4.6. Грозы

Капли облаков и туманов, а также твердые частицы, находящиеся в них несут электрические заряды. Средний заряд в капле тумана составляет десятки и тысячи зарядов электрона. Такого же масштаба несут и капли в облаках, не дающих атмосферных осадков.

В кучево-дождевых облаках, содержащих крупные капли и частицы, образуются более крупные заряды. Твердые элементы, находящиеся в облаках, несут более крупные заряды, чем водяные капли.

Нормальное развитие кучево-дождевых облаков связано с многократными электрическими разрядами, происходящими между облаками и между ними и земной поверхностью. Искровая часть такого разряда называется молнией. Звуки, происходящие при разряде вследствие резкого нагревания и расширения искрового канала называются громом. Весь процесс, состоящий из грома и молнии, называется грозой.

Внутримассовые грозы наблюдаются в холодных воздушных массах, перемещающихся на теплую подстилающую поверхность, а также над прогретой сушей летом. В последнем случае развитие грозы связано с сильной конвекцией, вызывающей неустойчивую стратификацию атмосферы. Фронтальные грозы связаны с наступлением холодного фронта, когда теплый воздух вытесняется вверх холодным.

Количество гроз в году убывает от низких широт к высоким. В тропических зонах над сушей наблюдается до 100–150 дней с грозами, а над океанами 10–30. В субтропиках, где преобладают области повышенного давления, имеет место 20–50 дней с грозами над сушей и над морем 5–20. В умеренных широтах число дней с грозами составляет от 10 до 30 над сушей и от 5 до 10 над морем. В полярных широтах грозы являются большой редкостью.

Убывание количества гроз с широтой объясняется тем, что для образования грозы нужна не только неустойчивая стратификация атмосферы, но и большая водность облаков. Поскольку с широтой температура воздуха снижается, снижается и водность облаков в высоких широтах.

Необходимым условием для того, чтобы сформировались условия, при которых возможны грозовые явления, служит возникновение больших разностей электрических потенциалов в облаках, между облаками и между облаками и земной поверхностью. В кучево-дождевых облаках возникают разности потенциалов до сотен тысяч вольт на метр. При достижении напряженности электрического поля в (25–30)10³ В/м и более, в облаках происходят искровые разряды в виде молнии. На пути разряда протяженностью в несколько километров разность электрических потенциалов достигает нескольких сотен миллионов вольт, а сила тока в разряде составляет десятки тысяч ампер. Одна молния переносит в среднем около 30 К электричества.

Молния состоит из нескольких импульсов, следующих по одному и тому же каналу. Канал молнии имеет извилистый и разветвленный характер, поскольку он прокладывается по пути наименьшего сопротивления. Таким является путь, на трассе которого концентрация ионов в атмосфере наиболее высока. Температура в канале при проходе электрического разряда достигает 25000–30000ºС. Интервал между импульсами тока в канале составляет приблизительно 0,05 с, а продолжительность всего разряда – десятые доли секунды.

Каждый разряд начинается с лидера, прокладывающего канал. При прорыве лидера повышается концентрация ионов в канале, что увеличивает его проводимость. Вслед за лидером следует главный разряд. Повторные разряды через этот канал обычно бывают намного слабее.

В обычных условиях в нижней части грозового облака концентрируются отрицательные заряды, а на земной поверхности положительные, что увеличивает отрицательный заряд Земли. Из общего количества молний 40% всех разрядов происходит между облаками и земной поверхностью. Остальная часть приходится на разряды между облаками. Отдаленная гроза, гром которой неслышен, называется зарницей.

При высокой напряженности электрического поля может происходить истечение электричества с заостренных и возвышенных предметов, в частности с мачт кораблей и судов. Это явление впервые было замечено в средние века на башнях церкви Св. Эльма, и много раз наблюдалось моряками. Оно получило название огней Святого Эльма. Это явление наблюдается чаще всего во время грозы или при ее приближении, а зимой во время метелей.