Молния

Перейти в оглавление раздела : * Гром и молнии

Молния

Может показаться, что о молнии мы знаем все. Виднейшие ученые, например, Ю.Райзер и Э.Базелян в России, В.Раков и М.А.Юман в США, и многие другие построили десятки моделей, которые должны дать детальное описание явления на уровне современного знания. Однако основа лежащих в этих моделях научных представлений появилась четыре века назад, когда были сделаны электрофорные машины. В них заряд создается в результате трения друг о друга вращающихся дисков, и по мере его накопления в конденсаторах — лейденских банках — между электродами с сильным треском пробивает искра, точь-в-точь похожая на молнию. Тогда-то, за 150—200 лет до Максвелла и Фарадея, Гальвани и Вольта, возникла мысль, что атмосферное электричество появляется как и в электрофорной машине в результате трения друг о друга составляющих облака частиц. И заряд равномерно распределяется по облаку. На самом деле что именно происходит на небе, как образуются заряды электричества и как они распределяются, достоверно неизвестно и доныне. Это обстоятельство, впрочем, не мешает кочевать из монографии в монографию древних умозрительных представлений, выдаваемых за истину. В то же время экспериментальные попытки зарядить искусственно созданные в лабораториях облака до нужного заряда успехом не увенчались.

Молния как плазменный канал

Первые эксперименты для доказательства идентичности лабораторной искры и молнии поставил Б.Франклин в середине XVIII века. В России подобные исследования стоили жизни Г.Рихману, сподвижнику М.В.Ломоносова. Появление фотоаппаратуры позволило Б.Шотланду в 30-е годы прошлого века, а затем и другим исследователям, в том числе И.С.Стекольникову в СССР, измерить скорость распространения молнии в атмосфере. Оказалось, что она варьируется в пределах 100—2000 км/с при движении от облака к земле и достигает 3000 км/с при молниях между облаками на длинных, 10—100 км, промежутках. Получается, что горячий канал молнии пробивает атмосферу со скоростью в десять тысяч раз больше скорости звука!

Естественно возникает вопрос: а не сопровождается ли это какими-либо аэродинамическими явлениями? Ведь когда сверхзвуковой самолет разгоняется выше скорости звука, возникает ударная волна, грохочет гром, а вокруг носа самолета образуется конус обтекания. Пусть в случае с молнией ударная волна прижата к телу разряда и ее не видно, но что происходит на его кончике, пробивающем атмосферу со скоростью, многократно превышающей скорость звука?

Оказывается, специалисты об этом не задумываются. За время, прошедшее с опытов Франклина, молниезащита стала мощной отраслью техники, однако ученые, которые разрабатывают соответствующие устройства, озабочены способами защиты, а не деталями аэроодинамики процесса. Те, кто занимается аэродинамикой (в России это ЦАГИ, МАИ, ИВТАН и МГТУ им. Н.Э.Баумана), не предполагают существования столь быстрого движения в атмосфере. Ведь максимальная скорость, с которой они имели дело, — это 12 км/с, — возвращение космического аппарата с орбиты Луна—Земля. Остальное меньше: 8 км/с — спутник Земли, чуть меньше скорость боеголовки стратегической ракеты, километры в секунду — тактические ракеты и, наконец, самолеты вроде Миг-25 — максимум 3,5 скорости звука. Поэтому, когда общаешься со специалистами по сверхзвуковому движению и говоришь, что существует объективно фиксируемый сверхскоростной процесс движения в атмосфере горячего канала с поперечным сечением в сантиметры и десятки сантиметров, то ничего, кроме недоверия и удивления, это не вызывает. Однако наличие таких процессов — это научно установленный факт.

В экспериментах с ракетами и проволоками, которые они тянут к облаку для получения искусственных молний, было замечено, что сечение канала молнии составляет от нескольких сантиметров до дециметров. На видеозаписях тех же экспериментов зафиксирована стадия угасания молнии, когда по ее длине появляются темные прозрачные зоны — страты. Аналогичный процесс можно наблюдать в лампе дневного света: при пониженном напряжении возникает череда темных и светлых зон. Стратификация канала, либо сразу, либо по мере угасания молнии, воспринимается наблюдателем, инерционной фотопленкой и видеокамерой как черточная молния.

Так, пристально рассматривая многочисленные фотографии молний, полученные методом высокоскоростной съемки, мы приходим к выводу, что молния — это вовсе не лавина электрических зарядов, а полый плазменный канал, причем ток сосредоточен в его стенках, образуя так называемый скинслой. Становится ясна и причина огромной, до 60000 км/с, скорости обратного лидера молнии — яркого мерцания, которое возникает после того, как молния достигла земли во время так называемого основного процесса. Такой обратный лидер развивается как колебательный процесс внутри полой плазменной трубы, подобно колебаниям в замкнутом контуре. Это электрические колебания, скорость которых может быть несравнимо выше, чем у колебаний плотности воздуха.

Метеорологи рассказывают, что еще 40 лет назад радары фиксировали очень важную закономерность: в грозовых фронтах и облаках, которые служат источниками молний и торнадо, они замечали точки повышенной радиоотражаемости. Она была столь же высока, как у металлических объектов, а размер этих точек составлял от метра до десятков и сотен метров. Обычные облака, даже дождевые, такими свойствами не обладают. Получается, что в грозовых облаках и фронтах есть зоны концентрации электрических зарядов. Этот факт не находил объяснения в теориях грозы и не освещался в научной печати, так как предполагалось, что подобное концентрирование заряда в сравнительно малой области противоречит законам электростатики. Но в 2006 году в январском номере журнала "Метеорология и гидрология" вышла статья начальника отдела активных воздействий Росгидромета В.Н.Стасенко, который обобщил результаты многолетних радиолокационных экспериментов, проходивших в Главной геофизической обсерватории им. А.И.Воейкова под руководством С.М.Гальперина. В ней признано, что в грозовых фронтах и облаках действительно есть центры электроактивных зон или зарядов. При формировании молний эти центры могут образовывать разрядный ансамбль. То есть объединяться в несколько зон. Сами зоны, как рассказывает С.М.Гальперин, наблюдаются со стационарной радиолокационной базы длительное время, до 40—45 минут. Итак, получается, что у молнии есть три особенности. Во-первых, это зона сконденсированного электрического заряда в небе, причем не обязательно в облаке, помните гром среди ясного неба? Во-вторых, полый плазменный канал, стенки которого — скинслой (зона концентрации тока) этого канала. В-третьих, существует передняя часть, пробивающая атмосферу, которая функционально отличается от канала.

Источник: http://www.inauka.ru