XXIX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Накопление отрицательного заряда в нижней части облаков вертикального развития
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Электрическая природа грозовых явлений была доказана американским политиком и учёным Б. Франклином и русскими учёными М.В. Ломоносовым и Г.И. Рихманом во второй половине 18 века. В земной атмосфере воздух находится в постоянном движении. Благодаря трению восходящих и нисходящих потоков частички воздуха электризуются и отдают свой заряд капелькам воды [1 - 3]. Одновременно с образованием электрических зарядов протекают физические процессы, приводящие к их пространственному распределению в грозовой туче. Верхняя часть грозовой тучи обычно имеет положительный заряд, а нижняя часть – отрицательно заряжена. Теория Вильсона об образовании и расположении заряженных частиц в грозовых облаках, разработанная в 1920 – х годах, обосновывала разделение зарядов внутри грозового облака: положительный заряд располагается в верхней части, а отрицательный заряд – в нижней части [4].
По размерам капелек воды в облаках на различных этапах формирования грозовой тучи есть информация в соответствующих источниках. Аналогичной информации о величине заряда на капельках, которые переносят заряд внутри грозовой тучи, не существует. В результате формирования грозовой тучи с течением времени происходит накопление электрических зарядов. В [4, 5] грозовое облако рассматривают как генератор электрических зарядов, способный накапливать большие заряды.
Таким образом, в процессе формирования грозовой тучи протекают физические процессы: образование заряженных частиц, пространственное разделение заряженных частиц и накопление их в различных областях грозовой тучи. Физические процессы, приводящие к пространственному распределению разноимённых электрических зарядов, и накоплению их в различных областях грозовой тучи, до сих пор окончательно не установлены [4].
Цель работы: предложить совокупность физических процессов, приводящих к накоплению отрицательного заряда в основании облаков вертикального развития.
Научная новизна работы определяется предложенной моделью, описывающей физические процессы, протекающие в облаках вертикального развития и приводящие к накоплению отрицательного заряда в нижней части облаков вертикального развития.
1. Образование и разрушение грозовых облаков
Процесс образования любых облаков начинается с того, что некоторая масса тёплого влажного воздуха поднимается вверх. При подъёме вверх тёплый влажный воздух расширяется и при этом он охлаждается. Когда температура поднимающегося воздуха достигает точки росы, наступает процесс конденсации. Роль ядер конденсации выполняют аэрозольные частицы, всегда присутствующие в атмосфере [4]. Это происходит на некоторой высоте, которая становится нижней границей формирующегося облака. Продолжающий поступать снизу нагретый влажный воздух проходит через эту границу, что приводит к дальнейшему развитию облака в высоту. Вертикальное развитие облака прекращается тогда, когда воздух перестаёт подниматься. При этом формируется верхняя граница облака.
Мелкие частицы воды, образующиеся при конденсации влажного воздуха, имеют размеры нескольких долей микрометра. Маленьким частичкам воды не позволяют падать вниз беспорядочные удары молекул воздуха, которые находятся в непрерывном тепловом хаотическом движении. В результате частички воды движутся по сложной изломанной траектории. Такое движение называют броуновским движением [4, 5]. Беспорядочное тепловое броуновское движение мельчайших частичек воды и продолжающееся поступление снизу тёплого воздуха не позволяет облакам рассеиваться.
Грозовая туча образуется в жаркий день, когда воздух у земли сильно нагрет и насыщен водяными парами [4]. На начальном этапе развития грозовой тучи возникают мощные восходящие потоки воздуха. Содержащиеся в них водяные пары, начиная с некоторой высоты, конденсируются. Процесс конденсации паров продолжается при дальнейшем подъёме воздушных масс, что приводит к быстрому росту облака в высоту. По мере подъёма скорость восходящих воздушных потоков внутри тучи возрастает. Одновременно происходит приток с боков тучи более холодного воздуха, окружающего тучу. У поверхности земли возникают горизонтальные потоки тёплого влажного воздуха, которые устремляются внутрь тучи в область пониженного давления, которое возникает благодаря подъёма воздушных масс внутри тучи. Эти восходящие потоки тёплого влажного воздуха приводят к сильному росту грозовой тучи в высоту (рис. 1). Верхняя граница тучи может достигать высоты 10 – 15 км [4, 5]. На таких высотах восходящие потоки затухают. У вершины тучи возникают нисходящие воздушные потоки холодного воздуха к поверхности земли. Такое состояние соответствует созревшей грозовой туче.
