Галина Железняк - Загадочные явления природы

Проводимость верхних слоев атмосферы достаточно велика, чтобы атмосферу можно было считать сферическим проводником. Существующее между отрицательно заряженной поверхностью Земли и положительно заряженной верхней атмосферой электрическое поле могло бы разрядиться менее чем за 5 минут из-за непрерывной ионизации молекул воздуха под действием космического излучения и естественной радиоактивности Земли. Однако этого не происходит, поскольку в результате грозовой активности поддерживается постоянный приток электронов к Земле. Разность потенциалов между нашим носом и ступнями могла бы достигать 200 В, если бы не высокая проводимость человеческого тела.

При разряде молнии заряды в облаке распределяются следующим образом: в основании облака сосредоточивается относительно небольшой запас положительных зарядов, в середине — большой отрицательный, наверху — огромный положительный. Вначале возникает разряд между основанием облака и его отрицательно заряженной серединой, при котором электроны переходят в основание облака. Предельное напряжение пробоя, вызывающее образование ионизованного канала, составляет примерно 3 млн В/м. Далее разряд продвигается вниз в виде ступенчатого лидера, прыгающего скачками по 50 м с паузами по 50 мкс, и с каждым скачком отрицательный заряд перемещается из облака в нижнюю часть проделанного лидером канала. Светится лишь нижняя часть лидера, но из-за быстрого движения нам виден полностью светящийся канал. Лидер скачет по ломаной линии, отклоняясь под действием разбросанных в воздухе положительно заряженных островков. Если неоднородность велика, лидер может изменить направление с вертикального на горизонтальное.

Вблизи заостренных предметов на поверхности Земли электрическое поле достигает таких значений, что навстречу лидеру устремляется положительный заряд, а в месте встречи возникает яркая вспышка, продолжающаяся до полной нейтрализации электричества. Ярко светящаяся область устремляется вверх по каналу лидера и достигает облака. Если движение вниз совершается примерно за 20 мс, то обратное движение происходит всего за 0,1 мс. Диаметр разряда-лидера измеряется метрами, а обратного разряда — несколькими сантиметрами. Свечение идет от центральной части канала. Человеческий глаз не способен отследить столь быстрое движение, поэтому светящимся кажется весь ствол с ответвлениями.

При вспышке молнии возникают импульсы электромагнитного излучения в широком диапазоне — от сверхнизких частот до 30 кГц и выше. Наибольшее излучение радиоволн находится в диапазоне от 5 до 10 кГц. Такие низкочастотные радиопомехи сосредоточены в пространстве между нижней границей ионосферы и земной поверхностью и способны распространяться на расстояния в тысячи километров от источника.

Электрический разряд молнии вызывает резкое расширение воздуха, в результате чего создается цилиндрическая ударная волна и образуется гром. Рядом с ударившей молнией можно расслышать шипение, производимое коронным разрядом, и следующий за ним щелчок — звук движущегося вверх сверхзвукового лидера. Сопровождающий молнию гром редко распространяется на расстояние более 25 км, хотя те же звуки орудийных выстрелов и взрывов снарядов разносятся значительно дальше. Дело в том, что скорость звука в теплом воздухе выше, чем в холодном. Поскольку с увеличением высоты температура уменьшается, верхняя часть звуковой волны, распространявшейся вначале горизонтально, движется медленнее, чем нижняя ее часть. Вследствие этого траектория волны загибается вверх. В холодный же день звук может отклоняться не вверх, а вниз, распространяясь на большие расстояния по поверхности Земли, но в морозные дни молнии не сверкают. Кроме того, достигая относительно более теплых слоев стратосферы, траектория волны может искривиться таким образом, что снова устремляется вниз, поглощаясь и рассеиваясь рельефом местности. Между областью, которой достигает прямая звуковая волна, и отраженной от стратосферы областью находится мертвая зона, в которой звук источника не слышен. За пределами этой зоны, вне видимости грозы, отраженный звук может появиться снова, предупреждая о нашествии стихии.

Иногда во время грозы можно наблюдать разряд молнии, обрывающийся на полпути к земле, что означает промежуточную нейтрализацию лидера положительным зарядом объемного воздушного скопления. Еще реже возникает картинка из нескольких параллельных разрядов, производящих впечатление свисающей с облака ленты, — так называемая ленточная молния. «Лента» образуется при сильном ветре, перемещающем канал молнии с серией следующих друг за другом разрядов. Интересна по структуре и напоминает нанизанные на нитку бусинки четочная молния. Эффект четок возникает при сильном дожде, когда разряд частично заслонен каплями воды и дождевыми струями. В последнем случае участки канала молнии, совпадающие с направлением зрения наблюдателя, заметны несколько дольше остальных, поскольку видны с торца и дают больше света.

Причиной возникновения молнии, помимо распространенных природных явлений, может послужить также ядерный взрыв, извержение вулкана или землетрясение. При взрыве водородной бомбы молнии могут возникать в результате разделения зарядов от гамма-излучения, а лидеры образуются вблизи металлических сооружений. Подобные лидеры молний, идущие снизу вверх, иногда наблюдаются над крышами небоскребов и остроконечными пиками гор. При вулканическом извержении раскаленная лава иногда сползает в море и поднимает вверх облака положительно заряженного пара, электроны по каналу разряда движутся вверх. Что касается провоцирования гроз землетрясениями, ученые выдвигают гипотезу о пьезоэлектрическом эффекте в скальных глубинах, где распространяется сейсмическая волна. На подобном электрическом эффекте основано воспроизведение музыки с грампластинки.

До изобретения электричества и громоотвода люди боролись с разрушительными последствиями ударов молний заклинаниями. В Европе действенным средством борьбы считался непрерывный колокольный звон во время грозы. Согласно статистике, итогом 30-летней борьбы с молниями в Германии стало разрушение 400 колоколен и гибель 150 звонарей.

Первым человеком, придумавшим эффективный способ нейтрализации ударов молнии, стал небезызвестный гражданин США Бенджамин Франклин — универсальный гений своей эпохи.

Результатом семилетнего увлечения Франклина электричеством стало изобретение громоотвода. В 1750 г. Франклин предложил Лондонскому королевскому обществу поставить опыт с железной штангой, укрепленной на изолирующем основании и установленной на высокой башне. Он предполагал, что при приближении грозового облака к башне на верхнем конце первоначально нейтральной штанги сосредоточится заряд противоположного знака, а на нижнем — заряд того же знака, что у основания облака. Если напряженность электрического поля при разряде молнии возрастет достаточно сильно, заряд с верхнего конца штанги частично перетечет в воздух, а штанга приобретет заряд того же знака, что и основание облака.