Галина Железняк - Загадочные явления природы

При разряде молнии заряды в облаке распределяются следующим образом: в основании облака сосредоточивается относительно небольшой запас положительных зарядов, в середине — большой отрицательный, наверху — огромный положительный. Вначале возникает разряд между основанием облака и его отрицательно заряженной серединой, при котором электроны переходят в основание облака. Предельное напряжение пробоя, вызывающее образование ионизованного канала, составляет примерно 3 млн В/м. Далее разряд продвигается вниз в виде ступенчатого лидера, прыгающего скачками по 50 м с паузами по 50 мкс, и с каждым скачком отрицательный заряд перемещается из облака в нижнюю часть проделанного лидером канала. Светится лишь нижняя часть лидера, но из-за быстрого движения нам виден полностью светящийся канал. Лидер скачет по ломаной линии, отклоняясь под действием разбросанных в воздухе положительно заряженных островков. Если неоднородность велика, лидер может изменить направление с вертикального на горизонтальное.

Вблизи заостренных предметов на поверхности Земли электрическое поле достигает таких значений, что навстречу лидеру устремляется положительный заряд, а в месте встречи возникает яркая вспышка, продолжающаяся до полной нейтрализации электричества. Ярко светящаяся область устремляется вверх по каналу лидера и достигает облака. Если движение вниз совершается примерно за 20 мс, то обратное движение происходит всего за 0,1 мс. Диаметр разряда-лидера измеряется метрами, а обратного разряда — несколькими сантиметрами. Свечение идет от центральной части канала. Человеческий глаз не способен отследить столь быстрое движение, поэтому светящимся кажется весь ствол с ответвлениями.

При вспышке молнии возникают импульсы электромагнитного излучения в широком диапазоне — от сверхнизких частот до 30 кГц и выше. Наибольшее излучение радиоволн находится в диапазоне от 5 до 10 кГц. Такие низкочастотные радиопомехи сосредоточены в пространстве между нижней границей ионосферы и земной поверхностью и способны распространяться на расстояния в тысячи километров от источника.

Электрический разряд молнии вызывает резкое расширение воздуха, в результате чего создается цилиндрическая ударная волна и образуется гром. Рядом с ударившей молнией можно расслышать шипение, производимое коронным разрядом, и следующий за ним щелчок — звук движущегося вверх сверхзвукового лидера. Сопровождающий молнию гром редко распространяется на расстояние более 25 км, хотя те же звуки орудийных выстрелов и взрывов снарядов разносятся значительно дальше. Дело в том, что скорость звука в теплом воздухе выше, чем в холодном. Поскольку с увеличением высоты температура уменьшается, верхняя часть звуковой волны, распространявшейся вначале горизонтально, движется медленнее, чем нижняя ее часть. Вследствие этого траектория волны загибается вверх. В холодный же день звук может отклоняться не вверх, а вниз, распространяясь на большие расстояния по поверхности Земли, но в морозные дни молнии не сверкают. Кроме того, достигая относительно более теплых слоев стратосферы, траектория волны может искривиться таким образом, что снова устремляется вниз, поглощаясь и рассеиваясь рельефом местности. Между областью, которой достигает прямая звуковая волна, и отраженной от стратосферы областью находится мертвая зона, в которой звук источника не слышен. За пределами этой зоны, вне видимости грозы, отраженный звук может появиться снова, предупреждая о нашествии стихии.

Иногда во время грозы можно наблюдать разряд молнии, обрывающийся на полпути к земле, что означает промежуточную нейтрализацию лидера положительным зарядом объемного воздушного скопления. Еще реже возникает картинка из нескольких параллельных разрядов, производящих впечатление свисающей с облака ленты, — так называемая ленточная молния. «Лента» образуется при сильном ветре, перемещающем канал молнии с серией следующих друг за другом разрядов. Интересна по структуре и напоминает нанизанные на нитку бусинки четочная молния. Эффект четок возникает при сильном дожде, когда разряд частично заслонен каплями воды и дождевыми струями. В последнем случае участки канала молнии, совпадающие с направлением зрения наблюдателя, заметны несколько дольше остальных, поскольку видны с торца и дают больше света.

