5.1. Молния

Откуда берется молния и почему при грозе грохочет гром и вспыхивает свет? Поскольку молнию видно издалека, значит ли это, что она очень широкая?

ОТВЕТ • Молния — это очень мощный электрический разряд (искра), проходящий между тучами и землей. Хотя этот разряд был детально исследован и его параметры измерены, основная причина образования зарядов в тучах и спусковой механизм, приводящий к появлению молнии, до сих пор не до конца ясны. Известно несколько механизмов разделения зарядов в туче, в том числе захват ионов, всегда имеющихся в воздухе, движущимися каплями и кристаллами, столкновения градин с более мелкими кристалликами льда, а также слияние и дробление капель. Электроны из кристалликов льда переходят в градины, которые после этого опускаются в нижнюю часть тучи, туда же переносят заряд падающие капли. В результате, поскольку электроны несут отрицательный заряд, основание тучи становится отрицательно заряженным, а верхняя часть тучи, потерявшая эти электроны, становится положительно заряженной. Все же небольшое количество положительных зарядов остается и у основания тучи.

На земле в обычных условиях имеется избыток свободных электронов, но когда над каким-то местом повисает заряженная туча, электроны оттуда уходят, поскольку их отталкивают отрицательные заряды, собравшиеся в основании тучи. Так место под тучей становится положительно заряженным. Эти заряды на земле и соответствующее распределение зарядов в туче приводят к появлению большого электрического поля между землей и тучей. Если оно превысит некоторое критическое значение, возникнет разряд, начинающийся у основания тучи.

Рис. 5.1 / Задача 5.1

Затем по направлению к земле начинает распространяться зигзагообразный ступенчатый лидер, который по дороге ионизует атомы, выдирая с их внешних орбит электроны, и переносит вниз часть отрицательных зарядов с тучи. Он слишком слабо светится и невидим для глаза, но сфотографировать его можно. Длина ступенек составляет примерно 50 м (поэтому его называют ступенчатым), причем путей распространения ступенчатого лидера вниз очень много, и они весьма разветвленные. Хотя наблюдателю на земле обычно кажется, что молния идет вертикально вниз, часть ее пути в основном горизонтальна. Лишь когда молния приблизится к поверхности земли, она начинает «замечать» некоторые объекты на земле, например высокие деревья.

От таких объектов вверх вытягиваются каналы, образованные ионизованными атомами, — восходящие стримеры. Когда один из этих стримеров встречается со ступенчатым лидером, канал замыкается, возникает проводящий путь между тучей и землей, и электрическое поле ускоряет электроны, находящиеся у поверхности земли вдоль этого пути. Проводимость канала возрастает, и по нему протекает основной ток, причем в направлении от земли к туче. Этот ток называется возвратным ударом, вот он и есть та молния, которую мы обычно видим. Поскольку электроны ускорены полем, они по пути сталкиваются с молекулами воздуха, выбивают из них электроны и сильно поднимают температуру воздуха на своем пути. При нагревании воздух так быстро расширяется, что возникает ударная волна, которая и образует удар грома. Когда освободившиеся электроны рекомбинируют с молекулами воздуха, вспыхивает ярким светом молния. Хотя молния может быть яркой и мощной, толщина проводящего пути, в котором вся эта активность происходит, около сантиметра в диаметре.

Когда проводящий путь установился, к его верхней части начинают стекаться электроны из других частей тучи, и из нее вниз может быть послано несколько электронных импульсов. Эти множественные импульсы можно увидеть — они проявляются в виде мерцающей молнии. Если во время формирования множественных импульсов проводящий канал будет сдуваться в сторону сильным ветром, вместо единичной молнии можно увидеть несколько параллельных молний, напоминающих свисающую с облака ленту.

В большинстве молний образуется распространяющийся сверху вниз ступенчатый лидер, и электроны перемещаются от тучи к земле. Однако идущий вниз ступенчатый лидер может начаться и в более высоких, положительно заряженных слоях тучи, и тогда электроны будут двигаться от земли к туче. А еще ступенчатый лидер может начаться на земле, скорее всего, в каких-либо высоких точках типа небоскребов, и распространяться от них вверх. Такой ступенчатый лидер, направляющийся к нижней части тучи, переносит электроны на землю, а лидер, направляющийся к верхней ее части, переносит электроны на тучу. Можно определить, что эти ступенчатые лидеры идут от земли, по тому, что они ветвятся снизу вверх. В конце грозы иногда происходят разряды между облаками, и тогда на нижней части грозовых туч можно увидеть молнию-паутину — красивейшую, медленно расширяющуюся во все стороны светящуюся картину.