Если ж молния вспыхнет, как пламя над горном,
Раскрываются чащи в изломах неверных,
Точно древние своды во храмах пещерных,
В подземелье Перуна, высоком и чёрном.
И. А. Бунин

Эволюция представлений о природе молнии и грома

     Вполне понятно, что молния и гром первоначально воспринимались людьми как проявление божьего гнева. У разных народов главными почитались боги-громовержцы – Зевс у древних греков, Юпитер у римлян, Индра у индусов, Тор у скандинавов, Перун у славян. Вместе с тем пытливый человеческий ум с давних времён пытался постичь природу молнии и грома, понять их естественные причины.

     Так, Аристотель полагал, что при грозе облака соударяются, производя гром, и при этом из них вытесняется некая «материя ветра» (Аристотель называл её «пневмой»), которая вспыхивает огнём. «Молния возникает после удара и позже грома, но кажется, что раньше, потому что наше зрение опережает слух». Так писал Аристотель во второй книге своей знаменитой «Метеорологики».

     Многие столетия, включая средние века, считалось, что молния – это «огненный пар», зажатый в водяных парах туч. Расширяясь, он как бы прорывает их в наиболее слабом месте и быстро устремляется к земле. Об этом упоминается, например, в «Божественной комедии» Данте:

     И как огонь, из тучи упадая,
     Стремится вниз…

     Вот перед нами старинный учебник физики. Издан в 1760 году в Санкт-Петербурге и имеет длинное название: «Вольфианская теоретическая физика с немецкого подлинника, сокращённая, переведена на российский язык Императорской Академии наук переводчиком Борисом Волковым». На странице 110 учебника читаем: «Что молния есть действительно огонь, оное явствует из того, что она по прикосновении своём к телам оные зажигает. А что огонь сей состоит из серных загоревшихся частиц, оное из серного запаха, который исходит от тел, молнией поражённых, ясно познаётся». Итак, молния есть огонь, который «состоит из серных загоревшихся частиц». Заметим, что такое утверждение переведено на русский язык в 1760 году, т.е. восемь лет спустя после того, как была установлена электрическая природа молнии. Думается, что переводчик Императорской Академии Наук должен был бы знать об этом.

     В 1752 году американский учёный и государственный деятель Бенджамин Франклин экспериментально доказал, что молния – это сильный электрический разряд. Он выполнил знаменитый опыт с воздушным змеем, который был запущен в воздух при приближении грозы. На крестовине змея была укреплена заострённая проволока, к концу бечёвки привязаны ключ и шёлковая лента. «Как только грозовая туча окажется над змеем, – писал Франклин в письме к другу, – заострённая проволока станет извлекать из неё электрический огонь, и змей вместе с бечевой наэлектризуется... А когда дождь смочит змея и бечеву, сделав их способными проводить электрический огонь, вы увидите, как он обильно стекает с ключа при приближении вашего пальца». Встречающееся здесь словосочетание «электрический огонь» мы сегодня переводим как «электрический заряд».

     Опыт Франклина с некоторыми изменениями был вскоре повторён рядом учёных. Одновременно с Франклином исследовали молнию и установили её электрическую природу российские учёные Михаил Ломоносов и Георгий Рихман. С середины XVIII века стало понятно, что молния представляет собой мощный электрический разряд, возникающий при достаточно сильной электризации облаков.

     Заметим, что исходя из электрической природы молнии, Франклин создал громоотвод, который правильнее было бы называть «молниеотводом». Это был длинный металлический стержень, который устанавливался вертикально и одним концом уходил в землю. Он предохранял постройки от поражения молнией.

Портрет линейной молнии

     Грозы всегда сопровождаются молниями. Как правило, это – так называемые линейные молнии. Изредка наблюдаются молнии ещё двух типов – шаровые и чёточные (их называют также жемчужными). Шаровая молния имеет вид светящегося шара, а чёточная (жемчужная) – вид цепочки светящихся шаров, разделённых тёмными промежутками длиной около 10 м и напоминающих либо чётки, либо жемчуг, нанизанный на нить. Мы ограничимся рассмотрением линейных молний.

     Линейная молния представляет собой гигантский (длиной до нескольких километров) искровой разряд. На рис. 1 показан искровой разряд, возникающий между двумя шарообразными электродами, находящимися на расстоянии примерно метра друг от друга. Для возникновения разряда нужно, чтобы напряжённость электрического поля между электродами равнялась при нормальном атмосферном давлении воздушного промежутка не менее 3⋅10⁶ В/м.

