Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Экспериментальное исследование электризации вулканических облаков

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Экспериментальное исследование электризации вулканических облаков"

Г 6 Од ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА РОССИИ

ПО ГДДРОЖГЕОРОЛОШ! И МОНИТОРИНГУ • ОКРУЖАЮЩЕЙ ИВД

ГЛАВНАЯ ГЕОФИЗИЧЕСКАЯ ОБСЕРВАТОРИЯ им. А.И.ЬОВ1КОВА

На правах рукописи

РУЛЕНКО Олег Петрович

УДК 551.21+551.594

эхсаввиштАшюк ихщояишиЕ ЗЛЩРйЗАЦШ ВУЛКШтта ОБШОВ

Специальность 04.00.22 - геофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата $ и зяко-:.щтоштических наук

Санкт-Петербург 1994

Работа выполнена в Институте вулканологии ДВО РАН.

Иаучтв руководители; кандидат физико-математических наук, ведущий научный со трудна к¡Д.И.Токар«

кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник Я.М.Шварц

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Л.Д.Егоров

доктор физико-математических наук В.А.Морхунов

Ведущая организация: Институт вулканической геологии и геохимии ДВО РАН

Защита диссертации состоится " сМ. ал— 1994

в часов на заседании специализированного Совета

Д 024.06.01 при Главкой геофизической обсерватории вы. А.И. Воейкова.

Адрес: 194018, Санкт-Петербург, ул.Карбышева, 7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Главной геофизической обсерватории им. А.И.Воейкова.

I

Автореферат разослан " " ол^хл^о^ ^ 1994 г

Ученый секретарь специализированного Совета, доктор географических наук,

профессор . Н.В.Кобышева

ош характеристика рабой

Актуальность томи. При сильных изверкениях в образующихся улканических облаках наблвдаотся частые молния. Они происхо-ят не только над вулканом, но и .в зоне пенлопада на знача-эльном удалении от места иззоряения, вызывая лесные лол-зры, ркводя к нарушению и прекращению радио- и телефонной связи. Известен случай гибели от молний лвдей и домашних животных ри извержении исландского вулкана Катла. Согласно инструмек-■альшлл наблюдениям, электрические процессы в облаках протекает также во вршя слабых кзверпений ¡5 фушрольной деятельности ¡уши нов.

Исследование электризации вулканических облаков представля- -)тся актуальным для реакция целого ряда задач: изучения меха-газма эксплозивных изверяеяий а оценки опасности связанных с {ими электрических явлений, понимания физики высоковольтного разряда в аэрозольных облаках, в частности - физики грозы, изучения электризации облаков, возникающих при искусственных взрывах, пыльных бурях, торнадо. Стил^улирущиг моментом для проведения исследования является то, что при участии электрических разрядов в эруптивных вулканических облаках образуются сложные, биологически ватте органические соединения - "молекулы жизни".

Состояние вопоосз. Злектризация вулканических облаков изучена слабо.'Не ясно, как я почему зарнгсаэтся частиц в облаках, что слуаят причиной накс локня в них объег/лых зарядов, каким обр ли электрические характеристики облаков связаны с условиями их образования и развития. Сложность исследования данного явлек.я ои-аяашв:сл, в частности, отсутствием общей теории электризации ои^ков аэрозоля, к которым относятся и многие виды вулканических облаков. Изучение же в натурных условиях затруднено тем, что извержения вулканов, особенно сильные, происходят достаточно редко и обычно - в труднодоступных мес- . тах.

до качала работы над диссертацией изучение электризации вулканических облагав в Советском Союзе, кроме констатации этого явления, не проводилось. Начавшиеся за рубежом с 40-х годоз натурные исследования электричества вулканических облаков носили эпизодический характер я сопровождались только ва-

- г -

зуалышми наблюдениями. Ставились отдельные лабораторные ты по изучена» электризация вулканического пепла. Общая и дика исследования электризации облаков в физическая основ для осмысления полученных результатов отсутствовали. В па яцее время такая основа появилась, на ваш взгляд, в виде цепцяя контактной электризации аэрозольных частиц, развит д.ф.-м.н., проф. И.М.Имянвтовым и его последователями, чт дает качественно новую возможность научения электризации канических облаков.

11ельо работа являются натурные исследования электриза вулканических облаков в ее овязи с интенсивностью экоплоз них из вержекий, лабораторные исследования контактной элек эации вулканического пепла, разработка физической схемы э тризацив остывшей части эруптивных вулканических облаков.

