Виды электрических разрядов в газах.

Грозовое облако

Объяснение динамики воздушных потоков в грозовом облаке.

Почему в формирующемся грозовом облаке возникают мощные восходящие воздушные потоки, обеспечивающие сильное развитие облака в высоту? Почему нисходящие воздушные потоки в зрелом грозовом облаке, возникнув, далее уже не прекращаются, а усиливаются?

На первый вопрос мы фактически уже ответили ранее, рассматривая образование обычного кучевого облака. Напомним в чём тут дело. Поднимаясь от нагретой земной поверхности, воздух адиабатно расширяется и поэтому охлаждается. Охлаждение приводит к конденсации водяных паров, начинающей с некоторой высоты h, определяющей нижнюю границу облака. Благодаря выделяющейся при конденсации теплоте парообразования воздух в облаке несколько разогревается и оказывается более тёплым, а значит более лёгким, чем воздух на данной высоте вокруг облака. В результате восходящий воздушный поток внутри облака не прекращается, а напротив, усиливается, обусловливая вертикальное развитие облака. В грозовом облаке конденсация паров идёт интенсивнее, чем в обычном кучевом облаке. Ведь при поверхностный воздух был сильнее нагрет и сильнее насыщен влагой. В результате восходящие потоки в грозовом облаке оказываются значительно более мощными, и высота грозового облака превышает в несколько раз высоту обычного кучевого облака.

Естественно, что по мере увеличения высоты облака всё более важным становится приток в него бокового холодного воздуха. Этот воздух перемешивается с поднимающимся вверх сравнительно тёплым воздухом внутри облака, охлаждает его и тем самым затормаживает дальнейший рост облака. При рассмотрении кучевого облака можно было пренебречь притоком холодного воздуха, учитывая, что обычное кучевое облако развивается в высоту не более, чем на 4-5км. Понятно, что в случае грозового облака указанный приток холодного облака становится принципиально важным. Он приводит не только к прекращению на больших высотах (более 10км) восходящих потоков, но и обеспечивает существование нисходящих потоков, зарождающихся в вершине облака. Иными словами именно в учете притока бокового холодного воздуха содержится ответ на второй из поставленных выше вопросов.

Рис. 6

Сделанное замечание поясним при помощи рис. 6. Кривая 1 представляет уменьшение с высотой температуры неподвижного воздуха, т.е. воздуха, окружающего облако, кривая 2 – уменьшение с высотой температуры поднимающего сухого воздуха, т.е. воздуха, в котором нет водных паров и, значит нет конденсации, кривая 3 – уменьшение с высотой температуры поднимающего влажного воздуха с учётом конденсации паров, которая начинается с высоты h. Кривая 4 представляет уменьшение с высотой температуры поднимающего вверх влажного воздуха, в который всё время добавляется холодный боковой воздух. Приток холодного воздуха заметно уменьшает температуру восходящего воздушного потока - поэтому кривая 4 идёт ниже кривой 3.

Линейные молнии.

Грозы всегда сопровождаются молниями, как правило, они называются линейными молниями. Изредка наблюдаются молнии ещё двух типов: шаровые и чёточные(последние называются также жемчужными). Шаровая молния имеет вид светящегося шара, а жемчужная – цепочки светящихся шаров, разделённых температурными промежутками около 10м и напоминающих чётки или жемчуг, нанизанный на нить.

Линейная молния представляет собой гигантский (длиной до нескольких км) искровой заряд в атмосфере. Этот заряд в лабораторных условиях показан на рис.8.

Рис. 8

Он возник между двумя шарообразными электродами, находящимися на расстоянии метр друг от друга. Для возникновения разряда нужно было довести напряжённость электрического поля между электродами до 3^.10⁶ В/м. Такая же напряженность нужна для возникновения молний во время грозы. Роль электродов при этом играют грозовые облака и находящийся под ними участок земной поверхности.

Различают 3 вида линейных молний: нисходящие, восходящие и внутриоблачные (межоблачные).

Когда на этапах начальной и зрелой грозы нижняя часть грозового облака заряжена отрицательно, а подстилающая поверхность земли положительно, может возникнуть (при соответствующей напряженности поля) нисходящая линейная молния рис.9.

