Загрузил Ольга Шевелёва

5

Реклама
X
ГЛАВНОЕ
УПРАВЛЕНИЕ ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКОЙ С Л У Ж Б Ы
П Р И С О В Е Т Е М И Н И С Т Р О В СССР
П Р0§2?Е Н в
1 3 3 < 9 г.
Т Р У Д Ы
ГЛАВНОЙ ГЕОФИЗИЧЕСКОЙ
ОБСЕРВАТОРИИ
к
i
Ь
и м е н и
А .
Ч
И .
В о е й к о в а
В Ы П У С К 97
ВОПРОСЫ АТМОСФЕРНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСТВА
S*
П од ре д а кц и е й
канд. физ.-мат. наук
И. М . И М Я Н И Т О В А
g И & -«i
^
Л ЕН И Н ГРА ДСКО ГО
ги д р о м е те о р о л о ги ч е с ко го
и и с т и ГУТА
гимиз
Г И Д Р О М Е Т Е О Р О Л О Г И Ч Е С К О Е И З Д А Т Е Л Ь С Т В О
ЛЕНИНГРАД • Ю60
-Г
/
*'
АНН ОТАЦ ИЯ
Осиовеая часть обораина включает работы, вы­
полнявшиеся в 1954— 1958 гг.
Значительная часть этих работ посвящена изуче­
нию электричества проз, облаков, осадиов и туманов.
В сборник В1ключвны также статьи, касающиеся
мепподини еаблклдений.
Сборник раюочишан иа метеорологов и специалисшов других областей, сталкивающихся с п р оя вл ж ям и
атм1аофе|риаго элект1ричества, а также иа студентов
старших курсов пищрометеарологических институтов и
студентов
универиитетав, изучающих фивику атмо­
сферы.
СОДЕРЖ АНИЕ
И. М- И м я н и т о в . Q6 измен 1ении элаигричесиоло поля атмосферы во время
солнечных затмений . ........................... ...............................................................................
И. М. И м я н н и т о в . Элекпричеокие поля в мощных кучевых и грозовых обла­
ках и ивпольэо(ваиие данных о них для обхода самолетами гроз . . . .
.
И. М. И м я н и т о в и В. В. М и х а й л о в с к а я . Опыт исследования зарядов
частиц осадков в свободной атм10сфере................................................ .....
Т. В. Я о б о д и н . Некоторые результаты иссяедовивий элеютртесиого поля
на'д океанами . . ...................................................................... ..........................................
Б. Ф. - Ло ч . Суточный ход чим а гроэавых р а а р я до в ...................................................
В. П. К о л о к о л о в и К. А. С е м е н о в . Измерение заряда дож дя в Воей­
ково в 1968 г................................................................................................................................
Л. Г. М а х о т к и н . Об изменении зарядов каиель при иопареиии . . . . .
Л. Г. М а х о т к и н , В. А. С о л о в ь е в . Эяеипричесиие заряды капель туманов
и облако®
...................................................................................................................... ..... •
Л. Г. М а х о т к И 'Н , В. А. С о л о в ; ь е в . Электричесние. характерисмки атмо^
сферы при т у м а н а х ..............................................................................................................
А. М. И 3 е р г и н. Исследование составляющих вертикального электрического
тока на зе м л ю ..................................................................
X. Ф. Т а м м е т , Э. В. С е п п е р . К теории электростатического флюксмешра
А. X. Фи л и ч п п о в . Исслвдювание пашьваничеокой ванны для моделынык
измерений при изучении электричества атм осф ер ы ...............................................
А. X. Ф и л и п л о в , А. И. Т Ю|Тр1Ин, Уцрющениая релист1рация градиента по­
тенциала электр1И1чеш10ГО поля атмосферы . . . . - ............................................
А. М Ф у р м а н . Распределение по подвижности и концентрации легких и сред
них ионов в атмосфере .................................................................... ....................................
S5
16
34
39
43
48
51
6»
87
97
101
104
106
Редактор Т. В . У ш акова
.
Техн. редактор Н . В . В о л к о в
Корректоры; Е. П . Б а ск а к о ва и 3 . В . Б у л а т о ва
Сдано в набор 21/1Х 1959 г.
Подписано к печати 26/1 1960 г.
Бумага ТОХЮВ'/ш
Бум. л. 3,63
Печ. л. 9,93
Уч.-изд л. 10,86Тираж 1000 экз.
М-20546
Индекс МЛ-9
Гидрометеорологическое издательство.
Ленинград. В-53, 2-я линия, д. № 23.
Заказ № 377
Цена 7 руб. 60 коп.
Типография № 8 Управления полиграфической промыщленности Ленсовнархоза
Ленинград,' Прачечный пер., д. i№ 6.
t'
и. м. имянитов
ОБ ИЗМЕНЕНИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ А Т М О С Ф Е Р Ы
ВО ВРЕМЯ СОЛНЕЧНЫХ ЗАТМЕНИЙ
На основании исследований, проведенных с помощ ью самолета, утвер­
ждается, что солнечные затмения не сказываются на ходе градиента
потенциала для всей земли в целом.
1. И зм е р ен ия н а п р я ж е н н о с ти э л е к т р и ч е с к о го поля атм осф еры во время
со л н е чн ы х за тм е ни й п о ка за л и , ч то - поле в это время изм еняется и часто
весьма значи те л ьн о. К а к п р а в и л о , поле во время затм ения р а с те т, х о т я
в ряд е случаев о тм ечалось е го уменьш ение..
2 . С у щ е с тв у ю т д ве о с н о в н ы е ' ги п о т е з ы , об ъ ясняю щ и е изм енение пол я
во время со л н е чн ы х затм ений. П о од н ой из н и х изм енение поля объясняется
те м , ч то во время с о л н е ч н ы х затм ений об ы чн о меняется с к о р о с т ь ветра, ч то
вы зы вает изм енение за п ы л е н н о сти атм осф еры , к о т о р о е в свою , очередь в ы зы ­
вает изм енение п р о в о д и м о с ти в при зем ном слое и, следовательно, с о о т в е т ­
ств ую щ е е изм енение н а п р я ж е н н о с ти э л е к т р и ч е с к о го поля. П о д р у го й г и п о ­
тезе изм енение поля связано с изм енением у с л о в и й о б л уче н и я земли п о т о ­
ка м и , т е ку щ и м и о т солнца.
3. Д л я п р о в е р ки п р а в и л ь н о сти то й или и н о й ги п о т е з ы следует п р о в е сти
изм ерения н а п р я ж е н н о с ти поля во время с о л н е ч н о го затм ения на д о ста то ч н о
б о л ь ш и х вы со та х, на к о т о р ы х призем ны е изм енения п р о в о д и м о с ти воздуха,
не м о гу т ска заться на вел ичин е н а п р я ж е н н о с ти э л е к т р и ч е с к о го поля.
4 . А в т о р о м бы ли п оста вл ены т а ки е изм ерения во время п о л н о го с о л н е ч ­
н о го затмения' 3 0 и ю н я 1954 г . в ра й о н е г . Т и х о р е ц к а . И зм е р е н и я велись
на сп еци а л ьно о б о р уд о ва н н о м Г Г О и Н И И Г В Ф сам олете с л о м о щ ь ю э л е к ­
т р о с т а т и ч е с к и х ф л ю ксм е тр о в с ч у в с тв и те л ь н о сть ю к н а п р я ж е н н о с ти поля:
в атм осф ере о к о л о
3 в/см
на всю ш к а л у и и н е р ц и е й с е к .
[1 ]. П о ка ­
зания п р и б о р о в записы вал ись ш лейф ны м о с ц и л л о гр а ф о м . М е т о д и к а измерения!
позво л ял а и скл ю ч а ть к а к д е йствие э л е к т р и ч е с к о го заряда сам олета, т а к и
и ска ж е н и я э л е к т р и ч е с к о го поля атм осф еры , создаваемые самолетом к а к п р о ­
вод ящ им телом .
И зм ер ен ия п р о и зв о д и л и с ь на вы соте 5 0 0 0 м в весьма ч и с то й атмосф ере.
В р айоне изм ерения о б л а ко в не б ы ло, и р а д и о л о ка то р по ка зы ва л , что в к р у г е
р а д и усо м более 100 к м не отм ечалось зо н о с а д ко в .
5. И зм е р ен ия п р о в о д и л и сь с 15 час. 5 8 м ин . до 17 час. 0 6 м и н . пом о с к о в с к о м у д е кр е тн о м у врем ени (п о л н о е солнечное затм ение началосьв 16 час. 21 м ин . 3 0 с е к. и д л и л о сь 125 с е к .).
Р е зул ь та ты изм ерения приведены в табл. 1 (данны е таблицы осреднены ,
по 2 -м и н утн ы м интервалам и зм ер ени я ).
К а к ви д но из та б л и ц ы , за время изм ерения н а п р я ж е н н о сть поля п р а к т и ­
че с ки не м енялась. О тд ельны е ее изм енения составл яю т не более 2 9 % с р е д 1*
3-
Т абл и ц а
Время
ч а с. м ин.
15
16
16
16
16
16
58
00
02
04
06
08
16
16
16
16
16
16
16
16
16
16
12
14
16
18
20
22
24
26
28
30
16 10
Напряженность
электрического поля
(в/см )
Время
ч а с. м ин.
0,072
0,072
0,072
0,072
0,072
0,072
0,072
0,072
0,072
0,072
0 ,072
0 ,072
0 ,072
0 ,072
0,072
0 ,0 7 2
0,072
16
16
16
16
16
16
16
16
16
16
16
16
16
17
17
17
17
32
34
36
38
40
42
44
46
48
50
52
54
56
00
02
04
06
1
Напряженность
электрического поля
(в /см )
0,072
0,072
0,051
0,072
0,090
0,065
0 ,0 7 2
0,070
0,070
0,070
0,070
0 ,070
0 ,070
0 ,070
0 ,0 7 0
0,070
0,070
н е го значения. О со б о след ует о тм е ти ть , ч то эти изм енения не п р и хо д ятся
на время са м о го затм ения. Н а д о о го в о р и т ь , ч то за ука за н н ы е и нтервалы и зм е­
р е н и й поле л и б о не м енялось, л и бо изм енялось пл авно и м о н о то н н о .
Д л я сравнения приведем данны е Р у ш а [2 ] (п о л у ч е н н ы е в М о н а к о ) об и зм е ­
н е ни и н а п р я ж е н н о с т и поля вб л и зи п о в е р х н о с ти земли во время ч а с тн о го
с о л н е ч н о го затм ения 3 0 и ю н я 1954 г . Н а п р я ж е н н о с т ь поля д о начала за тм е ­
ния кол ебал а сь в п ред ел ах 2 ,9 — 3 ,4 5 в/см и вы росл а до 6 ,6 в/см через
2 0 м и н у т после п р о х о ж д е н и я м акси м ум а затм ения, а затем за 4 0 м и н у т упала
д о 3 ,6 в/см .
6.
И зм енения н а п р я ж е н н о с ти э л е к т р и ч е с к о го поля атмосф еры , отмечаемы е
в б л и зи п о в е р х н о с ти зем ли во время с о л н е ч н ы х затм ени й, связаны , к а к п о к а ­
зы в а ю т р е зу л ь та ты н а ш и х изм ер ени й, в п е р в ую очередь с изм енениям и п р о ­
в о д и м о сти вб л и зи п о в е р х н о с ти зем ли.
ЛИ ТЕРАТУРА
1. И м я н и т о в И. М., К у л и к М. М., Ч у в а е в 1 А. П. Опыт исследования про^овых
зюн в южных районах Европейской территории Союза ССР и в Закавказье.
Труды ГГО, вып. 67 (129). 1956.
2. R o u c h J. Observations du champ electrique de Ij’atmosphere faites a Monaco pen­
dant I’eclipse partielle du Soleil du 20 ]uin 1954. C. R. Ac. Sci. Paris. 239. 1954.
и. м. имянитов
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОЛЯ В МОЩНЫХ КУЧЕВЫХ И ГРОЗОВЫХ
ОБЛАКАХ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДАННЫХ О НИХ ДЛЯ ОБХОДА
САМОЛЕТАМИ ГРОЗ
На основании оригинальных данных о значении электростатических
полей в мощных куче вы х облаках и об изменениях поля при ударах
молнии в грозовы х облаках в статье даются рекомендации, позволяющие
эффективно использовать прибор — грозообходчик, служ ащ ий для преду­
преждения о подходе самолета к грозовы м облакам.
1. Введение
В о з м о ж н о с т ь и сп ол ьзова ни я пр и б о р а „г р о з о о б х о д ч и к " , о с н о в а н н о го на
изм ерени и н а п р я ж е н н о с ти э л е к т р о с т а т и ч е с к и х полей для об хо д а гр о з са м о ­
летам и, те сно связана с соо тно ш е ни е м н а п р я ж е н н о с т и э л е к т р о с т а т и ч е с к о го
п о л я в гр о з о в ы х о б л а ка х и н а п р я ж е н н о с ти э т о го поля в м о щ н ы х к у ч е в ы х
о б л а ка х , л и в н я х и т . п. [ 1 ] .
Д л я э ф ф е кти в н о го и сп о л ь зо ва ни я гр о з о о б х о д ч и ка не о б х о д и м о , чтобы
с п о м о щ ь ю п р и б о р а м о ж н о бы ло уве р е н н о о тл и ч а ть поле гр о з о в о го об л ака
о т по л ей д р у г и х об ра зова ни й в атмосф ере.
Д а л ь н о с т ь у в е р е н н о го „о б н а р у ж е н и я " гр о з о в о го об л ака определяется,
т а ки м об р а зо м , д вум я ф а кто р а м и :
^
1) в е л и ч и н о й н а п р я ж е н н о с ти поля гр о з о в о го об л ака и ее зави си м о стью
о т р а ссто ян и я ;
2 ) ве л и ч и н о й н а п р я ж е н н о с ти поля о т д р у г и х о б л а ко в , о са д ко в и п р о ч и х
о б р а зо в а н и й в атмосф ере.
Н а р и с . 1 привед ена схем а, и л л ю с тр и р у ю щ а я это п о л о ж е н и е . З о н а I,
очерченная кр и в ы м и / и 2 , х а р а к т е р и з у е т убы вание поля с расстоянием для
р а зл и ч н ы х гр о з о в ы х о б л а ко в .
К р и в а я 1 с о о т в е т с тв у е т на иболее б ы с т р о м у уб ы в а ни ю поля, кр и в а я 2 — н а и ­
менее м едленном у. П рям ая 3 , проведенная на у р о в н е н е ко т о р о й гр а н и ч н о й на п ря ­
ж е н н о с т и поля
дает на иб о л ьш и е значения н а п р я ж е н н о с ти э л е к т р о с т а т и ­
ч е с ко го пол я, отмечаем ы е в н е гр о зо в ы х о б л а ка х , о с а д ка х и т . п. И з—схем ы
р и с . 1 с л е д у е т ч т о гр о зо в ы е о б л а ка б у д у т уве р е н н о ф и кси р о ва ть ся п р и б о ­
р о м на р а с с то я н и я х < 1'^^, гд е
— н е ко т о р о е гр а н и ч н о е р а ссто яни е . Н а р а с ­
с то я н и я х в п ред ел ах
п о ка за н и я гр о з о о б х о д ч и ка для о б н а р у ж е н и я
гр о з м о ж н о и сп о л ь зо в а ть , н о в ряде случаев за гр о зо в ы е об л ака б у д у т п р и ­
ним аться д р у ги е вид ы о б л а ко в . Н а ко н е ц , на р а с с то ян и я х , б о л ь ш и х /"р, и с п о л ь ­
зование гр о з о о б х о д ч и к а для о б н а р у ж е н и я гр о з о в ы х о б л а ко в нецелесооб разно.
Д л я о ц е н ки ве л ичин ы
о ч е ви д н о , н е о б хо д и м о п р о в е сти и зм ерения э л е к т р о ­
с та ти ч е с к и х п о л е й , создаваем ы х гр о з о в ы м и о б л акам и на р а з л и ч н ы х р а с с т о я -,
н и я х , м о щ н ы м и ку ч е в ы м и о б л акам и, ливням и и т . д . П р и этом надо и м е ть
в в и д у , ч то значение Е^^ вы бирается из д а н н ы х н е к о т о р о го с та ти сти ч е ско го .
■распределения. / Чем б ол ьш и м вы б рано
тем менее вер о ятн о , ч то п и л о т
самолета п р и м е т о ш и б о ч н о -како_е-то облачное образование в атмосф ере за
гр о з о в о е о б л а ко , в то ж е время расстояние у в е р е н н о го о б н а р у ж е н и я 4 р
б у д е т ум е н ь ш е н о . С д р у го й с то р о н ы , чем м еньш им вы б рано Е^^, тем больш е
б у д е т р а ссто ян ие 1'^^, на к о т о р о м п и л о т отм ечает п р и б л и ж е н и е к г р о з о ­
в о м у о б л а ку , но в то ж е время п и л о т чащ е б уд е т п р и н и м а ть не гр о зо в ы е
о б л а ка за гр о зо вы е .
П р а в и л ь н ы й вы бор Е^^ м о ж е т б ы ть прои зведен т о л ь ко на о с н о в а н и и д а н ­
н ы х о ве р о я тн о с тн о м распределении
н а п р я ж е н н о с ти
э л е кт р о с та т и ч е с ки х
полей в р а з л и ч н ы х о б л а ка х , осад ках
и т. п.
С ледует у ч е с ть , ч то б о л ь ш и е поля
в пери од гр о з , к а к пр а в и л о , связаны
(п о м и м о са м и х г р о з ) т о л ь к о с м о щ ­
ны м и куч е в ы м и и л ивневы м и об л а­
ка м и [ 1 ]. П о э т о м у анализ величин
полей следует п р о в о д и т ь т о л ь к о для
э т и х видов о б л а ко в . К о гд а го в о р и т с я
о различен ии э л е к т р и ч е с к и х полей
гр о з о в о го об л ака и д р у г и х о б р а зо ­
ваний в атмосф ере, надо им еть в
в и д у , ч то отл и чи е и х м о ж е т п р о я в ­
ляться не т о л ь к о в а б со л ю тн ы х ве­
л и чи н а х н а п р я ж е н н о с ти поля. В м о щ ­
Рис. 1. к расчету расстояния уверен­
ного обнаружения поля грозы.
н ы х к у ч е в ы х о б л а ка х , н а прим ер,
б ол ьш и е
значения
н а п р я ж е н н о с ти
п о л я м о гу т встр е ча ться т о л ь ко в зо н а х м алой п р о т я ж е н н о с т и , в т о время к а к
по л я о т гр о з о в ы х о б л а ко в пл а вно у б ы в а ю т с удалением о т п о с л е д н и х . Э то
о б сто я те л ь ств о м о ж е т б ы ть и сп о л ь зо ва н о для и скл ю че н и я влияния б о л ьш и х
полей в м о щ н ы х к у ч е в ы х о б л а ка х на о б н а р у ж е н и е гр о з , т . е. для у м е н ь ш е ­
н и я Е^^ и уве л и че ни я
Тем ж е целям м о ж е т п о с л у ж и т ь и сравнение на правлений поля наряду
■со сравнением а б со л ю тн ы х вел ичин е го н а п р я ж е н н о с т и . Е сл и , наприм ер,,
о к о л о ли вне вы х об л аков поле об ы чн о п о л о ж и те л ь н о , а о к о л о гр о з о в ы х о т р и ­
ц ательно, то это опять м о ж е т б ы ть и сп о л ь зо в а н о для сн и ж е н и я Е^^ и с о о т ­
в е тс тв е н н о го уве ли чени я
х о т я абсолю тны е значения н а п р я ж е н н о с ти поля
вб л и зи л и вне вы х о б л а ко в об ы чно весьма в е л и ки .
П р и и сп о л ь зо ва н и и д а н н ы х о, п о л я х для о б хо д а гр о з надо т а кж е иметь
в в и д у , ч то э л е кт р о с та т и ч е с ко е поле о т гр о з о в ы х о б л а ко в п о д в е р ж е н о часты м
и р е зки м изм енениям , связанны м с ударам и м олний -и вы зы ваем ы м и ими
изм енениям и в вел ичин ах зарядов, с о зд а ю щ и х поле.
В сл ед за уд а р о м м о л ни и пол е за н е с к о л ь ко с е ку н д восстанавливается
до сво е го пе р в о на ча л ьн о го значения [ 2 ].
О чеви ц н о, что эти изм енения поля т а кж е м о гу т сказаться на Е^^ и
Д л я т о г о что б ы изм енения поля не сн и ж а л и с ущ ествен но
и зм ерительны й
п р и б о р д о л ж е н к а к и м -т о с п о со б о м и скл ю ч а ть и х . Ч то б ы сделать п р и б о р ,
с п о со б н ы й п р о и зв о д и ть это , н е о б х о д и м о зна ть к а к о тн о с и те л ь н у ю вел ичину
изм енений поля, т а к и п р о д о л ж и те л ь н о с ть и х во врем ени.
В на стоящ ей раб оте ра ссм отрена т о л ь к о часть з а т р о н у т ы х в о п р о со в .
Б ней исследованы эл е ктр и ч е с ки е поля м о щ н ы х к у ч е в ы х об л а ко в и изм ене­
ния поля в гр о з о в ы х О блаках п р и у д а р а х м ол ни й.
6
П о л я ,. сущ е стве н н о м еш аю щ ие раб о те гр о з о о б х о д ч и ка , м о гу т встречаться
т а к ж е и в л и вне вы х о б л а ка х [ 1 ] . Э т о т ■в о п р о с п о д л е ж и т р а ссм о тр е н и ю
в отд е л ь н о й раб оте.
2, Электрические поля мощных кучевых облаков
Э л е ктр и ч е с ки е по л я м о щ н ы х к у ч е в ы х о б л а ко в исследовались во время
со вм е стн о й э кс п е д и ц и и , Г Г О и Н И И . Г В Ф в 1953 — 1954 г г . П рим енявш и еся
в и ссл е д о в а ни я х м е те о р о л о ги ч е ска я а п п а р а тур а и о б о р у д о в а н и е , а т а к ж е
м е те о р о л о ги ч е ска я о б с т а н о в ка , в к о т о р о й пр о в о д и л и с ь исследования, описаны
в с т а т ь е ,[ 3 ]- А п п а р а т у р а и м е то д и ка исследования э л е к т р и ч е с к и х полей
о п и са н ы в р а б о те [4 ].
В .настоящ ей р а б о те а н а л и зи р у ю тся данны е, полученны е на основани и
.анализа о с ц и л л о гр а м м , с н я ты х во время п о л е т а в 90 м о щ н ы х к у ч е в ы х о б л а ка х .
О бщ ая к а р т и н а распред ел ения э л е к т р и ч е с к и х п олей в м о щ н ы х к у ч е в ы х
о б л а ка х м о ж е т б ы ть в схе м а ти че ско м виде представлена сл ед ую щ им об разом .
1. В о б л а ке с у щ е с тв у е т э л е кт р о с та т и ч е с ко е пол е, о б ы чн о п о л о ж и те л ь н о е
^(т. е.. на п ра вл ен но е с в е р х у в н и з ). Э т о поле создается ко н ц е н тр и р о в а н н ы м и
о б ъ е м н ы м и зарядам и — п о л о ж и те л ь н ы м , ра сп о л о ж е н н ы м в ве р хн е й части
об л а ка , и о тр и ц а те л ь н ы м , р а сп о л о ж е н н ы м в его н и ж н е й части (р и с . 2 ).
2. Н а о сн о в н о е поле о х в а т ы в а ю лцее все о б л а ко ,
на кл ад ы ва ю тся
эл е кт р и ч е с ки е поля о т о б ъ е м н ы х
.зарядов р а зн ы х зн а ко в , х а о т и ч н о
р а ссе я нн ы х п о все м у о б ъ е м у облака.
С редние поля в м о щ н ы х к у ч е в ы х
о б л а ка х м о гу т п о э т о м у весьм а зн а ­
ч ите л ьн о отл и ч а ть ся о т э к с тр е м а л ь ­
ны х.
В та б л . 1 п р и в о д я тс я сведения
о с о о тн о ш е н и и ср е д н и х зн ачен ий н а ­
п р я ж е н н о с ти поля в и ссл е д о в а н н ы х
-облаках.
Э т и ж е данны е нанесены на
р и с. 3 (к р и в а я I ) .
И з р и с у н к а и таб л и ц ы сл е д уе т,
ч то в е р о я тн о с ть появления с р е д н и х
полЁй,
напряж енностью
больш е
10 в/см , соста вл яет все го о к о л о
10®/о о б щ е го числа.
О тм еченны е
-значения о тр и ц а те л ь н о го по л я т а кж е
Рис. 2. Схематическая модель элек­
связаны с м алы м и п о л я м и ; т о л ь к о в
трической структуры мощного куче­
2 , 2 % случаев отм ечал и сь п о л я , по
вого облака.
а б со л ю тн о й вел ичине п р евы ш авш ие
10 в/см ( — 16,5 и — 21 в /с м ).
Б о л ьш и е значения средней н а п р я ж е н н о с ти поля (б о л ь ш е + 5 0 в/см и зна*
чител ьны е о т р и ц а те л ь н ы е ) бы ли изм ерены в о б л а ка х , в к о т о р ы х у ж е н а б л ю ­
дал ось радиоэхо.
К р и в а я 2 (р и с . 3 ) д ает в е р о я тн о с тн о е распределение ср е д н и х значений
н а п р я ж е н н о с ти поля в о б л а ка х т и п а С и s im p l [ 5 ] . К а к ви д н о , в о б щ и х ч е р ­
т а х в о б о и х ви д а х о б л а ко в э л е кт р и ч е с ки е поля и м е ю т о д и н а ко в ы е значения.
И н ы м и словам и, изм енение то л щ и н ы к у ч е в ы х о б л а ко в м ало сказы вается
на значен ии средней н а п р я ж е н н о с т и пол я в н и х . И с кл ю ч е н и е составляет
т о л ь к о увел и чиваю щ а яся с повы ш ением то л щ и н ы о б л а ко в в е р о я тн о с ть в стр е чи
о т р и ц а т е л ь н ы х значений.
Таблица
Значения средней
напряженности поля (в /см ) в
мощных кучевых облаках
о
1
1
ю
1
1
р
12 ■ Я
7
о
1
12
Вероятность ( % ) данного ин­
тервала значений поля . . . 20,0 3 3 .4 8 ,9 2,2
8
1
ю
04.
О
ю
1
о
1
S
1
8
7
о-
1,1 3 ,3 1.1 1,1 0 ,0
1,1
2 7 ,8
Распределение м а кс и м а л ь н ы х зн а ч е н и й н а п р я ж е н н о с ти поля в м о щ н ы х
к у ч е в ы х о б л а ка х им еет н е с к о л ь ко и н о й ви д (т а б л . 2 ) .
Э т и ж е данны е представлены
на р и с . 4 . К а к в и д н о из р и с у н к а
и таб л и ц ы в м о щ н ы х к у ч е в ы х о б ­
л а ка х встречаю тся поля н а п р я ж е н ­
%
н о с т ь ю б ол ьш е 10 в/с м п о ч ти в
30
5 0 % сл учаев, а н а п р я ж е н н о с т ь ю
больш е 30 в/с м в 15®/о сл учаев.
%
I
20
10
i
60
\
SO
\ \
\ \
W
30
\
\
О
V
20
—
г-чCS СЬ rv
R>
са C\J C
СV
Ь5 1с>
^5
<м
10
I
С
Рис. 3. Повторяемость средних значений Е
в мощных кучевых облаках.
£И
0-10 10-20 20-30 30-4040-50 >50 Е
Рис. 4. Повторяемость макси­
мальных значений Е в мощных
к}Д1евых облаках.
Таблица 2
Значения максимальной
напряженности поля (в/см ) в
мощных кучевых облаках
Вероятность (О/о) данного интер­
вала значений п о л я ................. ....
0 -1 0
1 0 -2 0
2 0 -3 0
3 0 -4 0
4 0 -5 0
50
51, 2
18,9
14,5
6 ,7
3 ,2
5 ,5
Н е о д н о р о д н о с ть полей в о б л а ка х п р и т а ко й ра зн и ц е м е ж д у средним и и:
экстр ем ал ьны м и значениям и д о л ж н а б ы ть весьм а зн ачи тел ьн ой.
Д е й с тв и те л ь н о , если за парам етр Р , х а р а к т е р и з у ю щ и й неод нород н ость»
п р и н я ть
р
^макс
__ р
^мин
-ср
.где ^Бмакс . ^м ин И Яср — с о о тве тстве н н о м аксим ал ьн ое, м иним альное и ср е д ­
нее значения н а п р я ж е н н о с ти поля в о б л а ке , т о значения Р о ка зы ва ю тся р а в ­
ны м и н е с к о л ь ки м единицам , ча сто д о х о д я до 10, а в одном случае д аж е
д о 80.
В м о щ н ы х к у ч е в ы х о б л а ка х экстр ем ал ьны е значения пол я об ы чн о с в я ­
заны с зона м и д о с т а то ч н о м ал ы х р азм еров.
П о данны м о р а зм е р а х зо н э кс тр е м у м о в поля в м о щ н ы х к у ч е в ы х о б л а ­
к а х п о с тр о е н о в е р о я тн о с тн о е распределение п р о т я ж е н н о с т и зо н э к с тр е м у м о в
%
60
50
/
\
W
/
30
4
^
20
10
\
Ч
I
с:>
1
1
м
сь
С5
1
1
1
?!
I
§
С>
1л
'3-
Рис. 5. Повторяемость линейных размеров зон экстремальных значе­
ний £ в мощных кучевых облаках.
Размеры струй по данным: 1 — акселерографа, 2 — о заряде самолета,
3 — 0 напряженности электростатического поля.
(к р и в а я 3 на р и с . 5 ) . В п о с тр о е н и и к р и в о й испол ьзова ны данны е п р и м е р н о
о 1 0 0 0 э к с тр е м у м а х .
И з к р и в о й ви д н о , ч то м аксим ал ьная п р о т я ж е н н о с т ь зо н э к с тр е м а л ь н ы х
зна чен ий не пр е в ы ш а е т 40 0 м , а наиболее вероятны е п р о т я ж е н н о с т и л е ж а т
в и нте р ва л е 50 — 100 м.
Т а к к а к п р и и ссл е д о в а н и я х сам о л ет м о г п р о х о д и т ь к а к через центр зо н ы ,
т а к и через ее к р а й , т о п р ивед енны е данны е о п р о т я ж е н н о с т и зо н являю тся
н е с к о л ь к о • з а н и ж е н н ы м и . Е с л и с ч и та ть, ч то го р и зо н та л ь н ы е с е ч е н и я , зон
э кс тр е м а л ь н ы х зн а че н ий поля и м е ю т в и д к р у г о в , т о э т у о ш и б к у м о ж н о
у ч е с т ь [ 6 ] . В это м сл учае сред ние р азм е р ы экс тр е м а л ь н ы х з о н л е ж а т в п р е ­
д е л а х 8 0 — 120 м . Р а зм еры з о н экс тр е м а л ь н ы х значен ий н а п р я ж е н н о с ти поля,
те сн о связаны с разм ерам и з о н в о с х о д я щ и х и н и с х о д я щ и х п о т о к о в в об лаке.
Н а том ж е р и с . 5 дан о распределение разм еров с т р у й (к р и в а я 1 ) , п о л у ч е н ­
н о е по д анны м а ксе л ьр о гр а ф а с э л е к т р и ч е с к о й р е ги с т р а ц и е й , д а т ч и к к о т о ­
р о г о бы л у с та н о в л е н в ц ентре т я ж е с т и сам олета, п р о и зв о д я щ е го и ссл е д о ­
вания.*
' Дианые получены в упра;вл]яемом полете, хотя управление было «зажато», по­
этому ИМ1И МОЖ1ИО пальэав 1аггьея лишь для приближенной оценки размеров восходя­
щ их и нисходящих потакав.
9'
К а к ви д но , обе к р и в ы е и м е ю т п од об но р а с п о л о ж е н н ы е м а кси м ум ы и д а ю т
п р и м е р н о од и н а ко вы е предельны е разм еры зо н .
Э та тесная связь м е ж д у разм ерам и зо н . э к с тр е м а л ь н о го значения, н а п р я ­
ж е н н о с т и поля и разм ерам и с т р у й связана, п о -в и д и м о м у , с не о д но р о д н о стям и
-В раслределении ч а сти ц п о разм ерам и ко н ц е н тр а ц и и в с т р у я х и связанной
с этим р а зл и ч н о й п л о т н о с т ь ю э л е к т р и ч е с к о го о б ъ е м н о го заряда в н и х .
М ы не р а сп о л а га л и а п п а р а ту р о й , позвол яю щ ей . д о с т а то ч н о б ы с тр о р е ги ,'Стрировать с п е кт р разм еро в ка п е л ь , и х ко н ц е н т р а ц и ю или х о т я бы в о д н о с ть.
Есм
80
60
40
‘ 20
О
!Й
-2 0
-и о
-6 0
-8 0
-1 0 0
-1 2 0
-1 4 0
О
40
80
120
160
200
240
280
320
360ём
Рис.. 6. Связь между масштабом неоднородности и электри­
ческим полем облаков.
Д л я п р о в е р ки вь 1С казанного п р е д п о л о ж е н и я п р и ш л о с ь п р и б е гн у т ь к данны м
о заряде сам олета, р е ги стр и р о в а в ш е м с я во врем я и сследовани й.
З ар яд самолета з а в и си т о т м н о ги х ф а кто р о в (с к о р о с т и п о л ета, т и п а с а м о ­
л е та , м атериала п о к р ы т и я , ти п а д ви га те л е й , с в о й ств среды и т . п . ) , н о если
?все оста л ьны е ф а кто р ы с ч и та ть неизм енны м и, т о заряд, п ри об ретаем ы й сам о­
летом в о б л а ка х , б уд е т на хо д и ть ся в н е ко т о р о й ф у н кц и о н а л ь н о й зави си м о сти
^от ко н ц е н т р а ц и и и р азм ер о в ч а сти ц в о б л а ка х.
И зм енения к а к к о н ц е н т р а ц и и , т а к и с п е кт р а разм еро в ча с ти ц б у д у т с о п р о гвож даться изм енениям и заряда самолета.
К р и в а я 2 на р и с. 5 дает в е р о я тн о с тн о е распределение разм еро в з о н
э кс тр е м а л ь н ы х значений заряда самолета. К а к следует из сопоставлен ия в с е х
т р е х к р и в ы х р и с . 5, о н и во м н о го м п о д о б н ы , и , следовательно, изм енения
ко н ц е н т р а ц и и и с п е кт р а ка п е л ь в с т р у я х , п р о н и зы в а ю щ и х м ощ ное куч е в о е
о б л а ко , вы зы ва ю т с о о тв е тс тв у ю щ и е изм ёнения э л е к т р и ч е с к о го по л я в нем.
10
П ре д став л я е тся весьм а сущ е ствен ны м о ц е н и ть , к а к связаны экстрем альны е
зн а ч е н и я н а п р я ж е н н о с т и по л я с разм ерам и з о н , в к о т о р ы х о н и наблю даю тся.
■ Корреляционная связь м е ж д у эти м и вел ичинам и м о ж е т б ы ть п о л у че н а по д а н ­
н ы м р и с . 6. Н а гр а ф и к е п о о си аб сц исс о тл о ж е н ы разм еры н е о д н о р о д н о с те й
в м е тр а х, а п о оси о р д и н а т — экстре м а л ьны е значения н а п р я ж е н н о с ти э л е к­
т р о с т а т и ч е с к о го поля в в /см , связанны е с с о о тв е тс тв у ю щ и м и н е о д н о р о д гНОСТЯМИ.
К а к следует из гр а ф и ка , на иб ольш и е значения пол я связаны в основном
-с зо на м и п р о т я ж е н н о с т ь ю 5 0 — 150 м и т о л ь к о в р е д к и х с л уча я х — с зонам и
п р о т я ж е н н о с т ь ю п о р я д ка 2 0 0 м . О б ы ч н о в зо н а х п р о т я ж е н н о с т ь ю более
150 м экстр е м а л ь н о е п ол е не п ревы ш ает 1 0 — 15 в /с м ; отдельны е случаи
•б о л ь ш и х по л е й, к а к пр а в и л о , связаны с п о л о ж и те л ь н ы м и полям и.
В зо н а х п р о т я ж е н н о с т ь ю более 150 м экстр е м а л ьны е н а п р я ж е н н о с ти п о л я ,
п р е в ы ш а ю щ и е 10 в/с м , вс тр е ч а ю тс я в 1 4 % случаев, а п р ев ы ш аю щ ие 15 в/см —
зв 6®/о сл уча ев, если за 100®/о п р и н я т ь число экс тр е м а л ь н ы х значен ий поля,
-В стреченны х в зо н а х с л и ней н ы м и разм ерам и б ольш е 150 м. С ущ ественн о
о т м е т и т ь , ч то в зо н а х , п р е в ы ш а ю щ и х 150 м, экс тр е м а л ь н ы е о тр иц ател ьны е
поля н а п р я ж е н н о с ть ю более 10 в/с м (п о а б с о л ю т н о м у зн а ч е н и ю ) в стр е ч а ю тся
в с е го в 3 % случаев, а о т р и ц а т е л ь н ы х п ол ей б о л ь ш е — 18 в/см вообщ е
:не бы ло о тм ечено.
П о д в о д я и т о г э т о м у р а зд е л у, сл е д уе т о т м е т и т ь д ва о б сто я те л ь с тв а :
1) средняя н а п р я ж е н н о с ть пол я в м о щ н ы х к у ч е в ы х о б л а ка х т о л ь к о в Ю®/^
в с е х сл учаев п р е в ы ш а е т 10 в/см ,
2 ) экстр ем ал ьны е значения н а п р я ж е н н о с т и поля в м о щ н ы х к у ч е в ы х об л а­
к а х в 50®/о сл учаев м о гу т п р е в ы ш а ть значение 10 в /с м , о д н а ко , к а к п р а ­
в и л о , линейны е разм еры зо н ы , о хва ч е н н о й т а к и м и пол ям и, не б у д у т п р е в ы ­
ш а т ь 150 м. Б о л ь ш и е зо ны э к с тр е м а л ь н ы х п ол ей связаны ,' к а к пр а в и л о ,
■с пол ям и, не п р е в ы ш а ю щ и м и 1 0 — 15 в /см .
3. Изменения электростатических полей при ударах молний
С ил ьно е э л е кт р о с та т и ч е с ко е пол е гр о з о в ы х о б л а ко в и сп ы ты в а е т р е зки е
изм енения во время уд а р о в м о л н и й . П о сл е уд а р а м о л н и и поле м о ж е т либо
у м е н ь ш и ть с я , л и бо у в е л и ч и т ь с я ; и н о гд а поле в о зр а ста е т после уд а р а в д е ­
с я т к и раз. Затем сл е д уе т п о с те п е н н о е изм енение поля д о п е р в о н а ч а л ьн о го
значения [ 2 ] .
Э т и изм енения поля, вы зы вая изм енения п о ка за н и й гр о з о о б х о д ч и к а , м о гу т
д е зо р и е н ти р о в а ть п и л о та , в е д ущ е го сам олет вб л и зи гр о з о в ы х о б л а ко в .
Е сл и пол е возр а ста е т п осл е уд ар а м о л н и и , п и л о т м о ж е т преж девре м ен но
н а ча ть р а зво р а чи ва ть сам олет.
Е с л и изм енение по л я в о з н и к а е т во врем я р а зв о р о та сам олета, п и л о т
м о ж е т о ш и б о ч н о с ч и та ть , ч т о но вое на правление опаснее п р е д ы д у щ е го , т а к
к а к о д н оврем енно с п о в о р о то м п ол е начало в о з р а с т а ть .
Е с л и поле падает посл е уд а р а м ол ни и, э т о м о ж е т б ы ть о ш и б о ч н о п р и ­
п и с а н о уд а л е н и ю сам олета о т гр о з о в о го о б л ака.
Д л я т о г о ч то б ы и зб е ж а ть влияния изм енен ий поля п р и у д а р а х м ол ни й
на н а д е ж н о с ть п о ка за н и й п р и б о р а , м о ж н о к р и в у ю 1 (р и с . 1) о п у с т и т ь на
н е к о т о р у ю в е л и ч и н у, с о о т в е т с т в у ю щ у ю м а кс и м а л ь н о м у ' с н и ж е н и ю поля п р и
у д а р а х м о л н и и . Э т о т п у т ь ведет к зн а ч и те л ьн о м у у м е н ь ш е н и ю 1^^, ч то кр а й н е
не ж е л а те л ь н о .
В л и я ни е изм енений поля на в е л и ч и н у
м ож но та кж е искл ю чить, исполь­
з у я т о о б сто я те л ь с тв о , ч т о э т и изм енения длятся ср авн ител ьн о; н е д о л го .
i Н а риС; 7 а , б п ре д ста вл ен о распределение о т н о с и те л ь н ы х изм енений
п о л я п р и у д а р а х м о л н и й . М а те р и а л ы по л уче н ы во время у ж е уп о м и на вш е й ся
э к с п е д и ц и и [ 3 ] . П о оси абсцисс о тл о ж е н ы и нтервалы о тн о с и те л ь н ы х и зм е­
11
не ни й н а п р я ж е н н о с ти поля п р и у д а р а х м о л н и й ; £■ — значение н а п р я ж е н н о с т и
пол я, п р е д ш ествую щ е е у д а р у м о л н и и , а A f — изм енение н а п р я ж е н н о с ти п о л я ,
сл ед ую щ ее н е п о ср е д ств е н н о за око нч а н и е м м о л н и и . П о о си о р д и н а т о т л о ­
ж е н о наблю денное числ о о т н о с и те л ь н ы х и зм енений поля, л е ж а щ и х в за д ан­
но м интер вал е . Г р а ф и ки на р и с . 7 а , б п о стр о е н ы по данны м об и зм енен иях
N
8С
70
N 350 300
а)
60
6)
250 ■
200 - Ж
50
40
150 - ’5
100 - 10
30
20
10
О
X
12
TL tTHI
10
50 - 5
6)
8 -о
■830
9р ° °
6 о
л
о
2
О
8
10
12
14 Е
Рис. 7. Зависимость времени восстановления поля после
удара молнии от относительного изменения напряженно­
сти поля при ударе молнии: а , б — повторяемость зна. Д£
чении —РГ- при ударах молнии; в представляет
Е
собой t = f
по л я п р и
4 9 3 м о л н и я х,
п ол ученн ы м
(т
п р и и сследовании 14 гр о з .
Для удоб­
ств а р ассм о тр е н и я данны е об изм енен иях поля в м алы х и н те р ва л а х
= 0 - ^ 2 ^ п ред ставл ены на отд ельном гр а ф и ке (р и с . 7 а ) .
•
=
Н а р и с . 7 б д аны
Д£
изм енения по л я в и нте рва л е изм енений н а п р я ж е н н о с т и поля ^
= 0 -^ 1 0 .
Д л я и нте р ва л о в О— 1 и 1 — 2 на р и с . 7 б взя т м а сш та б (ш к а л а слева
о т о си о р д и н а т ), в 10 раз м е н ь ш и й , чем для о с та л ьн ы х и н те р ва л о в (ш ка л а
справа о т оси о р д и н а т ).
И з п р и ве д е н н ы х гр а ф и ко в ви д н о , ч то о тн о си те л ь н ы е изм енения пол я
б о л ьш е 5 в стр е ч а ю тся не более чем в 7,5®/о случаев. С ледует о тм е ти ть еще
о д н о о б с т о я т е л ь с тв о ; б о л ь ш и е о тн о си те л ь н ы е с к а ч к и п о л я отм ечаю тся т о л ь ко
на о ч ен ь зн а ч и те л ь н ы х р а с с то я н и я х о т гр о з о в ы х о б л а ко в , гд е абсо л ю тны е
значения поля д о уд а р а м о л н и и очень малы и с о о тв е тс тв е н н о не вел и ки
12
и зм е нен ия н а п р я ж е н н о с ти поля п осл е уд а ра м о л н и и . В н е к о т о р о й сте пе ни это
п о л о ж е н и е м о ж е т и л л ю с тр и р о в а ть с я д анны м и, п р и вед ен ны м и на р и с . 7 6 .
Распределение
,
приведенное На рис. 7 а , б , в отдельных грозах
м о ж е т н е с к о л ь ко м еняться, но не н а с т о л ь к о , ч то б ы изм енился сделанны й
в ы в о д о т о м , ч т о о тн о си те л ь н ы е изм енения поля, п р е в ы ш а ю щ и е 5, д о с т а ­
т о ч н о р е д ки и связаны с м алы м и по л ям и.
С ледую щ ее не п о ср е д с тв е н н о за уд а р о м м о л ни и изм енение поля с о п р о ­
в о ж д а е тс я о т н о с и те л ь н о медленны м восстановлением поля д о пер в о на ча л ьн о го
зн а ч е н и я . Э т о во сста новл ени е им еет экс п о н е н ц и а л ь н ы й х а р а кте р [ 2 ] . П о э т о м у
врем я э т о го восста новл е ни я у д о б н о х а р а кте р и зо в а т ь временем р е л а кса ц и и х —
вре м енем , тр е б у ю щ и м с я для т о г о , ч то б ы н а п р я ж е н н о с ть поля отличалась
на
в е л и ч и н у - ^ = 0 ,3 7
о т о к о н ч а т е л ь н о го
ее значения,
к
котором у
она
с тр е м и тс я . За время 7 = 4 ,6 1 t н а п р я ж е н н о с ть поля б уд е т о тл и ч а ть с я на 1®/о
о т о ко н ч а т е л ь н о й .
В е р о я тн о с тн о е р аспред ел ение врем ени р е л а кс а ц и и по данны м о в о с с та н о ­
в л е н и и поля после 113 уд а р о в м о л ни и дано на р и с. 8. П о оси аб сц исс о т л о ­
ж е н ы инте рва л ы -с в с е ку н д а х ,
п о о с и о р д и н а т — ч и сл о случаев
N
20
с временем р ел акса ц и и т, с о о т в е т ­
с тв у ю щ и м д а н н о м у и н те р ва л у.
iS
З начения т > 1 0 с е к. в с т р е ­
чаю тся чре звы чай но р е д к о . Н а и ­
10
б о л ьш ее значение х не п р е в ы ­
ш а е т 33 с е к.
С реднее зн а ч е ­
ние X и з в с е х случаев равно
3 ,6 с е к. Ч и сл о сл учаев, к о гд а
х > 10 с е к ., составл яет в с е го 5®/о
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Юг
о б щ е го числ а сл уча ев, а числ о
с л у ч а е в с х > 15 се к. составл яет
Рис. 8. Вероятностное распределение х.
в с е го о к о л о 3 % .
Н е т о п р ед ел е нно й связи м е ж д у о тн о си те л ь н ы м изм енением поля после
у д а р а м о л н и и и с о о тв е тс тв у ю щ и м временем ре л а кса ц и и . Э то у тв е р ж д е н и е
сл е д уе т из д а н н ы х, пр е д ста вл е н ны х на р и с . 7 в.
П о оси абсцисс на это м р и с у н к е о т л о ж е н ы значения
, п о оси о р д и ­
н а т — время р е л а кс а ц и и х. О тм еченны е п р и о т д е л ь н ы х у д а р а х м олни и о т н о ­
сител ьны е изм енения поля и с о о т в е т с тв у ю щ и е им времена х (в с е ку н д а х )
с л у ж а т к о о р д и н а т а м и т о ч е к на гр а ф и ке .
М о ж н о в первом п р и б л и ж е н и и с ч и т а т ь , ч то обе х а р а к т е р и с т и к и не зави ­
сим ы . О тс ю д а с л е д уе т вы вод , ч то в е р о я тн о с ть случая, к о гд а б о л ьш ое и зм е ­
нение поля с о п р о в о ж д а е тс я б ол ьш и м временем р е л а кс а ц и и (в а р и а н т, н а и б о ­
лее м е ш а ю щ и й и сп о л ь зо ва н и ю г р о з о о б х о д ч и к а ), весьма н е вел и ка и составляет
д о л и п р о ц е н та .
