Рис. 33. Грозовые облака
В настоящее время не решен окончательно вопрос, за счет чего получают заряд капельки воды и кристаллики льда в грозовых облаках. Одна группа ученых считает, что они захватывают заряд из воздуха, другая — что они заряжаются за счет обмена зарядом при контакте между собой. В результате экспериментальных исследований установлено, что от нижней кромки грозового облака и до слоя с температурой 0 °C простирается водная часть облака. В области с температурой от 0 °C до -15 °C сосуществуют вода и лед, и при температуре ниже -15 °C облако обычно состоит только из ледяных кристаллов. Капельная часть облака в основном имеет отрицательный заряд, ледяная — положительный. В средних широтах центр отрицательного заряда грозового облака располагается на высоте около трех километров, а центр положительного — на высоте примерно 6 км.
Молния — это природный разряд больших скоплений электрического заряда в нижних слоях атмосферы. Одним из первых это установил знаменитый американский государственный деятель и ученый Бенджамин Франклин. В 1752 году он провел опыт с бумажным змеем, к шнуру которого был прикреплен металлический ключ, и получил от ключа искры во время грозы. С тех пор молния интенсивно изучалась как интересное явление природы. Кроме того, ее изучали, чтобы предотвратить серьезные повреждения линий электропередач, домов и других строений, вызываемые прямым ударом молнии или наведенным ею напряжением.
Грозовой процесс невозможен без разделения зарядов в облаке путем конвекции (переноса зарядов воздушными потоками). Поле конвекции в облаках распадается на несколько своеобразных ячеек (рис. 34).
Рис. 34. Грозовой фронт
При прохождении гроз через острые 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 острий значительно интенсивнее, чем в равнинной местности.
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 в разрядах молний и выпадением осадков. Такая ячейка имеет горизонтальный диаметр в несколько километров и простирается в высоту до уровня с температурой -40 °C.
В стадии затухания во всей конвективной ячейке преобладают слабые нисходящие течения с уменьшением электрической активности и количества выпадающих в единицу времени осадков. Полный цикл жизни конвективной ячейки составляет около часа, длительность стадии зрелости равна 15–30 минутам, стадии затухания — около 30 минут. Гроза, продолжающаяся несколько часов, является результатом деятельности нескольких конвективных ячеек.
Большинство молний приносит к Земле отрицательный заряд, но иногда встречаются разряды и противоположной полярности. В первом случае грозы значительно богаче молниями, чем во втором. Отношение количества молний отрицательной полярности к молниям положительной полярности для зон умеренного климата составляет примерно 4:1, для тропиков — 17:1. Отношение отрицательных разрядов к положительным для молний, поражающих высокие здания, больше, чем для разрядов в равнинной местности.
Установлено, что во время многих гроз, особенно осенью и зимой, электрическое поле атмосферы приобретает необычное строение. Большинство молний, возникающих на «переднем крае» бури (по направлению ветра), обладают положительным зарядом, то есть ток течет с облака к поверхности Земли. Однако всего в 100 километрах, в «тылу» грозы, большинство молний несут к Земле отрицательный заряд (рис. 35).
Рис. 35. Многократные молнии
Такое биполярное строение грозы было обнаружено, когда несколько локальных сетей, измеряющих атмосферное электричество, объединили в единую систему. В качестве предполагаемой причины биполярности гроз называют горизонтальные ветры. Обычно грозовое облако имеет вертикальное строение: верхняя часть несет положительный заряд, а нижняя — отрицательный. Однако наблюдения показывают, что при горизонтальном ветре на уровне верхней части облака оно начинает клониться к Земле — и положительный заряд смещается в направлении ветра. Со временем такое смещение приводит к появлению в «передней» части грозы центра с положительным зарядом (рис. 36).
Рис. 36. Положительный молниевый разряд
Чаще всего молния представляет собой многократный разряд.
Многократные молнии — обычное явление, они могут насчитывать до нескольких десятков электрических разрядов. Паузы между отдельными разрядами 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, который ступенчато продвигается от облака к земле: Скорость ступенчатого движения лидера к земле равна приблизительно 50x106 м/с, причем интервал между ступенями составляет около 100 мкс. Длина каждой ступени лидера составляет около 45 м, так что полное время движения до земли может достигать 0,02 с. Затем по этому ионизированному каналу от земли к облаку движется основной разряд со скоростью около 10x107 м/с. Он обычно глубоко проникает вглубь облака, образуя множество разветвленных каналов. Свечение этого яркого разряда, обусловленное рекомбинацией. ионизованных атомов может продолжаться более секунды.
Противники подобного объяснения отмечают, что горизонтальные ветры обычно слишком слабы, чтобы перенести такой заряд в район грозового фронта. Для решения проблемы необходимо сопоставление спутниковых и радарных данных с данными наземных наблюдений атмосферного электричества.
В зонах умеренного климата разряды молний направляются по преимуществу к Земле, в тропиках же большинство разрядов происходит между облаками или внутри 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 и т. д. Возникшая таким образом разность потенциалов может достигать миллиарда вольт, а последующий разряд накопленной электрической энергии через атмосферу может создавать кратковременные токи от 3 до 200 кА. Для объяснения электризации грозовых облаков было разработано множество 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.
Существует также конкурирующая индукционная теория. Она строится на предположении о том, что электрические заряды разделяются электрическим полем Земли, имеющим отрицательный знак. В основе данного механизма лежит явление электростатической индукции, заключающееся в появлении противоположного заряда вблизи заряженной поверхности. Воздушные массы, насыщенные атмосферным электричеством, в целом электронейтральны, но нижняя кромка тучи получает положительный заряд, а верхняя — отрицательный. Горизонтальные молнии происходят между противоположными зарядами самого облака, а вертикальные — между его нижней частью и земной поверхностью.
В теории свободной ионизации предполагается, что электризация возникает как результат избирательного накопления ионов находящимися в атмосфере капельками разных размеров. Возможно, что электризация грозовых облаков осуществляется совместным действием всех этих механизмов, а основным из них является падение достаточно крупных частиц, электризуемых трением об атмосферный воздух.
Площадь земной поверхности, на которой проявляются связанные с отдельной грозой электрические явления, простирается на десятки квадратных километров. Благодаря проводимости воздуха к земной поверхности на этой площади от облака поступает ток силой около 1 А.
Учитывая, что на Земле ежесекундно наблюдается в среднем около 100 разрядов линейной молнии, можно подсчитать среднюю мощность, которая затрачивается в масштабе всей Земли на образование гроз; она равняется 1018 эрг/с. В связи с этим следует отметить, что энергия конденсации, выделяющаяся в грозовом облаке средних размеров с площадью основания около 30 км2 при дожде средней интенсивности, составляет около 1021 эрг. Таким образом, энергия, выделяющаяся при выпадении осадков из грозового облака, значительно превышает его электрическую энергию.
