04.08.2008 г.
Предложена и численно проанализирована в одномерном приближении система уравнений квазигидродинамики для электрического поля, зарядов и концентраций облачных частиц и легких аэронов воздуха в стратифицированной области мезомасштабных конвективных систем. В рамках предложенной системы уравнений рассмотрена электризация тающих гидрометеоров вблизи нулевой изотермы. Установлена важная роль слоев экранирующего заряда, обусловленного легкими ионами. Показано, что как неиндукционная, так и индукционная зарядка частиц, связанная с таянием, при соответствующих аэродинамических условиях может приводить к образованию узкого интенсивного слоя положительного заряда вблизи нулевой изотермы, причем особое значение имеет высота, на которой вертикальная компонента скорости меняет знак, по отношению к высоте нулевой изотермы. С учетом индукционного механизма зарядки и реальной структуры скорости восходящего потока за время около 30 минут формируется распределение зарядов и напряженности поля (с максимумом порядка 100 кВ/м), описывающее наблюдаемые в экспериментах профили. Учет поляризации тающих агрегатов и капель воды в электрическом поле при прилипании к ним аэроионов приводит к снижению скорости генерации слоев электрического заряда. Таким образом, полученные решения описывают структуру и динамику пространственно разделенных областей электрического заряда в стратифицированной области и позволяют дать удовлетворительное объяснение экспериментальным данным. Результаты важны для объяснения аномально высокой молниевой активности мезомасштабных конвективных систем, их роли в инициации в средней атмосфере и поддержании квазистационарного состояния глобальной электрической цепи.
1. ВВЕДЕНИЕ
В последнее время большое внимание уделяется исследованию физических процессов, связанных с формированием и развитием в атмосфере мезомасштабных конвективных систем (ММКС) - многоячейковых облачных структур, включающих обширную (несколько сотен км) область стратификации [1-3]. В некоторых районах земного шара ММКС являются достаточно частым явлением и сопровождаются разрушительными ливнями, грозами и шквалами [3-5]. Интерес к таким системам особенно возрос после того, как выяснилась их важная роль в генерации интенсивных положительных разрядов облако-земля, разрядов в средней атмосфере и в динамике глобальной атмосферной электрической цепи [6-9].
Характерной особенностью ММКС является высокая молниевая активность (как правило, в ночное время суток) в течение нескольких часов. Как показали измерения электрического поля in situ, проведенные на баллонах и самолетах, это связано с наличием долгоживущих (до 6-12 часов) слоев электрического заряда в стратифицированной области [10-14]. Несмотря на сложную аэродинамику и большой горизонтальный масштаб ММКС, на порядок превосходящий размеры обычной грозовой
ячейки, распределение вертикальных слоев заряда сохраняет примерно постоянную структуру на протяжении всей стратифицированной области. При этом в большинстве экспериментов проявляется наличие интенсивного тонкого слоя положительного заряда в окрестности нулевой изотермы, а также более распределенного слоя отрицательного заряда ниже нулевой изотермы. Даже если при формировании этих зарядовых слоев играет роль разделение зарядов в конвективной области с ее высокой (до 25-30 м/с) скоростью восходящего воздушного потока, в области стратификации должны действовать дополнительные механизмы электризации, способные длительное время поддерживать стабильность электрической структуры [14-16].
Данная работа посвящена рассмотрению проблемы генерации электрического поля и заряда в стратифицированной области мезомасштабных конвективных систем. Основное внимание уделяется анализу механизма формирования и динамики слоя положительного заряда в окрестности нулевой изотермы. Развиваемая теория может найти применение и при анализе электрических процессов в слоисто-дождевых облаках, где также наблюдается достаточно высокая электрическая активность, зача-
стую связанная с высокими электрическими полями вблизи нулевой изотермы [17, 18].
Основы применяемого в данной работе подхода были сформулированы в [19], но детальный анализ в рамках предлагаемой модели предпринимается впервые. Ранее возможные механизмы образования слоев электрического заряда в мезомасштаб-ных конвективных системах обсуждались в статьях [14-16], но лишь на качественном уровне. В работе [20] была разработана двумерная численная модель электрической структуры ММКС, однако даже качественного согласия с экспериментальными результатами для стратифицированной области достигнуто не было, причем из-за сложности гидродинамического блока подобных моделей выявить основные факторы, влияющие на формирование зарядовых слоев, не представляется возможным.
