Молния - Юман М.
Скачать (прямая ссылка):
Использование (7.21) приводит к максимальной разности потенциалов между
облаком и землей порядка 1010 В. Минимальную величину поля можно
получить, предполагая, что величина поля, наблюдаемая на земле вблизи
грозового облака, сохраняется вплоть до облака (где в действительности
поля должны становиться намного больше). Используя обычно наблюдаемую у
земли величину поля около 104 В/м, получим, что минимальная разность
потенциалов между облаком и землой составляет около 3-107 В.
Действительная разность потенциалов должна лежать между этими величинами.
Можно рассчитать действительную разность потенциалов между облаком и
землей, задавая модель распределения заряда в грозовом облаке и исполцзуя
выражения для электрического поля и разности потенциалов, данные в
предыдущем разделе. Чтобы оценить порядок величин, определим сначала
потенциал изолированного сферического заряда в 40 Кл с радиусом 1 км. Из
уравнения (7.22) найдем, что разность потенциалов между поверхностью
сферы и бесконечностью составляет ~4-108 В. Разность потенциалов между
поверхностью сферы и точкой, удаленной от нее на 3 км, равна 3-108 В.
Разность потенциалов между поверхностью заряженной сферы и ее центром
составляет около 2-108 В. Таким образом, заряд, характер которого
приблизительно соответствует N- или P-областям облака, создает разность
потенциалов порядка 108 В на расстоянии нескольких километров. Если
воспользоваться моделью облачного заряда, представленной на рис. 1.2 и
3.3 (исключая р-заряд), можно точнр
276
7. Теория процесса разряда
определить разность потенциалов между землей и любой точкой над ней. Для
вертикального направления непосредственно под зарядом разность
потенциалов между землей и точкой, находящейся на высоте 3 км, равна 1,1
-108 В. Эта величина ненамного отличается от величины, полученной для
изолированного заряда сферической формы, так как одна из заряженных
областей, а именно область iV-заряда, обеспечивает все электрическое поле
под облаком. Итак, разность потенциалов между основанием облака и землей
имеет, вероятно, порядок 108 В.
Энергия, накопленная грозовым облаком и рассеиваемая каналом молнии,
составляет ~QV, или ~4-109 Дж. Энергия, рассеиваемая в одиночном импульсе
молнии, в котором переносится на землю 5 Кл, равна ~5*108 Дж. Если длина
молнии составляет 5 км, то энергия, рассеиваемая единицей длины канала,
будет равна 105 Дж/м. Эта величина хорошо согласуется с величинами
исходной энергии молнии, полученными из акустических (разд. 6.3.1) и
спектроскопических измерений (разд. 5.5.1). Если большая часть исходной
энергии в 105 Дж/м рассеивается, скажем, за 10 мкс, то эффективная
исходная мощность за это время составит около 1010Вт/м. Измерения энергии
излучения канала показывают, что нижний предел пиковой исходной мощности
равен 7,8* 108 Вт/м (разд. 5.5.1). Для исходной мощности в 1010 Вт/м и
тока в 104 А необходимо электрическое поле в канале 10* В/м. Высокие
электрические поля вдоль канала (вероятно, порядка 107 В/м; см. расчеты в
разд. 7.5) обеспечиваются в первый момент волновым фронтом возвратного
удара, который проходит несколько метров по каналу за 0,1 мкс и имеет
протяженность около метра.
На основе лабораторных экспериментов [64] полагают, что в начальных
стадиях перехода от искрового разряда к дуговому (во время ударно-
волновой фазы) канал разряда характеризуется относительно высокими
электрическими полями (вероятно, между 104 и 105 В/м). Со временем канал
молнии становится похожим на станционар-ный дуговой разряд в воздухе.
Дуговой канал в воздухе, по которому течет ток 104 А, имеет напряженность
электри-
7 3. Приближенные расчеты
277
ческого поля около 103 В/м [22] и, следовательно, рассеивает мощность 107
Вт/м. Этот уровень рассеяния может поддерживаться многие миллисекунды за
счет начальной энергии. В действительности ток молнии через 100 мкс
обычно становится меньше 104 А, а общая продолжительность тока составляет
несколько миллисекунд. Отсюда видно, что исходная энергия импульса молнии
105 Дж/м, которая была рассчитана, является приемлемрй величиной, на
основании которой можно объяснить высокие электрические поля Волнового
фронта возвратного удара и стадию расширения канала, так же как и
рассеяние мощности во время фазы дугового разряда. Следует отметить, что
начальная энергия должна рассеиваться при движении лидера к земле. Если
лидером расходуется даже половина энергии, то это мало влияет на
проведенные выше приближенные расчеты.
Начальная энергия канала возвратного удара идет на диссоциацию,
ионизацию, возбуждение и увеличение кинетической энергии частиц канала, а
также на энергию расширения канала и излучение. Можно оценить энергию,
передаваемую частицам канала. Предположим, что канал лидера содержит в
первый момент 1024 частиц на 1 м3 (что соответствует температуре около
3000 К и атмосферному давлению) и сразу же после прохождения волнового
фронта возвратного удара все частицы внутри канала радиусом 2 см
