Погода интересует всех

Много шума из ничего

Примерно 200 лет тому назад стало известно, что молния представляет собой кратковременный электрический разряд между грозовым облаком и земной поверхностью или между двумя облаками. Физическое объяснение молнии выглядит с житейской точки зрения несколько суховатым. Однако как велик наш испуг, когда близкая молния неожиданно ударяет в землю! Разветвленный, ярко светящийся ствол молнии, сопровождающийся раскатами грома, производит очень сильное впечатление. Поэтому неудивительно, что молния стала символом могучих стихийных сил. И все же она является лишь сравнительно слабым отражением предшествующих мощных термодинамических процессов в атмосфере. Разряды молнии — не случайность, а важная составная часть электрического баланса Земли и атмосферы, но возникают они лишь от случая к случаю и всегда сопровождаются большим шумом.

Грозы являются настоящими генераторами атмосферного электричества. Рассмотрим процесс возникновения грозы несколько подробнее. Облако называют грозовым, когда в нем происходят электрические разряды и слышен гром. Грозовым становится мощное кучевое облако, похожее на высокую башню и обладающее достаточной энергией. Кучевое же облако появляется в случае, когда теплый воздух, поднимаясь из нижней и средней тропосферы в более высокие слои атмосферы, охлаждается и содержащийся в нем водяной пар начинает конденсироваться. При этом выделяется тепло, которое дополнительно подогревает поднимающийся воздух и тем самым способствует дальнейшему еще более быстрому подъему его. Бурно развиваются восходящие движения, особенно в центральной части облака. В верхних слоях тропосферы в результате конденсации водяного пара появляются уже не облачные капли, а ледяные кристаллы. Они образуют над облаком ледяную пелену, похожую издали на наковальню. После появления наковальни в облаке начинают возникать электрические разряды. Каким же образом при таком вначале чисто термодинамическом процессе возникает грозовое электричество?

Эффект Ленарда. Воздушный поток разрушает крупную каплю, в результате чего возникают мелкие капельки, несущие на себе электрические заряды.

В ливневом облаке капли воды, беспорядочно двигаясь в струе восходящего воздуха, непрерывно сталкиваются друг с другом и разрушаются. При этом возникает особое физическое явление, называемое эффектом Ленарда. Оно состоит в том, что в оболочке капли при падении возбуждается отрицательный электрический заряд, тогда как в центральной ее части возникает положительный заряд. При разрушении капли ее оболочка дает множество мелких капелек, заряженных отрицательно, а центральная часть — более крупную каплю, заряд которой противоположен заряду мелких капель. Восходящие потоки воздуха уносят мелкие отрицательно заряженные капли в верхнюю часть облака, тогда как тяжелые капли, несущие положительный заряд, остаются внизу. Таким образом, восходящие потоки не только разрушают крупные капли, но еще и сортируют их остатки, посылая мелкие отрицательно заряженные капли вверх, а крупные положительно заряженные— вниз. Наличие в облаке множества капель, заряженных одинаково, равносильно появлению в нем объемных электрических зарядов. Когда разность потенциалов между частями облака, имеющими объемные заряды разного знака, становится достаточно большой, то появляются условия, благоприятные для возникновения молнии.

Стадии образования осадков в грозовом облаке (кучево-дождевое облако с наковальней), по Финдайзену.

Стадии: А — начальная, Б — града, В — 1-я дождя, Г — 2-я дождя, Д — заключительная. 1 — капли, 2 — переохлажденные капли, 3 — дождь, 4 — ледяные кристаллы, 5 —< ледяная крупа, 6 — снежная крупа, 7 — град.

Воздушные течения и распределение объемных зарядов в грозовом облаке (кучево-дождевое облако с наковальней).

Однако при создании грозового электричества, когда вершины ливневого облака оледеневают и появляется ледяная пелена, развивается другой процесс.