     Различают три вида линейных молний. Молнии, «прорастающие» (развивающиеся) от грозового облака к земле, называют нисходящими молниями (рис. 2). Они ветвятся в направлении сверху вниз. Именно в этом направлении развивается нисходящая молния; она стартует в основании грозового облака. Молнии, «прорастающие» от земной поверхности к облаку, называют восходящими молниями (рис. 3). Они ветвятся в направлении снизу вверх, стартуя с какого-либо высокого наземного объекта. Третий вид линейных молний – это молнии внутриоблачные и межоблачные; они развиваются от одной части облака к другой или от одного облака к другому (рис. 4).

Рис. 2	Рис. 3	Рис. 4

     Чаще всего наблюдаются внутриоблачные и межоблачные молнии; на них приходится 60% всех линейных молний. Количество молний облако-земля составляет 40%; из них 90% – нисходящие молнии и только 10% – восходящие. А вообще в земной атмосфере каждую секунду сверкают в сред¬нем около ста линейных молний.

     Наиболее изучены линейные нисходящие молнии. В дальнейшем мы бо¬лее подробно познакомимся с физикой процессов, происходящих именно в этих молниях.

     Отметим некоторые параметры линейной молнии. Длина варьируется от нескольких сотен метров до нескольких километров. Разряд молнии длится около 0,2 с. Средняя сила тока в разряде примерно 10³ A, а общий заряд, переносимый молнией, достигает 1000 Кл (в среднем 200 Кл).

     Видимый канал молнии имеет диаметр в несколько дециметров. Наблюдая разряд молнии, мы не замечаем, что он состоит из нескольких последовательных импульсов (их называют компонентами молнии). Длительность каждого импульса (компонента) порядка 10^-4 c; промежутки между импульсами около 0,05 с.

Электризация грозового облака

     При охлаждении влажного воздуха, поднимающегося от нагретой поверхности, образуется в атмосфере пересыщенный водяной пар. Он конденсируется на имеющихся в воздухе аэрозольных частицах, играющих роль ядер конденсации. В результате формируется кучево-дождевое (грозовое) облако, состоящее из водяных капель и ледяных кристалликов.

     В процессе формирования грозового облака происходит его электризация – верхняя часть облака заряжается положительно, а нижняя – отрицательно. Чтобы объяснить это, учтём, что конденсация водяного пара совершается более интенсивно на отрицательно заряженных ядрах конденсации и менее интенсивно – на положительно заряженных. Поэтому отрицательно заряженные капельки воды в облаке оказываются более тяжёлыми по сравнению с положительно заряженными. Их движение вверх в восходящем воздушном потоке, достаточно мощном на стадии созревания тучи, заметно замедляется, тогда как относительно лёгкие положительно заряженные водяные капли продолжают подниматься в восходящем потоке, превращаясь в ледяные кристаллики. В результате верхняя часть созревшей тучи оказывается состоящей из положительно заряженных ледяных кристалликов, а нижняя – из отрицательно заряженных водяных капель.

     Отрицательные заряды основания грозового облака (тучи) наводят положительные заряды на участке земной поверхности непосредственно под облаком. Возникает своеобразный конденсатор, образованный основанием тучи и подстилающим участком земной поверхности. Когда напряжённость электрического поля этого «конденсатора» достигнет примерно 3⋅10⁵ В/м, происходит его пробой – сверкает нисходящая линейная молния (рис. 5а).

     Одновременно с возникновением нисходящих молний начинается выпадение осадков из созревшей тучи, и восходящий воздушный поток постепенно прекращается, уступая место нисходящему холодному воздушному по&току. Тот довольно быстро разрушает тучу; она начинает таять буквально на глазах. В процессе разрушения тучи положительно заряженные ледяные кристаллики опускаются вниз, превращаются в водяные капли и заполняют весь объём тучи. Положительно заряженная туча наводит на подстилающем участке земной поверхности отрицательные заряды, благодаря чему на излёте грозы могут возникать восходящие линейные молнии (рис. 5б).

Физика процессов в нисходящей молнии

     Линейная нисходящая молния – это несколько следующих друг за другом искровых разрядов между тучей и землёй, называемых импульсами или, иначе, компонентами молнии. Принципиально важную роль играет первый импульс (компонент), поскольку он совершается в невозмущённом воздухе, который не был предварительно ионизован и нагрет.

     С процессов, происходящих в этом импульсе, мы и начнём рассмотрение физики нисходящей молнии. В развитии импульса есть две стадии – лидерная и главная. На лидерной стадии формируется в направлении от тучи к земле плазменный канал разряда. На главной стадии по образовавшемуся каналу быстро проходит в обратном направлении (от земли к туче) импульс основного тока. Его называют возвратным ударом.

