Физические свойства молнии
Формирование молнии
Наиболее часто молния возникает в кучево-дождевых облаках,
тогда они называются грозовыми; иногда молния образуются в
слоисто-дождевых облаках, а также при вулканических
извержениях, торнадо и пылевых бурях.
Обычно наблюдаются линейные молнии, которые относятся к т.
н. безэлектродным разрядам, так как они начинаются (и
кончаются) в скоплениях заряженных частиц. Это определяет их
некоторые до сих пор не объяснённые свойства, отличающие
молнии от разрядов между электродами. Так, молнии не бывают
короче нескольких сотен метров; они возникают в
электрических полях значительно более слабых, чем поля при
межэлектродных разрядах; сбор зарядов, переносимых молнией,
происходит за тысячные доли секунды с мириадов мелких,
хорошо изолированных друг от друга частиц, расположенных в
объёме несколько км³. Наиболее изучен процесс развития
молнии в грозовых облаках, при этом молнии могут проходить в
самих облаках - внутриоблачные молнии, а могут ударять в
землю - наземные молнии. Для возникновения молнии
необходимо, чтобы в относительно малом (но не меньше
некоторого критического) объёме облака образовалось
электрическое поле (см. атмосферное электричество) с
напряжённостью, достаточной для начала электрического
разряда (~ 1 МВ/м), а в значительной части облака
существовало бы поле со средней напряжённостью, достаточной
для поддержания начавшегося разряда (~ 0,1-0,2 МВ/м). В
молнии электрическая энергия облака превращается в тепловую
и световую.
Наземные молнии
Процесс развития наземной молнии состоит из нескольких
стадий. На первой стадии, в зоне, где электрическое поле
достигает критического значения, начинается ударная
ионизация, создаваемая вначале свободными электронами,
всегда имеющимися в небольшом количестве в воздухе, которые
под действием электрического поля приобретают значительные
скорости по направлению к земле и, сталкиваясь с молекулами,
составляющими воздух, ионизуют их. Таким образом возникают
электронные лавины, переходящие в нити электрических
разрядов - стримеры, представляющие собой хорошо проводящие
каналы, которые, сливаясь, дают начало яркому термоионизованному каналу с высокой проводимостью
-
ступенчатому лидеру молнии.
Движение лидера к земной поверхности происходит ступенями в
несколько десятков метров со скоростью ~ 50 000 километров в
секунду, после чего его движение приостанавливается на
несколько десятков микросекунд, а свечение сильно
ослабевает; затем в последующей стадии лидер снова
продвигается на несколько десятков метров. Яркое свечение
охватывает при этом все пройденные ступени; затем следуют
снова остановка и ослабление свечения. Эти процессы
повторяются при движении лидера до поверхности земли со
средней скоростью 200 000 метров в секунду.
По мере продвижения лидера к земле напряжённость поля на его
конце усиливается и под его действием из выступающих на
поверхности Земли предметов выбрасывается ответный стример,
соединяющийся с лидером. Эта особенность молнии используется
для создания молниеотвода.
В заключительной стадии по ионизованному лидером каналу
следует обратный (снизу вверх), или главный, разряд молнии,
характеризующийся токами от десятков до сотен тысяч ампер,
яркостью, заметно превышающей яркость лидера, и большой
скоростью продвижения, вначале доходящей до ~ 100 000
километров в секунду, а в конце уменьшающейся до ~ 10 000
километров в секунду. Температура канала при главном разряде
может превышать 25 000 °C. Длина канала молнии может быть от
1 до 10 км, диаметр - несколько сантиметров. После
прохождения импульса тока ионизация канала и его свечение
ослабевают. В финальной стадии ток молнии может длиться
сотые и даже десятые доли секунды, достигая сотен и тысяч
ампер. Такие молнии называют затяжными, они наиболее часто
вызывают пожары.
Главный разряд разряжает нередко только часть облака.
Заряды, расположенные на больших высотах, могут дать начало
новому (стреловидному) лидеру, движущемуся непрерывно со
скоростью в тысячи километров в секунду. Яркость его
свечения близка к яркости ступенчатого лидера. Когда
стреловидный лидер доходит до поверхности земли, следует
второй главный удар, подобный первому. Обычно молния
включает несколько повторных разрядов, но их число может
доходить и до нескольких десятков. Длительность многократной
молнии может превышать 1 сек. Смещение канала многократной
молнии ветром создаёт так называемую ленточную молнию -
светящуюся полосу.
Внутриоблачные молнии
Внутриоблачные молнии включают в себя обычно только лидерные
стадии; их длина колеблется от 1 до 150 км. Доля
внутриоблачных молний растет по мере смещения к экватору,
меняясь от 0,5 в умеренных широтах до 0,9 в экваториальной
полосе. Прохождение молнии сопровождается изменениями
электрических и магнитных полей и радиоизлучением, так
называемыми атмосфериками. Вероятность поражения молнией
наземного объекта растет по мере увеличения его высоты и с
увеличением электропроводности почвы на поверхности или на
некоторой глубине (на этих факторах основано действие
громоотвода). Если в облаке существует электрическое поле,
достаточное для поддержания разряда, но недостаточное для
его возникновения, роль инициатора молнии может выполнить
длинный металлический трос или самолёт - особенно, если он
сильно электрически заряжен. Таким образом иногда
«провоцируются» молнии в слоисто-дождевых и мощных кучевых
облаках.
