Физика процессов происходящих при возникновении нисходящей линейной молнии.

Как уже отмечалось, линейная молния представляет собой несколько следующих друг за другом искровых разрядов между грозовым облаком и землей, называемых импульсами или иначе компонентами молнии.

Принципиально важную роль играет первый импульс, поскольку он возникает в невозмущённом воздухе, т.е. в воздухе, которые не был предварительно ионизирован и нагрет. С процессов, происходящих в этом импульсе мы начнём рассмотрение физики нисходящей молнии. В развитии импульса есть 2 стадии: лидерная и главная.

На лидерной стадии формируется в направлении от тучи к земле плазменный канал разряда. На главной стадии по образовавшемуся каналу быстро проходит в обратно направлении (от земли к туче) импульс основного тока. Его называют возвратным ударом.

Лидерная стадия начинается с образования у основания тучи плазменных нитей – так называемых стримеров. Свободные электроны, находящиеся в основании тучи, приобретают под действие электрического поля напряжённостью около 3^.10⁵ В/м огромное ускорение. Это ускорение направлено вниз, т.к. нижняя часть тучи заряжена отрицательно, а у поверхности земли под тучей положительно. Сталкиваясь с молекулами воздуха, электроны ионизируют их. При этом рождаются новые вторичные электроны, которые в свою очередь ускоряются в поле тучи и затем в столкновениях ионизируют новые молекулы. Возникают лавины быстрых электронов, образующее нити плазм (стримеры). Объединяясь, стримеры дают начало плазменному каналу рис.12 а.

Рис. 12.

Этот канал наполнен свободными электронами и ионами и поэтому может хорошо проводить электрический ток. Его называют лидером или точнее ступенчатым лидером.

Дело в том, что канал формируется скачками (ступенями). Головка лидера выскакивает из тучи и движется со скоростью 10⁷м/с. Пройдя расстояние порядка 100м, она внезапно останавливается. Остановка длится около 10^-5с. Лидер как бы набирается сил, а затем следует бросок ещё примерно на 100м, причём совсем не обязательно в направлении предыдущего броска, и снова короткая остановка.

Так отдельными бросками головка лидера постепенно приближается к земной поверхности, оставляя позади себя плазменный канал в виде причудливой ломаной линии рис. 12б. Заметим, что светится лидер относительно слабо, он почти не виден; при высокоскоростной фотосъёмке его головка выглядит светлым пятнышком, рывками приближающимся к земле.

Обратим внимание на то, что напряжённость поля в области пространства непосредственно перед головкой лидера существенно больше, чем туче. Стримеры формируются в основании тучи при напряжённости поля около 10⁵В/м, а поле перед головкой лидера имеет напряжённость до 10⁷В/м. Увеличение напряженности поясняет рис.13. где штриховыми линиями показаны сечения эквипотенциальных поверхностей, а сплошными – линии напряжённости.

Рис. 13.

В сильном электрическом поле вблизи головки лидера происходит сильная ионизация молекул, превращающая электронейтральный воздух в хорошо проводящую плазму. Ионизация происходит за счёт бомбардировки молекул воздуха быстрыми электронами вылетающими из лидера (ударная ионизация), и, во вторых, за счёт поглощения молекулами воздуха фотонов ультрофиалетового излучения, испускаемого лидером (фотоионизация).Лидер перемещает в пространстве своё сильное поле, и вследствие интенсивной ионизации встречающихся в этом поле молекул плазменный канал становится всё более длинным.

Вот наконец, лидер достиг земли рис. 12 в. С учётом остановок по пути ему понадобилось на это время порядка 10^-3секунд при расстоянии 1км между тучей и земной поверхностью. Канал ионизированного луча как бы замкнул тучу с землёй накоротко. На этом лидерная стадия заканчивается.

Главная стадия импульса начинается с момента встречи нисходящего потока и ответного лидеров. Она протекает быстро и мощно. По приложенному лидером пути устремляется основной ток рис. 12г. Импульс тока длится менее 10^-4с. Сила тока достигает 10⁵ А. Выделяется значительное количество энергии до 10⁹Дж. Температура в канале молнии достигает 30000К. Вот теперь как раз и рождается тот необычный яркий свет, который мы наблюдаем при разряде молнии, и возникает гром вследствие резкого расширения внезапно нагретого газа.

Свечение и разогрев плазменного канала развиваются в случае нисходящей молнии в обратном направлении – от земли к туче. Получается, что нисходящая молния бьёт не из тучи в землю, а наоборот, из земли в тучу. После того как прошёл импульс основного тока, наступает пауза около 0,05с. За это время канал практически гаснет, его температура надает до 1000К, степень ионизации канала существенно уменьшается.

Однако в туче ещё сохранился большой заряд, поэтому новый лидер устремился из неё к земле, готовя дорогу для следующего импульсного тока. Новый лидер следует по проторенному по каналу. Без остановки и без ветвления пробегает новый лидер весь путь сверху донизу. Теперь его называют не ступенчатым, а стреловидным лидером. И снова следует мощный импульс основного тока, распространяющегося по восстановленному каналу снизу вверх. Такова общая физика нисходящей молнии.

Роль космических лучей в образовании молнии.

Обратим внимание на то, что развитие стримеров и начало поста ступенчатого лидера происходит примерно при напряжённости поля в основании тучи, равной 3^.10 ⁵ В/м. Однако, как мы уже отмечали, в лабораторных условиях для появления искрового разряда необходима напряжённость поля в воздушном промежутке между электродами около 3^.10⁶В/м. Почему же искровой разряд в природных условиях возникает при напряжённости поля, которая на порядок меньше? Решающую роль в образовании линейных молний играют высокоэнергетические заряженные частицы космических лучей. Земная атмосфера непрерывно облучается космическими лучами. По достижении в грозовом облаке полей напряжённостью

3^.10⁵В/м именно космические лучи осуществляют ионизацию воздуха достаточную для того, чтобы появились лавины электронов в виде стримеров, порождающих ступенчатый лидер.

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.