Моделирование грозовых явлений

Размещено на http://www.allbest.ru/

МОДЕЛИРОВАНИЕ ГРОЗОВЫХ ЯВЛЕНИЙ

гроза модель плазменный облако

А.Н. Буравченко, Я.П. Раковский, Т.А. Утицких

ХГЗВА, г. Харьков, Украина

Аннотация. Рассматривается плазменная модель грозы, принципиально меняющая известные теоретические представления о процессах грозового облака.

Ключевые слова: электронный ключ, плазменная электризация, природный пресс.

Актуальность проблемы. Существует ряд теорий грозы. К сожалению, ни одна из них на сегодня не является общепринятой. Выполненная работа актуальна тем, что в ней, априори, принята плазменная модель грозы, позволившая установить закономерную связь плазмы с известными процессами грозового облака.

Задание исследования. Изучение физических процессов, протекающих в грозовых облаках, формализация результатов в систему теоретических знаний, позволяющих обозначить возможные пути их практической реализации в аграрном секторе. Конечной целью исследований является создание экологически чистой технологии управления водными ресурсами облаков [1].

Материалы исследования. Анализ научно-технической литературы, результаты собственных работ. Метод исследования базируется на курсе общей физики и элементах физики плазмы.

Результаты исследования. Все облака по мере своего развития электризуются. Наиболее сильно это проявляется в грозовых, где наряду с униполярными областями образуются зоны с примерно равной концентрацией зарядов двух знаков [2]. Отмечается, что такие зоны электронейтральны, а это, как известно, одно из свойств, присущих плазме. Закономерен вопрос, насколько близка такая зона зарядов по своим свойствам к плазме?

Совокупность заряженных и нейтральных частиц может рассматриваться как плазма, если в ней реализованы определенные условия. Так, для идеальной плазмы кинетическая энергия частиц должна значительно превышать их потенциальную энергию взаимодействия. Это условие можно выразить как

, (1)

где - заряд частицы, - плотность зарядов, - электрическая постоянная, - постоянная Больцмана, - температура среды.

По определению плазма электрически квазинейтральна. Это означает примерное равенство зарядов двух знаков, но только в среднем - для достаточно больших объемов и интервалов времени. Масштабы времени и длины, в пределах которых может быть нарушена нейтральность, определяются временным и пространственным масштабами разделения зарядов

(2)

(3)

Если время меньше времени возмущения действующего на плазму - квазинейтральность не соблюдается. Только при нарушение нейтральности приводит к быстрым колебаниям плотности зарядов. В среднем, за несколько периодов, плазма возвращается в нейтральное состояние. Величина есть плазменная частота.

Дебаевский радиус определяет пространственное разделение зарядов, где может не соблюдаться нейтральность плазмы. В этом случае, электрическое поле, созданное избытком частиц одного знака в пространстве недостаточно, чтобы определять коллективное движение частиц. В разреженной плазме может превышать линейный размер совокупности заряженных и нейтральных частиц. Тогда их движение принимает независимый друг от друга характер, - квазинейтральность не обеспечивается и такая среда не является плазмой. Только при

(4)

плазма квазинейтральна (в грозовом облаке порядка сотен метров и более). Чем выше плотность зарядов, тем больше и тем меньше масштаб разделения зарядов как во времени, так и в пространстве. Плотная плазма практически всегда электронейтральна. Неравенство (4) выполняется, если в дебаевской сфере находится большое число частиц

(5)

Дебаевское число определяет также примерную частоту столкновений частиц

(6)

а через длину свободного пробега частиц - как ее скорость движения деленная на

(7)

Роль коллективных процессов в плазме велика, если выполняются неравенства и .

Рассмотрим на примере условия образования плазмы в грозовом облаке. Принимая во внимание огромные величины массы и заряда облачных частиц в начальной стадии грозы, примем радиус частицы , массу и заряд . Формула для расчета (2) справедлива, если радиус частиц значительно меньше среднего свободного пробега молекул газа . В противном случае движущаяся частица кроме электрической силы будет испытывать силу сопротивления со стороны воздуха. Согласно уравнению Стокса эта сила пропорциональна , скорости движения частицы под действием внешней силы и вязкости воздуха

(8)

Для определения с учетом вязкости воздуха приравняем силы

, где

(9)

Тогда выражая скорость через смещение , частицы деленное на характерное время получаем:

