Альманах «Знак вопроса» - ЗНАК ВОПРОСА 1994 № 03

Прежде всего небеса лазурные гром сотрясает

В силу того, что, летая высоко в пространстве эфира,

Тучи сшибаются там под натиском ветров противных…

Конечно, такое объяснение сегодня трудно воспринять без иронии, хотя древние мыслители все же правильна ответили на вопрос: почему сначала мы видим молнию, а потом слышим гром? «Весла уже заносятся назад, в то время как звук, который они произвели, наконец достигает нас», — писал по этому поводу Аристотель. А тот же Лукреций добавил: «…Всегда до ушей достигает медленней звук, чем то, что дает впечатление глазу».

Лишь поняв, что гроза представляет собой огромную электрическую машину природы, а облака не могут производить грохота при механическом столкновении, ученые стали искать другие объяснения происхождения грома.

Одни говорили, что удар молнии образует области вакуума и гром возникает при исчезновении вакуумной полости примерно так же, как хлопает разбиваемая электрическая лампочка. Другие полагали, что удар молнии превращает воду, содержащуюся в атмосфере, в пар, а уже пар, расширяясь, порождает гром. Третьи считали, что электрический разряд разлагает воду на составляющие — водород и кислород. А эти газы, соединяясь снова, образуют гремучую смесь, которая и взрывается со страшным грохотом.

Однако правы в конце концов оказались те исследователи, которые поясняли: молния мгновенно нагревает воздух на своем пути; воздух же, расширяясь, и дает хлопок, словно пороховые газы, вырывающиеся из дула орудия.

Действительно, когда удалось измерить температуру в канале молнии, оказалось, что она достигает 25–27 тысяч градусов! И чуть ли не три четверти энергии грозового разряда расходуется именно на нагревание воздуха в канале молнии. Понятно, что воздух, температура которого за несколько десятимиллионных долей секунды поднимается почти до 1500 градусов, расширяется столь сильно, что процесс этот сравним со взрывом.

А чтобы вы полнее представили себе, какие грандиозные мощности при этом расходуются, добавим, что всего лишь около 0,5 % этой энергии преобразуется в звук. Но даже при этом получаются раскаты, которые слышны на десятки километров!

Кстати, характерные для грома раскаты — результат действия нескольких причин. Во-первых, звук, порождаемый молнией на различных этапах ее пути, проходит разные расстояния и доходит до наблюдателя в разные промежутки времени. Во-вторых, основному звуку вторит эхо — результат отражения от различных частей облака. Влияют на раскаты грома также и порывы ветра.

Ныне запись грома с помощью специальных микрофонов дает возможность делать выводы о размерах канала молнии, ее мощности, о состоянии атмосферы, об объеме облака и даже о процессах, благодаря которым облако накапливает электричество.

И тут уж стала выясняться сущая фантастика! Естественные электрические машины, как оказалось, способны накапливать потенциалы в миллиарды вольт, а общая мощность средней грозы вполне сравнима со взрывом нескольких термоядерных бомб. И все — результат всего лишь взаимодействия капелек и льдинок, поддерживаемых в воздухе восходящими потоками?!

Да, это действительно так. Расчет показывает, что электростатический заряд каждой частицы облака, в общем-то, ничтожен, но таких частиц миллионы миллионов… В облаке средних размеров, содержащем порядка 100 тысяч тонн воды, таких капель будет примерно 610 12.

Умножив число капель на среднюю величину заряда каждой, получим, что общий заряд облака составляет примерно 200 кулонов. Это не так уж много: такого заряда хватит, чтобы 100-ватная электролампочка горела всего несколько секунд. Однако разряд молнии длится миллионные доли секунды и успевает за это время достичь разности потенциалов в 300 миллионов вольт!

Откуда капли берут энергию? Ведь в воде, казалось бы, отсутствуют электрические заряды… Наэлектризовать воду можно несколькими способами: путем захвата из воздуха ионов дождевыми каплями или смоченными ледяными кристалликами, электризацией посредством трения при столкновениях между собой льдинок, льдинок с каплями, при дроблении водяных капель на более мелкие (именно такие процессы, как установлено, приводят к электризации воды в водопадах и фонтанах)… Какой именно процесс или процессы имеют преобладающее значение, наукой пока еще точно не установлено.

Однако результат таких процессов налицо. Одновременно с формированием кучевого облака, которое может нести в себе, согласно расчетам французских метеорологов Роже Клосса и Леопольда Фасси, до 360 тысяч тонн воды, происходит и накопление в нем электрического заряда. Накопление это идет до той самой поры, пока в воздухе не сверкнет первая искра…

Причем для того, чтобы получился молниевый разряд, должны произойти прежде некоторые, обычно незаметные глазу обывателя, события. Дело в том, что, несмотря на относительно высокий потенциал, накапливаемый облаком, его зачастую все же недостаточно, чтобы пробить примерно пятикилометровый слой воздуха, разделяющий облако и землю. (Воздух, как известно, является достаточно хорошим изолятором). Поэтому главный разряд молнии может состояться лишь после того, как ему проложит путь предшествующий разряд небольшого напряжения. Такой разряд ученые называют ступенчатым лидером.

Почему «лидер», понятно — идущий впереди заслуживает такого названия. Но почему «ступенчатый»?.. Лидер начинает формироваться, когда электрическое поле в облаке становится настолько плотным, что срывает некоторые электроны молекул воздуха с их законных орбит. Эти электроны ускоряются электромагнитным полем, сталкиваются с новыми молекулами воздуха, выбивают из них новые электроны… Начинается цепная реакция. Электронная лавина устремляется вниз, к земле, оставляя за собой проводящий путь из частично ионизированного газа, воздуха.

Лавина эта не увеличивается до бесконечности только потому, что ее источнику — электрическому полю облака — начинает противодействовать все большее число положительных ионов, освобождающихся в результате выбивания электронов. В конечном итоге на каком-то расстоянии от облака наступает равновесие — электронная лавина приостанавливается, пройдя путь 50—100 метров со скоростью примерно 130 км/с. Здесь образуется своеобразная «ступенька», электронная лавина как бы отдыхает. Отдых этот продолжается примерно 50 мкс, и за это время, вероятно, происходит «подтекание» новых электронов из облака. Говоря иными словами, к лидирующей группе прибывает подкрепление.