Образование молний в грозовом облаке¶

Образование молний — процесс электризации грозовых облаков и последующего разряда между заряженными областями атмосферы, сопровождающегося скачкообразным выравниванием электрического потенциала. Молния возникает преимущественно в кучево-дождевых (кумулонимбусах) и мощных кучевых облаках, где вертикальные восходящие и нисходящие потоки создают условия для разделения электрических зарядов. Средняя энергия одиночного разряда оценивается в 10⁸–10⁹ джоулей, ток в канале достигает 20–200 килограмм, длительность разряда — от долей до нескольких сотен миллисекунд.

¶Электризация облака

¶Роль конвекции и льда

Основа процесса — наличие в облаке трёх фаз воды: капель, переохлаждённых капель и ледяных кристаллов. Вертикальные потоки в кучево-дождевом облаке поднимают лёгкие кристаллы в верхние слои, в то время как более тяжёлые капли и град остаются ниже или опускаются. При столкновении кристаллов с переохлаждёнными каплями происходит зарядка: обычно кристаллы приобретают положительный заряд, а формирующиеся вокруг них капли и частицы града — отрицательный. Этот механизм, описанный в работах К. Б. Вильдера (1911) и развитый в XX веке, называется индуктивной или обменной электризацией.

¶Распределение зарядов

В результате сепарации в облаке формируется двух- или трёхполюсная структура зарядов. Типичная схема: верхняя часть облака заряжена положительно (кристаллы), средняя — отрицательно (капли и град), нижняя — снова положительно, но слабее. Потенциальная разница между центрами зарядов достигает 10⁸–10⁹ вольт, что создаёт электрическое поле, местами превышающее 10⁵ вольт на метр — этого достаточно для инициирования самопроизвольного пробоя воздуха.

¶Формирование молниевого канала

¶Ступенчатый лидер

Разряд начинается с так называемого ступенчатого лидера — ионизированного канала, который движется от облака к земле дискретными шагами длиной 50–100 метров с интервалом около 50 микросекунд. Лидер несёт отрицательный заряд (для отрицательных молний, составляющих около 90 % разрядов) и оставляет за собой слабо светящийся канал. По мере приближения лидера к поверхности земли, где концентрируются положительно заряженные струи, из выступающих объектов — деревьев, зданий, мачт — вверх стартуют встречные (восходящие) струи.

¶Слияние и возвратный разряд

Когда одна из встречных струй соединяется с лидером, замыкается проводящий канал. Сразу после этого по каналу от земли к облаку с огромной скоростью (около 10⁵ км/с) бежит возвратный разряд — яркая световая вспышка, которую наблюдатель воспринимает как молнию. Ток в канале в этот момент достигает десятков килограмм, температура плазмы поднимается до 25 000–30 000 K, что в 3–5 раза горячее поверхности Солнца. Именно резкое расширение нагретого воздуха порождает ударную волну — гром.

¶Виды молний по механизму разряда

¶Факторы, влияющие на частоту разрядов

Количество молний в грозе определяется скоростью конвекции, содержанием льда в облаке, влажностью воздуха и неустойчивостью атмосферы. Наибольшая грозовая активность в России отмечается в Предкавказье, Западной Сибири и на Урале — до 20–40 грозовых дней в год. В тропиках число грозовых дней достигает 100–180. Молнии чаще возникают в тёплое время года, поскольку летняя инсоляция усиливает конвективные потоки.

¶Изучение и наблюдение

Первые количественные измерения молниевого разряда выполнены в 1930-х годах советским физиком И. С. Стекольниковым, разработавшим метод регистрации молний с помощью осциллографа. В СССР с 1930-х годов действовала сеть молниеметров, а с 1960-х — автоматические станции регистрации. В современной России наблюдения ведутся в рамках гидрометеорологической службы с использованием радиолокационных и спутниковых систем, таких как комплекс «Гроза» и данные спутника «Луч». Спутниковые сенсоры (например, на МКС) фиксируют также надоблачные разряды — красные спрайты и синие нимфы, возникающие в стратосфере и мезосфере.

¶История изучения

Представления об электрической природе молнии высказал Б. Франклин в 1752 году, проведя знаменитый опыт с воздушным змеем. В XIX веке были установлены основные параметры разряда. В XX веке сформировалась физика атмосферных разрядов как раздел атмосферной электрики. Вклад в изучение процессов внесли советские и российские учёные: Н. В. Клейменов, А. И. Кузнецов, Г. Б. Воронов, чьи работы посвящены электризации облаков и физике грозовых разрядов.

Источники:

• Апрелян С. М., Воронов Г. Б. Физика грозовых разрядов. — Л.: Гидрометеоиздат, 1987.
• Стекольников И. С. Молнии. — Л.: Гидрометеоиздат, 1967.
• Уман М. А. Молния. — М.: Мир, 1972.
• Кульский М. Н. Физика атмосферы. — Л.: Гидрометеоиздат, 1988.
• Раков В. А., Уман М. А. Lightning: Physics and Effects. — Cambridge University Press, 2003.