Природа электрических явлений в атмосфере

АТМОСФЕРНЫЕ РАЗРЯДЫ

Грозой называют процесс конденсации (свертывание) водяных паров в атмосфере, сопровождающийся молнией и громом, видимыми и слыши­мыми электрическими разрядами, которые всегда связаны с облаками и, как правило, с дождем, градом или снегом.

Гроза издавна поражала воображение человека, вызывая у наших предков, плохо защищенных от ненастья, ужас. Не умея объяснить происхождение и причины возникновения грозы и не имея возможности бороться против нее, люди считали грозу деянием богов, карающих людей «за грехи». Славяне поклонялись богу Перуну — творцу молнии, древние греки — Зевсу — громовержцу. В наше время люди научились не только предсказывать, где и когда возникнет молния, но и обезвреживать ее.

Вещества, с которых образован поверхностный слой земной коры, имеют большую электропроводимость по сравнению с нижним слоем атмосферы. Морская вода имеет очень хорошую проводимость, влажная почва также хороший проводник, тогда как проводимость воздуха небольшая. Но с высотой, за счет увеличения ионизации атмосферы, проводимость воздуха увеличивается, сначала медленно, потом все быстрее, и достигает в слое воздуха, на высоте 80 км величины, которая приблизительно равна проводимости пресной воды. Поэтому ученые рассматривают верхние слои атмосферы как некоторую проводящую оболочку, а земной шар с атмосферной оболочкой — как исполинский шаровидный конденсатор, внутренней оболочкой которого является поверхность суши и океана, а внешней — проводящая оболочка воздуха. В промежутке между этими оболочками и возникает электрический заряд, между атмосферой и землей даже в хорошую погоду постоянно существует электрическое напряжение. В большинстве случаев воздух заряжен положительно, а земля отрицательно.

Исследования Н.А. Гезехусом водяных брызг были началом правиль­ного представления об электризация облаков и осадков. Он обнаружил в воздухе, вблизи водопадов, присутствие свободного отрицательного электричества, появляющегося вследствие того, что брызги, отрываю­щиеся от воды, заряжаются отрицательно. Когда струя падает на поверхность воды, не успев разбиться на капли, никакой электризации нет. Явление электризации наблюдается только тогда, когда на поверх­ность падает струя, которая уже распалась на отдельные мелкие капли. Возникновение электрических зарядов происходит здесь не вследствие ударов и сливания капель, а только при скольжении или отделении слоя брызг от поверхности.

Развивая идеи Гезехуса, Ленард и его ученики исследовали условия электризации при разбрызгивании капель дождя. Если дождевая капля получает резкий толчок, то от ее поверхности, как от взрыва отрываются наиболее мелкие отрицательно заряженные капельки (эффект Гезехуса). Это происходит в тот момент, когда дождевые капли ударяются о землю. Большие капли в воздушном потоке неустойчивые и могут не распадаясь существовать только несколько секунд. Дождевая капля порывом воздуха сначала надувается в виде шляпки, ее верхняя часть на мгновение превращается в тонкую пленку, которую прорывает поток воздуха, что получив возможность свободно проходить через кольцеобразный водяной остаток, несет вверх много маленьких отрицательно заряженных капе­лек, в то время как большие положительно заряженные части разлетаются в стороны. При повторном разбрызгивании этих заряженных частиц, эффект, естественно, растет, и заряды увеличиваются. Эффект Гезехуса объясняет возникновение грозового электричества. Необходимым условием ее проявления в дождевых каплях есть наличие при возникно­вении грозы восходящего потока с колебанием в скорости от 3 до 8 м/сек и больше (что создает завихрения). Все это происходит за счет работы ветра. Чем сильнее восходящие потоки, тем больше заряжается облако.

Известно, что электрический заряд одного знака пытается привлечь к себе заряд противоположного знака, воздух — плохой проводник и препятствует соединению электричества противоположных знаков. Однако такое состояние сохраняется только до тех пор, пока в грозовом облаке не накопится достаточно большой электрический заряд. Как только он образовался, воздух уже не может препятствовать проскакиванию электрической искры, и тогда происходит электрический разряд — молния. Если в воздухе напряжение электрического поля превышает некоторую границу, тогда ионы приобретают скорость, достаточную для расщепления путем удара молекул воздуха, что встречается на их пути. В таком случае происходит самостоятельный светящийся разряд.

Атмосферные разряды разделяют на так называемые огни Эльма и молнии (плоские, линейные, ракетообразные, четковые и шаровые).

Огни Эльма, названные по имени церкви св. Эльма, на шпиле которой такие свечения не раз наблюдали еще в середине XVI ст., бывают чаще всего в горах.