Т а ки м об р азо м , сл ед ует сделать сл ед ую щ ие вы в од ы :
1) время р е л а кса ц и и поля после уд а р а м ол ни и составл яет в среднем
о к о л о 4 с е к. Ч и с л о случаев с х > 10 с е к. составл яет не более 5 % о б щ е го
числа сл учаев;
2 ) о тн о с и те л ь н ы е изм енения
пол я, сл ед ую щ и е с р а зу за у д а р о м м о л ­
н и и , к а к п р а в и л о , не п р е в ы ш а ю т н е с к о л ь к и х ед и ни ц.
С л уч а и ^ > 5 н е п р е Д£
вы ш а ю т 7,5®/о о б щ е го числа сл учае в. Б о л ь ш и е значения
( > 2 ) связаны
со значениям и
( • < 10 в /с м ).
напряж енности
поля,
не
п рев ы ш аю щ им и
не ско л ьки х
в/см
13
Заклю чение
1. С реднее значение н а п р я ж е н н о с т и поля в м о щ н ы х к у ч е в ы х о б л а ка х не:
п р евы ш ает 10 в /с м , п о э т о м у э т о значение м о ж е т б ы ть вы б рано за
2 . Б о л ьш и е экстр е м а л ь н ы е значения н а п р я ж е н н о с ти поля в м о щ н ы х к у ч е ­
в ы х о б л а ка х в стр е ч а ю тся в н е б о л ь ш и х зо н а х , п р о т я ж е н н о с т ь ю до 150 м .
С ам ол ет, л етящ и й со с к о р о с т ь ю 2 7 0 — 5 4 0 км /ч а с , п р о й д е т т а к у ю з о н у
за 2 — 1 се к. Е с л и в п р и б о р — гр о з о о б х о д ч и к — ввести элем ент, уве л и ч и в а ю -ш и й е го и не р ц и ю и делаю щ ий ее р а в н о й X с е к., т о изм енение поля Д ^ г , .
отм еченное гр о з о о б х о д ч и к о м , б уд е т составлять
АЕ^ =
А Е (^ 1 — е
~
гд е г^ — время пр о л е та через з о н у в с е ку н д а х , а Д £ '— и сти н н о е значение
при ра щ е н ия н а п р я ж е н н о с т и поля в зоне. Ф о р м у л а справедлива п р и п р е д п о ­
л о ж е н и и , ч то на гр а н и ц а х зоны п ол е ср а зу вы растает д о э к с тр е м а л ь н о га
значения и остается та ки м во всей зоне. В д е й с тв и те л ь н о с ти изм еренное
значение Д £ 'г б уд е т все гд а меньш е в ы ч и сл е н н о го значения.
Е с л и для у ка з а н н ы х с ко р о с т е й сам олета взять, на прим ер, Х = = 5 с е к .,.
то ■ ^ = 0 , 3 3
АЕ,
п р и с к о р о с т и сам олета 2 7 0 к м /ч а с и ' ^
= 0>2
при
ско­
р о с т и сам олета 5 4 0 км /ч а с . П р и X — 10 се к. эти значения пре в р а щ а ю тся
со о тв е тс тв е н н о в 0 ,2 и 0 ,1 . И н ы м и словам и, значения поля, отмечаем ы е
п р и б о р о м в зо н а х н е о д н о р о д н о с ти в м о щ н ы х к у ч е в ы х о б л а ка х , у м е н ь ш а ю тся
со о тв е тс тв е н н о в 3, 5, 5' и 10 р а з. Т а к к а к поля в э т и х зо н а х не п р е в ы ­
ш а ю т 100 в /с м , т о вследствие и нерц ии п р и б о р а они б у д у т о тс ч и ты в а ть с я
п и л о то м к а к значения н а п р я ж е н н о с ти поля м еньш ие 10 в/см , т . е. к а к поля,.,
ле ж а щ и е н и ж е гр а н и ч н о го значения Е^^.
3. Д е й с т в и е вар иа ц ий поля, отм ечаем ы х п р и у д а р а х м ол ни й, т а к ж е м ож етб ы ть ум е н ьш е н о за счет и н е р ц и и п р и б о р а . Е с л и Х = : 1 0 с е к., т о отмечаемы е
о тн о си те л ь н ы е изм енения п о л я б у д у т меньш е истин ны х, п р и ср е д н и х зн а ч е ­
н и я х т ( t:?:s; 4 с е к .) в пять ра з. Н ад о п о м н и ть , ч то сл учаи с т < 4 се к.
2
со ста в л я ю т более
о б щ е го числа случаев. Е сл и о т б р о с и ть все с л у чаи
Д£
, к о гд а
и изм енения н а п р я ж е н н о с т и , и
АЕ
в пределах 1 0 — 15 в /см , т о значения - ^ > 1 - ^ 2
сама н а п р я ж е н н о с ть леж ат
п р а к т и ч е с ки
не
наблю ­
д а ю тся . Э то означает, ч т о изм енения поля, отмечаем ы е п р и б о р о м , б у д у т
п р и б о л ь ш и н с тв е уд а р о в м о л ни й зна ч и те л ь н о ослаблены .
Н а р а ста н и е и зм ер я е м о го по л я о т гр о з о в о го облака п р и предполагаем ой.
и н е р ц и и п р и б о р а и у ка з а н н ы х с к о р о с т я х самолета б уд е т передано пр а в и л ь н о ,
т а к к а к п р и п р и б л и ж е н и и самолета к гр о з о в о м у о б л а ку поле б уд е т нарастатьв течение н е с к о л ь к и х м и н у т . П р и сто л ь м ед л енн ом , нарастан ии поля о ш и б ка
и з-за и н е р ц и и п р и б о р а пре н е б р е ж и м о мала.
4 . П о мере увел ичения с ко р о с т е й самолета м етод увели чени я и нерц ии
а п п а р а ту р ы б уд е т ста н о в и тьс я все менее п р и го д н ы м . В этом случае, п о -в и ­
д и м о м у , надо создавать а п п а р а т у р у , и зм е р я ю щ у ю т о л ь к о изм енения поля;
п р и у д а р а х м о л ни и для и н д и ка ц и и п р и б л и ж е н и я к гр о з о в о м у о б л а ку .
В о б р а б о тке м атериалов для это й работы- пр и н и м а л и у ч а с ти е д и п л о м а н тк а
Л Г М И М . А . К а л у ги н а и т е х н и к О тдела а тм осф ерного эл е ктр и ч е ства !
А . Ф . Б о гд а н о в . ‘
14
Л ИТЕРАТУРА
1. В . о с к а и о в А. И., И м я н и т о в И. М., К у л и к М. М., 4 y i Bi a e B А. П. О возмоиовооти безогаасиого црохода самолета ч ф ез лроэовые зоны. Труды ГГО, вып.
67. 1957.
2. И м я н и т о в И. М. К вопросу об электризации и проводимости лроэовых облаков.
ДА Н СССР, т. 109, вып. 1. 1956.
3. И м я н и т о в И. М., К у л и к М. М., Ч у в а е в А. П. Опыт носледоваиия гроэавых.
зон в южных райовах Европейской терриггории Союза ССР и в Заиавказье.
Труды ГГО, выо. 67. 1957.
4. И м я н и т о в И. М. Приборы и методы для изучеиия электричества атмосферы.
Гостемиздат. М. 1957.
5. И м я н и т о в И. М. Элекщричесние поля в свободной атмосфере. Труды ГГО, вып.
35. 1952.
6. В у л ь ф с о н Н. И. Конвективные движения в кучевых облавах. ДАН СССР, т. 97,.
вып. 1. 1954.
и. м. имянитов
и
в. в. МИХАЙЛОВСКАЯ
ОПЫТ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗАРЯДОВ ЧАСТИЦ ОСАДКОВ
В СВОБОДНОЙ АТМОСФЕРЕ
в данной статье излагаются экспериментальные данные по заряду
дождевых капель, определенные с помощью самолетного прибора для
измерения зарядов дождевых капель в период с 13 по 28 августа 1955 г.
Полеты производились на самолете Л И -2 на юге Европейской террито­
рии СССР.
1. Введение
З начения заряд ов ч а с ти ц о са д ко в с д а в н и х п о р п р и в л е к а ю т вним ание
и ссл ед ователей. Д а нн ы е об э т и х зарядах д о л ж н ы п о м о чь вы яснить м еханизм
э л е кт р и з а ц и и , на прим ер гр о з о в ы х о б л а ко в , д а ть в о з м о ж н о с ть к р и т и ч е с к и
о ц ени ть с у щ е с тв у ю щ и е те о р и и гр о з ы , к о т о р ы е п о с тр о е н ы , к а к п р а в и л о , на
ряде п р о и зв о л ь н ы х д о п у щ е н и й о вел ичине ц знаке зарядов ч а сти ц о с а д ко в ,
у с т а н о в и т ь за ко н о м е р н о с ти за р я д ки ле та те л ьн ы х а п п а р а то в в атм осф ере и,
н а ко н е ц , э ти данны е д о л ж н ы пр ед ставл ять сущ е стве н н ы й в кл а д в деле
и зу ч е н и я баланса т о к о в зе м л я — атм осф ера.
П ервы е исследования зарядов части ц о сад ков [1 ] , п р о в о д и в ш и е ся у п о ­
в е р х н о с ти зем ли, п о ка за л и , ч то они и м е ю т к а к п о л о ж и т е л ь н ы й , т а к и о т р и ­
ц ател ьны й заряд, т о гд а к а к т е о р и и за р я д ки части ц в об л а ка х п]редсказы ва ю т з а р я д ку ч а сти ц о са д ко в одним зн а ко м . П равд а, д л и тел ьн ы е наблю дения
у земли п о зв о л я ю т вы д ел и ть п р е и м ущ е стве н н ы й перен ос осад кам и заряда
о д н о го зн а ка . Е щ е более сл о ж ная ка р ти н а наблю дается п р и п о п ы т к е сравн ить
заряды ч а с ти ц с и х разм ерам и [ 2 ] , [ 3 ] , [4 ], [5 ] .
Б ы ло п р е д п о л о ж е р о , ч то н е д о с та то ч н о с ть материала (о б ы ч н о исследова­
тел и п о л уч а л и для к а ж д о г о д о ж д я данны е о зарядах н е с к о л ь к и х д е с я тко в
или в кр а й н е м случае со тен к а п е л ь ), его н е си стем атичн ость м о гу т б ы ть п р е ­
одолены соверш енствованием а п п а р а ту р ы для на блю дени й [3 ] , [4 ]. О д н а ко
исследования, проведенны е с п о м о щ ь ю более сове р ш е нн о й а п п а р а ту р ы , п р и ­
во д я т к вы в о д у , ч то наблю даемая с л ож ная к а р т и н а за р я д ко й в з н а ч и те л ь ­
н о й сте пе ни связана с з а р я д ко й ка пе л ь вб л и зи п о в е р х н о с ти земли [3 ] , [4 ].
Э т о т эф ф ект, обязанны й своим п р о и с х о ж д е н и е м у в е л и ч е н н о м у о б ъ е м н о м у
зар я д у вб л и зи п о в е р х н о с ти зем ли за счет к о р о н и р о в а н и я о с т р о ко н е ч н ы х
пре д м е то в, н а с то л ь ко и с ка ж а е т распределение зарядов на ч а с ти ц а х, в ы п а в ш и х
из о б л а ка , ч то вы ясни ть пр оц е ссы , п р о и с хо д я щ и е в об лаке, без привлечения
д а н н ы х о распред ел ении э л е к т р и ч е с к о го поля, п р о в о д и м о с ти , о б ъ ем н ы х з а ­
рядов с в ы с о т о й во о б щ е н е в о зм о ж н о , а при вл ечен ие э т и х д а н н ы х позвол яет
р е ш и т ь задачу т о л ь к о в первом п р и б л и ж е н и и [4 ], [ 6 ] . О тсю д а появляется
н е о б х о д и м о с т ь н е п о ср е д ств е н н о го изм ерения зарядов ч а с т и ц о са д ко в на в ы ­
со те , т а к к а к т о л ь к о т а ки е изм ерения п о зв о л я ю т п о л у ч и т ь необходим ы е
сведения о за р яд ке о б л а ко в б л агод аря вы падению о са д ко в и п о зв о л я ю т
п р о в е р и т ь основны е п о л о ж е н и я те о р и й , об ъ я с н я ю щ и х эф ф ект изм енения
зарядов ч а сти ц в при зе м ном слое.
16
Ч и с л о , т а к и х изм е ре ни й, о д н а ко , кр а й н е н е вел и ко [ 7 ] , [8 ] , [9 ], [1 1 ] и
п о э т о м у не о х ва ты ва е т н е о б х о д и м о б о л ь ш о го числа случаев. К р о м е т о г о ,
н е ко т о р ы е из п р и ве д ё н н ы х и ссл ед ований [ 11 ] не п о зв о л я ю т сделать о п р е ­
д ел е н ны х з а кл ю ч е н и й о заряд ах о с а д ко в . К а к по ка за н о в ста тье [1 0 ], о ш и б ка
изм ерения
з а в и си т
от
р азм ер о в
п р и е м н и ка
и н д у к ц и о н н о го
пр и б о р а .
В р аб о те [1 1 ] и сп ол ьзова л ось к о л ь ц о с п р и ем н ой пл о щ а д ью 1 см^. В п о д о б ­
но м случае о к о л о 80 "/о ка п е л ь м о гу т к о с н у т ь с я к о л ь ц а и л и е го защ и ты
и п р и это м изм еряем ы й заряд к а п л и м о ж е т и зм ени ться не т о л ь к о по ве л и ­
чине, н о и по з н а к у .
В д а нной р а б о те и зл а га ю тся н е ко т о р ы е сведения о заря д ах ка п е л ь п р е ­
и м ущ е с тв е н н о л и в н е в о го д о ж д я , и зм еренны е на р а з л и ч н ы х вы с о та х летом
1955 г .
2. Результаты измерений
V
•
*
J *»
- И ссл едования п р о в о д и л и сь с п о м о щ ь ю п р и б о р а [1 0 ], у с та н о в л е н н о го на
самолете Л И - 2 , в п е р и о д с 13 по 2 8 а в гу с та 1955 г . на ю ге Е в р о п е й с к о й
т е р р и т о р и и С С С Р . П р ие м на я часть э т о го п р и б о р а р а с п ол агал ась на р а с с то я ­
н и и 3 0 см о т п о в е р х н о с т и сам олета. О д нов рем енн о изм ерялась н а п р я ж е н н о с т ь э л е к т р и ч е с к о го пол я атм осф еры и соб стве н ны й заряд сам олета. П о к а зания п р и б о р о в записы вал ись на п л е н ку ш лейф ны м осц и л л ограф ом М П О - 2 .
П о м и м о у ка з а н н ы х и о б ы ч н ы х а в и а н а в и га ц и о н н ы х п р и б о р о в , на самолете
б ы ли уста н о в л е н ы сам о л етн ы й м е те о р о гр а ф , аксе л е р о гр а ф , п р и б о р ы для йзяти я п р о б в о д н о с ти о б л а ко в и с п е кт р а о б л а ч н ы х ка п е л ь .
П о л е ты п р о и зв о д и л и с ь п о п р я м о й ; по в о з м о ж н о с т и ста рались п р о й т и под
ц е н тр а л ь н о й ча стью о б л а ка в зоне наиболее ^и нтенси вн ы х о с а д ко в . П о вы х о д е и з зо ны о сад ко в п р о и зв о д и л ся р а з в о р о т 'с а м о л е т а на 180° и начиналась
сл ед ую щ ая серия и зм е р е н и й .
П р и б о р п о зв о л я л и зм е ря ть к а п л и с зарядом не менее 1 • 1 0 ~ ^ эл. с т. ед.
О д н а ко о б ы чн о п р и х о д и л о с ь р а б о та ть на ч у в с тв и те л ь н о с ти , п р и к о т о р о й
отм ечал ись заряды ка п е л ь не менее 1 0 - 1 0 ~ з эл. с т. ед., т а к к а к п р и б о л ь ­
щ ей ч у в с т в и т е л ь н о с т и не уд а ва л о сь и зм е р я ть б ол ьш и е заряды . В о . в се х т е х
с л уч а я х, к о гд а го в о р и т с я о б о т с у т с т в и и з а р я ж е н н ы х ка п е л ь , п о д р а зум е в а ­
ется, ч т о н е т ка п е л ь , заряд к о т о р ы х превы ш ал бы 1 0 -1 0 ~ ® эл. с т. ед.
П р о ве д е н ы изм ерения в з о н а х о с а д ко в , вы п а д а ю щ и х из 10 р а зл и ч н ы х
о б л а ко в , и з н и х в 7 сл уч а я х изм ерялись заряды к а п е л ь л и в н е в о го д о ж д я ,
в 1 случае изм ерялись заряды о с а д ко в л и в н е в о го д о ж д я с гр а д о м , в 1 с л у ­
ч а е — заряды о с а д ко в , вы п а д а ю щ и х из A s , и еще в 1 случае — заряды о са д ­
к о в , вы п а д а ю щ и х из C s. Д а н н ы е э т и х и зм ерени й приведены в таб л . 1 и 2 .
Н аиб ол ее п о д р о б н о исследовались о са д ки л и в н е в о го х а р а к те р а ; а ) и зм е­
нение с п е кт р а зарядов ч а сти ц о са д ко в с в ы с о то й , б ) и зм е не н и е с п е кт р а за р я ­
д ов ч а сти ц о са д ко в по го р и з о н т а л и , в ) и зм енен ие с п е ктр а зарядов части ц
о с а д ко в , вы п а д а ю щ и х из д в у х со се д н и х о б л а ко в .
Р а ссм о тр и м более п о д р о б н о р е з у л ь та т ы по отдельны м полетам .
13 а в г у с т а 1955' г .
П р о и з в о д и л и с ь исследования о с а д ко в , вы п а д а ю щ и х из т р е х сосед ни х
о б л а ко в , на д в у х в ы с о т а х : 5 0 0 и 2 0 0 м , п р и этом и з п е р в ы х д в у х сосед ни х
о б л а ко в вы падал л и вне вы й д о ж д ь , а из т р е ть е го — ли вне вы й д о ж д ь с гр ад ом .
С равнение п о л у ч е н н ы х д а н н ы х для п е р в о го о б л а ка на вы соте 5 0 0 и 2 0 0 м
(т а б л . 1 с т р о к и 1 — 3 и табл . 2 с т р о к и 1 и 2 ) п о ка зы ва е т, ч т о по мере
сни ж е ни я появляю тся п о л о ж и т е л ь н о заря ж е нны е к а п л и : на в ы со те 5 0 0 м
к о н ц е н т р а ц и я п о л о ж и те л ь н о за р я ж е н н ы х ка п е л ь п_^ = Q кап/м® , а на вы соте
2 0 0 м « _ |_ = 7 ,2 кап/м® , ко н ц е н тр а ц и я о тр и ц а те л ь н о
ско л ь ко увеличилась: от п _ =
2
Труды ГГО, вып. 97
176 к а п /м ^
з а р я ж е н н ы х ка пе л ь н е ­
на 5 0 0 м до п _ = 2 0 7
кап/м З
__ ________________________________________ 1^
Б / J о ^11 / il о
'
а с . i «. А
Л ё Н Й Н Г РА Л С И О Г О
г а д р о м 1 е ,т ш р о .л о г и ч е .с к о г о
на 2 0 0 м; сред ний заряд на к а п л ю ум ен ьш и л ся с q _ =
— 2 6 ,4 - 10~^ эл. ст. ед^
на 500 м до ^ _ = 1 7 ,7 - 1 0 “ ® эл. с т. ед. на 2 0 0 м ; об ъ ем н ы й заряд, в ы н о ­
сим ы й оса д кам и , т а к ж е у м е н ь ш и л с я с р = — 4 ,6 5 эл. с т . ед./м ^ д о р = ■
==;— 3 ,5 5 эл. ст. ед./м®. П ра вд а , бы ли и зм ерены заряды 2 8 7 ка п е л ь , из н и х
227 на вы соте 5 0 0 м и 60 на вы соте 2 0 0 м.
Л ивне вы е о са д ки из соседнего об лака исследовались т о л ь к о на вы соте
5 0 0 м (та б л . 1 с т р о ка 4 и та б л . 2 с тр о ка 3 ). С равнение п о л у ч е н н ы х р е з у л ь ­
та то в с р е зул ь та та м и изм ерения зарядов ка п е л ь , вы п а д а ю щ и х и з п е р в о го
об л а ка на т о й ж е вы со те 5 0 0 м, п о ка зы ва е т, ч то данны е зн ачи тел ьн о о т л и ­
чаю тся д аж е для ливней, ф о р м и р у ю щ и х с я в п р и м е р н о о д и н а к о в ы х у с л о в и я х .
В последнем случае, н а п р им е р, отм ечалось появление п о л о ж и т е л ь н о за р я ­
ж е н н ы х ка п е л ь ; если для п е р в о го об л ака
= О кап/м®, т о для в т о р о го
д_ 1_ = 2 1 ,6 к а п /м ^ . К о н ц е н тр а ц и я о тр и ц а те л ь н о з а р я ж е н н ы х ка п е л ь у м е н ь ш и ­
лась; для п е р в о го об л а ка г а _ = 1 7 6 к а п /м ^ , для в т о р о го / г _ = = 7 1 , 5 кап/м ^_
У м е н ьш и л ся заряд, в н о си м ы й о сад кам и : р = — 4 ,6 5 эл. с т. ед./м ^ для п е р в о го
сб л а ка и р = — 1,22 эл. с т. ед/м^ для в т о р о го . У м ен ьш и л ся сре д н и й заряд
на о тр и ц а те л ь н о за р я ж е н н о й ка п л е : q _ — — 2 6 ,4 • 10~^ эл. с т. ед. для п е р в о го
о б л а ка и ^ _ =
— 2 2 ,2 • 10“ ^ эл. с т. ед.
для
в т о р о го .
«4ц иент у н и п о л я р н о с т и : ^ = - ^ = 0 для п е р в о го
И зм ен ил ся ко э ф ф и -
об л а ка
и
в т о р о го .
Л ивневы е о с а д ки с гр а д о м , вы павш ие из соседнего об лака, очень с и л ьн о
о тл и ч а л и сь по своим парам етрам о т л и вне вы х о с а д ко в , в ы п а в ш и х из п е р в ы х
д в у х о б л а ко в (с р а в н и те в табл . 1 с т р о к у 5 со с т р о к о й 3 ) , наличием б о л ь ­
ш о го числа п о л о ж и т е л ь н о за р я ж е н н ы х кап ел ь к а к на вы соте 5 0 0 м , т а к и
на вы со те 2 0 0 м . В с е го п р и б о р о м бы ло отм ечен о 3 7 8 за р я ж е н н ы х ка п е л ь ,
из н и х 2 4 8 на вы со те 2 0 0 м и 130 на вы соте 5 0 0 м. В п р о т и в о п о л о ж н о с т ь
ранее р а зо б р а н н о м у в данном случае с п о н и ж е н и е м ум еньш ается средний
п о л о ж и те л ь н ы й
заряд
(та бл . 2 с т р о к и 4 и 5 ) : ^_|_ =
+ 4 8 - 1 0 ~ ® эл. ст. ед.
на 5О0 м и ^ _ | _ = + 3 7 , 5 • 10~^ эл. с т. ед. на 2 0 0 м ; ум ен ьш ается к о н ц е н ­
тр а ц и я п о л о ж и т е л ь н о за р я ж е н н ы х ка п е л ь : о т л ^ = 2 8 5 ка п /м З д о «_(_ =
= 101 ка п /м ^, ум еньш ается ко эф ф и ц и е н т у н и п о л я р н о с т и с k = l , 4 5 до
k = 0 ,6 9 . С редний о тр и ц а те л ь н ы й за р я д с ум ен ьш ен ием вы с о ты , к а к в сл у ч а я х ,
р а с с м о тр е н н ы х ранее,
ум ен ьш а ется
от
— 2 8 ,3 • 10~® эл. ст. ед ., н е с к о л ь ко
q _ _ = — 3 1 ,4 -1 0 ~ ® эл. с т.
падает
ко н ц е н тр а ц и я
ед.
до
о тр и ц а те л ь н о
за р я ж е н н ы х
ч а с ти ц с ум е н ьш ен ием
в ы с о ты :
о т и _ = 196 кап/м® д о
п _ = 147 к а п /м ^ н а 5 0 0 и 2 0 0 м с о о тв е тс тв е н н о ; ум ен ьш ается об ъ ем ны й заряд,
вы носим ы й ка п л я м и , о т р = + 7 , 5 2 эл. с т. ед./м ^ д о р = — 0 , 3 7 эл, с т. ед./м®.
П о сравнению с л ивневы м и о сад ка м и , вы падаю щ им и из со се д н и х о б л а ко в ,
в исследованном ливневом д о ж д е с градом с о д е р ж а л о сь значи тел ьн ое к о л и ­
ч ество п о л о ж и т е л ь н о з а р я ж е н н ы х ка п е л ь к а к на вы соте 2 0 0 м, т а к и на
вы со те 5 0 0 м. Весь с п е кт р зарядов с д в и н у т в с т о р о н у б о л ь ш и х значен ий,
ко н ц е н тр а ц и я п о л о ж и т е л ь н о за р я ж е н н ы х ка п е л ь зн а чи те л ь н о во зр о сл а . О д н а ко
наличие б о л ь ш о го п о л о ж и т е л ь н о го о б ъ е м н о го заряда, в ы н о с и м о го осадкам и
с гр а д о м , не со п р о в о ж д а л о сь появлением б о л ь ш и х э л е к т р о с т а т и ч е с к и х полей,
а э т о о значает, ч то в в о зд у х е и на м е л ки х ка п л я х н а хо д и л ся о тр и ц а те л ь н ы й
о б ъ е м н ы й заряд, п р и м е р н о р а в н ы й п о л о ж и т е л ь н о м у о б ъ ем н ом у за р я д у.
18
,
^ = 0 , 2 7 —-д л я
ф
« ■;
16
августа
1955
г.
В э т о т день исследовались заряды ч а сти ц о с а д ко в , в ы п а д а ю щ и х из Asи Cs. О бла ка ти п а A s отм еча л и сь на вы соте 3300 м , а над н и м и на в ы со те
4 8 0 0 м н а хо д и л и сь об л а ка ти п а С з.
Л ед яны е к р и с т а л л ы , вы падаю щ ие из С з, вы зы вали вы падение о сад ков
из А з . В' о б л а ка х A s на блю далось обледенение, п р и к о т о р о м отм ечалось
о тл о ж е н и е льда, д о хо д я щ е е до 0 ,5 см на ш аб л он е. Р е зу л ь та ты изм ерений:
пред ста вле н ы в таб л . 1 (с т р о к и 7 и 8 ) и т а б л . 2 (с т р о к и 6 и 7 ). Р а ссм а ­
т р и в а я э ти данны е, м о ж н о ви д е ть, ч то о с а д ки , вы падаю щ ие и из Сз и из A s,,
и м е ю т зна ч и те л ь н о б о л ь ш у ю к о н ц е н т р а ц и ю о тр и ц а те л ь н о з а р я ж е н н ы х части ц
\ п _ — Ъ72> кап/м З на 4 8 0 0 м (С з ) и л _ = 5 3 4 ка п /м ^ на 3 3 0 0 м ( А з ) ] по
сра вн е ни ю со всеми ранее р азо бра нн ы м и случаям и. К р о м е т о г о , о б ъ е м н ы й
заряд, в ы н о с и м ы й эти м и о са д ка м и , очень в е л и к ; р = — 11, 0 эл. с т. ед/м®
на вы соте 4 8 0 0 и р = ~ 1 3 , 5 э л . с т . ед/м® на вы соте 3 3 0 0 м. К о эф ф и ц и е нт
у н и п о л я р н о с т и k равен 0 ,0 6 2 ( 4 8 0 0 м ) и 0 ,1 6 ( 3 3 0 0 м ) .
С р ед ни й за р я д
на ч а с ти ц у о са д ко в ум еньш ается п о мере ее падения к а к для п о л о ж и т е л ь н о
за р я ж е н н ы х ч а сти ц ( о т ^ ^ = 3 0 - 1 0~ ^ эл. с т . ед. до
с т. е д .), т а к и для о т р и ц а т е л ь н о з а р я ж е н н ы х (о т
=
1 9,4 • 1,0~® эл.
= 3 1 , 3 - 10~® эл. с т . ед .
до 9 _ = 2 8 ,5 • 1 0 -^ эл. с т . ед. Н а п р я ж е н н о с т ь э л е к т р о с т а т и ч е с к о го п о л я
не п р е в осхо д и л а н е с к о л ь к и х в о л ь т на са н ти м е тр .
Н ад о о т м е т и т ь , ч то п о л о сы падения л ед ян ы х кр и с т а л л о в из С з п л о х о
набл ю дал ись и в о з м о ж н о , ч то изм ерения велись не в зоне и х м а кс и м а л ь н о й
п л о т н о с т и . П о это й ж е п р и ч и н е не уд а л о сь п р о в е сти исследования на р а з н ы х
вы с о та х в зоне о д н о й и т о й ж е п о л о с ы падения. И з и ссл ед ов ани й 16 а в г у ­
ста 195 5 г. сл ед ует вы во д , ч то к р и с т а л л ы в п о л о с а х падения из Cs м о г у т
б ы ть о чень си л ь н о за р я ж е ны и ч то од новрем енн о с ни м и о п у с ка е тс я в о з д у х ,
с о д е р ж а щ и й об ъ ем ны е зар яды , д о х о д я щ и е до р = 1 0 эл. с т. ед/м^.
25
августа
1955
г.
В 15 час. 18 м ин. на вы со те 3 0 0 м пролетели п о п ериф ерии гр о з о в о го '
об лака на т р а с се К и ш и н е в — К и е в . Б ы ли изм ерены заряды 182 ка п е л ь . С реди
за р я ж е н н ы х ка п е л ь , сведения о к о т о р ы х пом ещ ены в таб л . 1 (с т р о к и 9 и 10)»
и таб л . 2 (с т р о к и 8 и 9 ), со ве рш енн о о т с у т с т в у ю т п о л о ж и те л ь н о з а р я ж е н ­
ны е. С р е д н и й о тр и ц а те л ь н ы й заряд на ка п л ю составляет
= 3 5 , 5 - 10~® эл..
с т. ед. и 9 _ = 2 9 ,6 - 10~® эл. с т. ед. на отд е л ь ны х у ч а с т к а х по л е та . О б ъ е м • н ы й заряд р, вы н осим ы й оса д ка м и , составляет — 4 ,0 4 и — 7 ,5 эл. ст. ед/м^..
Н а п р я ж е н н о с т ь э л е к т р и ч е с к о го поля Е в м есте изм ерения была о к о л о
70 в /см . В т о т ж е день в 15 час. 41 м ин. — 15 час. 5 0 м и н . пр о в о д и л о сьисследование изм енения с п е кт р а зарядов ка п е л ь л и вн е во го д о ж д я с и зм е н е ­
нием вы с о ты (та б л . 1 с т р о к и 11 — 19 и таб л . 2 с т р о к и 10 — 1 2 ). И зм ерение;
п р о и зв о д и л о с ь на вы с о та х 3 0 0 , 7 0 0 и 5 0 0 м. И зм ерен ы заряды 1749 ка п е л ь ,
из н и х 9 1 9 п о л о ж и те л ь н о за р я ж е н н ы х и 83 0 о т р и ц а те л ь н о заряженны х-..
И з п о л у ч е н н ы х д ан ны х сл е д уе т, ч то по мере п р и б л и ж е н и я к земле у в е л и ч и ­
вается о тн о с и те л ь н о е числ о п о л о ж и те л ь н о за р я ж е н н ы х капел ь.
Cynj,ecTBeHHO о тм е ти ть , ч то , если на вы соте 7 0 0 м в с тр е ти л и с ь все го
2 ка п л и , зар я ж е нны е п о л о ж и т е л ь н о , т о на вы соте 300 м у ж е более 8 0 %
к а п е л ь бы л о за р я ж е н о п о л о ж и т е л ь н о . С ред ни й о тр и ц а те л ьн ы й заряд на ка п л е
с ум еньш ением вы со ты ум е н ьш а л ся, а средн ий п о л о ж и те л ь н ы й заряд у в е л и ­
чивался. О бъ е м н ы й заряд, п ереносим ы й осадкам и , изм енялся по мере п р и б л и ­
ж е н и я к земле о т р = — 3 ,0 7 эл. с т. ед/м® на 7 0 0 м д о р = + 6 , 9 2 эл. ст.. ед/м ^’
на 3 0 0 м.
2*
19V
Е с л и с ч и та ть , ч то го р и зо н та л ь н ы е разм еры л и вн е во го об лака м н о го
«больше, чем рассто ян ие о т н е го д о земли, т о п о и зм енению н а п р я ж е н н о с ти
1П0 ЛЯ м о ж н о с у д и т ь об изм енении с у м м а р н о го о б ъ е м н о го заряда с в ы с о то й .
Т а к , в слое 3 0 0 — 500 м о б ъ е м н ы й заряд равен + 2 эл. с т. ед/м^, а средний
об ъем ны й заряд, вы н о сим ы й ка п л я м и на э т и х в ы с о та х , р = + 1 , 8 эл. ст. ед/м®.
Э т о означает, ч т о в в о з д у х е и на м е л ки х ч а с ти ц а х на хо д и л ся заряд о к о л о
+ 0 , 2 эл. с т. ед/мЗ. К а п л и д о ж д я п р и п р о х о ж д е н и и э т и х 20'0 м изм еняю т
вы н о си м ы й им и об ъ ем ны й з а р я д -н а + 1 0 , 2 эл. с т . ед/м^. И зм ерения зарядов
ка п е л ь д о ж д я , прои звед енн ы е в 16 час. 32 м ин. т о г о ж е дня под ливневы м
о б л а ко м , п о ка за л и преобладание п о л о ж и т е л ь н о за р я ж е н н ы х ка п е л ь ; ко э ф ф и ­
циент
униполярности
был
равен 5 ,6 7 ,
- [ - 2 6 , 8 - 1 0 ~ ® эл . с т. ед. и .
средний
заряд
составлял ^_[_ =
— 2 9 ,6 • 10~^ эл. с т. ед. на ка п л ю
+
при к о н ­
ц е н тр а ц и и « _ |_ = 1 6 6 ка п /м ^ и « _ = 2 9 , 4 ка п /м ^ и об ъ ем ном заряде, в ы н о с и ­
м ом ка п л я м и р = + 3 , 5 7 эл. с т. ед/м®. С ледовательно, в этом случае данны е
и м е ю т т а ки е ж е значения, к а к и в пред ы д ущ ем на вы со те 3 0 0 м, т о л ь ко
к о н ц е н т р а ц и я части ц н е с к о л ь ко н и ж е и н а п р я ж е н н о с ть п о л я м еньш е. Н а л и ­
чие о т н о с и те л ь н о б о л ь ш о го с р е д н его о т р и ц а т е л ь н о го заряда на к а п л я х м о ж е т
б ы ть п р и п и са н о слабой п ер езаряд ке ка пе л ь в сравн и те л ь н о слабом поле.
26 а в г у с т а
1955 г .
,
В ра йо н е г . Киева бы ли проведены изм ерения с целью и зуч е н и я р а с ­
пределения зарядов ч а с ти ц о га д к о в в л и в н я х с в ы с о то й к а к в о б л а ке на
у р о в н я х 1400 и 1200 м, т а к и по д ним на вы с о та х 5 0 0 и 3 0 0 м. В ы с о та
н и ж н е й гр а н и ц ы о б л а ко в 6 0 0 м. Д а н н ы е представлены в табл. 1 (с т р о к и
2 2 — 3 4 ) и 2 ( с т р о к и 1 4 — 17, 2 2 — 2 8 ). Д л я п ол учени я наиболее н а д е ж н ы х
д а н н ы х на к а ж д о й вы со те изм ерялись заряды зн а ч и те л ь н о го ко л и ч е с тв а
ка п е л ь . Т а к , на вы со те 1400 м изм ерены заряды 2141 ка п л и , на 1200 м — за­
р я д ы 331 ка п л и , на вы со те 5 0 0 м — заряды 1087 капел ь и на 30 0 м — заряды
'2 4 8 7 ка п е л ь . В это м случае по мере сн и ж е н и я ум еньш ается: средний заряд
на ка п л ю к а к п о л о ж и т е л ь н ы й , т а к и о тр и ц а те л ь н ы й .
П о те р я заряда соста вл яе т для
20 ”/о, а для ^ _ г ^ ;3 0 ® /о . У м еньш ается
т а к ж е ч и сл о кап ел ь, и м е ю ш и х э кстр е м а л ьн ы е значения о т р и ц а т е л ь н ы х за р я ­
д о в . У м ен ьш ае тся с в ы с о то й о б ъ е м н й й заряд, вы н осим ы й о сад кам и : о т р =
= — 1 7,5 эл . йт. ед/м® на 4 4 0 0 м д о р = — 1, 5 эл. с т. ед/м^ на 30,0 м.
Н е см о тр я на т о ч то изм енение о б ъ е м н о го заряда, в ы н о с и м о го ка п л я м и ,
о ч ен ь в е л и ко , н а п р я ж е н н о с т ь п о л я не превы ш ала н е с к о л ь к и х в о л ь т на с а н ­
т и м е т р . Э х о озна ча ет, ч то в в о з д у х е и на м е л ки х ка п л я х на ход ился п р и м е р н о
т а к о й ж е заряд, но д р у г о г о , з н а ка . , Х о д элем ентов по вы соте представлен
на р и с . 1 и 2. Д л я о ц е н к и т о г о , н а с к о л ь ко средние значения, п редставленны е
в та б л и ц а х, м о гу т о тл и ч а ть с я на о т д е л ь н ы х у ч а с т к а х ливня, м о гу т с л у ж и т ь
р и с . 3 и 4. Н а -р и с у н к а х в и д н о , ч то наим енее п о д в е р ж е н ы ко л е б а н и я м в е л и ­
ч и н ы ср е д н и х зарядов 'q
2 0 7 о ) • К о л е б а н и я к о н ц е н т р а ц и и ка п е л ь м о гу т
^ Я
д о х о д и ть до 30®/о
о с а д ко в п о ф о р м ул е
с р е д н е го
,
значения.
■
i =
pv,
гд е г — п л о тн о с ть т о к а в а/см?,
р — об ъ ем ны й заряд в эл. с т. ед/см^,
20
Если
.
под считать' пл отность то ка
,
•
V
— с ко р о с т ь п а д е н и я ,к а п е л ь в в о зд у х е ( 5 — 8 м /с е к .),
д у ю щ и е д анны е:
Высота (м )
пол учим сле­
Плотность тока (а/см2)
-1 ,8
-1 ,0
+ 0 ,0 2
-0 ,2 5
1400
1200
500
300
то
• 10-12
-10-1 2
•: 10-12
-10-12
а -1 0 ^
элст .ед
1 0 0 Q -10'^ элст .ед.
Рис. 1. Изменение спектра зарядов на каплях с высотой. Вертикальный
полет 26 августа 1955 г.
С ущ е с тв е н н о о тм е т и т ь , ч то , в о тл и чи е о т р а с с м о т р е н н о го ранее случа??
(л и ве н ь 2 5 а в гу с т а 1 9 5 5 г . ) , н а п р я ж е н н о с ть э л е к т р и ч е с к о го поля атм осф еры
на в ы с о та х , где п р о в о д и л и с ь изм ерения, мала, ко р о н и р о в а н и е о с т р и й на п о 21
в е р х н о с т и зем ли не д о л ж н о бы ло и гр а ть с у щ е стве н н о й р о л и в перезарядке
ка п е л ь .
28 а в г у с т а
1955
г.
П р и и зм е р е н и я х , о п и са н н ы х вы щ е, на р е зу л ь та та х м о гл о сказаться т о ,
ч то заряды кап ел ь исследовались на р а зл и ч н ы х вы сотах и ка п л и и з об л ака
вы пали в ра зл и ч н о е время. П о э т о м у бы ли п роведены исследования с п о в ы ­
ш е н н о й с к о р о с т ь ю с н и ж е н и я самолета с тем, что бы изм ерения на р а зн ы х
в ы с о т а х п р о и зв о д и л и с ь в о с а д ка х, вы п а в ш и х и з об л а ка п р и м ерн о в одно
и т о ж е врем я. И зм е р е н и я п р о в о д и л и с ь на трассе К и е в — М и н с к в и с к у с -
ОВ
1,5 к
Рис. 2. Ход элементов по высоте.
<7+ и
средний заряд капель, положительный и отрицатель­
ный (эл. ст. ед.);/г_]_ и л _— концентрация положительно и от­
рицательно заряженных капель (>/мЗ)
— коэффициент
N _
униполярности (Л^Ц, и yv_ — измеренное число положительно и '
отрицательно заряженных капель); р ,— объемный заряд
(эл. ст. ед.).
■ственно вы зван ны х о са д ка х. Л ед яны е кр и с та л л ы бы ли созданы в 16 час.
01 м ин . на вы со те 5 1 0 0 м. Г о р и зо н та л ь н ы е полеты сам олета на четы ре х
в ы с о т а х (1 2 0 0 , 8 0 0 , 5 0 0 и 20 0 м ) бы ли осущ ествл ен ы за 12 м ин. Д л я
т о г о что б ы ка п л и м о гл и п р о й т и это ра ссто ян и е , тр е б у е тс я 3 — 4 м ин . К к о н ц у
л зм е р е н и я в 16 час. 43 м ин . вы падение о са д ко в стало ослабевать.
Д а н н ы е п ред ставл ены в та б л . 1 (с т р о к и 3 5 — 38 и табл. 2 с т р о к и 1 8 — 2 1 ).
И з э т и х д а н н ы х сл едует, ч т о с ум еньш ением вы с о ты ко н ц е н тр а ц и я п о л о ­
ж и т е л ь н о за р я ж е н н ы х ч а с ти ц .у м е н ь ш а е т с я , ко н ц е н тр а ц и я о т р и ц а т е л ь н о за р я ­
ж е н н ы х остается п р и м е р н о в т е х ж е пред ел ах, об ъ ем ны й заряд, вы н осим ы й
о са д ка м и , с п о л о ж и т е л ь н о го + 1 , 0 эл. ст. ед/м^ на вы соте 1400 м и зм е­
няется на о тр и ц а те л ь н ы й — 0 ,6 2 эл. ст. ед/м® на вы соте 2 0 0 м. Значения
о б щ е го о б ъ е м н о го заряда, вы числ енны е и з д а н н ы х о н а п р я ж е н н о с ти поля,
п о ка зы в а ю т, ч то в слое 800 — 1200 м с р е д н и й о б ъ ем н ы й заряд р = — 0 , 0 3 э л .
ст.
22
ед/м ^,
в
слое
5 0 0 — 800 м
р=
— 0 ,1 5
эл.
ст.
ед/м®
и
в
слое
эл.ст.ед. N
8 0 0 \4 0
100
10' эл.ст .ед.
Рис. 3. Изменение спектра зарядов на каплях по горизонтали
для одного и того ж е ливня.
Грризонтальный полет -26 августа 1955 г. на высоте 500 м.
2 0 0 — 5 0 0 м р=^------0 ,3 эл . ст. ед/м®. Н а д о у к а з а т ь , ч то п о л о ж и те л ь н о е поле
в этом сл учае м о гл о вы звать ко р о н и р о в а н и е с о с т р и й , н а хо д я щ и хся на п о -
Рис. 4. Ход элементов по горизонтали.
Условные обозначения ем. рис. 2.
ве р х н о с ти зем ли, п риводящ ее к ум е н ь ш е н и ю
н ы х ка пел ь.
заряда п о л о ж и т е л ь н о
заряж ен­
В ы воды
1. Н а б л ю д а ю тся ливневы е о с а д ки , в к о т о р ы х м о гу т со д е р ж а ться л и б о
т о л ь к о п о л о ж и те л ь н о зар я ж е нны е , л и б о т о л ь к о о тр и ц а те л ьн о заряж енны е
ка п л и .
2 . В н е к о т о р ы х л и вн е вы х о с а д к а х встречаю тся к а к п о л о ж и те л ь н ы е , т а к
и о тр и ц а те л ь н ы е за р я ж е н н ы е к а п л и .
3. С ред ний заряд на о д н у ка п л ю составляет пр и м е р н о 0 ,0 3 эл. с т. е д /ка п .
п р и м аксим ал ьном значении п р и м е р н о 0 ,0 6 эл. с т. е д /ка п . в л и в н е в ы х
о с а д ка х.
4 . С р е д ни й заряд на о д н у ка п л ю в л и в н е в ы х о с а д к а х , к а к правило,,
ум е н ьш а ется с п р и б л и ж е н и е м к земле.
5 . С р е д ни й зар яд о т р и ц а те л ь н о з а р я ж е н н ы х кап ел ь о б ы чн о превы ш ает
ср е д н и й заряд п о л о ж и т е л ь н о з а р я ж е н н ы х к а п е л ь .
6. Ч и сл о ка п е л ь с м аксим ал ьны м и о гр и ц а т ё л ь н ы м и зарядам и п р е в ы ш а е т
о б ы ч н о числ о ка п е л ь с м аксим ал ьн ы м и п о л о ж и т е л ь н ы м и зарядам и.
7. В л и вне вы х о с а д ка х с п е кт р зарядов к а п е л ь на од н о й вы соте не остается;
п о сто я н н ы м для р а зл и ч н ы х у ч а с т к о в д о ж д я .
8. К о н ц е н тр а ц и я за р я ж е н н ы х ка пе л ь в л и вн е вы х о с а д к а х м о ж е т д о х о д и ть
д о 6 0 0 ка п /м ^, составляя в среднем о к о л о 2 0 0
к а п /м ^ .
9. С р е д ни й объ е м н ы й за ря д , связанны й
с ка п л я м и , н е су щ и м и заряды
более 0 ,0 1 эл. ст. е д ., со ста в л я ет н е с к о л ь к о эл. с т. ед/м^ и м о ж е т д о х о ­
д и т ь до 10 эл. ст. ед м^. С р е д н и й о б ъ е м н ы й заряд, н а ход ящ и йся на капл ях,.
24
cf
s
=?
Ю
ed
H
a;S
s:vs
sr
(U
ss
a,
C,
90HdBWW
jCq
о
Й
^о §5■
оо
5 со^
, ffi 5 W
Ч
6S
0) о ^ oa ^
CD
-w
<Syоt=4 Sя
0E? К
С
^с C
«
O
§
о
uя a.
H
^ pe «3
CD
о
ь
1! 3£ “
<C> S ffi о ffi
§
C4JO
OIO
ЮO
СО
С'!
ocooo
C
OI T
-H
T—
T—
t
CO
OOOO
OOOO о о о о
081—on
OOOO
o -o g
on—001
OOOO
OOOO о о о о
Э 001-06
£о-<
Ч 06-08
eo1
08-0Z
О
T—
<
X
»J3 OZ-09
<сu
c1*a5 09-0S
*=
Яt
aС
ea
CO■ OS-0^
OOOO
о
От-^ОЮ
oo
оооо
O tiOit*O
О^-нОЮ
|>- о о о о
o -o g
ОСООЮ
0 (M 0 0
ocooig о о о о
o ei<
o^-oe
Og-OS
OS-01
s s®и
Sa^
^О
оffi C
raQ
C
I
hC
Oa:
Ч
я
a
a S >=t § S.
Щ
^ >>&» a
(gir) БХ-Л'п'еоа
ojOHHsdaw
-ей иэгро
№ CO
<ОUs
Ч t3
CQ1 oa
О
5о
ГТ
HHOdlD oj^
1—
<
о 00 o o
CO
о^ою
^ s
CO
OCNOO
00 CO
Hr 1+ 1
c>
s
&■
J2
CO^
4
оЮ
05 .. о о о о
оооо
0 0 0 .0
СЧ00
<7i
ю
о"
S
■
to
JO
o"
я
ю
^8
ю
2
(М
со
оо
сооо со
ю
с- Ю
!>
■
сосо
100510»0
oa
оО S 2 8!>.Sсо
ЮО
со :ч^Ю
О
соОС
Ю
с^о
С
Оо
оas Ю
СО
0Ir­0 см(МЮ
tWC05
Oюю
юд
Т-Н
+ 14"!
:^;г;0'0'
4й !оУ
?§
о"
<и
о
н
OOOCO ’—OIOO соо CNо
ю
OC^OO CNCOOO . ООО
SS?
