Формирование  гроз

Электрический пробой воздуха

Воздух, как и любое другое вещество, содержит электрические заряды. Они могут быть взаимно скомпенсированными и при этом образовывать большие электрически нейтральные объемы, ничем себя внешне не проявляя. Однако они существуют.

Иногда напряженность электрического поля в какой-то области пространства достигает некоторого критического значения. Это значение не постоянно, зависит от многих факторов (в том числе и от состава воздуха) и варьируется в пределах 10⁵ - 10⁶ В/м. С этого момента в данной области начинают происходить весьма интересные процессы.

В воздухе  всегда присутствуют в небольшом  количестве свободные электроны. Под  действием электрического поля они начинают разгоняться, приобретают значительные скорости и, сталкиваясь с атомами воздуха, ионизируют их, оттуда новые электроны. Те, в свою очередь, также становятся свободными, разгоняются и выбивают электроны из других атомов. Процесс становится лавинообразным. Область пространства, охваченная этим процессом, увеличивается в длину с огромной скоростью (порядка 100 км/с) и за доли секунды достигает того места, в которое собирается ударить будущая молния. В большинстве случаев, это - земля, но часто бывает другое облако или даже другая часть одного и того же облака. 
В результате в воздухе образуется проводящий канал, который называется лидер. 
Как и любой проводник, заряженный воздух, из которого состоит лидер, при прохождении электрического тока разогревается. Сила тока весьма почтенная (порядка 10⁴ - 10⁵ Ампер). Поэтому нагрев происходит тоже существенный (порядка 10³ - 10⁴ K). Проводящий канал, нагреваясь, начинает ярко светиться. Таким образом, очевидец наблюдает молнию. 
Молния обычно имеет форму разветвленной ломаной или кривой линии. Это является следствием того, что лидер распространяется не по прямой и не сразу. Лавинообразный процесс ионизации периодически затухает и возобновляется вновь. При этом направление распространения лидера изменяется, часто происходит ветвление. В дальнейшем всю эту траекторию с большой точностью повторяет молния. Все эти процессы занимают доли секунды.

Нагрев  при вспышке происходит очень  быстро. А нагретый воздух, по законам  физики, имеет свойство расширяться. Необычайно быстрое расширение воздуха представляет собой взрыв, что сопровождается звуковыми эффектами. Эти звуки хорошо известны каждому и в быту получили название гром. При охлаждении воздуха по окончании разряда наблюдается столь же быстрое и громкое сжатие. Звук, распространяясь в окружающем пространстве, многократно отражается от земли, облаков, местных предметов и др. Поэтому наблюдатель обычно слышит раскаты грома, представляющие собой многократное, пришедшее с разных сторон эхо.

После разряда происходит полная или частичная  нейтрализация электрических зарядов  в облаке и его окрестностях (в том числе, на земле). Напряженность электрического поля скачкообразно уменьшается на 1 - 4 порядка. Обычно генерация зарядов и усиление электрического поля возобновляются, и через некоторое время молниевый разряд повторяется вновь. Количество и частота разрядов зависят от конкретной ситуации и варьируются на порядки: от десятков молний в секунду до одной-двух за всю грозу.

Следует отметить, что нейтрализация зарядов  приводит к резкому уменьшению напряженности электрического поля в некоторой области пространства. Поля, создаваемые разными группами зарядов (разными облаками, разными частями одного облака), подчиняются принципу суперпозиции (грубо говоря, накладываются друг на друга). Поэтому разряд приводит к столь же резкому изменению суммарной напряженности электрического поля в соседних областях. Каким будет это изменение, зависит от расположения зарядов. Ведь напряженность - величина векторная, характеризуется не только величиной, но и направлением. Может произойти и так, что рассматриваемое нами поле до разряда уравновешивало, нейтрализовывало поля других заряженных областей. После разряда ситуация резко изменится, равновесие исчезнет, и уже в соседних облаках значение напряженности может перейти за критическое. В результате там могут произойти новые, вторичные, молниевые разряды.

Заряды и электростатическое поле в атмосфере

Если  взять все электрические заряды, присутствующие в воздухе, получится  астрономическая цифра. Но они себя никаким образом не проявляют. Почему? Большинство частиц, из которых состоит воздух, содержит равное число положительных и отрицательных зарядов и потому электрически нейтрально. Под частицами здесь подразумеваются атомы, молекулы, кластеры молекул и аэрозольные частицы всех мастей и калибров. Носители нескомпенсированных электрических зарядов (свободные электроны, положительные и отрицательные ионы, заряженные аэрозольные частицы), конечно же, тоже присутствуют в изобилии. Сказывается ионизирующее действие космических лучей и радиоактивных элементов, содержащихся в земной коре и в самом воздухе. Но эти носители, будучи заряжены разноименно, хаотически перемешаны между собой. И электрические поля, создаваемые ими, почти полностью взаимно компенсируют друг друга.

