МОЛНИЯ
Проблема понимания механизма зарождения молнии остается актуальной уже многие годы. Она входит в десятку важнейших нерешенных вопросов физики атмосферного электричества. Ученые давно наблюдают кратковременные разряды, называемые стримерами, возникающие вследствие столкновения заряженных капель и кристаллов воды. Хотя сами по себе такие разряды непродолжительны и не приводят к формированию полноценной молнии, именно они являются основой для последующего развития устойчивого лидера молнии — горячего плазменного канала длиной в километры.
Первые научные исследования атмосферного электричества начались в середине XVIII века. В России это были М. Ломоносов и Г. Рихман. Они первыми начали разрабатывать приборы качественного и количественного исследования атмосферного электричества. «Электрический указатель» использовали при создании «громовой машины» — первой стационарной установки для наблюдения за интенсивностью электрических разрядов в атмосфере. С помощью «громовой машины» Ломоносов и Рихман установили, что электричество содержится в атмосфере и при отсутствии грозы, они убедительно доказали, что молния — это электрические разряды в атмосфере.
Как известно, 25 июня 1753 г., во время грозы Г. В. Рихман, приблизившись к «электрическому указателю», был убит ударом в лоб «бледно-синеватым огненным шаром».
Ломоносов явился инициатором объявления Академии наук конкурса на тему: «Сыскать подлинную электрической силы причину и составить точную ее теорию».
Свои воззрения на явления электричества Ломоносов сформулировал в 1756 г. в неопубликованном и сохранившемся лишь в виде тезисов труде «Теория электричества, разработанная математическим путем».
В настоящее время среди электрических разрядов в газе различают: искровой, дуговой, тлеющий и молнию.
Искровой разряд происходит при атмосферном давлении и сопровождается характерным треском искры. Искровой разряд представляет собой совокупность исчезающих и сменяющих друг друга нитевидных искровых каналов. Искровые каналы заполнены ионизированным газом, то есть плазмой. Существует мнение, что молния – гигантская искра, а гром – очень громкий треск. Но не все так просто.
Атмосферные разряды бывают самых разнообразных видов.
1. Грозовая молния — обычная, чаще всего наблюдаемая.
2. Спрайты — крупномасштабные электрические разряды, возникающие в верхних слоях атмосферы над грозовыми облаками. В отличие от обычных молний, которые наблюдаются в тропосфере, спрайты возникают в мезосфере и ионосфере. Спрайты возникают в результате мощных гроз, особенно после разрядов позитивных молний, которые передают электрический заряд от облака вверх. Такие молнии образуются на высотах от 30 до 90 км. Для сравнения: высота образования «обычных» молний — не более 16 км. Самые крупные спрайты имеют размер около 50 км в высоту и 20 км в длину.
3. Шаровые молнии – природное явление электрического происхождения, то есть представляет собой особого вида молнию (плазмоид), существующую продолжительное время и имеющую форму шара, способную перемещаться по непредсказуемой, иногда удивительной для очевидцев траектории. Шаровая молния обычно появляется в грозовую, штормовую погоду; зачастую (но не обязательно) наряду с обычными молниями. Чаще всего она как бы «выходит» из проводника или порождается обычными молниями при их разрядах, иногда спускается с облаков, в редких случаях — неожиданно появляется в воздухе или, как сообщают очевидцы, может «выйти» из какого-либо предмета (дерево, столб)
4 Вулканические молнии — одно из самых зрелищных и малоизученных явлений природы. Их механизм похож на обычные грозовые разряды, но с ключевым отличием: электричество генерируется не льдинками в облаках, а трением раскалённого пепла и газов.
Первоочередным является вопрос, каким образом возникает электрический заряд в облаках? Не плохо бы добавлять и ещё один вопрос – какой величины он достигает?
