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.
При разряде молнии на всем протяжении ее извилистого пути происходит очень быстрое нагревание столба воздуха до нескольких десятков тысяч градусов. И основной канал молнии, и все его многочисленные разветвления становятся источниками ударных волн (рис. 37). Резкий фронт ударной волны по мере удаления от места разряда все более сглаживается, и на некотором расстоянии от источника ударная волна превращается в акустическую (звуковую) волну небольшой амплитуды. В ходе этого превращения происходит постепенное уменьшение скорости распространения ударной волны вплоть до скорости звука в конечном итоге.
Рис. 37. Древовидный канал разряда
Канал молнии определяется электрическим полем на конце движущегося лидера и локальной ионизацией. Вблизи земля его движение определяется земными стримерами или коронным разрядом, возникающим над заостренными проводящими предметами, выступающими над поверхностью земли. Молния с большой вероятностью повторно ударяет в ту же самую точку, если только объект не разрушен предыдущим ударом. Диаметр ядра светящегося разряда — от 1 до 2 см, а наэлектризованная зона вокруг ядра составляет, по-видимому, несколько метров в диаметре. Разветвленность разряда молнии между облаками обусловлена ступенчатым характером движения лидера, направление каждого шага которого определяется локальными условиями ионизации и потому носит в значительной мере случайный характер.
Звуки, следующие после главного удара грома, создают впечатление удаляющегося от места наблюдения и постепенно затухающего рокочущего шума. Это раскаты грома. Они наблюдаются в местности с любым рельефом и образуются ветвящимся и удаляющимся от места наблюдения разрядом молнии (рис. 38). Длительность раскатов грома определяется особенностями развития молнии. В среднем раскаты длятся половину минуты, а крайние отклонения от среднего значения составляют около 50 %. Характер звучания грома является существенной особенностью уже начавшейся грозы. Народные приметы утверждают, что длительные раскаты грома являются признаком приближения протяженного массива грозовых облаков. Глухой продолжительный и умножающийся со временем гром с медленными раскатами характерен для длительной грозы, в то время как короткие и резкие удары с возрастающими по времени промежутками между ними характеризуют кратковременную грозу.
Рис. 38. Схема развития наземной молнии: а, б — две ступени лидера; 1 — облако; 2 — стримеры; 3 — канал ступенчатого лидера; 4 — корона канала; 5 — импульсная корона на головке канала; в — образование главного канала молнии (К)
Средняя дальность слышимости грома для летних гроз на континенте составляет полтора десятка километров. Разница во времени между вспышками молнии и восприятием грома может достигать полутора минут. Гром от близкого разряда молнии производит такое же действие на слух, как выстрел зенитного орудия в нескольких метрах от наблюдателя.
Глобальная карта активности молний показывает, что Центральная Африка, Гималаи и часть Южной Америки оказались наиболее подверженными огненным вспышкам точками планеты: в среднем 81 молния приходится в год на каждый километр территории, расположенной вокруг Конго, а реже всего эти явления природы были замечены над морем и полюсами Земли.
С давних времен в процессе познания грозы человек стремился подчинить ее своей власти. Об этом говорит, например, легенда о Прометее. Овладение грозами было предметом мечтаний ученых и философов Средневековья. В последние годы были сделаны попытки «засева» грозовых облаков кристаллами таких веществ, как йодистое серебро, йодистый свинец и твердая углекислота. Предполагается, что каждое из этих веществ может способствовать затуханию и даже полному прекращению грозового процесса за счет резкого усиления конденсации водяного пара. Опыты в этом направлении уже позволили накопить обширный экспериментальный материал, позволяющий сделать множество практических выводов. На их основе были разработаны методики, позволяющие эффективно бороться с локальными очагами непогоды при важных спортивных и государственных мероприятиях на открытом воздухе.
Другой вариант основан на вычислении точной структуры и силы подогрева атмосферы, необходимого для снижения интенсивности урагана и изменения его курса. Несомненно, практическая реализация такого проекта потребует огромного количества энергии, но ее можно получить с помощью орбитальных солнечных электростанций. Вырабатывающие энергию спутники следует оснастить гигантскими зеркалами, фокусирующими солнечное излучение на элементах солнечной батареи. Собранную энергию затем можно будет переправить на микроволновые приемники на Земле. Современные конструкции космических солнечных станций способны распространять микроволны, не нагревающие атмосферу и поэтому не теряющие энергию. Для управления погодой важно направить из космоса микроволны тех частот, при которых они лучше поглощаются водяным паром. Различные слои атмосферы можно будет нагреть согласно заранее продуманному плану, а области внутри урагана и ниже дождевых облаков будут защищены от нагрева, так как дождевые капли хорошо поглощают СВЧ-излучение.
Существует замечательное художественное произведение знаменитого писателя Даниила Гранина «Иду на грозу». В нем рассказывается о самоотверженных исследованиях молодых ученых, которые проводили опасную авиаразведку бушующих гроз с борта плохо приспособленного транспортного самолета с целью найти критические параметры для управления погодой. В романе подобные попытки заканчиваются трагически, но сама идея воздействия на грозовые процессы непосредственно с борта летательного аппарата, находящегося в центре («глазе») урагана, была очень популярна во второй половине прошлого века. Дальнейшее развитие идея управления штормами и ураганами получила в увлекательнейшем научно-фантастическом романе «Властелины погоды» известного американского популяризатора научно-технических достижений Бен Бова.
В романе удивительно точно с научной точки зрения представлены картины формирования погоды:
«Солнце поднялось над Западным полушарием, согревая своим теплом моря, континенты и покрывающий их словно мантией беспокойный, давящий своей тяжестью на земную поверхность воздушный океан. Атмосфера, получающая энергию от Солнца, закрученная вращением Земли, двигалась словно живое теплокровное существо. В ней пульсировали ветры. Гигантские столбы воздуха вздымались вверх, впитывали влагу и вновь обрушивались вниз, освобождаясь от нее; они собирали тепло тропиков и несли его к полюсам — а вместе с теплом несли жизнь. Над этим не знающим покоя взвихренным слоем атмосферы воздушный океан становился спокойнее, и в нем лишь продолжали стремительно мчаться струйные течения. А еще выше, в потемневшем небе, где вспыхивали метеоры и разреженный воздух становился совершенно непригодным для дыхания, но все же прикрывал Землю от жесткой, мощной солнечной радиации, — в атмосфере зарождались электрические заряды. Постоянно колеблемый солнечными и лунными приливами и отливами, терзаемый магнитными бурями и невидимым межпланетным ветром, воздушный океан исчезает в темных глубинах космоса…
Росла гора. Протяженностью как Альпы, выше Гималаев, гигантская, невидимая гора воздуха формировалась над Атлантическим океаном в районе между Бермудами и Американским континентом. Холодный, плотный воздух опускался с высоты под влиянием низкой температуры и скапливался над поверхностью океана. Гора росла и ширилась, настоящая гора, увенчанная вершиной. Но она двигалась. Она вращалась по часовой стрелке, закручиваясь в спираль над океаном, ветры из-под ее основания устремлялись вдоль моря и его берегов. Высокое давление придавливало ее, выталкивало ее западные отроги чуть ли не на сотню миль внутрь Американского континента. Теплый субтропический воздух с Карибского моря и Мексиканского залива поднимался на север вдоль восточного побережья, неся с собой тепло и влагу. Часть теплого воздуха, более подвижного и легкого, чем сжатая высоким давлением гора, поднялась над холодной, плотной воздушной массой. Вверху она охладилась, водяные пары сконденсировались и облачным душем пролились на землю…