Одновременно с формированием грозовой тучи происходит накопление в ней электрических зарядов. Появление в туче электрических зарядов связано с явлением электризации [4, 5]. В грозовом облаке происходит интенсивное вихревое перемешивание огромных масс восходящего тёплого влажного воздуха и нисходящего холодного потоков. В результате вихревого перемешивания огромных воздушно-капельных масс эффективно протекает процесс электризации водяных капель. Капельки воды приобретают отрицательный заряд [4, 5]. Со временем капельки воды, увеличивающиеся в размерах, переносятся в нижнюю часть тучи. В результате верхняя часть грозовой тучи заряжается положительно, а нижняя часть – отрицательно. Одновременно с образованием электрических зарядов в грозовой туче протекают физические процессы, приводящие к их пространственному распределению.
Рис. 1. Механизм формирования грозового облака.
Стрелками указаны направления воздушных вихревых потоков.
Основной этап существования грозовой тучи – это этап её зрелости. Молнии наблюдаются именно в зрелой грозовой туче. Возникновение молнии свидетельствует о том, что в грозовой туче накопились значительные электрические заряды. Для возникновения молнии необходим общий заряд 10 – 100 Кл. Большинство молний возникает между тучей и земной поверхностью. Ещё в 1752 году Бенджамин Франклин экспериментально доказал, что молния – это электрический разряд [2]. Все последующие исследования подтвердили это. В настоящее время принято считать, что молния представляет собой мощный электрический разряд, возникающий при достаточно сильной электризации туч [2]. Молнии сопровождаются раскатами грома. Гром возникает в результате резкого расширения воздуха при быстром повышении температуры в канале разряда молнии. Электрический разряд между грозовой тучей и землёй является завершающим этапом существования грозовой тучи. Весь процесс от начала формирования грозовой тучи – формирование мощных восходящих потоков воздуха, до завершающего этапа – электрический разряд между грозовой тучей и землёй составляет в среднем около получаса. То есть продолжительность существования грозовой тучи в среднем составляет 30 мин. На начальной стадии электрического разряда образуется канал разряда между тучей и землёй, а затем по сформированному ионизированному каналу проходит импульс основного тока. Разряд молнии представляет собой несколько импульсов, быстро следующих друг за другом. За электрическим разрядом – молнией следует интенсивное выпадение осадков. Нейтрализация заряда в грозовой туче происходит, как за счёт молнии, так и за счёт выпадения осадков.
2. Размеры капелек воды в облаках вертикального
развития
Из большого разнообразия форм развития облаков [6] рассмотрим облака вертикального развития, к которым относятся кучевые облака и кучево-дождевые облака (грозовые тучи).
Кучевые облака– плотные, развитые по вертикали с белыми куполообразными или кучевообразными вершинами и с плоским сероватым или синеватым основанием. Кучевые облака могут быть на небе в виде отдельных редких облаков или в виде значительного скопления облаков. При этом основания отдельных облаков находятся на одном уровне.
Высота основания: в умеренных широтах обычно составляет 0,8 – 1,5 км.
Вертикальная протяжённость: от сотни метров до нескольких километров.
Микрофизическое строение: кучевые облака состоят из капель воды, более мелких в вершине облака (преобладающий радиус капелек около 10 мкм) и более крупных у основания облака (преобладающий радиус около 50 мкм).
Осадки обычно не выпадают. В умеренных широтах из кучевых облаков могут выпадать отдельные капли дождя или очень кратковременный редкий дождь.
Кучево-дождевые облака– белые облака с тёмными, иногда с синеватыми основаниями, поднимающиеся в виде огромных горообразных облачных масс. Часто наблюдаются в виде сравнительно редких отдельных облаков, но может быть и скопление их. Кучево–дождевые облака образуются в результате дальнейшего развития кучевых облаков.
Высота основания: над поверхностью земли составляет 0,6 – 1,2 км.
