Теория искры - Лозанский Э.Д.
Скачать (прямая ссылка):
В результате на нижней части облака будут выступать отрицательные заряды, а на верхней — положительные, что и наблюдается на опыте. Поляризация облака сопровождается появлением в нем электрического поля, которое стремится задержать падение тяжелых частиц и ускорить падение легких. Наконец, напряженность поля может достигнуть такой величины, что дальнейшее возрастание поляризации прекращается и в облаке устанавливается в электрическом отношении стационарное состояние. Разумеется, это состояние может быть достигнуто только при наличии мощных восходящих токов воздуха из нижних слоев атмосферы, имеющих ско-
244
рость не меньше, чем скорость падения облачных частиц по отношению к воздуху.
Френкель рассмотрел два основных механизма микроразделения зарядов, приводящих к формированию поляризованного облака. Согласно первому механизму, заряженные частицы создаются при ионизации воздуха космическими лучами, а затем заряды различного знака присоединяются к водяным каплям или льдинкам разной величины (механизм внешней электризации). Согласно второму — космические лучи непосредственно ионизируют макрочастицы облака или электризация происходит при измельчении частиц, например при разбрызгивании водяных капель (механизм внутренней электризации). Для количественных оценок напряженности поля, возникающей при поляризации облака, Френкель принял в качестве модели облака' коллоидный раствор в электролите,где роль электролита играет ионизованный воздух, а роль колллоид-ных частиц—водяные капли, льдинки или пылинки. Справедливость такой модели подтверждается многочисленными опытами с коллоидными растворами.
Известно, что коллоидные частицы, взвешенные в электролите, обнаруживая преимущественное сродство к ионам определенного знака, захватывают часть этих ионов электролита. При этом в растворе появляются электрические токи, обусловленные опусканием коллоидных частиц под влиянием силы тяжести.
Из теории коллоидных растворов [24] известно, что заряд частицы при этом
q = ~ Zr, (8.44)
где г—радиус частицы; ?—электрокинетический потенциал, зависящий от свойств электролита.
В стационарном состоянии конвекционный ток /к, вызванный падением капель, компенсируется током проводимости /пр за счет возникающего поляризационного электрического поля Е. Для этих токов можно написать следующие соотношения:
/к = qNv, (8.45)
где N — концентрация заряженных частиц; v — их скорость;
/п р = оЕ, ' (8.46)
где о—проводимость ионизованного воздуха. Следовательно, в стационарном состоянии
qNv = оЕ. (8.47)
Скорость частиц можно определить по формуле Стокса
V = {mg — qE)/{6jtx\r), (8.48)
где т = (4/3)яг3р — масса частицы; р — ее плотность; т) — вязкость воздуха. Подставляя выражение (8.48) в (8.47) с учетом (8.45),
245
получаем
Е = (4/3) nNr^gl = Mgl (8Л9)
6ят]а—?2г 6ят](7 + ?2г
где M = М(4/3)яг3р — общая масса частиц в облаке или, как говорят, «водность» облака. Подставим для оценки следующие значения параметров: M = 1 г/м3 = IO"6 г!см3, г] = 10“4 пз, а = 4х X IO"4 ед. CGSE, ? = 0,3 в ж IO"3 ед. CGSE, г= IO"3 см. Эти значения являются средними для обычного облака.
Легко видеть, что при таких значениях параметров 6яг](т » Fr и формула (8.49) упрощается:
E = Mg%!{^ща) « 0,5 ед. CGSE « 150 в/м. (8.50)
Это значение по порядку величины соответствует наблюдаемым значениям поля в облаках. Если размеры капель приближаются к дождевым, то лучше пользоваться формулой (7.50), хотя для оценки это несущественно.
Остается объяснить, почему капельки воды притягивают в основном отрицательные заряды, т. е. почему вода обнаруживает более сильное сродство к отрицательным ионам, чем к положительным. Вода, как известно, представляет собой полярное вещество. Опыт показывает, что в поверхностном слое дипольные молекулы воды ориентируются так, что их отрицательные концы оказываются направленными наружу, а положительные — внутрь. Окончательной теории такой ориентации не существует, но Фрумкин [24] показал, что скачок потенциала в поверхности слоя воды оказывается 0,25 в.
Следовательно, капля воды будет захватывать преимущественно отрицательные ионы, пока их отрицательный заряд не скомпенсирует скачок потенциала ?, т. е. пока не станет q/r = ?• При г = = 10~3 см отрицательный заряд, захваченный каплей, порядка Ю"3 ед. СГСЭ - Ю"3 см ~ IO"6 ед. СГСЭ.
Второй механизм поляризации облака основан на открытом еще в конце прошлого столетия явлении электризации капель при их разбрызгивании [24]. Согласно этой теории и опытным фактам, при падении крупных капель в воздухе со скоростью более 8 м/сек от них отрываются мелкие брызги, которые несут преимущественно отрицательный заряд. Восходящие потоки воздуха могут относить эти брызги на большую высоту, тогда как основная масса капли, остающаяся внизу, имеет положительный заряд. Возникающее при таком разделении поле может достигать значительной напряженности порядка нескольких десятков вольт на сантиметр.
Наконец, для полноты картины отметим еще одну возможность электризации мелких частиц за счет тепловых флуктуаций. Этот тип электризации впервые был рассмотрен Смолуховским [24] и сводится к следующему. Находясь в окружении свободных ионов, частица, не имеющая предпочтения к ионам определенного знака, будет захватывать их статистически, т. е. иногда чаще положитель-