2. МЕХАНИЗМЫ ЗАРЯДКИ ОБЛАЧНЫХ ЧАСТИЦ
Предлагаемая модель основана на системе уравнений квазигидродинамики основных фракций, участвующих в процессах формирования зарядовых слоев, которая, благодаря большому горизонтальному масштабу описываемой системы, анализируется в одномерном приближении. Ключевую роль при написании этой системы играет параметризация процессов электризации облачных частиц, для чего необходимо записать выражение для величины передаваемого за одно соударение заряда 5д.
Проблемы зарядки облачных частиц традиционно занимают важнейшее место в исследованиях грозового электричества. В литературе рассматривается множество механизмов разделения заряда, обладающих специфической микрофизикой [1, 21-24]. Они зависят от большого числа факторов, в частности, от температуры, фазового состава, размеров облачных частиц. Для динамики процесса электризации особенно важную роль играет зависимость величины от напряженности электрического поля, поэтому все механизмы принято подразделять на индукционные и безындукционные (неиндукционные). Для первого класса механизмов величина
зависит от величины и направления внешнего электрического поля и связана с поляризацией взаимодействующих частиц. Для другого класса механизмов величина заряда, разделяемого при столкновениях гидрометеоров, не зависит в явном виде от напряженности электрического поля.
Многие авторы подчеркивают важную роль безындукционного механизма зарядки при столкновении кристаллов льда и частиц снежной крупы [23-28]. Дело в том, что применительно к типичной грозовой ячейке более или менее общепринятой является "диполь-трипольная" модель электрической структуры облака [23], включающая "основные" отрицательный и положительный заряды (в сред-
нем несколько десятков Кл по величине), и меньший по величине (порядка 10 Кл) "нижний" положительный заряд. Основной отрицательный заряд занимает обычно интервал высот, соответствующий температурам от -10 до -25°C, тогда как располагающийся выше основной положительный заряд распределен в более широком интервале высот в верхней части облака. Средние плотности электрического заряда в грозовых облаках не превышают обычно нескольких нКл/м3, а максимальная напряженность электрического поля составляет 200-300 кВ/м (что существенно ниже порога пробоя сухого воздуха) [1, 2]. В лабораторных экспериментах (где измерялся заряд, передаваемый мишени) было установлено, что величина и знак заряда существенно зависят от температуры воздуха и содержания влаги (liquid water content), причем существует характерное значение температуры (так называемая точка реверса, лежащая обычно между -15°C и -20°C), при которой меняется знак заряда, передаваемого мишени в среднем при столкновении [24-26]. Существование точки реверса хотя и не вполне понятно с точки зрения микрофизики, является весьма привлекательным для объяснения трипольной структуры грозовой ячейки. И хотя детали параметризации этого механизма вот уже в течение более чем 30 лет остаются дискуссионными, последние лабораторные эксперименты позволили в значительной мере понять причину расхождений в данных различных групп экспериментаторов [27, 28] и приблизиться к построению микрофизической модели электризации при столкновениях льда и снежной крупы.
Как показывают измерения, в верхней части области стратификации ММКС, лежащей в области низких температур, наблюдается слой положительного заряда, а под ним - слой отрицательного заряда, который обычно занимает диапазон высот в полтора раза меньший [15, 16]. Формирование этих слоев скорее всего, действительно, связано с электризацией мелких кристаллов льда и частиц снежной крупы при столкновениях. При этом вполне вероятным является вариант, при котором данные заряды активно образуются в области конвекции, а затем сносятся в область стратификации адвективными потоками воздуха.
Как уже отмечалось, однако, наиболее характерной особенностью стратифицированной области ММКС является наличие интенсивного тонкого слоя положительного заряда в окрестности нулевой изотермы, а также более распределенного слоя отрицательного заряда ниже нулевой изотермы. Анализируя экспериментальные данные, можно заметить, что слой положительного заряда иногда располагается несколько ниже или выше нулевой изотермы, но всегда явно привязан к ней. Поэтому естественным является предположение, что при формировании этого слоя положительного заряда основную роль играет электризация при таянии ча-
стиц льда. Учитывая, что отрицательный заряд находится ниже нулевой изотермы и распределен в большем диапазоне высот, можно предположить, что крупные тающие гидрометеоры заряжены отрицательно, а мелкие капли воды - положительно. Это предположение подтверждается результатами измерений зарядов гидрометеоров и облачных частиц [14]. Оно согласуется также с тремя особенностями искомого механизма, наблюдаемыми в экспериментах и отмеченными автор
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.