Вертикальная протяжённость: обычно от 3 до 4 км, но иногда достигает 12 – 14 километров.
Микрофизическое строение:
- микрокапли в верхней части кучево-дождевого облака составляют 6 – 35 мкм;
- растущие капли в средней части кучево-дождевого облака за счёт коалесценции (слияния) и аккреции (присоединения переохлаждённых капель к кристаллам льда) быстро увеличиваются;
- крупные капли в нижней части кучево-дождевого облака 0,5 – 7 мм, то есть могут достигать 7 мм, прежде чем выпасть.
Осадки всегда имеют бурный, ливневый характер. Летом они выпадают в виде крупнокапельного дождя или града, зимой – в виде ливневого снега.
Сравнительный анализ размеров капель
Таблица 1.
-
Часть
облака
Радиус капельки , мкм
Вершина облака
Основание облака
Кучевые
облака
6 - 10
50
20 [4]
Кучево-дождевое
облако
6 - 35
500 – 7000
500 [4]
Примечание. Основные значения в таблице 1 приведены по данным [6] и только указанные по данным [4].
Следует отметить, что цвет облака и его отдельных областей зависит от размера капелек воды и от количества жидкости, то есть от плотности среды в единицы объёма. Капельки воды диаметром порядка 1 мкм одинаково рассеивают свет во всём интервале длин волн. Этим объясняется белый цвет облаков. В процессе вертикального развития облаков происходит увеличение размеров капелек воды, что приводит к явлению их гравитационного оседания. Чем больше размер капелек воды и их плотность, тем больше происходит поглощение света. Это приводит к постепенному изменению цвета облака от белого в верхней его части к серому и тёмно-чёрному в нижней части грозового облака.
Процесс образования и формирования грозовых облаков непосредственно связан с электрическими явлениями. Образование облаков начинается с быстрого подъёма нагретого влажного воздуха без теплообмена с окружающей средой (адиабатный процесс) [7]. При адиабатном расширении влажного воздуха, его температура понижается. Когда температура воздуха достигнет точки росы, происходит конденсация паров воды, содержащихся в воздухе. Конденсация паров воды происходит преимущественно на отрицательно заряженных частицах [8]. В процессе конденсации капельки воды растут до размеров порядка 1 мкм. Далее их рост происходит преимущественно за счёт коагуляции капель. Под действием силы тяжести движение капелек воды вверх замедляется.
3. Перемещение отрицательно заряженных капелек воды в
облаках вертикального развития
Основной причиной появления всех облаков, в том числе и грозовых туч, является конденсация водяного пара, содержащегося в восходящих потоках перенасыщенного пара. Роль ядер конденсации выполняют аэрозольные заряженные частицы. Атмосфера всегда и на всех высотах ионизована [8]. Поэтому в восходящих потоках воздуха всегда существуют разноимённо заряженные аэрозольные частицы с размерами порядка 10-7 см. Британский физик Вильсон лауреат Нобелевской премии 1927 года, создатель камеры Вильсона для регистрации треков заряженных частиц [9], разработал теорию, в которой водяной пар в облаках конденсируется преимущественно на отрицательных ионах. В процессе конденсации капли растут до размеров (1 – 2 мкм). Далее их рост происходит преимущественно за счёт коагуляции капель [8]. Под действием силы тяжести движение отрицательно заряженных капель вверх замедляется. На положительно заряженных ядрах процесс конденсации воды замедляется, и эти капли вместе с восходящим потоком воздуха продолжают движение вверх. Это приводит к пространственному разделению зарядов с образованием отрицательного заряда внизу и положительного заряда вверху грозового облака.
В процессе перемещения отрицательно заряженных капелек воды внутри облака происходит увеличение размера капель и величины заряда на ней. Прежде всего следует отметить, что русские учёные М.В. Ломоносов и Г.И. Рихман связывали происхождение атмосферного электричества с восходящими и нисходящими потоками воздуха. Благодаря трению восходящих и нисходящих потоков частички воздуха электризуются и отдают свой заряд капелькам воды [1 - 3].
