Большая книга тайн. Таинственные явления в природе и истории - Аурика Луковкина

Второе необходимое условие грозы — возникновение больших разностей электрического потенциала в облаках или между облаками, или между облаками и земной поверхностью.

Процесс образования молнии начинается с напряженности, которая возникает между землей и тучами. Капельки воды, из которых состоят кучево-дождевые облака, очень редко бывают нейтральны, чаще всего они несут какой-либо электрический заряд, причем, чем внушительнее облака, тем более сильные заряды возникают внутри них. Причем облака по определенным причинам получают электрические заряды разного знака. В нижних частях облаков преобладают капли с отрицательным зарядом, поэтому дожди значительно чаще выпадают на земную поверхность с положительными и реже с отрицательными зарядами.

Внутри самого облака есть места, где концентрируются заряды с одинаковыми знаками. И вот как раз электризация кучево-дождевого облака и приводит к той самой огромной напряженности электрического поля, которая возникает между облаками и землей, а также в облаках. Откуда что берется? Причины электризации элементов облаков, разделение зарядов в облаках до сих пор не достаточно ясны. Прямо все как у людей: между двоими, в общем-то, посторонними людьми возникает странное ощущение, а затем начинают проскальзывать искры, которые вполне могут привести к буре страстей.

Заряды внутри облака разделяются: положительные скапливаются в одной части облака, отрицательные — в другой. Причины электризации пока еще выясняются учеными. По этому поводу ведутся научные споры, высказываются различные точки зрения. Возможно несколько вариантов. Во-первых, это захват ионов каплями и кристаллами, особенно при выпадении осадков. Во-вторых, столкновение крупных и мелких капель. В-третьих, дробление (разбрызгивание) капель. Кроме того, это может быть сублимация, дробление и испарение кристаллов, и еще как вариант — замерзание переохлажденных капель на кристаллах. Собственно, ядро каждой капельки внутри облака имеет отрицательный заряд, а ее оболочка — положительный. Когда, под действием силы тяжести капля устремляется вниз, по пути она сталкивается с другими, оболочка отделяется, и, не успевая за тяжелым ядром или оказываясь на пути конвективного движения воздуха, направленного вверх, в конечном итоге оказывается в облаке выше, а ядро ниже.

Таким образом, в нижней части облака происходит скопление зарядов с отрицательным знаком, и в предгрозовых условиях земля локально заряжается положительно, а облака — отрицательно. Чуть менее половины всех разрядов приходится на молнии, образующиеся между облаками и землей.

В этих случаях земля получает значительные по величине заряды с отрицательным знаком, которые как бы стряхиваются с облаков.

В кучево-дождевых облаках разделение и накопление происходит настолько интенсивно, что напряженность электрического поля, то есть разность напряжений выражается как в сотнях тысяч вольт на каждый метр длины, так и может доходить до нескольких миллионов вольт на метр. Напряжение в облаках доходит до одного миллиарда вольт. То есть в данном месте Земли возникли предгрозовые условия.

Разноименно заряженные облака и земля притягиваются друг к другу, но в связи с тем, что воздух можно считать диэлектриком, так как его электропроводность очень мала (он состоит из нейтральных атомов и молекул), то быстро возникающие разности потенциалов не могут выравниваться постепенно, путем тока проводимости. Нужен проводник! В том случае, если напряженность достигает некоторых критических величин, происходит мгновенное выравнивание разностей потенциалов при помощи искрового разряда, то есть молнии.

Возможны несколько вариантов образования искрового разряда: между разнозаряженными частями одного и того же облака или между двумя соседними облаками, или между кучево-дождевым облаком и поверхностью земли. Приблизительно две трети всех грозовых разрядов на территории Великобритании происходит внутри облака, в то время как процент таких молний на юге Африки гораздо меньше. Молния играет роль контактного проводника. А ведь грозовые облака, способные накапливать потенциал порядка миллиарда вольт и создавать гигантские искры длиной в несколько километров, и вспышками, мощностью сопоставимыми с маленькой электростанцией, состоят всего лишь из капелек воды и льдинок!

Продолжительность разряда составляет одну десятую секунды, средняя сила тока измеряется десятками тысяч ампер. По всей длине, составляющей несколько километров, одна молния переносит за доли секунды несколько десятков кулонов электричества (в среднем около 30 кулонов), есть данные о том, что общий заряд, переносимый молнией, достигает 100 кулонов.

