Анатолий Томилин - Мир электричества

В конце XIX века ученые пришли к выводу, что в атмосфере Земли на высоте примерно шестидесяти километров начинается ионизованная область – ионосфера, проводящий слой атмосферы, который, как скорлупой, охватывает планету. Это позволяет грубо приближенно рассматривать земную поверхность и ионосферный слой как обкладки конденсатора с разностью потенциалов около 300 кВ. В районах ясной погоды этот природный конденсатор постоянно разряжается, поскольку ионы под действием сил электрического поля уходят вниз к Земле. А вот в районах грозовой деятельности картина иная. Считается, что в каждый момент времени грозой охвачен в среднем примерно 1 % земной поверхности. В этих районах мощные токи текут снизу вверх, компенсируя «разряд» в «ясных» районах. Таким образом, грозовые облака – это не что иное, как природные электрические генераторы, поддерживающие в равновесии всю систему сложного электрического хозяйства во всеземном масштабе.

Если вспомнить уроки физики в школе, то и сам механизм образования грозы перестает быть тайной: мощные вертикальные потоки поднимают вверх влажный теплый воздух. Наверху воздух расширяется и при этом охлаждается. Водяной пар конденсируется в капельки воды, которые собираются в кучевые облака. Давление у земли понижается, воздух с периферии устремляется к центру. Возникает ветер. Вот и готова первая стадия грозы.

Вторая стадия начинается с выпадения дождя. На высоте в облаке появляются ледяные кристаллы. Сильные вихри перемешивают наэлектризованные частицы облака, возникают искры-молнии, гремит гром. Восходящие и нисходящие потоки воздуха крутят водяные струи ливня то в одну, то в другую сторону. Вот когда гроза в разгаре!

А потом наступает стадия разрушения грозы. Во всей ее области развиваются нисходящие потоки воздуха.

Атмосферный конденсатор из грозовых туч

Не получая больше от земли ни влаги, ни тепла, гроза затихает. Грозовое облако тает. Ветры из сходящихся превращаются в расходящиеся. «Вылившийся» с высоты холодный воздух, свежий, напоенный озоном, говорит о прекращении грозы.

Вот так! Обыкновенный феномен природы. Правда, не следует забывать, что для такого вот бесстрастного объяснения понадобились не годы, а столетия страха, мифов, а потом упорного труда собирания фактов и их осмысления. Понадобились думы и рассказы старейшин, колдовские действия магов и жрецов, размышления философов и, наконец, опыты естествоиспытателей. Опыты с неизвестным, опыты, сопряженные со смертельной опасностью, и все-таки – опыты…

В одной из книг по метеорологии в разделе «Возникновение грозы» написано: «В настоящее время хотя причины образования всех видов гроз и неизвестны точно, все же сами грозы уже настолько изучены, что можно указать основные явления, происходящие при грозе.» Главное в этой фразе – ее начало, признающее, что и по сей день точные причины образования гроз нам неизвестны.

Молнии бывают не только в грозовых облаках. Вулканологи, изучающие извержения, много раз отмечали молнии в облаках вулканического пепла. Мир был взволнован сообщениями о катастрофических взрывах на японских супертанкерах. Самое необычное заключалось в том, что случались они, как правило, во время промывки их колоссальных танков сильной струей воды… Одним из объяснений является предположение, что при промывке возникали облака из электрически заряженных нефтеводяных капель. Создавалось электрическое поле с высокой напряженностью и благоприятные условия для образования электрического разряда…

Не может не поражать удивительная способность атмосферы накапливать и удерживать электрический заряд. Сегодня мы знаем, что земля, земная поверхность заряжена всегда отрицательно. В атмосфере содержатся положительные объемные заряды, плотность которых уменьшается с высотой. В целом же для мирового пространства Земля с ее атмосферой, по-видимому, электрически нейтральное тело.

Ежегодно над земным шаром бушует около сорока пяти тысяч гроз. Различные специалисты приводят разные цифры, но это не принципиально. Примерно каждые четыре секунды где-то сверкает молния. И если учесть, что средняя гроза по потенциальной мощности может быть сравнима с атомной бомбой, то просто плакать от бессилия хочется – столько энергии в мире пропадает зря!

Ученые много знают о грозах. Их изучают с земли, фотографируют из космоса со спутников. Их изучают изнутри. Самолеты, начиненные измерительной аппаратурой, кружатся около эпицентра грозы. Приборы фиксируют силу заряда, напряженность электрического поля, степень ультрафиолетового и рентгеновского излучений при блеске молний.

В период с 1928 по 1933 год три швейцарских физика – Браш, Ланж и Урбан – решили попробовать использовать энергию молний для своих опытов. На горе Дженерсо, где атмосфера всегда щедро насыщена электричеством, они подвесили на высоте около восьмидесяти метров над землей металлическую сетку, которая должна была собирать из туч положительные заряды. Очевидцы рассказывали, что это было страшное устройство, работа с которым требовала отчаянного мужества. Сеть исправно работала, собирая заряды и повышая свой потенциал. Когда он достигал максимума, воздушный промежуток с оглушительным треском пробивала огненная искра длиной более четырех метров! Разряд длился примерно сотую долю секунды, а сила тока при этом достигала десятков тысяч ампер!

В один из недобрых дней во время опасного эксперимента от разряда такой молнии, пойманной в сеть, погиб Курт Урбан, после чего эксперименты на горе Дженерсо прекратились. Правда, прошло совсем немного времени, и они возобновились в других местах. В основном они велись по военным ведомствам.

Специалисты научились и на земле, в лабораторных условиях, получать искусственные молнии. И все-таки. в образовании молнии есть еще немало загадочного для науки. Судите сами: критическая напряженность поля, при которой в лабораторных условиях возникает электрическая искра, равна примерно 3000 кВ/м. А в природе достаточно 200–300 кВ/м. Как же возникают молнии? Точного ответа на этот вопрос пока у науки нет!

Как-то раз в завязавшемся разговоре с приятелями-физиками услышал я любопытное суждение: «Самым энергоемким аккумулятором относительно единицы массы была бы шаровая молния.»

Шаровая молния – редко встречающееся явление. Она выглядит как довольно устойчивый светящийся шар размером от теннисного до футбольного мяча. Образуется обычно в грозу следом за ударом линейной молнии. Состоит же шаровая молния предположительно из неравновесной плазмы и существует от одной секунды до нескольких минут. С тех пор как люди перестали видеть в явлениях природы «гнев Божий», о шаровой молнии написано множество заметок, статей, книг, и все равно никто из физиков точно не знает, что это такое.