АкушерствоАнатомияАнестезиологияВакцинопрофилактикаВалеологияВетеринарияГигиенаЗаболеванияИммунологияКардиологияНеврологияНефрологияОнкологияОториноларингологияОфтальмологияПаразитологияПедиатрияПервая помощьПсихиатрияПульмонологияРеанимацияРевматологияСтоматологияТерапияТоксикологияТравматологияУрологияФармакологияФармацевтикаФизиотерапияФтизиатрияХирургияЭндокринологияЭпидемиология

Образование и развитие грозовых облаков

Установлено, что грозы возникают лишь в некоторых кучево-дождевых облаках, которые называются грозовыми. Эти облака встречаются весьма редко и остаются способными порождать грозы в среднем на протяжении 1 часа. Единовременно на нашей планете существуют всего 1000-1200 грозовых облаков, каждое из которых способно генерировать молнии лишь 20 – 30 минут.

75% всех грозовых облаков сосредоточено между 30–ми параллелями Северного и Южного полушарий, где наиболее велика грозовая активность в трех очагах: Индонезийском (Азиатском), Африканском и Американском (Центральная Америка и северная часть Южной Америки). Установлено, что для образования грозового облака необходимо много тепла и водяного пара. Именно поэтому в умеренных климатических поясах грозы образуются лишь в летнее время, в тропиках их не бывает в районах пустынь, где воздух слишком сухой. Не появляются грозовые облака и в приполярных регионах, где воздух слишком холодный.

Обычно грозовые облака формируются в областях развитой термической либо динамической конвекции, где вертикальные составляющие движений воздуха превышают несколько метров в секунду.

Термическая конвекция возникает вследствие того, что плотность воздуха зависит от его температуры. Она наблюдается днем в летние месяцы над сильно нагретой сушей, а также зимой над незамерзающими водоемами. Именно благодаря термической конвекции, дым над костром, при безветренной погоде, уносится вверх.

Динамической конвекцией называется вертикальное движение теплого воздуха поднимающегося по клину холодного воздуха, либо горному склону. Вследствие этого грозы наиболее часто появляются в горах, а также при извержениях вулканов.

Известно также, что воздух, поднимаемый на высоту конвективными потоками воздуха содержит атмосферные ядра конденсации, концентрация которых над сушей может в десятки раз превосходить ее значение над морем. Вследствие того, что атмосфера в той или иной мере ионизирована, среди них всегда присутствуют ядра, имеющие некоторый электрический заряд.

Главными причинами ионизации воздуха в приземном слое атмосферы являются воздействие на него галактических космических лучей (ГКЛ), а также продуктов радиоактивного распада примордеальных и искусственных радионуклидов. Электропроводность воздуха в данном слое прямо пропорциональна энергии воздействующих на него ГКЛ и активности радионуклидов.

В верхних слоях тропосферы и стратосфере основными ионизирующими факторами являются ГКЛ и β- частицы, возникающие при радиоактивном распаде трития ₃Н и радиоактивной воды ₁Н₃Н₁₆О. В мезосфере и ионосфере главным ионизирующим фактором являются составляющие спектра солнечной радиации, относящиеся к диапазону крайнего ультрафиолета (длины волн от 10 до 120 нм).

Грозовые облака весьма насыщены водой. Площадь на нашей планете, покрытая грозовыми облаками, приблизительно в 300 раз меньше, чем покрытая облаками не грозовыми. Тем не менее, количества воды, поступающие на земную поверхность из этих облаков, различаются гораздо меньше, а в некоторых тропических регионах приблизительно одинаковы.

Каждое грозовое облако представляет собой одну или несколько ячеек, с аномально высокой конвективной и электрической активностью, имеющих радиус около 2 км. В умеренном климатическом поясе вершина каждой такой ячейки может достигать высоты 8-10 км, а в тропиках - 18-20 км. Самые могщные грозы – сверхмногоячеистые, содержащие десятки ячеек.

За период своего существования (1 час) каждая грозовая ячейка проходит в своем развитии три стадии: - зарождение, зрелости и распада.

Стадия зарождения включает отрезок времени от начала возникновения в облаке мощных восходящих потоков воздуха, до появления в нем ервых молний.

На стадии зрелости в ячейке усиливается электрическое поле, скорости восходящих движений воздуха и водность облака, высота которого еще более увеличивается.