Когда ледяные кристаллы соприкасаются с переохлажденными каплями, они тотчас намерзают на кристаллы. Внутри кристаллов возникает разделение электрических зарядов. Ледяные или снежные кристаллы внешне являются электрически нейтральными, но внутри они несут тот или иной заряд. В восходящем потоке воздуха эти кристаллы, как и капли воды, часто сталкиваются и разрушаются или смерзаются, отдельные их осколки приобретают заряды различных знаков. Восходящие потоки «сортируют» эти осколки ледяных кристаллов, которые таким образом тоже способствуют образованию в облаке объемных электрических зарядов противоположного знака.

Разность потенциалов между двумя точками в атмосфере может быть измерена путем зондирования или каким-либо другим способом. Интересно отметить, что даже в ясную погоду разность потенциалов между разными уровнями в атмосфере составляет 120 вольт на метр. Следовательно, между двумя точками, отстоящими друг от друга по вертикали на 2 метра, разность потенциалов примерно равна напряжению на полюсах штепсельной розетки в комнате. Из этого, конечно, не следует, что каждого человека в атмосфере может ударить током. В каждом проводящем теле электрическое напряжение выравнивается, т. е. исчезает, если только на концах проводника разность потенциалов не восстанавливается, как в динамо-машине или в батарее карманного фонаря. Поскольку человек стоит на земле, а каждый проводник, соединенный с землей, принимает ее потенциал, то никакой разности потенциалов между ногами и головой человека при ясной погоде не возникает. Однако постоянная разность потенциалов в атмосфере действует на все заряженные частицы, т. е. на все ионы. Положительные ионы притягиваются к отрицательно заряженной земной поверхности, а отрицательные ионы и электроны перемещаются в более высокие слои атмосферы. Поток положительных ионов к земной поверхности нейтрализует часть ее отрицательного заряда, ибо воссоединение зарядов противоположного знака влечет за собой уменьшение разности потенциалов. Расчеты показали, что поток положительных ионов из атмосферы к земле мог бы нейтрализовать ее заряд в течение нескольких часов. Но поскольку отрицательный заряд земной поверхности остается неизменным, то, очевидно, существует непрерывный приток отрицательных ионов или электронов, численно равный притоку к ней положительных ионов. Электрический заряд земной поверхности поддерживается, в частности, грозовой деятельностью. Грозы служат той динамо-машиной, которая постоянно поддерживает определенную разность потенциалов между высокими слоями атмосферы и земной поверхностью. При каждом ударе молнии к земной поверхности подводится отрицательное электричество. Если при работе обычной динамо-машины электроны движутся по проводникам, то при грозе электроны и ионы движутся через атмосферу. Она до известной степени создает электрическое сопротивление проводника, т. е. систему, потребляющую энергию. Во время грозы разность потенциалов в атмосфере может увеличиваться до 100 000 в на метр. В этих случаях с заостренных предметов — травинок, деревьев и башен, а также с волос и пальцев человека — могут соскакивать в воздух электроны, стремясь соединиться с находящимися в воздухе зарядами противоположного знака. Это так называемые тихие разряды, имеющие очень эффектный вид. Когда такой разряд на заостренных предметах становится достаточно сильным, на фоне темных грозовых облаков или ночного неба вблизи острия возникает зеленовато-голубоватое свечение. Оно может быть настолько сильным, что кажется, будто верхушки мачт и башен горят огнем. Это явление получило название огней Эльма. Неоднократно наблюдавшиеся в одном из портов Японии «японские огни», известные также под названием холодных огней, по-видимому, тоже представляют собой редкую форму огней Эльма.

Грозовые облака, безобидные на вид, но тем не менее иногда в течение нескольких часов дающие столько же осадков, сколько в нормальных условиях выпадает за целый месяц.

Результатом ливней бывают большие разрушения.

Разветвленная молния над мостом Вашингтона в Нью-Йорке (фото агентства Центральбильд).

Атмосферно-электрическая станция в Вансдорфе (Дрезден). Все здание покрыто проволочной сеткой с таким расчетом, чтобы разность потенциалов не возникала между приборами для измерения напряженности электрического поля, смонтированными на крыше, и земной поверхностью.

