„Я не верю в астрологию. Мой знак – Стрелец, а Стрельцы по природе скептики.“ — Артур Кларк
Доброго всем времени суток! Сегодня я хочу поговорить о достаточно распространенном, но при этом очень эффектном и завораживающем природном явлении — о молниях.
Многие народы приписывали молнии божественную природу. Целый сонм верховных богов (или, как минимум, богов из высшей лиги) используют молнии чуть ли не как обязательный атрибут: и греко-римский Зевс-Юпитер, и славянский Перун, и литовский Перкунас, и скандинавский Тор, и финский Юкко и месопатамский Тешаб, и даже индийский Индра всегда имеют в своем арсенале молнии.
Но если мы вернемся к более прозаичному, материалистическому подходу, и откроем обычный школьный учебник или научно-популярную энциклопедию, то узнаем, что молния- это «природный разряд больших скоплений электрического заряда в нижних слоях атмосферы. 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 в десятки и даже сотни тысяч ампер…».
Мы также узнаем, что еще в 1752 американский государственный деятель и ученый Б.Франклин. провел опыт с бумажным змеем, к шнуру которого был прикреплен металлический ключ, и получил от ключа искры во время грозы. В течении последующих 250 лет феномен молний интенсивно изучался, написаны сотни трактатов и статей. Вроде бы все известно, логично и никакого волшебства… Или не все? Какие еще загадки и чудеса скрывает от нас «небесный огонь»?
Дмитрий Бурштын: С древнейших времен молния является объектом живейшего интереса со стороны человека. С развитием физики в 17-18 веках был достигнут большой прогресс в понимании этого явления, и к началу 19 века электрическая природа молнии не у кого не вызывала сомнений. Оставалось только понять механизм выработки электричества в грозовых облаках и параметры грозового разряда. Но получить ответы на эти вопросы оказалось не так просто. Но обо всем по порядку…
Виды молний
Как уже указано администратором, обычная молния формируется в нижних слоях атмосферы. Ее длина может варьироваться от несколких сотен метров до 300 километров, сила тока в разряде молнии на Земле достигает 10—500 тысяч ампер, напряжение — от десятков миллионов до миллиарда вольт. [ Hasbrouck, Richard. Mitigating Lightning Hazards Archived October 5, 2013, at the Wayback Machine, Science & Technology Review May 1996]
Среди обычных молний различают три типа молний:
- молнии облако-земля (CG ) – это обычные молнии, между грозовой тучей и землёй. Наиболее изучены.
- внутриоблачные молнии (IC) – молнии между положительно и отрицательно заряженными областями внутри грозовой тучи. По своим характерисикам похожи на молнии облако-земля, только не видны с земли. Их можно наблюдать в виде свечения внутри тучи.
- молнии между облаками (CC) – так же как и внутриоблачные молнии, только между двумя разными облаками.
Более того, в начале 90-х годов прошлого века с помощью наблюдений из космоса было обнаружено ещё несколько типов молний:
- Джеты (на высоте 10-50 км), появляются из вершины грозового облака, но не связаны напрямую с молнией облака-земля. Они распространяются в узких конусах, возникаюших и исчезающих на высотах 40-60 км. Могут быть зафиксированы пилотами самолётов.
- Спрайты (на высоте 50-100 км) — может появиться прямо над активной грозой как большая, но слабая вспышка. Они обычно происходят одновременно с мощными позитивными ударами молнии облако-земля (редкое явление, <10% от всех молний облако-земля, которые обычно негативные). Они могут происходить на высоте несколько десятков километров над грозовым облаком. Спрайты в основном красные и обычно длятся не более нескольких секунд, а их форма описывается как напоминающая медузу, морковь или столбики. Поскольку спрайты не очень яркие, их можно увидеть только ночью. Их редко можно увидеть человеческим глазом, поэтому их чаще всего получают с помощью высокочувствительных камер.
- Эльфы (на высоте >100 км) быстро расширяющиеся дискообразные области свечения, которые могут достигать 500 км в поперечнике. Они длятся менее одной тысячной секунды и происходят над областями где появляються молнии облако-земля. Ученые считают, что эльфы возникают, когда мощный электромагнитный импульс распространяется в ионосферу. Эльфы были обнаружены в 1992 году с помощью видеокамеры при слабом освещении на космическом шаттле.
Электрификация грозовой тучи
Детальный процесс возникновения электричества в грозовых облаках еще до конца не изучен, но, в целом, базовая концепция электрификации грозы достаточно понятна.
Внутри грозового облака сильные восходяшие потоки поднимают вверх капельки переохлаждённой воды и крошечные лёгкие кристалики льда. В то же время более тяжёлые частицы снежой крупы (это как град, только меньше) опускаются вниз под действием силы тяжести. Все эти частицы сталкиваются друг с другом, и как результат частицы снежной крупы получют отрицательный заряд (который скапливается в нижней части тучи), а капельки воды получают, соответственно, положительный заряд, накапливающийся в верхней части тучи.
Это обьясняет появление огромного электрического заряда в грозовой туче.
Как результат: в нижней части грозового облака накапливается отрицательный заряд, в верхней части облака — положительный заряд, и на земле под облаком обрзуется зеркальный положительный заряд.
Разряд молнии
Итак, у нас есть подходящие условия для образования молнии — отрицательно заряженное облако и положительно заряженная земля (положительный заряд индуцируется в области под облаком электростатическим полем отрицательных зарядов в облаке).