■OOOO OOOO
— 22
OOOO CO(М0Ю
05
00О
5 1-ОЮО
СЧ
OOOO (N(NО о с^ о о о ,
1—
11—
<
соо ю
^
ОЮО
OOOO
C
S1J сз
bO
^ооо
OOOO
сч
OOOO
(MCM
1—ГЬ'Юо
OOOO
1-с 0500
о '-•ОЮ'
оооо
O
•«t*i
о осао оо о о о о ^ o jo o
'
сою ою
<Т-м
со
Н
O
^CN
O
O
Ю
о 00о о
ЮСО00 OOCOо(N
T—
«^
J^ J + i
§go
3sffi S о
Sоu
<D
s
a^M
-Й
cucu
‘=s о о
^t^u:>o
о ’4j<ooCO
о
о"
.
ж
Sg
со
^
соо
соо
Ю
ю.
ю
ю
<£>
:
^ с
~
2a
ec
s
\o
о
OJ
s
s
a
a
Ю
о
s <
о
CJ
g o
•Sid
s
bs.
(=c
О
CQ
0)
К
S
1=^
о
Ш
a;
s
CQ
CQ■
s
^ CMо о
^co^
CO !>. О Ю
C.'OOCO
^ 8
o o o o
o o o o
o o o o
о о о о
о о о о
081 —0X1
OCMOO ■ o o o o
53
o o o o
о о о о
о ’Г-, о о
CN
on—ooi
o o o o
o o o o
О г-Ч О Ю
о
о о о о
о о о о
о о о о
001 - 06
o o o o
o o o o
о-^ою
o>
о о о о
о о о о
, о о о о
0 6 -0 8
o o o o
О О О о
о —< о ю
оо
о
о о о о
0 0.0 0
o s-o z
О ’-^О Ю
o o o o
ОСО 0 »л '
я
о ’-н О Ю
с ч о о о
см o g o
1—н
O Z -0 9
oco ОЮ
о lO о lO
o c o ОЮ
20Ю0
^ою о
90Н(1еииХэ
oei <
CTi
s
ОЮ O lO
0 9 -0 5
0 9 -O f^
01^- o e
o e -o s
СЧ
o c o o o
(M
o o o o
1—'(;0
Ю
Г-.С
ОС<
Т^ЮОЮ
<MTf t-
«со CO CO
—<Tf
oco ОЮ
CO
H!>. ЮЮ
1-1о
ОЮ
00
o>.
0 см ю ю
^
со со
.
LO
о CO О Ю
CO
CO
00 00
{>■
о о о о
,о г - о о
см
^ о юCOо
CO
CO о Ю о
со
2 ’~ * o ^
^ •
-Ojo<
СЧ
Ot--OiO
ОЮ ОЮ
CO
oo
«53^2
о о о с
<
CO
со
to
О CO о О
^ 00
CO I-H О Ю
03— 01
° s : ° g
г-н со
со
ОЮ о
cs
Ю
го
о
^
lO
ю
’- '
IC 1—‘ о lO
^CO
со ю о
о 1-н о
CS)
о сч
S дS Iс Iо ч
i « s | a
^
! +'1
I + I
+ 1 Ч- 1
+ 1
^ 2 :0 0
+ i
^ .1 + i
:^ ;:$ ;0 '0
о* ^
(еж) ExXtreoa
0 J0 H H 9 d 9 W
-ей и э г р о
cs
S3
03
Ю
s
HHOdlD o}^
26
см
о
S ■
ЕГсо
S
”tr 1Tf
:ii
CO 03
ю
to
<о
o'
2 о
S
10
^ о
ю
ю
г
> Й
Ю
05
СЧг^
05
S’
S
S
5 о
3^со
ю
S'
ю
§ ss
g s
о
=С Леи
^
н
5S
о
203 0S- S
^
<0) ^ са
CQ
<D
s
X
eo
sr
<D
s
S
Cl.
с
<D
о
0) ■
. ^
о
о
«и
fS
о
н
ОЮ
со со t—
O t^ ОЮ
со . со
см
•тНСЛОЮ
Ю о о
ООО’-'Ю
CNсчсо 00
tr- ю
ю ю ОЮ
t - i-'O lr(Мсо
Т—1со ю ю
00 ^СМ
^
ю
о о O' о
ОООО
0 ^ 0 0
ю
.о о о о
о о о о
ОООО
о о о о
О со о О
СОСО о о
о ю о о
о о о о
ОООО
см о о1—1о
см
О ’—ОЮ
о
0 0 -0 0
ОООО
o e i<
OEI—o n
Oil —001
ei
O i-^О Ю
О
Т—
41—1
ОООО
о о о о
со со ю ю
оо со
см см
ою ою
f-
о о о о .
ОООО
о -^ о ю
со
о -о ю
1—<1—<ю
о о о о
о
О ^ ОЮ
оо
о о о о
CS ^ О Ю
ю t-
СОСОЮЮ
(МСЧ
осо о о
ю
ОООО
осм оо
ю
o c^og
о о- ОЮ
о с о ОЮ
05
1—<
осчо^
001—06
<D
■H
u
e;
CD
0 6 -0 8
1
О
0 8 — OZ
X
. о о о о
A
01 — 09
(U
С
it:
09-O S
a;
so
CO
Т-Н(М
ОЮ
00
(N (М о о
:= :^ s g
со 1-<
^ о ю о
о с1—
о 1ОЮ
у~-1
t>
о » -^ о ю
ю
осм о о
^т-^Ю Ю
т—1т—<lO Ю
С<1 ^ 'Tt- 05
05 Tj-
.-НCNLO о
-ф СП
о с о ОЮ
осо о о
см
О 'Ф О О
05 ОЮ
^со
ОЮ о ю
^ t—ю с^
со Ю
• 0 0 5 ОЮ
1—' »-н
со
. о 05 о ю
5
о
со
ОЮ ОЮ
см с^
со
OS— Of'
O i '- O e
o e -o s
со г- ОЮ
(N O t ^
CScO
o s-o i
05 со ю о
Ю со 1>00
s l S g S
o a s | s
Ч 03 и я a,
ю
00 00
со со о о
с^ю ю
’^ с о с о
см сч о о
03 со со
2<0
'ф
00 со
о о
см ОЮ
см со
■1—«05 ю ю
ю ю сооо
00
+ Г+ 1
:^ ^ с > о
^см о о
-+ J + 1
й : й : 0 '0 '
+ 1+ 1
:^ :5 :о о '
ю
ю
■o '
о
00 о
-
о
S
‘
со
ОЮ ОЮ
см
со
P
ГГ l a." ДЭi »
о CO ” s
CO
; (gW) BXilTEOa
OJOHHQdsW
, -ей ИЭЧ.90
CO
s
<D
О
CQ
1
. s ?
ffi
ью
о
S
:•!
ю
о
•S
ю _
-4f о
ую
ю
о"
S
S
ю
rh O
3" ^
ю
S o
B-'t- .
ю
ю
со
'О _
^ о •
ч
о".
О
о
о
s
3"
HModio ojyf
со .
1—1
00
27
Si
(D
S
ССКОГ
<D
S
s
aС ■
эон(1вии^Сэ
o e i<
081 —on
o n —001
001-06
U
СП 0 6 - 0 8
соi
о 0 8 -O Z
rо §t^ §*H
3gs
«
0) ^3 2CQ
O gog
oooo
0 0 0 ,0
oooo
OOOO
oooo
01-^ ОЮ
OOOO
hO
0)c O Z -0 9
Cit:3
OCMOO
r-4 .
O 9 -0 S
05
Cu
C3 O S-O f' . , ОСЧОО
CO
OOOO
^ CO
o ^ -o e
0^00
o e -o s
X
OS - 01
^*5 Ч « <u
■
s |g
gо &S tfs 2-f a<1>
3-S О^s §5.n^ Йg
CO
(gW) BXjfireoa
0Л0НН9(1ЭИ
-ЕИ ИЭЧ-90
<d
SW я s ' ?
<D
Ca.Q' 3CQ'^
c=f0
=S3 ^
05<1;
CSSQ
t=;
<L>
E-0
rfCDT-H00
0 lO
00-si-CO
T-H CO
ООЮЮСМ
00
^ ^GO
O O O O (МЮ 05 00
(M
OCSJOO o o o o t-H
o o00o0 o0
T-H05
O O O O o o o o OOCDOO
T-H«D00
05 CO
05
^CD
o co ОЮ - o o o o CO
COt^co
00Ю^0
T-Hl>^
CO
- 0 ^ 0 0 o o o o Ю00100
Tfco 00
CO
гО
0
OOOOOO
t> CO
0 o o o o
I>-OOlOO
COCO
ЮСО
С0С01ЛЮ 05 ОЮ 0 000005 ОЮ-Tf
^ S2
1—<to 05
С0 01ЮЮ ^ 0 0 0 o S S S
'~”~‘lO 00
0 to 0
Thcs 0 0
05
СЧ'Tf
i-HOtOO
озсо
ю ^о
CD
^ 00
§ -§ §
т-нсо
Г-. ЮСО
О^Ю
CO
^СОЮЮ
ю
ю
ю
Ю
О
О
О
•^CD ЮЮ
(N
оосмсч
• CO
t-ч
см
CD
00 ^
Tf юсо
05
1-H
^
10
Tf
03
о
Ю
CD
1
-НОЮ
см ЮСО
00
05 CD
CO Ю
0'
со 0со0
S fe S K
S ^ |S
■oooo.
^ : ^ o+ o 1
05
CD
00
s
o'
0
S
co o
B-'ro
Й
CO0
sr'^
CD
CO
0"
О
оs
гг
ияоёхэ
28
(V
о
Theses
Юсо
05
оооо
оооо
05
cs
оооо
СЧ
Чг 1 + 1• :г;:^с>0'
+ (
о
о"
ю
о
S'
S
о
СГ
ют-н
оооо
О ’^ о ою
1-н
о О со
Ю оооо
со
СЧсо ^ОЮ
ю оооо
со т-нЮЮ
СЧ
1-н 05
СЧ
Ю05ЮЮ
т-^со t^co
'“ '“ СОСО
gs
05Ю
СЧ
т-н\0ЮЮ
СЧг-4 Ю
СЧ S 2 gсо gю
^ 00
СЧ
Tf о о 05 05 юо юо
CO-^TfCO
Tf со
Tf Tf
Ю
00ю
осо Tf с о о о
счсо
t--0со
3?^
0
юr-HCDI>.(N
ю ю ю 05 05ЮЮ
со о
С'4СЧ
О ’- 'ОЮ
+ 1+ 1
ю
CS
.
со соTf юTfюо. .
о 05
OCS о о
оо
u
CD05
см
СЧ
§
>10
ojsf
5
• <й?S ^оЯЗ
оесю*=5
3S3 5
C(UQ 2с
A
. 0S sw
Cf Ч
5ЯЮ
0
ffl “
e «01
со
.
СЧ
со
(U
sя
R
cr3
QJ
s
is
o.
с
S |
l i
1-
<D
<D
О
H
о
H
0J
tl)
о
н
о
н •
Oii-^IOO
C
OЮC
1-cOо05
COCQ
ОСО
юю
C
Q1—'сою
05
CQ
С
О03 со со
t»-н1^Ю-Ф
—I CQ
t-co
<u
^■
о
H
2—
T
112—1§T—
1gt:{h
ЮЮ
r-HiOiOO
00lO1> oo
’^ c o S
0 8 I<
о ^ о юCO
OOOO
OOOO,
Г-. CMo'lo
Ю
r^ca
о о о о
oei —on
(M<Mо о
o -o g
OOOO
Ю*^o
о
ООО
со
Т-Но см
о о
т—
с
on —001
OOOO
OOOO
со ОЮ о
со
оооо
001—06
S csj Ю
ЮО
CO05
r-c
CQca о05 о05 . O O O O
^ т?^ю
оО
03 со.
О
оооо
со
0 6 -0 8
rhio ОЮ
CO-«f
r-Чг-нЮ
ooЮ
CO
о
CQCQо о
1—
«1^
1—1
о -о ю
CQCOо о
^^ю
CO
1
о 0 8 -O Z
СОО^Ю
Ю
(M
(NCD
00^ o o
— K!2
COT
---<010
-<
COtОЗЬ-ЮЮ
00 C
o4o00
TM
-<C
Юo
to
’
-'to
lO
^CMCMlO
oo •r-l
I—
OOOOO
^
s
n
<v
и
cr>
X
Л
«<
3 OL- 09
D
<0
itf 0 9 - o s
tt
cu
CO
cn o s - o t -
& i2 (M
;200
s
O f'-O S
03 tS- ЮЮ
ОЮ
OS — os
1-С10Ю
(N
CMCMCЮ
M
ЮСО
OS — 01
CNЮC
ОЮ
OC--
=S ^ <0
s aS O
eJ ^2 Ч
CO
§ & s |a
SS
22
' ^ 0 Xо0 0
ОЮ
C-- (Mlo 'o
о lOо CO1—
с
1-НCQ
^о о о
.
Ог-ч ОЮ
ю
юО
О
ОС
см
со
00со
^ см
сою ОЮ
со со
^ ю оCNюt- " о со о о
CQCQ ^ ЮСО
T-.10 lO
. ^O go
- 0—■
10-и^,-Н0Ю
со 103
t-< 1—
<ю
ю
юю
ООО о
(Мг-сОЮ
1-«Ю
^-■^ю о
со Т-.
,-^ о T
юt* о
О5С0 ЮО
2 ^g g
со
осоою
юююю
8 2 |g
'
'
,
t> ю ю
t>
-tю
C
7—
r-lQ
со
о
со са
со оС
ОЮ
Г5Ю
^ю ю
О ’—'
-нсо
ю от*.
С
Ч)1-Г^
со CQ
+ 1+ I
г ;г ;0 '0 '
+J + 1
са смсо
о со
о
+ 1+ (
j
►
chJ
'
fe;fe;0'0'
+ 1+ 1
s ;a :0 0 ‘
о
S
О
CO
o"
со
CQ
о"
о"
т—
<
i
о
s
s
о
S
о
ою
1
Ю
C
M
to
CQ
t-Q
C
ОО
CQ
CO
(gur) Bxiireoa
ojOHHadaw
-ей и э гд о
05
s
®
СО
ё
о1=5
U
S
.
HModio ojsf
осо
29
<D
л
Cd
H
Я” о о о
я U u fO
<u
s
Д
ed
Cr*
^
^
s
\
§
<D
н te _ ^
« |S £ i -
,
S'
s
a
iz ;,
S
“ S
о
<u
о
03
CD
о
H
со
5
Ю СЧ О О
со ЮОО Tf
ю ю т— оо
S с5
сосм ю о
CS СЧ T f т*н
г^сою ю
T f 03 О ОО
о CS о з ю
- н т-н CS CS
Tf Ю
1
о о о о
c s Tt-
с ч о ю о
cs
05 сл оо
о о
00
011— 001
С О ^^О Ю
оо i-H
о о о о
сою ю ю
CS ^
'О О О О
О ^С О Ю О
^сосо
1-- со
о о о о
^ ю ю ю
со со с о f--
00
Tf о о
CS СЧ 05 о
о 00
CS г-и
о о о о
0 8 — OZ
со
о Ю
со Ю о
t--c s
c s Tf
сосою ю
OZ — 0 9
о CS о о
тН Ю о т-«
со со
счсо
о о о о
Л
С
cd
a
■
—' О Ю о
О О О о
0 9 — OS
001 -
H
CJ
0 6 -0 8
CO
1
О
X
•=(
R
Cu
Cd
CO
o s - 0 ^
o ^ - o e
OS — OS
OS -
о о о о
о о
06
00 1-H О Ю
.Ю Tf c s УЭ
? 5 5 ::
Ю т^ ю ю
со со 05 03
со ГН .
1-н 03 Ю Ю
со Tf 05 СЧ
1-н
со со
Tf 1—■
o o o o
о о о о
о о о о
o o o o
о г-« о о
CS
о о о о
o o
о ■гн о ю
о
о о о о
О -н О Ю
05
о о о о
о о о о
- о ю
0
--0 Ю
о о о о
о » -^ о ю
о о о о
со ^ ю о
со
^ о ю
с о о о о
со
c sю o ю
CSi-H О Ю
1-н Ю
Tf о о о
OTf о о
г-н ,-н ЮСО
Tf со
CS 1-н о ю
05 Tf
00
CS о о
1-н
1-н 05
00
Ю тf ю о
1-н
CSTf
Ю т-<
о с о о о
^
S cs
СЧ
05 00 ю о
CS о
CS CS
со
ю ю
ХО -н CS СЧ
00 Tf
05
ю ю
Tf COC4CS
c s 05
о о.
ю ^ ю о
о о
т-н г-н
^ ю ю
^сч
о .
05
о
" ^■ ^Ю С О
со со
—'С М Ю О
■
о
н
g CQ
s
o s t-o ii
<u
0)
- й
^ ж
X
о § S g
O S I<
со
• -3 S
Шм
о сз
X (J
X о
(D
CQ <и •
4
о 00
тН СЧ
Ю f-- Ю Ю
Ю Tf
1-H
,-н ю ю
О ОО т н с о
1-н
1>. 00
со CS
CSЮ О Ю
со о о
ю о
^ ^ 0 3 CS
CS Tf
Tf с о ю о
ю ^ —■
Tf CS
С73Ю Ю Ю
О Ю cs
СЧ Tf c s CO
•. Ю 1-H
c s СЧ о о
сосою ю
Tf Tf
C73 00 Ю о
01
s g s s
’^ ’^ ю ю
^ ю ю
1-н
r-H c s
ю ю ю
Ю tсч
00
ю о
Tf С50
05 c s
l>. СЧ ю о
г-<
ЮСО
СЧ
.w -Q
<u
S a2 2e S
=5
О “cd
g g - s s a
l i g s s
CO
“
o jO H H s d s w
И Э Ч .9 0
CS
s
QJ я^
a .'
CQ
1
s
[ w ] B X jftre o a
-ей
1 +
^
Cd
H X—Ч
о s
о 3
s
.
CQ
to
cs
со
U -
Ю
о"
Ю
S
2
i - 8
.
со ^
со
CS
Tf
ю
о
о"
S
•
о
о
^-СО
о
--г1-н
S
S
1
со
. о
CJ
s
S
30
t-'
1 -й
'J '
H H o d iD
Я-
o^sT
со
со
S
'
.
й
S o
.
3=” со
s
s
а:
=
V
<D
и S
S
s
о.
ia CO
a
s
s
4)
“ °
яз
u
о
E-
CQ
«
CSIO О О О
Г—y—>
(M Tt-
o e i<
OCOOgD
Tt*
CMOOO
<
0 0о0 COTt*
O r-^ O tO (M
OEI - on
on —001
OCO ОЮ
5
о r-4 О Ю
о
001—06
OOOO
06 — 08
08- O Z
O Z — 09
OCO ОЮ
<N
cs
ОСООЮ
05
09-09
COt-oC Om00
OS - 0^
С731-Н
ЮЮ
T-Hо^ 0>
Tt*
Ofr—oe
o e -0 5
OS - 0 1
oc^oo
coco
CNc o o <
CM
l> t
Tt*t-- ОЮ
T-H1—<05 03
"ФЮ
1—Tt*iO<
05 с
Tt*CNOO
^
T-HCO
СЧ
я 3 Ss «
33 с о pg-sga
S et S tu
S5 s
>>S-o Ш
u
та
s
CO'
(ж) BYjCir.eoa
Ю
CO
OJOHH9d0W
-ЕИ И Э г р О
S
о •>.
D S CJ ^
O-
S
QQ
2
GO
CO $
- 8
3.-СЧ
<o
s
:t
HH O dlO 5Я
00
CO
^ A
Л Л
Л
■ sо
Ч
w
td
|g o |c o g g ^ S
О g; Ц
о 4 g | g g §^^Чl § i Л <Dt=
i id О\o
S i g o g g i 'Г ^ «S o S ' S ^о °s
I s B3 че- Щ
g
S-—
5 ® 0«dirraracu
.g o o ffiH K0)
ScQ S
Ш
t=
s
оc
1 1 S g ■- 5 o o g £ a s
t=^
с:
<
D
S
S
S
a
a
AC
=
О
cC
s оX
■X
<
u О)
C
Q
Н
^C
J3 ^
3JS
S
И
s
l ' “m
eS
S
CQ
l> СЧCMto Tf <£)
T-H05
C4 оt^io C5^C
OI-H
2g
05Юto COЮI—
*
гОЮ
00
05 5>C
000
o ' O^ o"t-T o*'o"о о Tf o' OiOOOOOi—
' CM^O ,-hOOt-'’—
't—
-.T* »s
3 3 sg
§ ^I
I HfT
vo Imj3g яД С'=П3
о ffl
W
Tf 0C5M
o lO
oо
Ю0 010
СIO
М о to Ю051-H
ю
ю ^^
to to
>-to
05Tf
Tf t>
Tf CM 1Tf
о со lO to
о
o-^co
COi—
'Tft^cOCO cOcOt^iOOi—
•’—
■ cOi—
'O о о COCMCM^ о
III
!+
1111+
+11+1+
+ 11+ 11+ + + +
CO
COl> T-H . CO C
TO
f CO1—
m"o^
'C
toOcoo
05
о t- 2] 2 Ю
СО^CM
C
M ■>< C M t O COOCrOH CC MM C O T f c ^ t o • 0 0 ОC MО СЮ Ч0 C5M Тr-^- Н1—С 0
CMCO o o 00 о .
CO
J' ^CM 1oco
—
<ю toco
1' 1' C
00
C
M CMC
OгО
CO
OСTf
<
G
O
C
M
O
1
-H
СC
О
О'О1to
О‘Сtо-H
О ^счсо
CO05Tf to
oo
1-hCM'
COcm 1Ю
—
сCO^ 1
—
—
,-H
C
Mс<
5 0 5 O t- 0 5 C M 0 0
T
l
dS’
) si
о s'
^ =r
OS ^
3 5^
ООО
OtO
С
МСЧСМ C
Mо
C O lO T fC O tO O O lO
1-H
OtOiotOOO
tOOOtOOOO
CMCOOOOCMCO 00
CMCOо COCMCM ЮЮО
TftOCO tOOOtOOtOO
о COCMooCO00CM
|S 5
Л
uи <
w Ч.
c3 a.®'
O O l- H
,{to
Ю
оOC
оO C
toOC
toO
1-HC
O C
Л
Л
Л
Л
Л
lOоM tOtOOtOOOtO
tOOtO
о оCMС
оО
it-^C
T-Hl>.c000c0c0!0 «О
СОСО'" to ОЮ
CM05to
о со
*< CO
л
л
л
л
л
л
л
TfC--CM COTf tocoioco 00 TjHсо Tf CMto CM о 00CO. о Tf CMCO05Tf 00
00
1-H O0i-H1005CM05
C
Ol>
-C
CM
M C
COO
)OOCOCOOlO C
l>M
.05C
M
05
CM
1-H
MC
O CMCOCOCMCMCM CM
C'llOTfTfTfCO
K5T
f C
TfO00
Tf C
Ooco
Tf to оTf ^Tf
ч9 ^
5Я S t<
X и:
X
t=CД
га н
(U
CJ
I I I
I I
.
co^ 10^0^ Tf
C75l>- OOOCM CMI> ^
tO^I>-^CO^
Ч
IЮ
" C
!>O. 00
05
03
оO I Ito
toM to
COоtOTfTf^CM
-to"о ^ 00
^ со
1-H
Tf 05
1-hC
cmC
t-HCM
COC
MC
M i>rcoco"t^cM
Tf Tf Tf COto*'tс
. Tf
о.
^
C
пd
f-coo
O-CO C
Ml^OOСМ
TjHсОО
iOcg
C
M
1-^нОзЮ
CV
J iOTf TflO
^
X
л
t>
00to
CMto
CT3Tf 0500
ooT.-H00
ooT-H
to
TC
-H
Ю
CM
M
to
COCO
C
OCOto to i-HCO05
Tf^iOCMtOi^Tf
^ T-H
^
X
s 3
gs
<u D
+
5
TfOC
O1C
OC
toOC
CM
OC
toO C
^0O
CM
M Tf
C00^o0050c0
1O
-HOCOOOTfT-H
toco Tf C
00
-H
5CC
O
1—
' COCOCOCM
y— <
OOOi-HLQi-H
(ж) Biooiqg
s
(D
a,
CQ
to
b-1
-*
CO
CMC
MC
O coco
to Tf
оCMCOOOOO^T
OCMOOOTfCM^ cTj^
OOCO
t O C O T f t O O ^ c O
ocOTf
Tf
to to to
Т-Н,— i i o t O t O t O
Ю
to
05
C
sJ
D“
H^odlD 5Я
32
>
со'
Ю
to
Ю
Ю
Ю
03 to
05
Ю
CM
TflO СОООООзОт
lOtOtotOCOCOCO
u
Ю
05
и
§05
:=:
со'
S'
СЧ
CM
CMCOTf to CD 00
COcOcO
CO
u
to
to
2
tz
>
CM
050^
C
O.T
f tO
CCD
l>MC
00
MC
CM
CM
CM
MC
M
CMCN CM
несущих заряды одного знака, может доходить до 30 эл. ст. ед/м^. Объем­
ные заряды, создаваемые разноименно заряженными каплями, могут в зна­
чительной степени нейтрализовать друг друга. Суммарные отрицательные
объемные заряды наблюдались в 70®/о случаях.
10. Из Cs могут выпадать частицы, несущие средние заряды около
0,03 эл. ст. ед. с концентрацией, доходящей до 500 кап/м^.
11. В ливневых осадках с градом наблюдались смещанные заряды, при­
чем средний заряд увеличивался с приближением к земле.
12. Величина тока на землю, создаваемого крупными заряженными кап­
лями, может достигать около 10~*^ а/см^.
13. Величина объемных зарядов, создаваемых каплями, заряженными одним
знаком электричества, в ливневых осадках обычно достаточна даже для про­
явления грозовой деятельности. Однако этот объемный заряд обычно компен­
сируется зарядами другого знака, находящимися на каплях и в воздухе.
14. Частицы осадков, выпадающие из Аз, могут нести значительные
отрицательные зарядыз составляющие в среднем около 0,03 эл. ст. ед/частицу
при концентрации около 400 заряженных частиц на 1 м®.
15. Заряды капель во время падения последних могут изменяться как
по величине, так и по знаку. Измерения зарядов частиц у поверхности земли
поэтому, как правило, не могут дать представления о величине и знаке
заряда частиц при выпадении их из облака.
ЛИТЕРАТУРА
1. E l s t e r 1., G e i t e l Н. Ober die Elektrizitatsentwickelung bei den Regenbildung.
Ann. der Phys. 25. 1881.
2. G s с h w e П d P. Beobachtungen iiber die electrischen Ladungen einzelner Regentrop-fen und Schneeflocken. Jahrbuch der Radioaktivitat und Elektronik 17. 1921.
3. H u t c h i n s o n W., C h a l m e r s J. The electrical charges and masses of single
raindrops. Quart. Journ. royal met. soc. 77. 1951.
4. S m i t h L. The electric sharge of raindrops. Quart. Journ. royal met. soc., 81. 1955.
5. W h i p p l e F., C h a l m e r s J. On Wilson’s theory of the collection of charge by
falling drops. Quart. Journ. royal met. soc. 70: 1944.
6. G u u П R. The free electrical charge on thunderstorm rain and its relation to droplet
size. Journ. geophys. res. 54. 1949.
7. G u n n R. The electrical charge on precipitation at various altitudes and its relation
to thunderstorm s. Phys. rev., 71. 1947.
8. Q u n n R. The free electrical charge on precipitation inside an active thunderstorm s.
Journ. geophys. res. 55, 1950.
9. G u n n R. The electrification of cloud droplets in nonprecipitating Cumulus. Journ.
meteor., 9. 1952.
10. И MЯ1
НИТ01В И. М., М их'а й л о в cK a я В. В. Самолетный прибор для измерения
элект1
ричесних зарядов часггиц ооащнов. Приб. и техн. экспер. 9. 1956.
11. К р а с н о г о р с к а я Н. В. Рюультаты измерения зарядов частиц осадков в сво­
бодной аггмоофаре. Изв. АН СССР, сер. геофиэич. № 7. 1956.
Т руд ы ГГО, вы п. 97
т. в. ЛОБОДИН
НЕКОТОРЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО
ПОЛЯ НАД ОКЕАНАМИ
По результатам измерений градиента потенциала, проведенных на .
теплоходе „Кооперация", приводятся величины суточного хода градиента
потенциала, данные об его унитарной вариации и широтном ходе.
Данная работа была проведена на теплоходе „Кооперация" во время его’
следования к берегам Антарктиды в ноябре—декабре 1957 г. в соответствии
с программой исследований над океанами во время МГГ [6] и общим пла­
ном исследований [7].
При ее выполнении ставились следующие задачи:
1) разработка методики наблюдений электрического поля атмосферы на
море электростатическим флюксметром, изготовленным Главной геофизиче­
ской обсерваторией им. А. И. Воейкова [1];
2) выявление суточного и широтного хода градиента потенциала;
3) выявление унитарной вариации.
Градиент потенциала Е электрического поля атмосферы вблизи земной,
поверхности зависит от метеорологических и местных условий, времени года,
щироты места. Средние значения Е для различных пунктов земного шара
могут отличаться друг от друга в 5— 10 раз. Так, например, в Уппсале
(Швеция) и в Мирном (Антарктида) по предварительным данным средние
величины градиента потенциала для всех дней отличаются приблизительнов 10 раз. Суточный ход Е может определяться местными возмущениями,
обусловленными наличием ядер конденсации, пыли, дыма, степенью верти­
кального обмена. Помимо суточного хода Е, определяемого местными усло­
виями, некоторые авторы указывают на существование так называемой уни­
тарной вариации, т. е. изменений градиента потенциала, происходящих по
некоторому универсальному времени для всей земли с максимумом 18—
19 часов и минимумом 3—6 часов по гринвичскому времени [2], [3]. Дру­
гие авторы [4] берут под сомнение существование этой вариации, объясняя!
суточные изменения Е только местными условиями. Поэтому отыскание уни­
тарной вариации в наблюдениях, произведенных над однородной подстилаю­
щей поверхностью океана, представляет определенный интерес. Для выбора
места установки датчика электростатического флюксметра на корабле руко­
водствовались следующими соображениями.
1. Над приемной пластиной не должно быть экранирующих предметов,
чтобы добиться минимального искажения силовых линий поля в месте уста­
новки приемной части прцборз (в частности, датчик следует располагать
по возможности дальще от мачт).
2. Датчик должен быть защищен от частого заливания волной (в связи
с этим нежелательно помещать его на нижней палубе корабля).
3. Датчик необходимо располагать по возможности дальще от трубы, так
34
как по наблюдениям, проведенным на корабле „Кооперация", дым состоит
из положительно заряженных частиц и существенно искажает электрическое
поле атмосферы. Для проведения измерений в условиях, близких к штилю,,
необходимо располагать датчик в передней части корабля.
4.
Датчик надо устанавливать на хорошо продуваемом месте дл» устра­
нения влияния загрязненного воздуха вблизи палубы корабля. на показанияв
прибора.
Исходя из этих требований, датчик прибора был помещен на ходовомт
мостике корабля, в левой его части. Высота расположения над мостиком;
составляет около 3 м, а над уровнем моря — около 15 м. Крепление датчика
с корпусом корабля можно производить жестко.
Необходимо, однако, иметь в виду то обстоятельство, что величина згаряда, индуцируемого на приемную пластину, пропорциональна эффективной
площади последней, которая изменяется при качке пропорционально косину­
сам углов носового и бокового наклонов корабля. Углом наклона при носо­
вой качке можно в большинстве случаев пренебречь. Остается учесть зави­
симость величины эффективной площади приемной пластины от косинуса
угла бокового наклона, которая практически трудно поддается определению'
и может быть учтена только при предпбложении гармоничности колебаний
корабля. Следовательно, при волнениях регистрируются заниженные значения',
напряженности электрического поля атмосферы. При наклонах корабля больше
6—7° ошибка в измерении только из-за изменения эффективной площади
пластины выходит за пределы погрешности прибора. Этой ошибки можно
избежать, применяя карданный подвес. Следует, однако, заметить, что при
наклонах корабля более 7— 10° измерения становятся неопределенными ввиду
того, что изменяется высота искажающих поле предметов, В связи с этим
неизвестным образом изменяется конфигурация силовых линий и становится;
невозможным приведение полученных данных к равнине.
Для регистрации градиента потенциала применялся хорошо зарекомендо­
вавший себя электронный потенциометр „ЭПП-09“. Чтобы избежать измене­
ния чувствительности прибора за счет вибрации, необходимо было наглухо
застопорить потенциометры отрицательной обратной связи и усиления.
Коэффициент приведения показаний прибора к равнине определялся непо­
средственным методом. Для этого во время устойчивой погоды определялся;
градиент потенциала на корабле и на уровне земной поверхности на рас­
стоянии 100 м от судна. Приведение производилось на ровном припае.
Коэффициент определялся как отношение среднечасовых значений градиента
потенциала на корабле к таковому же на уровне земной поверхности и по­
лучился равным 0,1. Для исключения ошибки в определении коэффициента
редукции, связанной с суточным ходом Е и изменением метеорологических
условий со временем, делалось контрольное измерение на корабле после
наблюдений на уровне земли.
При наблюдениях на море вдали от берегов значительно уменьшается;
число факторов, определяющих основные вариации градиента потенциала.
При этом уменьшается влияние пыли, дыма, радиоактивных эманаций, исче­
зает орографическое влияние; основная роль источников локальных вариаций
переходит к абсолютной влажности, типу облачности и воздушной массы,,
волнениям, конвективному обмену и барическим системам.
Вычисление средних значений градиента потенциала для ясных дней^
а также дней с облачностью среднего и верхнего ярусов до трех баллов дало
величину градиента потенциала Е, равную 114 в/м, что хорошо согласуется
с результатами наблюдений морской экспедиции Института Карнеджи [5].
Суточный ход Е сильно зависит от характера развития конвективных
движений. В зависимости от соотношения температуры воды и воздуха
происходит различное суточное развитие конвекции, а также градиента по­
тенциала.
3*
35'
При температуре воды выше температуры воздуха наблюдается уменьше­
ние конвекции к полудню, когда воздушные массы прогреваются и умень­
шается разность температур между воздухом и водой. При этом уменьшается
количество переносимых в атмосферу положительных ионов, что приводит
к уменьшению Е. Ночью конвекция увеличивается и происходит увеличение
градиента потенциала. На рис. 1 представлен суточный ход Е для этого
Рис. 1. Суточный ход градиента потенциала.
1 — температура воды выше температуры воздуха, 2 — температура воды
ниже
температуры
воздуха,
3 — унитарная
вариация
градиента
потенциала.
случая, построенный по 24 полным дням (кривая 1), в котором явно выра­
жены два минимума в 4 и 11 — 12 часов и два максимума в 17— 18 и
21 час по местному времени, первые минимум и максимум выражены более
слабо.
Совершенно иной суточный ход Е наблюдается в том случае, когда тем­
пература воды ниже температуры воздуха. Развитие конвекции и суточный
ход Е в этом случае противоположны вышеописанному. На рис. 1 дан су­
точный ход Е для такого случая (кривая 2).
Преобладающим температурным режимом в Атлантическом океане,
в ноябре—декабре 1957 г. был первый, поэтому суточный ход Е, построен­
ный для всех дней измерений, точно повторяет кривую 1 рис. 1. На суточт
ный ход Е накладываются унитарныё изменения.
Как видно на рис. 1, суточный ход градиента потенциала довольно плав­
ный и экстремальные его значения не превышают 20®/о среднесуточных.
Для выявления унитарной вариации построена кривая 5 (рис. 1), из хода
которой видно, что Я достигает минимального значения в 6 час. 30 мин.,
а максимального в 18 час. по гринвичскому времени. Максимум достаточно
резкий, минимум же сильно размыт, так что значения. £" 8 интервале от 5
до 12 час. отличаются друг от друга не более чем на 8 в/м. При этом
амплитуды экстремальных значений не превышают 30”/о среднесуточных.
Унитарная вариация выделена без учета широтного хода Е. Таким образом,
наличие унитарной вариации полностью подтверждается, хотя наблюдается
незначительный сдвиг минимума к утренним часам.
36
Сопоставление характера изменения градиента потенциала с барическими
системами приводит к следующему результату: при прохождении передней
части циклона и тыла антициклона наблюдается у в е л и ч е н и е т ы л циклона
и передняя часть антициклона характеризуются уменьшением Е. Полученная
Зависимость противоположна результатам наблюдений на уровне земной
поверхности в континентальных условиях и, вероятно, может быть объяснена
наличием восходящих и нисходящих движений в соответствующих частях
барических образований. Наличие нисходящих движений создает устойчивые
инверсионные слои, обогащенные частицами различного рода примесей. При
этом уменьшается обмен' и наиболее резко проявляется действие нарушен­
ного электродным эффектом слоя, что приводит к увеличению Е на уровне
земли. Вероятно, значительная часть зоны возмущения, вызывающей измене­
ние Е, располагается в нижнем 15 —20-метровом слое. При нисходящих
в/м
Рис. 2. Широтный ход градиента потенциала.
движениях происходит обеднение верхних слоев воздуха и соответственно
обогащение приземного слоя примесями и объемными зарядами, что приво­
дит к уменьшению Е на уровне 15 м. При наличии восходящих движений
увеличивается обмен и происходит обогащение объемными зарядами верхних
слоев атмосферы вследствие размывания нарушенного слоя. В связи с этим
градиент потенциала на высоте установки прибора увеличивается.
На рис. 2 дан широтный ход Е, построенный в основном для Атланти­
ческого океана. Зависимость Е от широты согласуется с результатами
наблюдений морской экспедиции Института Карнеджи, однако имеет ряд
существенных отличий.
В дополнение к данным Института Карнеджи были получены следующие
выводы: начиная с 52° ю. ш. наблюдается понижение Е вплоть до 66°,
а у берегов восточной Антарктиды Е принимает значение около 90 в/м.
Особого внимания заслуживает пик Е с максимумом около 15° ю. ш.,
который не может быть объяснен метеорологической обстановкой, тгк как
максимальная амплитуда Е наблюдалась при 6—7 баллах облачности сред­
него яруса, которая не может существенно изменить величину градиента
потенциала. Объяснение этого явления затруднительно, однако интересно’
отметить тот факт, что пик Е довольно точно совпадает с широтным
максимумом распределения грозовой активности на земном шаре. Отсюда
напрашивается вывод о возможной связи данных явлений.
37
ЛИТЕРАТУРА
■ ,
1. И м я и и т о в И. М., М и х а й л о в с к а я В. В., З и г а н о в Н. П., С т р е л ь ­
ц о в а М. Б. П1
рибо1
р для длительных измерений иатряжвниосш злектрическюго
поля атмосферы в сложных метворолюшчеоних условиях. Изв. АН СССР, cejp.
геофшич., № 9. 1956.
,2 .'Т в е р с к « й П. Н. Атмоофериое элект|риче1
спво. Гидрюметеоиздат. 1949.
3, О б о л е н с к и й В. Н. Ку|рс метеарюиопии. Гидрюметеаиэдат. 1944.
4. Ч в р и я в с ж и й Е. А. Элект1
р!иче1
ск1
ое иоле районов Срвдией Азии., Труды ТГО, вып.
9. 1954.
.5. M a u c h l y S. I. Studies in Atmospheric Electricity Based on Observations made on
Carnegie 1915—1925. Researches of the Departament of Terrestrial M agnetism 5,
387. 1926.
'6. Программа измерений нарряженяости элеитросггатичаокого поля в овобоииой атмо1
сфб|ре. Инфармящианиый аборник ГУГМС, № 4. 1957.
,7. И м я н и т о в И. М. Ис1
сл 0
до1
вани 1
я электрического поля в атмосфере, Инфармационвый сборник ГУГМС, № 5. 1958.
Б. Ф. ЛОЧ
СУТОЧНЫЙ х о д ЧИСЛА ГРОЗОВЫХ РАЗРЯДОВ
в статье дается краткое изложение принципа работы электрической
схемы грозорегистратора на электронных лампах, приводится суточный
ход числа грозовых разрядов, принятых ламповым грозорег'истратором
за три сезона гроз. Кроме того, делается попытка сопоставления дан­
ных суточного хода со статистикой пожаров от молний.'
В продолжение ряда лет в ГГО проводилась работа по созданию про­
стых приборов для непрерывной регистрации числа грозовых разрядов. Эти
приборы предназначались для эксплуатации в условиях сети гидрометео­
станций или обсерваторий. Наряду с грозорегистраторами на тиратроне
с холодным катодом [1] были подготовлены образцы приборов на тетроде
тлеющего разряда и на электронных лампах. На основе тиратрона и тетрода
€ыли построены простые и экономичные схемы батарейного питания, по­
требляющие 50— 100 мка. В местах, где обеспечивается непрерывное элек­
троснабжение, целесообразно использовать грозорегистратор на электронных
лампах. Электрическая схема такого прибора достаточно проста, надежна
в работе и не требует особого ухода.
Грозорегистратор снабжается ненаправленной антенной. Его схема по­
строена так, что прибор воспринимает любую полярность импульса, наво­
димого грозовыми разрядами в антенне. Максимальный радиус действия
устанавливается в зависимости от цели использования прибора.
Ламповый регистратор, электрическая схема которого ■ приведена на
рис. 1, применялся в ГГО в продолжении трех грозовых сезонов. В этой
схеме имеются две лампы 6Н8, выпрямитель и газовый стабилизатор напря­
жения. Первый каскад содержит апериодический вход и анодно-катодную
нагрузку, позволяет выделить положительный пусковой импульс из напряже­
ния антенны любой полярности. Выделение пускового импульса происходит
при помощи двойного диода (6X6). Пусковой импульс необходим для
срабатывания электронного реле (лампа 6Н8), которое выделяет широкий
импульс, постоянный по длительности и амплитуде. Этот широкий импульс
подается на выходную лампу (половина 6Н8), в анодной цепи которой
находится электромагнит пишущего механизма Р. В нормальном состоянии
выходная лампа заперта. Питание, этой лампы осуществляется через ячейку
накопителя RC. Такое питание обеспечивает сохранение общего напряжения,
так как выходная лампа открывается от широкого импульса, потребляя
ток 20—30 ма. При наличии 'стабилизации анодного питания прибор
сохраняет пороговую чувствительность при колебаниях напряжения сети
в 10— 15%.
При помощи трех потенциометров можно устанавливать и корректировать
общую чувствительность приемника грозорегистратора, порог срабатывания
электронного реле и величину контрольного импульса, вводимого на вход
при нажиме на кнопку контроля. Потенциометром в цепи катодов 6X6
39
можно регулировать общую чувствительность, используя для пуска часть
или полный сигнал, снимаемый с потенциометра. Выбор пускового сигнала
будет определяться параметрами антенны и требованием к радиусу действия.
При помощи потенциометра, находящегося в пусковой цепи электронного
реле, устанавливается порог срабатывания.
Дополнительное положительное смещение устанавливается таким образом,
чтобы имелся порог в 3 -^ 5 в. Это позволяет срезать помехи и ограничить
максимальный радиус действия. В качестве опорной точки регулировки
порога используется переход электронного реле в режим релаксации.
Рис. 1. Электрическая схема грозорегистратора на электронных лампах.
Р — электромагнит, пишущего
механизма;
Я — кнопка
контроля
пороговой
чувствительности г
/ — потенциометр регулировки чувствительности; /7 — потенциометр смещения и порога срабатывания:
I I I — потенциометр контрольного импульса.
Как уже отмечалось, общая чувствительность грозорегистратора опреде­
ляется пороговой чувствительностью приемника и параметрами антенны.
Общая чувствительность ламп’ового грозорегистратора, установленного в ГГО,
была такой, что максимальный радиус действия оценивался примерно в 300 км.
При этом необходимо учесть, что из зоны максимальных удалений грозовых
очагов воспринимаются лишь самые высокие уровни, составляющие несколько'
процентов разрядов очага. Процент воспринимаемых разрядов возрастает
по мере приближения очага разрядов к месту приема. Для гроз над пунктом
приема фиксируется около 100®/о разрядов.
Из имеющихся данных прежде всего обратим внимание на сезонное рас­
пределение числа разрядов. В табл. 1 приведены данные процентного рас­
пределения числа записанных разрядов по месяцам.
Таблица 1
Год
V
VI
1954
1955
1956
17,0
5.4
20,81
19,0
58,3
1 Без первой декады.
40
VII
45
. 44,0
1
16,5
VIII
IX
19,6
18,3
18,0
14,1
1,3
1,2
Общее к о ­
личество
(тыс..)
96
288
122
РИз . этой таблицы видно,’ что в 1954 г. имелась повышенная активность
life
в сентябре, а в 1956 г. отмечена высокая активность в июне и слабая
в июле.
Эти данные не показывают повторяемости гроз или числа дней с грезой,
однако обращают внимание на то, что активные грозовые процессы подчи­
нены ходу общих метеорологических процессов. Например, из имеющихся
данных можно отметить хорошую связь хода числа грозовых разрядов со
среднесуточной температурой. Очевидно, 1954 и 1955 гг. имеют нормальное
распределение числа разрядов с максимумом в июле, а 1956 г. дает ненор­
мальный сезонный ход разрядов.
Самописец лампового грозорегистратора имел барабан, совершающий
один оборот в сутки. Ленты грозорегистратора обрабатывались так, чтобы
получить таблицы ежечасных значений записанных грозовых разрядов за сутки,,
месяц и сезон. Оказалось удобным представить все данные в относительных
единицах, приводя их к сумме записанных разрядов за сезон. Эти данные
в процентах представлены в табл. 2. Максимум суточного хода приходится
2
Таблица
Данные (%) суточного хода числа грозовых разрядов за три года
Ч а с ы
Год
1954
1955
1956
Среднее
0-1
1-2
2 -3
3 -4 .
4
2 .4
2 ,9
2 ,0
2 ,4
3,1
3,1
2 ,5
2 ,9
3 ,1
2 .4
3.0,
2 ,8
3 .4
1 .6
2 .8
2 .6
5 -6
6 -7
7—8
3 .5
1,0
2 ,6
2 ,4
2 ,2
0 .9
2,1
1.7
1.8
0 ,8
1 ,4
1,3
1,3
1,0
1.2
1.2
5
Ч ас ы
Год
1954
1955
1956
Среднее
8 -9
9-10
10-11
11— 12
12-13
13-14
14-15
1 5-16
1.3
0 ,7
1,2
1,1
1 ,4
3 ,3
3 .0
2 .5
1,8
3,1
3 ,9
2 ,9
2 .0
3.1
4 .6
3 .2
3 .2
6 ,3
5 ,7
5.1
4 ,5
10.2
7 ,2
7 ,3
7 ,0
11,3
9 ,2
9 ,2
10,2
11,3
11,3
11,0
Ч ас ы
Год
1954
1955
1956
Среднее
16-17
17-18
18-19
19-20
20-21
21-22
11,3
10,0
8 ,9
10,0
11.0
7 .0
7,1
8 ,4
8 ,8
5 ,0
5 ,9
6 .6
5 ,7
3 ,8
4.4
4 .7
4 ,4
2 ,8
3 ,5
3 ,6
2 .9
2 .5
2 ,7
2 ,7
■2 2 -2 3
2 ,6
2 ,6
2 ,5
2 .6
23-24
2,1
2 ,8
2.1
2 .3
на дневные часы. В зависимости от преобладающего хода метеорологиче­
ских процессов максимум суточного хода смещается. Данные за 1954 г.
указывают на максимум между 15 и 18 часами (по московскому декретному
времени), в 1955 г. максимум приходится на 14— 16 часов,' а в 1956 г . —
на 15— 16 часов.
Относительный максимум за все три сезона* сохранился на уровне 11,3®/©.
при среднем значении за три сезона в 11%. При этом на дневные часы
(с 12 до 18) приходится около 50% разрядов суточного хода. Минимум.
41
в суточном ходе располагается между 6 и 9 часами и охватывает лишь 3 —
4®/о разрядов.
Данные суточного хода, полученные при помоши приборных наблюдений,
могут иметь значение, например, для оценки вероятности поражаемости
линий электропередач или возможных пожаров от молний. Воспользовавшись
данными статистики суточного хода пожаров, приведенных Колобковым [2],
можно провести сопоставление их с приборными наблюдениями. Эти сравни­
тельные данные для трехчасовых интервалов в процентах представлены
в табл. 3.