Отложения зернистой изморози на горе Брокен. Зернистая изморозь, образующаяся в результате намерзания капель переохлажденного тумана, растет навстречу ветру.

Тающая зернистая изморозь на горе Брокен.

Гора Брокен в зимнем одеянии. Брокен — самая снежная гора в ГДР.

Когда воины Ганнибала переходили через Альпы, то на остриях их копий бушевало настоящее море огня, что было ими расценено как предзнаменование будущих побед.

Возникновение объемного заряда и сопровождающих его явлений типа огней Эльма является предпосылкой для электрического разряда, т. е. для молнии. Каков же, однако, путь развития молнии? Отдельные фазы этого электрического разряда удалось выяснить при измерениях под облаками и внутри облаков. При разности потенциалов 30 000 в на метр начинается разряд, который предшествует видимой молнии и называется лидером. Лидер развивается отдельными ступенями, каждая из которых длится несколько тысячных долей секунды, так что лидер успевает за это время продвинуться в сторону земной поверхности лишь на 50—100 м. При этом из многих путей лидер выбирает тот, который дозволяет ему достигнуть земной поверхности возможно быстрее. Как правило, развитие наиболее мощного основного канала Молнии происходит быстрее, чем всех других побочных ее каналов — ответвлений. Когда основной канал молнии приблизится к земной поверхности, навстречу ему с земли начинают двигаться заряды противоположного знака. Через образовавшийся таким образом главный канал в течение 10 микросекунд, т. е. со скоростью, достигающей ¹/₁₀ скорости света, проскакивает весь заряд данной молнии[34]. Все каналы, по которым пробегает электрический ток, образуют знакомую нам линейную (ветвистую) молнию. Молния внутри облака образуется совершенно так же, как между облаком и землей, но только при этом выравниваются электрические заряды разных частей облака.

Нелегко представить себе процесс развития грозового разряда, т. е. распространение ионов отдельными ступенями, создающее линейную молнию. Поясним этот процесс на примере из механики. Всем, конечно, хорошо известны самосвалы, у которых специальный механизм поднимает одну сторону кузова и машина автоматически разгружается. Такие грузовики используются для перевозки песка и камней. Проследим внимательнее за процессом разгрузки песка из кузова самосвала. Когда кузов начинает подниматься, то лишь в отдельных его местах небольшие струйки песка толчками сдвигаются к заднему борту машины. Чем круче наклоняется кузов, тем сильнее будет двигаться песок. Точно так же при постепенном увеличении разности потенциалов между облаком и землей электрический заряд начинает ступенями продвигаться в воздухе. Наконец весь заряд устремляется к земной поверхности. Это происходит, как в примере с песком при достаточно крутом наклоне кузова самосвала. Далее представим себе, что в кузове находится не песок, а какое-то горючее вещество, например порох, который при разгрузке падает на какую-нибудь горячую поверхность. В этом случае порох, достигнув земли, воспламенится сам и тотчас же подожжет все мешки с порохом, еще оставшиеся в кузове или летящие из него к земле. Совершенно так же, когда объемный электрический заряд доходит до земной поверхности, то начинает «гореть» вся та область, внутри которой ионы успели дойти до земли. Благодаря этому и возникает разветвленная линейная молния. Подготовка молнии происходит гораздо медленнее, чем сам разряд. От начала отделения положительных и отрицательных зарядов в облаке до образования лидера часто проходит более получаса, тогда как сама молния длится лишь доли секунды.

Молнию можно еще сравнить с падением груза в паровом молоте. Машина медленно поднимает тяжелый груз вверх, а когда он достигает определенной точки, то удерживающий его трос освобождается и груз быстро падает вниз вдоль тех же направляющих стержней, по которым его поднимали вверх. Когда груз падает на сваю, забиваемую в землю, то мы поражаемся силе его мгновенного удара. Но ведь сначала машина должна была поднять этот груз, а эта-то медленная ее работа обычно не так сильно бросается нам в глаза.

