Гроза и молния - Физика в школе

Чем же объясняется такое постоянство в грозовой деятельности? Причина этого явления заключается в условиях образований грозовых облаков. Гроза - местный процесс в земной атмосфере, но процесс очень бурный, приводящий к значительному изменению электрического поля земли в районе действия грозы.

Воздух атмосферы находится под непрерывным действием многих ионизаторов: радиоактивного излучения земной коры, коротковолновой части спектра солнечной радиации, космических лучей. Во время грозы в атмосфере появляются заряды, несравнимо большие, чем те, которые образуются ионизаторами, и происходит резкое изменение электрического поля. Образование грозы связано с наличием облаков и мощных вертикальных воздушных потоков. Сильный восходящий ток нагретого у поверхности земли воздуха приводит на определенной высоте, где температура низка, к большим температурным изменениям и быстрой вертикальной конвекции. В результате начинается внезапная конденсация водяных паров, бурное каплеобразование и гроза. В зависимости от условий возникновения различают два основных типа гроз: внутримассовые (местные или тепловые) и фронтальные грозы. Внутримассовые грозы получаются при нагревании нижних или охлаждении верхних слоев воздуха. Неравномерное нагревание воздуха у поверхности земли, особенно в горных местностях, приводит к конвекции и выпадению осадков грозового характера. Поэтому так часты грозы в горах.

Фронтальные грозы возникают при встрече и на границе больших масс воздуха разной температуры. Натекание холодного воздушного слоя на более теплый - причина океанических гроз и гроз, сопровождающих циклоны. Таким образом, ясно, что образование гроз непосредственно связано с рельефом местности и ее климатическими условиями. Этим и объясняется постоянство грозовой деятельности в различных областях земли.

Для грозы характерно, что выпадение осадков сопровождается интенсивными электрическими разрядами. Появление в туче зарядов связано с процессами образования и зарядки дождевых капель, с работой ветра, с движением потоков воздуха.

Если между разноименно заряженными тучами или между тучей и каким-либо предметом на земле, имеющим заряд, создается электрическое поле, достаточное для пробоя воздуха в этом месте, то произойдет мощный электрический разряд, сопровождаемый яркой вспышкой света и громом. Такой разряд называется молнией.

Изучение физической природы молнии началось более двухсот лет тому назад. Еще гениальный Ломоносов установил, что слабая электрическая искра, получающаяся при работе электрофорной машины, и огромная, мощная молния, разрушающая дома и расщепляющая деревья, представляют собой одно и то же физическое явление. Однако детальное и глубокое изучение молнии и. установление ее полного качественного сходства с искровым разрядом стало возможным только при современном состоянии науки. Для этого потребовалось, во-первых, создание мощных генераторов напряжений и токов, которые позволили получить в лабораторных условиях искры длиной от десятков сантиметров до нескольких метров, с токами и другими параметрами, равными тем, что бывают у настоящей молнии; а во-вторых, наличие такой измерительной аппаратуры, как электронный осциллограф и фотокамера с быстровращающейся фотопленкой, с помощью которых удалось проследить развитие во времени таких «мгновенных» процессов, как искра и молния.

Фоторазвертка показала, что молния, воспринимаемая глазом или неподвижным фотоаппаратом как очень быстрая однократная вспышка света, в действительности очень часто состоит из нескольких последовательно следующих друг за другом разрядов, причем каждый разряд в точности повторяет путь предыдущего. В свою очередь, отдельный разряд, или, как его называют, импульс молнии, имеет очень сложную структуру и в своем развитии проходит несколько стадий.

Характеристики молнии и искры дает также электронный осциллограф. Он записывает величины напряжения и электрического тока в разряде и изменение их во времени. Сопоставляя записи осциллографа - осциллограммы - с фоторазверткой разряда, можно наглядно представить себе последовательные фазы молнии.

С помощью этих аппаратов проводилось тщательное изучение молнии в естественных условиях и искры в лаборатории, где можно менять условия эксперимента, а, значит, и характер разряда. Постепенно ученые все глубже проникали в природу молнии, и теперь картина ее развития и электрофизические процессы во всех ее стадиях в основном уже известны.