Исследуя существующие теории с точки зрения этих двух вопросов видишь, что ни одна теория не может объяснить происхождение молнии во время грозы. Сразу отметим, что молнии, как правило, возникают в грозовых облаках и очень редко осенью или весной при сплошной облачности, когда с неба сыпется рыхлая «крупа» или снежинки.
Официальное объяснение появления электричества в атмосфере, которое можно найти на страницах интернета: Электрический заряд в облаках возникает в результате разделения зарядов внутри них. Далее идёт объяснение механизма. Когда капли воды и кристаллы льда перемещаются, они сталкиваются друг с другом, вызывая трение и, как следствие, передачу заряда. За время изучения электрической природы грозовых явлений было исследовано множество различных процессов электризации гидрометеоров и облачных частиц. В настоящее время еще не установлено, какой из процессов является наиболее мощным и имеет достаточную интенсивность для формирования грозовых зарядов.
Вот и всё объяснение! Просто удивительно, но ни один из попавшихся мне описанных процессов электризации не объясняет, как же всё таки возникает мощный электрический разряд в атмосфере. Вот как на сегодняшний день выглядят объяснения:
Один из основных процессов — разделение электрических зарядов за счёт восходящих потоков воздуха. Они несут с собой мелкие капельки воды, которые при подъёме сталкиваются друг с другом и раскалываются. При каждом расколе мелкие осколки получают положительный заряд, а более крупные капли — отрицательный заряд. Более лёгкие, положительно заряженные осколки, поднимаются к вершине облака, а более тяжёлые отрицательно заряженные капли опускаются к основанию.
Это чисто умозрительное заключение не серьёзное. Как можно расколов каплю воды на неравные части получить на крупном осколке отрицательный заряд, а на мелком – положительный?
Ещё один процесс — трение частиц льда и снега внутри облака. Когда ледяные частицы сталкиваются друг с другом, они могут приобретать электрический заряд. Из-за трения между частицами условия электризации должны сильно изменяться, так как при трении возникают и быстро протекающие контакты частиц в отдельных соприкасающихся точках, и разрушение поверхностного слоя в этих точках. Оба этих эффекта должны приводить к дополнительной электризации трущихся частиц. Анализ исследований электризации при трении приводит к выводу, что при трении ледяных частиц о поверхность ледяных тел, первые (это имеется в виду ледяные частицы), как правило, электризуются отрицательно, а вторые(имеется в виду поверхность ледяных тел) – положительно. Когда разность потенциалов между верхней и нижней частями облака становится достаточно большой, воздух между ними пробивается электрическим током — это и есть молния.
Человек, написавший такую несуразицу, самое многое – расписался в не компетенции относительно механизма электризации трением. И, конечно же, совершенно не обозначил, на каком именно носителе происходит накопление электрического заряда. А ведь это принципиально важно. Разряд молнии – очень мощный процесс и количество электронов, участвующих в нём, огромно.
Ионная электризация гидрометеоров, это уже более наукообразная теория. Поляризующиеся в электрическом поле облачные частицы при определенных условиях могут осуществлять захват атмосферных ионов. Верхняя и нижняя половины облачной частицы, не имеющей заряда и помещенной в вертикальное электрическое поле, приобретают заряды противоположных знаков. Если градиент потенциала положителен, то верхняя половина частицы будет заряжена отрицательно, а нижняя – положительно. Электризация частицы возможна, если скорость падения этой частицы превышает скорость направленного вниз потока положительных ионов. В данном случае положительные ионы отталкиваются нижней частью гидрометеора, в то время как поднимающиеся вверх отрицательные ионы ею притягиваются. В результате гидрометеорит приобретает преимущественно отрицательный заряд, усиливая существующее электрическое поле (почти как у барона Мюнхгаузена, он вытащил себя из болота за собственные волосы, которые торчали над болотом). Заряжение облачных частиц за счет ионов атмосферы является причиной возникновения только небольших зарядов в облаке на их начальной стадии развития. Данный механизм не может привести к существенной электризации облачных частиц, необходимой для развития грозовых процессов.
