Электричество облаков и осадков

Капли облаков и туманов, как и твердые элементы в них, чаще бывают электрически заряженными, чем нейтральными. Наиболее часто встречаются такие туманы, все капли которых несут заряды одного знака; но примерно в 25% случаев капли заряжены разноименно. Средний заряд капелек в туманах имеет порядок величины от десятков до тысяч элементарных зарядов (элементарным зарядом называют заряд электрона). К условиям в туманах, по-видимому, близки и условия в мелкокапельных облаках, не дающих осадков.

В кучево-дождевых облаках, содержащих крупные капли, а также и значительные по размерам кристаллы, возникают особенно сильные электрические заряды. О них можно судить по-зарядам выпадающих осадков. Капли ливневого дождя несут заряды в среднем около 30-4*10-3 абс. эл. ст. ед. Это в 10 миллионов раз больше элементарного заряда. Но наибольшие заряды капель могут быть еще в десятки раз больше этого среднего значения. Твердые элементы облаков и осадков заряжены так же, как капли, или еще сильнее.

Дожди значительно чаще выпадают на земную поверхность с положительными, чем с отрицательными зарядами; со снегом дело обстоит менее определенно.

Разделение зарядов в кучево-дождевых облаках, т. е. скопление электричества одного знака в одной части облака и другого знака в другой, приводит к огромным значениям напряженности электрического поля атмосферы в облаках и между облаками и землей.

Причины электризации элементов облаков и осадков, а также разделения зарядов обоих знаков в облаках недостаточно ясны; существует много различных теорий. Указывают такие причины, как захват ионов капельками и кристаллами, особенно при выпадении осадков; столкновение крупных и мелких капель; дробление (разбрызгивание) капель; сублимация, дробление и испарение кристаллов; замерзание переохлажденных капелек на кристаллах и пр.

Гроза

Типичное развитие кучево-дождевых облаков и выпадение из них осадков связано с мощными проявлениями атмосферного электричества, а именно с многократными электрическими разрядами в облаках или между облаком и землей. Такие разряды искрового характера называют молниями, а сопровождающие их звуки — громом. Весь процесс, часто сопровождаемый еще и кратковременными усилениями ветра — шквалами, называется грозой.

По происхождению грозы делятся на те же типы, что и кучево-дождевые облака. Различают внутримассовые и фронтальные грозы.

Внутримассовые грозы наблюдаются двух типов: в холодных воздушных массах, перемещающихся на теплую земную поверхность, и над прогретой сушей летом (местные, или тепловые, грозы). В обоих случаях развитие грозы связано с мощным развитием облаков конвекции, а следовательно, с сильной неустойчивостью стратификации атмосферы и с сильными вертикальными перемещениями воздуха.

Фронтальные грозы связаны главным образом с холодными фронтами, где теплый воздух вытесняется вверх продвигающимся вперед холодным воздухом. Но летом над сушей они нередко связаны и с теплыми фронтами. Континентальный теплый воздух, поднимающийся летом над поверхностью теплого фронта, может оказаться очень неустойчиво стратифицированным, а потому над поверхностью фронта может возникнуть сильная конвекция.

Продолжительность грозы в каждом отдельном месте обычно невелика: от минут до нескольких часов. Число молний при сильной грозе измеряется десятками в одну минуту. Как правило, гроза сопровождается ливневыми осадками, иногда градом.

Грозы особенно часты над сушей в тропических широтах: здесь есть районы, где в году 100—150 дней и более с грозами. На океанах в этой зоне гроз гораздо меньше, примерно 10— 30 дней в году. Тропические циклоны всегда сопровождаются жестокими грозами; однако сами эти возмущения наблюдаются редко.

В субтропических широтах, где преобладает высокое давление, гроз гораздо меньше: над сушей 20—50 дней с грозами в году, над морем 5—20 дней. В умеренных широтах 10—30 дней с грозами над сушей и 5—10 дней над морем. В полярных широтах грозы — уже единичное явление.

