Механизм образования электрических зарядов в грозовых облаках

Среди всех видов электрических зарядов и полей, наблюдаемых в атмосфере, заряды и поля, порождаемые облаками вообще и кучево-дождевыми (грозовыми) в особенности, достигают наиболее вну­шительных значений и, следовательно, представляют наибольший научный и особенно прикладной интерес.

С тех пор как в середине XVIII века было открыто грозовое элек­тричество (М. В. Ломоносов, Г. В. Рихман, Б. Франклин), предпри­нимались неоднократные попытки создать теорию образования за­рядов облаков и осадков. Однако все эти теории до сего времени ско­рее носят характер гипотез, чем теорий, и далеко неполно объясня­ют различные стороны этого сложного явления.

Отметим, прежде всего некоторые (достаточно достоверно уста­новленные путем наблюдений за осадками на земной поверхности) факты:

количество положительных зарядов, приносимых осадками, а также продолжительность таких осадков больше, чем в случае осад­ков с отрицательными зарядами; число положительно заряженных капель и снежинок пример­но в 1,7 раза больше числа отрицательно заряженных; заряд отдель­ной капли или снежинки колеблется в широких пределах (максималь­ные значения достигают ±50 пКл, средние близки к +1 и -1,3 пКл);

более крупные капли и снежинки несут, как правило, и большие заряды; плотность тока возрастает с увеличением интенсивности осад­ков, достигая в случае выпадения ливневых осадков и града значе­ний порядка 10^-8 А/м² = 10 нА/м² (для обложных осадков плот­ность тока имеет порядок 10^-11А/м² = 10^-2 нА/м2).

Можно указать несколько механизмов возникновения зарядов в облаках.

1. Электризация капель за счет захвата ими ионов. На поверх­ности капли (или кристалла) образуется двойной электрический слой, состоящий из молекулярных диполей, которые ориентирова­ны так, что капля захватывает из воздуха отрицательные ионы. Од­нако этот механизм менее интенсивен, чем механизм, связанный с влиянием внешнего электрического поля. В нормальном поле (на­пряженность направлена по вертикали вниз) крупные капли и кри­сталлы поляризуются: нижняя часть заряжается положительно, а верхняя отрицательно. При падении эти заряды взаимодействуют с зарядами ионов. Отрицательные ионы притягиваются к нижней ча­сти капли и захватываются ею, положительные — отталкиваются. Вследствие этого падающая капля заряжается отрицательно, а по­ложительные ионы восходящим потоком переносятся в верхнюю часть облака.

Аналогично заряжаются поляризованные крупные капли под влиянием взаимодействия с мелкими разноименно заряженными каплями облака. При этом положительно заряженные мелкие кап­ли восходящим потоком переносятся в верхнюю часть облака, а от­рицательно заряженные капли, захватываемые нижней поверхно­стью крупной капли, увеличивают ее отрицательный заряд.

2. Электризация при фазовых переходах. Один из наиболее важных механизмов образования электрических зарядов связан с процессом замерзания переохлажденных капель воды. Кристалли­зация капли начинается обычно в одной из точек ее поверхности. Образовавшийся на поверхности капли ледяной зародыш быстро разрастается и приобретает форму сферического сегмента. От заро­дыша внутрь капли распространяется фронт кристаллизации. Этот процесс обычно завершается деформацией капли и выбросом мик­рочастиц, а иногда — разрушением капли и отрывом крупных осколков.

Жидкая и твердая фазы воды являются самодиссоциирующими средами. Это означает, что в каждой из фаз происходит диссоциа­ция (расщепление) молекул Н2О на положительный ион водорода Н+ и отрицательный ион гидроксида ОН^-:

Поскольку концентрация ионов Н⁺ и ОН^- в твердой фазе меньше, чем в жидкой, то возникает поток ионов Н⁺ и ОН^- через фронт крис­таллизации из жидкой фазы в твердую. Однако ионы Н+, будучи бо­лее подвижными, чем ОН^-, быстрее проникают через фронт крис­таллизации из жидкой фазы в твердую и тем самым создают во льду избыточный положительный заряд. Вследствие этого ледяные час­тицы, образующиеся в процессе замерзания переохлажденной кап­ли, оказываются заряженными, как правило, положительно.

Названные механизмы не исчерпывают всех возможных процес­сов, при которых происходит электризация облачных капель и кри­сталлов. Более того, каждый из этих механизмов следует рассмат­ривать как гипотезу, поскольку отсутствуют надежные оценки и экспериментальные данные о вкладе различных процессов в заряд облаков.