Грозовые разряды сопровождают многие атмосферные явления и процессы: градо- и торнадосодержащие облака, мезомасштабные конвективные комплексы, циклоны умеренных и тропических широт. Молния определяется как нестационарный сильноточный электрический разряд, длина пути которого обычно исчисляется километрами. Разряд молнии переносит в среднем заряд от 140 до 250 Кл. Полная длительность разряда молнии порядка 0,2 с, а предельный ток может достигать 200 — 300 кА. Молния может быть определена как мощный кратковременный электрический разряд, длина которого обычно измеряется километрами. По имеющимся на сегодняшний момент общепринятым представлениям, молния возникает, когда в какой-нибудь области атмосферы накапливается настолько большой электрический заряд, что наступает пробой воздуха. Наиболее обычным генератором молний являются грозовые облака (мощные кучево-дождевые облака). Однако молния может происходить и в снежных и песчаных бурях, а также в облаках над извергающимися вулканами. Известно также, что молния может происходит и в прозрачном воздухе. Молния может происходить внутри облака (внутри-облачный разряд), между двумя облаками (разряды облако — облако), между облаком и землей (разряд на землю) или между облаком и окружающим воздухом (разряды в атмосфере), а также молнии из вершин облаков в ионосферу [1,2]. Необходимыми условиями для возникновения грозового облака является наличие условий для развития конвекции или иного механизма, создающего восходящие потоки, запаса влаги, достаточного для образования осадков, и наличия структуры, в которой часть облачных частиц находится в жидком состоянии, а часть — в ледяном. Конвекция, приводящая к развитию гроз, возникает в следующих случаях:
— при неравномерном нагревании приземного слоя воздуха над различной подстилающей поверхностью. Например, над водной поверхностью и сушей из-за различий в температуре воды и почвы. Над крупными городами интенсивность конвекции значительно выше, чем в окрестностях города. — при подъёме или вытеснении тёплого воздуха холодным на атмосферных фронтах. Атмосферная конвекция на атмосферных фронтах значительно интенсивнее и чаще, чем при внутримассовой конвекции. Часто фронтальная конвекция развивается одновременно со слоисто-дождевыми облаками и обложными осадками, что маскирует образующиеся кучево-дождевые облака. при подъёме воздуха в районах горных массивов. Даже небольшие возвышенности на местности приводят к усилению образования облаков (за счёт вынужденной конвекции). Высокие горы создают особенно сложные условия для развития конвекции и почти всегда увеличивают ее повторяемость и интенсивность. Мощность грозовых облаков может быть небольшой, что характерно для субтропиков, и достигать больших размеров в гигантских грозовых облаках, которые могут простираться в высоту более чем на 20 км. Высота типичного грозового облака лежит в интервале от 8 до 12 км, хотя, строго говоря, высоты могут определяться только применительно к данной географической местности. Гроза начинается с возникновения кучевого облака хорошей погоды (рис. 2.). При благоприятных условиях возникшие кучевые облака быстро растут как в вертикальном, так и в горизонтальном направлении, при этом восходящие потоки находятся почти по всему объёму облака и увеличиваются от 5 м/с до 15-20 м/с. Нисходящие потоки очень слабы. Окружающий воздух активно проникает внутрь облака за счёт смешения на границе и вершине облака. Облако переходит в стадию кучево-дождевые. Образующиеся в результате конденсации мельчайшие водяные капли в таком облаке сливаются в более крупные, которые уносятся мощными восходящими потоками вверх.