В работе решены следуодше задачи:

- выполнен анализ вещественного в дисперсного соотава тяц вулканических облаков а результатов исследований их е тризацив;

- разработана методика натурных исследований электриза вулканических облаков;

- проведены натурные исследования электризации яулкани ках облакоз;

- разработаю методика лабораторных исследований конта: электризация основной твердой дисперсиой фазы г,,лканическ облаков - пецловнх частиц;

- проведены лабораторные исследования электризации пеп частиц при взаимодействии вх между оооой в а капельками в

- разработана Физическая охема передачи заряда при вза действии остывших твердых вулканических частиц, выяснены новшго причины разделения их в вруптиаяом облаке.

Наачндя ио^из^а работа заклочается в том, что впервые ; ведано целенаправленное физическое исследование малоизуче явления электризации вулканических оолаков. В результате:

- подучены существенно новые сведения об атом ядоаявв связи с интенсивностью эксплозивных извержений;

- выяснена главная причина контактной электризации пеп частиц, установлена реальность кратковременного контакта . капельками воды и передачи при этом электрического заряда

- разработана физическая схема электризации остывшей ч;

мявши вулканических облаков.

нежность работы. Полученные в диссертация рэ-ьтатн могут быть использованы:

- для оценки опаскаста йлектрическах разрядов, происходящих зав пеплояада сильных извержений, в разработка мер по защи-37 них;

- для более всестороннего изучения механизма эксплозивных эржеяий;

- при научении электризация облаков, возникащах во вреш усствещшх взрывов, пильных бурь, торнадо и содержащих чао-я, которые образовалась в результата дробления горных пород;

- при поиске общих закономерностей электризации облаков вводя.

йэтодчка лабораторных исследований контахтной электризация канического пепла монет найти применение при изучении элек-зацаи появдисперсных поройков, Еоанякаацей во время исполь-ания юс в различных технологических процессах. С помощью физической схешз электризации остнквей части птивных вулканических облаков впервые на прямзрэ изверкеная кана Еивелуч 12 ноября 1964 г. дано объяснение прЕчакы поения электрических разрядов, происходящих в зоне пеплопада значительном удалении о? наста сальною агвврагаяяя а првд-вляадшс серъознуо опасность для наземках сооружена», радао-хтроигих устройств а средств радао- и тзлзфонной связи, Ца эашату выносятся олесттаве огповянэ резуяЕтатц:

1. Методика натургшх исследований электрззаоте вулканачес-: облаков.

2. Результаты натурных исследований электризация вулханя-ких облаков.

3. ШЕдака лабораторшх исолэдозакйй коятакнчгоЗ эяэлтрзза-I вулканического пепла.

4. Результаты лабораторных исследований эяектризацяа пзало-: частиц при взаимодействии ах медду собой и с капельками

5И.

5. Физическая схема электризации остывшей части эруптивных [канических облаков.

Апробация работы. Результаты работы докладывалась на Ш Оо-око-Япояском сащоэиуме по Международному Геодаишачэскому юкгу (Юхко-Сахаязшск, Х976), Ш Всесоазном симпозиума по а г-

мосферному электричеству (Тарту, 1986), научных семинарах отдела атмосферного электричества Главной геофизической обсерватория им. А.И.Воейкова, научных сессиях Ученого совета Института вулканологии ДВО РАН. Ло теме диссертации опубликована 3 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литература, вкличапцего 169 наименований. Она содержит 140 страниц малкнопасного текста, 44 рисунка, 14 таблиц.

Дополнительные сведения. Работа выполнена в Институте вулканологии ДЗО РАН в рамках темы ГКНТ 0.74.03.03.07. Н2.4 "Лабораторные и натурные исследования (во время извержений) атмосферно^ электрических явлений" на 1986-1990 гг. Табораторные исследования в камере туманов проводились в рамках договоров о творчесш содружестве между Институтом вулканологии и Главной геофизической обсерваторией им. А.И.Воейкова.