Теория Вильсона об образовании и расположении заряженных частиц в грозовых облаках была разработана в 1920 – х годах. Теория Вильсона заключалась в гравитационном оседании тяжёлых отрицательно заряженных капель и взаимодействии их с более мелкими заряженными частицами [4]. Движение капли происходит в электростатическом поле «конденсатора» Земля – ионосфера. Это поле направлено вниз. Оно поляризует каплю так, что её верхняя часть оказывается заряженной отрицательно, а нижняя часть – положительно. Встречающиеся при падении капли положительные ионы отбрасываются в сторону, а отрицательные ионы притягиваются к капле. В результате при падении отрицательно заряженной капли она будет увеличиваться в размерах и увеличивать свой отрицательный заряд. Поэтому в нижней части тучи будет накапливаться отрицательный заряд. Отброшенные в сторону положительные ионы будут снесены к верхушке тучи восходящими потоками и увеличат её положительный заряд.
Рис. 2. Взаимодействие падающей отрицательно заряженной капли
с заряженными частицами в электрическом поле «конденсатора»
Земля – ионосфера.
Теория Вильсона об образовании и расположении заряженных частиц в грозовых облаках обосновала разделение электрических зарядов: положительный заряд – сверху, отрицательный заряд – снизу. Экспериментальные доказательства этому получили одновременно в разных странах, используя приборы на шарах – зондах и самолётах. Такое распределение зарядов служит ключом к пониманию того, какие частицы переносят электрические заряды.
Разработанная Томсоном теория не даёт ответа на вопрос: «Почему отрицательно заряженные капли воды не падают на Землю, а продолжительное время накапливаются в нижней части грозового облака?»
4. Движение отрицательно заряженных капель в
атмосферном электрическом поле
Развитие грозового облака начинается с возникновения кучевого облака хорошей погоды. Наличие у кучевых облаков плоского основания серого цвета свидетельствует о том, что в нижней части кучевых облаков происходит накопление более крупных отрицательно заряженных капелек воды (Таблица 1). При благоприятных условиях возникшие кучевые облака быстро растут как в вертикальном, так и в горизонтальном направлениях. При этом восходящие вихревые потоки (рис. 1) распространяются по всему объёму облака со скоростью, достигающей 15 – 20 м/с.
Высота типичного грозового облака располагается в интервале от 8 до 12 км. Образующиеся в результате конденсации мельчайшие капельки воды перемещаются в облаке и сливаются в более крупные, которые уносятся мощными восходящими потоками вверх [4, 5]. По мере увеличения размера более крупные капли под действием силы тяжести оседают вниз, а мелкие капельки продолжают перемещаться вверх восходящими потоками. В процессе перемещения отрицательно заряженных капелек происходит не только увеличение размера капелек, но и увеличение заряда капелек (рис. 2). Следует отметить, что перемещение капелек происходит в постоянном электрическом поле «конденсатора» Земля – ионосфера (рис. 1). Исследования, проведённые с помощью зондов показали, что у поверхности Земли существует стационарное электрическое поле напряжённостью Е, в среднем равном около 130 В/м [10]. Изменение напряжённости электрического поля Е с высотой Н по результатам исследований представлено на рис. 3.
У поверхности Земли напряжённость поля составляет в среднем Е ~ 100 – 150 В/м. Это поле создаётся отрицательным зарядом на поверхности Земли Qо = - 5•105 Кл и положительным зарядом в ионосфере Qо = 5•105 Кл. Для сферически симметричного распределения заряда напряжённость поля Е убывает по закону [7]:
,
где Qо - заряд Земли; r – расстояние от центра Земли; εо - электрическая постоянная. Следовательно, напряжённость электростатического поля Земли убывает по закону с увеличением расстояния от центра Земли. Этому условию соответствует экспериментально полученная зависимость 1 на рис. 3.
Рис. 3. Ход напряжённости электрического поля Е с высотой Н
в зонах хорошей погоды [10].
1 – в чистой атмосфере (океан, арктические районы);
2 – над континентами.