Таблица
3
Часы
0-3 3-6 6-9
П ожары от молний ; ......................... 9,5 4 ,3
Запись грозорегистратора (средняя) 8,1 6,7
2
3,6
9 - 1 2 1 2 -1 5 15—18 1 8 -2 1 21—24
4 ,4
8.6
25.6
21.6
29.4
29.4
14,0
14,9
11
7 ,6
Основываясь на данных табл. 3, можно сделать предположение, что между
6 и 12 часами вероятность ударов молний ниже, чем в дневное время.
Вероятность поражения (средняя) возрастает почти в согласии с суточным
ходом грозовых разрядов. Процент поражаемости возрастает вечером ‘ и
ночью (с- 21 до 03 часа). Следовательно, знание суточного хода, выявлен­
ного из записей грозорегистраторов в интересуюш,ем нас районе, помогает
определить вероятность поражаемости молниями линий электропередач и
вероятность пожаров. Данные, полученные вблизи Ленинграда, не являются
типичными для других физико-географических районов территорий СССР,
поэтому организация подобных наблюдений с целью выявления режима гроз
представляется достаточно актуальной.
Кроме данных по суточному ходу и за три грозовых сезона, полученных
при помощи лампового грозорегистратора, имеется 'аналогичный материал
по группе тиратронных грозорегистраторов, которые работали на ряде
метеостанций СЗ УГМС в 1953 и 1954 гг. Радиус действия этих приборов
■был 50—80 км. Максимум^ суточного хода грозовых разрядов из этиХ; наблю­
дений оказался равным 11,17о. Таким образом, независимо от типа прибора
относительный уровень суточного хода одинаков. Однако в настоящее врёмя
‘более надежным прибором является ламповый грозорегистратор, более совер­
шенная модель которого может рекомендоваться для непрерывной регистра­
ции грозовых разрядов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Л 0 4 Б. Ф. Ооытные наблюдения за числом грозовых (раарядав. Труды ГГО, вып.
58 (120). 1956.
2. К о л о б к о в Н. В. Грозы и шквалы. Гидрометюиздат. М. 1939.
в. п . к о л о к о л о в , к. А. С Е М Е Н О В
ИЗМЕРЕНИЕ ЗАРЯДА ДОЖДЯ В ВОЕЙКОВО В 1958 г.
в статье приводятся результаты измерений как суммарного заряда, при­
носимого осадками, так и заряда отдельных капель.
Измерение заряда как отдельных капель дождя, таки суммарного заряда,
переносимого каплями, представляет интерес для решения вопроса об источ­
нике этого заряда. В настоящее время является общепризнанным тот факт,
что капли дождя при своем падении играют основную роль в разделении
электрических зарядов в облаках.
‘
С этой точки зрения всякие новые измерения, дающие сведения о заряде
дождя и других осадков, могут быть полезными в понимании механизма
разделения зарядов.
Кроме того, данные об электрических зарядах, приносимых к земле
дождем и другими видами осадков, интересны и для решения основного
вопроса атмосферного электричества — поддержания отрицательного заряда
земли.
Следует отметить, что приводимые различными авторами значения заряда
отдельных капель значительно различаются. Это, по-видимому, связано
с тем, что измерения проводились в разных географических условиях и для
дождей, различных по интенсивности.
Так, например, Гшвенд нашел, что средний заряд на одну каплю соста­
вляет 2,3 10^4 эл. ст. ед. для положительно и 5,3 • 10~'‘ эл. ст. ед. — отри­
цательно заряженных капель. Чалмерс и Пасквилл не могли измерять слабо
заряженные дожди. Результаты их измерений: 2,2 • 10~® и 3,0 • 10~^ эл. ст. ед.
соответственно. Для ливневых дождей значения заряда капель достигали
у них 10~^ эл. ст. ед. Симпсон, а также Шиндельхауэр в слабых дождях
нашли относительно высокие значения зарядов индивидуальных капель.
Однако у Скрейза получилась обратная картина [1]. Кроме того, причи­
ной различия измеренных средних значений зарядов отдельных капель дождя
может служить применение разных методов, выбор различных чувствитель­
ностей приборов и т. д.
Диапазон зарядов капель в одном дожде и тем более в различных по
характеру дождях весьма велик, что приводит к затруднениям во время
измерений. Прибором, работающим на одной чувствительности, измерить
весь спектр зарядов капель обычно не удается. Поэтому, как правило, изме­
ряется лишь часть спектра [4].
При измерении заряда дождя в Воейково: (полевая база Главной геофизичгской обсерватории) в летний сезон 1958 г. ставилась цель сравнить
плотность тока осадков, измеренную непосредственно [3] и вычисленную по
данным измерений зарядов отдельных капель.
Предполагая, что в сильных ливневых дождях основной вклад в заряд
осадков вносят сильно заряженные капли, чувствительность прибора для
измерения заряда отдельных капель была выбрана таковой, что измерялись
43
капли с большими значениями зарядов (от + 0 , 4 - 1 0 ~ ^ д о + 1 0 10—^ эл.
ст. ед.).
Заряд отдельных капель дождя измерялся индукционным методом [2];
суммарный заряд осадков измерялся методом, описанным в работе [3].
Приборы ■были установлены на расстоянии 1,5 м один от другого.
Приемная площадь первого составляла 30 см^, второго—400 см^. Запись
зарядов отдельных капель дождя производилась на шлейфовый осциллограф
МПО-2, суммарного тока осадков — на самописец СГ-17. Отметка времени
на лентах самописцев производилась часовым механизмом через каждые
2 минуты.
Результаты измерений заряда осадков двух ливневых дождей (16 мая к
27 мая 1958 г.) представлены в табл. 1 и 1а. В ремя, в течение которого выпаТаблица
Дата
Время
наблюде­
ний
П родолжитель­
ность
наблюдений (сек.)
час. мин.
16/V
14
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
«+
54
60
60
60
60
60
60
60
60
60
594
14
27/V
44
17
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
4349
Количество капель
7
14 ■
14
17
17
17
12
13
9
13
133
п_
Суммарный заряд
10—2 эл. ст. ед.
Q+
Q-
13
23
15
25
21
13
19
27
38
18
22,7
52,0
28,5
59,3
52,3
63,1
44,2
39,9
33,0
47,3
44,1
82,8
34 ,8
88,2
7 7,4
4 6 ,7
67,2
9 4,6
133,6.
60,7
212
442,3
730,1
17
12
3
8
И
17
16
11
9
14
■ 16
14
19
9
10
9
7
6
11
9
6
5
6
7
1404
252
159
868,0
543,0
253
116
53
521,3
237,8
16
6
8
5
7
8
5
5
5 ■
6
. 7 .
9
7
4
9
3
3
7
10
5
6
9
6
3
59,8
36,8
8,1
27,8
34,0
66,6
52,5
40,0
28,8
52,7
56,4
43,6
70,8
29,5
31,1
28,7
30,3
22,3
39,7
29,3
23,3
14,3
17,3
24,3
4 7 ,0
16,4
24,9
15,9
2 2 ,3 .
31,0
15,3
3 6,3
13,5
13,2
3 0,6
30,3
22,9
7 ,2
28,3
8 ,7
16,1
17,0
41,0
18,1
19,8
37,5
22,5
7 ,2
60
54
30
60
60
60
60
60
60
60
60
60
60
60
60
60
60
60
60
60
60
60
60
60
1
Таблица
Время
наблюде­
Продолжи­
ний
тельность
наблюдений
(сек.)
«3
Н час. мин.
16/V 14
14
27/V 17
Избыток
<3+
11
20
21
594
44
1404
325,0
45
49
253
283,5
Q-
287,8
Плотность Q
на 1 см2
10—2 эл. ст. ед.
заряд
капель
la.
Плотность тока
(а/см2-10-4)
вычисленная
ток
измеренная
осадков по заряду
капель
-1 0
-12
- 5 ,1
-6.2
11
15
2 ,7
3,6
1,2
1,2
дали осадки 16 мая, разбито на два интервала; с 14 час. И мин. по
14 час. 20 мин. и с 14 час. 21 мин. по 14 час. 44 мин. В первом интер­
вале преобладал отрицательный заряд, во втором — положительный.
Из рассмотрения данных таблицы следует, что в приведенных случаях
суммарный заряд осадков, измеренный непосредственно, и заряд, вычислен­
ный по зарядам отдельных капель, неплохо согласуются друг с другом.
Следовательно, предположение, сделанное выше о том, что ток осадков
в основном создается за счет сильно заряженных капель дождя, является
правомерным.
Дождевая капля при своем падении, проходя через область объемного
заряда, существующего между облаком и землей, во время ливней изменяет
свой первоначальный заряд. Этот объемный заряд существует за счет токов
коронирования с различного рода острий. Существование токов коронирования и их связь с внешним полем, а также связь заряда осадков с токами
коронирования весьма наглядно иллюстрируется рис. 1. (Следует иметь
в виду, что за положительный ток с острия здесь принимается ток, идущий
через острие по направлению к земле). Казалось бы, по суммарному заряду,
приносимому осадками к земле, ничего нельзя сказать о зарядах, выноси­
мых этими осадками из облака. Однако внимательный анализ данных (табл. 1)
показывает, что это не совсем так. Земли достигают капли как с положи­
тельным, так и с отрицательным зарядами.
Какие же изменения могут произойти с каплями при их падении через
область, например, с положительным объемным зарядом?
Положительно заряженные капли могут или сохранить свой заряд, или
увеличить его. Отрицательно заряженные капли могут уменьшить свой
заряд и даже сменить его знак на обратный. Совершенно очевидно, что
отрицательно заряженные дождевые капли в областях атмосферы с положи­
тельным объемным зарядом не могут приобрести отрицательного заряда.
Следовательно, капли с отрицательным зарядом выпали на земную поверх­
ность из облака. При этом часть своего заряда они заведомо изменят. По­
этому отрицательный суммарный заряд, вычисленный по зарядам отдельных
капель, является нижним пределом заряда, вынесенного из облака осадками.
При отрицательном объемном заряде между облаком и землей нижним
пределом вынесенного из облака заряда будет заряд, составленный всеми
положительно заряженными каплями дождя.
По своей величине этот предельный заряд равен или больше „избыточ­
ного" заряда, который регистрируется как суммарный ток.
По данным измерений тока осадков из 11 дождей, средняя плотность
составляет 90 ■ 10~'^ а/см®. Максимальный ток в одном случае (4 мая 1958 г.)
доходил до 10~12 а/см2. Общая продолжительность измерений составляет
45
Рис. 1. Электрические характеристики во время ливневого дождя 16 мая 1958 г„
за период с 14 до 15 часов.
-/ — градиент электрического потенциала (в/см ); 2 — измеренная плотность тока осадков(значение ординаты умнож ено на 1015 а/см2); 3 — плотность тока, вычисленная по зарядам
капель (значение ординаты умнож ено на 1015 а/см2); 4 — ток с острия (значение ординатьк
умнож ено на 108 а).
250
200-
150
100
50
Ю 8
6 -4
2
О
2
4
6
8
10-10 % м .с т Ж
Рис. 2. Спектр распределения капель по зарядам.
несколько более 5 часов. Непрерывная продолжительность одного измере-.
ния не превышала 1 часа.
На рис. 2 представлен спектр распределения капель по зарядам. Было
отмечено 899 положительно заря^йенных и 672 отрицательно заряженные кап­
ли. Средний положительный заряд равен 2,7 • 10~2 эл. ст. ед. и отрицатель­
ный— 2 ,3 - 10~^ эл. ст. ед. (табл. 2).
Таблица
Дата
Продолжи­
Суммарный заряд
тельность Число капель
10—^ эл. ст. ед.
наблюдения
Средний заряд
капли
10—2 эл. ст. ед.
1
мин.
14/VII
22/VII
31/VII
2
7'
9
9
26
сек.
л-1
-
-
Q+
Q-
9+
Я-
н-
4С
47
49
00
293
402
204
235
229
208
942,2
953,6
564,4
717,3
401,7
415,7
3,2
2,4
2,8
3 ,0
1,8
2,0
1,1
1,3
1.4
1,2
1,8
1,0
36
899
672
2460,2
1534,7
2,7
2 ,3
1.2
1,3
В заключение можно отметить, что перемена знака суммарного тока осад-,
ков происходит с интервалами от полминуты до нескольких десятков минут.
Эти интервалы более длительны при ливневых осадках и резко уменьшаются
во время гроз.
ЛИТЕРАТУРА
1. C h a l m e r s J. Atmospheric El.estricity. Oxford. 1949.
2. И м я н и т о в И. М. Приборы и методы для изучения электричества атмосферы..
Гостехиздат. М. 1957.
3. К о л о к о л о в В. П., О г о р о д н о в Д. Е. Примввание прибора напряженяосщ
поля для измерения пока оаа|ДКов. Труды ГГО, вып. 58 (120). 1956.
4. Ф е д о р о в Е. К. Электрические за|рэды частиц осадков. ДАН СССР, № 6. 1951.
л . г. МАХОТКИН
О Б И ЗМ ЕН ЕН И И З А Р Я Д О В КАПЕЛЬ ПРИ И СП А РЕН И И
Полученные дополнительно при исследовании’электрических свойств
туманов данные относительно электрических зарядов испаряющихся водя­
ных капелек - микронного размера не подтверждают предположений
о влиянии испарения";на заряды.
В литературе время от времени появляются указания на то, что про­
цессы испарения и конденсации воды приводят к изменению электрических
зарядов (первое утверждение подобного рода было сделано Вольта еще
в 1820 г.). Контрольные опыты, поставленные Бараканом [1] (измерявщим
заряд сосуда с испаряющейся водой), а также Гойером и Хандлером [2]
(контролировавшим появление заряженных капелек в первоначально нейт­
ральном потоке), дали в обоих случаях отрицательный результат. Однако
Мюлейзен на основании данных измерений объемных зарядов в закрытом
помещении [3] недавно опять пришел к выводу о зависимости зарядов от
процессов испарения и конденсации, считая, что ядра заряжаются отрица­
тельно при конденсации водяного пара и положительно при испарении.
Экспериментальных данных об изменении зарядов индивидуальных капелек
воды микронного размера, по-видимому, не было опубликовано.
Проводя в большой камере опыты по изучению электрических характе­
ристик туманов, автор пользовался прибором для измерения зарядов и раз­
меров индивидуальных капель (ПЗК-2); прибор аналогичного типа (ПЗК-1)
был описан в статье [4]. В этих приборах (работающих по методу Фукса —
Петрянова) регистрируются траектории капелек, свободно падающих в гори­
зонтальном электрическом поле, которое меняется с фиксированной частотой
(по знаку или по знаку и величине), вследствие чего траектории заряжен­
ных капглек приобретают характерный „пилообразный" вид. При обработке
полученных фотозаписей было замечено, что в конце их (когда туман рас­
сеивался) имеется ряд треков, соответствующих испаряющимся каплям
с радиусом 3—6 мк и меньше; примеры подобных треков приведены на
рис. 1а и б. На этих рисунках хорошо видно, как постепенно уменьшается
длина (по вертикали) одного зубца (что соответствует уменьшению скорости
падения капли при уменьшении ее размера) и постепенно возрастает откло­
нение в горизонтальном направлении, или высота зубца (в соответствии
с уменьшением коэффициента сопротивления отклонение за счет электриче­
ского поля увеличивается). Изредка подобные треки встречались в конце
записи и при работе в естественных туманах. Дополнительная обработка
показала, что в начале тумана испаряющихся капель нет. Результаты обра­
ботки „особых" треков, относящихся к испаряющимся каплям, представлены
на рис. 2 и 3. Рис. 2 дает оценку скорости испарения. капелек; из этого
рисунка видно, что в полном согласии с теоретическими выводами [5]
48
’
■fo ^
та c
CJs
i
s 5
“ S3
IS § .'S^ § ^s i ° &l
| i
|
S g s=@ Iв 1“
« g S 2 iБ s
S' «
®
cu !S S'
S x;
s;
-III
I s I '= g I
| § ° "
S Фi ^ i s l g
ё5Sgs S
gШ w
«
« ,
■‘ l b
a ct '
III
s
s
s,
l l
s sa
•e-g
S о
S
O.’gtf К &
Я _
)R
о eg •e S .
o.
|
\o g
^
.
о
s
•e
g o cs
a
к
о
il
iо s
e
TO
y.
СЧ
S о
СO
П»S
C
0^
S ia ,
“
a
4
Труды ГГО, вы п. 97
S
и
l
квадрат радиуса каждой капельки линейно убывает со временем. На рис. S
дается изменение заряда отдельных капелек в зависимости от квадрата
радиуса; предположения об изменении зарядов не подтверждаются. Никаких
дэ.з
-°2
Рис. 3. Ход зарядов отдельных капелек при испарении
(в зависимости от квадрата радиуса).
Заряды
указаны
числом
элементарных
зарядов
е = 4 ,8 . 10“ ^® эл. ст. ед., квадраты р а д и у с а — в мк2; J — поло­
жительно заряженные капельки, 2 — отрицательно заряженные
капельки.
закономерных изменений заряда при испарении капелек не обнаружено,
исключая самую последнюю стадию перед полным исчезновением капельки,
когда заряды имеют тенденцию к уменьшению.
ЛИТЕРАТУРА
1. Б а р а к а н Н. Б. Экспериментальная проверка теории электричества дождя и грозыГанна. Метеорояошия и лидролошия, № 1, 1941.
2. G o y e r G. G., H a n d l e r G. S. W ater-vapour condensation as a cloud-droplet
charging mechanism. Journ. of Meteoroi., 12, 569—570. 1955.
3. M f l h l e i s e n R. Elektrische Ladungen auf Kondensationskeren be! der W asseraufnahme und-abgabe. Naturwissenchaften, 45, 34—35. 1958.
4. С о л о в ь е в В. A. Об одном методе там^рший зарядов и р,авмерюв «апеяь тумаHOIB. Труды ГГО, вып. 58 (120). 1956.
5. Ф у к с Н. А. Испарение Н рост капель в газообразной среде. Изд. АН СССГ^. М.
1958.
л . Г: МАХОТКИН, В. А. СОЛОВЬЕВ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЗАРЯДЫ КАПЕЛЬ ТУМАНОВ И ОБЛАКОВ
Изложены результаты измерений зарядов индивидуальных капель
естественных туманов, которые сопоставляются с теоретическими оцен­
ками и данными измерений в облаках.
Появление в 1956—1958 гг. ряда статей с данными непосредственных
измерений зарядов индивидуальных капель в естественных туманах и обл1аках
свидетельствует о начале систематической работы в этом направлении,,
необходимость проведения которой была ясна уже давно. Из-за отсутствия)
таких данных решение вопросов, связанных с зарядами капелек, отодвига­
лось на очень длительный срок. Например, еще в 1904 г. П. Ленард [1Ц
указывал, что вследствие разных скоростей падения более крупные капельки
довольно часто встречаются с более мелкими и для эффективности коагуля­
ции большое значение могут иметь электрические заряды (в статье Ленарда
сделана даже попытка оценить увеличение коэффициента захвата для капе­
лек радиусом 10 и 0,5 мк за счет электрических зарядов). Это высказыва­
ние по идее кажется вполне современным; в 1954 г. Л. М. Левин [2],
приведя аналогичные доводы, теоретически подсчитал зависимость коэффи­
циента захвата от зарядов капелек, но, как и 50 лет назад, оставалось,
неясным, какие заряды следует приписать капелькам. Не менее важное зна­
чение имеет детальное исследование простейших механизмов электризаций
в естественных условиях как первая ступень для перехода к решению более
сложных задач.
'
Сталкиваясь с капелькой и отдавая ей свой заряд, ион перестает сущест­
вовать как таковой, в результате чего пространство около капельки' обед­
няется ионами и возникает диффузионный поток, стремящийся скомпенсиро­
вать убыль ионов. Следует заметить, что при обычной концентрации легких;
ионов (порядка 10® на см®) в сфере радиусом, раз в 10 превышающем
радиус капельки тумана, может часто не быть ни одного иона, поэтому
определение притока ионов согласно 'распределению концентрации ионов:
в этой области носит условный статистический характер, но оправдывается
возможностью интерполяции ог случаев, когда концентрация достаточно,
велика, до предельного нулевого значения. В случае движения капелек отно­
сительно воздуха приток ионов усиливается за счет порций свежего воздуха,
поступающих в капле. Это учитывается введением специального ветрового»
множителя. , , ,
Для капелек тумана, падающих очень медленно, ветровой множительпрактически равен единице (т. е. эффектом движения можно пренебрегать)„
Когда капля приобретет некоторый заряд, на дальнейший приток ионов;
начинают оказывать влияние кулоновские силы, ограничивающие величину
заряда некоторым предельным или квазипредельным значением, при котором
4*
&1
дальнейший рост заряда становится невозможным или крайне незначительным.
Предельный заряд капли определяется формулой Я. И. Френкеля
D
если значение
In
не очень
г.
(1)
велико (примерно не больше 4—5).
Здесь приняты такие обозначения: ^ — заряд, г —-радиус капли, D *—коэф­
фициент диффузии,
подвижность ионов, Х+ и Х_ — положительная и
отрицательная проводимости. В случае, когда присутствуют почти исключи­
тельно ионы одного знака, можно пользоваться формулой для квазипредельного заряда при униполярной ионизации
D
D
In 1 +
Г—
Г,
(2)
(■ +
в которой коэффициент р выбирается порядка 10~^ (при таком значении р
дальнейший рост 1^| не превышает 5®/о в час), « — концентрация ионов,
л — проводимость, е — величина элементарного заряда (4,8 • 10“ '° эл. ст. ед.).
Знак q определяется, естественно, знаком подавляющего количества ионов.
Для коэф ф ициента^ без большой погрешности можно взять теоретическое
К]
постоянная Больцмана, Т — абсолютная температура.
значение
При выводе формулы (1) сделано довольно естественное допущение,
что нет разницы в захвате каплей положительных и отрицательных ионов,
однако, учитывая полярность молекул воды и опираясь на свою интерпре­
тацию эффекта образования капелек в камере Вильсона, Френкель высказал
гипотезу, что кап^гльки будут заряжаться в атмосфере до электрокинетического потенциала, равного 0,3 в. Гипотеза Френкеля приводит к простой
формуле для предельного заряда капли
к1 =
In
Q,001r.
(qki
Вводя коэффициент р, равный \ r D
(3) записать следующим образом:
,
и заменяя
где
— заряд капли, выраженный в элементарных 'зарядах, а
капли в микронах. Коэффициент р имеет следующие значения;
р = 1п
/7
К
\ X.
= 1П ( l - f
(3)
можно
— радиус
для формулы (1)
^
для формулы (2)
р = — о,0 0 1 ^ для формулы (3)
Численное значение коэффициента р для формулы (2) составляет в обыч­
ных условиях (беря р = 1 0 ~ ^ , k = l см^/сек.) около 3 — 5 (/7 = 2,9 при
л = 100, /7 = 4,5 при /^ = 500). Сразу бросается в _ глаза преувеличенное
(по абсолютной величине) значение р в случае заряда капли до электрокинетического потенциала (3) по сравнению с величиной р для униполярной
ионизации, являющейся,- по существу, максимальной. Действительно, даже
если бы капля вследствие наличия электрокинетического потенциала совер52
шенно не захватывала положительных ионов, а только все подходящие
отрицательные ионы, результирующий эффект соответствовал бы случаю
униполярной ионизации, при которой квазипредельный заряд определяется
формулой (2). Добавим, что подсчет времени, необходимого для приобрете­
ния каплей квазипредельного заряда, приводит к величинам порядка часа и
более. Это время резко возрастает (при постоянном значении п) с увеличе­
нием выбранного значения р. Таким образом, даже заведомо сильно преуве­
личенная оценка приводит к расчетным значениям заряда капли, в несколько
раз меньщим, чем получается по формуле (3). В реальных условиях вряд ли
можно ограничиться снижением коэффициента р в этой формуле на порядок
величины, а более вероятное снижение р на' несколько порядков делает
гипотетический механизм Френкеля в больщинстве случаев второстепенным.
В ненарущенных условиях полярные проводимости (Х+ и \._) довольно близки,
поэтому коэффициент р в формуле (1) мал (порядка нескольких десятых);
при X+ = >w., что наблюдается довольно часто, заряд капель должен быть
равен нулю. Последнее утверждение справедливо только в среднем для
некоторого числа капель: вследствие того, что захват ионов носит случай­
ный характер (о чем уже упоминалось выще) в каждый данный момент
будут существовать не только нейтральные, но и заряженные капли. Стацио­
нарное статистическое распределение, которое не нарушается при изменении,
со временем зарядов отдельных капель (сколько капель, захватывая ион тогоили другого знака, переходит из группы с х зарядами в соседние группы
с х - \ - \ и х — 1 зарядами, столько же переходит из этих групп в группу
с X зарядами), как было теоретически выведено Н. А. Фуксом [3], описы­
вается следующей формулой:
N (x)d x = N
^
(4)
где N ( x ) d x — число капель, имеющих заряды от х a o x - { - d x , Л^— общее
число капель. Из формулы (4) следует, что средний (из абсолютных значе­
ний) заряд капель равен (в элементарных зарядах)
1 ~ У
its2
(5)
Стационарное распределение не зависит от концентрации ионов п, кото­
рая влияет только на время его установления: чем меньше п, тем больше
время установления (в обычных условиях оно может равняться нескольким
часам). Однако при выводе формулы (4) предполагается, что п имеет всюду
какое-то фиксированное значение. Это, может быть, является наиболее
условным допущением, так как реально, по крайней мере в отдельные
моменты, в небольших объемах п распределяется очень неравномерно,
о чем говорят, например, четкие треки, получаемые в камере Вильсона.
Экспериментально теория стационарного распределения зарядов была под­
тверждена только лабораторными опытами при дополнительной ионизации
специально очищенного ,от пыли воздуха с помощью радиоактивного препа­
рата [4], [5]. При наличии электрического поля условия захвата ионов
видоизменяются за счет поляризации капель и влияния поля на движение
ионов. Как показывают теоретические расчеты, действие электрического поля,
существенно только для сравнительно крупных капель, значительно превы­
шающих по размерам капли тумана (поляризационный заряд оказывается
пропорциональным квадрату радиуса капли). Имеются лабораторные опыты,,
более или менее подтверждающие теорию зарядки капель в электрическом
поле, хотя ни в одном теоретическом варианте Не учитываются условия:
обтекания капель (тогда как при расчете диффузионного заряда крупных
капель обязательно появляется ветровой множитель). Упрощающие, а иногда
53
л гипотетические допущения, сделанные при выводе теоретических формул,
не позволяют точно рассчитать заряд капелек в реальных условиях.
Для измерения зарядов капель естественных туманов в Отделе атмосфер­
ного электричества ГГО был выбран метод Фукса—Петрянова. Этот метод
явился своего рода синтезом методов Милликена (падающая капелька
уравновешивается постоянным электрическим полем) и Уэллса — Герке
{фотографирование траектории частицы, движущейся (не падающей) в элек­
трическом поле, которое с определенной частотой меняет знак]. С различ­
ными вариантами в деталях метод Фукса—Петрянова применялся не только
в СССР, но и в США, в Канаде, во Франции, в Германии, однако в лите­
ратуре описаны почти исключительно лабораторные приборы.
Условия каждого лабораторного опыта задаются заранее и могут быть
.легко воспроизведены, поэтому достаточно настроить прибор перед опытом
и после просто зафиксировать результат. Полная автоматизация работы
прибора при этом не имеет существенного значения. Особые требования
предъявляются к полевым приборам, предназначенным для измерений
в естественных туманах. Помимо постоянной готовности к работе, доста­
точной надежности и транспортабельности, необходимо обеспечить возможшость визуальных наблюдений одновременно с регистрацией (так как характе­
ристики тумана не известны заранее и выясняются только во время наблю­
дения, а также не все визуально видимые треки фиксируются даже высоко­
чувствительной пленкой) и полностью автоматизировать работу прибора,
что позволяет сосредоточить внимание наблюдателя на окружающей обста­
новке и по возможности исключить случайные ошибки.
Автоматизация позволила также провести опыты, при которых нельзя
допустить прис}''тствия наблюдателя около прибора (например, при воздейст­
вии рентгеновскими лучами). Измерения в естественных туманах производи­
лись на полевой базе ГГО и Воейково (в 18 км от Ленинграда) с помощью
двух приборов. Первый из них подробно описан в статье [6]. Для второго
прибора, изготовленного в отделе атмосферного электричества в 1956 г.,
|была выбрана другая конструкция с целью повышения надежности работы,
.из-за простоты изготовления и удобства наблюдений.
Практика подтвердила целесообразность принятой конструкции — прибор
работал все время безотказно. Применение в ■качестве источника света
ртутных ламп сверхвысокого давления СВДШ-250— 3 вполне себя оправдало
.(первоначально примененная в первом приборе прожекторная лампа ПЖ-26
'была также заменена лампо.й СВДШ.), но значительно выгоднее было бы
поставить лампы СВДШ меньшей мощности, около 50 вт.
Большое значение имеет тип фотопленки. Хорошие снимки давали фото25
пленки АГФА-рапид ^ дин [при нормальной фотопленке высшей чувстви­
тельности (180 единиц по ГОСТу) самые мелкие капли регистрировались не
всегда].
Полученные фотозаписи обрабатывались с помощью проектора с 18-кратным увеличением, причем радиус капли определялся непосредственно в микро­
нах специальной линейкой, а заряд определялся по номограмме (по' измерен­
ному радиусу и наклону „зубцов" траектории капли). Минимальные измери­
мые заряды в приборах, работающих по методу Фукса — Петрянова, зависят
от размеров капель. Для данных приборов примерные величины этих
зарядов указаны в табл. 1, где также даны теоретически ожидавшиеся заряды
капель (в элементарных зарядах округленно).
Из этой таблицы видно, что должны были бы быть обнаружены заряды
капель, соответствующие не только электрокинетическому потенциалу, но и
на порядок меньше. Достаточно велики и всегда обнаруживаются заряды
при униполярно ионизированной атмосфере. Данные других расчетов приво­
дят к очень небольшим зарядам, которые обнаруживались бы только у ка-
54
Т аблица
1
Радиус капли (мк)
Заряд отдельной капли при
различных механизмах зарядки
Примечание
10
15
20
Минимальный обнаруживаемый . .
1
5
25
100
Квазипредельный при униполярной
ионизации .........................................
150
400
750
1100
5
15
35
50
1500 По формуле (2)
Р =4,5
70 По формуле (1),
10
13
15
20 По ф о р м у л е(5)
500 ПриборыПЗК-1
и П ЗК-2
Д о электрокинетического потенциала -400 -1000 -2000 -3000 -4000 По формуле (3)
Диффузионный
Средний при стационарном распре­
делении (из абс. значений) . . .
Р = 0.2
пель радиусом примерно до 5 мк.'Наблюдения, проведенные в 1955—1958 гг.,
показали действительно достаточно четкое разграничение по размерам заря­
женных и незаряженных капель (точнее, с зарядами ниже предела чувстви­
тельности приборов), типичные примеры которого приведены на рис. 1.
Граница между каплями с измеримыми и неизмеримыми зарядами лежит
в области радиусов около 7 мк; почти все капли с радиусами до 5 мк несут
измеримые заряды, тогда как измеримые заряды на каплях с радиусом
•больше 10 мк встречаются очень редко.
Необходимо отметить, что мелкие капли (радуисом меньше 4—5 мк)
наблюдались визуально и были заряженными в большинстве туманов, но
в ряде случаев не регистрировались на фотопленке. Подобное явление встре‘чается при работе с камерой Вильсона и связано отчасти с тем, что глаз
способен несколько корректировать изображения капель, проходящих не
точно в фокусе объектива, но в большей степени зависит от выбора подхо­
дящей фотопленки. Сильные туманы, при которых концентрация капель
достаточно велика, наблюдались, в Воейково редко (обычно видимость по
регистратору прозрачности была около 200 м и более), что также ограни­
чивало число зарегистрированных капель. Во всяком случае указанный общий
вывод подтверждается наблюдениями в десятках исследованных естественных
туманов и внешне согласуется с теорией стационарного распределения заря­
дов на каплях (систематические заряды капель не могли иметь большого
•значения, так как по данным одновременной регистрации проводимости
«было близко по величине Х_). Капли с зарядами противоположных знаков
встречаются примерно в одинаковом количестве, что также согласуется
с теорией,. Резкое расхождение появляется при сравнении абсолютных вели­
чин зарядов: измеренные заряды мелких капель оказываются в несколько
раз больше теоретических. На рис. 2 графически представлены повторяе­
мости различных значений р, вычисленных по измеренным зарядам и разме­
рам капель естественных туманов (график относится к каплям, радиус кото^
рых не превышает 6 мк). При стационарном распределении зарядов, согласно
■формуле (4), повторяемость N {р) различных значений р определяется
выражением
(6)
«или при среднем радиусе капель 3,5 мк
, N ( p ) '^ e ~ ^ ^ \
(6а)
Сглаженная кривая для действительного распределения N* (р) прибли­
женно соответствует формуле
■N * (р)
е
(7)
55
Рис. 1.
примеры
распределения заряженных и незаряженных
размерам для отдельных туманов.
капель
Заряженны е капельки выделены штриховкой.
Рис. 2. Повторяемость различных значений коэффициента р (1)
30 данным для ряда туманов. Кривые (3) дают примерное
распределение р по данным, взятым из статьи Сергиевой [7].
Кривая (2)) вычислена по формуле (7).
но
коэффициент в показателе которой в 30 раз меньше теоретического. Полу­
ченное расхождение нельзя объяснить ошибками наблюдений, так как измере­
ния, проведенные с помощью двух различных приборов, постоянные которых
были определены независимо друг от друга, дают согласующиеся результаты.
Кривые распределения N * ( p ) оказались также однотипными для различных
туманов. Наконец, аналогичные данные о распределении N * ( р ) были полу­
чены Сергиевой [7], которая измеряла непосредственно отношение ( J r ^ ~ p для.
капель облаков на Эльбрусе на высоте 2500 м [примерный ход N* (р) по
данным Сергиевой указан на рис. 3; в статье не уточнено, к каплям какого
размера относятся кривые N* (р), но по другим графикам в статье [7|
можно предположить, что величина
измерялась как раз для мелкой фрак­
ции капель]. Кривые N * ( p ) , полученные Сергиевой, состоят из двух
отдельных ветвей, так как использованный ею метод не позволял одновре­
менно регистрировать незаряженные капли. В настоящее время трудно
построить теоретическую схему, достаточно хорошо описывающую и объяс­
няющую фактическое распределение зарядов на каплях: для этого необхо­
димы дополнительные опыты.
Абсолютные значения/7, по данным авторов, ограничивались в естествен­
ных туманах величиной 4,3, хорошо согласующейся с указанной выше
оценкой максимального значения (3—5) для заряда капель за счет диффузии
при обычной концентрации ионов (но только одного знака). Из других
особенностей необходимо отметить, что в ряде туманов количество незаря­
женных мелких капель ( г < 6 мк) оказалось неожиданно заметно меньше,
чем можно было бы ожидать при плавном ходе кривой N* (р). Во всех
естественных туманах, когда были зарегистрированы заряженные капли,,
отрицательно заряженных капель было немного больше, чем положитель­
ных (капли с отрицательными зарядами составляли в каждом отдельном
случае 55—60®/о общего числа заряженных капель). Наконец, представляет
известный интерес то обстоятельство, что, проведя большое число измерений
в лаборатории и в естественных туманах^ наблюдая десятки тысяч капель,,
удалось отметить только один случай коагуляции двузс капель. Очевидно,
при имевшихся концентрациях встреча, приводящая к столкновению двух
капелек, является весьма редким явлением. Подвижность капель данного
размера в электрическом поле можно непосредственно оценить по рис. 2,.
так как легко подсчитать, что величина/7 X 1
приблизительно соответ­
ствует подвижности, выраженной в см^/сек. в (если брать сопротивление по
формуле Стокса,
== 0,85 • 10~^р).
Большая трудоемкость наблюдений в естественных туманах, требующих
организации регулярных ночных дежурств, а главное, малая продолжитель­
ность и малая интенсивность их в ряде случаев побудили провести соот­
ветствующие измерения в большой камере туманов объемом 100 м® с цельюболее подробного выяснения' особенностей процесса электризации капелек..
Туманы парения создавались в камере путем кипячения воды в большой
кювете. Характеристики их хорошо воспроизводились от опыта к опыту.
Каждый опыт продолжался примерно ^ часа, после чего туман рассеивался.
Распределение капелек по размерам, полученное с помощью прибора ПЗК,
согласовывалось с данными микрофотографии. Средний радиус капелек
составлял 5—6 мк, но, в отличие от естественных туманов, -измеримых заря­
дов капли не имели. Этот результат не согласуется с данными Сергиевой [7],
которая получила в искусственных туманах, создаваемых при выпуске пара
в большую камеру (объемом около 500 м®), примерно такие же заряды,
капелек, ^ак и в естественных облаках. Для выяснения причин этого расхо­
ждения требуются дополнительные измерения по возможности в идентичных.
57-
условиях. Указанные данные были получены в невентилируемой металличе­
ской камере, находящейся внутри служебного корпуса. В этой камере были
-Проведены также опыты с искусственным заряжением капелек с помощью
радиоактивных коллекторов и переносного рентгеновского аппарата типа
:РУ-5бО. Радиоактивные источники (старый коллектор, покрытый, вероятно,
солью радия, и полониевый альфа-источник активностью 90 мккюри)
помещались непосредственно около кюветы без каких-либо приспособлений
для разделения ионов разных знаков. В обоих случаях все капельки полу­
чили положительный заряд и среднее значение р было равно 8.
Увеличение ионизации в два раза ( используя одновременно два полониешых источника) не сказывается заметно на зарядах капель. Дополнительные
опыты были сделаны с полониевым источником, перед которым на расстоя­
нии около 1 см помещалась металлическая сетка. При подаче на сетку
отрицательного напряжения относительно источника ( —2 в) положительно
и отрицательно заряженные капли встречались примерно в одинаковом коли­
честве, а среднее значение заряда капель снижалось до + 1. При дальнейшем
повышении отрицательного напряжения знак заряда капель быстро менялся
на обратный и р приближалось в среднем к значениям — 6, —8.
Рентгеновский аппарат устанавливался на расстояниях около 2 и 0,5 м
'ОТ прибора (в первом случае — вне камеры, лучи пропускались через
открытый иллюминатор; во втором случае— внутри камеры), никаких мер
-ДЛЯ разделения ионов разных знаков не принималось. При действии рентге­
новской установки все капли приобретали положительный заряд, среднее
значение р было равно 1 в первом случае и 2,5 во втором (на близком
.расстоянии). Результаты этих опытов показывают, что предельные заряды
капель возрастают медленно при большом увеличении интенсивности ионообразования (напомним, например, что значения/7 = + 2 встречаются иногда
даже в естественных условиях). В опытах Сергиевой [7] при пропускании
тумана через облучаемое рентгеновскими лучами пространство, из которого
-Выбирались ионы одного знака, были получены очень большие заряды
капель. Наиболее вероятное значение р оказалось равным 500 (согласно
указанному в статье [7] значению ^= = 0 ,0 4 2 эл. ст. ед/см). Механизм заря­
жения капель в этом случае не мог быть связан с диффузией ионов [по
■формуле (2) для получения таких зарядов потребовалась бы концентрация
■ионов порядка 10^'”’].
В заключение остается дать сравнительную оценку методов измерения
зарядов капель, принятых в ГГО и в Институте прикладной геофизики
(ИПГ). Важным преимуществом метода Фукса — Петрянова является то, что
одновременно регистрируются как заряженные, так и незаряженные капли.
:Это позволило провести определенную границу между более мелкими и более
крупными каплями, которые отличаются в отношении зарядов несравненно
•'больше, чем можно было бы ожидать теоретически. Такого деления капель
на две группы нет в работе [7], вероятно, в св’язи с трудностью детальной
увязки данных двух приборов, предназначенных для получения различных
характеристик. Метод Фукса — Петрянова позволяет также подметить неко­
торые детали и получить дополнительные данные (например, в отнощении
коагуляции капель), которых не может дать метод Джиллеспи и Лангсторта.
Несмотря на относительно небольшое число капель, регистрируемых прибо­
рами ГГО, общий характер распределения зарядов достаточно надежно
определяется при каждом отдельном измерении (как в методе выборочной
статистики). Для получения подробных статистических данных, конечно,
требуется ряд наблюдений. При характеристике прибора ГГО в статье [7]
были допущены ошибки (в действительности, как это следует из упоминае­
мой в [7] статьи [6], во время самого измерения капли свободно падают
между пластинами конденсатора, находясь в условиях, отличающихся от
S8
'■естественных не больше, чем в других приборах; прибор позволяет измерять,
заряды капель радиусом больше 4—5 мк.) Несомненным достоинством при­
меняемого в й о г метода является массовость проб, которые содержат
50 000—100 000 капель. По какой-то причине на это не было обращено
достаточного внимания в работе [7]: на всех графиках там проведены
сглаженные кривые, тогда как при такой большой статистике отклонения
отдельных точек от плавной кривой могут иметь реальное значение. В ка­
честве примера можно сослаться на рис. 6 из работы [7] (рис. 3), где
вместо снижения от точки а к
точке Ь (подобная и даже более
резко выраженная особенность
получалась в ряде случаев и по
..данным авторов) имеется плавная
кривая, которая указывает на мо­
нотонный рост числа капель. Под­
водя общий итог, следует при■знать обоснованным применение
обоих методов, частично допол­
няющих друг друга.
Измерения зарядов и размеров
индивидуальных капель туманов
и облаков производились также
за пределами СССР, в США и
в 'Новой Зеландии. О результа­
тах американских измерений пока
почти ничего не известно; в
статье Ганна [8] имеется краткое -2
С>
2р
указание на работу Ридера, ис­
. I .U J
и м __L. - I 4 5678
8765 и
Зх
пользовать которое для какихнибудь сопоставлений трудно.
[Приведем его полностью: „В нео3- Сглаженный (/) и несглаженный (2} ход
„
Л
повторяемости значении р. Использованы данные
публикованной докторской дисСергиевой [7], ;с-номер пластины,
сертации Ридера сообщаются дан­
ные для 72 капель тумана, имевших измеримый заряд. Он нащел, что
в естественных туманах только 0,5% капель несут измеримые заряды
{больше 200 э. з.). Средний заряд 21 положительно заряженной капли был
равен 920 э. з., а средний заряд 51 отрицательно заряженной капли
равен 1340 э. з .“] Филлипс и Кинцер [9] получили в негрозовых облаках
очень маленькие заряды капель обоих знаков. Измерения в Новой Зеландии
производились Тумеем [10], который нашел, что при отсутствии в облаке
ледяных частиц капли имеют положительные заряды, и вывел следующие
эмпирические формулы для зависимости величины заряда q в эл. ст. ед. от
диаметра капли
в микронах
9 = = 5 , 4 - 1 0 - Х ’®'.
^ = 9 ,9 .1 0 “ ^ Х ’°^.
(8)
(8а)
Формулы (8) и (8а) относятся соответственно к наблюдениям в зимний
(июль 1955 г.) и летний (февраль 1956 г.) периоды на о. Тасмания. В по­
исках физической причины возникновения на каплях облаков слоистых форм
измеренных им зарядов Тумей, останавливаясь на результатах опытов Блан­
чарда (исследовавшего заряды капель, образующихся при барботаже морской
воды) и на обычном диффузионном механизме, достаточно убедительно
показывает (пользуясь известными ранее оценками), что эти процессы не
обеспечивают существования наблюдавшихся зарядов. Тем большее недоу­
мение вызывает окончательный вывод Тумея, предполагающего, что упорядо­
59-
ченная ориентация молекул воды в поверхностном слое приводит к захвату
преимущественно положительных ионов, тогда как по Френкелю получается,
обратный знак заряда капель (теоретические оценки и экспериментальные
данные показывают, что этот эффект не может дать больших зарядов).
Связь между зарядами и размерами капель, представленная формулами (8),
(8а), не соответствует диффузионному механизму, который для капель дан­
ных размеров приводит к линейной зависимости, а не к квадратичному
закону, как утверждается в статье [10]. Таким образом, Тумей не мог
подтвердить свои данные относительно зарядов сравнительно крупных капе­
лек ни теоретически, ни результатами других опытов. Легко подсчитать,
что подобные заряды капель приводили бы к таким объемным зарядам'
(учитывая отсутствие мощных источников ионизации), которые при наличии
даже тонкого облака вызывали бы поля порядка многих тысяч вольт на
метр, не наблюдаемые фактически в слоистых облаках.
В начале наблюдений, пользуясь в качестве источника света лампой
накаливания, авторы не могли определить размеров незаряженных капель и
поэтому иногда применяли при наблюдениях в естественных туманах искус­
ственную подзарядку капель с помощью небольшой индукционной катушки,
работавшей на расстоянии примерно 30 см от приемной части прибора.
Тогда же (в 1955 г.) было замечено, между прочим, наличие связи полу­
чавшихся искусственных зарядов с размерами капель, представляемой в сред­
нем формулой {д в эл, ст. ед., г в сантиметрах)
(9)
q = 0,43г^
Эмпирические формулы (8) и (8а) Тумея неожиданно хорошо согласуются
с эмпирической формулой (9) для искусственных зарядов капель, что
наглядно показано на рис. 4. В статье [11] Тумей приводит только фор­
мулу q = 10~8 d'^^, совпадаюшую при замене d^ яа г с формулой (9). Такое
совпадение заставляет предполагать нали­
(^^Ю'эл.сг.е^,
чие каких-то посторонних помех в при­
боре Тумея, тем более, что он использо­
вал напряжения от б до 12 кв (полногоописания прибора в статье [10] нет).
Отдельно рассмотрены Тумеем отрицатель­
ные заряды частиц, наблюдавшиеся в об­
лаке при наличии твердой фазы. Они
приписываются обнаруженной Людером
электризации при намерзании на кристал­
лах переохлажденных капель. Этот вывод
Тумей пытается обосновать оценкой дей­
ствия электрических полей на поверх­
ности частиц, так как, согласно Людеру,
заряжение прекращается при поле 700 в/см.
Отсюда для предельного заряда полуРис. 4. Зависимость заряда ка­
чается соотношение
пелек от их размера при искус­
ственной электризации (5) и по
данным Тумея: I — по форму­
ле (8) 2 — по формуле (8а).'
l 9 l = 2,3r2.
(10)
На рис. 4 в статье [10] прямая, прове­
денная согласно уравнению (10), дей­
ствительно ограничивает на графике область, в которой лежат точки,
соответствующие частицам с отрицательным зарядом. Такое убедительное на
первый взгляд доказательство полностью теряет значение, если заметить, что
эта же прямая с равным успехом ограничивает область, в которой лежат
точки, соответствующие положительно заряженным каплям, наблюдавшимся
при отсутствии в облаке твердой фазы (см. рис. 5, полученный в результате
60
объединения рис. За, 36 и 4, взятых из статьи [10]). Инструментальные
ошибки в равной мере могли исказить измеренные заряды твердых частиц.
Рис. 5. Зависимость зарядов капелек от их размера по данным
Тумея.
1 , 3 — при отсутствии Б облаке твердой фазы , 2 — при наличии твердой
фазы , 4 — предельная прямая, соответствующая полю на поверхности
капельки (частицы), равному 700 в/см .
Пгречисленными работами ограничиваются имеющиеся в настоящее время
источники данных измерений зарядов индивидуальных капель естественных
туманов и облаков (не включая капли осадков).
1. Капли естественных туманов делятся на две группы: более мелкие
капли (радиус до 6—7 мк) имеют заряды разных знаков, значительно превышающие’по абсолютной величине ожидаемые значения по теории стационарного
распределения зарядов. Заряды более крупных капель относительно очень
малы и в подавляющем большинстве случаев не измеряются, что не проти­
воречит оценке их величины по теории стационарного распределения.
2. Результаты измерений зарядов более мелких капель естественных
туманов согласуются с результатами проведенных ИПГ измерений зарядов
индивидуальных капель облаков (данные по облачным каплям еще недоста­
точно детализированы).
3. В естественных туманах отмечается небольшое преобладание отрица­
тельно заряженных капель, которые составляют 55—60°/q общего числа
заряженных капель.
4. Гипотеза Френкеля о заряде капель, определяемом электрокинетическим
потенциалом, не подтверждается фактическими данными.
5. Имеются очень серьезные основания считать данные Тумея ошибоч•ньши вследствие каких-то неподадок в технике измерений.
