1.1 Возникновение молний
Молния – это электрический искровой разряд длиной от 1 до 10 километров и диаметром несколько сантиметров. Разряд может происходить как между облаками, так и между облаком и землей, при этом происходит обмен электрических зарядов (электронов или ионов газа), т.е. протекают электрические токи (80% – в диапазоне 30-40 кА, хотя бывает до 150-200 кА).
В момент разряда температура воздуха в канале разряда поднимается до 30000°С; продолжительность вспышки обычно 0.2с,в редких случаях доходя до 1.5с, заряд, переносимый в течении вспышки молнии, колеблется от единиц до сотен кулон. Сам разряд происходит со скоростью 300 км/с и начинается с развития так называемого «лидера» – слабосветящегося канала с током в несколько сотен ампер, когда в узком воздушном канале лавиноподобно нарастает количество электронов, двигающихся по направлению от облака к земле. Этим ионизированным каналом, как по проводнику, начинает перетекать заряд – так образуется лидер, который, двигаясь словно рывками с микросекундными паузами, направляется к земле. По мере продвижения напряженность поля в лидере возрастает; в ответ на это с выступающих на поверхности земли объектов «выбрасывается» узкий канал (стример) положительных зарядов. При контакте с лидером стример словно притягивает лидера к тому месту, откуда он начинался – именно это свойство начинающейся молнии используется для создания молниеотвода.
После установления сквозного ионизированного канала следует главная стадия разряда – быстрая нейтрализация накопившихся зарядов, сопровождающаяся ярким свечением и нарастанием тока до пиковых значений. При этом происходит интенсивный разогрев канала с ударным расширением, воспринимаемым на слух как удары грома.
Большинство разрядов молний происходит внутри самого облака или между облаками. Из разрядов молнии между облаком и землей (по направлению движения лидера – от облака вниз, или от наземного сооружения вверх) – молнии подразделяются на нисходящие и восходящие. Около 90 % – это отрицательные нисходящие молнии от облака к земле («лидер» зарождается в отрицательно заряженной зоне облака и распространяется до положительно заряженной земной поверхности); 10% – молнии, восходящие из земли к облаку.
Лидер нисходящей молнии возникает в результате процессов между облаками, и его появление никак не зависит от наличия на поверхности земли каких либо сооружений. Соприкосновение нисходящего лидера с одним из встречных стримеров (или касание лидером поверхности земли) определяет место удара молнии в землю или какой-либо объект.
Восходящие лидеры возбуждаются с высоких заземленных сооружений и с остроконечных элементов рельефа, у вершин которых во время грозы электрическое поле резко усиливается – поэтому в горной местности восходящие молнии возникают чаще, а на равнине восходящие молнии поражают объекты высотой от 150 метров и выше. После того, как лидер восходящей молнии достигает грозового облака, начинается процесс разряда.
Сила, создающая сам заряд (разность потенциалов), необходимый для пробоя атмосферы (т.е. образования молнии), связана с разностью температур между поверхностью земли и верхними слоями атмосферы, а также с процессами конденсации и кристаллизации воды из атмосферной влаги. Разность температур приводит к конвективному движению воздуха – при подъеме теплых и влажных воздушных масс на большую высоту происходит конденсация влаги, которая переходит в кристаллизацию с образованием льда.
Восходящие воздушные потоки (со скоростью до 100 км/ч) поднимают легкие кристаллы льда в верхнюю часть облака, а мелкий град скапливается в его нижней части. При столкновениях и трении возникает разделение зарядов – падающие вниз ядра снежной крупы несут отрицательные заряды, а заносимые вверх легковесные кристаллы льда – положительные (рис. 1.1.1).
Необходимая для возникновения молнии напряженность электрического поля зависит от изолирующей способности воздуха и находится в диапазоне от 0.5 до 10 кВ/м.
Обычно гроза с образованием молний возникают при столкновении теплого и влажного воздуха с холодным воздушным фронтом. Атмосферный фронт можно рассматривать как границу двух воздушных масс, которая наклонена к земной поверхности под малым углом. Холодный воздух находится рядом с теплым в виде пологого клина (рис. 1.1.2).
Теплый воздух поднимается вверх по клину холодного воздуха и охлаждается, приближаясь к состоянию насыщения
Другой тип грозы – тепловые грозы; обычно возникают в горах, в результате интенсивного солнечного излучения и быстрого подъема влажного теплого воздуха на большую высоту (рис. 1.1.3).
В любом случае, при быстром подъеме теплых и влажных воздушных масс происходит конденсация влаги, которая переходит в процесс кристаллизации с образованием льда и дальнейшей поляризацией.
В приполярных районах (или морозной зимой) разность температур невелика – поэтому и грозы там редкость. Также редкость грозы (несмотря на мощные конвективные потоки) и в жарких пустынях – из-за малого количества влаги; а вот в тропической зоне грозы бывают очень часто. В Центральной Европе в среднем случается от 15 до 25 грозовых дней.
