Возникновение молнии¶

Возникновение молнии — процесс образования электрического разряда между заряженными областями атмосферы или между атмосферой и земной поверхностью. Молния сопровождается резким разогревом воздуха до температуры 20 000–30 000 °C, образованием плазмы, световым излучением (гром) и электромагнитными помехами. Ежегодно на Земле происходит порядка 1,4 млрд молний.

¶Электрический заряд в грозовом облаке

Основной источник молний — грозовое кучево-дождевое облако (кумулонимбус), достигающее высоты 8–15 км. Электрический заряд в нём возникает в результате процессов переноса заряда, связанных с конвекцией и фазовым переходом воды.

¶Разделение зарядов

В верхней части облака (при температуре ниже −10 °C) накапливается положительный заряд, в нижней — отрицательный. Между ними располагается слой слабого положительного заряда. Такая структура называется электрическим диполем облака. Над облаком иногда формируется дополнительный положительный «шапочный» заряд.

¶Механизм зарядообразования

Основная роль отводится индукционной теории и теории ледяной коллизии. При падении крупных градин и ледяных частиц они сталкиваются с более мелкими кристаллами и каплями переохлаждённой воды. В процессе столкновения происходит перераспределение заряда: более мелкие частицы, как правило, приобретают положительный заряд и уносятся восходящими потоками вверх, а тяжёлые градины с отрицательным зарядом оседают вниз. В зоне с температурой от −10 до −20 °C, где сосуществуют ледяные кристаллы и переохлаждённые капли, эффективность зарядообразования максимальна.

Вклад вносит также процесс разрушения крупных капель при сильном турбулентном потоке: осколки приобретают один знак заряда, а оставшаяся часть капли — противоположный.

¶Формирование ступенчатого разряда

Когда электрическое поле в облаке или под ним достигает критических значений (порядка 100–300 кВ/м в лабораторных условиях, что существенно ниже расчётных значений для чистого воздуха), начинается разряд.

¶Стадия лидера

Разряд начинается с так называемого ступенчатого лидера — канала, движущегося от облака к земле дискретными шагами длиной около 50 м с интервалом примерно 50 мкс. Лидер ионизирует воздух, создавая проводящий путь. Его скорость составляет 10⁵–10⁶ м/с. По мере приближения лидера к поверхности земли наводимое поле усиливается, и от выступающих объектов (деревьев, зданий, молниеотводов) вверх начинают расти встречные стримеры.

¶Соединение каналов

Когда один из встречных стримеров достигает лидера, устанавливается проводящий канал между облаком и землёй. Далее следует обратный ход — световая волна, движущаяся от земли к облаку со скоростью около 10⁷ м/с, которая «зажигает» канал. Именно обратный ход обеспечивает основную светимость молнии.

¶Токовые импульсы

После первого обратного хода возможны повторные импульсы (последующие разряды) по тому же каналу с интервалом 40–60 мс, создающие эффект «мерцания» молнии. Ток в канале достигает 10–30 кА, в редких случаях — до 200 кА. Продолжительность одного импульса — 20–100 мкс.

¶Виды молний

¶Роль рельефа и объектов

Высокие и заострённые объекты облегчают ионизацию воздуха и начало встречного стримера, поэтому молнии чаще бьют в возвышенности, деревья и металлические конструкции. Молниеотвод, предложенный Б. Франклином в 1752 году, работает по принципу направленного привлечения разряда и отвода тока в землю.

¶Интересные факты

• Молния в 5 раз горячее поверхности Солнца по температуре плазмы.
• От удара молнии в мире ежегодно погибают около 2 000 человек.
• В России молниевая активность максимальна в Предкавказье и на Кавказе (до 20–40 дней с молниями в год), минимум — в зонах вечной мерзлоты.

¶Источники

• Апрелян В. Л., Смирнов Л. Б. «Физические характеристики молний в СССР»
• Уманский С. К. «Молния и грозозащита»
• Rakov V. A., Uman M. A. «Lightning: Physics and Effects»