Как получается молния¶
Молния — это мощный электрический разряд в атмосфере, возникающий между заряженными облачными массами, между облаком и землёй или между облаком и вершиной наземного объекта. Разряд сопровождается высветлением канала, резким расширением и нагревом воздуха до температур порядка 30 000 К (в несколько раз горячее поверхности Солнца), что приводит к образованию ударной волны — грома. Молнии возникают преимущественно в кучево-дождевых (кумулонимбусах) и мощных кучевых облаках, где в вертикальных восходящих и нисходящих потоках воздуха происходит интенсивное трение частиц льда и града.
¶Электризация облака
Основа процесса — разделение электрических зарядов внутри грозового облака. В кучево-дождевом облаке одновременно существуют восходящие потоки, поднимающие капли воды и кусочки льда, и нисходящие, несущие град и крупные капли. При столкновении ледяных частиц с каплями воды и между собой происходит перенос заряда: обычно более мелкие, легкие ледяные кристаллы приобретают положительный заряд и уносятся восходящим потоком в верхнюю часть облака, а более тяжёлые частицы — град, крупные капли — заряжаются отрицательно и опускаются в нижнюю зону. В результате облако приобретает слоистую структуру: верхняя зона преимущественно положительно заряжена, нижняя — отрицательно, иногда в самом низу выделяется небольшой положительный центр. Потенциальная разность между зонами может достигать сотен миллионов вольт, а плотность заряда — десятков кулонов на квадратный метр.
¶Стадии формирования разряда
Развитие молнии происходит в несколько последовательных стадий:
- Предразрядное поле. Накопление заряда приводит к тому, что электрическое поле в облаке и под ним начинает превышать пробивную прочность воздуха (около 30 кВ/см при нормальных условиях, но в реальном облаке разряд запускается при меньших значениях из-за неоднородности поля и наличия проводящих частиц).
- Стримерное начало (степпинг-лидер). В зоне максимального поля из нижней части облака начинает расти канал ионизированного воздуха — стример, который продвигется к земле ступенями длиной по 50–100 м. Каждая ступень сопровождается локальной ионизацией и слабым свечением. Канал заряжен отрицательно и несёт примерно 5 Кл заряда, постепенно «прокладывая» путь к земле.
- Встречный стример. Когда лидер приближается к поверхности (обычно на высоту 10–100 м), с земли или с выступающих объектов — деревьев, зданий, мачт — навстречу ему начинают расти положительные встречные стримеры. В какой-то момент один из них соединяется с лидером, замыкая электрическую цепь.
- Обратный ход (возвратный удар). По замкнутому ионизированному каналу от земли к облаку с огромной скоростью (около 1/3 скорости света) поднимается волна яркого свечения — это и есть зримая вспышка молнии. Ток в канале достигает 20–200 кА, температура канала резко возрастает, воздух мгновенно расширяется, создавая ударную волну — гром.
- Дополнительные разряды. Через доли секунды по уже готовому каналу могут пройти один или несколько повторных импульсов — так называемые повторные удары, из-за которых молния кажется мерцающей.
¶Типы молний
По расположению канала различают:
- облачно-земные — наиболее частый тип, разряд идёт от нижней отрицательной зоны облака к земле (около 90 % всех молний);
- облачно-облачные — разряд между заряженными зонами разных облаков или разных частей одного облака, часто горизонтальные, протяжённые на десятки километров;
- облачно-воздушные — от облака в окружающий чистый воздух, без видимого наземного канала;
- внутриоблачные — разряд между заряженными центрами внутри одного облака;
- земля-облачные (положительные молнии) — редкий тип, при котором инициирующий стример растёт от земли вверх, обычно в вершину кучевого облака, где сконцентрирован положительный заряд.
¶Роль аэрозолей и ядер конденсации
Современные исследования указывают на роль аэрозольного загрязнения атмосферы в электризации облака. Частицы пыли, дыма и промышленных выбросов служат ядрами конденсации, изменяя размерное распределение капель и характер столкновений льда с водой. В загрязнённых воздушных массах грозы могут протекать интенсивнее, а частота молний — возрастать. Это одна из гипотез, связывающих антропогенное влияние на атмосферу с изменением грозовой активности.
¶Частота и география
На Земле ежесекундно происходит около 40–50 молний (более 3 млн разрядов в день). Наибольшая грозовая активность отмечается в тропиках, над Амазонией, Центральной Африкой и островом Ява, где число грозовых дней в году превышает 200. В умеренных широтах, включая европейскую часть России, пик гроз приходится на летние месяцы, когда инсоляция и влажность максимализируют конвективную активность.
¶Опасность и защита
Молния опасна прямым попаданием, шаговым напряжением и вторичными эффектами — электромагнитным импульсом, способным повреждать электронику. Основные средства защиты — молниеотвод (стержневой или тросовый), заземление, ограничители перенапряжения. Молниеотвод, предложенный Б. Франклином в 1752 году, отводит разряд в землю через специально проложенный проводник, минуя защищаемое строение.
Источники:
- «Физика атмосферы» — учебник под ред. В. М. Михальского
- А. А. Боровиков, П. Н. Воронцов, В. В. Кузьмин, Б. А. Мильштейн — «Физика грозовых процессов»
- В. А. Раков, М. А. Уман — «Молния» (пер. с англ., Л.: Гидрометеоиздат, 1994)
- Д. А. Марков, Г. А. Сивихин — статьи по электрофизике атмосферных разрядов
- Энциклопедия Britannica — статья «Lightning»