"Группируясь, растекаясь,
Возвращали с атмосферы
Тот заряд, что для Земли
Был необходим для меры..."
Подул легкий ветерок, чуть коснувшись листвы деревьев, цветущих трав и глади озерного зеркала. Возникшая на воде рябь еле заметным колебанием устремилась к горизонту, где скрывалось летнее солнышко.
Зной постепенно начала сменять вечерняя прохлада. Но даже в это время суток можно было ощутить теплое дыхание Земли, вобравшей за день энергию солнечного света, устремленное в небеса вместе с испаряющейся влагой.
Еще немного тишины и все переменится. Начнется новое действо природы с резкими порывами ветра, дождем , вспышками света и раскатами грома.
Молнии...Каждая из них неповторима, кратковременна, ослепительна и необходима для жизни планеты. Чтобы немного лучше понять то, как она появляется и живет, необходимо проследить взаимодействие тех частиц и их зарядов, которые мы никогда не сможем разглядеть без специальных приборов.
Возникновение молний сопряжено с таким понятием в физике, как атмосферное электричество. Если его сравнивать со статическим электричеством, то можно обнаружить в них единую природу.
Там, где возникает электрический заряд образуется электрическое поле. Оно оказывает действие на другой заряд с некоторой силой. Но из чего состоит само до сих пор остается загадкой.
В воздухе имеется вертикальное электрическое поле Е величиной 100 в/м. Разность потенциалов между поверхностью земли и "верхом" атмосферы составляет около 400000 в.
Сам воздух не является идеальным изолятором, оттого через него постоянно течет очень слабый ток. Эта проводимость атмосферы объясняется наличием в ней ионов или частиц, которые несут на себе отрицательный или положительный заряд ( в переводе с греческого "ион" означает "идущий"), и весьма переменчива.
Ионы бывают разного происхождения: из молекул газов, из мельчайших комочков почвы, из кристалликов испаряющихся соленых вод и т.п. Следовательно, имеют различные массы, размер и подвижность. Оттого ионизация и накопление заряда протекают неравномерно. Например, ионизация верхних слоев атмосферы более интенсивная и происходит за счет излучений Солнца, а также благодаря космическим лучам.
Но не стоит забывать о постоянном движении воздушных масс (ветре). Это также оказывает непосредственное влияние на накопление заряда .
Земля в среднем имеет отрицательный заряд, а потенциал в воздухе положителен. По наблюдениям ученых, именно молнии (около 300 гроз каждые 24 часа) снабжают Землю отрицательностью и сохраняют разность потенциалов. Напряжение "вверху" колеблется примерно на 15 % в сутки. Что являет собой еще одно не раскрытое чудо.
Если проследить за самим процессом появления и развития молнии, то можно отметить, что в грозовом облаке, прежде всего, происходит распределение зарядов.
В верхней его части (по распределению объемов зарядов первого (крупного) масштаба) преимущественно накапливаются положительные заряды на замерзающих частицах, а в нижней- отрицательные, благодаря в основном вертикальным движениям и турбулентному обмену. Возникшее при этом электрическое поле может достигать напряженности до 10 в 5 степени В/м. Если напряжение увеличивается и дальше, то появляется возможность рождения молний или разрядов внутри облака, между облаками, на Землю.
В самой нижней части облака преобладают объемы (второго масштаба) с избытком положительных зарядов. Между ними и средней (отрицательно заряженной) частью облака происходят искровые пробои воздуха или самостоятельные разряды.
Искровые разряды (молнии) делят на линейные (разветвленные, ленточные, ракетообразные), плоские, шаровые и четочные. Наиболее изучены из них в наше время линейные.
На первой стадии разряд состоит из большого числа отдельных разрядов-"сети проводящих нитей" или стриммеров. Их объединение в ступенчатый лидер создает сильно ионизированный канал идущего разряда на землю. При достижении им поверхности возникает возвратный удар (импульс), характеризующийся переносом положительного заряда вверх. Когда лидер усиливается, то происходит распределение проводящей сети на более высокие уровни , при исчезновении первоначального положительного заряда и появлении выше нового. Образовавшаяся проводящая сеть растет в высь и вызывает новый удар до тех пор пока стриммеры не выкачают из облака весь его отрицательный заряд.
Линейные молнии при разряде на землю могут быть по длине в несколько километров с диаметром канала 15-20 сантиметров. Их длительность в среднем 0,2 секунды, но бывают и 1,5 секунды, мощностью- миллионы киловатт. Выглядят очень эффектно.
Внутри разрядного канала температура повышается до 15000-20000 К. Начинают происходить взрывы гремучего газа (образовавшегося в результате разложения воды) и повышаться давление (под влиянием роста температуры).Возникают ударные волны, которые воспринимаются как гром. Частота их колебаний около 20 Гц, а скорость распространения (без первых мгновений ) почти совпадает со скоростью звуковой волны. Поскольку на пути у этих волн встречаются различные препятствия, то отразившись от них, они создают своего рода раскаты. Их можно расслышать в радиусе 15-20 км. И на память приходят стихи Ф.И. Тютчева:
"Люблю грозу в начале мая,
Когда весенний первый гром
Как бы резвяся и игра,
Грохочет в небе голубом..."
Ослепительное сияние молнии объясняется тем, как по достижении пробойных значений напряженности от облака к земле развивается лидер, представляющий собой поток электронов лавинообразно ионизирующих воздух. Излучение головки лидера под действием высокой температуры порождает фотоионизацию газовых частиц. Фотоны опережают начало лидера, способствуя образованию впереди него коронных разрядов.
Таким образом, ступенчато передвигаясь с большой скоростью (150 км/с) по извилистому пути (длина ступенек около 50 м) один из ответвлений лидера достигает земли и по образованному им каналу высокой проводимости формирует основной канал молнии. Видимый канал нарастает снизу вверх (фаза возвратного удара), разогревается и светится особенно сильно.
Бывает один, два удара молнии, порой пять или даже десять и больше, один за другим. И состыковка с землей происходит через самый близкий к небу предмет, по пути наименьшего сопротивления и, возможно, большего притяжения. Но роль этого механизма до сих пор мало изучена. Впрочем, как и волшебство творимое электричеством...