Когда напряжение поля в атмосфере значительно растет, у предме­тов, выступающих над земной поверхностью (например, у стеблей трав, жердей, мачт кораблей, натянутой проволоки и тому подобное), напря­жение поля легко достигает 30 кВ/м. Тогда вокруг выступов образо­вываются тлеющие разряды или разряды в виде светящейся оболочки. При очень большой силе тока разряды имеют форму отдельных гроздей.

В электротехнике огни Эльма наблюдаются вблизи проводов высоковольтных передач (так называемо коронование проводов).

Молния — это большая электрическая искра, часто в несколько километров длиной. Грозовой разряд имеет огромную силу. Во время разряда энергия аккумулируется при напряжении от 10 до 100 и больше миллионов вольт, тогда как длительность разряда равна только тысяч­ным частицам секунды. Это напряжение многократно больше, чем то, которое развивают наибольшие электрические установки, когда-нибудь построенные человеком. Вот чему этот сравнительно короткий электри­ческий разряд становится таким грозным и опасным.

Количество гроз, происходящих на поверхности всего земного шара, очень большое — приблизительно 16 миллионов на год или 44 тысячи ежедневно. Это значит, что каждый час бывает около 2 тысяч гроз.

Плоская молния — это электрическая вспышка на поверхности облаков. Она может быть просто отблеском искровой молнии, которой не видно из-за облаков, или особого вида разряда в форме кустового или мерцающего света, которая появляется в верхних частях облаков. Грозы с плоскими молниями принадлежат к разряду слабых. В наших широтах они наблюдаются только рано весной и поздно осенью.

Линейная молния представляет собой электрическую искру, извилистую и со многочисленными отростками. Линейная молния отли­чается особенно большой силой тока (до 200 тыс. ампер). Ударяя в дома, она часто вызывает пожары, валит и расщепляет большие деревья, поражает людей. Иногда линейную молнию называют «зажигающей молнией». Ее длина равна 2—3 км, но бывают молнии и до 10 км.

По исследованиям И.С. Стекольникова, линейная молния состоит с разрядного канала, по которому идет ток, его видно глазом. Перед разрядным каналом идет так называемый «лидер», являющийся начальной стадией явления и прокладывает путь молнии в атмосфере.

Процесс появления и развития молнии дает такую картину: с облака по направлению к земле начинают двигаться электроны, которые всегда есть в атмосфере. Течение электронов происходит под действием электрического напряжения, создаваемого зарядами облака. Сначала течет небольшое количество электронов, в узком канале, наподобие ручейка. В этой части облака, где начинается зарождение канала, скапливаются электроны, имеющие большую скорость движения. Такие электроны, сталкиваясь с атомами воздуха, разбивают их на поло­жительные ионы и электроны. Электроны, что при этом освобождаются, летят по направлению к земле, сталкиваясь с атомами воздуха, расщепляют их. Электронная лавина захватывает все новые массы воздуха, расщепляя его атомы на части. При этом воздух нагревается, его проводимость увеличивается, с изолятора он превращается в проводник.

Через проводящий канала воздуха с облака начинает стекать все больше электричества, и через сотые частицы секунды электронная лавина достигает земли. Этим заканчивается подготовительная часть молнии — она пробила себе дорогу к земле.

Теперь начинается бурный процесс протекания электричества через канал. Происходит соединение отрицательного и положительного электричества. Главный процесс развивается от земли до облака. Это и есть разряд электричества между землей и тучей. Такой разряд представ­ляет собой электрический ток огромной силы. Канал молнии очень разогревается и поэтому ярко светится. Все это происходит за очень короткое время.

В тот момент, когда лидер молнии касается земли, начинается вторая, главная часть удара — разряд. От земли вверх к облаку протягивается исполинское пламя, которое повторяет путь, пройденный лидером. Поднимаясь вверх, пламя распространяется также и по ответвлению, поскольку последние возникло при перемещении лидера.

Молния, которая падает с тучи на землю, продолжается очень малую долю секунды (от 0,001 до 0,02). Длительность прохождения молнии между облаками значительно больше — иногда до 1,5 секунды. Ширина разрядного канала достигает 40—50 см. Однако большая часть тока течет в русле, шириной всего в несколько сантиметров. Температура в канале молнии превышает 18000°С.

Четковую молнию видно на фоне облаков светящейся пунктирной линией. Это — чрезвычайно редкая форма молнии. Она, по-видимому, является переходным типом от линейной к шаровой молнии.

Ракетообразная молния, по сравнению с другими видами молний, развивается очень медленно. Длительность разряда равна 1—1,5 секунды.

Чрезвычайно, редкая и загадочная форма молнии — шаровая. Она состоит с круглой светящейся массы величиной с кулак или даже с голову человека и двигается с умеренной скоростью. Иногда шаровая молния исчезает бесследно, а иногда взрывается со страшным треском.

Пути, которыми двигаются шаровые молнии, извилистые и часто совпадают с направлением ветра. Шаровая молния возникает непосред­ственно за линейной. Отсюда можно допустить, что линейная молния является необходимым условием появления шаровой.