Облако ещё однородное, состоит из капель воды, удерживаемых восходящим потоком — осадки не выпадают. В верхней части облака при попадании частиц воды в зону отрицательных температур капли постепенно начинают превращаться в кристаллы льда. Облако переходит в стадию мощно-кучевого облака. Смешанный состав облака приводит к укрупнению облачных элементов и созданию условий для выпадения осадков. Такое облако называют кучево-дождевым. Вертикальные потоки в нем достигают 25 м/с, а уровень вершины достигает высоты 7-8 км. Испаряющиеся частицы осадков охлаждают окружающий воздух, что приводит к дальнейшему усилению нисходящих потоков. На стадии зрелости в облаке одновременно присутствуют и восходящие, и нисходящие воздушные потоки. На стадии распада в облаке преобладают нисходящие потоки, которые постепенно охватывают все облако. В типичном грозовом облаке беспорядочно дующий ветер, вода и лед находятся в гравитационном поле и в поле температурного градиента. Из-за взаимодействия этих элементов по еще не понятым полностью причинам возникают заряженные области грозового облака. Обычно верхняя часть облака заряжена преимущественно положительно, а нижняя часть — отрицательно. Таким образом, грозовое облако по структуре основного заряда представляет собой электрический диполь. Заряженные области диполя имеют диаметр порядка километров. Кроме основных зарядов, могут быть небольшие области положительного заряда в основании грозового облака. На рисунке 3. приведена схема вероятного распределения заряда для типичного облака. Информация, необходимая для построения этой картины распределения зарядов в облаке, была получена из измерений напряженности электрического поля вблизи грозовых облаков. Измеренные поля являются результатом как облачных зарядов, так и наведенных зарядов на земле или же облачных зарядов и их изображений ниже поверхности проводящей земли [4].
Как было отмечено выше, молния может происходить внутри облака (внутриоблачный разряд), между двумя облаками (разряды облако — облако), между облаком и землей (разряд на землю) или между облаком и окружающим воздухом (разряды в атмосфере). Наиболее часто встречающаяся форма молнии представляет собой внутриоблачный разряд, однако большая часть литературы о молнии посвящена разрядам на землю. Молния облако — земля иногда называется линейной, или зигзагообразной, молнией. Разряд молнии облако — земля представляет собой один или более следующих один за другим частичных разрядов. Будем называть вспышкой общий разряд (продолжительность светимости порядка 0,2 с) и импульсом каждый компонент разряда (продолжительность светимости измеряется десятками миллисекунд) [1]. Обычно имеется три-четыре импульса на вспышку, причем импульсы разделены интервалами около 40 мс. Иногда при наблюдении молнии можно заметить мерцание. Это значит, что глаз различает отдельные импульсы вспышки. Разряды молний на землю обычно переносят отрицательный заряд в десятки кулон из N — области облака. (рис. 3). Каждый импульс молнии начинается со слабосветящегося предразряда, лидерного процесса, который направлен от облака к земле и за которым немедленно следует очень яркий возвратный удар [1]. Возвратный удар распространяется от земли к облаку. Предразряд облако — земля, предшествующий первому возвратному удару во вспышке, называется ступенчатым лидером. Многие исследователи полагают, что ступенчатый лидер начинается с локализованного электрического пробоя между областями N и р грозового облака (рис. 3). Этот пробой вызывает перемещение электрических зарядов, которые ранее были связаны с частицами льда или воды. Результирующая высокая концентрация отрицательного заряда в основании облака может создавать электрические поля, которые в свою очередь приводят к возникновению отрицательно заряженной колонны, распространяющейся по направлению к земле. Эта колонна называется ступенчатым лидером. Характерная длина которых составляет 50 м, а интервал времени между ступенями — около 50 мкс. Каждая ступень лидера становится яркой и видимой за время, меньшее 1 мкс. Характерная средняя скорость ступенчатого лидера во время прохождения к земле составляет 1,5-105 м/с. Следовательно, для прохождения расстояния в 3 км необходимо около 20 мс. Типичный ступенчатый лидер, когда он подходит к земле, содержит отрицательный заряд