(10)

Аналогично находим пространственный масштаб разделения зарядов

(11)

При соотношении кинетической и потенциальной энергий частиц, например, получаем:

- значение необходимой кинетической энергии частицы . Видно, что противовесом потенциальной энергии частицы может быть только внешняя кинетическая энергия. Тепловая энергия частицы, определяемая температурой среды ее нахождения явно недостаточна (). Только в зоне действия конвективного потока воздуха смесь зарядов может организоваться в плазму. Выйдя из него, плазма прекращает свое существование;

- плотность зарядов выбрана из условия влагосодержания облаков ;

- пространственный и временной масштабы разделения зарядов и ;

- плазменная частота ;

- необходимая скорость конвективного потока воздуха ;

- дебаевское число ;

- частота столкновения частиц ;

- длина свободного пробега частиц м.

Критерии существования рассмотренной области заряженных частиц как плазма выполняются:

; . (12)

Присутствие в тропосфере физического объекта с плазменными свойствами представляет несомненный интерес с точки зрения его связи с рядом природных явлений, которые сегодня не имеют общепризнанного объяснения. Рассмотрим некоторые из них.

О ступенчатом лидере грозового облака. Известен ряд теорий дающих, в целом, качественную картину механизма ступенчатого лидера. Исключением является неясность причины прерывистого, ритмичного его прохождения. «Для объяснения образования ступеней привлекаются такие понятия как пространственный заряд, рекомбинация, захват электронов и процессы ионизации. Правда, это мало что дает, поскольку физика этих явлений запутана и неточна» [2]. Это замечание Шонланда (Schonland) остается в силе и сегодня. Постараемся разобраться в природе этого явления, исходя из предположения, что ступенчатый лидер это одно из проявлений плазмы тропосферы. Этапом, предшествующим разряду молнии, является процесс образования и развития ступенчатого лидера, примерные сведения о котором можно свести к следующему. Минимальная средняя скорость отрицательно заряженного, движущегося вниз ступенчатого лидера . Длина ступени лидера м; интервал времени между ступенями мкс. Примем в качестве носителя зарядов кластер, - соединение положительного или отрицательного иона с оболочкой из нейтральных молекул. Так как вода хорошо притягивается ионами, то именно может быть той «шубой» в которую они «одеваются». Такая кластерная оболочка до пяти молекул воды с энергией связи примерно 4 эВ может не разрушаться от ударов при температуре ниже . Более того она способна воспрепятствовать рекомбинации и задержать ее. Два кластера в столкновении могут с небольшой вероятностью рекомбинировать, образуя нейтральную молекулу. На расстоянии большем радиуса кластера его электрическое поле такое же, как и у иона. Степень ионизации среды может быть существенной, так как часть нейтральных молекул связана в кластерных оболочках [3]. Тогда при коэффициенте и концентрации частиц несущих заряд , массой и тепловой энергии параметры кластерной плазмы будут:

- временной масштаб разделения зарядов ;

- плазменная частота ;

- дебаевский радиус ;

- дебаевское число.

Видно, что движение частиц мало (), чтобы обеспечить следование ступенчатого лидера со скоростью и более. Это указывает на то, что кроме тепловой энергии на частицы действует внешняя сила, например, электрическая. Как это происходит? Плазма может находиться в тропосфере где угодно. Для нас представляет интерес, когда она расположена ниже отрицательно заряженного основания облака. Такой физический объект представляет природный конденсатор, одна пластина которого находится под отрицательным потенциалом основания, а вторая несет переменный потенциал, положительный и отрицательный полярности которой чередуются с частотой плазменных колебаний. По мере развития грозового процесса электрическое поле основания облака достигает границ плазмы. Это воспринимается как возмущение, на которое она реагирует переменным полем плазменных колебаний. При взаимодействии этих полей они могут как суммироваться, так и вычитаться. Скорость заряженных частиц и кластеров плазмы, находящихся под действием этих полей, определяется из выражения силы:

,

Откуда (13)

При суммировании полей скорость зарядов может достигать и более. В этом случае кластеры с энергией связи 4эВ «разваливаются», а электроны достигают энергии ионизации окружающей среды. В результате образуется электронная плазма с высокой плотностью зарядов и соответственно с большой частотой плазменных колебаний.

