5.18. Електризація хмар та опадів

Частина молекул атмосферних газів і частинки атмосферного аерозолю – краплі, кристали, пилинки – мають електричні заряди. Усі заряджені частинки називаються іонами (від грецького – той що йде).

Молекули повітря заряджаються внаслідок втрати електрона або приєднання вільного електрона. До зарядженої молекули приєднуються інші молекули, в яких відбувається поділ зарядів завдяки індукції – наведення електричних зарядів на провідниках та діелектриках статичним електричним полем. Так виникає електрично заряджений комплекс молекул, який називають легкими іонами. Заряджені молекули можуть приєднатися до ядер конденсації або пилинок, завислих у повітрі, внаслідок чого виникають великі важкі іони масою в тисячі разів більшою, ніж легкі іони. Вміст легких іонів у повітрі поблизу земної поверхні становить кілька сотень в одному кубічному сантиметрі, а важких – від кількох сотень до десятків тисяч в одному кубічному метрі.

Отже продукти конденсації та сублімації водяної пари − краплі і кристали – стають носіями електричних зарядів. Оскільки повітря постійно перемішується, то атмосфера має електропровідність, яка незначна у нижніх шарах та велика у вищих. В атмосфері є заряди обох знаків, переважають позитивні, тому і сумарний заряд атмосфери позитивний. Сумарний же заряд земної поверхні від’ємний.

Таким чином, атмосфера має електростатичне поле. За відсутності хмар напруга атмосферного електричного поля спрямована зверху донизу і вимірюється у вольтах на метр (В/м). У приземному шарі напруга поля в середньому близько 100 В/м. У промислових центрах з дуже забрудненим повітрям вона значно більша. При підняті догори напруга поля зменшується і на висоті 10 км вона становить всього 5 В/м.

В реальних умовах при розвитку купчасто-дощових хмар спостерігаються великі збурення електричного поля. Позитивні та негативні заряди концентруються у різних частинах хмар. Тому у хмарах, між сусідніми хмарами та між хмарами і Землею виникають величезні різниці потенціалів, за яких напруга електричного поля досягає десятків тисяч вольт на метр. Від’ємні заряди у хмарах індукують позитивний заряд на земній поверхні.

Краплі дощу частіше заряджені позитивно. Заряд сніжинок буває різним, але вони заряджені сильніше. Краплі туманів частіше мають однойменні заряди. Лише у 25% випадків вони мають різнойменні заряди. Заряд туманів малий. Такий же заряд мають дрібнокрапельні хмари, із яких не випадають опади.

5.19. Гроза

Гроза– це атмосферне електричне явище, яке супроводиться блискавкою, громом, дощем, досить часто ще й шквалом, а інколи й градом. Це стає можливим при сильній електризації хмар.

Електропровідність повітря дуже мала. Тому різниця потенціалів не вирівнюється шляхом електропровідності. Заряди одного знаку накопичуються в одній частині хмари, а іншого знаку – у другій. У купчасто-дощових хмарах напруга електричного поля, тобто різниця потенціалів на одиницю довжини, іноді вимірюється сотнями тисяч вольт на кожен метр. Коли напруга поля досягає певного критичного значення близько (25-50)·10³ В/м і більше, то різниця потенціалів вирівнюється шляхом електричного розряду. Це і є блискавка. Розряди бувають між різними частинами хмар, між сусідніми хмарами або між хмарою і Землею. Близько 40% розрядів буває між хмарою і Землею.

До земної поверхні переносяться переважно негативні заряди. Справа в тому, що у нижній частині купчасто-дощових хмар накопичуються негативні заряди, а на земній поверхні шляхом індукції накопичуються позитивні заряди. Отже, грози поповнюють негативний заряд Землі.

Блискавка– це не миттєвий розряд. Вона складається з кількох послідовних розрядів, що слідують один за одним, одним і тим же шляхом, який називається каналом блискавки. Канал звивистий, з розгалуженнями. Розряд відбувається у тому напрямку, де найбільше іонів, тобто де найменший опір електричному струму. Інтервал між окремими розрядами-імпульсами становить близько 0,05, а тривалість усієї блискавки десяті долі секунди.

Розряд починається з лідера. Це попередній розряд, який прокладає канал для основної блискавки. Його завданням є збільшення кількості іонів, які збільшують провідність. Невелика кількість вільних електронів розповсюджується від хмари і іонізує молекули повітря. Внаслідок цього утворюються нові вільні електрони, які у свою чергу іонізують канал. Зразу за лідером відбувається головний розряд. Повторні розряди слабші.