В грозовом облаке при вспышке молнии создаются носители электричества, т. е. ионы. Восходящими движениями воздуха, господствующими в таком облаке, ионы поднимаются на высоту до 5000–7000 м. И лишь когда разность потенциалов между облаком и землей станет достаточно большой, ионы и электроны найдут путь к земной поверхности и тогда блеснет молния. При этом первоначальный, но имеющий решающее значение процесс образования ионов в облаке идет еще медленнее и спокойнее, чем поднимается груз в рассмотренном примере с паровым молотом.

Во время каждой грозы наблюдается в среднем 60 электрических разрядов, а сила тока в одном разряде составляет 60 000 ампер. Но в связи с тем, что разряд происходит очень быстро, энергия молнии оказывается сравнительно небольшой. При напряжении 2 000 000 в, силе тока 60 000 ампер и продолжительности разряда 0,001 секунды энергия молнии в соответствии с формулой

вольт-ампер-секунда = ватт-секунда

составит 2 000 000 60 000 0,001 ватт-секунд = 33,3 киловатт-часов или 29 000 килокалорий.

Это примерно соответствует энергии, получаемой при сжигании всего 3,5 кг каменного угля.

Таким образом, представление о том, что из молний можно добывать значительную энергию, является совершенно ошибочным. Кроме того, на земле пришлось бы расставить много миллионов установок, чтобы «поймать» хотя бы ничтожную часть молний.

Однако, поскольку энергия молнии высвобождается за очень короткое время, мощность молнии довольно велика. Она может за 0,001 секунды составлять 150 миллионов лошадиных сил. Так как энергия молнии переходит в тепло за столь короткое время, то при ударе возможны большие разрушения. За несколько миллисекунд, например, могут полностью испариться сотни метров телефонных проводов.

Нет ничего удивительного в том, что в средние века молнии приписывалась чудодейственная сила. Конечно, средневековые суеверия, связанные с молнией (например, представление о том, что во время грозы нельзя пользоваться вилками), отошли теперь в далекое прошлое. Если принимать эти суеверия всерьез, то пришлось бы во время грозы не есть, не смотреть в окна и даже не указывать на молнию пальцем. Не существует в природе и гнезд молний, т. е. таких точек, куда чаще всего ударяет молния и которые будто находятся в местах слияния подземных водоносных жил и вблизи разных таинственных мест.

Молнии действительно ударяют, как правило, в наиболее высокие предметы — башни, колокольни, высокие деревья и т. д. Поэтому, хотя и опасно во время грозы находиться на открытой местности, еще опаснее прятаться под деревьями. Оказавшись во время грозы на открытом месте, не надо бояться промочить одежду. Если молния на пути к земной поверхности и заденет человека, то вероятность смертельного поражения в мокрой одежде будет меньше, чем в сухой, так как первая лучше проводит электричество.

По одной старинной поговорке, во время грозы надо прятаться под буком и стараться избегать дуба. Так ли это? Наблюдения показывают, что молнии действительно чаще оставляют свои следы на дубах, чем на буках. Однако это еще не значит, что молния на самом деле чаще ударяет в дубы.

Крона бука имеет такое строение, что во время грозового ливня по его стволу стекает больше воды, чем по дубу. Вода при ударе молнии превращается в водяной пар и оказывает теплоизолирующее действие, поэтому на стволе остается едва заметный след, а число ударов молнии в бук занижается. Другое широко распространенное объяснение якобы более частым ударам молнии в дуб, чем в бук, заключается в том, что корневая система дуба распространяется глубже и достигает уровня грунтовых вод, т. е. дуб становится хорошим проводником электричества. Однако еще неизвестно, действительно ли корни дерева, которые на глубине 2 м уже становятся довольно тонкими, могут оказать решающее влияние на путь молнии?

При ударе молнии выделяется тем большее количество тепла, чем больше сопротивление материала того предмета, в который ударила молния. Поэтому в ветвях и на стволах деревьев молния оставляет сильно обуглившийся след, тогда как металлический молниеотвод лишь едва нагревается. Отсюда возникли представления о горячей и холодной молнии. Разрушение молнией каменных или кирпичных стен и расщепление древесных стволов связано с мгновенным испарением содержащейся в них воды, в результате которого развивается сила, без труда разрушающая дерево или стену.