61
ЛИТЕРАТУРА
1. L e n a r d P. Ober Regen. Meteorolog. Zeitschrift, 39, 255, 1904.
2. Л е в и н Л . M. О ксиапуотящии эаряженны 1
Х облачных капель. ДАН СССР, 94, № 31954.
3. Ф у к с Н. А. О величине зарядов на частицах атмосфервых аароиоллаидов. Изв..
АН СССР, . сер. географ, и геофнзич., № 4. 1947.
4. L i s s o w s k i Р. Das Laden v5n Aerosolteilchen in einer bipolaren lonenatmosphare.
Acta Physicochimica USSR, N 2. 1940.
5. G u n n R . , W o e s s n e r R. H. Measurements of the systematic electrification of
aerosols. Journ. of Colloid Science, II, N 3. 1956.
6. С о л о в ь е в iB. A. 0(6 одш м методе измерений зар'Ядов и (размеров капель ту­
манов. Труды ГГО, вып. 58 (120'). 1956.
7. С е р г и е в а А. П. Об элекприяеигеик зарядаж облачных частиц. Изв. АН СССР,.
сер. геофиаич., № 3. 1958.
8. G u n n R. Droplet-electrification processes and coagulation in stable and unstable
clouds. Journ. meteor. 12. No 6. 1955.
9. P h i l l i p s B. B., K i n z e r G. D. Measurements of the size and electrification of
droplets in cumuliform clouds. Journ. of Meteorology, 15, No 4. 1958.
10. T w o m e y S. The electrifiication of individual cloud droplets. Tellus, 8, No 4. 1956.
11. T w o m e y S. Electric charge separation in subfreezing Cumuli. Tellus, 9, No 3_
1957.
л . г . МАХОТКИН, В. А. СОЛОВЬЕВ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АТМОСФЕРЫ
ПРИ ТУМАНАХ
Статья посвящена обобщению и систематизации имеющихся данных
об электрических характеристиках атмосферы при тумане; особое внима­
ние об]ращено на физическую сторону наблюдаемых закономерностей и
на увязку электрических и метеорологических характеристик.
Влияние тумана на атмосферноэлектрические характеристики было заме­
чено давно, и при выборе „нормальных" дней дни с туманами при обработке
не учитывались. Отклонения характеристик от нормальных значений пра­
вильно объяснялись уменьшением концентрации легких ионов, значительная,
часть которых отдает свой заряд капелькам. Это ведет к значительному
уменьшению проводимости, которая и в туманах, вопреки ошибочному
утверждению Виганда, обусловливается не заряженными капельками,- а лег­
кими ионами. Так как указанный процесс протекает подобным образом
во всех облаках, на них часто механически распространялись данные о низ­
кой проводимости в туманах, что нельзя признать всегда обоснованным.,
В грозовых облаках действуют дополнительные процессы, и чтобы знать, как
ОНИ; повлияют на результат, необходимо детально исследовать основные
закономерности отдельных процессов. Туманы являются удобным объектом
для изучения одного из таких процессов — взаимодействия капелек с иони­
зированной средой.
Теоретически изменение концентрации легких ионов при тумане можно
подсчитать с помощью уравнения баланса ионов
где q — интенсивность ионообразования,
— концентрация частиц типа i,
которые отличаются размером и зарядом от частиц других типов (например,
типа k с концентрацией п^)\
— соответствующие коэффициенты реком­
бинации. Для учета конкретных характеристик тумана коэффициент т),.
■относящийся к каплям, должен быть выражен в явной форме. В 1941 г.
решением подобной задачи занимался Р. А. Аллик [1], который, беря за
основу уравнение (1) в предложенной Швейдлером упрощенной форме
q=
(2>
(р — постояннаяисчезновения легких ионов, п — их концентрация), назвал
величину R = - ^ „электрическим фактором чистоты воздуха" иподробно
исследовал ее {к — подвижность легких ионов). Выведенная Алликом фор­
мула может быть получена следующим способом. Коэффициент р при учете
взаимодействия легких ионов только с нейтральными и заряженными ядрами
(тяжелыми ионами) определяется по формуле
Р = 71,2^2 + ^ Ш ^ 0.
(3 )
ба
в которой 7]jq и 7)j2 — коэффициенты соединения легких ионов с нейтраль­
ными ядрами и ядрами, имеющими заряд противоположного знака. Индексы
1, 2 указывают на знак заряда, индекс О относится к нейтральным ядрам;
Z ,, Z j, Zq — концентрации ядер соответствующего типа, Z = ( Z j + Z 2+ -^o)
общая концентрация ядер.
В стационарном состоянии количество ядер, приобретающих заряд, должно
равняться количеству нейтрализующихся ядер, что выражается равенством
~ '^12-^2('^)
Подставляя в формулу (3) значение Z 2, согласно (4), и полагая,’^ что
ионы разных знаков захватываются одинаково (^ю = '’12о)> получаем
р = 2'rjjoZo.
■
(5)
При сделанном допущении о симметрии относительно знаков Z , = Z^,
Trii2 = '42i и согласно (4) .
Zo = ^ Z 2 = ^ Z o > Z 2 ,
(6)
так как, очевидно,
> 'Л20 (ионы легче захватываются противоположно
заряженными частицами, чем нейтральными). На основании неравенства (6)
________________
1 до 1; если взять в качестве
коэффициент g = ^Zo\ лежит
в предела-х от -gсреднего значения g = - ^ , тогда по (5) ^ = TjjgZ. Большое значение имеет
выбор правильного выражения для коэффициента т),о. .Аллик пользовался
довольно распространенной формулой Райта
7]io = 7tr^®,
(7)
в которой г — радиус ядер, w — средняя тепловая скорость легких ионов,
что приводит к следующим окончательным формулам:
(Vio'^) ” = '!^Zwr^n,
(8)
~ 'Тр ' ~ 'Kwr'^Z'
mmSz •
(9)
Так как видимость S определяется аналогичной формулой
о
3,5
иг2/г (р) Z
(10)
[где k (р) — функция отношения радиуса частиц к длине волны света, вычис­
ляемая теоретически], отношение
, по Аллику, равно ^ (р), умно­
женному на некоторый определенный коэффициент. Действительно, разде­
лив (10) на (9) и подставляя значения w — \,AA‘ \Q ^ ,k = \, 2 при S, выра­
женной в сантиметрах, получаем
| - ) = 2,4.10«Й(р).
(И )
Заметим, что в работе Аллика для k (р) принято обозначение- 2С. Значе­
ния С, вычисленные в [1] на основании непосредственных измерений
и S,
сходятся с теоретическими только по порядку величины, превышая для
отдельных градаций 5 максимальные теоретические значения С в 2—3 раза.
Несмотря на то что Аллику не удалось выяснить причину ограниченной
согласованности расчетов с экспериментальными данными, увязка атмосферно­
электрической характеристики R с метеорологической характеристикой S,
которые определяются независимо и совершенно различными методами, пред­
ставляет интерес даже в первом приближении.
64
Наиболее слабым местом в приведенном расчете является использование
формулы Райта (7), с помощью которой именно и перебрасывается мост
между электрическими и метеорологическими характеристиками атмосферы.
Формула (7) справедлива в том случае, когда частица не нарушает харак­
теристик окружающей среды. Приток ионов к частице
пропорциоW
нален тогда их средней скорости
, концентрации п и площади поверхности
частицы
(множитель
при W необходим для учета движения ионов
в разных направлениях), т. е.
J = п
4icr^ = nwar^.
(12)
Если указанное условие не выполняется, то концентрация ионов п (jc)
зависит от расстояния х до центра частицы и для вычисления притока ионов
к частице нужно решить уравнение диффузии
(13)
где D — коэффициент диффузии легких ионов.
Для стационарного процесса, считая У постоянным и полагая л (о о ) = «,
я (г )= = 0 , уравнение (13) приводит к известному выражению, полученному
Максвеллом в 1877 г. прирешении аналогичной задачи и подтвержденному
рядом опытов поиспарению
капель [2],
J = A^rDti,
(14)
откуда
.
vj,o = 4TCrD.
(15)
Переход от квадратичной зависимости относительно г в формуле (7)
к линейной (15) характерен для ряда свойств аэрозолей (испарение, охлажде­
ние, сопротивление среды). Выбор нужной зависимости определяется при
этом соотношением г и длины свободного пробега газовых молекул I (в нор­
мальных условиях I — 10~^ см) [3]. Небольшие частицы (г < / ) мало нару­
шают характеристики окружающей среды, и для них зависимость должна
быть квадратичной. Для оценки положения переходной зоны можно также
приравнять выражения для tjjo, получаемые из формул (7) и (15),
T:r^w = AizrD,
(16)
откуда, беря D = 0,03, w = 1,44-10^, получается значение г = 0,83• 10~® см.
Заметим, что средний радиус ядер, вычисленный Алликом по формуле
Райта на основании одновременных измерений R , П, Z и X (X ^ проводи­
мость), оказался равным 0,85 •10~® см, что соответствует как раз переход­
ной зоне. В подобных условиях вопрос о выборе той или другой формулы
для Tjjo мало освещен в литературе, так как для решения его требуется
привлечение дополнительных данных. Этот вопрос обходится, например,
в новой монографии Израеля [4], а Брикар ограничивается утверждением,
что формула Райта основана на представлениях, довольно далеких от дей­
ствительности [5]. Если при сопоставлении R и S вместо формулы Райта
пользоваться формулой (15), полученное Алликом соотношение ( И ) , как
легко подсчитать, заменяется следующей формулой:
- |- ) = 2,86гА:(р),
(17)
в которой S и г выражены в сантиметрах. Так как величина rk (р), в отли­
чие от А(р), может принимать любые значения, применение формулы (17)
позволяет устранить отмеченные Алликом противоречия с данными теорети5
Труды ГГО, вы п. 97
65
ческого расчета k (р), выполненного Страттоном и Хаутоном. В табл, I
приведены соответствующие данные из работы [1], дополненные результа­
тами подсчетов г по формулам ( И ) и (17). Звездочкой отмечены случаи,
когда из-за расхождений с теоретическими значениями г нельзя вычислйть
по формуле (1L),
— радиус в микронах.
Таблица
По формуле (11)
!)■
1,2
3
■7
20
40
105
35
18
8,6
3 ,2
1,8
По формуле (17)
к (Р)
rk (р)-105
14,6
7.5
3.6
1,3
12,2
0,8
0,30
0,15
0,13
1
6 .3
3.0
1.1
0.6
0,32
0,23
0,18
0,13
0,11
Значения ^ (р), помещенные в третьей графе табл. 1, несколько отли­
чаются от соответствующих значений 2С по Аллику [1] вследствие тогочто вместо обычно употребляемого теперь коэффициента 3,5 в формуле (10)в работе [1] взято значение 3, но это не влияет на общие выводы. При
хорошей видимости размеры ядер, вычисленные с помощью формул ( И ,
и (17), практически совпадают, а при пониженной видимости, когда фор>
мула (11) становится непригодной, данные расчета по формуле (17) указы­
вают на закономерный рост ядер. По сравнению со средним радиусом ядер
(г = 0 , 0 8 мк), полученным в работе [1]' только по атмосферноэлектриче­
ским характеристикам, значения г, определенные сопоетавлением фактора
с видимостью S (табл. 1), оказываются систематически повышенными. Это
можно объяснить зависимостью функции й( р) от природы ядер, не распро­
страняющейся на атмосферноэлектрические характеристики.
При расчете были использованы значения k (р) для водяных капелек,,
тогда как, по крайней мере, при хорошей видимости ядра являются твердыми,
частицами, для которых в определенном интервале k (р) больше и соответ­
ствующие значения г уменьшаются. Учитывая, наконец, что нельзя ожидать,
полного совпадения результатов из-за сравнительно низкой точности изме­
рений, следует признать, что имеются достаточные основания считать фор­
мулы (14), (15), (17) применимыми для тяжелых ионов (ядер) и тем более
для капелек тумана.
Переходя непосредственно к оценке изменения концентрации легких ионов
п при тумане, необходимо остановиться на одном важном соотношении,
чрезвычайно упрощающем выводы. Коэффициент р, рассчитывавшийся с уче­
том как нейтральных, так и заряженных ядер [формулы (3) — (6)], оказался
в конечном итоге равным tjioZ [формула (8); для большей ясности соотно­
шение
выведено здесь несколько иначе, чем в работе [1]]. Это
означает, что при расчете баланса ионов можно с достаточным приближе­
нием не учитывать влияния зарядов ядер. Распространяя принятое допущение
на капельки тумана (единственное отличие которых с точки зрения общега
расчета состоит в том, что капельки могут нести много зарядов), можнополучить нужное выражение для п, используя формулу (14),
q = A nD r'Z n -Н AizDrNn
(18>
{г', Z — радиус и концентрация всех ядер, г, yV— радиус и концентрация
капелек), откуда
п
66
' AtiD {г'Z + r N ) •
(19>
Если концентрация капель велика ( r N ' ^ > r ' Z ) и промежуточные слутаи
( r N ' ^ r ' Z ) исключаются (как часто бывает при исследовании облаков, при­
ходящих более или менее сформировавшимися)," можно пренебречь влиянием
ядер и написать
4.вглг
■
е»)
й
Формула (20) была выведена Плювийажем [6] с учетом зависимости
притока ионов от зарядов отдельных капелек, причем повторяемость зарядов;
данной величины определялась условием стационарного распределения. Это
потребовало более сложных расчетов, окончательный результат которых;;
в пределах возможных ошибок практически совпадает с оценкой я, полу­
чаемой без учета влияния зарядов капель.
Благодаря разнообразию характеристик туманов, нередко постепенно)
переходящих в дымку, ожидаемые значения п* (при тумане) нужно подсчи­
тывать с помощью формулы (19), причем удобно пользоваться сеткоситель-
п*
ными значениями — , где
— концентрация легких ионов при отсутствии
rtf)
капель (iV = 0). Согласно (19),
■п*
1
По )
^ ^кРгШа
Я
или, переходя от концентрации капель N к водности w (г/м®),
Яо/
'300D«o\ W •
Так как интенсивность тумана обычно оценивается по видимости, есте­
ственно сопоставить получаемые значения ( — ) с видимостью 5. Для вы' ' Лд /
числения последней можно воспользоваться формулой (10), подставив в нее
вместо концентрации и размеров ядер соответствующие величины для капель
(вследствие квадратичной зависимости S от радиуса влиянием ядер здесь
можно пренебречь). Принимая для капель тумана ^ (р) = 2 и переходя снова
от N к W, получаем
'^ м = 2 .3 - ^ ,
(23>
где Su — видимость в метрах. Необходимо учитывать, что предыдущий расчет
относится к монодисперсному туману. Для естественных туманов, беря в ка­
честве аргумента средний арифметический радиус капель Гр., требуетсяЕ;
ввести дополнительные коэффициенты к
в формуле (22) и к
в фор­
муле (23) [обозначим их соответственно
и
Примерные значени®
и а^, которые определяются выражениями
ор
“оо
jrSN (r)dr J N (г) dr
о
СО
Г rN (r)d r
'-0
оо
J r'^N {г) dr
(г) dr
5-------------, ’
= со--------------со
S
j r"^N {г) dr J rN (л) dr
0
0
5*
'
(25>
67-
1Й0ЖН0 вычислить с помощью формулы Хргиана и Мазина [7], характери­
зующей среднее' распределение капель по размерам,
N i r ) d r = cr^e~'”'dr,
(26)
(/V (г) rfr— число • капель, имеющих размеры от г до г + dr, Ь и с — по­
стоянные) или с помощью новой формулы для N ( r ) , выведенной Левиным [8].
В первом случае
^ 2,5, а_у =
гь; 1,67, тогда как для указы­
ваемого Левиным наиболее характерного распределения (с параметром а = 8)
а = 1 ,3 6 , а с = 1 , 2 2 . При подстановке численных значений а и а„, по
Левину, формулы (22) й (23) принимают следующий вид;
>5, = 2 . 8 - ^ .
Для вычисления
(28)
fz'^
— остается задать определенные значения
п^, q и D
По данным наблюдений, проводивщихся в Павловске в 1937—1939 гг. [1],
'[9]_ 9 = 9 , « = 580 (в среднем). На полевой базе ГГО в Воейково изме­
рения q производились только в 1949—1952 гг. под руководством Д. Е. Огороднова, причем получилось значение ^ = 16 (измерений « не было).
/
\
Результаты расчетов —
по формуле (27), если брать округленно
\Щ /
9 = 1 0 , «Q = 600, D = 0,03, представлены графически на рис. 1, где штри­
ховкой отмечены также градации тумана. Границы участков, соответствую­
щих сильному (S^ < 50 м), среднему (50^_| < 5^, < 500 м) и слабому
(500j^ <С
< 1000 м) туману, определялись по формуле (28). Из этого
графика видно, например, что снижения п* в 10 раз ( — = 0,l') можно
\щ
/
ожидать только при сильном тумане и более вероятным является снижение
п* раза в два.
Оценка влияния капель на концентрацию легких ионов была сделана
также Я. И. Френкелем [10], который, пренебрегая наличием тяжелых ионов
и ядер, добавил к исходному уравнению рекомбинационный член аП? (а —
коэффициент рекомбинации). Было получено
q = A%rDNti - f dn^.
(29)
Замечая, что
и учитывая с помощью коэффициента а„
рас­
пределение капель по размерам, легко получить из (29) соотношение, свя— j с водностью и средним арифметическим радиусом капель
=
'
(30)
Расхождения между результатами расчетов по формулам (27) и (30),
как показано на рис. 2, не особенно велики, несмотря на различные допу­
щения, сделанные при их выводе, так как основной фактор — приток ионов
к капелькам — учитывался одинаково. Для реальных условий, особенно при
туманах, больше подходит формула (27), выведенная с учетом запыленности
воздуха (наличия тяжелых ионов и ядер). Формула (30) относится, по су­
ществу, к облакам в очень чистом воздухе.
Экспериментальных данных об изменении концентрации легких ионов я*
при тумане имеется мало, так как систематические измерения п проводились
68
0,1
0,2
0,3
O fi
0,5
10 ' ' ' '
0,6
15
20 Гмк
[VYW I5
Рис. 1. Изменение концентрации легких ионов при тумане
в зависимости от водности й среднего радиуса капель со­
гласно расчету по формуле (27).
1 — сильный туман ( 5 „ < 5 0 м), 2 — умеренный туман (50 м < Sjj < 500 м ),
5 — слабый туман (500 м <
< 1000 м ).
О,/
0,2 0,3 0,4
ll
У
0,5
10
^ ^ 2
0,6
0,7
15
|\ \ \ \ I J
2 0 Гмк
Рис. 2. Изменение концентрации легких ионов при тумане, вы­
численное по формуле (30). Уел. обозначения см. рис. 1.
'Сравнительно редко, а при составлении выводов немногочисленные случаи
наблюдений при туманах обычно не выделялись. В Павловске измерения я
проводились три года (1935— 1938 гг.) [ 9]. ' За это время при туманах было
сделано только 11 измерений, согласно которым в среднем
= 0,64
(для положительных ионов), ( — ') = 0 , 5 9
ионов).
\ Щ J—
(для
отрицательных
В качестве щ взято среднее значение п из всех измерений.
Результаты годовых наблюдений Кравченко [14], измерявшего п в 1929 г.
около Москвы, приводят к значению ^ -^ ^ = 0,21.
На
Эльбрусе
(Приют
Девяти, высота 4250 м над уровнем моря), по данным Герасимовой [11],
л * (по отношению к значениям при ясной и тихой погоде) характеризуется
.следующими величинами; f— 'l
V^0 / +
= 0 ,4 3 ,
(— \
VЩ / —
= 0 , 5 2 . Отдельные примеры
язменения п,
приведенные в статье [12],- дают для обсерватории Терскол
\
!(высота 2200 м)
= 0,68,
= 0 , 6 2 и для пика Терскол (вы­
сота 3050 м) ( — ) ~
0,2 (по графику, цифровых данных нет).
\ /+
V /—
Косвенная .оценка
может быть сделана по величине
. ^сли счи­
тать коэффициент
('9),
R —
= 0,72,
в среднем постоянным
согласно формулам (2) и
. По данным Аллика [1], для Павловска (1937— 1939 гг.)
= 0 ,6 6 , что превышает все соответствующие значе-
ЛИЯ ( п* \ , указанные выше.
Это расхождение объясняется погрешностью
;метода определения /?, связанной с уменьшением числа ядер и капелек в за­
крытой камере. Кроме того, был заметен рост R во время измерений, длив­
шихся около часа [1].
Частичный захват тяжелых ионов может вносить также погрешности при
.измерении п с помощью счетчиков легких ионов. Для учета этого эффекта
лри каждом измерении тг определяется обычно специальная поправка, сравни­
вая по величине с окончательным значением п при большой концентрации
•тяжелых ионов [13], [14]. Эти поправки определяются не всегда достаточно
надежно, как показывает пример с переносным счетчиком ГГО, конструк­
тивный дефект которого ’.не был замечен в Павловске из-за влияния тяже­
лых ионов [11]. Вероятно, с неточностью этих поправок связаны и расхо­
ждения в оценках средней подвижности легких ионов к, значение которой
требуется для перехода от концентрации п к проводимости X = k t i . Вычис­
лив к по данным одновременных измерений п (с помощью стационарного
счетчика ионов ГГО) и X (с помощью установки Шеринга), Герасимова обна­
ружила сильное уменьшение к при уменьшении X и пришла к выводу, что
изменения проводимости обусловлены в большей степени изменениями под­
вижности, а не числа ионов [9]. Уменьшение подвижности легких ионов
ошибочно объясняется в статье [9] местными условиями (возможным загряз­
нением воздуха продуктами горения вблизи большого промышленного центра).
В действительности такое же изменение величины к может получаться
в самых различных условиях, как показывает рис. 3. Исходные данные
{п и X) для обсерватории Хуанкайо (1947 г.), где п измерялось счетчиком
типа Эберта, взяты из работы [15]; полученные значения к приведены
к уровню моря (обсерватория расположена на высоте 3300 м). Измерения п
70
Берндтом (1911 г.) получены во время плавания через Атлантический океан
и по р. Амазонке [6]; п измерялось счетчиком Эберта, X- - прибором Гердиена. В Воейково (1958 г.) л измерялось счетчиком П. Н. Тверского (без
поправки на тяжелые ионы), X — установкой типа Аллика. Для сравнимости
полученные значения к уменьшены примерно в два раза. Очень большое
число измерений было сделано как на открытом воздухе, так и в помеще­
ниях с целью оценки гигиенических условий [17], но они, как правило,
ле сопровождались измерениями проводимости воздуха.
Крайне низкие значения к (до 0,08—0,1), полученные Чернявским [17]
«а текстильном комбинате, связаны, очевидно, с особенно большими ошиб­
ками в определении п в сильно запыленном воздухе. Естественно, что при
подобном изменении вычисленных значений подвижности легких ионов (рис. 3)
К+
5 \+ i0 *
Рис. 3. Зависимость подвижности легких ионов от про­
водимости по данным наблюдений в Павловске [1),
в Хуанкайо (2), в Воейково (3), в Атлантическом океане .
и на Амазонке (4), в помещении (на текстильной
фабрике) (5).
Герасимова получила в Павловске [9]
f k*\
в более чистом воздухе на Эльбрусе [11]
= 0,43,
I k*\
= 1,28,
= 0 ,3 6 ,
но
=0,63
(к* — подвижность при тумане, кд — средняя подвижность из всех измере­
ний). Однако по измерениям Хогга в Австралии, Нориндера и Сиксна в Шве­
ции, Цванга и Гутмана в СССР при туманах средняя подвижность легких
ионов не только не уменьшается, но даже слегка возрастает. Хогг [18]
измерял л. и X одной и той же специально сконструированной установкой,
меняя напряжение на внешнем электроде (около 15 в для п и около 5 в
для X); через измерительную часть пропускалось около 2**/о всего засасывае­
мого воздуха. При туманах было- сделано 12 измерений, которые дали
в среднем
^ = 1,13,
1.13. В статье Нориндера и Сиксна [19],
использовавших установку другого типа (с конденсатором Вегера), сводных
данных нет. Приведенные Цвангом непосредственные измерения спектра лег71
ких ионов импульсным методом с помощью специального ионного спектро­
графа, согласно таблице, помещенной в статье [12], дают f-r-)
( k*\
хорощо согласуется со значениями
lk* \
= 1,06,
V«о •+
,
полученными
Хоггом.
Измерения, сделанные группой американских исследователей [20] в боль­
шой камере, где влажность и загрязненность воздуха менялись в широком
диапазоне, не дали указаний на сколько-нибудь существенное изменение k (к
измерялась специальным прибором, предназначенным первоначально для само­
лета, для измерения п был приспособлен прибор Гердиена). Таким образом,
данные о подвижности легких ионов четко разделяются на две группы в зависи­
мости от типа аппаратуры, использованной для измерений. Более надежные
измерения к, выполненные с помощью специальной аппаратуры, при тща­
тельном учете возможных погрешностей дают основание, по крайней мере
в первом приближении, пользоваться при туманах обычным значением к и
указывают одновременно на погрешности ряда измерений концентрации лег­
ких ионов.
Создание надежного и удобного в обращении счетчика легких ионов
остается весьма актуальной задачей, особенно если учесть ряд практических
запросов, например, со стороны медицинских учреждений.
Изменение проводимости воздуха при тумане при учете связи к и D
описывается формулой (27) даже в случае наличия реальных изменений к.
Действительно,
_
,
fk^Do\
Upg*/
I I I 4тсДрПо \
q
)
_______________________________
^
/ 220РоДо ^ ^
^
9
так как, согласно соотношению Эйнштейна—Тоунсенда,
f k * Z)n\
*
(31)
= 1. Поэтому
рис. 1 дает также оценку теоретически ожидаемого изменения проводимости
при тумане в зависимости от водности и среднего радиуса капель. Учитывая
дополнительно возможность изменения q и заменяя D qILq на Xq (с помощью
соотношения Таунсенда—Эйнштейна), приходим к несколько видоизмененX*
ному выражению для
, т. е.
Ап
1+
в котором проводимость выражена в эл. ст. ед. X Ю®Результаты непосредственных измерений проводимости обычно позволяют
оценить
более уверенно, чем это можно было сделать для
• Утвер­
ждение о малой пригодности используемых приборов (типа Гердиена, Шеринга, Аллика) для измерений проводимости во время сильных туманов
из-за оседания крупных заряженных частиц, искажающих потенциал цен­
трального электрода [21], связано с тем, что до последнего времени данных
о зарядах капель тумана почти не было. В действительности заряды капель
малы и имеют разные знаки, так что указанное ограничение нельзя считать
обоснованным. Только в случае ледяных туманов (по которым в распоряжении
авторов материалов нет) вероятны сильные искажения результатов из-за
контактной электризации центрального электрода. В работе [6] указано,
72
что при наличии в облаке твердых частиц измерения с помошью прибора
Гердиена становились невозможными.
В общих курсах и в отдельных статьях имеется ряд указаний на резкое
снижение проводимости в тумане, но более или менее полные оценки повто­
ряемости
различных значений
ДО последнего времени отсутствовали.
Это объясняется малым числом пунктов, где производится непрерывная реги­
страция проводимости, и (в еще большей мере) господствовавшей в течение
длительного периода узкой направленностью работ на получение средних
величин и на изучение электрических характеристик „нормальных" невоз­
мущенных дней.
Сводка значений
, вычисленных по имеющимся в отдельных рабо­
тах данным, приведена в табл. 2.
В большинстве случаев величины
достаточно близки между собой;
и имеют в среднем одинаковое значение для положительной, отрицательной
Таблица
Автор
Гоккель [22
Герасимова 9]
Метод или
прибор
Место измерений
Шеринга
Швейцария
Павловск
Израель и По ходу гради­ Бухау и Уппсала
Каземир [23]
ента
Пюи-де-Дом
Плювинаж [6]
Г ердиена
Герасимова [11] Счетчик ионов Эльбрус (Приют
Девяти)
Цванг и Гут­ Ионный спек­ Эльбрус (Долина
трограф
Азау)
ман [12]
Красногорская Аспирационный Эльбрус (пик
Терскол)
[24
Год
1945
1938
Число
сум­ измере­
мар­ ний при
ное туманах
+
1917
19351938 0,28
1951
0,22
0,55
2
0 ,2 0,21
0,3
0,25
0,34
0,29
0,33
0,26
0,47
3
10
11
1953 (0,72) (0,69) (0,70)
1956
и суммарной проводимости, равное примерно 0,3.
0,33
0,40
0,36
Резко выделяются лишь
величины (“Х") > полученные по данным работы [12].
Без дополнительных
сведений нельзя установить, связано ли это с какой-нибудь ошибкой или
с малой плотностью облаков, в которых производились измерения. Как по­
казывают данные последней графы табл. 2, оценки
основываются на
небольшом числе измерений, не позволяющем детализировать результаты.
Отдел атмосферного электричества ГГО несколько лет проводит реги­
страцию проводимости воздуха в Воейково (под Ленинградом) с помощью
установки типа Аллика, но круглосуточно эта установка работала (до второй
половины 1957 г.) только в 1953 и 1954 гг. За этот период (1953—
1954 гг.) было отмечено 135 случаев туманов, причем для 65 случаев
(48®/о общего числа) регистрация проводимости имелась полностью, для 37
( 28%) — частично и для 33 случаев (24% ) данные о проводимости отсут­
ствовали. Приступая к обработке полученных данных, необходимо было
прежде всего условиться о выборе нормальных значений
Чтобы исклю­
чить субъективность в этом вопросе, авторы сравнивали среднюю проводи­
мость X*, подсчитанную для каждого отдельного случая тумана, со средней
проводимостью за данный месяц Хд (по всем без исключения дням).
7а
На рис. 4 дано распределение числа случаев общих туманов в зависи­
мости от величины
(положительная проводимость) и
(отри­
цательная проводимость). Наиболее часто встречаются туманы, при которых
проводимость снижена приблизительно в три раза по сравнению со средним
/X*
месячным значением
= 0,3 — 0,4; эти величины характерны и для
табл. 2 ^ . Гистограммы для положительной и отрицательной проводимости
Р(К)
РМ
Рис. 4. Повторяемость ту.манов Р(Щ (без поземных) с различными
X*
средними значениями — .
Хо
очень похожи друг на друга. Это согласуется с утверждением Ганна [25]
о том, что в замутненной атмосфере X_j_^t;X_. В Воейково, как и в ряде
других мест, Х_^ и Х_ вообще мало отличаются. В очень редких случаях
слегка превышает единицу, что объясняется некоторой условностью
выбора Хд (по данным Маркграфа [26], такие случаи изредка наблюдаются
и в Потсдаме).
Характер полученных кривых (рис. 4) согласуется с общими оценками,
которые можно сделать по результатам теоретических расчетов (рис. 1);
X*
резкий спад для малых значений у - связан со сравнительной редкостью сильмых туманов,- а постепенное убывание до значений
/ X* \
порядка
единицы
соответствует различным градациям слабых туманов. Так как вывод фор­
мулы (27) или (32) опирается в основном на достаточно обоснованные поло­
жения, непосредственная проверка этих формул должна быть направлена
ирежде всего на уточнение входящих в них коэффициентов. В настоящее
время это затрудняется не столько необходимостью организации комплекс­
ных наблюдений, сколько низкой точностью измерений отдельных элементов.
По оценке Плювинажа [6], точность сделанных им контрольных расчетов
74
i^= zkn по формуле (20) не превышала 40% из-за возможных погрешностей
измерений исходных данных.
В дополнение к полученным графикам были подсчитаны средние значения
проводимости в Воейково для данного периода (1953 — 1954 гг.) по всем
дням (Х ^ = 8 3 -1 0 -® эл. ст. ед., Х_ = 80-10—^ эл. ст. ед., X=
+ Х_ ==
= 163-10“ ® эл. ст. ед.) и во время туманов с учетом продолжительности
каждого (Х_|_ = 4 5 - 1 0~® эл. ст. ед., Х_ = 42-10“ ® эл. ст. ед., Х=
= = 8 7 ‘ 10“ ® эл. ст. ед.), откуда
что средние значения
= 0,54,
= 0,52. Естественно,
для всех туманов от начала до конца получились
.выше приведенных в табл. 2 величин
, относящихся преимущественно
к выборочным измерениям при отдельных туманах или в' уже сформировав­
шихся облаках.
Случаи поземных туманов были выделены особо и не влияли на преды­
дущие результаты. Вследствие пересеченного рельефа местности в Воейково
поземные туманы обычно не наблюдаются непосредственно в пункте измере­
ний проводимости. Подсчет на основании соответствующей выборки пока■зывает, что для поземных туманов
==0,93,
= 0 ,8 7 .
Распре­
деление числа поземных туманов в зависимости от средней величины
/ Я*'
.дается на рис. 5. Наряду с низкими значениями (^— j встречаются значения
, близкие к двум, вероятно, соответствующим случаям, когда позем­
ный туман располагался ниже станции. В заключение остается указать, что
годовой ход
для случаев общих туманов выражен слабо, поземные
туманы наблюдались вообще только в теплую половину года.
Уменьшение проводимости в сравнительно тонком слое атмосферы суще­
ственно не влияет на вертикальный ток, вследствие чего градиент потен­
циала V должен соответственно возрасти. Если же проводимость умень­
шается в большой толще атмосферы, вертикальный ток уменьшается и V
может остаться неизменным. Например, Уайт [46] указывает, что изменения
первого типа характерны для станции Хуанкайо (Перу), а изменения вто­
рого типа — для станции Уотеру (Австралия). В рамках этой приближенной
схемы туманы должны вызывать изменения первого типа. Действительно,
они часто сопровождаются ростом V . Это позволяет иногда использовать
.данные регистрации V для количественной оценки изменения проводимости.
Например, Израель и Каземир [23], выделив из’ записей V для 31 случая
■тумана 10 подходящих случаев,
получили среднее
~ 0,34, согласующееся с вероятным значением
значение
^
К'*
по данным непо­
средственных измерений X в других местах и теоретических расчетов. Однако,
кроме такой чисто вспомогательной роли, данные относительно V ' при ту­
манах могут иметь самостоятельное значение, характеризуя связанное с не­
которыми типами туманов качественное изменение ионизационного состояния
75
атмосферы, не обнаруживаемое достаточно определенно по изменению кон-^
т * \ __ п * \
центрации ионов и проводрмости в среднем значения
- \ Т ^ ) примерно
одинаковы для обоих знаков как п, так и X
Иногда при туманах наблю­
даются отрицательные значения V ', появление которых нельзя объяснить
уменьшением проводимости. Это может быть вызвано только наличием объем-^
ных зарядов другого происхождения. Оценка изменения V ' за счет объемных
зарядов в тумане может быть легко получена с помощью уравнения Пуас­
сона, которое для достаточно однородного и протяженного тумана приводит
к формуле
8 1 / ' = 9 - 10“ ®рЛ,
(33)
где bV' выражено в в/м; плотность объемных зарядов р — в элементарных
зарядах на см® и высота слоя тумана h — в метрах.
Наглядный пример влияния искусственных объемных зарядов на величину
V ' приводит Мюлейзен [27], получивший на станции, расположенной около
города, резко отличные кривые суРА;
точного хода V в рабочие дни по
сравнению с ходом V ' в воскресенье.
Добавим, что при обработке ме-.
^//Л
I рГ71
теорологических наблюдений иногда
/ / У? Ал
гу///
fw
обнаруживается недельный ход ту­
/ / / / / /' /ЛV 177/>
У/у/
ш .
'г щ а .
манов около города [28]. В отдель­
ных случаях влияние искусственных
факторов сказывалось и на резуль­
татах измерений V при туманах.
Чалмерс в Дархеме (Англия) и Ноут
У И
, риндер в Уппсале (Швеция) наблю, дздJ^ jjpj^ туманах отрицательные
’
’
'
значения V ' ., вызванные поохоливпроходив­
шими около пунктов высоковольт­
Рис. 5. Повторяемость поземных тума­
ными линиями, что подтверждалось
нов Р{%) с различными средними знапоявлением указанного эффекта при
I*
чениями
^
ветре, дующем со
стороны ли°
НИИ [29]. Механизм этого воздей­
ствия, связанного, вероятно,
с отрицательным зарядом капелек тумана,
остается не вполне ясным, так как линии были переменного тока (непо­
средственно заряды капелек не измерялись).
Хотя в подавляющем большинстве случаев посторонние влияния отсут­
ствуют, разбросанные в литературе отрывочные сведения об изменении V'
при туманах довольно разноречивы. Кюрри [30] по наблюдениям в Честерфильде (Канада) указывает на большие положительные значения V' при
всех формах тумана и дымки. Лютц (Аахен, Германия) отметил увеличение
V в 98% случаев [31], По Силу [32], в Пуне (Индия) возрастание V '
при тумане не так велико, как при дымке, и сменяется внезапным сниже­
нием доотрицательных значений, когда слой тумана начинает подниматься.
На Пюи-де-Дом(Франция) отмеченное
сначала небольшое уменьшение V '
при туманах не подтвердилось следующими наблюдениями и был сделан:
вывод, что влияние тумана на V ' , если вообще и существует, то очень мало,
особенно зимой [6].
С изменчивостью
V'
согласуется и очень низкое значение коэффи­
циента корреляции между изменениями V' и X, полученное по данным наблю­
дений в Познани (Польша) [33]. Измерения Пудовкиной [34] на Эльбрусе
76
У'’
У' =
= 1,62 зимой. Зна­
= 1,60 летом и
1/:
УЬ)
чение V' бралось по наблюдениям в ясную погоду. В этом же месте Гера­
дают среднее значение
симова [И ] получила раньше более низкое значение, т. е.
V'*
= 1,15.
Vо
Разнообразие приведенных оценок в значительной мере объясняется тем.
что интервал вероятных значений
V'-
достаточно широк, как показывают
результаты более детальной обработки данных регистрации V в Воейково
/ У'*'
за 1948— 1952 гг. Каждый туман характеризовался величиной
если
\ Уо/
брать в качестве V ■среднее значение градиента при данном тумане, а в ка­
честве Vg — среднее месячное значение градиента по нормальным дням (для
соответствующего месяца и года). Полученное в итоге распределение числа
/ у-
туманов в зависимости от величины I— г
V
(рис. 6).
0
приближается
к гауссовскому
у,*\
Вводя сокращенные обозначения (1/) для величины
и Р (1 /) d V для
У'<^/
числа туманов, приходящихся на интервал от ( V ) до { V ) - \ - d V , можно при­
ближенно представить распределение P { V ) сглаженной кривой, определяе­
мой формулой
—b
P{v)
iv )
L
{v)-m
(V)
(34)
где (V ) — среднее значение ( V) для всех взятых туманов, Р — общее число
туманов, Ь — численный коэффициент.
Построенная по формуле (34) кривая при (I/ ) = 1,06, b — 0,Q5, как
видно из рис. 6, удовлетворительно согласуется с наблюдаемым распределе­
нием Я (1 /). Дисперсия для данного распределения оказывается близкой по
величине к среднему значению (I/), т. е. ( I / — \ / ) 2 j i ; ( l / ) . Учитывая неко­
торую условность выбора в качестве 1/^ среднего значения градиента для
нормальных дней, провели аналогичную обработку данных; для
брали
среднее месячное значение градиента по всем дням. Эта замена не нарушила
общего характера распределения P ( V ) и возможности представления его
формулой (33) (рис. 7), а привела только к большому разбросу соседних
значений P { V ) . Изменилось, конечно, среднее значение (V'), но величина
коэффициента Ь осталась прежней.
У'*\
Статистический характер распределения вероятности значений
ука­
зывает на то, что действие двух основных факторов (проводимости и объем­
ных зарядов), влияющих на изменение V ' при туманах может комбиниро­
ваться вообще более или менее случайно. Полученные итоговые оценки не
распространяются на отдельные сезоны. Результаты подсчета средних величин
' У'*\
- 7- по месяцам указывают на их определенный годовой ход с максимуУо /
77
MOM детом, когда при туманах преобладают повышенные градиенты
l\V '^
>
L\
, и минимумом зимой, когда средние
К''“'
становятся меньше еди­
^0/
ницы (рис. 8). В качестве V' при этих подсчетах были взяты, как и раньше.
> 1
//К/
•средние месячные значения V ' по нормальным дням. С годовым ходом сред­
7*\
них значений 1/'
тесно увязывается повторяемость туманов, при которых
V,о
встречались отрицательные значения V' (хотя бы за 1 час). Число таких
туманов (в процентах к общему количеству туманов за соответствующий
месяц) дается в табл. 3.
78
Для поземных туманов, не включенных в предыдущую обработку, рас­
пределение значений Р { V )
уV,о
туманов с данной величиной
представлено на рис. 9, согласно которому преобладают повышенV '* \
ные
число поземных
> 1 и, как правило, положительные значения градиентов.
L\ Уо /
Среднее значение
оказалось равным 1,33. Для всех месяцев, кроме
к;
а
Месяц
I
II
Процент туманов с отрица­
тельными V . . . . . 22 37
III IV
V
VI
33
0
0
19
VII VIII IX
0
30
13
X
3
XI
XII
Г од
26
22,
35
/ II III IV V V/ VII VIIIIX X XI XII
Рис. 8.
Г одовой
ход
(У*/КоО.
величины
Рис. 9. Повторяемость поземных тума­
нов P (V ) в зависимости от величины,
{VVV,').
августа, не наблюдалось ни одного поземного тумана с отрицательным гра­
диентом хотя бы за 1 час; по отношению к общему числу поземных туманов
такие случаи составляют всего 3% . В отличие от проводимости, изменение
которой существенно не зависит от толщины слоя тумана (начиная с неко­
торого минимального значения), даже сравнительно небольшая асимметрия
в распределении положительных и отрицательных зарядов может привести
к все более возрастающему изменению V ' при увеличении вертикальной мощно­
сти тумана. Допустим, например, что в тумане имеются капельки с заря­
дами обоих знаков, но в среднем на одну капельку приходится только один
лишний отрицательный элементарный заряд. При обычной концентрации
капелек (100 на см®) и толщине слоя тумана 100 м, согласно формуле (32),
градиент уменьшится на 90 в/м, т. е. на величину, сравнимую с нормаль­
ным значением 1/'. Вероятно, полученный годовой ход значений
V'
свяV0 /
зан с изменением вертикальной мощности туманов. При летних туманах»,
распространяющихся на меньшую высоту, основную роль играет увеличение
V за счет уменьшения X. Отрицательные градиенты, требующие значитель­
ных объемных зарядов, в это время почти не встречаются. Характеристики
туманов могут, конечно, значительно отличаться в разные годы и для раз79^
личных пунктов в зависимости от типа погоды. Это иллюстрируется дан­
ными табл. 4, в которой на основании наблюдений за 1 год (с лета 1957 г.
/
до лета 1958 г.) приведены средние значения
за весь период и преV
делы колебаний средних месячных значений
Таблица
4
V '^ jV a '
RE
минимальное
Общее
число
часов
- 0 ,8
—0.8
0 .4
0,8
1.3
1.7
214
234
295
269
95
26
0.95
0 .8
1,1
0.8
0,8
1.2
месячное
Пункт
среднее годо­
вое
максимальное
0,7
0,9
1.3
1,8
2,0
2,3
1.2
1.2
1.6
2.1
2.9
3,4
Ташкент
Киев . . .
Иркутск . .
Одесса . .
Тбилиси . .
Свердловск
В двух последних графах таблицы приведено общее число часов, учитывавшихся при вычислении среднего значения
шение показаний двух приборов
и нормированное отно-
- коллекторной установки и электро-
:етра, описанного в статье [35]. Тг
статического флюксметра,
Так как не всюду
ели были определены достаточно надежно,
надеж;
редукционные множители
в таблице дано
отношение величины
при туманах к величине
по всем
дням.
осредненное за несколько месяцев ( £ — напряженность поля, измеренная
флюксметром). Величина отношения
колеблется около единицы, что
дополнительно подтверждает правильность величин, полученных с помощью
коллекторных установок. Наблюдаемые при туманах значения V * настолько
отличаются по величине, что соответствующие изменения плотности объем­
ного заряда р должны обнаруживаться непосредственно, несмотря на низкую
точность измерений р. Для проверки этого вывода сопоставим результаты
непосредственных измерений р* во время туманов (табл. 5).
Таблица
Автор
Метод или прибор
Ганн и Вебб 36]
Плювинаж 6]
Ганна
Типа ватного .
фильтра
Трех коллекторов
По концентрации
ионов
Ватный фильтр,
метод сетки
Куб Томсона
То ж е
Баракан [37]
Герасимова [9]
Иньков [38]
Лютц [31]
Базилевич. Кирюхин
и др.- [39
Г ерасимова 11]
Оболенский 40]
а
Ватный фильтр
Место
наблюдений
5
а
р* в элементарных - о
Sю
зарядах на смЗ
^■11
сред­ средн. средн. ж
! я
нее
макс. мин. 60 С
Пюи-де-Дом
60
70
200
220
-2 0
-8 0
31
27
Павловск
»
1000
560
5900
—
-6 0
—
450
250
Киров
Мюнхен
Гагры
170
-1 2 0
-1 0 0
-1 6 0
—
—
,—
—
—
—
—
—
77
-2 2 0
—45
—72
Эльбрус
Ленинград
-3 6 0
-2 3 0
—
570
— -1 6 2
-1 4 0 0 - 1 0 3
Большинство данных, приведенных в табл. 5, основывается на кратко­
временных измерениях в отдельных туманах. Наиболее , систематические
наблюдения, проведенные Оболенским в Ленинграде; (в парке Лесотехниче­
ской академии), охватывают только 1 год (1923-24). Поэтому имеющийся
.материал может быть использован главным образом для грубой качествен­
ной оценки полярности и порядка величины р*. Наряду с обычно положи­
тельными объемными зарядами при туманах встречаются иногда (что отме­
чено во всех работах), или даже преобладают -отрицательные объемные
заряды. По Лютцу [31], отрицательные объемные заряды наблюдаются всегда
при смачивающих туманах и примерно в половине остальных случаев.
Отмеченное Келером [41] расхождение между оценками р* для зимних
туманов [в Потсдаме зимой 1921-22 г. отрицательные значения наблюдались
только два раза, тогда как в Лесном (по Обэленскому) и в Иннтале (по
Даундереру) они являются преобладающими] в ■равной мере может быть
связано как с местными особенностями, так и с особенностями отдельных
лет. Определенные статистические оценки повторяемости различных значе^
ний р* при туманах могут быть получены, очевидно, только при непрерыв­
ных наблюдениях за несколько лет, подобно тому, как был сделан выше
подсчет для характеристики изменения V'. Проводившиеся некоторое время
в Воейково срочные наблюдения за объемным зарядом с помощью куба Том­
сона не дали результатов вследствие больших погрешностей, вызываемых
изменением контактной разности потенциалов.
Не имея возможности детализировать и уточнять распределение значе­
ния р*, остается проверить, могут ли объемные заряды, если они имеют
указанные в. табл. 5 величины, вызвать необходимые изменения. V. . Для
этого в последней графе табл. 5 даны значения 8V'*, вычисленные с по­
мощью формулы (32) по соответствующим средним значениям р*. Условно
приняли, что Л (толпщна слоя тумана) равна 50 м. Полученные результаты
показывают, что по порядку: величины данные непосредственных измере­
ний р* согласуются с возможными изменениями V'* при туманах. Эти изме­
нения объясняются, следовательно, двумя основными факторами — изменег
ниями проводимости и объемных зарядов. Но если причина изменения- прово­
димости при тумане вполне ясна, дать определенный ответ на вопрос, почему
в ряде случаев объемный заряд становится отрицательным, в, настоящее
время затруднительно. Указанный Я. И. Френкелем [42] механизм образова­
ния отрицательных объемных зарядов вследствие селективной адсорбции
ионов ^был положен в основу его теории образования грозового электричества
без достаточного обоснования. Дополнительный расчет показывает, что
использованные Френкелем равновесные значения зарядов капель по меньшей
мере на порядок превышают максимально возможные величины, а данные
измерений в туманах, согласно которым р* может составлять сотни элемен­
тарных зарядов на см^ (или несколько элементарных зарядов на каплю),
требуют снижения эффективности этого процесса на два порядка.