Но дело в том, что воздух между облаком и землёй — хороший изолятор (даже мокрый воздух). Но что бы произошёл электрический разряд необходимо что бы между отрицательными и положительными зарядами образовался проводящий электричество канал. То есть даже при подходяших условиях необходимо ионизировать столб воздуха длинной от нескольких сотен метров до нескольких сот километров. А парадокс в том, что электрическое поле, необходимое для ионизации столь большого столба воздуха должно быть по крайней мере в десять раз больше, чем то, которое создаётся зарядами в облаке и на земле.
На эту загадку ответ был найден лишь несколько лет тому назад. За ионизацию воздуха в процессе разряда молнии ответственны… космические лучи!
Космические лучи — это поток заряженных частиц (в основном протонов и (~10%) из альфа-частиц (ядер гелия)) движущихся со скоростью очень близкой к скорости света, и обладающеми огромной энергией, в миллионы раз большей чем сегодня удаётся получить на самых мощных ускорителях, таких как Большой Адронный Коллайдер. Источники этих высокоэнергетических частиц находятся в глубоком космосе, вне пределов Солнечной системы, и иногда, даже за пределами нашей галактики. В соответствии с современными моделями возможного механизма разгона частиц до сверхбольших скоростей, очень близких к скорости света, источниками космических лучей являются:
- активные ядра галактик — гиганские чёрные дыры в центрах галактик.
- вспышки сверхновых – взрывы массивных звёзд на конечном этапе их эволюции, сопровождаемый выбросом огромного количества энергии.
- квазары (квази-звёздные объекты) — очень яркие обьекты, более яркие, чем десятки галактик вместе взятых, и находяшеся обычно на огроммных растояниях от нас. По современным представлениям квазары — это активные ядра галактик на ранней стадии их образования.
Попадая в земную атмосферу космические лучи (средняя плотность ~1 частица в секунду на квадратный метр), сталкиваются с молекулами воздуха и вызывают каскад вторичных частиц (электронов, позитронов, мезонов и нейтрино) обладающих огромными скоростями, и соответственно огромными энергиями. Эти вторичные частицы достигают нижних слоёв атмосферы и даже поверхности земли, и если они проходят через грозовое облако, то вызывают «пробой на бегуших электронах». Простыми словами, космические лучи приносят ту недостающую энергию, необходимую для ионизации очень длинного столба воздуха.
[A.V. Gurevich, “Runaway Breakdown and the Mysteries of Lightning”, Physics Today 2005, p.37]
Этапы формирования молнии
Под влиянием электрического заряда накопленного в грозовом облаке и при помощи космических лучей образуется ступенчатый лидер молнии — зигзагообразная линия ионизированного воздуха ( столба плазмы проводящей электрический ток).
Обычно лидер молнии ращепляется на множество «ветвей» образуя «древовидную» структуру (кстати визуально похожую на каскад вторичных космический лучей). Типичная длина таких ветвей, называемых стримерами, 40-50 метров, и они со средней скоростью около 200 километров в секунду распростроняются сверху вниз.
Когда лидер приближается близко к поверхности земли, ему на встречу из земли (обычно высоко стоящего предмета как дерево или громоотвод здания) начинает подниматся снизу вверх положительно заряженный ответный стример (по мере приближения лидера молнии к земле электрическое поле усливается, вызывая ионизацию воздуха возле поверхности земли).
Когда ответный стример встречает с одной из ветвей ступенчатого лидера, образуется проводяший канал между отрицательно заряженным облаком и положительно заряженной землёй. В этот момент за очень короткое время (несколько миллисекунд) огромный электрический заряд распределённый в облаке по плошади в несколько квадратных километром собиратеся в верхней точке лидера и с огромной скоростью (до 100 000 километров в секунду) стекает в землю. При этом температура канала молнии во время главного разряда может доходить до 30,000° C.
Главный разряд разряжает нередко только часть облака. Заряды, расположенные на больших высотах, могут дать начало новому (стреловидному) лидеру, движущемуся непрерывно со скоростью в тысячи километров в секунду. Яркость его свечения близка к яркости ступенчатого лидера. Когда стреловидный лидер доходит до поверхности земли, следует второй главный удар, подобный первому. Обычно молния включает несколько повторных разрядов, но их число может доходить и до нескольких десятков.
Итак, резюмируем
Поразительно, что это грозное и загадочное атмосферное явление на маленькой планете где-то в Млечном пути напрямую связано с не менее загадочными процессами, происходяшими в далёких галактиках и глубоком космосе. Связь природных явлений на Земле с небесными телами давно известна, например гравитация Луны, вызывающая приливы и отливы, или вспышки на Солнце и вызываемые ими магнитные бури. Но всё это тут рядом, в каких то 300,000 км от Земли, ну максимум — в пределах солнечной системы. А космические лучи, вызывающие молнии, приходят к нам из далёких галактик находяшихся на расстоянии миллионов световых лет от нас!
То есть фантастические идеи о Космосе как о большом едином организме, столь любимые древними и современными астрологами и вызывающие улыбки у некоторых ученых, не так уж и беспочвенны. Более того, для тех, кто так или иначе пострадал от удара молнии (а число таких несчастных- до 24,000 (!!!) в год [Holle, R. L. (2016) The number of documented global lightning fatalities. Preprints, 24th Int. Lightning Detection Conf. and Sixth Int. Lightning Meteorology Conf., San Diego, CA, Vaisala, 1–4], основной постулат астрологии о влиянии далеких звезд на судьбу конкретного человека оказывается научно корректным в буквальном смысле этого слова.