Молния и гром

Необходимым условием грозы является возникновение очень больших разностей электрического потенциала в облаках, или между облаками, или между облаками и земной поверхностью. Это возможно при сильной электризации облаков. Облачные элементы по тем или иным причинам получают электрические заряды разного знака, и происходит разделение этих зарядов: заряды одного знака накапливаются в одной части облака, заряды другого знака — в другой. В кучево-дождевых облаках этот процесс настолько интенсивен, что создаются огромные разности потенциалов. При этом напряженность поля, т. е. разность потенциалов на единицу длины, иногда измеряется сотнями тысяч, вольт на каждый метр.

Так как электропроводность воздуха вообще очень мала, то быстро возникающие разности потенциалов не могут выравниваться постепенно, путем тока проводимости. Когда напряженность поля достигает некоторого критического значения (порядка 25—50 тыс. в/м и более), разности потенциалов выравниваются посредством искровых разрядов — молний — между разноименно заряженными облаками или частями облаков или между облаком и землей. На пути в несколько километров (а такова обычная длина молнии) разность потенциалов может достигать сотен миллионов вольт, а сила тока в молнии будет порядка десятков тысяч ампер. Одна молния переносит за доли секунды несколько кулонов электричества; по некоторым данным, даже в среднем около 30 кулонов.

Молния состоит из нескольких, иногда многих последовательных разрядов — импульсов — по одному и тому же пути, называемому каналом молнии. Этот канал извилистый и разветвленный, потому что разряды происходят по пути наименьшего электрического сопротивления в атмосфере, а стало быть, по такому пути, где плотность атмосферных ионов особенно велика. Канал молнии виден потому, что воздух в нем раскаляется до ослепительного розово-фиолетового свечения. Температура в канале достигает 25000—30000°. Интервалы между отдельными импульсами — порядка 0,05 секунды, а продолжительность всей молнии составляет десятые доли секунды.

Каждый разряд начинается с лидера, т. е. с предварительного разряда, который как бы прокладывает канал молнии, увеличивая в нем плотность ионов и тем самым повышая его проводимость. Этот процесс происходит по типу электронной лавины. Относительно небольшое сначала число свободных электронов, распространяясь от облака (или соответствующей его части с большим отрицательным зарядом), ионизирует на своем пути молекулы воздуха. Вследствие этого создаются все новые свободные электроны, в свою очередь увеличивающие ионизацию канала. Сразу же после того, как канал проложен, по нему происходит сильный главный разряд. Повторные разряды бывают слабее.

При разрядах между облаками и землей (а к ним относится примерно 40% молний) к земле переносится преимущественно отрицательное электричество. Причина в том, что в нижней части грозового облака обычно накапливаются отрицательные заряды, а земная поверхность под облаком заряжается при этом положительно путем индукции. При грозовом разряде происходит, таким образом, пополнение общего отрицательного заряда земной поверхности.

Шаровая молния. Огни Святого Эльма

Замечательно, но еще недостаточно объяснено явление шаровой молнии. Это светящийся шар диаметром в десятки сантиметров, перемещающийся вместе с ветром или вообще с током воздуха (если попадает внутрь помещения). При соприкосновении с наземными предметами он может взорваться, что сопровождается разрушениями и ожогами; бывают и человеческие жертвы. Имеется много еще гипотетических объяснений шаровой молнии. Возможно, что она возникает в раскаленном воздухе канала обычной молнии и состоит из неустойчивых соединений азота и кислорода, образование которых сопровождается поглощением большого количества тепла. При охлаждении до некоторой критической температуры вещество шаровой молнии мгновенно распадается на азот и кислород с выделением всей поглощенной энергии, что и создает взрыв.

При наличии достаточно больших разностей потенциалов в атмосфере, кроме искровых разрядов, наблюдается истечение электричества с остроконечных предметов (с остриев), которое иногда сопровождается свечением. Эти тихие (или сопровождающиеся слабым треском) разряды называют огнями Святого Эльма. Они могут наблюдаться и в отсутствии грозовых облаков, особенно при метелях и пыльных бурях, наиболее часто в горах. Объясняются они следующим образом.

Если напряженность поля вообще велика, то над выдающимися и остроконечными предметами она может стать еще значительно большей. Тогда непосредственно возле остриев могут создаваться такие значения напряженности, которые приближаются к критическому. Воздух в непосредственной близости к остриям становится проводящим, и с остриев происходит заметное истечение электричества. При особенно сильной напряженности это истечение становится видимым, как светящиеся нити, кистями расходящиеся от острия вверх (кистевые разряды).