Молнии. Образование молнии

Читать дополнительно: Природные явления

Молнии. Образование молнии

Читать далее : * Молнии * Торнадо и молнии * Шаровая молния

Грозы являются важной составляющей глобальной электрической цепи, объединяющей атмосферу и Землю. К настоящему времени окончательная физическая картина формирования молниевых разрядов в конвективных облаках до сих пор еще не составлена. Изложим основные представления, существующие на сегодняшний день.

Электрический пробой воздуха

Все начинается с того, что в атмосфере сформировалось достаточно мощное кучево-дождевое облако. В самом облаке, между ним и Землей, а также между ним и другими облаками непрерывно увеличивается электрическое поле...

Воздух, как и любое другое вещество, состоит из электрических зарядов. Они могут быть взаимно скомпенсированными и при этом образовывать большие электрически нейтральные объемы, ничем себя внешне не проявляя. Однако они существуют. Молекулы и атомы, из которых состоит воздух, до поры, до времени удерживают свои электроны за счет внутренних сил. Но именно до поры, до времени.

В один прекрасный момент напряженность электрического поля в какой-то области пространства достигает некоторого критического значения. Это значение не постоянно, зависит от многих факторов (в том числе и от состава воздуха) и, по данным натурных исследований, варьируется в пределах 105 – 106 В/м. С этого момента в данной области начинают происходить весьма интересные процессы.

В воздухе всегда присутствуют в небольшом количестве свободные электроны. Под действием электрического поля они начинают разгоняться, приобретают значительные скорости и, сталкиваясь с атомами воздуха, ионизируют их, «вышибая» оттуда новые электроны. Те, в свою очередь, также становятся свободными, разгоняются и выбивают электроны из других атомов. Процесс становится лавинообразным. Область пространства, охваченная этим процессом, увеличивается в длину с огромной скоростью (порядка 100 км/с) и за доли секунды достигает того места, в которое собирается ударить будущая молния. В большинстве случаев, это – Земля, но часто бывает другое облако или даже другая часть одного и того же облака.

В результате в воздухе образуется проводящий канал, который называется лидер. Это – еще не молния. Это – только, так сказать, вступление к ней.

Что мы в итоге имеем? Огромное электрическое поле (образно говоря, батарейка) и проводящий канал (образно говоря, кусочек проволоки). Что мы получим в результате? Электрический ток.

Как и любой уважающий себя проводник, заряженный воздух, из которого состоит лидер, при прохождении электрического тока разогревается. Сила тока весьма достопочтенная (порядка 104 – 105 Ампер). Поэтому нагрев происходит тоже существенный. Проводящий канал, нагреваясь, начинает ярко светиться. Таким образом, очевидец наблюдает молнию.

Молния обычно имеет форму разветвленной ломаной или кривой линии. Это является следствием того, что лидер распространяется не по прямой и не сразу. Лавинообразный процесс ионизации периодически затухает и возобновляется вновь. При этом направление распространения лидера изменяется, часто происходит ветвление. Он как бы «выбирает», где присутствует наибольшее количество свободных зарядов, и распространяется именно туда – по пути наименьшего сопротивления. В дальнейшем всю эту траекторию с большой точностью повторяет молния. Все эти архисложные процессы занимают ничтожные доли секунды.

Нагрев при вспышке происходит очень быстро (длительность всего молниевого разряда обычно составляет порядка 10-1 – 100 с). А нагретый воздух, по законам физики, имеет свойство расширяться. Необычайно быстрое расширение воздуха представляет собой взрыв, что сопровождается звуковыми эффектами. Эти звуки хорошо известны каждому и в быту получили название гром. При охлаждении воздуха по окончании разряда наблюдается столь же быстрое и громкое сжатие. Звук, распространяясь в окружающем пространстве, многократно отражается от Земли, облаков, местных предметов и др. Поэтому наблюдатель обычно слышит раскаты грома, представляющие собой многократное, пришедшее с разных сторон эхо.

Образование лидера и следующий за ним молниевый разряд, обычно, повторяются многократно. Это тоже сказывается как на световых эффектах (мерцающая молния), так и на звуковых (неравномерный звук грома).

После разряда происходит полная или частичная нейтрализация электрических зарядов...

Подытожим:

1. Зарядовая структура грозового облака обычно проходит три стадии. Сначала облако , обычно, целиком заряжено положительно. При этом закон сохранения заряда никоим образом не нарушается. Заряды противоположного знака оказываются в окружающей атмосфере. Затем облако, как правило, приобретает двухполюсную структуру: вверху накапливается положительный заряд, внизу – отрицательный. В дальнейшем, когда начинается интенсивное выпадение осадков, в нижней части облака обычно формируется небольшая область положительного заряда. Таким образом, возникает трехполюсная зарядовая структура, которая считается классической. С распадом облака упорядоченная система зарядов «размывается».

2. Грозы в подавляющем большинстве случаев наблюдаются в тех облаках, в которых влага присутствует сразу в трех агрегатных состояниях: пар, вода и лед. В так называемых теплых конвективных облаках, состоящих только из пара и воды, грозы редки, а по утверждению ряда специалистов, и вовсе невозможны. Аналогично весьма редки и грозы в чисто ледяных облаках, не содержащих водяных капель.

3. Выпадение града практически всегда сопровождается грозой. Обратное неверно – грозы бывают без града.

Сафонов Алексей http://skywatching.net/stories/meteo/phenom/ts/behavior.php