     Лидерная стадия начинается с образования у основания тучи плазменных «нитей» – так называемых стримеров. Свободные электроны, находящиеся в основании тучи, приобретают под действием электрического поля напряжённостью около 3⋅10⁵ В/м огромное ускорение. Это ускорение направлено вниз, так как нижняя часть тучи заряжена отрицательно, а поверхность земли под тучей – положительно. Сталкиваясь с молекулами воздуха, электроны ионизируют их. При этом рождаются новые (вторичные) электроны, которые, в свою очередь, ускоряются в поле тучи и затем в столкновениях ионизируют новые молекулы. Возникают лавины быстрых электронов, образующие нити плазмы (стримеры). Объединяясь, стримеры дают начало плазменному каналу (рис. 6а). Этот канал наполнен свободными электронами и ионами и поэтому может хорошо проводить электрический ток. Его называют лидером или, точнее, ступенчатым лидером.

     Дело в том, что канал формируется скачками («ступенями»). Головка лидера выскакивает из тучи и движется со скоростью порядка 10⁷ м/с. Пройдя расстояние порядка 100 м, она внезапно останавливается. Остановка длится около 5⋅10^-5 с. Лидер как бы «набирается сил», а затем следует бросок ещё примерно на 100 м, причём совсем не обязательно в направлении предыдущего броска, – и снова краткая остановка. Так от¬дельными бросками (ступенями) головка лидера постепенно приближается к земной поверхности, оставляя позади себя плазменный канал в виде причудливой ломаной линии (рис. 6б). Заметим, что светится лидер относительно слабо, он почти не виден; при высокоскоростной фотосъёмке его головка выглядит светлым пятнышком, рывками приближающимся к земле.

     Обратим внимание на то, что напряжённость поля в области пространства непосредственно перед головкой лидера существенно больше, чем в туче. Стримеры формируются в основании тучи при напряжённости поля около 3⋅10⁵ В/м, а поле перед головкой лидера имеет напряжённость до 10⁷ В/м. Увеличение напряжённости поясняет рис. 7, где штриховыми линиями показаны сечения эквипотенциальных поверхностей, а непрерывными – линии напряжённости поля. Аналогом лидера может служить металлическая игла, соединённая проволокой с источником напряжения.Поле вблизи острия иглы будет сильным даже при относительно невысоком напряжении.

     В сильном электрическом поле вблизи головки лидера происходит интенсивная ионизация молекул, превращающая электронейтральный воздух в хорошо проводящую плазму. Ионизация происходит за счёт, во-первых, бомбардировки молекул быстрыми электронами, вылетающими из лидера (ударная ионизация), и, во-вторых, за счёт поглощения молекулами фотонов ультрафиолетового излучения, испускаемого лидером (фотоионизация). Лидер перемещает в пространстве своё сильное поле, и вследствие интенсивной ионизации встречающихся в этом поле молекул плазменный канал становится всё более длинным.

     Вот, наконец, лидер достиг земли (рис. 6в). С учётом остановок по пути ему понадобилось на это время порядка 10^-3 с при расстоянии 1 км между тучей и земной поверхностью. Канал ионизованного воздуха как бы замкнул тучу с землёй накоротко. На этом лидерная стадия первого импульса молнии заканчивается.

     Впрочем, тут необходимо некоторое уточнение. Строго говоря, нисходящий лидер не доходит до земли. Под действием поля вблизи головки лидера из выступающих на поверхности земли объектов (например, мачты, дерева, здания) выбрасывается ответный (встречный) лидер и перехватывает нисходящий лидер. Эта особенность нисходящей молнии как раз и используется для создания молниеотвода.

     Главная стадия импульса начинается с момента встречи нисходящего и ответного лидеров. Она протекает быстро и мощно. По проложенному лидером пути устремляется основной ток (рис. 6г). Импульс тока длится менее 10^-4 с. Сила тока достигает 10⁵ А. Выделяется значительное количество энергии (до 10⁹ Дж). Температура в канале молнии достигает 3⋅10⁴ К. Вот теперь как раз и рождается тот необычайно яркий свет, который мы наблюдаем при разряде молнии, и возникает гром вследствие резкого расширения внезапно нагретого газа.