Автор глубоко признателен д.ф.-м.н., проф. И.М.Имянитову за болылую научную поддержку работы, указавшему на ее актуальность и стимулировавшему ее проведение. Автор глубоко благодарен научным руководителям к.ф.-м.н. П.И.Токареву, к.т.н. Я.М.Шварцу за научное руководство и помощь при оформлении диссертации, сотрудникам Главной геофизической обсерватории им. А.Й.Воейкова к.ф.-м.н. Н.Н.Климииу, И.Н.Дьяконовой за большую помощь в проведении лабораторных исследований контактной электризации вулканического пепла, обработке полученных результатов и их обсуждение, сотрудникам Института вулканической геологии и геохимии ДВО РАН к.г.-м.н. В.Ю.Кирьянову, к.ф.-м.н. В.А.Широкову за обсуждение результатов работы, полезные советы и замечания.

... ...... СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность теш, ее научная 8 apt .-тическая значимость, рассмотрено состояние вопроса , перечисли? поставленные и решенные задачи, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе представлен аналитический обзор исследований вулканических облаков и их электризации. Целью обзора является выяснение сходства между вулканическими и грозовыми облаками, поскольку в тех и других облаках происходят молнии. Из-за отсутствия обобщающих сведений обзор имеет самостоятельное знача-

первом раздела первой главы рассмотрена общая характерно-вулканических облаков, аипслнон анализ результатов иоола-1яй вещественного я дисперсного со стаю облачннх частиц, изно, что твердые частицы имеют широкий, до 5-6 порядков ?йян диапазон размеров и содержат две фазы Еэщеетва: крао-ачвекую з аморфную. Распределение содержания каздой фазы ззмерам частиц, особенно пепловых ( < 2 им), разное, что ловлено разными иеха.чичсскима свойствами компонентов :*."г-ческого расплава и неоднородностью структуры твердых про-эв, которые подвергаются дроблению во вреш гзвэркенкя. вкой твердой дисперсной средой вулканических облаков ябзз- ' пепяовые частицы. Выяснено также, что распределения веса цаидих из облаков и находящихся з них твердых частиц имезт рвом приближении одно- и бимодальный характер. Это, как эаво, мокко объяснить в рамках ^ошеяия задачи о распроде-и обломков по размерам при взрывном разрушении горк'лс когда болеэ крупные обломки расарадолгш: по закэну Роэияг-дара со сдаитом, а более мелкие - по .здгарафмптоскя /тарному закон;1.

о втором разделе первой глаза выполнен анализ результата рнах исследований элэктривгции вулканических обязкоз а ла-торных опытов по ее изучению. Согласно визуальным яаблкдаз-, наиболее интенсивные, оспроводдаомка частыми молнзяга трические процессы .ротекзют в об латах, содерзащчх бо.таюз чество твердых частиц. №ляии происходя': в зох [¿о тогеко вулканом, но и на удалений до 90-120 км от него, гда час-уже остыли и имеет одинаков;/» температуру. Вкяс;го;го, г:,:о дающие вз облаков твердые более крупные частицы эяряг-'зян м, а более мелкие - другим знатен электричества. При этой ожны оба варианта полярности зарягеяия тех и других частпц: ые мо!^т быть заряжены положительно, а вторые - отрсцатель-и - наоборот. Аналогичные результаты получены в лаборатор-опытах, где, кроме того, наблюдалось соэтвотстеи-э гояярнэо-аряжения крупных и мелких пепловых частиц результате« панк наблюдений. Обращено внимание на то, что до хаотоях-зто :еня нет объяснения факта существования двух вариантов г.о--ости заряжения более крупных а более мелких твердых частиц, пелышх облаках, образующихся во время газовых извержений в

фи контакте потоков раскаленной лавы с морской водой, частицы заряжаются одним положительным знаком электричества. Облака, возникаицив при капании морской воды на поверхность расплавленной лавы в лабораторных опытах, имеют также положительный заряд.

Кратко рассмотрены существующие взгляды на природу электричества вулканических облаков, которые, как отмечено, умозрительны и не подкреплены результатами экспериментальных в теоретических исследований.

Проведенный обзор исследований показал, что по многим характерным параметрам (вертикальные размеры, фазовые состояния и размеры частиц, время жизни и др.) вулканические облака сходны о облаками, возникающими в атмосфере в результате конденсации и сублимации водяного пара. Поэтоцу можно предположить, что генерация электрических полей и объемных зарядов происходит в вулканических облаках под действием тех же процессов, что и в грозовых. Такими процессами являются электризация находящихся в поле силы тяжести и в восходящих потоках газа облачных частиц, взаимодействующих друг с другом и с ионной средой. При этом представляется, что контактное заряжение есть наиболее действенный способ электризации частиц, т.к. оно не зависит от степени ионизации среды и очевидность столкновений частиц не вызывает сомнения.