Собственно в понятие «молния» входят несколько, а иногда и много последовательных импульсов (разрядов), которые следуют по одному и тому же пути, получившему название «канал» молнии. Разряды происходят в области наименьшего электрического сопротивления в атмосфере, то есть там, где плотность заряженных частиц максимальна. Воздух в плазменном канале молнии при температуре, равной 25 000—30 000 °C, раскаляется до ослепительного розово-фиолетового свечения. Промежутки времени между отдельными импульсами равны 0,05 с, а продолжительность всей жизни молнии составляет десятые доли секунды. Вначале проходит «лидер» — предварительный разряд.

Он как бы прокладывает канал молнии, увеличивая в нем плотность ионов и повышая, таким образом, его проводимость. Весь процесс напоминает сход лавины, только электронной. Так как канал формируется не плавно, а скачками — «ступенями» — путь лидера имеет ступенчатый рисунок.

Головка лидера выскакивает из нижней части облака и движется к земле с огромной скоростью, приблизительно 107 м / с. Пройдя отрезок пути, равный 50 м, она внезапно замирает. Остановка длится около 50 мкс. Лидер как бы выбирает направление пути, «размышляет», в каком направлении ему двигаться дальше. Затем дальше, следующий бросок, еще на 50 м. Так, отдельными отрезками (ступенями) головка лидера постепенно (для наблюдателя это — молниеносно) приближается к земной поверхности. Позади нее остается траектория движения — канал разряда в виде ломаной линии сложной конфигурации. Светится лидер слабо, он почти не заметен. Почему движение лидера сопровождается относительно регулярными паузами, пока не понятно. Для прохождения расстояния в 1 км ему требуется всего лишь от 10 до 20 мс. Все, как только лидер дошел до поверхности Земли, его миссия завершена, теперь тучу с землей соединяет плазменный канал направления «туча — земля», прекрасно проводящий ток. Лидер проторяет путь не только для себя, но и для целой серии предстоящих разрядов молний.

Сразу же после того, как канал проложен, по нему проходит сильный главный разряд. Направление главного разряда — от поверхности земли к облаку — обратное направлению движения лидера. Сила тока достигает значений порядка 105 А, при этом выделяется значительное количество энергии (до 109 Дж). Диаметр видимого канала молнии достигает приблизительно одного метра, основной же ток протекает по еще более узкому «внутреннему» каналу, диаметром около одного сантиметра. Разряд линейной молнии включает до десятка последовательных импульсов. Промежуток времени между двумя соседними импульсами составляет 1 / 100 с, а длительность каждого из них не превышает 1 / 1000 с. Во время прохождения импульса канал молнии нагревается до 2104 °К (по Кельвину), а в течение промежутка между импульсами температура снижается до 103 °К. Вот так рождается тот необычайно яркий свет, который мы наблюдаем при разряде молнии. Каждый метр молнии светит как миллион 100-ваттных ламп.

Новый лидер дорогу не выбирает, он «мчится» по уже проторенному пути, а поэтому и форму имеет не ступенчатую, а стреловидную.

Повторные разряды, как правило, слабее первоначального. Суммарная численность разрядов молнии, перемещающихся по одному каналу, может доходить до пятидесяти.

Таким образом, нижнюю часть грозового облака и земную поверхность можно сравнить с пластинами своеобразного конденсатора, созданного природой. При этом верхняя пластина имеет отрицательный заряд, а нижняя заряжена положительно. Конденсатор разряжается, во-первых, за счет молний, образующихся между тучей и землей, а, во-вторых, за счет выпадающих осадков. При этом осуществляется перенос положительно заряженных частиц с земной поверхности в кучево-дождевое облако. Этот процесс очень образно был описан в древнеиндийском поэтическом сборнике «700 стихотворений», относящемся к III–VII вв.:

Слышите, как надрываются

Там грозовые могучие тучи,

Землю веревками ливней

Пытаясь поднять в поднебесье.

В областях грозовой активности заряжается некий «конденсатор», в районах образования пылевых бурь, при извержениях вулканов, а разряжается в областях с хорошей погодой.