Атмосферное электричество. Грозы. Молния

Ребята, наверняка каждый из вас хоть раз в жизни замирал от восторга и лёгкого страха, наблюдая за мощью и красотой грозы. Ослепительные вспышки молний, раскаты грома, а где-то далеко на севере — таинственные полярные сияния или даже редкие огни святого Эльма на мачтах кораблей. Всё это — не что иное, как яркие и впечатляющие проявления атмосферного электричества.

Но что лежит в основе этих удивительных явлений? Первопричиной является наличие в нашей атмосфере особых частиц — ионов. Это крошечные, размером с молекулу, частицы, которые несут на себе положительный или отрицательный электрический заряд. Образуются они в результате процесса, который мы называем ионизацией. Представьте себе непрерывный поток частиц, идущий из космоса, в основном от нашего Солнца. Это космическое излучение пронизывает всё: атмосферу, толщи океанских вод и даже земную кору. Когда частица этого излучения сталкивается с молекулой газа, она может передать ей энергию, достаточную для того, чтобы «выбить» один из валентных электронов из атома. Так нейтральный атом превращается в положительно заряженный ион с заря­дом е = 1,6 ∙ 10^–19 Кл. А тот самый освободившийся электрон почти мгновенно находит себе другой атом и присоединяется к нему, создавая отрицательно заряженный ион с зарядом –е. Интенсивность этого процесса колоссальна: у поверхности Земли ежесекундно в каждом кубометре воздуха рождается около 10⁷ (пар ионов)/м³ ∙ с. Эти первичные ионы редко остаются в одиночестве. Они сразу же объединяются с другими молекулами и более крупными частичками пыли или влаги, имеющимися в атмосфере, создавая устойчивые заряженные комплексы. Таким образом, в атмос­фере имеются ионы разных размеров и масс с зарядом ±е.

Наличие ионов в атмосфере обусловливает её способность проводить электриче­ский ток. При наличии электрического поля напряжённостью  будет возникать электрический ток, плотность которого определяется отношением модуля напряжённости поля к удельному электрическому сопротивлению атмосферы:

j = E/ρ.

Плотность атмосферного тока, то есть его сила на квадратный метр поверхности, практически постоянна для всей атмосферы и составляет ничтожную величину —j = 3 ∙ 10^–12 А/м². А не меняется она с высотой потому, что в атмосфере не происходит накопления или исчезновения электрического заряда. Это означает, что каждую секунду на каждый квадратный метр земной поверхности опускается положительный заряд величиной 3 ∙ 10^–12 Кл. Если же посчитать суммарный ток, текущий от ионосферы ко всей поверхности Земли, то получится вполне внушительная цифра — около одной тысячи восьмисот ампер:

Из-за этого тока наша планета обладает постоянным отрицательным зарядом, оцениваемым примерно в q = 10⁵ Кл. Такой же по величине, но положительный заряд имеет ионосфера. Возникает колоссальная разность потенциалов между ними, достигающая 4 ∙ 10⁵ В!

Наибольшее значение, около 100 В/м, напряжённость электрического поля достигает вблизи поверхности Земли.

Таким образом, нашу планету можно сравнить с гигантским сферическим конденсатором. Одной его обкладкой служит поверхность Земли, а другой — нижний слой ионосферы. Этот «земной конденсатор» постоянно находится в работе: в ясную погоду он медленно разряжается, а во время ненастья, осадков и, особенно, гроз — активно заряжается.

Ещё одно явление, важное для понимания электрических эффектов в атмосфере, — это электризация облаков. Давайте представим себе обычную каплю воды в облаке. Под действием силы тяжести она движется вниз. Но она находится в электрическом поле Земли, которое поляризует её: верхняя часть капли приобретает отрицательный заряд, а нижняя — положительный. Падая вниз, капля сталкивается с множеством положительно и отрицательно заряженных ионов.

Отрицательные ионы будут притягиваться к её положительной нижней части, а положительные, наоборот, отталкиваться от неё. В итоге, капля по пути вниз по облаку постепенно приобретает всё больший отрицательный заряд. Таких капель в облаке миллионы, и все они работают как маленькие заряжающие машины. В результате в нижней части облака накапливается избыточный отрицательный заряд. А положительные ионы, которые отталкиваются этими каплями, восходящими конвективными потоками воздуха уносятся в верхнюю часть облака, создавая там область положительного заряда.

Если в облаке образуются области с большой величиной электрического заряда, такое облако становится грозовым. Обычно это мощные облака с большой вертикальной протяжённостью в несколько километров. Область отрицательного заряда чаще всего располагается на высоте 2—3 км от поверхности Земли. А положительного — ещё выше, на 4—6 км. Размер этих зон огромен — около километра в каждом направлении.

Величина электрического заряда грозового облака составляет в среднем ±25 Кл для области положительного и отрицательного зарядов соответственно. Напряжённость поля между нижней границей грозового облака и поверхностью Земли может достигать 10⁴ В/м, а внутри самих заряжённых областей — и все 10⁵ В/м!

Собственно, гроза — это и есть то атмосферное явление, когда между этими заряженными областями или между облаком и Землёй происходят мощные электрические разряды, которые мы и называем молниями.

Что же такое молния и как она возникает? Если говорить научным языком, молния — это гигантский электрический искровой разряд в атмосфере. Она обычно сопровождает грозу и представляет собой ослепительную вспышку света, за которой через некоторое время следует оглушительный раскат грома.

