Е.Т. КУЛИН
ГРОЗОВОЕ ОБЛАКО – ЭЛЕКТРЕТНАЯ СИСТЕМА
Грозовые облака –
это большие совокупности микрокапель воды и/или микрокристаллов льда, которые
взвешены в воздухе и расположены на расстоянии 0,4 – 13 км от поверхности Земли. [ 1 ] Им присуще фундаментальное свойство --
долговременная генерация сильного электростатического поля, напряженность которого в предгрозовых облаках
имеет величину порядка 3.105В/м, а в грозовом облаке выше. [ 2 ] При повышении напряженности поля облака до
значений порядка 106В/м в нем
возникают электрические разряды, называемые молнией.
Долговременная генерация сильного электростатического
поля является отличительным свойством электретов. [ 3 ] Такое поле, свойственное предгрозовым и грозовым
облакам, -- это свидетельство их электретного состояния. Другими словами, предгрозовые и грозовые
облака являются макроскопическими электретными системами.
Облака образуются в резульате следующих процессов:
испарения молекул воды с поверхности Земли, их конвекции и конденсации,
благодаря которой возникают водяные микрокапли диаметром 5 – 50 мкм.
[ 2 ] В
дальнейшем их диаметр может возрасти до
500 – 5000 мкм (дождевые капли).
Весьма вероятно, что устройства механизмов генерации
электретного поля жидкой водой и водой, которая содержится в микрокаплях,
аналогичны. Учитывая это, познание их
устройства возможно, исходя из положений ионной теории электретного состояния
воды. [ 4 ]
Согласно ионной теории электретного состояния воды (далее ионная теория) процессы образования микрокапель воды и микрокристаллов льда и генерация
ими электретного поля совершаются следующим
образом.
Водяные молекулы, поглощая энергию из внешней среды,
распадаются на свободные ионы: катион водорода
( Н+) и анион
гидроксила ( НО--),
которые смещаются в противоположные стороны, т.е. происходит электролитическая
диссоциация молекул. При этом образовавшиеся свободные ионы
мгновенно взаимодействуют с ближайшими молекулами воды и благодаря этому
возникают комплексные ионы: катион гидроксония (Н20.Н+) и анион
гидроксид-гидрата (Н20,Н0--). Вследствие
их взаимного электрического
притяжения образуется катион-анионная
пара и в ней возникает электростатическое поле дипольной конфигурации. В этом поле в результате ориентационной
электрической поляризации векторы электрических диполей молекул воды
устанавливаются параллельно вектору поля катион-анионной пары. Благодаря этому
вокруг неё образуется гидратная оболочка. Катион-анионная пара, окруженная гидратной оболочкой, названа ионным диполем. ( Рис. 1)
ß----------+
Рисунок 1. Силовые линии и направление вектора напряженности поля ионного диполя.
Ионный диполь – это надмолекулярная структура, которая
образуется в результате непрерывной химической реакции электролитической
диссоциации молекул воды. [ 5 ] Эта реакция состоит из распада водяной молекулы на катион водорода ( Н +) и
анион гидроксила ( НО--),
их
гидратации и последующего воссоздания из гидратированых ионов
электрически нейтральных молекул. Процесс воссоздания из ионов электрически
нейтральных молекул назван рекомбинацией ионов.
В результате рекомбинации указанной выше пары комплексных
ионов прекращается генерация электростатического поля ионным диполем и его структура распадается, т.е. ионный диполь
гибнет. Однако одновременно с гибелью ионного
диполя протекает процесс его образования как это описано выше. Благодаря этому
в определенном объеме воды существует непрерывная генерация электростатического
поля.
Ионным диполям, которые находятся в воде либо в
микрокаплях воды, присуща внутренняя энергия. Эта энергия преобразуется в кинетическую
энергию их поступательное, вращательное либо колебательное движение. Вследствие встречного поступательного
движения ионные диполи сближаются на расстояние действия полей водородных связей их гидратных оболочек. В
результате этого образуются сопряженные
диполи следующих типов :
1 тип (ß-------+ß-------+), 2 тип
(+-------àß-------+) и 3 тип (ß-------+ +-------à).
Сопряженные диполи 1 типа создают электростатическое поле
дипольной конфигурации. Сопряженные диполи 2 типа создают в сферической зоне вокруг себя
электростатическое поле, напряженность которого имеет положительный знак (положительный
монополь), а сопряженные диполи 3 типа создают в сферической зоне вокруг себя
поле, напряженность которого имеет отрицательный знак (отрицательный монополь).
Как ионный диполь, так и сопряженный ионный диполь
являются открытыми системами, которые в соответствии с законом прогрессивного
развития преобразуются в
макроскопические структуры. [ 6 ] В частности, в соответствии с этим законом
микрокапли воды образуют облака.
Предгрозовым и грозовым облакам присуще горизонтально
расположение зон, преимущественно содержащих
либо отрицательно либо положительно электрически заряженные микрокапели
воды ( Рис. 2)
Рисунок 2.
Расположение зон электрически положительных и электрически отрицательных микрокапель
воды в предгрозовом облаке. [ 7 ]
Согласно ионной теории положительно заряженные водяные
микрокапли – это ассоциации сопряженных ионных диполей 2 типа (+-------àß-------+), а
заряженные отрицательно -- это
ассоциации сопряженных ионных
диполей 3 типа (+-------àß-------+). Разная
высота расположения микрокапель обусловлена величиной их удельного веса, т.е. количеством ионных диполей, которые содержит
микрокапля.
Таким образом, основываясь на положениях ионной теории электретного
состояния воды, можно объяснить устройство механизма долговременной генерации микрокаплями воды сильного электростатического
поля, их свойства и расположение в грозовых облаках.
Литература
1. Облака. Википедия.
2. Ермаков В.И., Стожков
Ю.И. Физика грозовых облаков. Препринт
ФИАН М. 2004.
3. Губкин А.Н. Электреты. М.
: Наука. 1978.
4. Кулин Е.Т. Ионная теория электретного состояния воды.
Минск. «Тэхналогiя» 2017.
5. Федулов И.Ф., Киреев
В.Л. Учебник физической химии. М.
Госхимиздат. 1955.
6. Хакен Г. Информация и самоорганизация. М. : Ком-Книга.
2005.
7. Вильямс Эрл Р. Электризация грозовых облаков. // В мире науки. 1989. № 1. С. 34 – 44.
Комментариев нет:
Отправить комментарий