У момент розряду у каналі блискавки переноситься електричний струм силою десятки тисяч ампер. Тому температура повітря в каналі досягає 25-30 тис.⁰С. В результаті цього повітря в каналі розжарюється до сліпучо розово-фіолетового свічення. Миттєве нагрівання повітря призводить до його вибухового розширення, яке й створює звуковий ефект – грім. Грім запізнюється відносно блискавки, оскільки швидкість світла досягає 300 тис. км/с, а швидкість звуку 330 м/с.

Звук від різних точок блискавки долітає до нас не одночасно. Крім того, звук відбивається від різних ділянок Землі та від хмар. Тому після основного удару грому деякий час ще продовжується гуркіт.

Про далекі грози нас сповіщає блискавиця. Це миттєвий спалах неба поблизу обрію без грому.

За походженням грози поділяються на фронтальні та внутрішньомасові.

Фронтальні грози. Виникають переважно на холодних фронтах. Важке холодне повітря підтікає під тепле і різко витісняє його вверх, в результаті чого формуються фронтальні купчасто-дощові хмари. Але влітку, особливо уночі, над суходолом вони бувають і на теплих фронтах. У цьому випадку конвекція розвивається над фронтальною поверхнею у теплому нестійкому повітрі.

Внутрішньомасові грози. Виникають у холодному повітрі, яке переноситься на теплу земну поверхню. Повітря прогрівається знизу і виникає конвекція. Ці грози виникають і у місцевих нагрітих повітряних масах, які ще називають місцевими або тепловими грозами. В обох випадках стратифікація атмосфери нестійка і виникають потужні висхідні конвективні рухи повітря. При сильних грозах за одну хвилину виникають десятки блискавок.

Найчастіше грози виникають на суходолі у тропічних широтах. На півдні Ефіопії протягом року буває 230 днів з грозами, на о. Ява 220 днів, в Кенії 132 дні, у Мексиці 142 дні. Над океаном у цих же широтах буває лише 10-30 днів з грозою (мал. 5.9). У субтропічних широтах переважає високий атмосферний тиск та низхідні рухи повітря тому над суходолом буває 20-50 днів з грозою, а над морем 5-20 днів. Грози тут переважають у дощові сезони року.

У помірних широтах над суходолом грози спостерігаються влітку, коли добре розвинена конвекція. Взимку грози над суходолом – це екзотичне явище і виникають на атмосферних фронтах при дуже інтенсивній адвекції тепла з Середземного моря при значних снігопадах. В Україні щороку в середньому буває 20-30 днів з грозою, а в Карпатах понад 40 днів. Над океаном помірних широт грози виникають у холодних повітряних масах, які нагріваються над теплою водою, особливо над теплими течіями. Тому тут вони найчастіше спостерігаються взимку і буває їх до 10 днів щороку. Зимові грози переважають також над узбережжям Європи (Норвегія) та прилеглими островами.

За полярним колом щороку буває в середньому близько двох днів з грозою, а далі на північ гроза є рідкістю. Різке зменшення гроз на півночі пояснюється зниженням температури. Для грози потрібна не лише велика енергія нестійкості стратифікації атмосфери і потужна конвекція, а й велика водність хмар. Оскільки водність хмар залежить від температури, то й кількість гроз уже в помірних широтах різко зменшується.

Гроза – це небезпечне явище, яке щорічно наносить великої шкоди народному господарству. Одночасно на Земній кулі спостерігається близько 1800 гроз і щосекунди виникає близько 100 блискавок. Грози в горах виникають частіше, ніж на прилеглих рівнинах, оскільки на теплих південних схилах частіше бувають сприятливі умови для теплової конвекції.

Потрібно знати, що блискавка здебільшого влучає в поодинокі дерева, найчастіше в дуб. На нього припадає понад 50% всіх влучень. У тополю блискавка влучає удвічі рідше, в ялину – у п’ять, сосну – в десять, у бук – у вісімнадцять, у липу – у тридцять разів рідше. Отже підходити до таких дерев небезпечно. Під час грози небезпечно перебувати на вершині будь-якого пагорба, що підноситься над рівниною. Відомо, що багато геологічних структур сприяють влученню блискавки в них. Небезпечно під час грози переносити довгі металеві предмети, навіть парасольку. Це по суті антена, в яку може влучити блискавка. Звичайно, на міській вулиці під час грози нас захищає величезна кількість антен на дахах будинків.

Для захисту газо-електро- та нафторозподільчих пунктів, нафто- та газосховищ, складів та будівель використовують громовідводи. Насправді людина відводить на грім, але така назва уже закріпилась. Людина підносить догори загострені металеві провідники, закопані глибоко у землю, щоб сприяти електричному розряду саме у цьому місці і таким чином захистити цінні об’єкти від блискавки.