Электризация частиц и разделение зарядов в грозовых облаках

Грозовые облака (кучево-дождевые) простираются по высоте до 15 км, в то время как их основание находится на высоте 0,3–3,5 км. Грозовое облако представляет собой, как бы, громадную «вытяжную трубу», в которой воздуху по мере его подъема все время сообщается дополнительное тепло, и в зоне облака он всегда теплее, чем вне его. Сначала происходит конденсация водяных паров, при которой выделяется тепло, затем происходит замерзание капель, также сопровождающееся нагревом окружающего воздуха.

В верхней своей части грозовое облако может состоять из снежинок, кристаллов льда, ледяной крупы, градин. Нижняя часть, находящаяся при температуре выше 0°С, состоит обычно из крупных капель воды и поэтому выглядит очень темной.

Имеется множество теорий электризации капель воды и кристаллов льда в грозовых облаках, в большинстве своем нашедших подтверждение в лабораторных исследованиях. В грозовом облаке могут действовать несколько механизмов электризации в зависимости от стадии развития облака и агрегатного состояния воды в нем.

Н

Рис. 7.2 Структура грозовой ячейки облака

а рис. 7.2 показана усредненная модель грозовой ячейки облака. Уровни расположения зарядов близки к наблюдаемым, а значения зарядов соответствуют средним значениям напряженности электрического поля, измеряемым у поверхности земли. Сравнительно небольшой положительный заряд в нижней части облака часто выпадает с дождем. Предполагается также, что он может способствовать развитию разряда из отрицательно заряженной области.

Грозовое облако по структуре основных зарядов представляет собой диполь. Средний электрический момент, нейтрализуемый при разряде, составляет около 100 Клкм, а максимальный – 500 Клкм. Частота разрядов при умеренных грозах – около 1 в мин., а при интенсивных может достигать 5–10 в 1 мин. Средняя плотность зарядов в облаке 310^9 –

310^8 Кл/м³, а скорость их накопления 310^-10 – 310^8 Кл/(м³с). Средняя продолжительность электрической активности отдельного грозового облака 30–40 мин.

Процесс развития молнии

Как уже отмечалось, большинство ударов молнии (80–90 %) развиваются из отрицательно заряженных областей грозового облака и переносят на землю отрицательный заряд.переносят на землю отрицательный заряд.

По мере концентрации отрицательных зарядов в облаке увеличивается напряженность электрического поля, и когда она достигает критического значения, то становится возможной интенсивная ионизация воздуха. В сторону земли начинает развиваться электрический самостоятельный разряд. Потенциал грозового облака относительно земли при этом может достигать примерно 100 МВ. На начальной стадии разряд протекает по лидерному механизму. Канал лидера развивается ступенчато. Ступени следуют друг за другом с интервалами 30–50 мкс. Во время каждой ступени канал удлиняется на 5–100 м. Новая часть разрядного канала светится очень ярко, в то время как старая часть вспыхивает сравнительно тускло (рис. 7.3). Лидерный процесс развивается со средней скоростью (1–2)10⁵ м/с и продолжается (в видимой с земли части) 10–30 мс.

Рис. 7.3. Схема развития во времени нисходящей многокомпонентной линейной молнии: а  оптическая картина; б  токовая картина; I_л  ток лидера; I_г.р  ток главного разряда; I_п  ток после свечения

Заряды облака и лидера индуктируют на поверхности земли и на расположенных на ней объектах заряды другого знака. По мере приближения лидера к земле индуктированный заряд и напряженность электрического поля на вершинах возвышающихся над поверхностью земли объектов вырастают, и с них могут начать развиваться встречные лидеры, имеющие заряды, по знаку обратные заряду лидера. Ток в лидерной стадии молнии имеет порядок десятков и сотен ампер.

Когда канал развивающегося от облака лидера приближается к земле или к одному из встречных лидеров на расстояние 25–100 м, то между ними возникает высокая напряженность электрического поля, среднее значение которой оценивается в 10 кВ/м. Промежуток между лидерами пробивается за несколько микросекунд, и в нем выделяется энергия 0,5–5 МДж, которая расходуется на нагрев и термоионизацию. Проводимость этой части канала разряда резко возрастает. Область высокой напряженности поля, образовавшаяся на границе контактирующего с землей хорошо проводящего канала и зоны ионизации лидера, перемещается по направлению к облаку со скоростью от 1,510⁷ до 1,510⁸ м/с (0,05–0,5 скорости света). При этом происходит нейтрализация зарядов лидера и его ионизированного чехла.

Рис. 7.4. Осциллограмма тока главного разряда

Процесс нейтрализации объемного заряда чехла сопровождается частичными (возвратными) разрядами, направленными перпендикулярно каналу лидера. Ток в канале разряда за 5–10 мкс достигает многих десятков килоампер, а затем за время 25–150 мкс спадает до половины максимального значения (рис. 7.4). Процесс этот, называемый главным разрядом, сопровождается сильным свечением канала разряда и электромагнитным излучением. Канал разряда, разогретый за очень короткое время до температуры (20–30)10³ К, быстро расширяется, что вызывает распространение в окружающем воздухе ударной волны, вырождающейся в звуковую и воспринимаемой как гром.

В завершающей (финальной) стадии молнии по каналу в течение десятков миллисекунд проходит ток порядка десятков и сотен ампер. В это время нейтрализуются заряды облака.

В грозовом облаке во многих случаях образуется не одна область повышенной концентрации одноименных зарядов, а несколько. Располагаются они, как показывает анализ изменения электрического поля во время удара молнии, в основном на разной высоте. Поэтому развитие разряда из нижней заряженной области по другим направлениям, кроме земли, затруднено. Только после нейтрализации заряда нижней области становится возможным разряд из следующей по высоте области концентрации зарядов.

Лидер повторного разряда обычно развивается по ионизированному пути, проложенному первым разрядом, поэтому скорость его выше и имеет порядок 10⁶ м/с. Развивается он непрерывно, без ступеней. Ярко светится только его головка, прочерчивая на фоторазвертке по времени непрерывную линию (рис. 7.3). Особенности развития лидера повторных разрядов дали основание называть его стреловидным.

По достижении стреловидным лидером наземного объекта или встречного лидера происходит повторный главный разряд, сопровождающийся прохождением по каналу большого тока и ярким его свечением.

В большинстве случаев молния, развивающаяся из отрицательно заряженного облака, состоит из двух–трех отдельных разрядов (компонентов). В то же время наблюдаются молнии и с большим числом компонентов (до 20 и более). Положительные молнии, как правило, однокомпонентные.

Многокомпонентная молния может длиться до 1,3 с (самое большое зарегистрированное время). Чаще всего длительность молнии не превышает 0,1 с. Следующие друг за другом яркие вспышки канала при повторных импульсах тока воспринимаются наблюдателем как мерцание молнии. Между импульсами тока главного разряда в многокомпонентной молнии наблюдается постоянная составляющая тока величиной десятки ампер и более.

Е

Рис. 7.5. Упрощенная схема развития главного разряда

сли высота объекта составляет сотни метров, то напряженность электрического поля на его вершине может достигнуть критического значения раньше, чем напряженность поля в облаке. В таких случаях развитие молнии начинается не с облака, а с вершины объекта. Большинство разрядов, поражающих Останкинскую телебашню, начинается развитием лидера с ее вершины (540 м над поверхностью земли). Такие молнии не имеют резко выраженной главной стадии. Лидеры повторных разрядов в этих случаях всегда развиваются от облака к земле, и повторные компоненты не отличаются от нисходящих от облака молний.