2.2. Заряды и электростатическое поле в атмосфере

Теперь поговорим о том, как появляется электрическое поле, приводящее к молниевому разряду.

Что есть поле? Как гласит классическое определение, это - особый вид материи, отличный от вещества. В глубинную сущность понятий поля и вещества мы вдаваться не будем, эти вопросы рассматриваются далеко за рамками классической физики. Упомянем лишь, что поле создается каждым электрическим зарядом и действует на другие заряды с некоторой силой. Формулы мы для простоты опустим.

Электрическое поле характеризуется напряженностью, измеряемой в Вольтах на метр или, что то же самое, в Кулонах на квадратный метр. Напряженность электрического поля численно равна силе, с которой заряд (-ы), создающий (-е) поле, действует (-ют) на единичный заряд. Данная величина является векторной, имеет не только величину, но и направление. Заряды разных знаков, при прочих равных условиях, генерируют противоположно направленные поля. Причем, поля, создаваемые разными зарядами (любыми), накладываются друг на друга (по принципу векторной суммы). Это особенно важно.

Теперь вернемся к атмосфере. Временно забудем про грозу. Давайте посмотрим, какие процессы протекают при хорошей безоблачной погоде.

Большинство частиц, из которых состоит воздух, содержит равное число положительных и отрицательных зарядов и потому электрически нейтрально. Под частицами здесь подразумеваются атомы, молекулы, кластеры молекул и аэрозольные частицы всех мастей и калибров. Носители нескомпенсированных электрических зарядов (свободные электроны, положительные и отрицательные ионы, заряженные аэрозольные частицы), конечно же, тоже присутствуют в изобилии. Сказывается ионизирующее действие космических лучей и радиоактивных элементов, содержащихся в земной коре и в самом воздухе. Но эти носители, будучи заряжены разноименно, хаотически перемешаны между собой. И электрические поля, создаваемые ими, почти полностью взаимно компенсируют друг друга. Как лебедь, рак и щука из известной басни.

Напряженность электрического поля в такой среднестатистической атмосфере при хорошей погоде составляет порядка 101 - 102 В/м. Это ничтожно. Напряженность не обращается вовсе в ноль по двум причинам. Во-первых, концентрация отрицательных и положительных зарядов немножко по-разному меняется с высотой, из-за чего и возникает незначительное их разделение. Во-вторых, свою лепту вносят заряды, содержащиеся в земной коре.

Для того, чтобы сгенерировать электрические поля в пространственном масштабе необходимо: 1) создать достаточное количество нескомпенсированных электрических зарядов разных знаков; и 2) разделить их в пространстве. Вспомним принцип наложения полей. Если нам удастся разделить разноименные заряды, то положительные будут направлять поле от себя (такой выбор направления является условно-общепринятым), а отрицательные, наоборот, к себе, тем самым еще более его усиливая (см. рис. 1, стр. 12).

Рис.1. Принцип наложения полей

Каким же способом осуществить разделение зарядов? Давайте рассуждать логически.

Чтобы построить такую зарядовую структуру и сделать ее относительно устойчивой, необходимо приложить две противоположно направленные силы. Каждая из них будет ответственна, в основном, за перенос зарядов одного знака. Обе силы должны существовать стабильно в течение некоторого промежутка времени (скажем, от нескольких минут до нескольких часов).

Одну из них мы находим сразу. Самой стабильной и самой большой силой на Земле, как показывает повседневный опыт, является сила земного тяготения. Она действует вечно и практически не меняется. Гравитационными аномалиями, конечно же, можно смело пренебречь.

Стало быть, вторую силу, противоположно направленную, следует искать именно в вертикальной плоскости. Это - сила, оказываемая на носители электрических зарядов восходящими воздушными потоками.