На стадии распада напряженность электрического поля в облаке уменьшается до пределов, за которыми молнии перестают возникать, а скорости восходящих движений в нем уменьшаются.

Некогда считалось, что разделение электрических зарядов в грозовых облаках обусловлено тем, что их верхние части всегда содержат ледяные кристаллы, а нижние части – капли жидкой воды, выпадающие на земную поверхность в виде атмосферных осадков. Эти представления не могли объяснить возникновение гроз в теплых облаках, где ледовая фаза отсутствует, а осадков не наблюдается. Не объясняли они также появление гроз в облаках вулканического пепла, которые не содержат ни ледяных кристаллов, но капель воды. Ничего не говорили они и об источнике энергии, благодаря которому формируется и развивается грозовое облаков, в котором за время не более 1 часа на высоту около 10 км поднимается от 200 до 400 тысяч тон воды! Не объясняли они и того факта, что в грозовых облаках молнии начинают появляться уже при напряженности электрического поля 3 кВ/см, в то время как значение его напряженности, при котором возникает электрический пробой воздуха с такими же характеристиками, составляет 10-30 кВ/см.

Согласно современным представлениям о причинах образования любых, в том числе и грозовых облаков, важнейшей принято считать конденсацию в воздухе водяного пара. Конденсация возникает, если этот пар пересыщен и присутствуют атмосферные ядра конденсации, у которых способны образоваться стабильные зародыши капель.

Пересыщение водяного пара происходит при его охлаждении, вызванном подъемом на высоту восходящими воздушными потоками. Среди атмосферных ядер конденсации всегда присутствуют имеющие положительный и отрицательный заряд.

Дд. Таунсенд и Ч. Вильсон установили, что знак электрического заряда, которым обладают атмосферные ядра конденсации существенно влияет на значения относительной влажности воздуха, при которых в нем начинается конденсация. Если заряд этих ядер отрицательный, то устойчивые зародыши капель образуются вокруг них при почти в два раза меньших значениях относительной влажности воздуха, чем в случае, если их заряд положительный. Объяснил этот эффект А.И. Русанов, который показал, что знак заряда атмосферного ядра конденсации влияет на величину коэффициента поверхностного натяжения образующейся вокруг него водяной оболочки. Поэтому вероятность возникновения в воздухе отрицательно заряженных капель всегда больше, чем положительно заряженных капель.

При пересыщении водяного пара в воздухе 1% вероятность возникновения отрицательно заряженных капель в 1000-10000 раз больше, чем капель положительных. Отношение вероятностей возникновения отрицательно и положительно заряженных капель еще более возрастает, если воздух загрязнен тритием ₃Н или радиоактивной водой ₁Н₃Н₁₆О, при распаде которых образуются электроны (β- частицы).

Стабильные отрицательно заряженные зародыши капель, по отношению к которым водяной пар пересыщен, за счет конденсации растут и превращаются в капли, образующие облако. По отношению к положительно заряженным зародышам, водяной пар становится пересыщенным лишь при значительно больших его концентрациях в воздухе. Поэтому при прочих равных условиях отрицательно заряженные капли быстрее увеличиваются в диаметре. После увеличения их размеров до 2 мкм эти капли начинают под действием силы тяжести перемещаться вниз. Вследствие этого на стадии зарождения облака отрицательно заряженные капли накапливаются в его нижней части, а более мелкие и редкие положительно заряженные – в верхней части.

Выделяющаяся при конденсации скрытая теплота приводит к повышению температуры воздуха и активизирует в нем термическую конвекцию. Из-за разделения зарядов в облаке возникает электрическое поле, противодействующее дальнейшему накоплению положительных зарядов в верхней части облака и отрицательные в нижней. В тоже время конденсация водяного пара, приводящая к образованию в нем в основном отрицательно заряженных капель, продолжается. Этот процесс вызывает выделение в окружающую среду крытой теплоты парообразования и активизацию термической конвекции.

Облако может стать грозовым, если скорости восходящих потоков воздуха в нем способны стать настолько большими, что напряженность внутреннего электрического поля превысит 3 кВ/см. При этом в нем начинают образовываться молнии и стадия зарождения грозового облака завершается.

