Олег Фейгин - Просто электричество

Развитие науки привело к первым представлениям о сущности грозы. Греческие ученые Анаксимен и Анаксагор рассматривали явление грозы как результат сгущения воздуха в облаках. Сократ видел основную причину возникновения гроз в столкновении облаков, Демокрит – в их соединении. Эти представления были обобщены и развиты Аристотелем, считавшим, что молния и гром образуются благодаря воспламенению в облаках разнообразных горючих испарений и завихриванию их между облаками. В эпоху Средневековья представления о природе грозовых процессов не получили существенного развития.

Сегодня мы называем грозой процесс развития в атмосфере мощных электрических разрядов – молний, обычно сопровождаемых громом и связанных в большинстве случаев с укрупнением облаков и ливнеобразным выпадением осадков. Прохождение грозы над местностью, как правило, сопровождается довольно значительными изменениями метеорологических параметров приземного слоя воздуха. Это хорошо знакомые всем нам явления: падение температуры, повышение влажности воздуха, резкое изменение атмосферного давления, а также силы и направления ветра.

Ученые-метеорологи доказали, что грозовые процессы невозможны без разделения зарядов в облаке путем их переноса воздушными потоками – конвекции. Поле конвекции в облаках распадается на несколько своеобразных ячеек.

Каждая конвективная ячейка проходит стадию зарождения, зрелости и затухания. В стадии зарождения во всей конвективной ячейке преобладают восходящие течения. Зрелая конвективная ячейка характеризуется развитием восходящих и нисходящих потоков, электрической активностью, выраженной разрядами молний и выпадением осадков.

В последнее время исследования с помощью метеоспутников и прочих орбитальных космических аппаратов показали, что в облачной оболочке тропосферы действует своеобразный ледяной генератор. При этом подтвердилась гипотеза еще позапрошлого века о том, что электрические заряды накапливаются при соударениях кристаллов льда в виде снежинок или градин с более крупными образованиями льда в грозовых облаках. При этом мельчайшие кристаллы льда устремляются с восходящими потоками воздуха в верхнюю часть облака и многократно соударяются с другими кристаллами. При этих столкновениях мелкие кристаллы льда теряют электроны и приобретают положительный заряд. В то же время более тяжелые частицы льда обретают отрицательный заряд и опускаются в нижнюю часть облака. Таким образом создается разделение зарядов с разностью потенциалов в миллионы вольт, которая и является причиной молний. При этом каждые десять тысяч тонн облачного льда приводят к молниеносному разряду атмосферного электричества.

Большинство молний приносит к Земле отрицательный заряд, но иногда встречаются разряды и противоположной полярности. В первом случае грозы значительно богаче молниями, чем во втором. При прохождении гроз через выступы скал и остроконечные детали сооружений на земной поверхности в воздух стекает преимущественно положительный заряд. Потеря земной поверхностью положительного заряда превышает потерю отрицательного в несколько раз. В высокогорных условиях вследствие разреженности воздуха разряд с острых оконечностей значительно интенсивнее, чем в равнинной местности.

Чаще всего молния представляет собой многократный разряд. Это обычное явление, молний может насчитываться до нескольких десятков. Паузы между отдельными «залпами» составляют несколько секунд. Средняя длительность полного разряда молнии измеряется десятыми долями секунды, отклонения от среднего значения в обе стороны возможны на порядок величины. Обычно разряд развивается лавинообразно, сначала в виде ионизованного канала, получившего название лидера молнии, он ступенчато продвигается от облака к земле.

В зонах умеренного климата разряды молний направляются по преимуществу к земле, в тропиках же большинство разрядов происходит между облаками или внутри одного облака.

Разряды молний могут происходить между соседними наэлектризованными облаками или между наэлектризованным облаком и землей. Разряду предшествует возникновение значительной разности электрических потенциалов между соседними облаками или между облаком и землей вследствие разделения и накопления атмосферного электричества в результате таких природных процессов, как дождь, снегопад. Возникшая таким образом разность потенциалов может достигать миллиарда вольт, а последующий разряд накопленной электрической энергии через атмосферу создает кратковременные токи от 3 до 200 кА. Для объяснения электризации грозовых облаков был разработан ряд теорий, например модель дробления дождевых капель потоками воздуха. В результате дробления падающие более крупные капли заряжаются положительно, а остающиеся в верхней части облака более мелкие – отрицательно.