Рискну дать длинную цитату:
Цитата:
§ 3. Грозовые разряды. Молния и механизм ее развития
Образование в грозовом облаке больших объемных зарядов приводит к тому, что между отдельными частями облака или между облаком и земной поверхностью возникают искровые разряды, наблюдаемые в виде молний.
Молнии по своему внешнему виду бывают весьма различными. Основные их формы хорошо известны.
Наиболее часто наблюдается так называемая линейная мол ния с ее многочисленными разновидностями, среди которых осо бенно часто встречается зигзагообразная и разветвленная, реже — ленточная и ракетообразная. Средняя длина видимой части линейной молнии составляет в большинстве случаев величину порядка 2—3 км. Судить о длине молнии внутри облака очень трудно, однако отмечены случаи, когда длина молнии между облаками достигала 15—20 км и даже более (до 40 км).
Молния проскакивает по каналу, диаметр которого в среднем может быть оценен в 16 см, достигая в отдельных случаях 40 см.
Другой формой молнии является плоская молния, представляющая собой разряд, охватывающий значительную часть с лака, которое на мгновение как бы вспыхивает в значительной своей толще. Этот самостоятельный вид молнии отличен от того освещения небесного свода, которое происходит от удалении и невидимой непосредственно линейной молнии и которое из-вестно под названием зарницы.
Значительно реже наблюдаются неточные и шаровые молнии. Они обычно являются после интенсивного искрового разряда.
Четочная молния состоит из нескольких (20—30) шаров небольшого диаметра (порядка 10 см), располагающихся вдоль разрядного канала, что и придает ей вид четок; расстояние, между шарами обычно равно нескольким сантиметрам. Это яв ление наблюдается весьма редко и кратковременно (около 0,5 сек.), поэтому оно почти совсем не изучено.
Шаровая молния наблюдается более часто, чем четочная, но все наблюдения над ней носят случайный и в основном ка чественный характер. Она имеет вид светящегося шара, иногда вытянутого в форме груши, обычно медленно перемещающегося (как бы плавающего) в атмосфере, а иногда и по поверхности предметов, на которые она оседает.
Диаметр шаровых молний, появляющихся у земной поверх ности, обычно незначителен (составляет около 10—20 см); однако были отмечены случаи, когда на некоторой высоте в атмо сфере наблюдались молнии до нескольких метров (примерно 35 м) в диаметре. Те шаровые молнии, которые в некоторых случаях как бы выпадают из грозового облака, часто, достигнув земной поверхности, взрываются с оглушительным шумом, про изводя значительные разрушения.
Отсутствие точных инструментальных исследований и невозможность воспроизведения шаровой молнии в лабораторных условиях являются причиной того, что до сего времени еще нет ее надежного объяснения. Среди многочисленных гипотез су ществует и мнение, подтверждаемое некоторыми лабораторными опытами, что шаровая молния представляет собой область выгорания какого-либо горючего газа (водорода, пропана или другого газа) в воздухе, воспламеняемого искровыми разря дами, и что, следовательно, шаровая молния не имеет характера электрического явления.
Лучше всего изучены линейные молнии, особенно между облаками и земной поверхностью.
Применяя метод фотографирования молнии на быстро перемещающуюся пленку, можно проследить за развитием молнии во времени, а улавливая молнию специальными приборами (клидонографы и др.), можно определить значения силы тока в ней. Особенно подробные данные об электрических характери стиках молнии получены с помощью специально разработанных электронных осциллографов, а также на основании изучения тех изменений электрического поля облака, которые происходят при развитии молнии.
Для изучения молнии очень большое значение имели лабораторные исследования механизма развития длинных искр, по лучаемых искусственно. Следует, однако, подчеркнуть, что хотя молния и искусственная искра имеют много общего, но они не вполне идентичны. Это определяется тем, что в молнии мы имели дело с особого рода разрядом (безэлектродным разря дом), развивающимся при отсутствии проводящих (обычно ме таллических) электродов. В связи с этим сведения о характере развития молнии между облаками более ограничены, чем о молниях между облаком и земной поверхностью.
Не углубляясь в изложение этого специального вопроса, полная теория которого еще не дана, приведем основные ре зультаты исследований. Прежде всего отметим, что молния, воспринимаемая глазом как одна вспышка, в действительности представляет прерывистый разряд, состоящий из ряда отдель ных разрядов — импульсов (чаще всего 2—3), число которых в исключительных случаях может доходить до 50. Продолжи тельность отдельного импульса около 50—100 мксек. и они сле дуют один за другим через разные промежутки времени при наиболее вероятном значении около 0,03 сек. В связи с этим полная длительность молнии в зависимости от числа образующих ее отдельных импульсов и промежутков времени между ними весьма различна и доходит до 1,5 сек.; чаще всего она со ставляет около 0,2 сек. Прерывистый характер молнии определяет наблюдаемое в. ряде случаев ее мерцание.