     Отметим, что и свечение, и разогрев плазменного канала развиваются в случае нисходящей молнии в обратном направлении – от земли к туче. Поясним это, разбив условно весь канал на части. Как только канал образовался, вниз (на землю) соскакивают прежде всего те электроны, которые находились в самой нижней части канала, поэтому нижняя часть канала первой начинает светиться и разогреваться. Затем к земле устремляются электроны из следующей (более высокой) части канала. И так постепенно – от низа до верха – в движение к земле включаются всё новые и новые электроны. В результате свечение и разогрев канала распространяются в направлении снизу вверх.

     Получается, что нисходящая молния бьёт, по сути дела, не из тучи в землю, как это обычно полагают, а наоборот, из земли в тучу. Зевсы, юпитеры, перуны и прочие громовержцы метали свои молнии от себя – их молнии били сверху, из тучи. Действительность оказалась иной (для большинства линейных молний, возникающих между землёй и облаком), и уже поэтому молнии утрачивают даже подобие «божественного происхождения».

     Но вернёмся к физике нисходящей молнии. После того, как прошёл импульс основного тока, наступает пауза длительностью около 0,05 с. За это время канал практически гаснет, его температура падает до 10³ К, степень ионизации канала существенно уменьшается.

     Однако в туче ещё сохранился большой заряд, поэтому новый лидер устремляется из неё к земле, готовя дорогу для следующего импульса тока. Новый лидер следует по пути, проторённому начальным лидером, –ведь на этом пути сохранилось ещё много ионов. Он без остановки и без ветвления пробегает весь путь сверху донизу. Теперь его называют не ступенчатым (ступеней больше нет), а стреловидным лидером. И снова следует мощный импульс основного тока, распространяющийся по восстановленному каналу снизу вверх.

     Такова в общих чертах физика нисходящей молнии. Впрочем, картина оказывается сложнее. Не всегда стреловидный лидер следует точно по пути, проложенному предыдущим лидером. В какой-то точке он может изменить маршрут. И тогда мы наблюдаем молнию в виде нескольких ломаных линий.

Роль космических лучей в образовании молний

     Обратим внимание на то, что развитие стримеров и начало роста ступенчатого лидера происходит при напряжённости поля в основании тучи, равной примерно 3⋅10⁵ В/м. Однако, как мы уже отмечали, в лабораторных условиях для появления искрового разряда необходима напряжённость поля в воздушном промежутке между электродами, равная 3⋅10⁶ В/м. Почему искровой разряд в природных условиях (молния) возникает при напряжённости поля, которая на порядок меньше? Кстати сказать, поле с напряжённостью 3⋅10⁶ В/м в свободной атмосфере вообще не наблюдалось.

     Ответ на поставленный вопрос получен совсем недавно – в самом начале нынешнего десятилетия (Ермаков В. И., Стожков Ю.И. «Роль космических лучей в образовании молний» // Краткие сообщения по физике, ФИАН, 2003, №9). Оказалось, что решающую роль в образовании линейных молний играют высокоэнергичные (с энергией порядка и более 10¹² эВ) заряженные частицы космических лучей. Земная атмосфера непрерывно облучается космическими лучам. По достижении в грозовом облаке полей напряжённостью 3⋅10⁵ В/м именно космические лучи осуществляют ионизацию воздуха, достаточную для того, чтобы появились лавины электронов в виде стримеров, порождающие ступенчатый лидер.

Гром

     Как уже было сказано, гром возникает вследствие резкого расширения воздуха при быстром повышении температуры в канале разряда молнии. Вспышку молнии мы видим практически как мгновенную вспышку и в тот же момент, когда происходит разряд, – ведь свет распространяется со скоростью 3⋅10⁸ м/с. А звук распространяется значительно медленнее. В воздухе его скорость равна 330 м/с. Поэтому мы слышим гром уже после того, как сверкнула молния. Чем дальше от нас молния, тем длиннее пауза между вспышкой света и громом и, кроме того, тем слабее гром. Измеряя длительность таких пауз, можно приближённо оценить, как далеко от нас в данном случае гроза, насколько быстро она приближается к нам или, напротив, удаляется от нас. Гром от очень далёких молний вообще не доходит – звуковая энергия рассеивается в воздухе. Такие молнии называют зарницами.

     Почему мы слышим гром в течение нескольких секунд, тогда как разряд молнии с учётом последовательных импульсов длится всего лишь 0,2 с? Причин тому две. Во-первых, молния имеет большую длину (она измеряется километрами); звук от разных её участков доходит до нас в разные моменты времени. Во-вторых, происходит отражение звука от облаков – возникает эхо. Эти две причины и приводят к тому, что вслед за короткой вспышкой молнии слышатся более или менее долгие раскаты грома. Заметим, что отражением звука от облаков объясняется наблюдаемое нередко усиление громкости звука в конце громовых раскатов.