Над континентами на распределение напряжённости Е(Н) оказывает влияние распределение аэрозоли (заряженных частиц) по высоте в атмосфере. Вблизи поверхности Земли в слое атмосферы толщиной 300 – 3000 м, где скапливаются аэрозоли зависимость Е(Н) может возрастать. Этим объясняется сложное поведение экспериментально полученной зависимости 2 на рис. 3. Максимальному значению напряжённости Е = 150 В/м соответствует значение Н = 700 м (рис. 3). Эта высота Н = 700 м соответствует высоте, на которой располагаются основания облаков вертикального развития, то есть высоте, на которой происходит накопление отрицательно заряженных капелек.
5. Величина заряда капелек, накапливаемых в нижней части
облаков вертикального развития
Тарасов А.В.[4] отвечая на вопрос «Почему облако не падает на Землю?» - указывает на то, что «для ответа на этот вопрос необходимо учитывать много факторов: тепловое движение молекул воздуха, сопротивление воздуха, испарение капель и другие факторы». В данном проекте предлагается на высоте Н, на которой зависают отрицательно заряженные капельки и которой соответствуют условия:
- высота, являющаяся основанием облаков вертикального развития;
- высота, на которой происходит накопление отрицательно заряженных частиц в облаках вертикального развития;
- высота, которая соответствует наибольшему значению величины напряжённости атмосферного электрического поля,
учитывать только две основные силы, влияющие на движение капель в атмосферном электрическом поле (рис. 4).
На каплю действуют две основные силы: сила тяжести и кулоновская сила . Действием других сил можно пренебречь, поскольку они пренебрежимо малы. Сформулируем условие задачи, позволяющей определить заряд капельки, зависающей в электрическом поле «конденсатора» Земля – ионосфера, на высоте расположения облаков вертикального развития.
Рис. 4. Гравитационное оседание отрицательно заряженной
капельки в атмосферном электрическом поле.
Задача. Определить заряд отрицательно заряженной капельки воды радиусом R, находящейся во взвешенном состоянии на высоте H= 700 м, которой соответствует максимальное значение напряжённости электрического поля Е = 150 В/м (Данные взяты из рис. 3).
Решение
Сила, действующая на капельку со стороны электрического поля , уравновешивает силу тяжести : . Проекция этого уравнения на ось Оу имеет вид: . Из последнего уравнения выразим величину заряда: . Масса капельки равна: . Определим величину заряда капелек, данные для которых приведены в таблице 1.
Заряд капелек, накапливаемых в основании облаков вертикального
развития, в зависимости от их массы
Таблица 2.
-
Форма
развития
облака
Радиус
капелек
R, м
Масса
капелек
m, кг
Заряд
капелек
q, Кл
Кучевые
облака
2•10-5 [4]
3,4•10-11
2,2•10-12
5•10-5 [6]
5,2•10-9
3,4•10-10
Кучево-
дождевые
5•10-4 [4]
5,2•10-7
3,4•10-8
3•10-3 [6]
1,1•10-4
7,2•10-7
. Примечание. Для кучево-дождевого облака из приведённого в [6] значения R= 500 – 7000 мкм (Таблица 1), взята величина R= 3000 мкм = 3•10-3 м.
Решение задачи по определению заряда капелек, накапливаемых в основании облаков вертикального развития, в зависимости от их массы выполнено для средних значений размеров капелек [4, 6]. Тем не менее, результаты решения этой задачи позволяют сделать важные выводы:
1) с увеличением высоты облаков вертикального развития, то есть с увеличением пространственного перемещения капелек и скорости перемещения восходящих вихревых потоков, происходит увеличение размеров (массы) капелек;
2) одновременно с увеличением размеров (массы) капелек, достигающих основания облака, увеличивается величина отрицательного заряда капелек.
Эти результаты подтверждают предложенную в проекте модель, описывающую физические процессы, протекающие в облаках вертикального развития и приводящие к накоплению отрицательного заряда в нижней части облаков вертикального развития. Предлагаемая модель основана на том, что весь процесс формирования облаков вертикального развития начиная с образования мельчайших капелек воды, образующихся на заряженных частицах (ядрах конденсации), с последующим их ростом, пространственным разделением заряженных частиц и накоплением их в различных частях облаков протекает в электрическом поле «конденсатора» Земля – ионосфера. Это предположение не противоречит известным теориям:
- теории электрической природы грозовых явлений Б. Франклина, М.В. Ломоносова и Г.И. Рихмана;
- теории Вильсона об образовании и расположении заряженных частиц в грозовых облаках,
а лишь дополняет их тем, что позволяет ответить на вопрос «Почему происходит значительное накопление отрицательного заряда в основании грозовой тучи, необходимого для возникновения молнии?».