В третьем разделе первой главы представлены чызода и сформулированы основные направления работы.

Вторая глава посвящена натурным Доследованиям электризации вулканических облаков, которые проводились во время извещений Карымского вулкана в 1970-1979 гг. и Большого трещинного Толба-чинского извержения в 1975 г. Впервые использовался комплекс наблюдений, включающий визуальные наблюдения, измерение .градиента потенциала атмосферного электрического поля, регистрацию электрических разрядов, их фотографирование, регистрац- -> взрыз-ных вулканических землетрясений. При этом отбирались пробы вы-падаюцих из облаков твердых частиц и определялся их химический и дисперсный состав. Такой подход позволил разработать методику исследований электризации вулканических облаков и получить об этом явлении существенно новые сведения.

В первом параграфе второй главы описаны организация наблюдений и место их проведения. Набладекая были организованы и

проводились в основном на обсерватории, расположенной в 3,7 км от кратера активно действующего Карымского вулкана. Появившаяся в связи о началом Большого трещинного Толбачинского из-ззржеяня дополнительная возможность была использована для проведения наблюдений во временных точках на Северном и Южном прорывах этого извержения.

Во втором и третьем параграфах второй главы приведены результаты исследований электризации вулканических облаков. По этим результатам сделаны следувдие выводы:

1. Время появления первых и частота пооледувдих электрических разрядов в пепловых облаках зависят от количества и скорости выбрасываемых частиц. Путем сопоставления числа разрядов с анергией взрывных землетрясений показано, что образование и разделение зарядов в пепловых облаках протекает более интенсивно, чем в капельных.

2. Впервые обнаружено, что при слабой эксплозивной вулканической деятельности, сопрововдапцейся выбросами капельных облаков, могут происходить слабые и частые электрические разряды между положительно заряженным облаком и кратером вулкана. По результатам наблюдений на Карымском вулкане средний электрический момент, нейтрализуемый при разряде, составляет 0,11 Кл* •км, а преобладающее время между разрядами - 0,6-1,4 о. Время появления первого разряда характеризует скорость накопления объемного заряда в облаке.

3. Подтверждено, что выпадащие из облака извержения полностью остывшие более 1фушше и более мелкие твердые частицы заряжены электричеством разного знака. В дополнение к предыдущим исследованиям обнаружено, что при атом наблюдается различие химического состава тех и других частиц и бимодальное распределение их веса с модами, соответствущими более крупным и более мелким частицам.

4. По характеру движения частиц, их фазовому и дисперсному составу, по знаку градиента потенциала атмосферного электрического поля, месту появления и длине электрических разрядов в эруптивном облаке Северного прорыва Толбачинского извержения вблизи вулкана выделено пять областей, каждая из которых характеризуется своими электрическими процессами. Длина разрядов в облаке и величина нейтрализованных при этом зарядов увеличивались с уменьшением концентрации я увеличением различая раз-

меров разноименно заряженных твердых частиц. Средняя онер: одного разряда была порядка ю7 Дк, а энергия всех рваряд за сутки (109-1010 М) составляла КГ'-Ю-6 тепловой *чер: извержения. Усиление эксплозивной деятельности сопровоада, увеличением - .ела разрядов в эруптивном облаке.

Третья глава посвящена лабораторным исследованиям кон» ной электризации вулканического пепла. Согласно концепции контактной электризации аэрозольных частиц, заряжение чаа в вулканических облаках должно происходить при взаимодейс! твердых частиц между собой и твердых частиц с жидкими чао цаш, поскольку в обоих случаях существует различна физик* химических свойств частиц. Поэтоцу нами изучалась электри! цпя пепловых частиц при взаимодействии между собой и с полисами воды.

В первом разделе третьей главы на основании краткого о( ра работ по изучение электризации частиц порошков в лабор« торных условиях выбран метод исследования электризации пе: вых частиц при взаимодействии их между собой, а также мете методика исследования электризации пепловых частиц при ваг ыодействии их с капельками воды. Основным достоинством вы( ранних методов является возможность наблюдения коллективна процессов электризации частиц и определения средних звачег параметров их взаимодействия, что важно для переноса резу; татов исследований на реальное вулканическое облако. Обо« ван выбор камеры туманов ГГО (высота 7,8 м, объем £1 и3) < имеющимся в ней оборудованием в качестве рабочей установи для проведения исследований.

