Тарасов Л.В. - Ветры и грозы в атмосфере Земли (1109048), страница 38
Текст из файла (страница 38)
Известно, что заряды на поверхности проводника скапливаются гуще в тех ее местах, где имеется выпуклость меньшего радиуса кривизны. Согласно (3.2!), в этих же местах будет больше напряженность электрического поля. Возьмем для примера металлический наконечник в виде конуса (рис. 3.7).
Над точкой В напряженность поля больше, чем над точкой С. Наибольшая напряженность будет, 210 Глава 3. Электричество в атмосфере очевидно, иад точкой А, т. е. непосредственно у острия; обозначим ее через Е,. Теперь представим себе, что вблизи точки А пролетает в атмосфере электрон.
Ои попадает в поле иапряжеииостью Е„, которое сообщает ему кинетическую энергию 2 — тоь = оЕлЛ. (3.22) Здесь о — заряд электрона ( у = 1,6 10-и Кл); Л вЂ” длина свободного пробега электрона в воздухе, т. е. среднее расстояние, которое ои пролетает от одного столкиовеиия с молекулой (атомом) воздуха до другого. Величирис. З.у иа с(ЕлЛ есть работа, которую совершает иа пути Л сила дЕл, действующая со стороны поля на электрон. Эта работа превращается в кинетическую энергию электрона то'/2.
Согласно (3.18) и (3.22), необходимое условие ударной ионизаиии молекул (атомов) воздуха электроном вблизи острия А имеет вид с)ЕлЛ > И~ (3.22) Следовательно, поле Е, вблизи острия должно удовлетворять нера- венству Исч Е > — '. дЛ (3.23) Так как И",= 1О эВ, а Л = 1О ь м при давлении воздуха около 1 атм, то из (3.24) следует, что для ударной иоиизации нужна напряженность поля вблизи острия ие менее 10ь В/м. Это значение намного выше приповерхностиой напряженности поля атмосферы при наблюдениях огней Святого Эльма, равной, как уже отмечалось, (0,5 — 1) . 1О' В/м.
Напряженность выше 1Оь В/м возникает лишь в непосредственной близости острия, потому что там скапливаются заряды и, соответственно, поле оказывается весьма неоднородным. В целом процесс иоиизации молекул воздуха, порождающий огонь Святого Эльма иа данном острие, имеет лавинный характер. После первого акта иоиизации возникают вместо одного два свободных электрона. Эти два электрона, ускоряясь в неоднородном электрическом поле, могут инициировать следующие два акта иоиизации— и появятся четыре свободных электрона. И так далее. 3.3. Грозовое оаеоко 211 Огонь Святого Эльма в счетчике Гейгера — Мюллера Коронный разряд лежит в основе действия важного физического прибора — счетчика Гейгера — Мюллера, предназначенного для подсчета пролетаюших в воздухе электрически заряженных элементарных частиц.
Счетчик состоит из небольшого металлического цилиндра и тонкой металлической проволоки, натянутой по оси цилиндра и изолированной от него (рис. 3.8). Счетчик включен в цепь, содержашую источник тока, создаюшего напряжение несколько тысяч вольт. Напряжение выбирают так, чтобы оио было немного меньше напряжения, необходимого дли зажигания ко- Рис. 3.8 роииого разряда внутри цилиндра. Когда в цилиндр попадает заряженная частица, она иоиизирует молекулы газа внутри цилиндра, вследствие чего напряжение, необходимое для зажигания короны, немного понижается.
В результате в цилиндре возникает разряд, а в цепи появляется слабый кратковременный электрический ток. Ток, возиикаюШий в счетчике, весьма мал, но его можно сделать вполне заметным, если ввести в цепь очень большое сопротивление )( и параллельно к нему присоединить чувствительный электрометр 3. (см. рис. 3.8). При возникновении в цепи тока Г на концах сопротивления создается напряжение И. Если выбрать сопротивление очень большим (порядка )О' Ом), но сушествеино меньшим сопротивления электрометра, то даже весьма слабый ток вызовет заметное напряжение.
Поэтому при каждом попадании заряженной частицы в счетчик листки электрометра будут расходиться. 3.3. ГРОЗОВОЕ ОБЛАКО Рождение, развитие и разрушение грозового облака В появлении и развитии грозового облака (тучи) можно четко различить четыре последовательных этапа. 212 Глава 3. Электричество в атмосфере Первый этап — предгрозье. С утра жарко и душно, стоит полная тишина. «Парит! Быть грозе» вЂ” уверенно предсказывают бывалые люди. На данном этапе происходит зарождение грозового облака. Оно хорошо описано в стихотворении В.С. Шефнера: На кустиках нежных синеет черника, Ни шороха ветра, ни птичьего крика.
