книги из ГПНТБ / Колобков Н.В. Атмосфера и ее жизнь

В наше время все эти легенды стали далеким прош­ лым, и гроза нашла свое естественное объяснение. Люди научились обезвреживать молнию.

Особенно сильное впечатление производит гроза над местом наблюдения — «прямо над головой», когда удар грома следует за ударом, когда бушует ураганный ветер и из темных облаков хлещет ливень.

Ученые издавна пытались понять и изучить это гроз­ ное явление атмосферы. В XVIII в. была построена пер­ вая электрическая машина. Она напоминала точильный станок, только вместо камня в ней вращался стеклянный шар, соприкасающийся с сукном. Машина давала пере­ межающиеся искры в 3—4 см длиной.

Первым ученым, серьезно занявшимся изучением ат­ мосферного электричества в России, был наш гениальный соотечественник М. В. Ломоносов. Он построил в середи­ не XVIII в. вместе со своим другом проф. Г. В. Рихманом «громовую машину». Над крышей своего дома Ломоно­ сов укрепил железную стрелу, нижний конец которой уходил внутрь здания. К нижнему концу стрелы прикреп­ лялась железная линейка и шелковая нить (подобие со­ временного электроскопа). При близкой грозе из линей­ ки можно было извлекать электрические искры. Так Ло­ моносов экспериментально доказал тождественность природы молнии и электрической искры в лаборато­ рии.

Однако такого рода опыты были очень опасны. Метал­ лические шесты являлись настоящими «молниеприводами», грозящими исследователям гибелью. И действитель­ но, исход оказался-роковым. В 1753 г. во время грозы при опытах был убит Рихман шаровой молнией, «притя­ нутой» в комнату этим сооружением.

Бесстрашный в экспериментах с атмосферным элек­ тричеством .Ломоносов опасался, чтобы «сей случай не

60

был протолковал противу приращения наук», и не без основания. Не только в крепостнической России, но и в других странах церковники объявили поход против иссле­ дования молний. Многие из этих мракобесов встретили смерть Рихмана со злорадным торжеством.

Но гибель Рихмана не устрашила ученых, а застави­ ла еще более настойчиво проводить свои исследования. Борьба с молнией продолжалась. 25 ноября 1753 г. на заседании Академии наук Ломоносов изложил свою тео­ рию, которая в основном правильно объясняла, почему и как накапливается атмосферное электричество. Молния является результатом электрического разряда между облаком и землей или между облаками, заряженными разноименным электричеством.

За рубежом опыты с атмосферным электричеством производил в 1752 г. выдающийся американский ученый Вениамин Франклин. Известен его опыт с воздушным змеем, который Франклин снабдил железным стержнем и на шелковом шнуре запускал в грозовые облака. Дождь смочил шнур и превратил в проводник электриче­ ского тока. Прикосновение к шнуру металлическим клю­ чом, служившим разрядником, вызвало довольно боль­ шие искры, сопровождавшиеся треском.

Накопление экспериментального материала над элек­ трическим полем атмосферы и большие Теоретические работы, выполненные как русскими, так и зарубежными учеными, позволили к началу XX в. выявить картину рас­ пределения электрических разрядов в атмосфере и тех возмущений электрического поля, которые приводят к образованию молний.

Крупные работы по атмосферному электричеству выполнены Главной геофизической обсерваторией им. А. И. Воейкова. Полученные данные позволили опре­ делить характер и особенности протекания атмосферно-

61

электрических процессов на территории СССР. Большую исследовательскую работу по изучению молнии ведет энергетический институт Академии наук СССР.

Современные взгляды на природу электрических явлений в атмосфере

Вещества, из которых образован поверхностный слой земной коры, имеют большую электропроводность, чем нижний слой атмосферы. Хорошей электропроводимостью обладает и морская вода. С высотой проводимость воз­ духа увеличивается, сначала медленно, затем все быст­ рее и на высоте около 80 км достигает величины, прибли­ зительно равной проводимости пресной воды. Поэтому ученые рассматривают верхние слои атмосферы как не­ которую электропроводящую оболочку, а земной шар с атмосферой — как гигантский шарообразный конденса­ тор, у которого внутренняя поверхность — суша и океан, а внешняя — проводящая оболочка воздуха. В проме­ жутке между этими оболочками и возникает электриче­ ский разряд. В большинстве случаев воздух заряжен положительно, а земля отрицательно.