Во втором разделе третьей главы приведены результаты ас следований электризации пепловых частиц при взаимодействи( мевду собой. Описана разработанная для этого методика исы дований. Она заключается в распылении с разных подл-жек в мере большого объема образцов пепла известного вещественно в дисперсного состава п измерении характеристик объемного ряда возникающего облака. Цра этой камера используется каг 1равитационный сепаратор распыленных в ней полидисперсных твердых частиц. Обоснован выбор измерительных приборов в в мере.

На первом этапе исследований изучалась электризация ока завшихся доступными четырех образцов базальтового пепла,

отобранных на извержениях трех вулканов и имеющих разный вещественный в дисперсный состав. С учетом высоты камеры был подобран максишлышй диаметр пепловых частиц, который реализован путем просеивания их черва оито с диаметрсп отверстий I им. Распыление частиц в камере осуществлялось с поверхности металлической подложки. Анализ подученных данных показал, что причиной заражения хрупти а мелках частиц электричеством разного знака служит разное содержание в них кристаллов и стекла. Для смеси отобранных на одном извержении крупных и мелких частиц максимальное такое их заряжение наблвдаетоя при отношении масс частиц, близком к отношению средних квадратичных диаметров. Зависимость среднего абсолютного заряда мелких (1,2-20 мкм) частиц этой смеси от их стоксовокого диаметра является степенной, причем |й|~А1.6±0,4. исследована зависимость иятеясявноо-ти электризации облаков от массы распыленного пепла, которая оказалась близка к линейной. Отличие от линейности вызвано влиянием заряжения частиц за счет взаимодействия их с подложкой. Оно увеличивается с уменьшением массы пепла и весового медианного диаметра частиц (эффект "подложки").

Разное содержание кристаллов и стекла в пепловых частицах сопровождается различием как структура, так я химического соо-тава частиц. Поэтому было неясно, какой из этих факторов играет главную роль в контактном заряжений частиц. Ревеню данного вопроса посвящен второй этап исследований, в ходе которого попользовался упомянутый вше эффект "подложки". В проведенных экспериментах малая одинаковаямасса мелкодисперсного (0,5-40 мкм), состоящего в основном из вулканического втекла даоптового пепла распылялась о поверхности естественного стола двух образцов эффузивной магматической порода, имеющих разную структуру (йоликрасталлическую, аморфную) и химический состав (андезит, раояит). Это представляет интерес в применении к реальным вулканическим облакам, те роль подложка могут играть крупные частицы, взаимодействующие а большим числом мелких частиц. Опытным путем была определена оптимальная в условиях эксперимента масса пепла, которая составила 1г. В результата проведения исследований установлено, что различие структуры пепловых частиц а взаимодействующего с шта образца порода вызывает более сильное эаряжвквэ частиц, чем различие химического состава. .Данный факт свидетельствует о главной роли раз ли-

чия структуры твердых вулканических частиц в их контактной ряжении.

В третьем разделе третьей главы приведены результаты вс дований электризации пепловых частиц при взаимодойстъиа из капельками г цы. Для изучения этого явления вспользовалиы стоящий в основном из вулканического стекла дацитовый пеп« стандартная методика исследования электризации грубодиспе! аэрозолей при ыаимодействки юс с капельками воды в камере тумаков. Путем просеивания через два сита с разными диамв! отверстий подучен необходимый для проведения эксперимент« дисперсный состав пепла. Оарс-долены микрофизические и эле! чоскив параметра тумана и пепла, распыляемого в пустуй ка! и оптимальная масса пепла, необходимая ;ля проявления мак< мального в условиях эксперимента эффекта электризации при действии пепла на туш я. Проведенные исследования показал что падонио пепловых частиц через теплый туман сопровожу столкновениями их с капельками тумана, заканчивающимися о' ком капелек и передачей заряда от более заряженной частиц менее заряженной капельке (коллекторная компонента коитак электризации). Коэффициент передачи заряда равен 1,6, а е средняя величина ^ 40 е. Оценка параметра, количественно ределяадего данный процесс, - произведения коэффициента о новення частиц и капелек на коэффициент их отскока -сост 0,15. Таким образом, установлена реальность крзтковремеян контакта пепловых частиц с капельками воды и передачи при электрического заряда.