Ступенчатость прохождения лидера определяется рассмотренным выше природным конденсатором и заключается в следующем. При суммировании электрических полей электроны устремляются вниз от основания облака к граничным слоям плазмы. Ионизируя проходящую среду, они повышают ее проводимость. Как следствие этого снижается электрическая прочность среды до имеющей на этот момент величины напряженности электрического поля. В результате проходит разряд - первая ступень лидера, которая обгоняя лавину электронов, устремляется вниз. Ее длина определяется временем спада напряжения до момента вычитания полей, разность которых не обеспечивает продолжение разряда. Следующий за ступенью интервал времени это период релаксации, роста напряженности электрического поля и ускорения электронов до скорости ионизации окружающей среды. Следует электрический разряд, т.е. вторая ступень лидера и т.д. Такая цикличность прохождения лидера обеспечивается электронным ключом, функцию которого выполняет плазма.

О механизмах образования электрических зарядов. Несмотря на большое число известных механизмов электризации, принято считать, что ни один из них не может быть главным и тем более единственным, определяющим электрические процессы грозового облака. Вместе с тем, в ряде работ высказывается мнение о том, что грозовое облако это «естественный генератор электричества способный накапливать потенциалы в сотни миллионов вольт, но как он действует пока не ясно» [4]. По - существу, указывается на неизвестный механизм электризации с большой эффективностью действия. Действительно - ли это так? Чтобы ответить на этот вопрос рассмотрим один из наиболее существенных механизмов электризации связанный с замерзанием переохлажденных капель воды [4]. Кристаллизация капли начинается обычно в одной из точек ее поверхности. Образовавшийся на ней ледяной зародыш быстро разрастается и приобретает форму сферического сегмента. От зародыша внутрь капли распространяется фронт кристаллизации. Жидкая и твердая фазы воды являются самодиссоциирующими средами. Это означает, что в каждой из фаз происходит расщепление молекул на положительный ион водорода и отрицательный ион гидроксила :

(14)

Поскольку концентрация ионов и в твердой фазе меньше, чем в жидкой, то возникает поток ионов и через фронт кристаллизации из жидкой фазы в твердую. Однако, ионы будучи более подвижными, чем быстрее проникают в твердую фазу и тем самым создают во льду избыточный положительный заряд. В результате некоторая часть ионов , отделяющаяся от капли вместе со связанными с ними молекулами в окружающую среду, оказываются положительно заряженными. Испарение молекул стимулируется тем, что во время кристаллизации температура поверхности капли выше температуры окружающего воздуха. Замерзшие капли, несущие избыток ионов становятся отрицательно заряженными. Очевидно, что электризация определяется двумя факторами физического свойства:

- ассиметричным распределением ионов двух знаков вблизи раздела двух фаз за счет процесса кристаллизации;

- разделение массы частицы на тела, уносящие в окружающую среду заряды, преимущественно одного или другого знака.

Однако, если кристаллизация протекает в области отрицательных температур и с этим проблем нет, то испарение (разделение) зарядов определяется тепловой энергией выделяемой при кристаллизации частицы. Ее должно быть достаточно, чтобы поверхность частиц находилась в жидком состоянии, позволяющем ей легко испаряться. Именно от количества тепла, получаемого частицей, зависит эффективность процесса электризации. Можно полагать, что эти факторы присущи и другим известным механизмам электризации. Очевидно, что эффективность электризации может быть многократно повышена, если кристаллизующаяся частица получит тепловую энергию достаточную для полного перевода ее в жидкое состояние. Роль такого источника может выполнить только плазма диссипация энергии которой достаточно велика. Так, рассеиваемая мощность частицы плазмы составляет:

, (15)

где - электропроводность плазмы. Формула (15) справедлива до значения критического внешнего поля, действие которого на плазму приводит к сверхсопротивлению. Этой мощности вполне достаточно, чтобы в течение небольшого интервала времени перевести замерзшую частицу в двуагрегатное состояние (лед-жидкость). Эффективность такого механизма электризации высока, так как плазма большей частью находится в турбулентном состоянии. По - существу, плазма представляет преобразователь с низким коэффициентом полезного действия, в котором большая часть кинетической энергии рассеивается на частицах в виде тепла. Таким образом, доминирующим процессом электризации является механизм плазменной электризации, обеспечивающий двуагрегатное состояние частиц за счет своих тепловых потерь.