Опыты, недавно проведенные Мюлейзеном [52], который пришел к вы­
воду, что при конденсации паров воды ядра заряжаются отрицательно,
а при испарении — положительно, необходимо тщательно проверить, хотя
полученный им результат в отношении порядка величины зарядов не проти­
воречит сделанной выше оценке и дает нужный знак р* при тумане. Если
объемные заряды при туманах связаны с каплями, годовой ход р* может
быть выражен слабо.: Оболенский не обнаружил сезонных изменений р* и
не получил вполне определенной зависимости р* от интенсивности тумана;
рост средних значений от слабых туманов ( р * = —100 эл. зарядов/см^)
к умеренным (р* = —490 эл. зарядов/см^) сменяется падением (р* = —230 эл.
зарядов/см®) для сильных туманов [40]. Тем более существенное значение
6
Т руды ГГО, вы п. 97
81
имеет оценка локальности измеренных значений р* и возможности распро­
странения их на весь слой тумана.
Данные ориентировочных подсчетов (табл. 5) и отдельные примеры
показывают, что сравнительно тонкий слой (порядка нескольких десятков
метров) может обеспечить наблюдаемые изменения V * . По измерениям Ге­
расимовой на Эльбрусе [11], в среднем в ясные тихие дни V ' = 1 4 5 в/м,
Х= 2 8 2 - 10~8 эл. ст. ед., р = + 9 3 0 эл. зарядов/см^, а при туманах V ' * —
= 167в/м, ) .* = 154- 10“ ®эл. ст. ед., р* = —360 эл. зарядов/см^. Сучетомизме­
нения V ' вследствие изменения проводимости расчет по формуле (32) дает
А— 14 м. Примерно такое же значение ( Л = 1 6 м) получается по приве­
денному в той же работе графику хода V'* и р* во время устойчивого
тумана 12 августа 1938 г. Малые значения А, которые трудно приписать
общей толщине слоя тумана (если они не связаны с ошибками измерений р*),
говорят о том, что объемные заряды расположены преимущественно в ниж­
ней части слоя тумана. К подобному выводу совершенно иным путем (изме­
ряя скорость распространения кратковременных колебаний V"*) пришли так­
же Уитлок и Чалмерс [43].
Перечисляя по порядку основные электрические характеристики в зави­
симости от влияния, которое оказывает на них туман, следует поставит
в конце интенсивность ионообразования q, достаточно определенных данных
относительно изменения которой за счет тумана нет. Баранов и Кравченко
по данным измерений около Москвы отметили увеличение q при туманах
объясняя это накоплением продуктов радиоактивного распада при незначи,
тельном перемешивании воздуха. Величины изменения q они не дают, добав­
ляя только, что влияние тумана было особенно заметно в осенние месяцы [44]В одном случае резкое увеличение q при густом тумане было зарегистри-.
ровано Уайтом и Мак-Нишем, которые производили наблюдения летом
1933 г. (июнь— август) около Вашингтона [45]. Плювинаж измерял q*
только в облаках. Разбив приведенные им результаты 11 наблюдений [6]
на две группы, в одну из которых вошли данные, относящиеся к случаям,
когда q* было больше медианного значения (^*), а во вторую — случаи
с 9 * < 9*, и подсчитав соответствующие средние величины (табл. 6), можно
заметить, что при высоких значениях q* концентрация капель Л/ и вод­
ность W несколько больше, чем при низких q*.
Среднее
q*
N
w
Гу,
q*>q*M
q*<q*«
11,6
6,1
198
146
0,63
0,55
9 ,0
9,3
Т'а б л и ц а 6
Число
X
наблюде­
ний
80-10-6
62-10-6
5
5
Среднее, значение проводимости X оказалось в этом случае также повы­
шенным при больших q. Часто даже при отсутствии тумана эффект повыше­
ния д вследствие захвата радиоактивных элементов более крупными части­
цами компенсируется повышением захвата легких ионов, в результате чего
соответствие изменения ^ и X нарушается. Например, для теплого времени
года Аллик получил следующие средние величины для отдельных групп
наблюдений (проводимость взята по данным аспирационной установки) [1]
q
Х-106
6,8
94
8,4
84
11,6
66
Следует отметить, однако, что обычный метод измерения д не является
вполне надежным. Возможно, об этом же говорит результат лабораторных
82
опытов Уайта [46], обнаружившего при измерениях с помощью тонкостен­
ной камеры (толщина стенок была эквивалентна 1,5 см воздуха) значитель­
ное и непонятное снижение q при наличии в воздухе загрязнений (дыма).
Сопоставление радиоактивности и запыленности воздуха приводило к про­
тиворечивым выводам. По Мацеку и Иллингу [47], содержание радона
не зависит от концентрации ядер, тогда как Бурке и Нолан [48] получили
возрастание радиоактивности при увеличении числа ядер, , а Герасимова [9] —
резко выраженную обратную зависимость между содержанием радиоактивных
веществ и концентрацией тяжелых ионов Z, объясняя это погрешностью
применявшегося в Павловске метода измерения радиоактивности с помошью
активированной проволоки.
Связь между радиоактивностью и концентрацией легких ионов п, по мне­
нию Герасимовой, была выражена не особенно четко. Она не заметила при
этом, что небольшим изменениям л соответствуют (по ее данным) значи­
тельные изменения проводимости X. Определив с помощью сводной табл. 2,
имеющейся в работе [9], средние значения X, соответствующие указанным
для различных градаций радиоактивности значениям л и Z ([9], табл, 4),
авторы получили табл. 7, согласно которой рост X при увеличении радио­
активности имеет примерно ожидаемый порядок. Очевидно, в данном случае
более существенную роль играли систематические погрешности измерений п
(о которых уже говорилось выше), чем ошибки в измерении радиоактив­
ности.
Таблица 7
Содержание эманаций
Проводимость
X ( и ) -106
X (Z)-106
Число измерений
. . .
<300
300—500
500—700
>700
100
ПО
150
145
150
200
210
240
46
55
46
33
Через Х(я) и X(Z) в табл. 7 обозначены проводимости, определенные
соответственно по концентрации легких и тяжелых ионов (обоих знаков).
Содержание эманаций выражено в относительных единицах. В работах 30—
40 гг. XX в. [49] радиоактивность сопоставлялась с массами воздуха, тем­
пературой, давлением и т. д., но непосредственно не увязывалась с прово­
димостью. Связь эта обычно не имеет четкого* характера, и более или менее
определенная тенденция к росту X при возрастании радиоактивности, изме­
ренной методом активирования проволоки, проявляется только при большом
осреднении данных.
Измерения радиоактивности воздуха, проведенные осенью 1958г. в Воей­
ково, были проведены другим методом (с помощью фильтров) и дали про­
тивоположный результат. Несмотря на большой разброс точек, явно отме­
чается преобладание повышенных значений X при низкой радиоактивности.
На период с туманами выпало очень мало измерений. Они дали немного
повышенное значение радиоактивности по сравнению со средней величиной
по всём дням (по сравнению с соседними днями возрастание было выражено
более резко). Для определенной оценки возможных изменений интенсивности
Ионообразования п]ри туманах необходимы значительно' более полные данные,
полученные в комплексе с другими характеристиками. Конечно, очень боль­
ших изменений q при тумане нельзя ожидать, исключая особые случаи искус­
ственного повышения ионизации в ограниченной области.
Характерное для туманов снижение проводимости связано с отсутствием
дополнительных источников ионизации, так как диффузия ионов к капель­
63
кам не может поставить обшей границы для роста концентрации, легких,
ионов нри возрастании интенсивности ионообразования. При повышении q
на два-три порядка, несмотря на большое число капелек, проводимость
может значительно превысить нормальное значение (соответствующее есте'ственной ионизации в более или менее чистом воздухе). Между тем привыч­
ное представление о низкой проводимости в туманах распространялось часто
на-грозовые облака. Очень низкое значение Х* = 4-10~® эл. ст. ед. берется,,
например, в недавно опубликованной монографии Мезона [50].
Иногда предполагалось, что проводимость в грозовых облаках повы­
шается вследствие действия особого механизма (местных разрядов) внутри
облака. Вероятно, интенсивная генерация зарядов в облаке сама приводит
к росту проводимости, если учесть, что процесс разбрызгивания капель
в известных условиях может обеспечить генерацию большого числа легких,
ионов (этот эффект используется в аэроионизаторах,, применяемых в меди­
цине [17]). Изменение проводимости в зависимости от q удобно проследить
по ориентировочным графикам (рис. 10), построенным на основании расче­
тов пэ формулам (32) и (30) при следующих исходных данных: w — 5 г/м®„
г — 20 мк, D = 0,03, Xq = 2- 10“ ^ эл. ст. ед., 9 о = 1 0 .
Кривые 1 (рис. 10) для отношения проводимостей в чистом воздухе и.
в облачной среде (считая для сравнения, что в обоих случаях действуют
источники ионизации одинаковой.
/\У\
интенсивности)
характеризуют
влияние облачной среды. Они
6)
^ отличаются друг от друга вслед­
ствие различных допущений, сде­
ланных при выводе формул (30)>
и (32). Кривые 2 указывают на
возможные значения проводимо■, сти при переходе от облаков, не
имеюших собственных источников,
электризации (типа туманов), к.
электрически активным облакам
Рис. 10. Относительное изменение проводи­
(типа грозовых).
мости воздуха в облаке по сравнению с чи­
стым воздухом в зависимости от интенсив­
За единицу принята нормаль­
ности ионообразования q.
ная проводимость в чистом воз­
а — вычисленное по формуле (32), б — вычисленное
духе без дополнительных источ­
по формуле (29), (30); 7 — при той ж е интенсив­
ников ионизации.
Обе кривые
ности ионообразования q
в чистом
воздухе,
. 2 — при нормальной интенсивности ионообра.здваподобны, так что разница в.
ния в чистом воздухе.
исходных допущениях при оцен­
ке самой проводимости не влияет
существенно на результат в рассматриваемом диапазоне. Левые нижние части
кривых 2 соответствуют условиям, имеющимся в туманах и негрозовых,
капельножидких облаках (как показывают непосредственные измерения, про­
водимость в них сильно понижена). Правые верхние части кривых, вероятно,,
соответствуют условиям в зонах генерации зарядов в грозовых облаках..
Действительно, на основании измерений электрических полей грозовых обла­
ков, проведенных на самолете, исследовав изменения поля, следуюшие за уда­
рами молний, И. М. Имянитов [51] пришел к выводу, что скорость генера­
ции зарядов в облаке должна превышать на три порядка
интенсивность
естественной ионизации,
апроводимость на два порядка (илидаже больше)
должна превышать проводимость в свободной; атмосфере.
Выводы
Результаты сопоставления всех использованных данных вполне опреде­
ленно говорят о том, что теория диффузии дает надежную основу для.
84
объяснения и количественной оценки (если измерены необходимые исходные
величины) тех изменений электрических характеристик (к и V') при тума­
нах, которые можно рассматривать независимо от знаков аарядов. Вопрос
об изменениях, вызываемых несимметричностью каких-нибудь свойств отно­
сительно знаков зарядов, должен решаться на основе наблюдений, так как
определенных теоретических предпосылок нет. Одйако в большинстве слу­
чаев наблюдения велись только за отдельными элементами, что не позволяет
сделать детальной увязки результатов. Дальнейшее уточнение расчетов невоз­
можно без существенного повышения точности измерений. Такая важная
характеристика, как концентрация легких ионов, измерялась в ряде Случаев
с большими систематическими ошибками.
ЛИТЕРАТУРА
1. А л л и к Р. А. Об элактричеоном факторе чиспоты воздуха. Труды НИУ ГУГМС„
сер. 1, .вып. 4. 1941.
2. Ф у к с Н. А. Иопарвние и рост капель в гавообрааной ореде. Изд. АН СССР.
М. 1958.
3- Фу к ' С Н. А. Мехаиина аэрозолей. Изд. АН СССР. М. 1955.
4. I S г а е 1 Н. Atmospharische Electrizitat, I, Acad. Verl. — Qes., Leipzig. 1957.
5. В r i с a г d R. Lequil,ibre ionique de la basse atmosphere. Journ. Geoph. Research, 54',,
39. 1949.
6. P I u V i n a g e P. Etude theorique et experimentale de la conductibiijte electrique
dans les nuages non orageux. Ann. de Geophysique, 2. 1956.
7. Х р г и а н A. X. Физика атмосферы. Физмашпиз. М. 1958.
8. Л е в и н Л. М. О фуикцвях раапраделения облачных капель по рдамерам. Опти­
ческая плотность облака. Изв. АН СССР, сер. геофизич., № 10. 1958 г.
9. Г е р а с и м о в а М. Н. Содаржавие малых ийольших ионш в атмосфариом воздухе
по наблюдениям в Сдуцке. Труды НИУ ГУГМС, cap. 1, 1
вып. 5. 1941.
10. Ф р е н к е л ь Я. И. Ад|оо|рб)Ц|ия и нейтраливация ионов на !пов1
ерхвости коллоидных
ча!стиц и влияние ее иа ионизацию и элаклризащию атмосфериого вюздуха. Изв..
АН СССР, сер. геопр. и геофизич., № 3. 1945.
11. Г е р а с и м о в а М. Н. Атмосферио-элекиртеоние измерения и а Эльбрусе. Изо. АН
СССР, сер. геолр. и геофивич., № 4—5. 1939.
12. Ц в а и - г Л. Р., Г у т м а н Л. Н. Измерение спекира легинх атмюофе1
рных ионов.
Ивв. АН СССР, сер. геофизич., № 7. 1958.
13. Г е р а с и мго Bia М. Н. К метющике изме|рани1
Я содержания малых и средних ионов,.
Труды НИУ ГУГМС, cap. 1, вып. 5. 1941.
14. К р а в ч е н к о М. Д. Истинное чмало леших ионов по наблюдениям в -Куч1
ине..
Ж уриал геофизиии, № 3. 1934.
15. Р а г с i п S о п W. D. Factors controlling the atmospheric conductivity at the
Huancayo magnetic observatory. Terr. m agn. atm. electr. 53, No 4. 1948.
16. B e r n d t G. lonengehalt und Leitfahigkeit der Luft auf dem Atlantischen ozean.
Meteor. Zeit., 1914.
17. М и н х A. A. Ионизаци 1
Я воздуха и ее шлиеничеокое значение. Медгаз. М. 1958.
18. Н о g g А. R. The mobility of sm all ions of the atmosphere. Gerl. Beitr. z u r
Geophysik, 47. 1936.
19. N o r i n d e r H . , S i k s n a R. Mobility of atmosphric small ions during sum m er
night at Uppsala. Journ. atmosph. terr. phys., No 3. 1953.
20. P h i l l i p s B. B., A l l е е P. A., P a l e s J. C., W о e s s n e r R. H. An experimental
analysis of the effect of air pollution on the conductivity and ion balance of th e
atmosphere. Journ. Geophys. Researsh. 60, No 3. 1955.
21. И м я н и т о в И. М. Приборы и методы для изучения элекггричеотва атмосферы'.
Гюстекизиат. М. 1957.
22. Т е с с В. Ионизация атмосферы и ее прич1
ин'ы. ГИЗ, М.—Л. 1930.
23. I s r a e l Н., К а s e m i r Н. W. Studien iiber das atmospherische Potentialigefalile VI.
Beispiele fur das Verhalten luftelektrischen Elemente bei Nebel. Archiv fur Meteor.,
Geophys. und Bioklimat., Ser. A., 5, No 1. 1952.
24. К р а с н о г о р с к а я H. B. Измеиение электричааиой проводимости вш духа вразличных метеоршопичесиик условиях. Изв. АН СССР, сер. геофиаич., № 4..
1958.
25. G u n n R. The ratio of the positive and negative light ions conductivities within;
neutral aerosol spase. Journal Colil Sci., 11, No 6. 1956.
26. M a r к g r a f H. Die Storungen der normafen Luftelektrizitat in Potsdam. Einfl^p
von Wind und Wetter. Met. Zeit., 41, N 6. 1924.
85
27. M i i h l e i s e n R. O n the deviations of the cours of elements of atmospheric electricity
on continents from the worldwide course. Journ. atmosph. terr. phys., 8, N o 3. 1956.
2 8 . , K i R a m e i p П. A. Климагг города. И Л . М . 1958.
29. N o r i n d e r Н., I s r a e l Н., S i c s п а R. Das luftelektrische Potentialgefalle und
der Verticalstrom in Uppsala. Arkiv for geofisik, 2, N o 5. 1954.
30. G u r r i e B. W . Atmospheric-electric observations of
the potential gradient at
Chesterfield. Canada. Terr. Ma gn . and Atm. EL, 39. 1934.
31. L u t z C. W . Aufzeichung der elektrischen R a um la du ng der Luft II Gerl. Beitr. zur
Geophys., 52, N o 3— 4. 1938.
32. Si l J. M. Variations in potential gradient caused
by some meteorological
phenomena. Quart, journ. royal meteor, soc., 59. 1933.
33. S m 0 s a r s к i W . Sur la correlation du champ, electrique terrestre et de conductibilite
de 1 aire. Union Geod. Geoph. Int., Ass. magn. electr. terr.. Bulk N o 9, C. R. Ass.
du Lisbonne. 1933.
34. П у | д о 1в к и н а И. Б. Исследование атмосферного элект1р1ичества и а Эльбрусе. Изв.
А Н С С С Р , ceip. геофнзич., № 3. 1954.
35. И м я н и т о в И. М., М и х а | й л о в 1о к а я В. В., З и г а н о в Н. П.,С т р е л ь ­
ц о в а ' М . Б. П р и б о р для длишельных иамерений напряженности поля в слож-в ы х мет 0орологач 0сии« уолавиях. Изв. А Н С С С Р , сер. геофиаич. № 9. 1956.
36. W e b b W . L., G u n n R. The net electrification of
natural cloud droplets at the
earth’s surface. Journ. meteorology 12, N o 3. 1955.
37. Б ' а р а к а и H. Б. Измерение плотиости объемных зарядов тумана методом цр;ех
иоллеиторюв. Т р у д ы Н И У Г У Г М С , cap. 1, вып. 1. 1941.
38. И н ъ к о в
В, К. И з м ф е н и е олотнасти объемных эа|ря|дав электростатичесним
'флюиометрю'м. Уч. затисни Кирювюкого пед. ин-ла, вып. 15. 1958.
39. Б а з и л е в и ч В. В., К и р ю х 1и н Б. В., 0 - б о л э н с к и й В. Н., Т о к м ^ а ч е в С. М. Го рн ые экспедиции Л И Э М 1934— 1936 гг. в район г. Гагры. Т р у д ы
Н И У Г У Г М С , сер. 1, вып. 1. 1941.
40. O b o l e n s k y W : N. Ober elektrische Ladungen in der Atmosphare. Ann. der
Physik, 77. 1925.
41. К a b l e r K- Die elektrische Ra um la du ng der Atmosphare in Potsdam. Met. Zeit., 44,
N 1. 1927.
42. Ф 1р е н к е л ь Я. И. TeqpHH я1вяений атмвсфе|рнаго электпричества. Г Т Т И М. 1949.
43. W h i t l o c k W . S., C h a l m e r s J. A. Short-period variations in the atmospheric
electric potential, gradient. Quart, journ. royal met. soc., 82. N o 353. 1956.
44. Бар, а н о в В. И., К р а в ч е и к о М . Д. Иигенсивиость иоиообрааов'аиия ио ш б л ю де ии ям в Куч!иио (близ Мосивы). Ж у р н а л геофизиии, № 4. 1935.
45. W а it G. R. Atmospheric ionisation near the ground during thunderstorms. Monthly
weather review, 62, N o 1. 1934.
46. W a i t G. R. S o m e experiments relating to the electrical conductivity of the lower
atmosphere. Journ. Washington Acad. Science, 36, N 10. 1936.
47. M a c e k O., I M i n g W . Messungen der Emanationsgehalts der Luft nach der
Spitzen-methode. Gerl. Beitr. zur Geophys., 43. 1935.
-48. B u r k e T,, N o l a n J. J. Observations on the radium A contents of the atmosphere.
Proc. royal Irish acad., 53a. N 9. 1950.
49. М е р к у л о в а E. C, Р а и и о а ш ш ш о с т ь иаздуиа и в ш д у ш н ы е м-а'осы. Т р у д ы ГГО,
вьш. 20. 1937.'
50. M a s o n В. J. The physics of clouds. Clarendon press, Oxford. 1957.
51 И м я н и т о в И. M. К вопросу об эяект1р изации и 'Проводимости грозовых облаков.
Д А Н С С С Р , 109, № 1. 1956.
S2. M u h l e i s e n
R. Electrische Ladungen auf Kondensationskernen bei der Wasseraufnahme und-abgabe. Naturwissenschaften, 45, N 2. 1958.
А. М. ИЗЕРГИН
ИССЛЕДОВАНИЕ СОСТАВЛЯЮ Щ ИХ ВЕРТИ КАЛЬН О ГО
Э Л Е К Т РИ Ч ЕС К О Г О Т О К А Н А ЗЕМ ЛЮ
В статье описываются наблюдения над конвективной составляющей
вертикального тока в атмосфере.
Рассматривается вопрос о роли полярных проводимостей в создании
вертикального тока на землю.
Одной из актуальных проблем науки об атмосферном электричестве
является изучение обмена зарядами между землей и атмосферой. Вопрос
о балансе электрических токов между землей и атмосферой является одним
из основных в программе исследований во время Международного геофи­
зического года. Ток проводимости в общем балансе токов на землю зани­
мает второе место, уступая по интенсивности лищь току с острий. Он при­
носит на землю больше зарядов, чем осадки и разряды молний на землю [1].
До сих пор большинство исследователей полагает, что полный вертикальный
ток на землю есть чистый ток проводимости, а конвективный ток, если и
существует, то очень мал по сравнению с током проводимости [2], [3],
[4], [5]. Вместе с тем имеются достаточные основания считать, что конвек­
тивный ток на землю может достигать значительной величины [6[. Вопрос
о роли конвективного тока в общем балансе токов на землю до сих пор
не удавалось решить, так как определение конвективного тока косвенным
путем приводило к значительным ошибкам.
Уравнение для плотности вертикального тока j в атмосфере имеет вид
У=
+ \_ Е + Р
^^
=Ух +У к.
(1)
где )^_J_ и Х_ — полярные проводимости атмосферы, Е — напряженность вер­
тикального электрического поля атмосферы, р — плотность объемного заряда,
k — коэффициент турбулентности, Z — вертикальная координата, отсчиты­
ваемая от поверхности земли. Первые два члена представляют ток прово­
димости
два последних — конвективный ток
Примем, что в стационарных условиях уравнение (1) имеет место и на
уровне земли, так что ток атмосфера— земля имеет вид
i = h + K>
(2)
где г — плотность полного вертикального тока на землю,
— плотность тока
проводимости на землю,
— плотность конвективного тока на землю. При
этом j — i. Ввиду особых условий на границе с землей роли отдельных
составляющих тока в уравнении (2) могут существенно отличаться от тако­
вых в уравнении (1).
87
Для уверенной оценки роли каждой составляющей вертикального элек­
трического тока в обмене зарядами между землей и атмосферой необходимо
1) разработать метод непосредственного измерения конвективного тока
на землю;
2) выбрать метод измерения полярных проводимостей, позволяющий
произвести определение проводимостей непосредственно на уровне земли;
3) проанализировать содержание уравнения [2] и осуществить его экспе­
риментальную проверку.
Автор и занимался этими вопросами в течение 1955 —1958 гг.
В работе [7] предложен прямой метод измерения конвективного тока и
проводимости атмосферы на уровне земли с использованием экранируюи:,ей
сетки. Экранирующие свойства сетки исследовались в специально сконструи­
рованном конденсаторе [8]. Рассматривался вопрос об искажениях, вносимых
сеткой в электрический [9] и динамический режимы экранированного ею
участка атмосферы.
Наличие независимых методов для измерения полного вертикального тока
:и тока проводимости [10] в совокупности с предложенным прямым методом
измерения конвективного тока позволило экспериментально проверить урав­
нение. вертикального тока на землю и оценить роль каждой составляющей
вертикального электрического тока в обмене зарядами между землей fi
атмосферой.
При анализе составляющих уравнений [1] и [2] использовались экспери­
ментальные данные об электрическом состоянии слоя атмосферы, прилежа­
щего к земле, толщиной 1—2 м [1, 3, 7, 11—20]. Кроме того, автор рас­
полагал данными о концентрации легких и средних ионов в слое 3 м от
ловерхности земли, коэффициенте турбулентности на высоте 1 м и потен­
циале атмосферы на высоте 3 м, полученными Е. В. Чубариной и исполь­
зованными в данной работе. Эти измерения проводились летом 1955 и
1956 гг. одновременно с измерениями автором составляющих вертикального
электрического тока на землю. Указанные материалы подтверждают, что
ток проводимости на землю определяется не полной, а полярной проводи­
мостью атмосферы, как это предполагалось многими исследователями [21],
i[22], [23], тогда как ток проводимости в атмосфере определяется суммой
полярных проводимостей.
Для существования непрерывного отрицательного тока проводимости
на границе между землей и атмосферой (при нормальном поле атмосферы)
необходимо, чтобы сама земля непрерывно регенерировала отрицательные
ионы и могла их отдавать атмосфере [23], но такого процесса достаточной
интенсивности нет. В самой атмосфере процессами, поддерживающими ток
отрицательных ионов от земли, могут быть или процесс ионообразования
или диффузионный перенос зарядов против сил электрического поля. Интен­
сивность ионообразования далеко недостаточна [1], [ И] , [13], [16], [17], [18].
Остается предположить, что отрицательный ток проводимости поддерживается
током диффузии, переносящим отрицательные ионы из более высоких слоев
к земле против сил электрического поля.
Кажущимся противоречием такому предположению является тот экспери­
ментальный факт, что не наблюдается больших градиентов концентраций
отрицательных ионов с высотой. В действительности они и не должны наблю­
даться при существующих методах измерения. Для пояснения следует обра­
титься к „микроскопической" картине.
Разобьем атмосферу на весьма тонкие (допустим, толщиной 1 см) гори­
зонтальные слои, которые назовем „микрослоями". Пусть из микрослоя, при­
лежащего к земле, отрицательные ионы под действием сил электрического
поля переместились в вышележащий микрослой. Это приведет к наличию
большого „микроградиента", который будет уничтожен диффузией за счет
ионов соседних вышележащих слоев, а возмущение передвинется выше. При
этом в возмущенных микрослоях будут наблюдаться значительные флуктуадии плотности отрицательных ионов со временем, соответствующие большим
микроградиентам.
Описанный механизм может многократно повторяться. В результате все
микрослои будут в возмущенном состоянии. Совокупность микрослоев со
своими микрокартинами, распределенными по закону случая, даст макроско­
пическую картину, в которой градиенты (макроскопические) могут отсут­
ствовать или быть сравнительно небольшими. Что касается наличия небольших
градиентов, то это подтверждают эксперименты [3], [11], [14], показываю­
щие, что возрастающий с высотой профиль чаще встречается для отрица­
тельной проводимости, а не положительной.
, Что касается самого тока диффузии
(3)
то на границе между землей и атмосферой его поведение описывается
весьма сложно.
В атмосфере, в том числе и в слое, прилежащем к земле, плотность
объемного заряда имеет конечную величину. В земле, как во всяком хорошем
проводнике, объемные заряды отсутствуют, так что плотность объемного
заряда Hd ее границе с атмосферой испытывает скачок. Вместе с тем гра­
диент плотности объемного заряда на границе между землей й атмосферой
уже не будет определять диффузионный ток согласно уравнению (3), так
как понятие градиента в этом случае теряет физический смысл (равен бес­
конечности). Но ток диффузии на землю не будет равен нулю. Поясним
сказанное. Расположим мысленно на некоторой высоте от земли горизон­
тальную площадку 5 . Пусть выше ее средняя плотность объемного заряда pj,
а ниже ее
Диффузионный ток через данную площадку можно предста­
вить как разность токов сверху вниз
и снизу вверх Ц- Положим для
определенности р^ > Рз- Тогда заряд будет переноситься сверху вниз. Пред­
положим, что условия перемешивания не изменились, а исчезли заряды под
площадкой, т. е. pj = 0. Тогда через площадку потечет ток
вниз. Нечто
подобное произойдет и в том случае, если наша площадка опустится на по­
верхность земли. Конечно, при этом изменятся условия перемешивания и
ТОК i l изменит свою величину, однако он и будет представлять ток на землю.
Очевидно, ток на землю будет определяться плотностью объемного заряда
у земной поверхности и интенсивностью перемешивания и должен быть
задан функцией
^д =
Т (^о>Ро).
(4)
где &Q и Ро — соответственно коэффициент турбулентности и плотность
объемного заряда у самой земли.
Таким образом, плотность полного вертикального электрического тока
на землю будет определяться не уравнением (2), а следующим:
г = Х £ '- 4 - р ‘& ^ „+ ср (А о , Ро).
'(5 )
Здесь под X надо понимать полярную (а не полную) проводимость атмо­
сферы у поверхности земли: положительную при нормальном электрическом
поле и отрицательную при аномальном поле атмосферы. Если в атмосфере
не содержится заряженных взвешенных частиц (пыль, капли влаги во время
•тумана), конвективный член ро^ на уровне земли равен нулю.
Связь уравнений (1) и (5) состоит в том, что
Х _ £ -Ь рг)г + А! ^
= рг»^^ + <Р (Ао, Ро).
89
т. e. сумма отрицательного тока проводимости и конвективного тока на не­
которой высоте будет равна нулю при отсутствии конвективного тока на
землю. Предполагаемая картина
+
токов
схематически поясняется
Я.Е
A+f
рис. 1. На рис. 1 изображены
трубки тока (в кружках знак иона,
а стрелка обозначает направление
f
его движения). Сверху (в атмо­
сфере) обозначены составляющие
Атмосфера
согласно уравнению (1), а сни­
Земля
зу — составляющие тока на землю
согласно уравнению (5). Эта
схема отражает явление лищь
К.Е
и=рЬ;гМко.Ро)
количественно. Дело в том, что
Рис, 1. Диффузионный электрический ток
и электрические и механические
через горизонтальную площадку.
силы действуют на все ионы.
Однако результат можно количе­
ственно правильно описать, разбивая ионы на группы по силам, действую­
щим на них, как это и представлено на рис. 2. В действительности в цент­
ральной части рисунка следовало изобразить не изгиб трубок тока, а рав­
новесие отрицательного иона под действием электрической и механической
сил, приложенных к нему.
Р езу л ьтаты изм ерений
Измерения составляющих вертикального электрического тока на землю
проводились в 1955— 1956 гг. в районе пос. Боровое близ Кирова, в 1957 г; —
близ с. Колтуши под Ленинградом (в 10 км), в 1958 г . — в 14 км от Ленин­
града на территории Полевой экспериментальной лаборатории ГГО (пос.
Воейково).
В 1956 и 1957 гг. измерялся полный вертикальный ток, конвективный
ток и ток проводимости на уровне земли. Эти измерения позволили осуще­
ствить почленную проверку уравнения (5). Оказалось, что 79—88% отдель­
ных результатов подтверждают справедливость уравнения (5) в пределах
точности измерений. Средний результат по всем измерениям дает совпадение
полного тока с суммой его компонентов при проверке уравнения (5), что
можно видеть из табл. 1. Данные табл. 1 показывают, что конвективный
ток составляет 6—32% полного вертикального тока, величина которого
принята за 100®/о- Во всех таблицах и на графиках плотность тока дана
в а/м^ Х 10*2, поле — в в/м, проводимость — в ом~ м~* X
Время в изме­
рениях 1955 — 1957 гг. указано декретное, а в 1958 г. — солнечное.
В табл. 2 приведены средние данные о конвективном токе по всем изме­
рениям 1955— 1958 гг. В этой же таблице приведены экстремальные значе­
ния, которые показывают, что конвективный ток изменяется в широких
пределах. Случаи отрицательных значений конвективного тока даны в табл. 3.
Они составляют 6% общего числа измерений.
Величина конвективного тока зависит от метеорологической обстановки
и претерпевает сильные изменения при наличии облачности. В грозовых
условиях конвективный ток резко изменяется вместе с , изменением других
атмосферноэлектрических характеристик. Приведенные в табл. 2 максималь­
ные отрицательные значения конвективного тока получены именно в этих
условиях. В больщинстве случаев ток испытывает нерегулярные колебания'^
принимая отрицательные и положительные значения. Отрицательные значе­
ния конвективного тока длительно наблюдались лишь 7 августа 1956 г.
. (с 11 до 13 часов) при нескольких последовательных отдаленных грозах.
90
Таблица
Период наблюдений
Количество
измерений
1956 г
45
В процентах
0,67
32
С 23/VII U0 20/VIII
1957 г„
208
В процентах
0,08
6
94
100
С 27/VIII по 7/IX
1957 г.
96
В процентах
0,23
16
1,24
84
1,47
1
IE
1,41
2,08
68
100
1,20
1,27
100
Исключая измерения во время грозы, оказалось целесообразным рассмотреть
следующие частные случаи поведения составляющих вертикального электри­
ческого тока на землю: а) перед дождем, б) после дождя, в) в ,,хорошую“
погоду, г) во время тумана.
1. Из 14 случаев измерений перед дождем в 10 случаях наблюдалось
возрастание конвективного тока. При этом возрастали положительная (исклю­
чение составляет один случай) и отрицательная (за исключением трех слу­
чаев) проводимости атмосферы, а электрическое поле, как правило (6 случаев),
убывало. Полный вертикальный ток возрастал во всех случаях возрастания
Конвективного тока. Возрастание полного вертикального тока объясняется
возрастанием проводимости и конвективного тока, причем возрастание послед­
него было более интенсивно.
Исследования электрических полей облаков, проведенные под руковод­
ством И. М. Имянитова [6], показали, что облака биполярны. Наряду
с облаками, имеющими положительный заряд в верхней части и отрицатель­
ный в нижней, встречаются облака, имеющие обратную полярность. Кроме
того, в облаках часто встречается избыточный заряд знака, противополож­
ного знаку заряда нижней части облачности. При осадках объемный заряд
достигает 0,6—0,7 эл. ст. ед./м®, т. е. в сотни раз превосходит объемный
заряд у земли.
Изменение составляющих вертикального тока на землю перед дождем
можно объяснить, основываясь на гипотезе Имянитова [6] о диффузионном
размывании объемного заряда облаков.
В наблюдаемых автором случаях на поверхность земли перед дождем,
поступали преимущественно положительные заряды. Если предполагать, что
избыточный заряд облачности был преимущественно положительным, то дан­
ные измерений находятся в хорошем согласии с изложенными выше экспе­
риментальными фактами. Можно предполагать, что измерения перед дождем
проводились позже стадии преимущественного поступления зарядов из ниж­
ней части облачности [6].
2. Дождь может очень сильно изменить распределение зарядов в атмо­
сфере. Согласно предположению Френкеля [23], капли дождя при своем
полете захватывают ионы определенного знака. Имянитов считает, что
в области, где прошел дождь, будет наблюдаться значительный объемный
заряд знака, противоположного знаку унесенных дождем ионов. Этим обстоя­
тельством можно объяснить наблюдавшиеся повышенные значения конвектив­
ного тока после дождя. Наиболее характерным в этом отношении является
случай поведения составляющих вертикального электрического тока после
продолжительного дождя 23 августа 1956 г. В течение пяти часов наблю­
дений поддерживалась значительная разница в полярных .проводимостях атмо­
сферы. Среднее отношение положительной проводимости к отрицательной
составляет 1,35. Конвективный ток при этом был положительным и по абсо­
лютной' величине больше отрицательного тока проводимости. Сразу после
91
.дождя величина конвективного тока была даже больше положительного тока
проводимости. Последнее можно объяснить наличием тяжелых положитель­
ных ионов.
,
Аналогичная картина наблюдается и в перерывы между дождями, В 1956 г.
было проведено 8 измерений в перерывы между дождями из кучево-дожде­
вых облаков.
Среднее значение конвективного тока дл^ этих случаев составляет
0,74-10"~’2 а/м^, а тока проводимости— 1,7 6 - 10~‘2
тогда как среднее
значение конвективного тока по данным измерений 1956 г. равно 0,42Х
а/м^, а тока проводимости— 1,41-10~‘^ а/м^. Вместе с тем после
.дождя из слоистых и слоисто-кучевых облаков наблюдался конвективный
ток отрицательного направления. Из этого можно заключить, что благодаря
-коронированию в сильных полях у земли создаются значительные положи­
тельные объемные заряды, которые только частично захватываются каплями
дождя из кучево-дождевых облаков, а при слабых полях доЖди из слоистокучевых и слоистых облаков захватывают преимущественно положитель­
ные ионы.
3.
Наличие кучевой облачности (при отсутствии облачности, дающей
осадки) уменьшает среднее значение и конвективного тока, и тока проводи­
мости на землю. Такое влияние кучевых облаков на величины составляющих
.вертикального электрического тока на зел^лю согласуется с выводами Имянитова: в нижней части кучевых облаков распределен отрицательный заряд.
■Этот заряд и поступает к земле, уменьшая величину положительного кон­
вективного тока на землю. Уменьшение тока проводимости можно объяснить
убыванием положительной проводимости вследствие усиления процесса реком­
бинации положительных ионов при поступлении отрицательных ионов из
облака, а также убыванием электрического поля атмосферы.
Автор наблюдал 7 случаев туманов. Конвективный ток принимал и поло­
жительные и отрицательные значения. Причем он изменял знак и во время
одного тумана. Проводимость атмосферы во всех случаях была низкой,
а поле атмосферы в большинстве случаев в 2—3 раза больше среднего зна­
чения. В результате этого ток проводимости на землю составлял 14 —85%
своего среднего значения. Значительное уменьшение проводимости и тока
проводимости объясняется оседанием зарядов на капельках тумана. По изме­
рениям Л. Г. Махоткина, проводившимся в районе измерений автора, капли
тумана имеют приблизительно одинаковые как положительные, так и отри­
цательные заряды. Величина зарядов капель равна нескольким десяткам эле­
ментарных зарядов. Отрицательные заряды встречаются чаше. Последним
обстоятельством объясняется отрицательное значение конвективного тока.
Рассмотренные случаи показывают, что при наличии дождевой облачности
величина конвективного тока, как правило, возрастает. Этим обстоятель­
ством объясняются повышенные значения конвективного тока в 1955, 1956 гг.
и с 27 августа по 7 сентября 1957 г. (табл. 2), когда стояла преимуще­
ственно дождливая погода. Вместе с тем в ясную погоду средняя величина
конвективного тока несколько больше, чем в „хорошую" погоду при наличии кучевой облачности.
Из табл. 2 видно, что величина конвективного тока ночью больше, чем
.днем. На рис. 2 дан суточный ход конвективного тока в 1958 г. Кривая 1
построена по измерениям в „хорошую" погоду, когда была лишь облачность,
не дающая осадков, кривая 2 — по остальным измерениям, кривая 3 — по
всем измерениям. Кривые I ж 2 позволяют сделать заключение о суточном
. лоде конвективного т'ока. Он представляет простую волну с максимумом
ночью и минмумом днем. В дальнейшем будут использоваться лишь измере­
ния в „хорошую" погоду.
Для анализа суточного хода тока проводимости проведем сравнение полу­
ченной автором кривой (/) по данным 1958 г. с кривой суточного хода
92
В летнее врем я для С л у ц ка / / , к о т о р а я дана П . Н . Т в е р с ки м [1 ] п о н а б л ю ­
д е н и я м за п я ть л е т (р и с . 3 ) . О р д и н а ты последней к р и в о й вдвое ум е н ь ш е н ы .
Э т о об усл о в л е но тем , ч то для С л у ц ка дан х о д сум м ы п о л я р н ы х т о к о в п р о ­
в о д и м о сти . Ч и сл а на, к р и в о й / п о к а зы в а ю т к о л и ч е с т в о ч а с о в ы х и зм ерений,
л о к о т о р ы м н а н е с е н ы 'т о ч к и .
Д л я анализа с у т о ч н о го х о д а п о л н о го в е р ти ка л ь н о го э л е к т р и ч е с к о го т о к а
на землю i на р и с . 4 и зо б р а ж е н ы к р и в ы е с у т о ч н ы х х о д о в к о н в е к т и в н о го
э л е к т р и ч е с к о го т о к а на зем л ю i^, н а п р я ж е н н о с т и э л е к т р и ч е с к о го по л я а т м о ­
сф еры на у р о в н е зем ли Е и п р о в о д и м о с ти атм осф еры X_j_, п о с тр о е н н ы е по
все м и зм ерениям 195 8 г . в „ х о р о ш у ю “ п о го д у (с п л о ш н ы е к р и в ы е ). К р и в ы е
п о л н о го т о к а , по л я и п р о в о д и м о с т и в 8 — 9 часов спрям лены , т а к к а к в э т о
вр е м я сделано в с е го од н о и зм ерение. А н а л о ги ч н о спрям лены к р и в ы е п о л я и
п р о в о д и м о с ти в 14— 15 часов,
к о гд а бы ло п роведено 5 и зм е р е ­
ни й (о т д е л ь н ы е т о ч к и на р и с у н к е ).
С у т о ч н ы й х о д п о л н о го в е р т и ­
к а л ь н о го т о к а опред ел яе тся в о с ­
н о вно м хо д о м т о к а п р о в о д и м о с ти .
0.20
-Вместе с тем х о д к о н в е к т и в н о го
т о к а в о б щ и х ч е р та х а н а л о гиче н
х о д у п о л н о го т о к а . Д о п о л н и - qjq
те л ь н ы й м а кс и м у м п о л н о го т о к а
в 17— 18 часов обусл овл ивае тся
м а кс и м у м о м т о к а п р о в о д и м о с ти
Ш час.
< р и с. 3 ) .
Д л я вы яснения влияния пол>Рис. 2. Суточный ход конвективного элек­
трического тока на землю в а/м^ХЮ'^.
и п р о в о д и м о с ти на т о к п р о в о ­
/ — В
«хорошую» погоду, 2 — в «плохую» погоду,
д и м о с т и и п о л н ы й в е р ти ка л ь н ы й
3 — по всем измерениям.
т о к бы ли и скл ю ч е н ы из р а с с м о т ­
р е н и я изм ерения,
проведенны е
в о время д ы м ки и п о зе м н о го тум а н а .
Р е зу л ь та ты представлены на
р и с . 4 (п у н к т и р н а я л и н и я ). П р и это м о тч е тл и в о вы явил и сь но чн ы е м а кс и ­
м ум ы п о л н о го э л е к т р и ч е с к о го т о к а на зем лю и к о н в е к т и в н о го э л е к т р и ч е с к о го
т о к а , с о о т в е т с тв у ю щ и е н о ч н о м у м а кс и м у м у п р о в о д и м о с ти . И з э т о го следует
■сделать вы вод , ч то но чн ы е м а кси м ум ы п о л н о го и к о н в е к т и в н о го э л е к т р и ч е ­
с к о г о т о к а , а т а к ж е д о п о л н и те л ь н ы й м а кс и м у м ( 1 7 — 18 ч а с о в ) п о л н о го т о к а
опре д ел яю тся главны м об ра зом п о вы ш е н н о й и о н и за ц и е й атм осф еры . П о в ы ­
ш енное значение и о н и за ц и и м о ж н о о б ъ ясни ть сосред оточени ем и о н и з у ю щ и х
с у б с т а н ц и й у земли вследствие ум е н ьш ен ия
т у р б у л е н т н о с т и атм осф еры .
П о л у ч е н н ы й х о д п р о в о д и м о с ти в о б щ и х ч е р т а х п р о т и в о п о л о ж е н х о д у .
Та. б л и ц а
Время и место измерений
Днем с 31'/V1I по 4/V III 1955г., г. Киров . . .
Днем с 24/VI по 26/V III1956 г., г. Киров . .
Днем с 2 3 /VII по 20/VIII 1957 г., г. Ленинград
Днем с 2 7 /VIII по 7 / IX 1957 г., г. Ленинград
Ночью с 2 7 /VIII по 7/IX 1957 г., г. Ленинград
Днем с 8/V I n o ll/ I X 1958 г.,г. Ленинград
Ночью с 8/V I n o l l / l X 1958 г., г. Ленинград
t 1 :>S
СОS Длитель­ 0)
К (D
Я
S rs
ность из-l Он
мерений ^ о
bi 5 s (мин.)
20
98
208
61
35
228
338
1 0 -3 0
8
3
5
5
60
60
0,31
0,42
0,08
0,14
0,39
0,05
0,12
2
U S й О 1 <L>
bi S ®
S О л «3 ^ я
0,56
1,55
0,63
0,57
0,72
0,22
0,53
- 0 ,2 5
- 0 ,3 9
- 4 ,0 1
- 0 ,0 4
нет
- 0 ,1 1
- 0 ,1 6
93
Х'Е
Рис. 3. Суточный ход тока проводимости в а/м^Х
Х10‘2 под Ленинградом в 1958 г. (I) и в Слуцке {II)
Рис. 4. Суточный ход полного вертикаль­
ного электрического тока гва/м ^хЮ '^, кон­
вективного электрического тока
в а/м^Х
ХЮ ’2, напряженности электрического поля
атмосферы Е в в/м и положительной про­
водимости Л_|_в ом“ ^ м ~ ' ХЮ Ч
Таблица
Время измерений
1955 г.
1956г.
1957 Г; с 2 3 /VII по 20/V Iir
1957 г. с 27/V riI по 7/Х
1958 г.
Общее
число
измерений
20
98
208
96
566
3
Число измерений, когда ток был
отрицательным
количество
г'к среднее
измерений
'
6
'VT'
"■'238
^
- 0 ,1 9
- 0 ,3 7
- 0 ,0 3
- 0 ,0 5
ко эф ф и ц и е н та т у р б у л е н т н о с т и . Х о д ж е по с л е д н е го ; к а к п о ка за н о М . T IV Т и м о ­
ф еевы м [2 4 ], обладает, б о л ь ш о й и зм е н ч и в о с тью и м о ж е т с о д е р ж а ть д о п о л ­
ни тел ьны е м а кс и м у м ы .
•
, j;v ! , i
А в т о р с ч и та е т, ч то п р е д л о ж е н н ы й п р я м о й м е то д и зм ерения к о н в е к т и в н о го
э л е к т р и ч е с к о го т о к а [7 ] м о ж е т и сп о л ьзова ться и п р и з н а ч и те л ь н о й н е с т а ­
ц и о н а р н о с т и э л е к т р и ч е с к о го состоя н ия атм осф еры . Д л я э т о го п р и б о р следует
м о д е р н и зи р о в а ть в напр авл е н ии зн а ч и те л ь н о го у л у ч ш е н и я э кр а н и р о в а н и я
и зм е р и те л ь н о й п л а сти н ы о т э л е к т р и ч е с к о го поля атм осф еры . С э т о й целью
п р и и зм е р е н и я х 19 5 8 г . и спол ьзова л ась двойная э к р а н и р у ю щ а я с е тка . Э к с п е ­
р и м е н ты 1 9 5 7 — 1 9 5 8 г г . п о ка зы в а ю т в о з м о ж н о с ть при м ен ени я с п л о ш н о го
м е та л л и ч е с ко го экр а н а с п е ц и ал ьно й к о н с т р у к ц и и .
И зм е ре н ия к о н в е к т и в н о го т о к а на зем лю , п р о в о д и м о с те й атм осф еры и
с к о р о с т и в е р ти ка л ь н ы х п о т о к о в в о з д у х а в у с л о в и я х н а р уш е н и я с т а ц и о н а р ­
н о с т и э л е к т р и ч е с к о го со стоян ия атм осф еры п о з в о л я т ' сделать ко св е н н ы е
з а кл ю ч е н и я об э л е к т р и ч е с к и х п р о ц е с с а х в с воб од но й атмосф ере.
ЛИТЕРАТУРА
Ь Т в е р с к о й П. Н. Атмосферное элекгричесшвю. Гадрюмегеоизиат. Л. 1949.
2. N о ! а п J., N o l a n Р. Atmospheric electrical, conductivity an the current from to
earth. Proc, royal Irish acad., 18A, No 7. 1937.
3. H о g g A. R. The conduction of electricity in the lowest levels of the atmosphere.
Memoirs of Comm, solar obs. 7. 1939.
4. Б у 6 H о в a A.H. Измерение вертикального тока проводимости. Ученые
записки
ЛГУ, 120, 7. 1949.
5. I s r a e l Н. Der luftelektrische Verticalstrom. Ann, geophys., 10. 1954.
6. И ; МЯ Н и т о в И. М. Электрические аоля в свободаой атмасфере. Труды ГГО,
вып. 35 (97). 1952.