Причиной возникновения молнии, помимо распространенных природных явлений, может послужить также ядерный взрыв, извержение вулкана или землетрясение. При взрыве водородной бомбы молнии могут возникать в результате разделения зарядов от гамма-излучения, а лидеры образуются вблизи металлических сооружений. Подобные лидеры молний, идущие снизу вверх, иногда наблюдаются над крышами небоскребов и остроконечными пиками гор. При вулканическом извержении раскаленная лава иногда сползает в море и поднимает вверх облака положительно заряженного пара, электроны по каналу разряда движутся вверх. Что касается провоцирования гроз землетрясениями, ученые выдвигают гипотезу о пьезоэлектрическом эффекте в скальных глубинах, где распространяется сейсмическая волна. На подобном электрическом эффекте основано воспроизведение музыки с грампластинки.

До изобретения электричества и громоотвода люди боролись с разрушительными последствиями ударов молний заклинаниями. В Европе действенным средством борьбы считался непрерывный колокольный звон во время грозы. Согласно статистике, итогом 30-летней борьбы с молниями в Германии стало разрушение 400 колоколен и гибель 150 звонарей.

Первым человеком, придумавшим эффективный способ нейтрализации ударов молнии, стал небезызвестный гражданин США Бенджамин Франклин — универсальный гений своей эпохи.

Результатом семилетнего увлечения Франклина электричеством стало изобретение громоотвода. В 1750 г. Франклин предложил Лондонскому королевскому обществу поставить опыт с железной штангой, укрепленной на изолирующем основании и установленной на высокой башне. Он предполагал, что при приближении грозового облака к башне на верхнем конце первоначально нейтральной штанги сосредоточится заряд противоположного знака, а на нижнем — заряд того же знака, что у основания облака. Если напряженность электрического поля при разряде молнии возрастет достаточно сильно, заряд с верхнего конца штанги частично перетечет в воздух, а штанга приобретет заряд того же знака, что и основание облака.

Предложенный Франклином эксперимент был осуществлен не в Англии, а под Парижем (в местечке Марли) в 1752 году французским физиком Жаном д’Аламбером. Француз использовал вставленную в стеклянную банку, служившую изолятором, железную штангу длиной 12 м, но не водрузил ее на башню. В мае 1752 года ассистент ученого сообщил, что во время прохождения грозового облака над штангой при поднесении к ней заземленной проволоки возникали искры. В последующие годы Великой французской революции Робеспьер и Марат пытались каждый по-своему бороться с идеей громоотводов, за что даже «немножко порезали друг друга». В то время громоотводы ломали из благочестивых соображений, руководствуясь божественным происхождением человека и верой в «кару Божью».

Иногда во время грозы можно наблюдать световые вспышки, которые как бы смещаются по каналу молнии. Канал же в промежутках между вспышками сохраняет зигзагообразную форму, и, по-видимому, продолжает пропускать электрический ток к земле от облака. Сильные порывы ветра настолько смещают канал, что следующие по нему вспышки отдельных разрядов смещаются относительно друг друга. Из-за этого канал имеет вид сильно изломанной ленты. Если ветер дует перпендикулярно каналу со скоростью, например, 30 км/ч, то канал смещается примерно на 80 см/с, и создаются благоприятные условия для возникновения ленточной молнии.

Но почему это явление происходит исключительно редко? Некоторые видят причину в том, что как глаз наблюдателя, так и объектив аппарата не в состоянии охватить изображения сразу нескольких разрядов, если они происходят на большом удалении от наблюдателя. Но все же остается непонятным, почему повторяющиеся каналы располагаются строго параллельно друг другу. Что заставляет молнию следовать «параллельным курсом», а не войти в один из уже проработанных каналов или проторить новый, имеющий другую форму? Не имеем ли мы здесь дело со своеобразным оптическим эффектом, в результате которого множатся не каналы, а их изображения? Это вполне вероятно, так как имеет место неоднократное отражение или преломление света, идущего от вспышки к наблюдателю.

Такой множительной системой могут быть, например, вертикально ориентированные в электрическом поле слои атмосферного воздуха, которые способны играть роль как системы параллельных зеркал, так и системы цилиндрических линз.