В четвертой главе представлена физическая схема электр ции остывшей части эруптивных вулканических облаков. .

В первом параграфе четвертой главы рассмотрена воэможи использования при изучения электризации вулканических об; результатов, подученных в предыдущей главе. С цельд выям этого для результатов исследований электризации пепловых тиц при взаимодействии их мевду собой выполнен анализ ooi этапов формирования эруптивных вулканических облаков. Акг проведен для наиболее типичного во время сильных изверге! случая струйного истечения из кратера вулкана газо-пирою ческой смеси в наличии ветра. Показано, что применить да i результаты можно к эруптивным облакам, достигшим высоты з кивания объемной плотности о плотностью округаодего возд;

элжапцим подниматься по инерции вверх и перемещаться го-(ггаяьно под действием ветра. В этой остывшей части облаков твердые частицы, которые являются в основном пеплом, имеют, а в лабораторных экспериментах, одинаковую температуру, а вой средой служит практически воздух. Отмечено, что резу-гы исследований электризации пепла при взаимодействии с гьками воды представляют интерес для изучения электризации, рая должна происходить при взаимодействии твердой и жидкой эрсных фаз в остывшей части эруптивных облаков. Реальность ! электризации подтверждается результатами, полученными зые нами на Северном прорыве Толбачинского извержения 1975 приведенными во второй главе.

з втором параграфе четвертой главы рассмотрен контактный 1изм электризации остывших твердых вулканических частиц, ¡зато мнение, что он является основным механизмом их элек-щии в эруптивном облаке, а главной причиной разнополярно-фяжвяия частиц служит разное содержание в них кристаллов жла. На это указывают: результаты приведенных в третьей ! лабораторных исследований, огромная общая площадь по-сости частиц и очевидность их -контактных взаимодействий, гие двух вариантов полярности заряжения выпадающих из об> более крупных и более мелких твердых частиц, продолжи-гая (в течение 1,5-2 и даже более часов) организованная :рйзация" сносимых ветром от вулкана эруптивных облаков шх извержений. Последние два факта свидетельствуют также мнении более одного раза знака заряда частиц с умеяшо-их размера, что может обеспечить только котлетное заря-I частиц, имеющих разное распределение содержания кристал-I стекла по размерам.

I основе анализа механизма проводимости кристаллических атов и силикатных стекол показано, что остывшие твердые нические частицы являются диэлектриками со слабой ионной димость», которая осуществляется примесными катионами Ыо. . Имея самую большую подвижность, катионы служат ос-ми переносчиками заряда через поверхность раздела двух !Ц при их кратковременном контакте/Рассмотрена роль раз: подвижности, общей концентрации и энергии диссоциации сных катионов в создании диффузионного потенциала при кте частиц о различной структурой. Выяснено, что главную

роль в этом играет разная подвижность катионов Но^ в прциоо-ных центрах на поверхности частиц, что обусловлено боянпей энергией активации движения этих катионов в правильно построенной кристаллической решетке тела, имокщЗй более плотную упаковку ионов, чем аморфная. В связи с этим частицу, имеодие аморфную структуру поверхности в зоне контакта, заряжаются положительно, а кристаллическую - отрицательно, что и наблюдалось нам 'в экспериментах с образцами пепла, приведенными в третьей глазе.

Для подтверадения реальности заряжения частиц га сг.эт диффузионногоконтактного потенциала оценено время ах контакта а эруптивном облаке и наиболее вероятное Брег.и релаксации заряда, определяемое объемной и поверхностной проводимостью частиц. Оказалось, что время релаксации индуцированного заряда на 1-2 порядка величины болше времени контакта частиц, что позволяет передать очень малую часть этого заряда. Поэтому данный процесс может быть значим лишь в очей« сильно заряженных областях эруптивного облака. Начальная же электризация частиц в юс косяедуидее заряжение должны происходить за счет диффузионного контактного потенциала, т.к. врекя релаксации передаваемого прв этом заряда меньше или равно времена контакта частиц в результате чего лзредзется большая часть возмск-нога заряда.

В третьем параграфа четвертой главы расс1.п рано пространственное разделение зарядов в остывшей части эруптивных Еуя~ --каническях облаков. Считается, что, как и в грозовых облагях, оно связано с разделением масс частац, имевздих разные размера в заряженных электричеством разного знака. Рассштрэпы доз случая разделения частиц разных размеров парообразной ферш.