около 5 Кл. Средний ток в ступенчатом лидере, способный перенести такое количество электричества за десятки миллисекунд, должен иметь порядок 100 А. Диаметры светящихся ступенчатых лидеров, измеренные фотографическим способом, заключены в интервале от 1 до 10 м. Когда заряженная до высокого отрицательного потенциала колонна благодаря ступенчатому лидеру приближается к земле, результирующее электрическое поле у земли имеет достаточно большую напряженность, чтобы вызвать движущиеся от земли к вершине лидера разряды. Если один из этих разрядов придет в контакт с лидером, нижняя часть последнего будет эффективно связана с потенциалом земли, в то время как его остальная часть будет иметь отрицательный потенциал и отрицательный заряд. Токи, измеренные у земли, лежат в интервале от 10 до 20 кА в течение нескольких микросекунд и падают до половины пикового значения за 20 — 60 мкс. Токи порядка сотен ампер могут длиться в течение нескольких миллисекунд. После прекращения тока в импульсе вспышка может завершиться. С другой стороны, если существует возможность подвода дополнительных зарядов к вершине канала, во вспышке возможны дополнительные импульсы. (Вспышка в таком случае называется многоимпульсной.) Вообще последующий импульс отводит заряд из все более высоких участков N-области облака. Если подводится дополнительный заряд к бездействующему каналу возвратного удара за время, меньшее примерно 100 мс, то непрерывный, или стреловидный, лидер проходит этот канал возвратного удара, увеличивая степень ионизации в нем, распределяя заряд вдоль канала и приближая потенциал земли к потенциалу облака. Стреловидный лидер, таким образом, предваряет стадию второго (или любого последующего) возвратного удара. По-видимому, стреловидный лидер представляет собой светящуюся часть канала длиной около 50 м, которая движется равномерно к земле со скоростью около 2-106 м/с, что на порядок превышает среднюю скорость ступенчатого лидера. Первый возвратный удар во вспышке обычно сильно ветвится по направлению к земле, так же как и предшествующий ему ступенчатый лидер. Последующие возвратные удары, распространяющиеся вслед за стреловидными лидерами, ветвятся слабо. Первые возвратные удары имеют меньшие скорости распространения, меньшие скорости нарастания тока на землю, большие времена пикового тока и обычно переносят больший заряд, чем последующие возвратные удары. Наблюдалось, что последовательность лидер — возвратный удар может происходить в одной вспышке до 26 раз. Обычный ступенчатый лидер способствует стеканию отрицательного заряда из облака к земле. Изредка наблюдались ступенчатые лидеры, по которым стекал к земле положительный заряд. В период таких «положительных» импульсов токи измерялись непосредственно во время разрядов на оснащенные измерительными приборами вышки. Для положительных импульсов характерны относительно медленное нарастание тока (примерно в пять раз медленнее, чем для отрицательных импульсов) и относительно большой перенос заряда (примерно в три раза больше, чем для отрицательного импульса), причем максимальная измеренная величина составляла около 300 Кл. Положительные разряды редко содержат более одного импульса [1]. В таблице 1. Представлены данные для обычных разрядов молний облако-земля, несущих отрицательный заряд к земле.
Таблица 1. Данные для разрядов молнии облако-земля [1].
|
Минимальные |
Характерные |
Максимальные |
|
|
Ступенчатый лидер Длина ступени, м Интервал времени между ступенями, мкс Средняя скорость распространения, м/c Заряд, переносимый по каналу, Кл Стреловидный лидер Скорость распространения, м/с Заряд, переносимый по каналу, Кл Возвратный удар Скорость распространения, м/с Скорость нарастания тока, кА/мкс Время пикового тока, мкс Пиковый ток, кА Заряд, переносимый по каналу, Кл Длина канала, км Вспышка молнии Число импульсов на вспышку |
3 30 1,0*105 3 1,0*106 0,2 2,0*107 <1 <1 0,2 2 1 |
50 50 1,5*105 5 2,0*106 1 5,0*107 10 2 10-20 2,5 5 3-4 |
200 125 2,6*105 20 2,1*106 6 1,4*108 >80 30 110 20 14 26 |
[1] М. Юман. Молния. М.: Мир, 1972, 327 с. [2] V. A. RAKOV, M. A. UMAN. Lightning: physics and effects. Cambridge University Press, 2003, 679 p. [3] M a 1 a n D. J., Physics of Lightning, The English Univ. PressLtd., London, 1963. [4] В. И. Ермаков, Ю. И. Стожков. Физика грозовых облаков, ФИАН, М.: 2004