Рис.9.

Она развивается от грозового облака к земле и ветвится в направлении сверху вниз. Можно сказать, что нисходящая линейная молния стартует в основании грозового облака.

Одновременно с появлением нисходящих молний начинают выпадать осадки из созревшей тучи и, как отмечалось ранее, восходящие воздушные потоки внутри облака постепенно прекращаются, уступая место нисходящим. Те довольно быстро разрушают тучу. В процессе разрушения тучи положительно заряженные ледяные кристаллы опускаются вниз, превращаются в водяные капли и заряжают всё облако положительно. Положительно заряженное облако наводит на подстилающей поверхности земли отрицательные заряды. Теперь становится возможным возникновение восходящих линейных молний. Они «прорастают» от земной поверхности к облаку, ветвятся в направлении снизу вверх, стартуя с какого либо высокого наземного объекта рис.10.

Рис. 10.

Третий вид линейных молний – внутриоблачные и межоблачные. Они развиваются от одной части облака к другой или от одного грозового облака к другому рис. 11.

Рис. 11.

Чаще всегда наблюдаются внутриоблачные и межоблачные молнии; на них приходится 60% всех линейных молний. Количество молний облако-земля 40%; из них 90% нисходящие молнии и только 10% - восходящие. А вообще в земной атмосфере каждую секунду сверкают в среднем около 100линейных молний.

Гром.

Как уже отмечалось, гром возникает вследствие резкого расширения воздуха при быстром повышении температуры в канале разряда молнии. Вспышку молнии мы видим как мгновенную вспышку и в тот же момент, когда происходит разряд – ведь свет распространяется со скоростью 3^.10⁸ м/с. А звук распространяется значительно медленнее. В воздухе его скорость равна 330м/с. Поэтому мы слышим гром уже после того, как сверкнула молния. Чем дальше от нас молния, тем дольше пауза между вспышкой света и громом и, кроме того, тем слабее гром. Измеряя длительность таких пауз, можно приближенно оценить, как далеко от нас в данном случае гроза, насколько быстро она приближается к нам или удаляется от нас. Гром от очень далёких молний вообще не доходит – звуковая энергия рассеивается в воздухе. Такие молнии называются зарницами.

Почему мы слышим гром в течение нескольких секунд, тогда как разряд молнии с учётом последовательных импульсов длится всего лишь 0,2с? Причин тому две. Во-первых, молния имеет большую длину; звук от разных её участков доходит до нас в разные моменты времени. Во-вторых, происходит отражение звука от облаков – возникает эхо. Эти две причины и приводят к тому, что вслед за короткой вспышкой молнии слышатся более или менее долгие раскаты грома. Заметим, что отражением звука от облаков объясняется наблюдаемое нередкое усиление громкости звука в конце громовых раскатов.

Шаровая молния.

Шаровой молнией называют светящееся шаровидное образование, время от времени наблюдаемое во время грозы в воздухе, как правило, в близи поверхности. Шаровая молния не похожа на линейную молнию не по своему виду, ни по тому, как она себя ведёт. Линейная молния кратковременна; шаровая живёт десятки секунд, минуты. Линейные молнии сопровождаются громом; шаровая совсем или почти бесшумна. В поведении шаровой молнии много непредсказуемого: неизвестно куда именно направится светящийся шар в следующее мгновение, как он прекратит своё существование (тихо или со взрывом).

Как выглядит шаровая молния?

Её форма близка к шару, но может оказаться эллипсоидом или грушей; поверхность молнии может колыхаться. Шаровая молния светится – её яркость сравнивают с яркостью света лампочки в 100Вт. Чаще всего (60% случаев) шаровая молния имеет жёлтый, оранжевый или красный цвет; в 20% - это белый шар, в 20% - синий, голубой. Иногда цвет изменяется во время наблюдения. Перед угасанием молнии внутри её могут возникать тёмные области в виде пятен, каналов, нитей. Как правило, шаровая молния имеет достаточно чёткую поверхность, отграничивающую молнию от окружающей среды. Это типичная граница раздела двух разных фаз. Наличие её говорит о том, что вещество молнии находится в особом фазовом состоянии. Иногда на поверхности начинают «плясать» язычки пламени, из неё выбрасываются снопы искр. Диаметр шаровых молний находится от см до нескольких десятков см. Чаще всего встречаются молнии диаметром 15-30см.