Замечательная и в прошлом совершенно необъяснимая особенность молнии заключается в том, что нередко она несколько раз подряд ударяет в одно и то же здание. Многократные удары молнии в одно здание случаются и в наши дни. Поэтому вполне можно верить прежним устным и письменным сообщениям об этом. Раньше думали, что под такими зданиями находятся неизвестные водоносные жилы или залежи руды. Однако причина этого явления лежит не под фундаментом здания, а заключается в следующем: когда в строение ударяет молния и оно начинает гореть, то пламя ионизирует воздух. Горячие газы и дым уносят вверх образовавшиеся ионы. В результате этого воздух в зоне радиусом до 300 м становится более электропроводным. Очередная молния, движущаяся к земле вблизи очага пожара и попадающая в область сильно ионизированного воздуха, отклоняется от первоначальной траектории и направляется к центру ионного облака, т. е. к месту удара одной из предыдущих молний.

Нередко наблюдается даже и третий удар молнии в уже горящее здание.

Большинство молний сопровождается громом. Он возникает при внезапном очень сильном нагревании молнией воздуха, который быстро расширяется. После удара расширившийся воздух возвращается в канал молнии. Порции воздуха, стекающиеся сюда с разных сторон, сталкиваются, в результате чего и возникает гром. В месте удара молнии гром раздается как резкий треск, а на большом расстоянии от этого места в результате многократного отражения от облаков и от инверсионных слоев атмосферы приобретает характер глухих раскатов. По длине интервала времени между вспышкой молнии и ударом грома можно судить о расстоянии до молнии. Скорость звука составляет 330 м/сек. Поэтому если между вспышкой молнии и ударом грома прошло, скажем, 6 секунд, то молния была примерно в 2 км от наблюдателя. Утверждают, что на месте удара молнии гром не слышен; вероятно, сильная вспышка света во время молнии, а также электризация самого наблюдателя делают его невосприимчивым к удару грома.

В Европе от молнии ежегодно погибает около 40 человек. При прямом ударе человек подвергается примерно такому же воздействию, как и при ударе током высокого напряжения. Резкое усиление сердцебиения может стать причиной прекращения работы сердца. Кроме того, раздражающее и тепловое действие молнии вызывает изменения в центральной нервной системе пораженного. В этом случае причиной смерти является паралич мышечной системы и прежде всего мышц, управляющих дыханием. Паралич нервной и мышечной систем возможен также в результате ощущения ужаса, испытываемого человеком, в которого ударила молния. Однако этот вид паралича, как правило, впоследствии проходит бесследно.

Вблизи от места удара молнии люди и животные могут получить травмы вследствие так называемого напряжения шага. Оно связано с тем, что вокруг места удара молнии образуется «воронка напряжений», т. е. электрическое поле, напряжение которого уменьшается вдоль радиусов, расходящихся от места удара молнии. Если человек или животное перемещается так, что пересекает изолинии одинаковой напряженности такого электрического поля, то ноги могут сыграть роль вилки, в которой возникает большая разность потенциалов, называемая напряжением шага. Этим можно объяснить случай, когда однажды ударом молнии в овечью отару было убито сразу 504 овцы. Чтобы не возникла такая разность потенциалов, рекомендуется, укрываясь где-либо от грозы, держать ноги плотно сжатыми.

Напряжение шага. Оно представляет опасность для человека даже в том случае, когда сама молния ударит в нескольких метрах от него.

Особым видом молнии является так называемая чёточная молния. Это явление напоминает цепочку из светящихся шаров, связанных друг с другом тонким ярким каналом, а иногда имеет вид жемчужного ожерелья. Чёточная молния очень красива и продолжается несколько дольше, чем вспышка линейной молнии. Условия возникновения чёточной молнии пока еще неизвестны, так как она не всегда образуется в пределах видимости ближайшей метеорологической станции, на которой ведутся наблюдения за — атмосферным электричеством. Поэтому очень редко удается проследить за явлениями, сопутствующими чёточной молнии, в частности, определить направление и величину вектора напряженности электрического поля. В настоящее время считают, что неточная молния образуется из линейной, распадающейся на отдельные звенья.

