Физика/ 1.Теоретическая физика.

Байман Г.Б.

Казахский национальный педагогический университет имени Абая, Казахстан

Электрофизические явления в грозовых облаках

Гроза - атмосферное явление, при котором в кучевых облаках, находящихся на высоте до 15 км и состоящих из смеси капель и кристаллов, возникают многократные искровые электрические разряды - молнии, сопровождающиеся громом, ливнями, градом и усилением ветра.
Объем грозового облака достигает от сотен до нескольких тысяч км³. Масса водно-ледяных частиц при этом объеме - 106 - 107 т. Потенциальная энергия грозового облака составляет от 1013 до 1014 Дж и равна энергии термоядерной мегатонной бомбы. Электрические заряды, питающие молнии, содержат в себе от 10 до 100 К , а электрические токи, создающие эти заряды, от 10 до 100 А. Напряженность электрического поля внутри облака-105 В/м.

Гроза - сложный атмосферный процесс, и ее возникновение обусловлено образованием кучево-дождевых облаков. Сильная облачность является следствием значительной неустойчивости атмосферы. Для грозы характерен сильный ветер, часто интенсивный дождь (снег), иногда с градом. Перед грозой (за час, два до грозы) атмосферное давление начинает быстро падать вплоть до внезапного усиления ветра, а затем начинает повышаться.

Грозы можно разделить на местные, фронтальные, ночные, в горах. Наиболее часто человек сталкивается с местными или тепловыми грозами. Эти грозы возникают только в жаркое время при большой влажности атмосферного воздуха. Как правило, возникают летом в полуденное или послеполуденное время (12-16 часов). Водяной пар в восходящем потоке теплого воздуха на высоте конденсируется, при этом выделяется много тепла и восходящие потоки воздуха подогреваются. По сравнению с окружающим восходящий воздух теплее, он увеличивается в объеме, пока не превратится в грозовое облако. В больших по размеру грозовых облаках постоянно витают кристаллики льда и капельки воды. В результате их дробления и трения между собой и о воздух образуются положительные и отрицательные заряды, под действием которых возникает сильное электростатическое поле (напряженность электростатического поля может достигать 100 кВ/м) и разница потенциалов между отдельными частями облака, облаками или облаком и землей достигает громадных величин. При достижении критической напряженности электрического воздуха возникает лавинообразная ионизация воздуха - искровой разряд молнии. Фронтальная гроза возникает, когда массы холодного воздуха проникают в район, где преобладает теплая погода. Холодный воздух вытесняет теплый, при этом последний поднимается на высоту 5-7 км. Теплые слои воздуха вторгаются внутрь вихрей различной направленности, образуется шквал, сильное трение между слоями воздуха, что способствует накоплению электрических зарядов. Длина фронтальной грозы может достигать 100 км. В отличие от местных гроз после фронтальных обычно холодает. Ночная гроза связана с охлаждением земли ночью и образованием вихревых токов восходящего воздуха. Гроза в горах объясняется разницей в солнечной радиации, которой подвергаются южные и северные склоны гор. Ночные и горные грозы несильные и непродолжительные.

На земном шаре одновременно "гремит" (1000 ÷ 2000) гроз. Это значит, что одновременно в атмосфере находится около (1000 ÷ 2000) электрически активных грозовых облаков. Из наблюдений известно, что среднее время электрической активности одного грозового облака (20 ÷ 30) минут. С учетом этих данных общее количество грозовых облаков, образуемых за сутки, равно ~10⁵.

По всему земному шару грозовые облака распределены неравномерно. Основная их часть ( 75%) наблюдается в диапазоне широт между 30° S и 30° N, где они образуются в течение всего года. На более высоких широтах такие облака наблюдаются, в основном, в летнее время. Наиболее часто грозовые облака появляются в районах гор. Грозовая активность усиливается во время извержений вулканов и землетрясений. Обнаружено усиление грозовой активности в районах расположения атомных электростанций и в районах, где в атмосфере присутствуют радиоактивные облака.

Грозовые явления меняются по интенсивности в зависимости от географических характеристик местности, например, от широты. Наибольшая интенсивность гроз на земном шаре наблюдается в трех секторах (или грозовых очагах): в Индонезийском (или Азиатском), Африканском (Африка и Европа) и Американском (Центральная Америка и северная часть Южной Америки). Грозовая активность в двух последних секторах наиболее интенсивна.

Грозовое облако представляет собой локализованную область резко выраженной конвективной и электрической активности. Оно может состоять из одной или нескольких ячеек. Средний радиус основания одной грозовой ячейки R ≈ 2 км, в средних широтах вершина типичной ячейки расположена на высотах (8 ÷ 12) км [1]. В гигантских грозовых облаках, которые, как правило, появляются в тропических широтах, она может достигать 20 км [2]. Время жизни ячейки от момента ее зарождения до распада около 1 часа [1].

Обычно развитие грозового облака делят на три стадии: зарождения, развития (зрелости) и распада. Стадия зарождения характеризуется наличием достаточно мощных восходящих потоков теплого влажного воздуха и появлением первых молний. В стадии развития усиливаются электрическая активность, восходящие потоки и влагосодержание облака, а в стадии распада наблюдается затухание восходящих движений воздуха, уменьшение электрической активности и выпадение осадков [1].

Литература:

1. Юман М. Молния, М: Мир, 1972, 327с.

2. Марчук Г.И., Кондратьев К.Я., Козодеров В.В., Хворостьянов В.И. Облака и климат. Л.: Гидрометеоиздат, 1986, 512с.]

3. Френкель Я.И. Теория явлений атмосферного электричества. М.: Гостехиздат, 1989.

4. Феймановские лекции по физике.том 5.Электричество и магнетизм. 1966.