Случай I. Разделение частиц в части облака, которая находится над Еулкаком выше высоты выравнивания объемной ляотиоо-ти облака с плотностью окружаюдего воздуха. Задача сч" таотс,1 одномерной, поскольку разряда имеют здесь преэдиественно вертикальное направление. Смещение более крршшх часгиц относительно более мелких происходит под действием силы тяжести в восходящего потока газа. В качестве характеристики процесс:, разделения частиц взят диаметр равновесной частицы, т.е. частицы, тещей нулевую скорость подъема в облака на данной еу-сога. Для достаточно хорошо изученного облака гигантского

шва вулкана Сент-Хеленс 18 мая 1380 г. показано, что в цел наиболее реальным режимом обтекания частиц восходящим по-.том газа, связанным с уменьшением скорости подъема потока и зметра находящихся частиц, является в рассматриваемом случае эмежуточный режям (К Re < 1000), С учетом этого о преданы значения диаметра равновесной частицы на разной высоте в лаке данного извержения.

Случай 2. Разделение частиц в сносимой ветром от вулкана сти облака. Оно происходит в вертикальном и горизонтальном правлении и обусловлено, соответственно, разной скоростью едания частиц и наличием в облаке вертикального градиента орости ветра. Это в совокупности приводит к разделению чао-ц в наклонном направлении и при их разнопсяярном заряжении ъясяяет наклонное направление происходящих в данном случае ектрическюс разрядов. Вехи падат- два фракции пепловых чао-ц близких размеров, то наиболее интенсивное горизонтальное йщеняв их друг относительно друга происходит в приземном ое, где сильно увеличивается вертикальный градиент скорости тра. фи разном содержании во фракциях частиц кристаллов а екла г интенсивном пводопаде это может правести к появлении i высоте первых десятков метров над землей коротких разрядов, ювдях направление, близкое к горизонтальному. Согласно проданному нами опросу очевидцев в пос.Усть-Камчатск, многочис-1шшв такие разряды длиной несколько десят.<ов метров наблвда-icb здеоь во время интенсивного поплопада при извержении на->дшегооя в 86 км вулкана Шиве луч 12 ноября 1964 г. Анализ 1сп»рсного в количественно-минерального состава выпавшего шла показал, что действительно во фракциях частиц близких 13меров содержится разное количество кристаллов и стекла. Я закг^чении сформулированы основные результаты и вывода. I. Проведен аналитический обзор исследований вулканических 5лаков и их электризации, который в отечественной и эарубеж-Л литературе отоугствует. Выявлены основные особенности ве~ эотвендаго я дисперсного состава облачных частиц а особеянос-t заряжения их в натурных я лабораторных условиях. Определены »более актуальные направления работы по изучению электриза-аи вулканячеоких облаков.

¿. разработана методика натурных исследований электризации улканических облаков, которая использована при изучении элек-

гризадии облаков во время извержений Карнмского вулкана в 1970-1979 гг. и Большого трещинного Тслбачинского извержения в 1975 г.

3. Изучение электризации облаков Харшского вулкана доказано, что обра:, ванне и разделение зарядов в пепловых облаках протекает более интенсивно, чем в капельных. Впервые обнаружено, что при слабой эксплозивной иулкаиичеокой деятельности возможны слабые и частые электрические разряды между выбрасываемым положительно заряженным капельным облаком и кратером вулкана. По характеру движения частиц, их фаговоцу и дисперсному составу, по знаку 1радиента потенциала атмосферного электрического поля, месту появления и мине электрических разрядов в эруптивном облаке Северного проры-д Толбачинского извержения вблизи вулкана выделено пять областей, кзждэя из которых характеризуется своими электрическими процессами, Оценена средняя энергия одного разряда в облаке, которая была порядка 10^ Дж, и энергия всех разрядов за сутки (Ю9-1010 Да), составляющая Ю^-Ю-6 тепловой энергии извержения. Для извержений обоих вулканов обнаружена зависимость числа и частоты разрядов в облаках от интенсивности эксплозивного процэсса,

4. Разработана методика лабораторных исследований контактной электризации основной твердой дисперсной фазы вулканических облаков - пепловых частиц. По этой методике в камере туканов ГГО впервые проведены исследования электризации облаков, создаваемых распылением образцов вулканического пепла.