Над гладкой рекой, над лесными местами Легла тишина голубыми пластами. Шагаю — а зной над лесными холмами Прозрачными к небу восходит волнами, И зреет зерно неминуемой бури В дремучем покое, в недвижной лазури. Второй этап — начальное развитие грозового облака. Воздух становится более влажным, в нем будто разливается слабый туман. В вышине возникает, растет, постепенно темнеет кучево-дождевое облако, превращаясь в тучу. Увеличивающаяся туча закрывает солнце, и все вокруг сразу становится мрачным, устрашающим.
Возникает теплый ветер, поднимающий вверх сухие листья. Замолкли птицы, вся природа словно бы затаилась в ожидании. Этот этап очень точно описан в стихотворении И.С. Тургенева: Уже давно вдали толпились тучи Тяжелые — росли, темнели грозно. Вот сорвалась и двинулась громада. Шумя, плывет и солнце закрывает Передовое облако.
Внезапно Туман разлился в воздухе. Кружатся Сухие листья. Птицы притаились... Третий этап — зрелое грозовое облако. Сверху из облака устремляются к земле мощные потоки холодного воздуха. Влруг полнеба потемнело, Тучи громовой громада Сильным холодом дохнула. Так говорится об этом в эстонском эпосе «Калевипоэг». Потоки холодного воздуха ударяются о поверхность земли и порождают пылевые вихри. И тут же начинается сильный дождь, а иногда и град.
Сверкают молнии, гремит гром. Продолжим цитировать стихотворение И.С. Тургенева: 3.3. Грозовое облако 213 Большие капли падают... и вдруг Помчалась пыль столбами по дорогам; Поднялся вихрь и по стенам н крышам Ударил злобно. Хлынули потоки Дождя... Запрыгал угловатый град... Крутятся, бьются, мечутся деревья... Смешались тучи...
молнья! Ждешь удара... Загрохотал и прокатился гром. Сильнее дождь... Широкими струями, Волнуясь, льет и хлещет он — и ветер С воды срывает брызги... Четвертый этап — разрушение грозового облака. Грозовое облако заметно уменьшилось, начало разрушаться. Его вершина вытянулась горизонтально. Дождь ослабел, ветер заметно стих.
Еще немного, и в просветах туч появляется солнце. Вся природа постепенно оживает. Остатки тучи уходят вдаль. В воздухе необычайная свежесть. А. Пушкин, обращаясь к «последней туче рассеянной бури«, заканчивает свое стихотворение строками: Довольно, сокройся! Пора миновалась, Земля освежилась, и буря промчалась, И ветер, лаская листочки древес, Тебя с успокоенных гонит небес. Завершилась недолгая жизнь грозового облака. Прекратилась гроза, внеся свой вклад в общую картину токов зарядки.
Восходящие и нисходящие воздушные потоки в грозовон облаке Грозовое облако образуется в жаркий день — когда воздух у поверхности земли сильно прогрет и насьпцен водяными парами. Происходит мощная копвекция: потоки нагретого влажного воздуха устремляются вверх. Подъем воздушных масс еще больше усилится, если ветер пригонит холодный воздух. Стелющиеся по земле массы холодного воздуха поддвигаются под нагретую воздушную массу и приподнимают ее вверх. Недаром именно на холодпьп атмосферных фроптах часто образуются кучево-дождевые облака, становящиеся грозовыми облаками. 214 Глееи 3.
Электричество е атмосфере Будем рассматривать изолированное (одиночное) грозовое облако; его горизонтальная протяженность составляет несколько километров. Такое рассмотрение годится также и тогда, когда образуется гряда грозовых облаков. В этом случае облака можно рассматривать как отдельные грозовые ячейки, которые, хотя и примыкают друг к другу своими боками, однако вполне могут считаться взаимно независимыми.
Все процессы, происходяшие в одной грозовой ячейке, совершаются также в других — разве лишь со сдвигом во времени. Наше одиночное грозовое облако — это, по сути дела, одна из грозовых ячеек. Три этапа жизни грозового облака (начальное развитие, полноценное развитие, разрушение) схематически показаны на рис. 3.9. Стрелками изображены направления воздушных потоков в облаке и рядом с ним. Непрерывной линией выделен объем облака, в котором содержатся только водяные капли; иоприховой — объем, в котором наряду с каплями присутствуют ледяные кристаллы; пунктирной— объем, содержаший только ледяные кристаллы.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