Каждый из отдельных импульсов в свою очередь оказывается достаточно сложным и состоит из двух стадий:
1) предварительного, относительно слабого разряда —лидера, который обычно развивается от облака к земной поверхности;
2) главного, или обратного, разряда, так называемого главного канала, распространяющегося в обратном направлении со значительно большей скоростью, чем лидер, и значительно более сильного.
Развитие молнии между облаком, несущим в нижней своей части отрицательный объемный заряд, и земной поверхностью, где сосредоточиваются по индукции положительные заряды, можно представить себе следующим образом. Когда в каком-либо месте облака напряженность электрического поля дости гает некоторого критического значения, начинается ионизация, обусловленная тем, что свободные электроны, всегда имеющиеся в воздухе, приобретают под действием поля большие скорости, вследствие чего при столкновении с атомами воздуха ионизи руют их. Образующиеся при этом электроны в свою очередь устремляются к земной поверхности и также ионизируют воздух. Таким образом образуется лавинообразно нарастающий поток электронов. При движении электронов сзади них остаются поло жительные ионы и большое число возбужденных атомов и мо лекул. При возвращении последних в нормальное состояние происходит излучение фотонов, которые, обгоняя движение ла вины электронов, в свою очередь производят фотоионизацию и могут дать начало развитию новых лавин, ответвляющихся от первоначальной, но большинство которых также будет развиваться преимущественно в направлении к земной поверхности. Ионизация происходит в узком канале, внутри которого прово димость очень высокая (концентрация до 10 13 ионов/см3). Этот канал и его разветвления постепенно заполняются отрицатель ными зарядами, стекающими из облака. По мере приближения головной части лидера к земной поверхности напряженность поля у нее возрастает, причем иногда может произойти обра зование положительного лидера, развивающегося от земной поверхности.
Когда головка лидера достигнет земной поверхности, по об разовавшемуся проводящему пути происходит нейтрализация положительных зарядов, скопившихся на земной поверхности (ионы), и отрицательных зарядов в части облака, примыкаю щей к каналу и заполнивших его. При этом канал сильно разо гревается и ярко светится, ток в нем достигает большой силы и большой мгновенной мощности. Ток существует около 100 мксек., и когда заряженная часть облака, непосредственно примыкающая к каналу молнии, разряжается через канал, ток прекращается. Но вместе с развитием лидера по направлению к земле идет развитие разряда и в верхнем слое облачной колонны, проникающего в более высоко расположенные слои об лака. Поэтому после того как первый импульс спустит часть заряда облака в землю, возникает следующий импульс, начи нающийся также с развития лидера, за которым опять следует главная часть разряда. Число таких отдельных разрядов, каж дый из которых проникает все глубже в облако, может дости гать, как уже указано выше, 50; все они проходят по одному и тому же пути, подготовленному. первым разрядом, причем являются менее разветвленными, чем первый.
Развитие лидера первого разряда имеет одну характерную особенность. Помимо того, что он более ветвист и значительно сильнее, чем лидеры последующих импульсов, он развивается как бы скачками. Начав свой путь, он, пройдя расстояние в несколько десятков метров (около 50—60 м), останавливается и через промежуток времени 30—50 мксек. вновь продвигается на некоторое расстояние вперед. Создается впечатление, что лидер по ступенькам спускается от облака к земной поверхно сти, поэтому он и получил название ступенчатого лидера. При последующих импульсах процесс развивается по пути, уже под готовленному предыдущим импульсом, и лидер не испытывает никаких задержек; время развития таких лидеров значительно меньше, и они получили название стреловидных.
Рассчитывая эффективную скорость распространения ступенчатого лидера, под которой понимают скорость, получаемую при учете интервалов времени между отдельными ступенями, нашли значения в пределах 1 • 10 7—2-10 8 см/сек при наиболее вероятном значении 1,5 -10 7 см/сек. Для стреловидного же лидера скорость изменяется в пределах 1,0 •10 8—2,3 • 10 9 см/сек при наиболее вероятном значении порядка 2•10 8 см/сек. Ско рость распространения главного канала составляет 2,0 *10 9—
1.4 • 10 10 см/сек; наиболее часто встречающееся значение равно
3.4 • 10 9 см/сек.