Более 200 лет назад Ломоносов предвосхитил совре­ менные теории атмосферного электричества, правильно указав, что электрическое состояние атмосферы создает­ ся и поддерживается восходящими и нисходящими пото­ ками, т. е. по существу работой ветра. Величину заряда Ломоносов считал зависимой от «трения частичек водя­ ного пара». Следовательно, чем больше пара в атмосфе­ ре, тем сильнее напряжение электрического поля. И дей­ ствительно, чем больше влажность воздуха, тем более мощны грозовые облака и тем сильнее проявляется атмо­ сферное электричество.

По исследованиям Я. И. Френкеля, водяные капли в облаке заряжены за счет поглощения находящихся в воз-

62

духе ионов, т. е. мельчайших частиц, заряженных поло­ жительным или отрицательным электричеством. Падаю­ щая капля дождя обычно имеет на верхней половине отрицательный заряд, а на нижней — положительный. Поэтому падающая капля будет поглощать преимущест­ венно отрицательные ионы и тем самым приобретать со­ ответственно отрицательный заряд. Капли, подхваченные восходящим потоком облака, разбрызгиваются, и, как по­ казали измерения, мелкие брызги летят с отрицательным зарядом, а крупные — с положительным. Если завихрения в облаке сильные, то длительный процесс разбрызгива­ ния приводит к накоплению больших зарядов атмосфер­ ного электричества. На большой высоте в верхней части облака образуются кристаллы льда, при столкновении они раскалываются. Мелкие осколки получают положи­ тельный заряд и уносятся конвекцией вверх, заполняя купол облака. Более крупные осколки, заряженные отрицательно, опускаются в среднюю и нижнюю части облака.

Известно, что положительный электрический заряд стремится притянуть к себе отрицательный. Воздух — плохой проводник и препятствует соединению электриче­ ства противоположных знаков. Такое положение сохра­ няется, однако, лишь до тех пор, пока в грозовом обла­ ке не накопится достаточно большой электрический за­ ряд. Как только он образовался, происходит пробой воз­ духа электрической искрой, т. е. возникает молния.

Молния и гром

Молния имеет несколько видов: плоская, линейная и шаровая.

П л о с к а я м о л н и я — это электрическая вспышка на поверхности облака. Она может быть просто отблес-

63

ком искровой молнии, невидимой за облаками, или же разрядом в форме мерцающего света. Такой вид молнии говорит о слабости грозы, когда для настоящего разряда не хватает притока электричества.

Л и н е й н а я м о л н и я — гигантская электрическая искра, часто в несколько километров длиной. Молния очень извилиста и с многочисленными отростками. Она никогда не бывает зигзагообразной, как ее нередко изо­ бражают на рисунках. На фотографиях линейная молния похожа на реку с притоками, изображенную на геогра­

64

фической карте. Такая молния отличается особенно боль­ шой силой тока (свыше 200 тыс. ампер). Ударяя в строе­ ния, она часто вызывает пожары. Молния сокрушает и расщепляет большие деревья, поражает людей. Иногда линейную молнию называют зажигательной молнией. Применение быстро вращающейся фотокамеры и особых приемов съемки позволили выяснить форму и процесс развития молнии.

По исследованиям И. С. Стекольникова, линейная молния состоит из разрядного канала, по которому про­ ходит ток. Разрядному каналу предшествует так называ­ емый «лидер», представляющий начальную стадию явле­ ния и прокладывающий путь молнии в атмосфере. Канал и есть то, что непосредственно видно глазом. Вначале из облака по направлению к Земле начинают двигаться электроны, которые, сталкиваясь с атомами воздуха, раз­ бивают их на положительные ионы и электроны. Послед­ ние устремляются к Земле и, снова сталкиваясь с атома­ ми воздуха, расщепляют их. Явление напоминает снеж­ ную лавину в горах. И здесь электронная лавина захва­ тывает все новые массы воздуха, расщепляя атомы на части. При этом воздух разогревается и из изолятора превращается в проводник. Через сотые доли секунды электронная лавина достигает Земли. Этим заканчивает­ ся подготовительная часть молнии —она пробила себе дорогу к Земле.

Затем начинается бурный процесс протекания элек­ тричества через канал. Ширина разрядного канала до­ стигает 40—50 см. Однако большая часть тока протекает, несомненно, в русле шириной всего несколько сантимет­ ров. Температура в канале молнии превышает 18 тыс. градусов. Отрицательные и положительные заря­ ды соединяются и направляются от Земли к облаку. Это и есть разряд электричества между Землей и облаком,

65

чиной с кулак и даже голову человека. Шаровая молния движется с небольшой скоростью, и проследить ее путь очень легко. Иногда она исчезает бесследно, а иногда разрывается со страшным треском. Путь движения ша­ ровой молнии извилист и часто совпадает с направле­ нием ветра.