Возможной причиной того, что образование молний происходит при значениях напряженностей электрического поля менее тех, при которых возникает электрический пробой воздуха, по мнению В.И.Ермакова и Ю.И. Стожкова [] является ионизация воздушной среды внутри грозового облака проходящими сквозь него частицами ГКЛ.

После образования каждой внутриоблачной молнии (зарницы) напряженность электрического поля между соответствующими частями облака уменьшается с 3 кВ/см до 10-20 В/см, что приводит к гашению этого разряда.

На стадии зрелости грозового облака его электрическое поле имеет структуру диполя, положительный полюс которого располагается в его верхней части, а отрицательный – в нижней. Это приводит к тому, что под действием этого электрического поля внутри облака начинается движение отрицательных зарядов вверх, а положительных вниз. Часть положительно заряженных ядер покидает облако, уносясь вверх.

Таким образом, в зрелом грозовом облаке возникает электрический ток со средним значением силы приблизительно 1А. Этот ток частично компенсирует положительный электрический заряд верхней части облака. В результате существующий в нем диполь становится несимметричным, что увеличивает напряженность электрического поля между земной поверхностью и нижней границей облака. Разность потенциалов между вершиной и основанием грозового облака на стадии зрелости может достигать 10⁸-10⁹ В.

Нетрудно видеть, что мощность электрического тока, образующегося в облаке, составляет при этом 100-1000 МВт (что приближается к мощностям энергоблоков типичных для Украины АЭС, где функционируют с реакторы типа ВВЭР). Электрический генератор в грозовом облаке функционирует благодаря двум процессам – образованию в нем разноименных электрических зарядов и их пространственному разделению.

Питает этот генератор водяной пар, выделяющий скрытую теплоту в процессе своей конденсации. Масса водяного пара, конденсировавшегося в грозовом облаке, в среднем составляет 200 тыс. т., а количество теплоты, выделяющейся при этом, составляет приблизительно 5*10¹⁴ Дж.

Существенным фактором активизации термической конвекции в грозовом облаке на стадии зрелости являются молнии, приводящие к ускоренной конденсации водяного пара, при которой в окружающую среду выделяется скрытая теплота.

Развитие рассмотренных процессов приводит к тому, что на стадии зрелости из грозового облака в землю начинают бить нисходящие линейные молнии. Эта фаза продолжается 20-30 минут. На ней, под влиянием электрических разрядов, скорость конденсации в облаке, а значит и выделения в нем тепла, поддерживающего термическую конвекцию, достигает максимальных значений. Вследствие этого и облако приобретает максимальную высоту, а выпадающие из него атмосферные осадки – наибольшую интенсивность.

При выпадении атмосферных осадков запасы водяного пара в облаке уменьшаются, интенсивность процессов его конденсации и восходящие потоки воздуха постепенно ослабевают, а вместе с ними прекращаются и процессы разделения электрических зарядов. В результате выпадения атмосферных осадков облако постепенно теряет также запасы отрицательно заряженных частиц. Преобладать в нем начинают частицы положительно заряженные. При этом стадия зрелости грозового облака завершается и начинается стадия его распада, на которой полярность электрического поля между земной поверхностью и его нижней частью меняется на противоположную.

На стадии распада молнии, переносящие электроны, начинают бить не из облака в землю, а в обратном направлении. Как правило, количество нисходящих молний (существующих на зрелой стадии облака) превышает количество восходящих молний (характерных для стадии распада) до 10 раз.

Таким образом, на стадии зрелости молнии переносят отрицательный заряд из облака на земную поверхность, а на стадии распада в обратном направлении. Так как количество нисходящих молний больше, чем восходящих, земная поверхность всегда отрицательно заряжена до величины в среднем -600000 Кл. В результате этого в слое атмосферы у земной поверхности существует электрическое поле, напряженность которого составляет -130 В/м.

Часть положительных зарядов уходят из грозового облака в ионосферу и затем через ионизированную атмосферу «стекают» на земную поверхность. В результате этого между атмосферой и земной поверхностью непрерывно течет электрический ток равный суммарному току всех молний и составляющий 1000-2000А.

Над любым регионом планеты грозовая активность максимально в 15-16 часов по местному времени.

Дата добавления: 2015-09-18 | Просмотры: 872 | Нарушение авторских прав