На рис. 198 схематически приведена картина развития молнии, состоящей из трех импульсов.
Рис. 198. Схема развития молнии между облаком и землей. Время развития t1~0,05 сек.; t2-0.001 сек.; t3~0,00005 сек.; T-=0,03 сек.; скорость развития ступенчатого лидера -= 1,5* 107 см/сек; стреловидного лидера -= 2 • 108 см/сек; главного канала -= 3,5•109 см/сек.
В некоторых случаях, особенно если на земной поверхности имеются высокие остроконечные предметы, на концах которых напряженность поля может быть весьма велика, одновременно с развитием лидера, спускающегося от облака к земле, наблюдается развитие от этих предметов положительных ступенчатых лидеров. В таких случаях главный разряд начинается в момент соприкосновения этих встречных лидеров и обычно образуется более длительный разряд, не имеющий повторных импульсов.
Измерения токов молнии показывают, что количество электричества, протекающего за время одной молнии, может быть оценено величиной 10—50 к при наиболее типичном значении около 20 к; изредка наблюдаются и гораздо большие значения, достигающие 150-160 к. Так как это количество электричества протекает за очень короткие промежутки времени, то и сила тока в молнии очень большая; она достигает в некоторых слу-чаях (1 —1,5) •105 а и даже больше. Статистические подсчеты показывают, однако, что примерно в 80% случаев величина токов не превышает 2 •104а, а, например, для территории СССР в 55% случаев она составляет около 10 4а. Направление токов молнии таково, что при разрядах на землю они переносят к земной поверхности преимущественно отрицательные заряды в среднем для всего земного шара можно принять, что не ме нее 3/4 всех молний несут отрицательные заряды.
Путь, по которому развивается молния в атмосфере на зна чительном расстоянии от земной поверхности определяется условиями, обеспечивающими наиболее легкое развитие головки лидера. По мере снижения лидера земная поверхность оказы вает на путь молнии все большее влияние. Причем здесь сказывается рельеф поверхности (молния стремится к наиболее возвышающимся точкам, где напряженность поля больше) и проявляется влияние электрических свойств почвы (молния стремится поразить те места, где электропроводность почвы больше). В зависимости от того, какой из этих двух факторов действует сильнее, молния ударяет либо в видимые возвышаю щиеся части рельефа, либо иногда и в низины, если проводи мость почвы в них больше, чем в окружающих местах.
В некоторых районах выделяются ограниченные по размерам участки земной поверхности, которые особенно часто поражаются молнией — это так называемые места избирательной поражаемости молнией.
Для защиты различного рода сооружений от поражения молнией применяются специальные методы грозозащиты — устанавливаются так называемые молниеотводы, преследующие задачу перехвата тока молнии с тем, чтобы увести ток в землю по заранее подготовленному безопасному для сооружений пути. Для этого устанавливаются стержневые молниеотводы в виде заостренных стержней, достаточной толщины, помещаемых над защищаемым участком; стержни хорошо заземляются. Иногда для защиты линий электропередачи применяются мол ниеотводы в виде заземленного металлического троса, натяну того выше токонесущих проводов, а для защиты особо ответст венных сооружений применяются и более сложные специальные устройства.
Линейная молния обычно сопровождается сильным раскати стым звуком — громом. Возникновение его объясняется тем что при быстром нарастании тока молнии температура воздуха внутри канала практически мгновенно повышается до величины порядка (1,5—2) • 104град., поэтому и давление в канале также возрастает в сравнении с давлением вне его. Когда после прекращения тока температура в канале также быстро падает, то происходит резкое сжатие воздуха. Эти расширения и сжатия имеют характер взрывных волн, дающих начало звуковым волнам, которые и воспринимаются как гром.
Расстояние, до которого слышен гром, оказывается обычно равным 20—25 км, а часто и меньше (в среднем около 15 км). Лишь в редких особенно благоприятных случаях гром бывает слышен и на больших расстояниях. Когда грозовой разряд про исходит в непосредственной близости от наблюдателя и осо бенно в тех случаях, когда происходит удар молнии в землю, гром имеет характер сильного и отрывистого удара. С увели чением расстояния от разряда увеличивается и продолжитель ность грома — появляются характерные раскаты грома. Они объясняются тем, что звуки, порождаемые вдоль длинного извилистого канала молнии в одно и то же время, доходят до наблюдателя лишь последовательно, а также отражением звука, которое происходит как от объектов на земной поверх ности, так и от облаков и поверхностей раздела воздушных масс.