7. И з е р Г И Я А. М. Прямюй метод измерения вчртикальиого конвекшивного электри­
ческого тока в атмосфере на уровне земли. Ученые записки Кирювюного гос. пед.
1инпта, 15. 1958.
8. И з е р г и и А. М. Иослвдовашие экраящрующих cbiohctbi сетки. Ученые записки
Кировшого гос. пед. ин-та, 15. 1958.
9. И -3е р г я н А. М. Определение вартииальной ооставдяющей коэффициента турбу
лентности вблизи поверхности земли. Ученые записки Кировского гос. пед. ин-та
15. 1958.
10. И м я н и т о в И. М. Приборы и методы для изучения электричества атмосферы
ГИТТЛ. М. 1957.
1 1 . O’ D o n n e l l G. Electrical conductivity and small-ions concetration of the atmos
)here at one meter above ground and conductivity at ground level. Journ. atm
:err. phys. 2, 4. 1952.
12. N о r i n d e r) H., S i с s n a R. I. The measurements of the variations characteristics
of the density of smalMons. Arkiv f5r Geofysik. 1. 1951.
13. N o r i n d e r H., S i c s n a R. V ariation of the concentration of ions at different
heights near the ground during quiet summer nights at Uppsala. Arkiv for
Geofysik, 1. 1951.
14. O’ D 0n n e I G., G e s s W. Comparative study of atmospheric conductivity at ground
level and at one meter above ground Archiv fiir Met., Geopys. und Bioklimat. A,
IV. 1951.
95
15. Н е s s V., О’ D о n п е ) G. On the rate of ions formation at ground level and one
meter above ground. Journ. geophys. res., 54, 4. 1951.
16. О б о л е н с к и й iB. H. Мегеорололия, ч. 2. Гидрюмегвоюдагг. Л.—М. 1939.
17. H e s s V., Р а г с i n s о n W. On the contribution of alpha rays from tre ground to
the total ionization of the lower atmosphere. Trans, geophys. union, 35, 6. 1954.
18. H e s s V. The rdle of eddy diffusion in the distribution of ions in the atm osphere
near the ground. Nuovo cimento 1, 1. 1955.
19. Б aipaiHOB B. И., Г р а ч е в а E. Г. Радиоикпивнасть 'воздуяа в связи с турбулент­
ным одрамвшиванием в ашмюофе1
ре. Ж уриал геофизики и метеоролоши, 5, 4.1928.
20. Ш в е й д л е р Е. Оояраннние электрического зарада Земли. ОНТИ, М. 1936.
21. W a t s o n R. Е. Measurements of the effective electrical conductivity of the air and:
the earth’s electrical field at near ground level by means of the Wilson:
universal electrometer. Geophys. memoirs, 45. 1929.
22. Б а н в д о р ф Г. Атмосферное электричество. ГТТИ. М.—Л. 1934.
23. Ф р е н к е л ь Я. И. Теория язвлений атмосфериого элект|ричест,в1
а. ГИТТЛ. Л.—М.
1949.
24. Т и м о ф е е в М. П. О оуточиой измевчивоюти турбулентиопо обмана. Труды ГГО^
вып. 22 (84). 1950.
Z : Ф. T A M M E T ,
К ТЕОРИИ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО
Э. В. C E n n E R
ФЛЮКСМЕТРА
В статье приводятся результаты расчетов, сделанных с целью оценки
зависимости общих выводов относительно реж има работы датчика флюКсметра от принятых исходных данных.
Т е о р е ти ч е ско е иссл ед ование р а б о ты д а т ч и ка э л е к т р о с т а т и ч е с к о го ф л ю к с ­
м е тр а (н азы ва ем о го т а к ж е д и на м и че ски м п о л и м е р о м , э л е кт р о с та т и ч е с ки м
ге н е р а то р о м ) сво д и тся к а нализу р еш е ни й ур а вн е н и я, к о т о р ы м определяется
изм енение с в о б о д н о го заряда q {t) на и зм е р и те л ьно й пл а сти н е { t — врем я)
[1], [4],
.
и л и э т о го ж е ура вн е ни я в п р е о б р а зо ва н н о м виде, оп р е д е л я ю ш е го изм енение
п о л н о го заряда п л а стин ы Q {t) [ 2 ] , т . е.
В х о д н о е с о п р о ти в л е н и е г и н а п р я ж е н н о с ть поля Е п р и н и м а ю тс я п о с то я н ­
н ы м и, а экс п о н и р у е м а я пл ощ ад ь и зм е р и те л ьно й пл а сти н ы .5 { t ) и во о б ш ё ее
е м ко с ть С { t ) являю тся п е р и о д и ч е с ки м и ф у н кц и я м и врем ени t , ч а с т о т у к о т о ­
р ы х об означим через ю. О ч е ви д н о , ч то необход и м ы е в ко н е ч н о м сче те вел и ­
ч и н ы ( т о к i , т е к у щ и й по с о п р о ти в л е н и ю г, и п о те н ц и а л и зм е р и те л ь н о й
п л а сти н ы V ) о пред ел яю тся сл е д ую щ им и со о тн о ш е н и я м и :
О бщ ие вы воды о р е ж и м е р а б о ты д а т ч и ка м о ж н о сделать на основании:
анализа с л о ж н о го реш ения о с н о в н о го ура вн е ни я для случая, р а с с м о тр е н н о го
в ста тье [ 1 ] . В это м случае кр и в а я S (t) и м еет п и л о о б р а з н у ю ф о рм у,
а С (t) изм еняется начиная с н е к о т о р о го м и н и м а л ь н о го значения Q в с о о т ­
в е т с тв и и с изм енением S ( t ) , а им енно:
C (^ ) = Q + a [ S o - 5 ( ^ ) ]
(4 )
( а — н е ко т о р ы й ко эф ф и ц и е н т, S q — общ ая площ адь и зм е р и те л ьно й п л а с ти н ы ) >
Э ти вы воды п о л у ч а ю тс я т а к ж е п р и р а с с м о тр е н и и очень п р о с т о го реш ени я
в случае, к о гд а е м ко с ть С ( t ) пр и ни м а е тся п о с то я н н о й [ С ( ^ ) = С , а S (^ )
изм еняется га р м о н и ч е с ки [ 2 ] :
5 ( ^ ) = - ^ ( 1 + с о 8 ш ^).
Н а р и с . 1 пред ставл ен ы в виде ф у н кц и и п арам етр а р =
7 Труды ГГО, вып. 97
(5 )
tqk
i, потен-
97
ц иал V и м о щ н о сть w , выделяемая на в х о д н о м с о п р о ти в л е н и и г , р а с с ч и т а н ­
ны е для в т о р о го случая (в о тн о с и те л ь н ы х е д и н и ц а х ). В зави си м о сти о т
вел ичин ы Р п о л у ч а ю тс я два п р е д ел ьн ы х р е ж и м а : т о ко в ы й п р и р ^ 1 и
р е ж и м на п р я ж е н и я п р и
М а кси м а л ьн а я м о щ н о сть w вы деляется
п р и р = = 1 (ч т о м о ж н о к р а т к о за писать в виде Р (д а) = 1 ) . Э т и кр и в ы е
х а р а к т е р н ы и для о б щ е го случая. Н а п р и м е р , д о п о л н и те л ьн ы й р а сч е т, сделан­
ны й для п и л о о б р а зн о го изм енения S ( t ) п р и п о с то я н н о й е м ко с т и С , п ри вел
к изм енению ^ ( w ) т о л ь к о на 2 %
( w ) = 1 , 0 2 ].
В зави си м о сти о т вел ичин ы р изм еняется т а к ж е с д в и г фазы к р и в ы х
т о к а i ( t ) [и л и по тенц иа л а 'У ( ^ ) ] . Т а к к а к в общ ем случае э ти к р и в ы е и м ею т
с л о ж н ы й ви д , СДВИГ; фазы ^ (Р ) оценивался по нулевы м значениям i { t ) . Н а
р и с . 2 п р и во д я тся р е зу л ь та ты р асчетов ср (Р) для т р е х случаев, к о гд а :
1 ) 5 (^ ) ; изм еняется га р м о н и ч е с к и , е м ко с т ь С п о сто я нн а ;: 2 ) ' 5 ( / ) изм еняется
Ф{р)
Рис. 1. Зависимость
л а м (2) и мощности
при синусоидальном
стоянной
тока г ( / ) , потенциа­
W (3) от параметра р
изменении S ( t ) и по­
емкости С.
Рис. 2. Зависимость сдвига фазы ф(Р); от
параметра Р.
/ — при синусоидальном изменении S { t ) и постоянНОЙ емкости, 2—при пилообразном изменении S (^)
и постоянной емкости, 3 ~ при пилообразном измеС
п и л о о б р а зн о , С п о с то я н н а ; 3 ) 5 (^)
нении S ( t ) и С ( i ) , _^ = 4. Сдвиг нуля i'(i) или г(/)
С„
изм еняется п и л о о б р а зн о и со гл а сно
по отношению к нулю S (() р авен 90° — <р(й).
ф о рм ул е (4 ) изм еняется С (^ ) , причем
о тн о ш е н и е м а кс и м а л ь н о го значения ,
С ( t ) = См к м и н и м а л ь н о м у значению C q взято равны м 4. К а к ви д н о из
э т о го р и с у н к а , для всех р а с с м о т р е н н ы х случаев п о л у ч а ю тс я д аж е к о л и ч е с т ­
венно д о в о л ь н о б л и зки е р е зу л ь та ты .
В за в и си м о сти о т вы б ора з а ко н о м е р н о с т и изм енения S (^ ) [а т а к ж е С ( ^ ) ]
зн ачи тел ьн о изм еняется т о л ь ко ф орма к р и в о й т о к а i ( i ) [и л и по те нц и а л а v ( t ) ] ,
но , к а к зам ечено в р а б о те [ 2 ] , это изм енение ф орм ы к р и в о й ч а с то бы вает
несущ е ственн ы м всл е д стви е т о г о , ч то вы сш ие га р м о н и ки об ы чн о с гл а ж и ' ваю тся уси л и те л е м . П р и га р м о н и ч е с ко м изм енении S (^ ) (ф о р м у л а S') и
п о с то я н н о й е м ко с т и С ви д к р и в ы х i ( t ) не з а в и си т о т парам етр а Р; они
и м е ю т всегда си н у со и д а л ь н ую ф о р м у . П р и м е р ы к р и в ы х i ( t ) в сл учае
п и л о о б р а з н о го изм енения S { t ) и С ( ^ ) для р а зл и ч н ы х вел ичин, п арам етр а
-С о
kr =
ном
98
С
-О )г и с о о т в е т с тв у ю щ и е
э ти ф о р м у л ы : п р и в о д я т
к
ф о рм ул ы даны в
не определенны м
[4 ].
При
по сто ян­
вы ражениям , - поэтом у
Рис. 3. Форма кривой тока на выходе электростатиче­
ского генератора при пилообразном изменении 5 ( / ) .
I — при р = 1 и постоянном с, 2 — при пилообразном изменении S [t) и
С (/).
^£^1^ = 4. 3 — при р—ЧХЗ.
Рис. 4. Формы кривой напряжения на выходе электро­
статического генератора.
I — при р = 0,4 и постоянном С, 2 — при пилообразном изменении S \ t )
и С<().
= 4, С„ = - i С; 3 — при
р —> 0 ,
4 — прн
отсутствии свободного заряда на пластине.
7f
г=
оо
и
у ка ж е м о ко н ч а те л ь н ы й р е зу л ь та т
случая:
с о о т в е т с тв у ю щ е го
расчета для посл ед н его
где io и 4 — т о к во время о ткр ы в а н и й и за кр ы ва ни я и зм ерител ьно й п л а с ти н ы ;
время t отсчи ты ва ется здесь со о тв е тс тв е н н о о т начала о ткр ы в а н и я (з а к р ы в а ­
н и я ). Н а р и с . 3 даны п р и м ерны е к р и в ы е i { t ) с у ка за н и е м п редельной к р и ­
вой для б о л ь ш и х
а на р и с . 4 — к р и в ы е V ( t ) с ука за н и е м предельной
к р и в о й для м ал ы х р. Н аиб о ле е за м е тн о е о тл ичи е к р и в ы х п р и п о с то я н н о й
е м ко с ти С о т с о о т в е т с т в у ю щ и х к р и в ы х п р и изм еняю щ ейся С ( t ) с о с то и т
в т о м , ч то первы е к р и в ы е сим м е три чны о тн о с и те л ь н о н ул евой л р ш и и , то гд а
(С
^
к а к п р и п р и н я то м бо л ьш ом зна че н ии
= 4 1 асим м етрия к р и в ы х во в т о \ ^0
/
3
р о м случае х о р о ш о вид на у ж е п р и р = = 1 (б еря С = | - С „ ) и р е з ко у в е л и ­
чивается с ум еньш ением р. О тм етим еще о д н у деталь: п р и стр ем л ен ии С { t )
к п о с то я н н о й величине С и р, стрем ящ им ся к и у л ю , в пределе кр и в а я ■у (^ )
им еет п и л о о б р а з н ы й . вид и с им м етри чна о тн о с и те л ь н о н ул евой л и н и и , х о т я ,
не п оср е д ств е нн о рассм атривая сл учай г С - > о о , м о ж н о на р и со в а ть к р и ­
в у ю V { t ) т о й ж е ф орм ы , но л е ж а ш у ю вы ш е (р и с . 4, кр и в а ? 4 ) . Э та н е у ­
вя зка объясняется те м , ч то п р и г = о о , давая и зм ерител ьно й п л астин е т о т
ил и и н о й д о б авочн ы й заряд, ’ м о ж н о с д в и н у ть к р и в у ю ю { t ) в лю бое п о л с ж е н и е , т о гд а к а к п р ед ел ьны й переход к уста н о в и в ш е й с я форме к р и в о й
( t ^ o o , г - ^ о о ) и с кл ю ч а е т в о з м о ж н о с ть п р о и зв о л ь н о го вы б ора д о б а в о ч н о го
п о с т о я н н о го заряда.
П р а к т и ч е с к и изм енения С ( t ) об ы чн о малы вследствие зн а ч и те л ьн о й
е м ко с т и м о н та ж а (с о е д и н и те л ь н о го кабеля и п р .) , а изм енения S ( t ) в за ви ­
с и м о с ти о т к о н с т р у к ц и и п р и б о р а м о гу т им еть п и л о о б р а зн ы й [3 ] или .с и н у ­
соида л ьны й: вид [ 5 ]; п ер в ы й в а р и а н т встречается чащ е.
ЛИ ТЕРАТУРА
1. И м я н и т о в И. М. Приборы и методы для изучения электричества атмосферы.
ГТТИ, М. 1957.
.2. Б о в ш е в е р о в В. М. Динамические приборы для измерения электрических полей
и зарящов. Труды геофиаич. ин-та АН ООС.Р, № 14 (141). 1952.
3. И м я и и т о в И. М, М и X а й Л'ОВ|'Ск апя В. В., З и г а н о в Н. П., С т р е л ь ­
ц о в .а М. Б. Приборы для длителыных измнрший «ацряжвниости элекпричеснаго
ПОЛЯ в СЛ0Ж1НЫХ метеорюлогаческмх уоло1виях. Иэв. АН, сер. геофиаич., № 9.
1956.
4. И м я н и т о в И. М. Приборы для измерении иащряженнаати электрического поля
и их приманеяие. Журн. гпех|нич. физ., № 9. 1949.
5. Buben J. The dinamic gradient-graph of the electric potential in the atmosphere,
Studia geophysica et geodaetica, 2, N 3, 1958.
г-7
А. X. ФИЛИППОВ
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГАЛЬВАНИЧЕСКОЙ В А Н Н Ы ДЛЯ М О Д Е Л Ь Н Ы Х
ИЗМЕРЕНИЙ ПРИ ИЗУЧЕНИИ ЭЛЕКТРИЧЕСТВА А Т М О С Ф Е Р Ы
Изучение ' распределения
потенциала
вблизи плоских моделей
в электролитических ваннах помогает в ряде случаев исследованию атмо­
сферного электричества.
Д л я целей у н и ф и ка ц и и м а териал ов на блю дени й за н а п р я ж е н н о с ть ю
э л е к т р и ч е с к о го пол я атм осф еры о с у щ е с тв л я ю т т а к назы ваемое „пр и в е д е н и е
к р а в н и н е ", т .. е. в в о д я т п о п р а в о ч н ы й ко эф ф и ц и е н т — р е д у к ц и о н н ы й м н о ж и ­
т е л ь , х а р а к т е р и з у ю щ и й сте пе нь и с ка ж е н и я поля м е стн ы м и предм етам и .
О пред ел ение р е д у к ц и о н н о го м н о ж и т е л я сравн ител ьн ы м и изм ерениям и на
м е стн о сти является д о н а сто я щ е го врем ени с л о ж н о й , т р у д о е м к о й и д л и те л ь ­
н о й опе р а ц и е й п о сл ед ую щ им п р и ч и н а м ;
1 ) н е о б хо д и м о п о б л и з о с ти о т о с н о в н о го м еста наблю дения им еть п л о с ку ю
р а в н и н у д о с т а т о ч н ы х р а зм е р о в;
2 ) на бл ю д ени я ж е л а те л ьно п р о в о д и т ь в ясны е д н и п р и слабом в е тр е й
п р и д о с т а то ч н о .сильном по л е , т . е. к о гд а изм ерения о с л о ж н е н ы э л е к т р о д ­
ны м эф ф екто м .
П о э т о м у э кс п е р и м е н та л ь н о е определение р е д у к ц и о н н о го м н о ж и те л я на
м од ел ях является весьм а п о л е зны м , а ч а с то и ед инственны м сп о со б о м у ч е та
и с к а ж а ю щ е го д ействи я м е стн ы х п р е д м етов на изм еряем ое поле [ 2 ] .
В на сто я щ е й р а б о те р а ссм а три ва ется м е то д и ка и сп о л ь зо ва ни я га л ь в а н и че ­
с к о й ванны [3 ], п озвол яю щ ая п р о с т о вы п о л н ять п од об ны е и зм ерения.
О б щ и й в и д и сп о л ь зу е м о й га л ь в а н и ч е с ко й ванны п р и ве д е н на р и с . 1.
М о д е л ь здания (то ч н е е сечение зд ани я, пр о х о д я щ е е через м еста у с т а н о в к и
п р и б о р о в ) и зго та вл и ва е тся и з п о л о с о в о го ж елеза и пом ещ ается в п л о с к у ю
в а н н у . В э т у ж е в а н н у п о м ещ ены параллельны е э л е кт р о д ы , к о т о р ы е и м и т и ­
р у ю т зем лю и „в е р х н и е сл о и а т м о с ф е р ы ". Р азм еры ванны д о с т а то ч н о
в е л и ки (1 X 7 0 X 4 0 см®), для т о г о ч то б ы и зб е ж а ть к р а е в о го эф ф екта.
Э л е к тр о л и т о м с л у ж и т во д а. Д об а вл е н и е н е б о л ь ш и х к о л и ч е с т в солей или
к н с л о т не м еняет р е зу л ь та та .
П о д а в на п р я ж е н и е на параллельны е э л е кт р о д ы , изм еряем падение н а п р я ­
ж е н и я м е ж д у „з е м л е й " и т о ч ка м и , с о о тв е т с тв у ю щ и м и м естам у с т а н о в к и
к о л л е к т о р а э л е кт р о гр а ф а Б еннд орф а и д а т ч и к а п р и б о р а для изм ерения
н а п р я ж е н н о с т и пол я (т о ч к и А , Б ) , а т а к ж е в т о ч к е , соответствую ш [ей
„р а в н и н е " (т о ч к а 0 ) . Д л я т о г о ч то б ы н а й ти т о ч к у „р а в н и н ы ", выясняем х о д
э к в и п о те н ц и а л ь н ы х п о в е р х н о с те й . Х о д э кв и то п е н ц и а л ь н ы х л и н и й на гл я д но
п о ка зы в а е т сте пень и с ка ж е н и я пол я. Т а м , гд е и с к а ж е н и я м ин им ал ьны , вы б и ­
раем т о ч к у „р а в н и н ы ".
Р а зделив п о л уч е н н ы е зн а чен ия , н а п р я ж е н и й , и зм е р е н н ы х в н а р у ш е н н ы х
м естны м и пре д м ета м и о б л а с тя х , на на п р я ж е н и я , с о о тв е тс тв у ю щ и е „р а в н и н е ",
п о л у ч и м и с ко м ы й р е д у кц и о н н ы й м н о ж и те л ь .
101
Т а к о е определение р е д у к ц и о н н о го м н о ж и те л я для к о л л е кт о р н о й у с т а н о в к и
п р и н ц и п и а л ь н о не отл ича ется о т об ы чн о п р и м е н яе м о го на п р а к т и к е , т а к к а к
в то м и д р у го м с л у ч а я х и зм е ряю тся на п р яж е н и я у здания и в поле н а
од н о й вы соте и н а хо д и тся и х о тн о ш е н и е . П р и м е н я ть о п и са н н ы й с п о с о б п 1 и
н а х о ж д е н и и р е д у к ц и о н н о го м н о ж и те л я для э л е к т р о с т а т и ч е с к о го ф л ю ксм етра
м о ж н о л и бо в то м случае, к о гд а и ска ж е н и я поля у п о в е р х н о с ти зем лж
т а к и е ж е , к а к на н е к о т о р о й вы соте над д а тч и ко м (э т о у с л о ви е на п р а к т и к е
вы пол н яе тся с д о с т а то ч н о й т о ч н о с т ь ю , т а к к а к д а т ч и к э л е к т р о с т а т и ч е с к о го
Рис. 1. Общий вид установки.
ф л ю ксм е тр а р а с п о л о ж е н об ы чн о д ал еко о т здания, где и ска ж е н и я малы и
слабо за ви сят о т в ы с о т ы ), л ибо снимая п о х о д у и зо п о те н ц и а л ь н ы х л и н и й
х о д н а п р я ж е н н о с т и пол я с в ы с о то й над т о ч к о й изм ерения и э к с т р а п о л и р у я
п о л у ч е н н у ю к р и в у ю до у р о в н я зем ли. И с ка ж е н и я поля за счет э л е к т р о д н о го
эф ф екта не являю тся п о с то я н н ы м и и не м о гу т бы ть у ч те н ы у ка за н н ы м с п о ­
собом .
■ П о л уч е н н ы е зна че н ия р е д у к ц и о н н ы х м н о ж и те л е й х о р о ш о с о гл а с у ю тс я со
значениям и, найденны м и д р у ги м и м етодам и (и зм е р е н и я на м е стн о сти и метод,
р а с ч е т а ).
Т о ч н о с ть п р о в о д и м ы х изм ер ени й определяется со о тве тстви е м и с к а ж е н и й
поля, создаваем ы х п л о с ко й м оделью , и самим тр ехм ерн ы м тел ом , а т а к ж е
тш ;ател ьностью соблю дения м асш таба на м одели и кл а ссо м т о ч н о с т и п р и м е ­
ня е м о го в о л ьтм е тр а .
Е с л и изм ерения
а т м о с ф е р н о э л е ктр и ч е с ки х х а р а к т е р и с т и к п р о в о д я тс я
вбл изи н е в ы с о ко го д л и н н о го здания и на п л о ш а д ке для и зм ерени й н е т н и к а ­
к и х к р у п н ы х п ре д м ето в, т о изм ерения на п л о с к и х м оделях в зн а чи тел ьн ой
сте пе ни опр авд а ны . Е сл и ж е здание им еет вы с о ки е н а д с т р о й к и (в ы ш ка ,
м ачты и т . п .) , т о и ска ж е н и я поля б у д у т сильно зависеть о т распол ож ени я,
п р и б о р о в о тн о с и те л ь н о здания и о к р у ж а ю щ и х п р е д м е то в . В это м случае
м о ж н о н а й ти р е д у кц и о н н ы й м н о ж и т е л ь , п о с тр о и в ряд п л о с к и х моделей,,
п р о х о д я щ и х через разл ичн ы е сечения здания, т о ч к у наблю дения и с о о т в е т ­
с т в у ю щ и й и с к а ж а ю щ и й пол е п р е д м ет.
■
В о з м о ж н о с т ь л е гк о у ч и ты в а ть д опо л н и те л ьны е и с ка ж е н и я , связанны е
с возведением н о в ы х п о с т р о е к и т . п ., не за в и си м о сть и зм ерени й о т у с л о в и й
п о го д ы д е л а ю т-о п и с ы в а е м у ю м е т о д и к у очень п р о с т о й и у д о б н о й .
Д л я и л л ю ;т р а ц и и приведем за ви си м о сть р е д у к ц и о н н о го м н о ж и те л я о т
р а ссто ян и я ю сте ны здания, п о л у ч е н н у ю с целью- вы бора места у с та н о в ки .
102
к о л л е к т о р а (р и с . 2 , кр и в а я / ) . К р и в а я I I п о ка зы в а е т т у ж е за ви си м о сть
в случае у с т а н о в к и с то л б а для кр е п л е н и я к о л л е к т о р а . А н а л и з п о д о б н ы х
к р и в ы х п о зв о л и л ра ц и о н а л ьно вы б р а ть м есто у с т а н о в к и к о л л е к т о р а э л е к т р о граф а Б енндорф а.
О п и сы ва е м ую га л ь в а н и ч е с ку ю в а н н у м о ж н о п р и м е н я ть не т о л ь к о длячи с л е н н о го определения р е д у к ц и о н н о го м н о ж и те л я , н о и для установления,
ряда за в и си м о сте й , су щ е с тв е н н ы х для а тм о с ф е р н о го э л е кт р и ч е с т в а .
И н те р е сн ы м является и сп о л ьзо ва ни е га л ь в а н и ч е с ко й ванны для м о д е л и р о ­
вания г р о з о в ы х о б л а ко в .
И з в е с т н о [ 1 ] , [ 2 ] , ч т о , наблю дая за изм енениям и э л е к т р и ч е с к о го полж
в д а н н о й т о ч ке , земной,. .п о в е р х н о с т и п р и п р о х о ж д е н и и о б л ака, к о с в е н н о
м о ж н о сделать н е ко т о р ы е за кл ю ч е н и я о распределении зарядов в нем и даже:
оц е н и ть и х вел и чи н у. П о изм ерениям п о л я, о д н а ко , нельзя о д н о зн ачно с у д и т ь
Рис. 2. Зависимость редукционного множителя от расстояния до здания.
Рис. 3. Изменение потенциала при
«прохождении» дипольно заряж еа- '
ного облака.
об и зм е нен ия х, п р о и с х о д я щ и х в о б л а ке , т а к к а к одн о и т о ж е распределение
п о л я м о ж е т б ы ть вы звано разл ичн ы м р а с п о л о ж е н и е м р а зн ы х п о вел ичине
за ряд о в. Зад ача эта м о ж е т б ы ть к о н к р е т и з и р о в а н а п р и и сп о л ь зо в а н и и
к о м п л е к с а д а н н ы х о с т р у к т у р е в об л а ка (н а п р и м е р , д а н н ы х р а д и о л о ка ц и и )
и п р и ср авн ени и изм енений поля с заранее п о с тр о е н н ы м и к р и в ы м и , с о о т ­
в е т с тв у ю щ и м и разл ичн ы м распредел ениям зарядов в об лаке.
Н а р и с . 3 п р и в о д и тс я за ви си м о сть н а п р я ж е н и я в т о ч к а х , р а с п о л о ж е н н ы х
на п р я м о й , п ар а л л ельной н и ж н е м у э л е к т р о д у , о т р а ссто ян и я д о ди поля^
с и м в о л и з и р у ю щ е го о б л а ко . О р и е н та ц и я д и пол я схем атично, п о ка за н а рядом
с к р и в ы м и . Н а п р я ж е н и я и р а с с то я н и я даны в о т н о с и те л ь н ы х единиц,ах..
Д и п о л ь п ре д ста вл я е т со б о й два и зо л и р о в а н н ы х д р у г о т д р у га п о л у ко л ьц а ,,
со е д и н е н н ы х с п о л ю сам и ба тар еи . О б щ и й х о д п о л у ч е н н ы х к р и в ы х согласуется,
с а н а л о ги ч н ы м и за в и си м о стя м и , на йденны м и расчетны м п у т е м п о [ 1 J.
Н е с м о тр я на т о ч то изм ерения п о сл е д н е го вида сил ьн о о сл о ж н яю тся:
пол я р и за ц и е й э л е к т р о л и т а и наличием
м е н я ю щ и хся
э л е к т р о х и м и ч е с ки х
п о те н ц и а л о в м е ж д у э л е к т р о л и т о м и пом ещ аем ы м и эл е ктр о д а м и , м о д е л и р о в а ­
ние о б л а ко в более с л о ж н о й с т р у к т у р ы м о ж е т п р и н е с т и оп р е д е л е н н ую п о л ь з у ,
тем более ч то ра сч е т в ряде случаев является тр у д о е м ки м и л и з а т р у д н и ­
те л ьны м .
В за кл ю ч е н и е н у ж н о о т м е т и т ь , ч то м о ж н о о с у щ е с тв и ть с д о ста то ч .н о й
т о ч н о с т ь ю еще ряд и зм е р е ни й с по м о щ ь ю га л ь в а н и ч е с ко й ванны н а
м оделях.
ЛИТЕРАТУРА
1. Т в е р с к о й П. Н. Атмосфвриое электричество. Гидром,ет0о1
издат.. Л. 1949.
2. И м я н : и т ‘Ов И. М. Приборы и меггады для исслеццов-ания атмосферного электриче'
стви; Гостехиздат. М. 1957.
3. К а л- а ш н и к ' о в С. Г. Электричество. Г-остеяиадат. М. 1956.
, .
;
А. X. ФИЛИППОВ, А. И. ТЮТРИН
УПРОЩЕННАЯ РЕГИСТРАЦИЯ ГРАДИЕНТА ПОТЕНЦИАЛА
ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ АТМОСФЕРЫ
Упрощенная конструкция электрографа, представляющая собой моди­
фикацию электрографа Бенндорфа, м ож ет быть использована для реги ст­
рации градиента потенциала на ряде станций.
С ущ е с тв е н н у ю ро л ь в рещ ени и о сн о в н о й проб л ем ы а тм о с ф е р н о го э л е к ­
т р и ч е с тв а и гр а ю т назем ны е наблю дения над элем ентам и атм осф ерного
э л е ктр и ч е с тв а , в ч а с тн о с ти за н а п р я ж е н н о с ть ю э л е к т р и ч е с к о го поля.
И з в е с т н о [ 1 ] , [ 2 ] , ч то п о назем ны м наблю дениям м о ж н о сделать вы воды
о б и зм е н е н и я х х а р а к т е р и с т и к , о б щ и х для в с е го зе м н о го ш ар а, выделяя
у н и т а р н у ю в а р и а ц и ю . Вы деление у н и т а р н о й вар и а ц и и н а п р я ж е н н о с ти э л е к т р и ­
ч е с к о го поля атм осф еры в целом ряде случаев является м алонадеж ны м и з-з а
вл и я ни я л о ка л ь н ы х и зм енений п р о в о д и м о с ти в о зд у х а . П осле дни е особ енно
с и л ь н о ска зы ва ю тся п р и на бл ю д е ни ях в го р о д е . О д н а ко если со по ста в л ять
д ан ны е н е с к о л ь к и х ста н ц и й , у д а л е н н ы х о т го р о д а , т о вы делить у1н и т а р н у ю
в а р и а ц и ю м о ж н о с б ол ьш е й д о с т о в е р н о с ть ю .
И зв е с тн о т а к ж е [3 ] , ч т о в а р и а ц и и и численны е значения н а п р я ж е н н о с ти
э л е к т р и ч е с к о го поля атм осф еры связаны с к л и м а т о л о ги ч е с ки м и особ енностям и
р а й о н а . В ч а с тн о с ти , н а п р я ж е н н о с ть э л е к т р и ч е с к о го поля с у щ е стве н н о за в и ­
с и т о т со сто я н и я а э р о зо л ь н о й фазы атм осф еры . Д л я и зуч е н и я э т о й связи
н е о б х о д и м о им е ть м атериал ы на бл ю д ени й в р а зн ы х п у н к т а х ра й о н а с р а з л и ч ­
ны м со д ер ж а ни ем в атм осф ере п ы л и , к о п о т и и т . п.
И з с ка з а н н о го в ы те ка е т не о б х о д и м о с ть п а р а л л е л ьн ы х на блю дени й за
н а п р я ж е н н о с т ь ю э л е к т р и ч е с к о го пол я атм осф еры в го р о д е и за го р о д о м .
Т а к о е р а с ш и р е н и е сети п у н к т о в на блю дени й над атм осф ерны м э л е к т р и ­
че ств о м м о ж е т б ы ть д о с т и гн у т о п у те м у с т а н о в к и п р о с т ы х р е ги с т р и р у ю щ и х
п р и б о р о в на сети ги д р о м е т е о р о л о ги ч е с ки х с та н ц и й .
О че ви д но , ч т о и сп о л ь зо в а ть для э т о й цели лам повы е и л и д и н а м и ч е с ки е
эл е ктр о м е тр ы з а тр у д н и т е л ь н о , т а к к а к последние т р е б у ю т о т наблю дателей
специ ал ьно й кв а л и ф и ка ц и и и п р е д п о л а га ю т наличие н е о б х о д и м о го м иним ум а
и зм е р и те л ь н о й а п п а р а ту р ы .
А в то р а м и и зго т о в л е н п р о с т о й к в а д р а н тн ы й э л е кт р о гр а ф , к о т о р ы й в соче­
т а н и и с р а д и о а кти в н ы м к о л л е к т о р о м по зво л я е т о с у щ е с тв и ть н е п р е р ы в н у ю
р е ги с т р а ц и ю гр а д и е н та п о те н ц и а л а э л е к т р и ч е с к о го поля атм осф еры .
О б щ и й вид п р и б о р а без к о ж у х а представлен на р и с . 1. П р и н ц и п и а л ь н о
а р и б о р не отл ича ется о т и зв е с т н о го э л е кт р о гр а ф а Б енндорф а, о д н а ко
к о н с т р у к т и в н о о н оф орм лен зн а ч и те л ь н о пр о щ е .
Ч е ты р е п а р ы кв а д р а н то в с п о м о щ ь ю и зо л я то р о в у кр е п л е н ы на м ассивной
о с н о в е . П о д в и ж н а я систем а — б и с к в и т со с т р е л к о й подвеш ены на т о н к и х
н и тях — растяж ках,
тщ а те л ь н о и зо л и р о в а н н ы х о т к о р п у с а теф лоновы м и
в т у л ка м и . И зм еряем ое н а п р я ж е н и е подается на б и с к в и т через н и т и . З а п и с ь
104
ведется на с та н д а р т н у ю л е н ту с у т о ч н о й за п и с и к б а р о гр а ф у ( Л М - 2 ) . Л е н та
со ста нд а р тны м барабаном п р и в о д и тс я в д в и ж е н и е часовы м м еханизм ом .
Ч а со в о й м еха ни зм передела н т а к , ч то б ы имелась в о з м о ж н о с ть п о л у ч и т ь
д в у х м и н у т н ы е и нте р ва л ы вр е м е н и. Ч а со в о й м еханизм устан авл и вается н е п о ­
д в и ж н о , а вра щ ается т о л ь к о барабан с л е н то й .
Точечная за п ись о сущ е ствл я е тся с п о м о щ ь ю о б ы ч н о го пе р а , н а п о л н я е м о го
черн ил а м и. П е р о п р и ж и м а е тс я к ленте с п о м о ш ь ю р а м к и , связанной с ч а со ­
вым м еха ни зм ом .
Ч у в с т в и т е л ь н о с т ь э л е кт р о гр а ф а определяется у п р у г и м и сво й ства м и н и т е й
и на пряж е н ие м на кв а д р а н та х . П р и н а п р я ж е н и и |на к в а д р а н та х ± 2 0 0 в
Рис. 1. Общий вид электрографа
п р и и сп о л ь зо в а н и и к р у г л о й н и т и д и а м е тр о м 0 ,0 5 мм вся ш ка л а п р и б о р а
с о о т в е т с т в у е т + 5 0 0 в.
К а к п о ка за л о п ы т о б с л у ж и в а н и е о п и сы в а е м о го э л е кт р с гр а ф а (см ена
л е н ты , на пол нен ие п е р а ) п о ч т и не о тл и ч а е тся о т о б сл уж и в а н и я о б ы ч н ы х
сам описце в д авления, те м п е р а ту р ы и т . п . и впол не д о с т у п н о наблю дателям
о б ы ч н о й к в а л и ф и ка ц и и .
И зм е р е н и я гр а д и е н т а п о те н ц и а л а в ч и с т ы х у с л о в и я х , вда ли о т го р о д о в ,
п о зв о л я т д ать п р а в и л ь н у ю ф и зи ч е с ку ю
и н т е р п р е т а ц и ю вли яни я м е с т н ы х
ф а кт о р о в , у ч а с т в у ю щ и х в ф о р м и р о ва н и и э л е к т р и ч е с к о го пол я атм о сф е р ы ,
н а п р я ж е н н о с ть к о т о р о г о р е ги с т р и р у е т с я в го р о д е . В се с ка зан ное о со б о
о т н о с и тс я к И р к у т с к о м у ф и з и к о -ге о гр а ф и ч е с ко м у р а й о н у , гд е н а х о д и т с я
у н и ка л ь н о е озеро Б а й ка л , к о т о р о е не сом не нн о о ка зы в а е т влияние на весь
ко м п л е к с к л и м а т о л о ги ч е с к и х х а р а к т е р и с т и к р а й он а.
ЛИТЕРАТУРА
1. Т в е р с к о й П. Н. Атмосффвое электричество. Гидрометеоиздат. 1949.
2. И м я н и т о в И. М.. Иосяедования электричесиого поля в атмосфере. Информацибк-;
ный сборник комитета по проведению МГГ ГУГМС, № 5. 1958.
3 . ' К у л а г и н Д. И. Об электрическом поле атмосферы малооблачных сухих pafloHiO®,
Метеоролошия и гидрология в Узбекистане. АН УзбССР. Ташкеят. 1955.
105
А
М.
ФУРМАН
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПО ПОДВИЖНОСТИ И КОНЦЕНТРАЦИИ
i ЛЕГКИХ И СРЕДНИХ ИОНОВ В АТМОСФЕРЕ*
в работе приведены данные измерений концентрации и подвижности
легких и средних ионов атмосферного воздуха в Лесном (окраинный
район Лелинграда). Установлено наличие трех видов распределения ионов
по подвижности:
.1) прерывистое (дискретное) с резко выделяющимися группами ионов.
Ме^кду группами имеются пробелы по подвижности;
2) плавно-прерывистое, где заметны дискретные группы ионов, но
с плавными переходами;
3) плавное возрастание концентрации ионов от наиболее легких
j< более тяжелым по всему спектру подвижностей.
Обнаружены в атмосферном воздухе легко подвижные ионы с под­
вижностями 2—5 см2/сек.в и более, являющиеся переходными от моно­
молекулярных к малым атмосферным ионам.
Ц ел ью р а б о ты бы ло п ол учени е о п ы т н о го м атериала по ко н ц е н т р а ц и и
и с п е к т р у л е г к и х и о н о в в атмосф ере.^
М е с то м п ровед ения и ссл ед ований с л у ж и л п а р к Л е с о те х н и ч е с ко й академии
и м . С . М . К и р о в а . Н е см о тр я на сол ид ны й м ассив зел ены х насаж д ен ий
£ п а р ке , и н д у с тр и а л ь н ы й х а р а к т е р г . Л е н и н гр а д а , не со м н е н н о , оказы ва ет
я л и я н и е на о со б е н н о с ти распределения и о н о в п о п о д в и ж н о с т и , ч то п р е д с та ­
вляет сам о сто яте л ьны й и н те р е с. О д н а ко имелась в о з м о ж н о с ть вы деления и
х а р а к т е р н ы х у с л о в и й для ч и с т ы х в о з д у ш н ы х м асс после п р о х о ж д е н и я ф р о н тов^ В д а н н о й ста тье о гр а н и ч и м с я и зуч е н и е м с п е кт р о в м алы х и ср е д н и х
ионов.
Метод измерения и аппаратура
Д л я изм ерения ко н ц е н т р а ц и и и п о д в и ж н о с т и и о н о в в атм осф ере н а и ­
б о л е е ч а сто п рим еняется м етод снятия и о н н ы х х а р а к т е р и с т и к с по м о щ ь ю
а с п и р а ц и о н н о го : ц и л и н д р и ч е с ко го ко н д е н с а то р а .
Т е о р и я э т о го м ето д а п о д р о б н о разр а б о та н а [4 ] , [ 5 ] , [ 6 ].
П рим енял ся ц и л и н д р и ч е с ки й к о н д е н с а то р Б е кке р а [ 7 ] , к о н с т р у к ц и я к о т о ­
р о г о обладает тем п р е и м у щ е ств о м , ч то имеется у с т р о й с т в о для устр а н е н и я
„к р а е в о г о э ф ф е кта " у в х о д а в к о н д е н с а то р .
А в т о р ы п о л ь зо ва л и сь м етодом заряж е ни я и онн ы м т о к о м в н у тр е н н е го
электрода.
1
Ввиду Великой Отечественной войны 1941^— 1945 гг. и ряда других обстоятельств
данная работа, доложенная на Ученом совете ЛИЭМ 9 мая 1940 г., не была опубли­
кована ранее.
Все работы по атм'оофе|риовле1
ктр1
ич0оюим иагледованиям проводились П|0
|^ общим
руковюоством проф. В. Н. Оболенскюго.
' '
106
Н а р и с . 1 представлена схем а и зм е р и т е л ь н о го у с т р о й с т в а , с о с то я щ е го из
.^ с п и р а ц и о н н о го
ко н д е н с а то р а
(/),
э л е ктр о м е тр а ( 2 ) ,
га зо м е тр а (3 ),,.
ж о л б ы ( 4 ) для дем пф ирования п у л ь с а ц и й в в о зд у ш н о м п о т о к е , в с п о м о га те л ь ­
н о й б атар е и к э л е к т р о м е т р у на 100 в ( 5 ) , б атареи для п о д а чи на п р я ж е н и я
н а ко н д е н с а то р ( 6 ) и с о е д и н и те л ь н ы х р е зи н о в ы х ш л а н го в ( 7 ) . И з м е р и те л ь ­
н ы й к о н д е н с а то р состо я л из д в у х л а т у н н ы х к о а кс и а л ь н ы х ц и л и н д р о в
ж 1 2 ) с пр и сп о со б л е н и е м для у с тр а н е н и я к р а е в о го эф ф екта в виде р а с ш и ­
рения ( /3 ) .
Ц и л и н д р ( I I ) и зол и ро вал ся о т зазем ленны х к о н ц е в ы х ч а с те й ко н д е н с а ­
т о р а (/■^ и 7 5 ) эб о н и то в ы м и ко л ь ц а м и ( 5 ) .
; '
и
Э л е ктр о д ы к о н д е н с а то р а и зо л и р о в а л и с ь м е ж д у собо й я н та р н о й ш л и ф о ва н­
н о й в т у л к о й ( 9 ) . Э ф ф ективная е м ко с ть всей систем ы гсоставил а 7 2 ,8 8 см,
■ . '
Рис. 1. Схема измерительной установки.
1 — изм ерительны й кон денсатор, 2 — эл ек тром етр Д о л езел е к а , 3 — газов ы е часы ,
4 — дем п ф ер , 5 — всп о м о гател ьн ая б а т ар е я к электром етру, 6 — б а т ар е я к
изм ерительн ом у кон денсатору, 7 — соединительны й ш ланг, 8 — эбонитовы й и зо ­
л я то р , 9 — я нтарны й и зо л ято р , 10 — п ереклю чатель эл ек гром етра, II — наруж н ы й
э л ек тр о д, 12 — внутренний эл ектр о д, 13 ~ приспособление Б ек к ер а , 14 — э к р а ­
н ирую щ ая вх о д н ая т р у б к а , /5 — экр ан и р у ю щ ая вы ходн ая т р у б к а , i5 — бисквит и к эл ек тр о м етр а, 17 — за зе м л е н н а я п ар а кв ад ран тов , 18 — сетка.
■а п осто я н н а я п р и б о р а для изм ерения к о н ц е н т р а ц и и и о н о в 8 = 5 ,0 9 3 * 1 0 ®
{ п р и вы р а ж е н и и вел ичин в с и сте м е C G S E ). Р абочая дл и на в н у тр е н н е го
-эл е ктр о д а 1 = 1 9 , 5 см , е го р а д и у с г = 0 ,2 9 5 см. Р а д и у с пр о с в е та н а р у ж н о го
э л е к т р о д а R — 2 см. П о сто я н н а я п р и б о р а 8 для изм ерения п о д в и ж н о с т е й
и о н о в W в с м */с е к. с о ста в и л а 1 , 5 6 2 - 1 0 “ ^. П рим енялся э л е к т р о м е т р Д о л е -залека»
И м елась в о з м о ж н о с ть и зм ер ять п о те н ц и а л ы в и нтервале о т 0 ,5 и
д о 0 ,0 0 2 5 в; изм еряем ы й п о те н ц и а л в н у тр е н н е го э л е кт р о д а ( 1 2 ) подавался на
о д н у п а р у кв а д р а н то в э л е кт р о м е т р а , в т о время к а к вто р а я пара кв а д р а н то в
бы ла зазем лена, на б и с к в и т подавался в с п о м о га те л ь н ы й п о те н ц и а л о т б а та ­
р еи ( 5 ) . П р им ене н на я схем а вкл ю ч е н и я по зво л я е т п о л у ч и т ь л и н е й н у ю за в и си ­
м о сть м е ж д у изм еряемы м п о те н ц и а л о м и числом д ел ений п о ш ка л е .
Ч у в с т в и т е л ь н о с т ь п р и б о р а по зво л яла при м ен я ть э к с п о зи ц и и в 3 — 5 м и н у т .О б ы ч н о э кс п о зи ц и я составл яла 5 м и н у т . В связи с сравн и те л ь н о д л и н н о й
э кс п о зи ц и е й б ы стр ы е ко л еб а н ия ко н ц е н т р а ц и и иоНов и ко л е б а н и я распреде-.
л е н и я п о п о д в и ж н о с т я м в д а н н о й р а б о те не р а ссм атри вал и сь.
Источники о ш и б о к и их устранение
П р и и зм е ре ни и к о н ц е н т р а ц и и л е г к и х и о н о в и и х п о д в и ж н о с т и н е о б х о л и м о у ч и т ы в а т ь и л и у с тр а н я ть о ш и б к и , к о т о р ы е м о гу т п р о и с х о д и т ь о т сле­
д у ю щ и х о с н о в н ы х 'и с т о ч н и к о в :
107
1)
т о к п р о в о д и м о с ти в ко н д е н с а то р е за счет ср е д н и х и т я ж е л ы х и о н о в
в н о с и т о ш и б к у в и зм ерение ко н ц е н т р а ц и й л е г к и х и о н о в ;
t 2 ) оседание р а д и о а кт и в н ы х веш,еств на э л е к т р о д а х ко н д е н с а то р а создает
д о б а в о ч н у ю м е стн у ю и о н и за ц и ю , вй о ся щ ую о ш и б к и в р е зу л ь та т изм ерений*
3 ) н а р уш е н и е н о р м а л ь н о го э л е к т р и ч е с к о го пол я земли стр о е ни ям и , в к о т о ­
р ы х уста н о в л е н ы изм е рите л ьны е у с т р о й с т в а , м о ж е т созд ать м естно е п е р е р а с - 1
пределение ко н ц е н т р а ц и й и о н о в ;
4 ) т у р б у л е н т н о с т ь в п р и б о р е п р и п р о т я ги в а н и и в о з д у х а с б о л ь ш о й с к о ­
р о с т ь ю м о ж е т в н о с и ть п о гр е ш н о с т ь в изм ерение ко н ц е н т р а ц и и л е г к и х
ионов;
5 ) п о т е р я за р я д а вследствие у т е ч к и п о изол яц ии .
П о гр е ш н о с т ь в и зм ерени и к о н ц е н т р а ц и и л е г к и х и онов о т т о к а п р о в о д и ­
м о сти с р е д н и х и т я ж е л ы х и о н о в м о ж е т сильно влиять на р е зу л ь та ты п р и
зн а ч и те л ь н ы х ко н ц е н т р а ц и я х неизм еряем ы х г р у п п и о я о в .