Слава Богу, автор «честно» признался, что таким способом, молния не получится. Я добавлю, что ещё нужно, чтобы кто-нибудь создавал при этом электрическое поле.
Электризация крупных ледяных частиц при столкновении с облачными частицами. Один из наиболее изученных механизмов электризации – столкновение крупных ледяных частиц (градин или крупинок) с ледяными частицами (кристалликами). Данный процесс приводит к взаимной электризации этих частиц. В результате экспериментальных наблюдений многие исследователи обнаруживали различные закономерности, однако не существует единой теории, объясняющей все наблюдаемые эффекты.
Электризация крупных ледяных частиц при столкновении с переохлажденными облачными каплями. Столкновение переохлажденных облачных капель с градиной или крупинкой может сопровождаться двумя различными процессами: разбрызгиванием капли по поверхности ледяной крупинки или раскалыванием капли при замерзании на поверхности крупинки. Произойдет ли разбрызгивание или раскалывание капли, вероятно, зависит от режима роста крупинки. При сухом режиме капли взрываются, при мокром разбрызгиваются. Разрушение капли при столкновении вызывает электризацию крупинки или градины. От того, каким образом происходило разрушение капли, зависит не только величина, но и знак результирующего заряда. При разбрызгивании и намерзании капель на крупинках или градинах разделение заряда происходит как следствие фрагментации капель и кристаллизации их частей на поверхности льда. Многочисленные эксперименты показали, что заряжение ледяной мишени зависит от следующих факторов: размеров переохлажденных капель, скорости столкновения капель с крупинкой или градиной, состава примесей в каплях воды, напряженности поля в месте столкновения. При этом частица, как правило, заряжается положительно. Вот только вопрос, как это в облаке градины умудряются с большой скоростью сталкиваться с переохлаждёнными каплями воды? Причём кто-то должен их направлять друг на друга!
По мере развития кучево-дождевого облака последовательно включаются различные процессы электризации. На начальном этапе работает ионное заряжение. При появлении твердых частиц и кристаллов включается механизм электризации твердых частиц при взаимодействии с льдом и каплями. Именно они играют ключевую роль в электризации облака.
Спонтанная электризация и дальнейшая поляризация облака происходит тогда, когда кристаллы становятся достаточно крупными для движения навстречу восходящим воздушным потокам и зона осадков в облаке перемещается в нижнюю часть. В верхней части облака преобладает «сухой» рост ледяных частиц, при этом верхняя часть облака заряжается положительно, поскольку ледяные частицы уносят отрицательный заряд в центральную часть облака. В итоге этого объяснения получается так, что положительно заряженные частицы уносят отрицательный заряд.
Очень революционный вывод: положительно заряженные частицы переносят отрицательный заряд!
Ладно, не понятно как, но электрический заряд большой мощности в облаке появляется. Рассмотрим теперь, что из себя представляет молния. Молния бьет между одной частью тучи и другой, или между одной тучей и другой, или между тучей и Землей. Ток в пике молнии достигает 10 000 А. С каждой независимой вспышкой — с каждым ударом молнии, с небес низвергается 20—30 кулон электричества.
Интересно, сколько же времени тратит туча на восстановление этих 20—30 кулон, уходящих с молнией? Это можно выяснить, измеряя вдали от тучи электрическое поле, вызываемое дипольным моментом тучи. При таких измерениях наблюдается внезапный спад поля при ударе молнии, а затем экспоненциальный возврат к первоначальному его значению с характерной временной постоянной порядка 5 сек, немного меняющейся от случая к случаю. Значит, грозе достаточно 5 сек, чтобы восстановить весь свой заряд!
Вспышки следуют друг за другом нерегулярно, но существенно то, что возвращение к начальным условиям всегда происходит примерно за 5 сек. Следовательно, в грозовой динамо-машине течет ток примерно в 4 а. А это означает, что любая модель, придуманная для объяснения того, как грозовой вихрь генерирует электричество, должна быть очень мощной — это должна быть огромная быстродействующая махина.