Поведение шаровой молнии.

Шаровая молния может двигаться по весь причудливой траектории. Вместе с тем, в её движении обнаруживаются определённые закономерности. Во-первых, возникнув, где то вверху, в тучах она опускается поближе к поверхности земли рис. 13.

Рис. 13.

Во-вторых, оказавшись у поверхности земли, она движется далее почти горизонтально, обычно повторяя рельеф местности рис. 14.

Рис. 14.

В-третьих, молния, как правило, обходим, огибает проводящие ток объекты и, в частности, людей. В-четвёртых, молния обнаруживает «явное желание» проникать внутрь помещений. Обычно шаровая молния движется бесшумно. Но может издавать шипение или жужжание, особенно когда она искрит. Когда молния плавает над поверхностью земли (около 1м), она напоминает тело, находящееся в состоянии невесомости. По-видимому, вещество молнии имеет почти такую же плотность, что и воздух, точнее, молния немного тяжелее воздуха – поэтому, в конечном счёте, всегда стремится опуститься вниз. Её плотность составляет (1-2)^.10^-3г/см³. Разницу между силой тяжести и выталкивающей силой компенсируют конвекционные воздушные потоки, а также сила, с какой действует на молнию атмосферное электрическое поле. Она стремится переместиться в те области пространства, где напряжённость поля меньше; этим можно объяснить относительно частое появление шаровых молний внутри помещений.

На движение шаровой молнии могут влиять потоки воздуха, т.к. она обладает малой массой при большом диаметре. Если к вам приблизилась шаровая молния, не двигайтесь с места, а сильно подуйте в её сторону. Если же вы побежите от неё, она вслед за воздушным потоком может последовать за вами. Скорость движения шаровой молнии 1-10м/с. Она может проникать в помещение сквозь щели и отверстия, размеры которых много меньше самой молнии. Так, молния диаметром 40см может пройти сквозь отверстие диаметром несколько мм. Проходя сквозь малое отверстие молния очень сильно деформируется, её вещество как бы переливается через отверстие. После прохождения она восстанавливает свою форму, рис. 15.

Рис. 15.

Способность шаровой молнии сохранять форму шара указывает на наличие поверхностного натяжения у вещества молнии. Чаще всего (60% случаев) молния взрывается, в 30% спокойно угасает (из-за нехватки запаса энергии, накопленной в ней). В 10% случаев внутри молнии развиваются неустойчивости, и она распадается на части.

Виды электрических разрядов в газах.

Процесс протекания тока через газы называют электрическим разрядом в газах. Напомним, что в зависимости от условий осуществления разряда различают несамостоятельный и самостоятельный разряды.

Несамостоятельный разряд - это разряд, при котором электрическая проводимость газа все время поддерживается ионизацией с помощью внешнего источника. Именно с таким разрядом мы имеем дело в случае атмосферы в зоне хорошей погоды. При этом внешним источником, поддерживающим ионизацию воздушной среды, являются, как уже отмечалось, космические лучи, солнечные лучи, радиоактивные излучения.

Самостоятельный разряд это разряд, при котором проводимость газа обеспечивается самим электрическим полем без какого- либо внешнего воздействия. Основным механизмом ионизации газа являются в данном случае соударения с его атомами и молекулами электронов, которые приобрели значительную скорость в электрическом поле. Различают четыре основных типа самостоятельного разряда: тлеющий, коронный, искровой, дуговой. В атмосфере в зонах нарушенной погоды (в зонах значительной облачности, зонах грозовой деятельности) наблюдаются коронный и искровой самостоятельные разряды.