Шаровая молния возникает непосредственно за ли­ нейной. Отсюда можно допуетить, что линейная молния служит необходимым условием появления шаровой. Ша­ ровые молнии притягиваются к помещениям и могут быть втянуты внутрь через открытые двери, окна, фор­ точки, а иногда и просто через щели. Они катятся обыч­ но вдоль проводников, нагревают их и вызывают при со­ прикосновении с ними смертельные поражения.

Полное объяснение шаровой молнии еще не найдено. Большинство ученых считают, что шаровая молния — это вихревое образование, возникшее в резком изгибе кана­ ла молнии. Она представляет собой клубок раскаленно­ го газа, своего рода волчок. На одной метеорологической обсерватории молния ударила в громоотвод на выш­ ке. В том месте, где громо­ отвод огибал в форме буквы «С» выступ башни, в момент удара молнии образовался светящийся шар величиной с детскую голову и на рас­ стоянии 6 м от башни вошел в землю.

Загадка шаровой молнии не раскрыта. Исключитель­ на мощь ее взрыва. Шар весом менее одного грамма может разрушить печную трубу и разнести на кусочки

В7

кирпичи. Это трудно объяснить даже при условии высо­ кой температуры, возникающей в момент взрыва.

Грозовой разряд обладает огромной силой. Во время разряда энергия аккумулируется при напряжениях от 10 до 100 и более миллионов вольт, в то время как продол­ жительность разряда равна тысячным долям секунды. Это напряжение во много раз больше, чем напряжение самых больших электрических установок, когда-либо по­ строенных человеком. Вот почему молния становится столь грозной и опасной.

Грозовая туча непрерывно производит электричество, мощность энергии которого может быть оценена в не­ сколько миллионов киловатт. Ее достаточно для того, что­ бы снабдить светом и энергией город с населением в 10 млн. человек в течение всего времени, пока действует гроза. Силой, приводящей в действие эту огромную энер­ гию, является ветер, так как именно восходящие токи воздуха поддерживают облако с содержанием воды в миллионы тонн.

Число гроз, происходящих на земном шаре, очень ве­ лико— примерно 16 миллионов в год, или 44 000 гроз ежедневно, а каждый час около 1800 гроз. Чтобы опреде­ лить полную электрическую производительность гроз, надо также принять во внимание, что каждую секунду на всем земном шаре вспыхивает около 100 молний и, кроме того, в облаках остается еще огромный запас не­ израсходованного электричества. При подсчете общей суммы электрической энергии получаются огромные циф­ ры — 10 биллионов киловатт для всей Земли, т. е. одна тысячная доля энергии, идущей к Земле от Солнца в виде света и тепла.

Удары молнии. Для оценки разрядной деятельности атмосферы Земли современная статистика гроз не при­ менима. Грозы в северной части Европы слабые, а мол-

68

Н'ии редкие. Наоборот, в Альпах и на Кавказе они значи­ тельно сильнее.

Во время одной грозы в Альпах наблюдатель насчи­ тал 1000 молний за 14 минут, во время другой — 3500 молний за полтора часа. Еще больше молний учтено

образом. То молния убивает человека, даже не коснув­ шись его одежды, то раздевает человека, не причинив ему ни малейшего вреда. В другом случае она срывает позолоту с люстры и переносит ее на штукатурку стен. Но нет сомнения в том, что действия молнии лишь ка­ жутся капризными. На самом деле они подчинены опре­ деленным физическим законам. Во время сильной грозы прохожий был раздет и контужен молнией. Придя в себя минут через десять, он был очень удивлен, что лежит раздетый и, несмотря на ранения, он остался жив. Ино­ гда же у людей, убитых молнией, не оказывается ника­ ких внешних повреждений, но вскрытие показывает паралич мозга.

В большинстве случаев пораженные молнией падают мгновенно, без всяких судорог. Они сразу теряют созна­ ние, ничего не почувствовав.

Молния часто ударяет в деревья. Больше всего под­ вержен ударам дуб, имеющий разветвленную и глубоко уходящую корневую систему (хорошее заземление). Дальше идут другие лиственные породы, потом ель и со­ сна. Меньше всего страдает от ударов бук.

Молния превращает деревья в щепки, так как высо­ кая температура искры вызывает мгновенное закипание

69