О физической сущности грома. Принято считать, что гром это ударные волны, которые образуется при взрыве гремучего газа в канале молнии. Частота колебаний грома , а скорость распространения совпадает со скоростью звуковой волны . Поскольку волна приходит от разных частей канала, а также отражается от облаков, гор и др. возникает явление раскатов грома. Радиус области слышимости грома 20 и более километров. При этом расстояние до молнии определяют по времени, прошедшему между ее вспышкой и ударом грома. Так ли это в действительности? Если принять плазменную модель грозы, то физика этого явления иная и заключается в следующем. Гром это одно из проявлений плазмы, возникающего при нарушении ее электронейтральности. Параметры грома в терминах плазмы определяются моментом ее образования. Так, при коэффициенте , радиусе частиц с зарядом , кинетической энергией и плотностью зарядов :

- временной масштаб разделения зарядов ;

- пространственный масштаб разделения зарядов ;

- плазменная частота ;

- дебаевское число;

- частота столкновений частиц .

Такая среда представляет собой слабоионизированную плазму, частота колебаний которой находится в звуковом диапазоне и соответствует частоте звуковых колебаний грома . Находим интенсивность звуковых колебаний плазмы через плотность энергии магнитного поля и скорость частиц

(16)

Тогда уровень громкости плазменных колебаний или уровень громкости грома:

, (17)

где - порог слышимости на частоте .

Для приведенных выше параметров грозовой плазмы , что хорошо согласуется с известным уровнем громкости грома .

В начальной стадии грозы, гром носит одиночный, краткий по длительности характер. Иногда при замедлении грозы можно наблюдать следующее явление. Тяжелые, нависшие над земной поверхностью тучи, по которым без останова проходят раскаты грома примерно на одном уровне громкости. При этом длительность такого рокота может составлять десятки секунд. Это указывает на то, что в облаках организовалась плазма, находящаяся в турбулентном состоянии. Гром, возникающий после разряда молнии, это также одно из проявлений плазмы, которое заключается в следующем. Частота плазменных колебаний по мере развития грозового процесса растет и может достигать . Соответственно напряженность электрического поля увеличивается до пробойного для среды значения. Как результат этого облако пронизывает молния. От резкого мощнейшего звукового удара высокой частоты, предшествующего грому плазма «рассыпается». Далее происходит известный в физике процесс. Переохлажденные капли от «встряхивания» их звуковой волной моментально кристаллизуются, т.е. замерзают. Начинается бурная перекачка влаги с жидких капель на замерзшие, которые быстро набирают массу. С некоторого момента, не превышающего 1 сек, плазма восстанавливается. Огромная масса частиц и большой интервал времени разделения зарядов определяют плазменные колебания на низких частотах звуковых волн согласно уравнению (10). Эти волны и воспринимаются нами как гром. Таким образом, время между разрядом молнии и ударом грома это время восстановления плазмы, а раскаты грома это время плазменных колебаний на частоте звуковых волн. Гром воспринимается органами слуха как звуковое давление, начиная с порога его чувствительности на частоте . Плазменные колебания более высоких частот имеют меньший уровень громкости и сильнее поглощаются в воздухе. Может быть, поэтому они не слышимы.

Выводы. Плазма тропосферы является неотъемлемой частью грозового облака. Она принципиальным образом меняет известные представления о грозе и объясняет ряд природных явлений, которые на сегодня не имеют общепризнанного объяснения. Установленные закономерные связи плазменной модели грозы с явлениями грозового облака, представлены соответствующими уравнениями. Плазма это доминирующий фактор, определяющий старт и финиш грозы.

Использованные источники

1. Буравченко А.Н., Раковский Я.П., Васильев В.С., Карпенко Т.А., Механизм управления водными ресурсами облаков. Харьков, 2008, сборник научных трудов ХГЗВА, с. 159-167.

2. Труды третьей международной конференции по электричеству атмосферы. (Монте, Швейцария, 1963). Ленинград, Гидрометиздат, 1969, с. 152-153, 280-284.

3. Стаханов И.Н., Кластерная плазма. Журнал технической физики АН СССР. Ленинград, Наука, 1976, т. XLVI №1, с. 82-90.

4. Имянитов И.М., Чубарина Е.В., Шварц Я.Н. Электричество облаков. Ленинград, Гидрометиздат, 1971, с.48.

Размещено на Allbest.ru