МОЛНИЯ

Содержание статьи

• Теория.
• Разряд.
• Многократные молнии.
• Канал.

МОЛНИЯ, природный разряд больших скоплений электрического заряда в нижних слоях атмосферы. Одним из первых это установил американский государственный деятель и ученый Б.Франклин. В 1752 он провел опыт с бумажным змеем, к шнуру которого был прикреплен металлический ключ, и получил от ключа искры во время грозы. С тех пор молния интенсивно изучалась как интересное явление природы, а также из-за серьезных повреждений линий электропередачи, домов и других строений, вызываемых прямым ударом молнии или наведенным ею напряжением. Результаты таких исследований кратко излагаются ниже.

Теория.

Разряды молний могут происходить между соседними наэлектризованными облаками или между наэлектризованным облаком и землей. Разряду предшествует возникновение значительной разности электрических потенциалов между соседними облаками или между облаком и землей вследствие разделения и накопления атмосферного электричества в результате таких природных процессов, как дождь, снегопад и т.д. Возникшая таким образом разность потенциалов может достигать миллиарда вольт, а последующий разряд накопленной электрической энергии через атмосферу может создавать кратковременные токи от 3 до 200 кА. Для объяснения электризации грозовых облаков был разработан ряд теорий. В 1929 Дж.Симпсон предложил теорию, которая объясняет электризацию дроблением дождевых капель потоками воздуха. В результате дробления падающие более крупные капли заряжаются положительно, а остающиеся в верхней части облака более мелкие – отрицательно. В основе индукционной теории, предложенной в 1885, лежит предположение о том, что электрические заряды разделяются электрическим полем Земли, имеющей отрицательный заряд. В теории свободной ионизации Ч.Вильсона предполагается, что электризация возникает как результат избирательного накопления ионов находящимися в атмосфере капельками разных размеров. Возможно, что электризация грозовых облаков осуществляется совместным действием всех этих механизмов, а основным из них является падение достаточно крупных частиц, электризуемых трением об атмосферный воздух.

Разряд.

На открытой местности разряды положительной и отрицательной полярности наблюдаются одинаково часто, но около 95% ударов в линии электропередачи и антенны исходят из отрицательно заряженных облаков. Разряд молнии характеризуется чрезвычайно быстрым нарастанием тока до пикового значения, как правило, достигаемого за время от 1 до 80 мкс (миллионных долей секунды), и последующим падением тока обычно за 3–200 мкс после пикового значения.

Многократные молнии.

Многократные молнии – обычное явление, они могут насчитывать до 40 разрядов с интервалами от 500 мкс до 0,5 с, а полная продолжительность многократного разряда может достигать 1 с. С помощью фоторегистратора с временной разверткой было детально изучено развитие разряда молнии от облака до земли. Разряд развивается лавинообразно, сначала в виде ионизованного канала, получившего название лидера молнии, который ступенчато продвигается от облака к земле. Скорость ступенчатого движения лидера к земле равна приблизительно 45·10⁶ м/с, причем интервал между ступенями составляет около 100 мкс. Длина каждой ступени лидера – около 45 м, так что полное время движения до земли может достигать 0,02 с. Затем по этому ионизованному каналу от земли к облаку движется основной разряд со скоростью от 2·10⁷ м/с до 15·10⁷ м/с. Он обычно глубоко проникает внутрь облака, образуя множество разветвленных каналов. Свечение этого яркого разряда, обусловленное рекомбинацией ионизованных атомов, может продолжаться более секунды.

Канал.

Канал молнии определяется электрическим полем на конце движущегося лидера и локальной ионизацией. Вблизи земли его движение определяется земными стримерами или коронным разрядом, возникающим над заостренными проводящими предметами, выступающими над поверхностью земли. Молния с большой вероятностью повторно ударяет в ту же самую точку, если только объект не разрушен предыдущим ударом. Диаметр ядра светящегося разряда – от 1 до 2 см, а наэлектризованная зона вокруг ядра составляет, по-видимому, несколько метров в диаметре. Разветвленность разряда молнии между облаками обусловлена ступенчатым характером движения лидера, направление каждого шага которого определяется локальными условиями ионизации и потому носит в значительной мере случайный характер.