П р и и зм ер ени я х и о н н ы х к о н ц е н т р а ц и й м етодом х а р а к т е р и с т и к м о ж н о
и с к л ю ч и т ь влияние г р у п п и о н о в с м еньш и м и п о д в и ж н о с тя м и п рим енением
п о п р а в к и , вы числяе м ой п о д вум т о ч ка м х а р а к т е р и с т и к и [ 5 ] , [ 6 ].
И з и о н н о й х а р а к т е р и с т и к и (т а б л . 3 ) следует, ч то п р и W — = 0 ,8 6 см®/сек. »
л _ = 1 2 3 иона/см З, а п р и 'e y - = 3 ,3 8 с м ^ /с е к.в л _ = 84 иона/см®.
Д л я и о н о в с 'йг/_ = 3 ,3 8 см ^/се к. в вы числение п о гр е ш н о с т и дает Дл = 1 3 и о нов/см®, т . е. « 0 = 71 иона/см®. П р и у ч е те
влияния
ср е д н и х
ионо»
Д я < 5 ионов/см З . Т а ки м ж е о б разом и для д р у г и х случаев м о ж е т б ы т ь
у ч те н о влияние не изм еряем ы х г р у п п и о н о в .
П о гр е ш н о с т ь в изм е ре ни и к о н ц е н т р а ц и и и о н о в , вы зы ваем ая оседанием
р а д и о а кт и в н ы х вещ еств на э л е к т р о д а х с ч е тч и ко в и о н о в , воо б щ е го в о р я ,
т р у д н о у с тр а н и м а и п р и с у щ а всем аспир ац и онн ы м п р и б о р а м . О ц е н и ть в е л и ­
ч и н у п о гр е ш н о с т и м о ж н о , и зм е р и в заряд э л е к т р о д а п р и подаче на п ря ж ен ия
на в т о р о й э л е к т р о д без п р о т я ги в а н и я в о з д у х а п р и у с л о в и и х о р о ш е го с о с то я ­
ния и зо л я ц и и и зн а ч и те л ь н о й ч у в с тв и те л ь н о сти э л е кт р о м е т р а . Т а ки е п р о ­
в е р к и п о к а за л и , ч т о эта п о гр е ш н о с т ь л е ж и т к и ж е п о гр е ш н о с т и м етода.
П о гр е ш н о с т ь н и ч т о ж н о мала т а к ж е п о данны м р а б о ты [ 8 ].
Н а вл ияние э л е к т р и ч е с к о го пол я зем ли у ка з а л еще С ванн [9 ], Э т о т
и с т о ч н и к о ш и б о к м о ж е т им еть сущ е стве н н о е значение п р и и гн о р и р о в а н и и
н а р у ш е н и й н о р м а л ь н о го э л е к т р и ч е с к о го по л я земли стр о е н и я м и , в к о т о р ы х
о б ы чн о уста н а в л и в а ю тся с ч е тч и ки и о н о в . В это м случае в о з м о ж н о п е р е р а с ­
пределение к о н ц е н т р а ц и й и о н о в р а з н о го з н а ка . У сл о ви е м , у м е н ьш а ю щ и м :?ту
п о гр е ш н о с т ь , является обеспечение .х о р о ш е го обмена в о з д у х а перед в х о д н о й
ча стью п р и б о р а ..
В н а ш и х о п ы та х ко н д е н с а то р устан авл и вал ся го р и зо н та л ь н о в закры том ;
пом е щ ен ии в о к н е . А тм о сф е р н ы й в о з д у х засасы вался через н е б о л ь ш о й у д л и ­
н и те л ь, и м е ю щ и йся в ко н д е н с а то р е Б е кк е р а и в ы с т у п а ю щ и й н а р у ж у на^ :5 )см.
П ер ед о к н о м бы ла о т кр ы т а я п л о щ а д ка . П ро ве д е н н ы е изм ерения п о ка за л и
нор м а л ьн ое с о о тн о ш е н и е м е ж д у ко н ц е н тр а ц и я м и п о л о ж и т е л ь н ы х и отрицавт е л ь н ы х и о н о в . Т а ки м о б ра зом , с влиянием э т о го и с т о ч н и ка п о гр е ш н о с т и н а
на ш и изм ерения м о ж н о не сч и та ться .
Н а влияние т у р б у л е н т н о с т и , к о т о р а я : м о ж е т в о з н и ка ть п р и зн а ч и те л ь н о й
с к о р о с т и п р о т я ги в а е м о го п о т о к а в о з д у х а , у ка з а л и ряд исследователе^-.
[ 9 ] , [1 0 ]. К а к ; и з в е с т н о , т у р б у л е н т н о с т ь в т р у б а х п р и п р о т е ка н и и .воздуха
в о з н и к а е т п р и д о с т и ж е н и и к р и т и ч е с к о го значения к р и т е р и я Рейнольдса.
(R e > 2 0 0 0 ) .
П р и у к а з а н н ы х р а зм е р а х ко н д е н с а то р а , на иб ол ьш ей с к о р о с т и п р о т я г и ­
вания в о з д у х а и для случая м алой в я з ко с т и в о з д у х а получаем К е = 6 8 0 .,Д л »
с р е д н и х у с л о в и й Re = 4 2 5 .
, ‘
В то м и д р у го м с л у ч а я х значения к р и т е р и я Р ейнольдса ^л е ж а т значительнЬ н и ж е к р и т и ч е с к о го .
108
В е ге р [1 0 ], и ссл е д о в авш ий влияние р а з л и ч н ы х п о гр е ш н о с те й на р е з у л ь ­
т а т ы ' сч е та и о н о в , д о п у с к а л значения Re = 7 5 0 , т . е. н е с к о л ь ко вы ш е
н а ш е го п р е д е л ь н о го значе н ия.
; У т е ч к у заряда п р и у в л а ж н е н и и и л и за гр я зн е н и и и зо л я ц и и с ч е тч и ка ионов,
сл ед ует т а к ж е о тн е с ти к т р у д н о у с т р а н и м о м у и с т о ч н и к у п о гр е ш н о с т и . О с о ­
б енно в о зр а с та е т п о гр е ш н о с т ь п р и зн а ч и те л ь н о й в л а ж н о с ти в о з д у х а . В р а ­
б о те [ 1 0 ] п ро верял ась у т е ч к а и зо л я ц и и п у те м о тс ч е та п о т е р и заряда п р и
под аче на и зм е р и те л ь н ы й э л е к т р о д о п р е д е л е н н о го заряда. А в т о р у с т р а н я й
у т е ч к у п о и зо л я ц и и частей с у ш к о й я н т а р н о го и зо л я то р а с ч е тч и ка теплы м
п о т о к о м в о з д у х а и си с те м а ти че ски м п ром ы вани ем и зо л я ц и и с п и р т о м .
Результаты измерения
.Б ы ло с н я то 2 2 8 и о н н ы х х а р а к т е р и с т и к атм о сф е р н о го в о з д у х а в течение:
5 месяцев 1 9 3 8 г . и 10 месяцев 1939 г.
В а р ь и р у я н а п р я ж е н и е на к о н д е н с а т о р е о т 1 / = + 750в д о V — + 1,3в.
и с к о р о с т ь п р о т я ги в а н и я в о з д у х а о т 1 0 д о 40 0 с м ^ /с е к., м о ж н о , бы ло
ул а вл и ва ть и о н ы с п о д в и ж н о с т я м и o t ® ; j = 2 ,5 » 1 0 ~ з д о ^ 2 = ^ ,0 с м ^ /с е к. в,.
к о н ц е н т р а ц и и и о н о в п р и это м составл ял и соответственно::
;
«J_|_ = 60 0 0 и П 2 ^ = 1 0 0 -4 -6 0 */с м З .
в та б л . 1 п р и в о д я тс я средние значения и зм е р е нн ы х ко н ц е н т р а ц и й л е гк и х ,,
с р е д н и х и т я ж е л ы х и о н о в о б е и х п о л я р н о с те й , пределы ко л е б а н и я к о н ц е н т п.
р а ц и й , о тн о ш е н и е q — _ !± и ч и с л о случаев.
И—
О тм е ти м , ч то л е гк и е и о н ы р а зб и ты по п о д в и ж н о с т и у с л о в н о на 4 и н т е р ­
вала, а сред ние и тя ж е л ы е и о н ы взяты для случаев с в е ж и х в о зд у ш н ы х,
масс.
Та б л и ц а 1
Концентрация
ионов
Пределы подвиж­
ности ионов
полож и­
^ см2/сек. в
тельных
■
5 ,0 - 4 ,0
4,0-3,0
3 ,0 - 2 ,0
2 , 0 — 1,0
0 ,1 - 0 ,0 1
0 ,0 1
94
115
166
256
928
1950
отрица­
тельных
25
78
116
139
666
1571
Пределы колеба­
ний величин
п+
П—
&<
ш
S
я
<и
а
о
я
н
о
3 8 -1 2 8
2 0 -3 8
6 2 -1 3 1 ■ 1,47
6 2 -1 7 2
1 0 6 -2 2 3 8 4 - 1 4 4
1,43
1 9 2 -2 9 4 6 5 - 2 2 9
1,84
2 4 7 0 -3 3 1 ,1 9 9 3 -2 2 0
1,39
5 0 6 0 -3 1 0 ,4 8 3 0 -5 6 0
1,24.
Число случаев
положи­ отрица­
тельных тельных
6
18
31
68
15
12
3 '
20
27
51
15
12
Обсуждение результатов измерений
О легких ионах
^ 'П о д во зд е йстви е м и о н и за т о р о в атм осф еры (к о с м и ч е с к и е л у ч и , р а д и о ­
а к т и в н е е эм а нац и и) вн о вь обра зованн ы е м о н о м о л е кул я р н ы е и о н ы в о зд у х а
и м ею т зн а чи те л ьн ы е п о д в и ж н о с т и , с о с та в л я ю ш и е п о данны м Б уссе [ 12]'
15 с м ^ /с е к.в и д а + = 1 4 , 4 с м ^ с е к .в .
М о л е к у л я р н ы й и о н п р и д авл ени и -760 м м ' р т . с т. соверш ает о к о л о 10*'
с то л кн о в е н и й в с е к у н д у ,с м о л е кул а м и га за . Е с л и в й о з д у х е имеется прим есь
га за с к о н ц е н т р а ц и е й х о т я бы 4 -1 0 ® и и м е ю щ е го с р о д с тв о к и о н у , т о
в очень к о р о т к и й п р о м е ж у т о к вр ем ени и о н п р и с о е д и н и т к себе м о л е ку л ы
п р и м е с и . В р е зу л ь та те о б р а зу е тс я „ л е г к и й ” и л и „м а л ы й " и о н , к о т о р ы й
о й л ч н о о б ус л о в л и в а е т в е р ти ка л ь н ы й т о к п р о в о д и м о с ти атм осф еры и ряд
д р у г и х явлений.
lOS'
Х о т я м еханизм об р азо ва ни я к о м п л е к с н о го и о н а или „с т а р е н и я ” м о н о :м о л е ку л я р н о го иона еще не п о л н о с ть ю ясен, о д н а ко не сом ненно [ 1 2 ] , Ц З ],
ч т о п а р ы вод ы и гр а ю т здесь су щ е с тв е н н у ю р о л ь . В о з м о ж н о , ч то при м еси
д р у г и х п о л я р н ы х м о л е ку л , и м е ю щ и хся в в о з д у х е , н а п рим ер N jO , N H 3 ,
т а к ж е и гр а ю т су щ е с тв е н н у ю р о л ь, но и х к о н ц е н т р а ц и и н а м н о го н и ж е
ко н ц е н т р а ц и и п ар о в вод ы .
А н а л и з о п ы то в [1 3 ] п о ка зы в а е т, ч то первоначальное при со е д и н е ни е
м о л е ку л ы вод ы к м о л е ку л я р н о м у и о н у им еет н и ч т о ж н у ю в е р о я тн о с ть , н о ,
если т а ко е объединение п р о и зо ш л о , т о в е р о я тн о с ть при со ед ин ени я д р у г и х
м о л е ку л вод ы н а с т о л ь ко с ил ьн о в о зр а с та е т, ч то ко н е ч н ы й к о м п л е к с создается
о чен ь б ы с т р о ,
М е сси и Б а р х о п [1 4 ] за кл ю ч а ю т, ч то первое при со ед ин ени е м о ж е т
п р о и з о й т и т о л ь к о п р и т р о й н о м с то л кн о в е н и и м е ж д у и о н о м , м о л е ку л о й
-ВОДЫ и м о л е ку л о й га за . П р и т а ко м с то л кн о в е н и и изб ы точн ая эн е р ги я к о м в о не нто в со уд а р е н и я п е рераспред е л яется на бол ьш ое число в н у т р е н н и х степеней
сво б о д ы и м о ж е т п о с те п е н н о р а стр а ч и в а ть ся . Н о , к а к и зв е стн о , в е р о я тн о с ть
т р о й н о го с то л кн о в е н и я мала, чем и объ ясняется малая в е р о я тн о сть п е р в о го
п р и со е д и н е н и я м о л е ку л вод ы .
П р и н и м а е тс я [1 4 ], [1 5 ], ч то м еханизм об разования п о л о ж и т е л ь н ы х и
о тр и ц а те л ь н ы х к о м п л е к с о в ид ентичен . М е х а н и з м об разовани я ко м п л е кс а
„м а л о го и о н а “ , по Я. И . Ф р е н ке л ю [1 5 ], за кл ю ча е тся в сл ед ую щ ем : о т н о с и ­
те л ь н о медленны е в то р и ч н ы е э л е кт р о н ы , а т а к ж е п о те р я в ш и е сво ю пе р в о н а ­
ча л ьную с ко р о с т ь п ер вичны е э л е кт р о н ы связы ваю тся с м о л е ку л о й ки с л о р о д а ,
об р а зуя о тр и ц а те л ь н ы й и о н О^, к к о т о р о м у п р и со е д и н я ю тся м о л е ку л ы па р о в ,
п р и тя ги в а ю щ и е с я к о т р и ц а те л ь н о м у и о н у п о л о ж и т е л ь н о й с т о р о н о й св о е го
д и п о л я (с о л ь в а т а ц и я ). А н а л о ги ч н о Ф р е н ке л ь [1 5 ] с ч и та е т в о з м о ж н о й и
ги д р а т а ц и ю и она.
О тн о с и те л ь н о числа м о л е ку л , с о с та в л я ю щ и х ко м п л е к с л е г к о го и она,
с у щ е с т в у ю т н е ко т о р ы е р а с х о ж д е н и я в вел ичин ах, п р и в о д и м ы х разны м и и с ­
следователям и; м о ж н о , о д н а ко , п р и н я ть э т о число о к о л о 2 0 — 3 0 .
Н олан
[1 6 ]
о ц е ни ва е т
числ о м о л е ку л
л е г к о го иона в пределах
18— 3 6 .
Б уссе [1 2 ], прим еняя т е о р е ти ч е с ки е ф о рм ул ы для п о д в и ж н о с т и и о н о в
и изм еренны е вел ичины п о д в и ж н о с т и , оценивает к о м п л е кс н ы й и о н в 2 0 — 3 0
м о л е ку л в о д я н о го пара.
Л еб [1 7 ] и з анализа сил , д е й с т в у ю щ и х м е ж д у ионом и д и п о л ь н ы м и
м о л е кул а м и , н а х о д и т , ч то у с то й ч и в ы й ко м п л е к с о б р а зуе тся п р и числе
м о л е ку л д о 3 0 . П р и больш ем числе м о л е ку л к о м п л е к с у ж е с та н о ви тся
н е ус то й ч и в ы м . У ч и ты в а я т а к ж е и зв е стн ы й ф а кт, ч т о л е гки е и о ны т р е б у ю т
з н а ч и те л ь н ы х п ересы щ ений в о д я н о го па р а , на пр и м е р , в кам ере В и л ь со н а для
о б ра зовани я к р у п н ы х а гр е га т о в , нельзя со гл а с и ть с я с замечанием Ф р е н ке л я ]1 5 1 ,
ч то „с т а р е н и е " л е г к о го и о н а м о ж е т п р о д о л ж а т ь с я в п л о ть до об разования
м е л ьча йш и х ка п е л е к воды с р а д и усо м п о р я д ка 1 0 ~® см.
Т а к и м о б р а зо м , за „ л е г к и й " или „м а л ы й " и о н пр и ни м а е тся к о м п л е к с
д о 30 м о л е ку л га за , н е су щ и й 1 эл ем ентарны й заряд.
Л еб [1 7 ] на о сн о в а н и и с в о и х у т о ч н е н н ы х д а н н ы х , а т а к ж е из анализа
д а н н ы х ряда а в то р о в дает сл ед ую щ и е значения п о д в и ж н о с т и л е г к о го и о н а :
- « /_ = = 2 , 2 и ■а;_(.= 1 , 6 см ^/се к. в.
В рем я „с т а р е н и я " м о н о м о л е ку л я р н о го и о н а д о л е гк о го оц енивается р а з ­
ны м и авторам и р а зл и ч н о . Э т о вре м я, е стестве нно , за в и си т о т в л а ж н о с ти и
с те п е н и за гр я зн е н и я в о з д у х а . П о данны м Л еба [1 7 ] э т о врем я оц енивается
о т 10—' д о 10~® с е к. П о более р а н н и м данны м [1 8 ] об разовани е к о м п л е к с а
п р о и с х о д и т в п р о м е ж у т к е вре м ени, н е м н о го м еньш ем 0 ,3 5 се к.
В в и д у т о г о ч т о п р о ц е с с „с т а р е н и я " м о н о м о л е ку л я р н ы х и о н о в заним ает
к а к о й - т о п р о м е ж у т о к вре м ени, а и о н и за ц и я, атм осф еры п р о и с х о д и т н е п р е ­
р ы в н о , т о в к а ж д ы й д анны й м ом ент п р и ра в н о в е сн о м с о с то я н и и д о л ж н ы
110
с у щ е с тв о в а ть и оны со значи тел ьн ы м и п о д в и ж н о с т я м и , являю щ иеся п е р е х о д ­
н ы м и м е ж д у м о н о м о л е ку л я р н ы м и и м алы м и атм осф ерны м и ионам и.
Весьм а п о д в и ж н ы е и о ны не бы ли определены д о с и х п о р в о б ы ч н ы х
у с л о в и я х всл ед стви е весьма к о р о т к о г о пе р и о д а и х „ ж и з н и ,“ а т а к ж е б л а го ­
даря т о м у , ч т о п р и п р и м е н я в ш и х с я м е то д а х определения средней п о д в и ж ­
н о с т и и о н о в (с п о с о б Г е р д и е н а и л и сп о с о б М а х е ) э ти и о н ы не м о гл и бы ть
о б н а р у ж е н ы . А в т о р о м бы ли о б н а р у ж е н ы в атмосф ере и о ны с п о д в и ж н о с т ь ю
■ w ^ — 4 — 5 с м */с е к.в и к о н ц е н т р а ц и е й Л ц _ = 4 0 — 100 ион/см®.
Р е зу л ь та ты и зм ерени й с п е кт р а л е г к и х и о н о в при вед ен ы в та б л . 1.
И з та б л . 1 в ы те ка е т, ч то и о н ы с п о д в и ж н о с т я м и , л е ж а щ и м и в п р е д е ­
л а х 2 — 5 с м */с е к.в , не являю тся р е д ки м и скл ю че н и е м и п р и на длеж ащ ей
а п п а р а ту р е м о гу т всегда на бл ю д а ться. А в т о р о м за ф и кси р о ва н о 105 случаев
л е гк о п о д в и ж н ы х и о н о в .
Ч ем б ол ьш е п о д в и ж н о с т ь и о н о в , тем м еньш е и х ко н ц е н т р а ц и я , к о т о р а я
падает с н е с к о л ь к и х со тен для л е г к и х ионов д о н е с к о л ь к и х д е с я тко в для
весьм а п о д в и ж н ы х .
В е л ичи на q — о тн о ш е н и е ко н ц е н т р а ц и й п о л о ж и т е л ь н ы х ионов к о т р и ц а ­
те л ьны м — имеет н е к о т о р у ю те нд е н ц и ю к во зр а с та н и ю п о мере ум еньш ения
подвиж ности.
Ионы
п о вы ш е н н о й п о д в и ж н о с т и на ш л и в с п е кт р е и о н о в Н о р и н д е р
л С и ксн а [ 1 ]. Н а й д е н н ы е им и значения п о д в и ж н о с т и и о н о в б л и з ки к значе-т
ниям , изм еренны м в пр о ц е ссе э т о й р а б о ты . Н о р и н д е р и С и ксн а п р е д л а га ю т
р а зл и ч а ть две гр у п п ы м а л ы х и о н о в ; со б стве н н о малые с п о д в и ж н о с тя м и
— 1 ,5 — 2 ,5
см ^/се к.в
и
изм ененны е
м алы е ионы
с п о д в и ж н о с тя м и
< 0 ,3 — 0 ,5 ) н - ( 1 , 0 — 1 ,5 ) с м ^/се к.в .
О средних ионах
С редние и о н ы , о т кр ы т ы е П о л л о ко м [1 9 ], пре д ста вл я ю т п о размерам
п е р е х о д н у ю с ту п е н ь о т л е г к и х и о н о в к тя ж ел ы м . П о л л о к наш ел, ч то и х
средняя п о д в и ж н о с т ь р а в н а 0 , 0 1 .
П о Б е нн д о р ф у [2 0 ], и х п о д в и ж н о с т ь н а хо д и тся в пр е д е л а х о т 0,1 д о 0 ,0 1 .
О б н а р у ж и в а ю т с я э т и и о ны с р а вн и те л ь н о более р е д к о , чем д р у ги е гр у п п ы
и о н о в . Э т о явление у ка з ы в а е т на н е с к о л ь ко о т л и ч н у ю и х п р и р о д у о т п р и ­
р о д ы м ал ы х и о н о в . Х о г г [3 1 ] у ка з ы в а е т , ч то и х п р и р о д а о д и н а ко в а с п р и ­
р о д о й т я ж е л ы х и о н о в , и пр ед л а га ет о тл и ч а ть „га з о в ы е “ и о н ы , или л е гки е , о т
.„я д е р н ы х “ ; к п осл ед ним о тн о с я тся и о н ы , к о т о р ы е м о гу т бы ть ядрам и к о н д е н ­
с а ц и и в о д я н о го п а р а в о б ы ч н ы х у с л о в и я х . Т а к и м и ионам и он сч и та е т
т я ж е л ы е и ср е д н ие . С редние и оны [2 1 ] п р е д ста вл я ю т с о б о й к а п е л ь к у с е р ­
н о й к и с л о т ы , к о т о р у ю о б в о л а ки в а ю т м о л е кул ы в о д я н о го п а р а . Э т о м нение
Х о г г осно вы ва ет на х а р а к т е р е изм енения п о д в и ж н о с т и с р е д н и х и о н о в с и зм е ­
нением о тн о с и те л ь н о й в л а ж н о с т и . П о Х о г г у , та ка я к а п е л ь ка с о с т о и т из
2 2 0 или более м о л е ку л в о д н о го р а с тв о р а се р н о й к и с л о т ы . В о зн и кн о в е н и е
т а к и х ка п е л е к о т н о с я т [ 2 1 ] , [ 2 2 ] . за счет и н д у с тр и а л ь н ы х п р о д у к т о в
с го р а н и я .
Р а зм ер ы
с р е д н е го
и о н а в р а б о те
[2 1 ]
о ц ени ваю тся
вел ичинам и
3 - 9 . 1 0 - 7 см’.
В д а н н о й р а б о те во м н о ги х с л у ч а я х о б н а р у ж е н ы зна ч и те л ь н ы е к о н ц е н т jpauHH с р е д н и х и о н о в , к о т о р ы е т о ч н о т а к ж е , к а к и к о н ц е н т р а ц и и м ал ы х
и о н о в , п о вы ш а л и сь с ум еньш ением п о д в и ж н о с т и .
С ред ние значения
и я _ для с р е д н и х и о н о в приведены в та б л . 1
•(5 -я с т р о к а ). Х а р а кт е р изм енения ко н ц е н т р а ц и й с р е д н и х и о н о в с по д в и ж гн о с т ь ю пр е д ста вл е н на р и с . 2 — 4.
Д а н н ы е , на бл ю дени й п о ка зы в а ю т , ч то средние и о ны явл яю тся более
«обш ирной гр у п п о й , чем л е гки е и о н ы . С редние, ионы „с г л а ж и в а ю т " п е р е ги б
111
в и о н н о й х а р а к т е р и с т и к е м е ж д у л е гк и м и и тя ж е л ы м и и о н а м и . О со б е н н о ’
сил ьно сгл а ж е н н ы е и о н н ы е х а р а к т е р и с т и к и
на блю дались в д н и , к о гд а
в ра й он е Л е н и н гр а д а п р и на л ичи и сл аб ы х в е тр о в и л и ш т и л я у д е р ж и в а л с я на
значи те л ьн ое врем я в о з д у х , к о т о р ы й загрязн я л ся Дымами, пы л ью и п р о д у к ­
там и сго р а н и я .
Характер ионного спектра
Д о н а сто я ш е го врем ени в о п р о с о х а р а кте р е и о н н о го с п е к т р а не р е ш е н .
В начале на о сно в а ни и на бл ю дени й л и б о с не со в е р ш е н н о й а п п а р а т у р о й , л и б о
в л а б о р а т о р н ы х у с л о в и я х п р е д п о л а га л и , ч то л о н ы п о и х п о д в и ж н о с т и
д елятся на две гр у п п ы : л е гк и е и тя ж е л ы е . Более п озд ни е изм ерения п о к а ­
зал и, ч то с у щ е с тв у е т и т р е ть я г р у п п а — средние и о н ы . Т а к к а к д р у ги е ионы
не о б н а р у ж и в а л и с ь , т о у с та н о в и л а с ь т о ч к а зрени я, ч то и о н о в п р о м е ж у т о ч н ы х
п о д в и ж н о с т е й в атм осф ерном в о зд у х е не с у щ е с тв у е т. Э т о с о о т в е т с тв у е т
п р е д ста вл ен ию о д и с к р е т н ы х Г р у п п а х и о н о в , л о ка л ь н о р а с п о л о ж е н н ы х
в н е к о т о р ы х у з к и х пре д е л ах п о д в и ж н о с т и .
Э т о м нение основы вал ось на на бл ю д ени ях Г о к к е л я [2 3 ] в Ш в е й ц а р с к и х
А л ь п а х . И м бы ло зам ечено, ч то ко н ц е н т р а ц и и л е г к и х и т я ж е л ы х и о н о в
н а хо д я тся в о б р а тн о й за в и си м о сти . В связи с этим Г о к к е л ь вы сказал п р е д п о ­
л о ж е н и е , ч то тя ж е л ы е и о н ы о б р а зу ю тс я за счет а д с о р б ц и и л е гк и х и о н о в на
н е й тр а л ь н ы х я д р а х ко н д е н с а ц и и .
Б олее по зд н и е изм ерения ко н ц е н т р а ц и и и о н о в И зр а э л я [2 4 ], К еллера [2 2 ],.
В а й та и Т о р р е с о н а [ 2 5 ] , Н о л а н а и д е -С а ш и [2 6 ], Н о л а н а , Б ойлан а и
д е -С а ш и [2 7 ] п о д т в е р ж д а ю т п р е д п о л о ж е н и е Г о к к е л я о м еханизм е о б разов ани я
т я ж е л ы х и о н о в , т а к к а к все о н и н а хо д я т о б р а тн у ю за ви си м о сть м е ж д у
т я ж е л ы м и и л е гки м и и о н а м и . Тем не, менее э т и а вто р ы н а р я д у с д р у ги м и
о б н а р у ж и л и в атм осф ере и о н ы с самы м и ра зл и чн ы м и п о д в и ж н о с т я м и .
Н о л а н и е го с о т р у д н и к и [2 7 [ на о с н о в а н и и ф а кта м ед ленного р о с та
и о н н о й х а р а к т е р и с т и к и у начала т о к а насы щ ения у ка з ы в а ю т на наличие
в атмосф ере „с м е си г р у п п " и о н о в , и м е ю щ и х б л и зки е п о д в и ж н о с т и . А в т о р у
п р е д ста вл я е тся , ч то ги п о т е з а Г о к к е л я о м еханизм е об разовани я т я ж е л ы х
и о н о в п о д тв е р ж д а е тс я п о ч т и всеми исследователям и, а т а к ж е и при веденны м и
р е зул ь та та м и изм е р ени й , н о это п р е д п о л о ж е н и е не т р е б у е т сущ е с тв о в а н и я
п р е р ы в и с то го с п е кт р а и о н о в . Н а л и чи е ср е д н и х и о н о в в зн а чи те л ь н о й м ере
за полняет пр об е л п о д в и ж н о с те й м е ж д у л е гки м и и тяж е л ы м и и о н а м и . В т о ж е
врем я в^ атм осф ере и м е ю тся не й тральны е ядра ко н д е н с а ц и и сам ы х р а з л и ч н ы х
р азм еро в (р а д и у с ы п о р я д ка 1 • 1 0~'^— 5 • 10~® с м ). П о э т о м у т а к ж е вероятнона л ичи е и т я ж е л ы х и о н о в с ш и р о к и м интервалом п о д в и ж н о с т е й .
К а к и зв е стн о , кр и в а я за в и си м о сти т о к а в ко н д е н с а то р е о т п р и л агаем ого,
на п р я ж е н и я с о с т о и т для ч и с т ы х с у х и х га зо в из д в у х у ч а с т к о в : линейногоу ч а с т к а (о м и ч е с к о го т о к а ) и н е л и н е й н о го у ч а с т к а (т о к а на сы щ е н и я ). Д л я
п р о ф и л ь т р о в а н н о го к о м н а т н о го в о з д у х а б о л ь ш и н с тв о исследователей д е й с т в и ­
те л ь н о п о л уч а л и т о л ь к о две ве тви . Н о для а тм о с ф е р н о го в о з д у х а у у к а з а н ­
н ы х а в то р о в т о к насы щ ения п о ч т и всегд а им ел те нд е н ц и ю к по вы ш е н и ю [2 7 ] .
Д л я а тм о сф ер но го в о з д у х а т а к и е к а к бы „и д е а л ь н ы е ” и онн ы е х а р а к т е р и ­
с т и к и , пред ста вл е н ны е Двум я у ч а с т к а м и к р и в о й , м о гу т бы ть получены ,
в о соб о ч и с то м с у х о м в о зд у х е . В о к р е с т н о с т я х ж е б о л ь ш и х го р о д о в
в связи с зад ы м ленностью и за п ы л е н н о сть ю атм осф еры т а к и е ус л о в и я м о гу т
б ы ть кр а тко в р е м е н н ы м и и п р о я в л я ть ся п осл е смены в о з д у ш н о й м ассы .
М о ж н о с ч и т а т ь , ч то п р и б л и ж е н и е и о н н о й х а р а к т е р и с т и к и к „и д е а л ь н о й "
и нал ичие зн а ч и те л ь н ы х ко н ц е н т р а ц и й л е гк и х и о н о в с л у ж и т м ерой степени,
чистоты воздуха.
В и д и о н н о й х а р а к т е р и с т и к и дает сл ед ую щ и е сведения об и о н н о м с п е к т р е
(п о м и м о д а н н ы х о ко н ц е н т р а ц и и и о н о в д а н н о й п о д в и ж н о с т и ): а) изгибы ,
в к р и в о й х а р а к т е р и з у ю т нал ичие д и с к р е т н ы х г р у п п и о н о в ; б ) ра зм ы тй е :
112
тплавные п е р е хо д ы м е ж д у отд е л ьны м и у ч а с тк а м и к р и в о й у ка з ы в а ю т на н а л и ­
ч и е -и о н о в п р о м е ж у т о ч н о й п о д в и ж н о с т и .'
Н а основании, анализа п о л у ч е н н ы х и о н н ы х х а р а к т е р и с т и к м о ж н о о тм е ти ть
с л е д ую щ е е.
I.
Х о д и о н н о й х а р а к т е р и с т и к и , а следовательно, и ви д и о н н о го с п е кт р а
бы вает разл ичн ы м в за ви си м о сти гл авн ы м об разом
о т сте пе ни ч и с то ты
в о з д у х а , в л а ж н о с ти атм осф еры и , в е р о я тн о , зави си т более слабо о т ряда
д р у г и х ф а кто р о в .
■И. М о ж н о р а зл и ч а ть и о нн ы е х а р а к т е р и с т и к и т р е х ви д о в:
1. П р е р ы в и с то е распредел ение и л и д и с к р е т н ы й с п е кт р п о д в и ж н о с т е й
.и о н о в (р и с . 2 ) .
В х а р а к т е р и с т и к а х э т о го вида к о н ц е н т р а ц и и и о н о в р а с п о л а га ю тс я г р у п ­
пам и в ср а в н и те л ь н о у з к и х и н те р ва л а х п о д в и ж н о с т е й с р е з ки м и , п р е р ы в и ­
сты м и п е р е хо д а м и о т о д н о й гр у п п ы к д р у г о й . И о н н ы е х а р а к т е р и с т и к и э т о го
вида им ею т р е з ко вы деляю щ иеся и з ги б ы . Э т о т вид распределения и о н о в
б л и з о к к х а р а к т е р и с т и к а м , получаем ы м в л а б о р а то р н ы х у с л о в и я х с чисты м
сухи м воздухом ,
2 . П л а в н о -п р е р ы в и с то е распредел ение (р и с . 3 ).
*
10 20 30 йО 5 0 60 70 вО
200 V-,
Рис. 2. Ионная характеристика
с прерывистым распределением
ионов по подвижности.
Рис. 3. Ионная характеристика с
плавно-прерывистым распределением
ионов по подвижности.
7— л _, 2 — п^.
I — /г_ , 2 — tij^.
В х а р а к т е р и с т и к а х рельеф но вы деляю тся у ч а с т к и к р и в о й , х а р а кте р н ы е
.для т о к а насы щ ения и о м и ч е с ко го т о к а , , о д н а ко м е ж д у ним и имеется п л а в ­
н ы й п е р е х о д . К о н ц е н тр а ц и я и о н о в п осле п е р е ги б а к т о к у насы щ ения имеет
с л а б у ю те н д е н ц и ю к в о зр а с та н и ю .
3)
П л а вн ое распред еление и л и н е п р е р ы вн ы й с п е кт р п о д в и ж н о с т е й и онов
(р и с . 4 ) .
_
И о н н ы е х а р а к т е р и с т и к и п о ка зы в а ю т не пр е р ы вно е во зр а ста н и е к о н ц е н т р а ­
ц и и и о н о в п о ч т и л и ней н о с ум е н ьш е н ием п о д в и ж н о с т и . Т а ки е х а р а к т е р и с т и к и
с в о й стве н н ы для у с л о в и й со зн а ч и те л ь н о й ко н ц е н т р а ц и е й с р е д н и х и т я ж е л ы х
и о н о в . Т а к и м о б р а зо м , в за ви си м о сти о т у с л о в и й с п е к т р м о ж е т со сто я ть
л и б о и з д и с к р е т н ы х п о п о д в и ж н о с т и г р у п п и о н о в , либо со д е р ж а ть ионы
с не пр е ры вны м с п е кт р о м п о д в и ж н о с т е й .
О классификации ионов
. П о с к о л ь к у в атм осф ере и м ею тся разл ичн ы е и о н ы , н е о б х о д и м о и х к л а с ­
сиф и ц и р о ва ть п о к а к о м у -л и б о п а р а м е тр у, х а р а к т е р и з у ю щ е м у и х с войства.
Т а к и м п а р а м е тр о м является п о д в и ж н о с т ь и о н о в . Д р у г и е па р а м е тр ы и о н о в —
х и м и ч е с к и й состав га за , с о с та в л я ю щ е го к о м п л е к с и о н а , е го заряд —
опр ед ел я ю тся весьма с л о ж н ы м и и ко св е н н ы м и с п о со б а м и . П о э т о м у п о д в и ж н р с т ь и о н д является о с н о в н о й е го х а р а к т е р и с т и к о й , даю щ ей в о з м о ж н о с ть
в ы ч и с л и т ь м а ссу и о н а .
8
Труды ГГО, вып. 97
113
Н е о б х о д и м о о тм е т и т ь , ч то п р и р а с ч е та х у с л о в н о заряд иона приним ается:
равны м 1 элем ен тар н о м у за р я д у. Э т о д о п у щ е н и е с п равед л иво для л е г к и х
и о н о в , а для ср е д н и х и тя ж е л ы х , в е р о я тн о , является д о в о л ь н о гр у б ы м д о п у ­
щ ением . П р и кл а сс и ф и ка ц и и и о н о в п о п о д в и ж н о с т и м о ж н о и с х о д и ть изряда п р и зн а ко в :
а) п о х а р а к т е р у и х об разовани я;
б ) п о у с л о в н о м у делению с п е кт р а и о н о в на отдельны е у ч а с т к и ;
в ) по н а л ичи ю в атмосф ере р а з л и ч н ы х г р у п п и онов.
Д о л го е время м н о ги е а вто ры сч и та л и , ч то следует разл и ч а ть т о л ь к о двас о р т а и о н о в : ббльш ие и малые. П р и делении и о н о в на у ка за н н ы е две гр у п п ы :
Рис. 4. Ионная характеристика с непрерывным распределением ионов по подвижности.
и с х о д я т из х а р а к те р а и х о б разовани я. Т а ко е деление бы ло х а р а к те р н о для
р а н н и х р а б о т п о изм ерениям к о н ц е н т р а ц и и атм осф ерны х и о н о в и и х п о д ­
виж ности.
С не д авнего врем ени стал и ра зл и ч а ть т р и основны е гр у п п ы и о н о в , исход я
к а к бы из и с т о р и и и х о т кр ы т и я .
М ал ы е, и л и л е гки е , и о н ы , о т кр ы т ы е Э л ьсте ром и Гейтелем в 1899 г . и:
названны е „в о з д у ш н ы м и " с п о д в и ж н о с т ь ю Я У ^ .= 1 ,0 — 1 ,5 см */с е к. в; больш ие,,
или тя ж е л ы е , и о н ы , о т кр ы т ы е Л а н ж е в е н о м в 1905 г . с п о д в и ж н о с т ь ю
= 0 ,0 0 0 3 см ® /сек,в; средние, и л и п р о м е ж у т о ч н ы е , ионы , о т кр ы т ы е П о л ­
л о к о м [1 9 ] в 1909 г . с п о д в и ж н о с т ь ю •Z0 + = O,O1 с м ^ /се к.в . И зр а эл ь [2 4 ],
К ел л ер [2 2 ], Б у и [2 8 ] и д р у ги е на ш ли и оны с п о д в и ж н о с тя м и м еньш е Ю ” '*'
и назвали и х у л ь тр а тя ж е л ы м и ионам и. И зр а эл ь и Ш у л ь ц [2 9 ], а т а к ж е
Таблица
Ионы
Ультра л е г к и е .......................................................................... .
Весьма легкие ..................................................................................
Л е г к и е ..................................................................................................
Средние более мелкие . . . . . .....................................
Средние более к р у п н ы е ..................................................................
Тяжелые ионы Ланжевена .........................................................
У лы ратяж елы е ............................. ....................................................
2-
Подвижность
W см2/сек.в
4 - 1 .5
1 .5 - 0 ,1
> 1 0 0 .1 0 - 4
10 0 - 1 0 - 10 - ^
2 .5 - 1 0 .1 0 - 4
< 2,5.10-10-'*
К ел л ер [2 2 ] п р е д л а га ю т д ел ить и о ны по Н о д в и ж н о с ти н а ’5 г р у п п , причем;
х а р а к т е р деления и пределы и нте р ва л ов п о д в и ж н о с т е й в [2 9 ] и [2 2 ] б л и з ки
м е ж д у собо й .
114
Т а к и м об р а зо м , п р о д о л ж а я п о д р о б н у ю кл а сс и ф и ка ц и ю и о н о в И зр а э л я и;
Ш у л ь ц а [2 9 ] т а к ж е и в с т о р о н у л е г к и х и о н о в , п о л у ч и м и о н н ы й с п е к т р ,
(т а б л . 2 ) .
Выводы
1) в те чение 14 месяцев 1938 и 1939 г г . в Л е сн о м (п р и го р о д е Л е н и н ­
гр а д а ) бы ло п о л у ч е н о 2 2 8 и о н н ы х с п е кт р о в м етодом сняти я и о н н ы х х а р а к т е ­
ри сти к.
2 ) И з 87 сл учаев в 7 0
пр ео б л а д ает над « _ , в 6 с л у ч а я х — л _ н а д
и в I I случаях п + = п — .
О тн о ш е н и е ^
п.
ко л е б л е тся в Т а к и х пр е д е л а х: для л е г к и х
ионов от
0 ,8 2 2 д о 2 ,3 2 0 , для с р е д н и х более м е л ки х о т 0 ,9 5 5 д о 1,449, для с р е д н и х
более к р у п н ы х о т 0 ,8 5 5 д о 2 ,6 2 4 .
3 ) В числе л е г к и х и о н о в на м и о б н а р у ж е н ы и о ны с п о д в и ж н о с т я м и
о т 1 ,5 д о 5 см ^/се к. в . К о н ц е н тр а ц и и т а к и х весьм а п о д в и ж н ы х и о н о в неве­
л и к и . П р е д п о л а га е тся , ч то о н и являю тся п е р е х о д н о й с ту п е н ь ю о т м о н о м о л е ­
к у л я р н ы х и о н о в , и м е ю щ и х п о д в и ж н о с т и о т 1 5 — 12 с м ^ /се к.в , к обы чны м
малым ионам с п о д в и ж н о с т ь ю 1 ,5 с м */с е к.в .
4 ) В у с л о в и я х Л е н и н гр а д а п р и н а б л ю д ени я х всегд а отм ечалось наличие
г р у п п ы „с р е д н и х более м е л к и х " и о н о в .
5 ) А вто ром
отм ечено, ч то распределение п о д в и ж н о с те й а тм о сф е р н ы х
и о н о в бы вает т р е х в и д о в .
1. П р е р ы в и с т о е распред еление с р е з к о вы деляю щ им ися гр у п п а м и и о н о в ,
у к о т о р ы х ко н ц е н т р а ц и и и о н о в д и с к р е т н о р а с п о л а га ю тс я в у з к и х и н т е р в а л а х
п о д в и ж н о с т е й . М е ж д у гр у п п а м и и м е ю тся пр о б е л ы п о п о д в и ж н о с т и .
2 . П л а в н о -п р е р ы в и с то е распределение,
гд е зам етны д и с кр е т н ы е г р у п п ы
и о н о в , р а сп о л о ж е н н ы е в
о п р ед е л е нны х и н те р ва л а х
подвиж ности; м еж д у
гр у п п а м и и о н о в имеется с р а вн ите л ьн о п л а в н ы й п е р е х о д без п р о б е л е ? .
3. П л авн о е в о зр астани е к о н ц е н т р а ц и и и о н о в о т наиболее *л е Г к и х к более
тя ж е л ы м п о всем у с п е к т р у п о д в и ж н о с т е й .
4. Д о п о л н и т е л ь н о к кл а с с и ф и ка ц и и И зр а эл я и Ш у л ь ц а [2 9 ] т я ж е л ы х и.
с р е д н и х и о н о в в в о д и тся т а к ж е п о д р о б н а я кл а сс и ф и ка ц и я для л е гк и х и о н о в
в следую щ ем виде:
1) у л ь т р а л е гки е с -ге; > 4 с м * /с е к .в ;
2 ) весьм а п о д в и ж н ы е и о ны с •аг»< 4 — 1,5 с м ^ /с е к.в ;
3 ) л е гк и е
и о ны с д а - ^ 1 , 5 — 0,1 с м */с е к.в и дальш е по И зр а э л ю и.
Ш ульцу.
ЛИТЕРАТУРА
1. N o r i n d e r Н., S i c s n a R. Mobiliity of atmospheric ions during summer night at
Uppsala. Journ. Atm. Terr. Phys. 4. 1953.
2. Ц в а и г Л. P. Имиульотые иаме|рения опеастра лепних ионов в атмосфере. Авто1
реферрат дисиертащии. Ин-т 1
приклздной геофизики АН СССР. М. 1956.
1Двамнг Л. Р. Ипм!у1
льаный метод иэмвреиия опентра лелиих ионов в атмосфере.
Изв. АН СССР, сер. геофиаич., № 2. 1956.
3. К о м а р о в Н. Н. К вопросу о методике ш учеаия ианизащианиого состояния при­
земного слоя воздуха. Автореферат диссертации. МГУ. 1956.
4. О б о л е н с к и й В. Н. Метеорология, ч. П. Гидрометеоиздат. Л.^—М. 1939.
5. Г е р а с и м о в а М. Н. К методике из1
мерения соде|ржания ионов в атмосфере и оновом счетчике ионов. Труды ГГО, вып. 30. 1939.
6. И м я н и т о в И. М. Црибары и методы для изучения электричеств^а атмосферы.
Гостехиздат. М. 1957.
7. В е с к е г А. Ein neuer Zylinderkondensator zur Untersuchung leitender Gase.
Zeitschr. Instrumentkunde, 8. 1909.
8. Г е с с В. Иоииэация атмосферы и ее причины. ГИЗ. 1930.
9. S w a n n W. F. G. On certain m atters relating to the theory of atmospheric-electric
measurements. Terr. Magn. Atm. El,. 19. 1914.
8*
ns
/
/
Ю, W е g е г N. Eine Verbesserung der Methodik der Kleiniotien-Zahlung. Pkys.
Zeitschr, 36. 1935.
11. К э й Д я Л э б и т . Справочник физика эжсперимеитатора. ИИ Л. 1949.?
12. B u s s е W. Ober den Nachweis monomolecu агеп lonen in Luft und das' Bestehen
von Fernkraften zwischen Ion und Gasmolekul. Ann. der. Physik, 81. 1926.
13. M u n s o n R. J., T y n d a l l A. M; The mobility of alkali ions in gases, I. The atT
tachment of vifater molecules to alcali ions in gases. Proc. Royal Soc, A, 172. 1939.
14. М е с с и Г., Б а р х о п E. Электронные и иоиные столкновения. ИИЛ. М. 1958.
15. Ф р е н к е л ь Я. И. Теория явлений атмосферного электричества. ГТТИ. Л.—М.
16.
N о 1 а п J. J. The nature of the ions produced in air by radioactive bodies. Proc.
Royal Irish acad.;, A, 35. 1920.
17. Л е б Л. Основные процессы электрических разрядов в газах. ГТТИ. 1950.
18. B e c k e r А. Ober die Elektrizitatstrager in Gasen. Ann. der Physik, 36. 1911.
19. P o l l o c k I. A. A new type of ion in the air. Phil. Mag.
Journ,
Science,29.,1915.
20. Б е я н д о р ф Г . Атмосферное электричество. Г Т Т И . 1934.
21. H o g g А. R. The intermediate ions of the atmosphere. Proc. Phys, Soc., 51., 1939,
'22. K a h l e r
К Ober die Verteilung der Elektrizitatstrager in der Atmosphere. M et
Zeitschr., 47. 1930.
23. G o c k e l A.. Luftelektrische Beobachtungen in Schweizirischen MitteMand, um Jura
und in den Alpen. Neue Denkschriften Schweiz. Naturforsch. Geselsch., 54,1.1914.
24. I s r a e l H. Untersuchungen iiber schweren lonen in der Atmosphere. GerL Beitr. zur
Geophys., 26. 1930.
-25. W a i t G. R,, T o r r e s o n O. W. The large and small ions contents of the atm o­
sphere at Washington, D. C. Terr. Magn. Atm. Elect. 39. 1934.
26. N o l a n J. J., de S a c h y G. R'. Atmospheric ionisation. Rroc. Royal Irish Acad. A,
37. 1927.
27. N o l a n J. J., В о i 1 a n R. K., de S a с h у G. R. The equilibrium of ionization in the
atmosphere. Proc. Royal Irish Acad., A, 37. 1925.
28. В о о i J. Messungen des lonenspectrums in Innsbruck. Gerl. Beitr. zur Geophys.,
37. 932.
29. I s r a e l H., S c h u l z L. Uber die Grossen-Verteilung der atmospherischen lonen.
Met. Zeitschr., 49. 1932.
Г-МИНГРАДСЧОГО
,
м е те о р о л о ги ч е с ко го
' ИНСТИТУТА
Скачать