Сегодня познакомимся с картиной Ивана Шишкина «Перед грозой». Творческий метод художника основан на работе с натуры. Он считал, что изучение окружающего нас мира и художественная деятельность – это бесконечный процесс, в котором нельзя поставить точку и сказать, что все это уже до конца изучено.
«Впечатления бледнеют,… художник сам не заметит, как уйдет от правды», – говорил Шишкин, поэтому непрерывно изучал природу. А в Отделении геофизических исследований ИПФ РАН изучают физику различных природных явлений, в том числе и молнии.
Про то, что такое молнии, какие они бывают и как их изучают в нашем институте, рассказал заместитель заведующего отделом геофизической электродинамики по научной работе ИПФ РАН Андрей Евтушенко.
Чтобы изучить любое природное явление, необходимо составить классификацию, и молния – не исключение из этого правила.
Молния – это электрический разряд в атмосфере. Молниевый разряд представляет собой процесс перетекания электрического заряда, что приводит к образованию молниевого канала – проводника, по которому течет электрический ток.
На основе одной из характеристик, – местоположения, выделяют четыре вида молний: внутриоблачные, облако-облако, облако-земля и облако-воздух.
Самые распространенные – это внутриоблачные разряды. Они почти всегда не видны наблюдателю из-за непрозрачности облака в оптическом диапазоне. Иногда можно наблюдать «зарницы» – внутриоблачные разряды, развивающиеся близко к краю облака, из-за чего оно «подсвечивается».
Второе место по частоте занимают разряды облако-земля, и это та самая молниевая активность, которую мы обычно наблюдаем. Если представить частоту возникновения разных молниевых разрядов в процентном соотношении, то можно сказать, что около 90% разрядов происходят внутри облаков, а 10% – между облаками и землей. Разряды облако-облако и облако-воздух достаточно редкие и обычно не приковывают большого внимания ученых.
Особо интересен с практической точки зрения разряд облако-земля. Именно такие разряды становятся неантропогенными источниками лесных пожаров и способны нанести существенный урон зданиям и сооружениям.
Разряды облако-земля бывают положительными или отрицательными в зависимости от переносимого ими заряда из облака. Фактически заряд в молниевом канале переносится электронами, так как они лёгче и подвижнее ионов. Поэтому при отрицательном разряде электроны перемещаются с облака на землю, а в случае положительного разряда они «двигаются» в обратном направлении — с земли на облако. Из-за этого, казалось бы, небольшого отличия разряды развиваются по принципиально разным сценариям, а их свойства отличаются.
Отрицательный разряд развивается так: сначала для него формируется молниевый канал, затем разряд быстро стекает, ток прекращается и канал начинает остывать. Но часто бывает так, что происходит разряд в соседней области, который начинает развиваться по старому, еще не остывшему каналу. Происходит так называемый повторный удар. Подобные процессы повторяются, и по одному каналу может произойти множество ударов, их количество иногда доходит до двадцати. Для наблюдателя без специального оборудования такой разряд воспринимается как единичный, поскольку человеческий глаз недостаточно чувствительный. Из-за такой динамики повторных ударов заряды, переносимые из облака на землю, не так велики, и сила токов в молниевом канале достигает несколько десятков килоампер.
Совершенно иная картина наблюдается при положительном разряде облако-земля. Высокая проводимость земли обеспечивает достаточное количество электронов, поэтому для положительных разрядов характерна так называемая стадия непрерывного тока. Положительные разряды облако-земля переносят заряд в сотни кулон, максимальная сила токов составляет сотни килоампер, а время разряда достигает нескольких секунд. Если такой, достаточно длительный заряд с высоким током попадет в какой-либо объект, например, в дерево или сооружение, он быстро нагреется и может загореться. Поэтому именно положительные разряды облако-земля являются не антропогенной причиной различных пожаров.
Люди всегда стремились контролировать и прогнозировать природные явления. Например, реализована идея триггерной молнии.
Молния появляется из-за разницы потенциалов между облаком и землей, поэтому если соединить их проводником, то начнется разряд. Фактически, это значит, что пропускается только первоначальная стадия развития «настоящей» молнии, но точно известно время и место разряда. Реализовать эту идею можно с помощью ракеты, к которой привязана тонкая проводящая нить. На земле, в точке касания проводника, можно установить амперметр и непосредственно измерить силу тока и временные характеристики разряда. На первый взгляд реализация триггерной молнии кажется простой задачей, но далеко не каждый запуск ракеты может привести к разряду: облако должно быть уже готово к развитию молний, а ученые при этом просто «помогут природе». Наибольших успехов на данный момент достигли во Флориде: на основе множества экспериментов ученые выяснили условия для эффективной инициации триггерной молнии.
Для чего это нужно? Например, для разработки систем детектирования молний. Если точно известны параметры молниевого разряда, то, измерив электромагнитное поле на разных расстояниях от разряда, можно создать модель, пригодную для решения обратной задачи. То есть, если провести измерения электромагнитного излучения молнии на нескольких приемных пунктах, можно вычислить место разряда по разнице времени прихода сигналов, а потом описать характеристики разряда, в первую очередь, максимальный ток и энергию.
Следующая задача, которая стоит перед нами, – спрогнозировать, где будет молния. В идеале, было бы замечательно заранее узнавать не только время и место, но и характеристики молнии. В нашей лаборатории (лаборатории физики молнии ИПФ РАН) уже ведутся работы по прогнозированию молниевой активности. Мы пытаемся определить вероятность возникновения молнии по некоторым характеристикам облачной системы. Конечно, невозможно предсказать конкретное событие, но можно выяснить, в каком месте и в какое время с высокой вероятностью инициируется молния. Это важно, например, для защиты аэропортов. Иногда из-за молний задерживают рейсы, и мы хотим сократить это время до минимума. Особенно это актуально для больших аэропортов-хабов, где рейсы идут один за другим 24/7.