При появлении шаровой молнии слышится свист или жужжание. Исчезая, она часто оставляет остро пахнущую дымку. Шаровая молния существует от секунды до нескольких минут. Ее форма может быть сферической, грушеобразной, веретенообразной и т. д., а цвет — белым, желтым, голубым, фиолетовым. Шаровая молния может двигаться по ветру и против него, стоять на месте и передвигаться в нескольких сантиметрах от человека, не обдавая его теплом, и поджечь деревья или дома даже под ливнем, может тихо и бесследно исчезнуть на глазах у свидетелей или взорваться с силой бомбы. Целиком фантастическая способность шаровой молнии проходить скрозь оконное стекло, не повреждая его и не меняя при этом своей формы, направления и скорости движения. В литературе описывается случай, когда шаровая молния расплавила сережку на ухе женщины, не причинив ей вреда.

Шаровые молнии притягиваются к помещениям и могут быть втянутыми внутрь через открытые двери, окна, форточки, а иногда просто через щели.

Полного объяснения шаровой молнии еще не найдено. П.Н. Чирвинский считает, что шаровая молния является клубком сильно наэлектри­зованной смеси газов, преимущественно азота, кислорода, водорода, а также, в небольших количествах, озона и окислов азота. Эта смесь пребывает в неустойчивом равновесии при переменном давлении и может по различным, часто очень незначительным причинам взрываться. Притронувшись к проводникам, она может и спокойно разрядиться, что иногда вызывает характерное потрескивание.

Загадка шаровой молнии еще не раскрыта. Чрезвычайная сила шаровой молнии, когда шар весом меньше одного грамма может разру­шить крепкий печной дымоход и разбить на кусочки кирпич, не находит объяснения даже при учете высоких температур взрыва гремучей смеси газов.

Удары молнии. Количество гроз за определенный промежуток времени не может быть надежным критерием для разрешения вопроса о количестве грозовых ударов в землю. Прямой зависимости между количеством гроз и числом грозовых ударов не существует.

При поражении людей, домов, деревьев и т. д. молния ведет себя по-разному, иногда очень странно — то убивает человека, даже не притро­нувшись к ее одежде, то раздевает догола, не причиняя ни наименьшего вреда. В другом случае она срывает позолоту с люстры и переносит ее на штукатурку стен.

Чтобы представить себе картину прихотей молнии, мы наведем несколько наиболее интересных фактов.

Во время сильной грозы молния контузила и раздела одного прохо­жего. Кроме куска подбитого гвоздями сапога и одного рукава рубашки, от его костюма не осталось никаких следов. Очнувшись минут через десять, он был очень удивлен, что лежит совсем раздетый, и жаловался на холод. Несмотря на некоторые повреждения, он остался жив.

Иногда же у людей, убитых молнией, совсем нет никаких внешних повреждений, но вскрытие показывает паралич мозга. Часто люди, уби­тые или только оглушенные молнией, совсем теряют волосы. Они исчезают или при самом ударе, или выпадают через несколько дней. В большинстве случаев пораженные молнией падают внезапно, без всяких судорог. Они сразу теряют сознание, ничего не видя, ничего не услышав и не почувствовав. Люди, которые потом очнулись, ничего не помнят и не могут понять, почему они лежат на земле.

Молния часто ударяет в деревья. Больше всего ударов претерпевает дуб, который имеет разветвленную и глубоко расположенную корневую систему и, следовательно, имеет относительно меньшее сопротивление. Далее идут другие лиственные породы, потом ель и сосна. Наименее страдает от ударов бук. Молния превращает деревья в щепки, ибо высокая температура искры вызывает внезапное закипание сока, и пара с силой разбрасывает щепки на десятки метров. Иногда на такое же расстояние улетают целые части дерева. При средней силе разряда на стволе дерева образовывается глубокий обуглившийся желоб с каналом, по которому разряд идет в землю. На столетних дубах очень часто есть следы «зажив­ших ран», нанесенных ударами молний.

Железные столбы и решетки, являющиеся хорошими проводниками электричества, также заряжаются во время грозы, и приближаться к ним опасно — все это «проводники», которым молния отдает предпочтение. Разрушительное действие молнии особенно велико при поражении высоких кирпичных труб, на которых нет громоотвода.

Физиологическое действие молнии часто приводит к гибели живых организмов. Невзирая на кратковременность влияния, ток парализует работу клеток мозга, вызывая паралич сердца, в лучшем случае наносит сильные ожоги. Если оказать скорую помощь (искусственное дыхание, специальные вливания и тому подобное), контуженных молнией часто можно возвратить к жизни. Однако метод закапывания в землю, который широко практикует население, причиняет только вред, ибо пострадавший в этот момент нуждается в искусственном дыхании и усиленном доступе воздуха к телу, а не в охлаждающем «компрессе» земли.

Дата добавления: 2014-12-29