Когда напряженность электрического поля в какой-нибудь части тучи достигает величины в 30 киловольт на сантиметр, электроны приобретают такую скорость, что их энергия становится достаточной для ионизации молекул воздуха. Освобожденные при этой ионизации электроны бомбардируют новые молекулы, в свою очередь, ионизируя их. Так образуется и непрерывно увеличивается лавина электронов, идущая из облаков в направлении земли. По мере продвижения лавины в ней усиливаются ионизационные процессы. Таким образом, создается проводящий канал. Он разогревается и начинает светиться. Этот светящийся канал, идущий от тучи к земле, уже виден на фотографии молнии. Он называется лидером, так как прокладывает путь в еще не проводящем электричество воздухе. По мере приближения лидера к земле или какому-нибудь объекту на земле лидер индуцирует заряды противоположного знака. Чем ближе подходит лидер, тем больше зарядов подтекает для встречи с ним. В момент удара эта масса зарядов устремляется к проложенному лидером проводящему каналу. При этом происходит нейтрализация отрицательного заряда лидера. Процесс нейтрализации распространяется со скоростью нескольких тысяч километров в секунду. Эта фаза разряда называется главным каналом молнии. В главном канале текут очень большие токи, достигающие десятков тысяч ампер. Осциллограф в этот момент записывает острый пик тока, а на фотопленке появляется очень яркая линия, точно повторяющая лидер, но повернутая к нему под углом. Когда главный канал достигает облака, по нему протекает заряд, скопившийся в близлежащих частях облака. Эта фаза молнии похожа на электрическую дугу. Теперь температура в канале достигает десятков тысяч градусов. После окончания импульса, когда ток прекращается, в туче вновь может образоваться большое количество зарядов, и тогда по сохранившему еще достаточную проводимость каналу пойдет следующий импульс, за ним еще один и т. д. Зафиксированы молнии, имевшие 20 и более повторных разрядов.

В России уже с 30-х годов ХХ века много лет ведутся работы по изучению молнии и искры, и ученые внесли большой вклад в раскрытие природы этих явлений. Открытие лидерной стадии в искре, очень тонкое изучение лидера, показавшее сложность строения его канала, - заслуга наших ученых. Эти работы и детальное изучение молнии в различных условиях позволили открыть еще одну интересную особенность ее поведения.

Пока молния развивается вдали от земли, ее путь определяется колебаниями проводимости окружающего воздуха, наличием в тех или иных местах влаги, скоплением электрических зарядов. По мере приближения к земле на траекторию молнии начинает оказывать все большее влияние проводимость различных слоев почвы, а также находящиеся на земле или в земле объекты. И, как правило, молния ударяет в ту точку, где имеется наибольшая проводимость. Поэтому молния часто ударяет не в возвышенные места с плохо проводящим грунтом, песком например, а в низины и овраги, где текут ручьи или имеются подземные грунтовые воды. Молния как бы сама «выбирает» место, куда ей удобнее ударить. Объяснение этого, казалось бы, странного, тления было дано профессором И. С. Стекольниковым в его теории избирательной поражаемости. На основе этой теории в Энергетическом институте Академии Наук СССР в 1943 году был решен важный вопрос о грозозащите нефтяных озер. Защитой зданий от ударов молнии - грозозащитой - занимаются уже много веков. Принцип работы молниеотвода, применяемый и в настоящее время, предложил М. В. Ломоносов. Молниеотвод отклоняет уже развивающийся разряд от защищенного объекта, принимает его на себя и отводит в землю.

В 40-е годы ХХ веке грозозащита превратилась в точную науку, которая дает теоретически обоснованные способы защиты от молнии различных объектов и сооружений. Основой всей грозозащиты являются молниеотводы - чаще всего металлические стержни, возвышающиеся над защищаемым объектом и соединенные с землей через сопротивление в несколько Омов. Молниеотводы принимают на себя большой электрический заряд и отводят его в землю.

В настоящее время перед нашими учеными встают новые задачи, связанные с грозозащитой великих строек коммунизма - гидростанций на Волге, Днепре и Амударье, а также линий высоковольтных передач от них, по которым потечет ток высокого напряжения. В Москве строятся высотные здания. Московский университет, расположенный на Ленинских горах, достигает высоты в 230 м, он поднимается к облакам, и электрическое поле, необходимое для разряда между тучей и зданием, возникает гораздо скорее, чем для зданий обычной высоты. Для грозозащиты Московского университета и других высотных зданий разработана целая система молниеотводов, которые будут надежно заземлены и полностью защитят грандиозные сооружения.