5. Эксперименты в камере показали, что ассиметричная элзкг-гричэосая структура пепловых облаков, крайним выражением которой является их дидольная структура, возникает в результате контактного заряжения крупных я мелких частиц электричеством разного знака и пространственного разделения тех в других час тиц под действием силы тяжести. Главкой причиной такого заряжения частиц служит разное содержание в них кристаллов и отекла. Интенсивность ассвметричного заряжения облакоа определяемся различием содержания в крупных и мелких частицах кристаллов и стекла и соотношением размера, числа я веса этих частиц. Максимальное разяодояярное заряжение скеси отобранных на одном извержении крупных в мелких пепловых частиц наблюдается при отношении их шос, близком к отношению средаих квадратичных диаметров.

6. Впервые исследована электризация пепловых частиц при взаимодействия их о капельками води, представлявшая интерео для изучения электризация, которая должна происходить при взаимодействии твердой и жидкой дисперсных фаз в вулканических облаках. Падение состоящих из вулканического стекла частиц через теплый капельный туман сопровождалось столкновениями их с .--.бельками тумана, заканчивавшимися отскоком капелек и передачей заряца от более заряженной частицы к менее заряженной капельке. Определены коэффициент передачи заряда и его средняя величина, оценено произведение коэффициента столкновения частиц и капелек на ь^эффициент их отскока.

7. Показано, что использовать результата лабораторных ис- " следований электризация пепловых частиц при взаимодействии

их меяду собой можно для изучения электризации эруптивных облаков, достигших высоты выравнивания объемной плотности о плотностью округаоцого воздуха и щ. .доляащях подниматься по инерции вверх и перемещаться горизонтально при наличии ветра.

8. Разработана физическая схема электризация остывшей части эруптивных вулканических облаков, главные черты которой следу щга:

- контактный механизм является основным механизмом электризации твердых частиц. Главной причиной заряжения их при разрыве временного контакта служит разная подзажяооть самых подвижных катионов Ыа* в примесных центрах на поверхности частиц, что обусловлена разной структурой поверхности частиц в ^оне контакта. Частица, имевдяе здесь аморфную структуру поверхности, заряжается положительно, а кристаллическую - отрицательно;

- разделение твердых частиц равных размеров, приводящее вместе с их разнополярным заряжением к пространственному разделении зарядов, происходит в вертикальном направления над вулканом в в наклонном - при удалении от него. В первом случае оно обусловлено разным газодинамическим сопротивлением находящихся в поле силы тяжести частиц, а во втором - равной скоростью их оседания и наличием в облаке вертикального градиента скорооти ветра.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

I. Руленко О.П., Токарев П.И., Фщ>стов П.П. Электричество вулканов // Бил. вулканол. станций. 1976. й 52. С. 11-17.

2. Руленко О.П., Токарев Л. И. Атиосферно-электрические эффекты Большого трещинного Толбачинского извержения в июле-октябре 1975 г. // Бол. вулканол. станций. 1979. № 56. C.96-I0Z

3. Рулекко O.E. Электрические процессы в парогазовых облаках вулкана Карымского // Докл. АН СССР. 1979. Т.245. >5 5. C.I083-I086.

4. Руленко С.П., Липовка A.B., Коднякская Л.И. Изменение содержания сернистого газа в воздухе Пеиропавловска-Каычатс-кого и г.Елизова, связанное с активностью вулкана Карымского в 1979 г. // Вулканология и сейсмология. 1981. й 4. C.I05-IQ!

5. Рулен:л О.П. Электризация вулканических облаков // Вулканология и.сейсмология. 1985. № 2. С.71-83,

6. Руленко О.П., Климин H.H., Дьяконова И.Н., Кирьянов В.] Исследования электризации облаков, создаваемых распылением вулканического пепла // Вулканология ь сейсмология. 1986. И : С.17-29.

7. Рулеяко О.П., Клишн H.H. Изучение электризации вулканического пепла при распылении его с разных подложек // Вулканология и сейсмология. IS89. К 3. С.63-72.

8. Хлнмии Н-Н., Руленко О.П., Дьяконова й.Н, Исследования электризации вулканического пепла при взаимодействии его с к полькам воды // Вулканология а -сейсмология. 1990. JS 4. С.67 -75.

<s

Od/>- упр. С тС<гч-tsС

jr*< яе - м>0