Первые объяснения природы грозового разряда появились в XVIII веке благодаря трудам американского учёного Бенджамина Франклина, а также русских исследователей Михаила Васильевича Ломоносова и Георга Рихмана. Последнему изучение молний стоило жизни. Он трагически погиб, проводя опыты с атмосферным электричеством у себя дома.

Итак, непосредственная причина молнии — та самая электризация облаков, которую мы только что разобрали. То, что нижняя часть облака несёт отрицательный заряд, а верхняя — положительный, делает систему «облако — Земля» подобной гигантскому конденсатору, который заряжен до колоссального напряжения.  Молнии, которые мы обычно видим во время грозы, называются линейными молниями. Это искровые разряды, имеющие длину до 15—20 км, ветвящиеся при приближении к поверхности Земли. Их диаметр может достигать нескольких десятков сантиметров. Они могут бить между облаком и землёй. Между разными облаками или даже внутри одного облака. Чаще всего молния переносит на землю именно отрицательный заряд.

Выделяют три основные стадии развития молнии. Первая стадия называется лидерной. Она длится очень короткое время — около 10^–3 с. Свободные электроны у нижнего края грозового облака, где напряжённость поля достигает 10⁶ В/м, получают чудовищное ускорение. Летя с огромной скоростью, они, словно пули, сталкиваются с атомами и молекулами воздуха, выбивая из них новые электроны. Те, в свою очередь, тоже разгоняются и ионизируют следующие атомы, и так далее. Возникает настоящая лавина быстрых электронов. Так в воздухе прорисовывается и быстро продвигается вниз тонкий, светящийся, проводящий канал — его и называют лидером. По каналу лидера распределяется электрический заряд, достигающий величины 4—5 Кл. По нему течёт ток в сотни ампер при напряжении в десятки миллионов вольт! Скорость движения головки лидера невероятно велика — до 10⁷ м/с.

По мере продвижения лидера к земле напряжённость поля на его конце усиливается и под его действием из выступающих на поверхности Земли предметов выбрасывается ответный стример, соединяющийся с лидером. Эта особенность молнии используется для создания молниеотвода (или громоотвода).

Уже в древнем мире люди догадались использовать громоотвод для улавливания молний. Громоотвод — это длинный металлический стержень, который устанавливался у дома и отводил электрический разряд — молнию — в землю. Кстати, громоотвод был придуман уже знакомым нам Бенджамином Франклином.

В заключительной стадии по ионизованному лидером каналу следует обратный (снизу вверх), или главный разряд молнии. Главная стадия характеризуется резким увеличением яркости свечения канала и звуковым эффектом (громом). А сила тока достигает умопомрачительных значений — 200—300 кА! Всё это длится около 10^–3 с. За это короткое время в канале выделяется гигантская энергия — порядка 10⁹ Дж. А температура ионизированного газа внутри него может превышать 20 000—30 000 К — это жарче, чем на поверхности Солнца!

Именно это резкое и мощное тепловое расширение раскалённого воздуха в канале и порождает ударную звуковую волну, которую мы и слышим, как гром. Мы видим вспышку практически мгновенно, а звук доходит до нас с задержкой, потому что скорость света (3 ∙ 10⁸ м/с) несоизмеримо больше скорости звука в воздухе (около 330 м/с). Продолжительность паузы между вспышкой молнии и громом определяется расстоянием от наблюдателя до эпицентра грозы.

В последней, финальной стадии происходит перенос заряда по каналу молнии. Эта стадия сопровождается меньшими значениями тока — около 1 кА и продолжается около миллисекунды.

Давно установлено, что молнии предпочитают попадать именно в высокие одиночные деревья. Укрываться под такими деревьями в грозовую погоду крайне рискованно. Интересно отметить, что определённые виды деревьев словно привлекают молнию. Например, больше половины всех ударов приходится на дубы — 54 раза из 100. Тополь получает около четверти всех ударов (24 случая из 100), тогда как сосна подвергается ударам лишь в 6 случаях. Однако удивляет тот факт, что одиноко стоящие берёзы и клёны практически никогда не становятся целью молнии. Причины такого явления пока остаются неизвестными.

Родственниками грозовых молний являются Огни Святого Эльма — тихие электрические разряды, образующие светящиеся кисти и пучки на остроконечных предметах большой высоты. Для моряков огни на верхушках мачт были знаком надежды на благополучный исход даже в условиях опасности.

Отдельный, очень загадочный и интересный феномен — шаровая молния. Это светящийся шар, который может появиться после разряда линейной молнии. Она существует от нескольких секунд до нескольких минут, может бесшумно и медленно плавать в воздухе, проникать в помещения через небольшие отверстия и иногда заканчивает своё существование тихо или же с громким хлопком. Учёные считают, что это, скорее всего, сгусток плазмы — то есть ионизированного газа. Давайте попробуем очень грубо оценить энергию шаровой молнии размером с футбольный мяч, скажем, радиусом 10 см.

Если предположить, что плотность её вещества примерно равна плотности воздуха (1,2 кг/м³), а энергия, затраченная на ионизацию, составляет Е_ион = 1,3 ∙ 10^–18 Дж, то полная энергия такого сгустка составит:

Для сравнения: это примерно равно кинетической энергии двух пуль, выпущенных из автомата Калашникова. Представляете, какой это мощный и пока ещё до конца не разгаданный природный объект!

В заключение отметим, что молнии бьют не только на Земле. Мощные разряды были зафиксированы в атмосферах других планет, например, на Венере, Юпитере и Сатурне. А на Юпитере они в тысячи раз мощнее земных!