Земля вместе со своей атмосферой представляет конденсатор, в котором ионосфера – обкладка с положительным зарядом, а поверхность земли – обкладка с отрицательным зарядом. Но источником энергии для молнии этот конденсатор быть не может. Потому что скорость восстановления заряда этого конденсатора никак не может поспевать за теми значениями токов, протекающих во время гроз, происходящих на планете. Надо помнить, что поверхность земли, так же и ионосфера, как обкладки конденсатора имеют очень маленькое сопротивление, практически равное нулю и потенциал в любой точке этих обкладок при измерении будет одинаковым. Если бы, этот конденсатор служил источником энергии для молнии, он должен был бы тот же час разрядиться, однако это не наблюдается.
Для объяснения формирования электрической структуры грозового облака предлагалось много механизмов, и до сих пор эта область науки является областью активных исследований. С точки зрения наблюдений официальной науки, развитие обычной наземной молнии, представляется следующей схемой.
В момент, когда лидер приближается к земле, напряженность на его конце растет. Из земли или из предметов, выступающих над поверхностью (деревья, крыши зданий) навстречу лидеру выбрасывается ответный стример (канал). Когда лидер достигает земли, по проложенному им каналу ионизированного воздуха начинает течь ток. Именно в этот момент и наблюдается основная вспышка молнии, сопровождаемая резким ростом силы тока и выделением энергии. Здесь уместен вопрос, откуда идет молния? Из облака к земле или наоборот? Интересно, что лидер распространяется от тучи к земле, а вот обратная яркая вспышка, которую мы и привыкли наблюдать, распространяется от земли к туче. Правильнее говорить, что молния идет не от неба к земле, а происходит между ними.
Такая схема образования молнии не безупречна. Потому что разность потенциалов не объясняет ни возникновение лидера, ни направление и маршрут его движения. Это просто описание видимого явления. На самом деле дополнительно существует ещё один механизм, не видимый с большого расстояния, но объясняющий, каким образом определяется путь движения лидера.
Молнии не редко бывают длиной 20 км и более (свыше 100 км). Электрический «пробой» влажного воздуха наступает при напряжённости электрического поля 1 - 3 кВ/см. Возьмём самый щадящий вариант – 1 кВ/см. Если принять за истину, что разряд молнии начинается с «лидера», который начинает двигаться от облака к «земле». То есть «лидер» двигается под воздействием разности потенциалов. Какой же должен быть потенциал на расстоянии 20 километров? Калькулятор легко считает: 20 км = 20 000 метров = 2 000 000 см. Значит разница потенциалов как минимум должна быть 2 миллиона киловольт. Это в среднем по минимуму. Такую разность потенциалов в атмосфере никто, никогда не регистрировал. Более того, однозначно, британские ученые ещё не установили, каким же образом возникает электрический заряд в грозовом облаке. Трение жидкостей, равно как и (трение!) газов электризации не вызывает. Электризацию вызывает только трение о твёрдые поверхности. Такое трение обеспечивает падение сухих градин об воздух. Градины бывают разного размера/веса и падают в сухом воздухе с разной скоростью. Чем крупнее град, тем больше скорость падения и выше электризация каждой отдельной градины. Чем выше облака, тем крупнее град и мощнее молнии. Это известно из наблюдений.