В облаках вертикального развития определяющим условием выпадения осадков является соотношение гравитационной силы взаимодействия капелек с Землёй и силы электрического взаимодействия отрицательно заряженных капелек с электрическим полем Земли.
Из кучевых облаков осадки обычно не выпадают [6]. Высота основания соответствует высоте максимального значения напряжённости электрического поля Земли. Вертикальная протяжённость кучевых облаков составляет от сотен метров до нескольких километров. Соотношение гравитационной силы, действующей на капельки, и силы электрического взаимодействия капелек с электрическим полем Земли удовлетворяет условию:
.
Из кучево - дождевых облаков, но не грозовых туч, выпадают осадки [6]. Высота основания соответствует высоте максимального значения напряжённости электрического поля Земли. Вертикальная протяжённость обычно составляет от 3 до 4 километров. Размеры отрицательно заряженных капелек и соответственно заряд капелек в основании облаков больше, чем у кучевых облаков. Соотношение гравитационной силы, действующей на капельки, и силы электрического взаимодействия капелек с электрическим полем Земли удовлетворяет условию:
.
Из грозовых туч осадки всегда имеют бурный, ливневый характер [6]. Высота основания соответствует высоте максимального значения напряжённости электрического поля Земли. Вертикальная протяжённость составляет от 12 - 14 километров. Размеры отрицательно заряженных капелек в основании грозовой тучи могут достигать 7 мм. Бурное выпадение осадков происходит только после разряда молнии, то есть после того как отрицательный заряд капелек, расположенных в основании грозовой тучи, израсходуется в процессе электрического разряда – молнии. После протекания электрического разряда – молнии соотношение гравитационной силы, действующей на капельки, и силы электрического взаимодействия капелек с электрическим полем Земли удовлетворяет условию:
.
Именно бурное выпадение осадков после разряда молнии подтверждает предположение, что определяющим условием выпадения осадков из облаков вертикального развития является соотношение гравитационной силы, действующей на капельки, и силы электрического взаимодействия капелек с электрическим полем Земли.
Выводы
Предложена модель, описывающая совокупность физических процессов, приводящих к накоплению отрицательного заряда в основании облаков вертикального развития. Предлагаемая модель основана на том, что весь процесс формирования облаков вертикального развития начиная с образования мельчайших отрицательно заряженных капелек воды, с последующим их ростом, пространственным разделением заряженных частиц и накоплением их в различных частях облаков протекает в электрическом поле «конденсатора» Земля – ионосфера. Основным условием накопления отрицательного заряда в основании облаков вертикального развития является соотношение гравитационной силы взаимодействия капелек с Землёй и силы электрического взаимодействия отрицательного заряда капелек с электрическим полем Земли.
Литература
1. Википедия. Гроза. http://ru.wikipedia.
2. Кабардин О.Ф. История физики и развитие представлений о мире: элективный курс: 10-11 класс.-М.: АСТ: Астрель: Транзиткнига, 2005. - 318 с.
3. Томилин А.Н. Мир электричества.-М.: Дрофа, 2008. – 302 с.
4. Тарасов А.В. Физика в природе. – М.: Просвещение, 1988. – 351 с.
5. Богданов К.Ю. Молния: больше вопросов, чем ответов //Наука и жизнь. – 2007.- № 2. – с. 19 – 32.
6. Описание форм облаков. https://meteo-geofak.narods.ru/clouds/glava2.
7. Мякишев Г.Я. Физика 10 класс.-М.: Просвещение, 2019.-432 с.
8. В.И. Ермаков, Ю.И. Стожков. Физика грозовых облаков. Препринт. РАН ФИАН.- М.: 2004.
9. Пёрышкин И.М. Физика: 9–й класс.– М.: Просвещение, 2025. – 350 с.
10. Природа атмосферного электрического поля. Институт космических исследований аэрономии им. Ю.Г. Шафера. https://ikfia/ysn.ru/priroda-atmosfernogo-elektricheskogo-polya.