Генераторы атмосферного электричества.
Итак, если бы вся атмосфера Земли вдруг оказалась зоной хорошей погоды, то земной конденсатор Земля-ионосфера практически полностью разрядился бы в течение часа. Однако в действительности наша планета неизменно сохраняет свой отрицательный заряд, составляющий, как уже отмечалось, около полу миллиона кулонов. Дело в том что наряду с токами, непрерывно разряжающими земной конденсатор, существуют встречные токи которые непрерывно этот конденсатор заряжают. Токи в зонах разрядки существуют в тех областях земного шара, где в данное время стоит хорошая погода, a токи зарядки возникают в зонах нарушенной погоды. Зоны нарушенной погоды часто называют генераторами aтмосферного электричества.

Надо заметить, что зоны нарушенной погоды понятие довольно широкое. К ним относятся зоны с повышенной облачностью и прежде всего те области, где в данное время выпадают осадки, происходят грозы, сверкают молнии. Осадки и нисходящие линейные молнии переносят положительный заряд с земной поверхности в нижнюю часть облака - возникает положительный электрический ток от Земли к облаку (ток зарядки). Заметим, что во время грозы напряженность поля под грозовым облаком превышает 10000 В/м причем направлено поле не вниз (как в случае хорошей погоды), a вверх. Ток зарядки возникает также в пространстве между вершиной облака и нижней границей ионосферы там напряженность поля также направлена вверх.

Рис. 4

 

На рис. 4 схематически представлена модель глобальной атмосферной электрической цепи. Ее предложил В 1925 г. английский физик Чарльз Вильсон (1869-1959) исследователь атмосферного электричества, изобретатель трекового детектора заряженных частиц, названного камерой Вильсона, лауреат нобелевской премии по физике в модели Вильсона электрическое поле атмосферы уподобляется полю сферического конденсатора земля –ионосфера. В этом поле в зонах хорошей погоды текут токи разрядки (сплошные стрелки на рис. 4, a в зонах нарушенной погоды - токи зарядки (штриховые стрелки). Нижняя часть облаков заряжена отрицательно, a верхняя положительно. По индукции облако наводит на подстилающем участке земной поверхности положительный заряд, хотя в целом Земля заряжена отрицательно. Над облаком в ионосфере наводится отрицательный заряд, хотя в целом ионосфера остается заряженной положительно. Итак, земной конденсатор разряжается в зонах хорошей погоды и заряжается в зонах нарушенной погоды.

Подчеркнем, что для возникновения токов зарядки принципиально важно, чтобы в процессе образования облака происходила его электризация. Иначе говоря, необходимо, чтобы в облаке заряды разделялись - отрицательные сосредоточивались в нижней части облака, a положительные - в верхней части. Разделение зарядов происходит в облаках разных типов, но наиболее значителен этот процесс в кучево-дождевом, т. е. в грозовом облаке. Поэтому следует подробнее познакомиться с развитием грозового облака, a пока заметим, что молнии и осадки не единственный механизм токов зарядки. Такую же роль выполняют извержения вулканов, метели (кстати говоря, тоже нередко сопровождаемые молниями) все они тоже являются генераторами атмосферного электричества. Кроме того, происходят почти бесшумные коронные разряды с (острых) предметов, находящихся на земной поверхности мачт, труб, деревьев. В этом случае заряды тихо стекают в атмосферу, внося вклад в токи зарядки.

Возбуждение и ионизация атомов (молекул) электронным ударом.
Образование ионосферы объясняется фотоионизацией молекул и атомов атмосферного воздуха, т. е. ионизацией под действием излучения Солнца. Фотоионизация- основной физический механизм, обуславливающий возникновение несамостоятельного электрического разряда в зонах хорошей погоды. A вот возникновение коронного разряда с фотоионизацией не связано: оно вызвано процессами ударной ионизации, когда молекулы и атомы атмосферного воздуха ионизируются, подвергаясь ударам со стороны свободных электронов. Забегая вперед, заметим, что возникновение в зонах нарушенной погоды искрового разряда (иначе говоря, линейной молнии) обусловлено одновременно двумя процессами: ударной ионизацией и фотоионизацией (поглощением фотонов ультрафиолетового излучения, испускаемого лидером молнии) точнее говоря, с возбуждением и ионизацией атомов (молекул) электронным ударом.

Грозовое облако