Почему зимой во время снегопада грозы не бывает? Потому что снежинки слишком лёгкие и трение их о воздух незначительное. Только, если в межсезонье атмосферная влага собирается в «крупу», своеобразные мелкие градинки, можно заметить их электризацию. Однажды в горном походе, находясь на сухом снегу моренного озера, во время такого вида осадков я обратил внимание на неестественное поведение густо сыплющихся с неба крупинок. Крупинки не просто падали, а после столкновения с поверхностью подпрыгивали и на некоторое время зависали в воздухе. Очевидная сильная электризация. При этом у одного моего товарища, идущего без головного убора, волосы на голове встали дыбом, а у другого приподнялась шапочка, и помпончик на ней тоже распушился дыбом. Воздух был туманным и перевал, к которому мы шли, не был виден. Возник спор, в какую сторону идти. Друг с торчащими в разные стороны волосами показал трекинговой палочкой направление, куда, по его мнению, следует идти. В этот же момент с сухим треском худенькая молния прошила эту трекинговую палочку и ушла в сторону ущелья, из которого мы шли. Друг с трекинговой палочкой добавляет, что эта худенькая молния ещё и поднялась к палочке с поверхности по его телу. Это была серия стримерных разрядов. Никто не пострадал, потому что мы стояли на изоляторе, сухом снегу, покрывающего лёд моренного озера, да и молния была хиленькая. Естественно, на перевал мы уже не пошли, а повернули назад. Как только дошли до мокрой земли, волосы и шапочка опали и приняли нормальный естественный вид.
И главный вопрос: как возникает электрический заряд в грозовом облаке, получается раскрытым. Всё известно и представляется достаточно просто.
Никакого предварительного накопления электрического заряда в облаке не существует. Заряд может накапливаться только на твёрдых поверхностях. Тот потенциал, который измеряют исследователи, залетая в облако на самолёте, это потенциал отдельных капелек, снежинок или градинок. А что делают одноимённо заряженные тела? Правильно, они отталкиваются друг от друга, тем с большей силой, чем выше потенциал. Заряд стремится рассредоточиться. Поэтому существует кажущийся парадокс, в облаках не зарегистрированы миллионы киловольт, необходимые для пробоя воздуха на километровых расстояниях. Но молния образуется при значительно меньших потенциалах. Молния – это не просто искра. У неё другой механизм происхождения. Облако, по своим свойствам, следует рассматривать как подобие газа. Если и может накапливаться электрический заряд на отдельных капельках воды (паровых кластерах), то он не может быть большим. Да и с возникновением заряда сплошные натяжки. Да, может быть и наблюдается возникновения заряда при раскалывании льдинок и капелек, но этот заряд небольшой и представляет собой плюс и минус, которые тотчас стремятся снова объединиться.
Понаблюдаем снова за снежинками. Почему в морозную погоду снежинки звёздчатые радиально симметричные, а в оттепель летят слипшимися хлопьями? Морозный воздух сухой, мало электропроводный. Кристаллизующаяся снежинка, пролетая сквозь сухой воздух, электризуется и уже не сталкивается с другими снежинками. Они отталкиваются друг от друга. Рост отдельной снежинки происходит за счёт конденсации кластеров водяного пара. Не случайно угол лучей снежинки такой же, как и угол у молекулы воды - 60°. Попадая в область плюсовой температуры влажного воздуха, снежинки теряют лишние электроны, становится электрически нейтральными. И тут более тяжёлые начинают догонять опаздунов и образуются хлопья.
Электризация в воздухе происходит в результате трения, но не между водой и водой в жидком или кристаллическом состоянии, а между льдом и воздухом. Никакой электризации при трении материала c одинаковой диэлектрической постоянной не бывает. Электризация происходит в процессе трения согласно правилу Коэна, по которому материал с более высокой диэлектрической постоянной, получает положительный заряд. Правило Коэна получило подтверждение более чем для 400 веществ.
Вещество
Диэлектрическая постоянная
Вода
80
Лёд
Лёд имеет значение ещё более высокое.
