Процессы электризации в облаках
Основные механизмы электризации облаков
Электризация облаков представляет собой совокупность физических процессов, в результате которых внутри облачного объёма возникают пространственные электрические заряды. Наиболее интенсивно процессы электризации проявляются в кучево-дождевых облаках (Cb), где наблюдается вертикальное развитие и наличие сильных турбулентных потоков. Электризация облаков связана с переносом зарядов между частицами различного агрегатного состояния — каплями воды, кристалликами льда, градинами, а также с процессами конденсации, испарения, замерзания и столкновения.
Основные гипотезы электризации
Существует несколько механизмов, объясняющих накопление зарядов в облаках. Основные из них:
Индукционная теория электризации Согласно этой теории, наличие внешнего электрического поля (например, глобального атмосферного поля) вызывает перераспределение зарядов на поверхности водяных капель и ледяных частиц. При столкновении таких частиц происходит передача зарядов, в результате чего облако начинает накапливать объемные электрические заряды. Однако этот механизм требует предварительного существования внешнего поля и не объясняет возникновения сильных полей внутри облаков.
Контактная или коллизионная теория (теория неупругих столкновений) Наиболее признанная на сегодняшний день теория, основанная на экспериментальных данных о различии в зарядовых свойствах частиц после их столкновений. Особенно важна роль взаимодействий между ледяными кристаллами и обледеневшими градинами. При их соударении легкие кристаллы, как правило, приобретают отрицательный заряд, а тяжелые градины — положительный. Вертикальные восходящие потоки уносят кристаллы вверх, в то время как градины оседают вниз, что приводит к разделению зарядов в вертикальном направлении.
Теория замерзания и сублимации Предполагается, что при фазовых переходах воды (например, при замерзании переохлаждённых капель) происходит выделение свободных ионов, которые могут оставаться в капле или передаваться в окружающую среду. Эти процессы могут способствовать электризации особенно в верхней части облаков.
Теория термоэлектрической и диффузионной зарядки При температурных градиентах и наличии градиентов концентраций ионов возникает перенос зарядов за счёт различной подвижности положительных и отрицательных ионов. Этот механизм может быть значим в тонких слоях облаков, но сам по себе не способен объяснить интенсивную электризацию.
Распределение зарядов в облаках
В типичном кучево-дождевом облаке формируется характерная многослойная структура распределения объемных зарядов:
Иногда в структуре можно наблюдать и дополнительные зарядовые слои — например, слабый отрицательный заряд вблизи самого основания облака.
Роль микрофизических процессов
Основные процессы, влияющие на электризацию:
Физико-химические особенности среды
Химический состав капель и аэрозольных включений может значительно влиять на способность частиц к накоплению и удержанию зарядов. Например, наличие растворённых солей, аммиака, сернистых соединений изменяет проводимость воды и, соответственно, влияет на эффективность электризации. Аэрозоли могут служить как центрами конденсации, так и локальными источниками ионов, участвуя в сложных цепочках зарядовых процессов.
Электрические поля и токи внутри облаков
В процессе электризации в облаке формируется внутреннее электрическое поле, напряжённость которого может достигать десятков и даже сотен кВ/м. Такие поля способны индуцировать токи между слоями с противоположными зарядами, а при достижении критических значений напряжённости (пробойного порога) — вызывать электрические разряды: внутриоблачные, межоблачные или облако–земля.
Скорость накопления зарядов и величина поля зависят от:
Инициирование грозовых разрядов
Когда разность потенциалов между слоями достигает критического уровня (обычно при напряжённости около 300–500 кВ/м), начинается развитие лидерного канала, по которому может пройти основной ток молнии. Эти разряды частично разряжают облако, однако затем электризация может возобновляться, особенно при наличии активной конвекции.
Особенности электризации в различных типах облаков
Роль турбулентности и макроскопических движений
Турбулентные перемешивания, восходящие и нисходящие потоки, вихри и сдвиги ветра существенно способствуют перераспределению заряженных частиц. Эти макродвижения обеспечивают условия для регулярного столкновения частиц с разными фазовыми характеристиками и массой, что поддерживает процесс электризации даже при частичном разряде.
Математическое описание процесса электризации
Формально процесс электризации можно описывать через уравнения сохранения заряда, уравнения движения ионов, а также уравнение Пуассона:
$$ \nabla \cdot \mathbf{E} = \frac{\rho_e}{\varepsilon_0}, \qquad \nabla \cdot \mathbf{j} + \frac{\partial \rho_e}{\partial t} = 0 $$
где:
Дополнительно учитываются механизмы ионизации, рекомбинации, адсорбции и диффузии ионов, а также влияние микрофизики облака.
Влияние электризации на атмосферные процессы
Электризация облаков оказывает влияние не только на локальные электрические поля, но и на более широкие метеорологические процессы:
Электризация облаков — один из ключевых процессов, связывающих микрофизику, динамику и электрические явления в атмосфере.