Весьма замечательное явление представляют собой и шаровые молнии. Это очень яркие шары размером с яблоко или даже с футбольный мяч. Шаровые молнии, как и обычные, наблюдаются во время грозы, но не в свободной атмосфере, а на земной поверхности: на улицах, дорогах или в лесу. Движутся они очень медленно и часто разрушаются с громким треском. Природа шаровой молнии еще мало исследована, так как такая молния появляется очень редко, а заранее предвидеть ее возникновение невозможно. Рассказывают, например, что несколько лет тому назад шаровая молния проникла через закрытое окно в комнату. Находившиеся в ней люди были ослеплены ярким светом и не могли проследить за ее движением. В сильном электрическом поле, созданном этой молнией, волосы людей встали дыбом и они смотрели друг на друга, не в силах произнести ни звука, так как их лица оказались как бы парализованными. Но тишина была нарушена, когда молния покатилась по полу, достигла печки, втянулась в нее через открытую дверцу и разорвалась. С оглушительным шумом из печи вырвались зола и пепел, и все в комнате пришло в хаос.

Известен и такой случай, который, возможно, покажется неправдоподобным, когда молния расплавила у одной женщины серьгу в ухе, не нанеся ее владелице сколько-нибудь значительных повреждений.

О молнии можно было бы рассказать еще многое. Все мы любим наблюдать за грозой, хотя нас пугают яркие молнии и оглушительные удары грома. Мы уже знаем природу молнии, процесс ее возникновения и внешние особенности.

Уже более двухсот лет тому назад причины возникновения молнии были в основном выяснены. В. Франклином, изобретателем молниеотвода[35]. Наряду с другими проблемами Франклин с особым вниманием изучал атмосферное электричество. С помощью батареи конденсаторов, изготовленной его современником Е. Клейстом, Франклин получал электрические искры. Он был убежден, что эти искры представляют собой маленькие молнии. Франклин не успокоился на этом и предпринял знаменитый опыт с воздушным змеем. Он снабдил игрушечный воздушный змей металлическим острием, укрепил его на пеньковом шнуре и к концу шнура привязал металлический ключ. К ключу он прикрепил шелковую ленту длиной 1 м, которая должна была служить изолятором. Когда над запущенным в воздух змеем появилось черное грозовое облако, Франклин прикоснулся к ключу пальцем, чтобы посмотреть, проскочит ли искра. Но ничего не произошло. Вскоре начался дождь, и Франклин укрылся под аркой ворот. Внезапно раздался сильный треск. Оказалось, что это молния ударила в змей и прошла через пеньковый шнур в землю. Благодаря дождю шнур стал электропроводным. Воздушный змей оказался молниеотводом. Франклин многократно повторял свой опыт и, в частности, отводил молнию к конденсатору, в котором в момент удара молнии проскакивала электрическая искра, подобная искре, создаваемой с помощью электрической машины. Тем самым Франклин доказал, что по своей природе молния действительно является электрической искрой. Он установил, что нет никакой принципиальной разницы между молнией и электрической искрой.

Когда Франклин таким образом изучил сущность молнии, он создал (1752 г.) молниеотвод и стал вести пропаганду установки молниеотводов на всех постройках. Однако принцип действия молниеотвода в то время был еще для очень многих совершенно неясен. Так, например, часто молниеотвод не заземляли, а, наоборот, вводили в жилое помещение. Некоторые считали, что металл способен удерживать молнию на некотором расстоянии от себя. Понятно, что вблизи неправильно установленных молниеотводов люди не только не были защищены от разряда молнии, но, наоборот, подвергались наибольшей опасности и часто оказывались пораженными молнией. При правильном же заземлении молниеотвод надежно защищает людей и строения.