Воздух
1.00059
Электризация твёрдых поверхностей о воздух не является новым открытием. Электризуются летящие самолёты, двигающиеся автомобили, даже ветер, дующий над поверхностью океана производит электризацию на сухих диэлектриках (в ночь перед бурею на мачтах, горят святого Эльма свечки…). Градины, летящие на большой скорости сквозь сухой морозный (на высоте) воздух заряжаются положительно. Вот отсюда измерение положительного заряда в верхней части облака. Чем выше облако, тем крупнее градины и выше заряд. Эти положительно заряженные градины и переносят положительный заряд в нижнюю часть облака, заряженную, благодаря ионному переносу заряда земли, в область отрицательного заряда облака. Вот здесь можно наблюдать разряды горизонтальных молний. Самая длинная зарегистрированная молния была зафиксирована в штате Оклахома в 2007 году. Её протяжённость составила 321 км. Самая продолжительная молния была зафиксирована в Альпах. Её длительность составила 7,74 секунды.
Чтобы возник грозовой разряд, не нужны миллионы киловольт на сантиметр. Вполне достаточно лишь такой разницы потенциалов, чтобы пробить расстояние между двумя градинами.
Теперь процесс образования молниевого разряда выглядит немножко по-другому. Молния начинается не со ступенчатого лидера, а с первой достаточно сильно положительно заряженной градины (или капли от растаявшей градины) приблизившейся к незаряженной поверхности земли на расстояние достаточное для пробоя. Происходит первый стримерный искровой разряд градины.
Возможно, в результате индукции, градина тот час перезаряжается на отрицательное значение. Но для понимания процесса, это не обязательное условие. Градина, летящая следом за первой, получает возможность сбросить свой заряд на первую. И так далее, по цепочке начинается цепной микростримерный разряд ближайше расположенных друг к другу градин в потоке. Там где произошёл первичный разряд, воздух ионизируется и становится электропроводным. Возникает первичный ионизированный канал, в который начинают лавинно стекать заряды других, падающих градин. Это и есть первичный, пока ещё не видимый, канал по которому затем начнёт двигаться видимая часть электрического разряда – лидер. Перед основной вспышкой молнии его можно наблюдать в виде небольшого пятна, движущегося от тучи к земле. Это уже достаточно сильный электрический разряд, вызывающий свечение воздуха, так называемый ступенчатый лидер.
Лично я никогда не наблюдал никакого ступенчатого лидера и механизм его образования однозначно объяснить не могу. Может быть, он возникает не всегда, а только в случае, если первичный канал встречается с зоной ещё большей электризации, где-нибудь в верхней части более плотного потока падающих градин. Если наблюдать со стороны ливневые струи из тучи, видно, что в верхней части этот поток плотнее, а к низу начинает расширяться. Одноимённо заряженные градины отталкиваются друг от друга. То есть расстояния между градинами в верхней части потока меньше и разряд может протекать с большей интенсивностью. При достижении достаточной силы, воздух начинает светиться, и ступенчатый лидер становится видимым. Вслед за ним лавинно увеличивается разряд и по первичному каналу. Возникает видимая молния. Сила тока резко возрастает, вода и воздух резко расширяются. Раздаётся раскат грома.
Форму молнии определяет взаиморасположение падающих градин. Поэтому траектория молнии ломаная и ветвистая. Вслед за ударом молнии, если разряд произошёл в землю и от Вас неподалёку, всегда можете заметить усиление дождя (осадков). Это долетает до земли плотный поток падающих градин (капель), который являлся источником электричества для молнии. Наблюдая грозу со стороны, всегда видно, что молнии возникают именно в наиболее плотных потоках.
Возникновение молнии – процесс динамический. Никаких предварительно накапливаемых зарядов в облаках не существует. Энергия молнии происходит из энергии падающего из тучи льда. Поэтому и для восстановления потенциала, необходимого для образования новой молнии, градине достаточно пролететь по воздуху всего 5 секунд. Вот это и есть та самая мощная динамо-машина, генерирующая электричество для молний. До земли град в сухом виде долетает далеко не всегда, в тёплом воздухе он тает и летит уже в виде крупных ливневых капель. Вода от трения не электризуется, но заряд может нести. Всегда после удара близкой молнии, ливень усиливается. Это долетает поток растаявших градин, которые участвовали в образовании молнии.