Составители:
Рубрика:
4.2. Диффузионное заряжение облачных частиц
К элементарным процессам, протекающим в облаках, относят также процесс заряжения
отдельных облачных частиц. Еще в 1904 г. А.И.Воейков писал, что одной из причин заряжения
капелек является захват ими ионов воздуха. Будем называть заряжение капелек вследствие захвата
ими ионов диффузионным заряжением. При рассмотрении этого элементарного процесса, следует
учитывать разную подвижность ионов, что очень усложняет задачу. Поэтому обычно принимают,
что заряжение происходит вследствие захвата легких ионов, которые дают основной вклад в
проводимость нижних слоев атмосферы, и что все одноименные легкие ионы имеют одинаковую
массу, единичный заряд и одинаковый коэффициент диффузии (D
1
≅ 0,028 см
2
/с, D
2
≅ 0,043 см
2
/с)
*
.
На каплях могут осаждаться как положительные, так и отрицательные ионы, поэтому отличный (в
среднем) от нуля заряд образовывается при разных положительных и отрицательных проводимостях
воздуха и в соответствии с избирательными свойствами поверхности капли. Последние связывают с
наличием на границе раздела вода/воздух двойного электрического слоя, препятствующего
проникновению внутрь капли положительных ионов.
Рассмотрим заряжение отдельной облачной капли радиусом r, находящейся в бесконечно
протяженной ионизированной среде со счетной концентрацией ионов n
i
(r
′
) (r
′
- расстояние от центра
капли до рассматриваемой точки). Сначала необходимо рассмотреть процесс доставки иона к капле,
а затем - будет ли он поглощен каплей или нет, т.е. учесть избирательные свойства поверхности
капли.
Изменение со временем концентрации ионов в атмосфере определяется процессами
ионообразования, рекомбинации и стоком ионов на каплю:
(4.31)
Здесь ν - интенсивность ионообразования; α - постоянная рекомбинации; j
i
- плотность стока ионов
на каплю. По данным наблюдений в нижней атмосфере ν = 10 пар ионов/(с⋅см
3
), α=10
-6
пар ионов
см
3
/с. В качестве начального условия при решении (4.31) примем концентрацию ионов в отсутствие
капли за n
i
∞
=10
3
см
-3
. Кроме того, учтем зависимость поведения концентрации ионов вблизи
поверхности капли от величины ее заряда, соотношения между длиной свободного пробега (l) ионов
в воздухе и радиусом капли (r), избирательных свойств поверхности капли и т.д. Различают три
режима доставки ионов к капле в зависимости от величины l/r: 1) диффузионный (l/r « 1); 2)
кинетический (l/r » 1); 3) газокинетический (l/r ≅ 1). Мы рассмотрим только диффузионный режим.
В квазистационарном приближении в атмосферных условиях уравнение для плотности
потока ионов к капле примет вид
(4.32)
где j
id
=D
i
[∇n
i
– (–1)
i
en
i
∇ϕ(r
′
)/T], ϕ — потенциал электрического поля на расстоянии r
′
от центра
капли; T — температура в энергетических единицах. Граничные условия запишем так:
(4.33)
Это означает, что в диффузионном режиме, если избирательные свойства поверхности капли
отсутствуют, то все ионы, подошедшие к поверхности этой капли, поглощаются ею. Условие
∞∞→
′
=
iri
nn
моделирует процесс образования новых ионов в объеме, окружающем каплю, поэтому
потоки положительных и отрицательных ионов на каплю в отдельности никогда не обращаются в
нуль.
В уравнении (4.31) опущены члены, описывающие влияние внешнего электрического поля
на движение капли, их можно считать малыми для капель с r
≤
2
⋅
10
-3
см. Поэтому для изменения
заряда капли будет справедливо уравнение
Как и при конденсационном росте капли стационарное приближение справедливо, если характерное
время роста заряда капли много больше характерного времени установления равновесного
распределения поля концентрации ионов. Впервые задача диффузионного заряжения капли в такой
*
Индексом 1 обозначены положительные ионы, индексом 2 - отрицательные.
Страницы
- « первая
- ‹ предыдущая
- …
- 68
- 69
- 70
- 71
- 72
- …
- следующая ›
- последняя »