Если  взять произвольный макроскопический объем воздуха (хотя бы несколько м3), его удельный заряд будет чисто символическим (обычно порядка 10^-13 - 10^-12 Кл/м3). Напряженность электрического поля в такой среднестатистической атмосфере при хорошей погоде также ничтожно мала. Напряженность не обращается вовсе в ноль по двум причинам. Во-первых, концентрация отрицательных и положительных зарядов немножко по-разному меняется с высотой, из-за чего и возникает незначительное их разделение. Во-вторых, свою лепту вносят заряды, содержащиеся в земной коре.

Для того, чтобы сгенерировать сколько-нибудь серьезные электрические поля, необходимо: 1) создать достаточное количество нескомпенсированных электрических зарядов разных знаков; и

2) разделить  их в пространстве.

Чтобы построить такую зарядовую структуру  и сделать ее относительно устойчивой, необходимо приложить две противоположно направленные силы. Каждая из них будет ответственна, в основном, за перенос зарядов одного знака. Обе силы должны существовать стабильно в течение некоторого промежутка времени (скажем, от нескольких минут до нескольких часов). Одну из них мы находим сразу. Самой стабильной и самой большой силой на Земле является сила земного тяготения. Она действует вечно и практически не меняется. Стало быть, вторую силу, противоположно направленную, следует искать именно в вертикальной плоскости. Это - сила, оказываемая на носители электрических зарядов восходящими воздушными потоками.

 
Вертикальные движения воздуха

Вертикальная  составляющая скорости движения воздуха  так или иначе присутствует всегда. Чаще всего эта составляющая незначительна (порядка 10^-2 - 10^-1 м/с). Но в некоторых ситуациях она может достигать 10 м/с. А это уже много.

Причины возникновения таких потоков (нас  интересуют, в основном, восходящие) можно разделить на пять основных групп:

1. Естественные  температурные неоднородности земной  поверхности (неравномерный нагрев Солнцем в дневное время, неравномерное остывание в темное время суток, источники тепла в земной коре, теплые течения и источники в водоемах и др.). Объем воздуха, более теплый по сравнению с окружающей воздушной массой, оказывается более легким и всплывает вверх по закону Архимеда.

2. Вторжение  холодного атмосферного фронта  в более теплую воздушную массу. При этом холодный воздух, будучи более плотным, вытесняет теплый вверх. Отсюда - восходящий поток. 
3. Сходимость (конвергенция) воздушных потоков различного масштаба (в частности, глобальных ячеек циркуляции). При взаимодействии встречных потоков воздух вытесняется вверх. 
4. Циркуляция воздуха в тропических циклонах. Механизм формирования и поддержки этой циркуляции пока недостаточно изучен.

5. Источники  тепла, возникающие в экстремальных  ситуациях как природного (извержения  вулканов), так и антропогенного  происхождения (пожары, взрывы, выбросы электростанций и др.).

Возможны  комбинации вышеперечисленных факторов (наиболее типично сочетание 1 и 2). 
Раз возникнув, вертикальное движение воздуха может развиться или, наоборот, ослабеть и исчезнуть. Факторы, благоприятствующие развитию восходящих потоков, следующие:

А. Резкое падение температуры с высотой. Если поднимающийся объем воздуха остывает медленнее, чем окружающий воздух, он оказывается теплее (а, следовательно, легче) последнего и продолжает всплывать вверх по закону Архимеда.

Б. Значительное содержание водяного пара в воздухе. При охлаждении во время подъема  пар с некоторого момента начинает конденсироваться (образуется облако). При этом выделяется скрытая теплота конденсации. В результате поднимающийся объем воздуха дополнительно нагревается, и упомянутый закон Архимеда начинает работать с умноженной силой. При замерзании капель или сублимации водяного пара (если образовавшееся облако пересечет изотерму 0°C) происходит аналогичный эффект. Фактор, упомянутый в пункте Б, наиболее значим. Именно благодаря этому самые мощные восходящие потоки всегда связаны с конвективными облаками.

Следует отметить, что в некоторых случаях  восходящие потоки (а зачастую, как  следствие, и облака) развиваются  при любых параметрах атмосферы. Например, при наступлении холодного фронта. Это обусловлено тем, что воздух в этом случае постоянно подвергается воздействию внешней силы, направленной вверх. Для возникновения таких потоков благоприятные местные условия не обязательны. Однако в любой ситуации строение атмосферы играет важную роль.

Совсем  по-другому будет выглядеть картина, если носители заряда какого-то одного знака как следует утяжелить - так, чтобы земное притяжение на них  действовало гораздо сильнее, чем восходящий поток. Тогда эти носители будут стремиться вниз, унося с собою заряд одного знака, а заряды противоположного знака будут вместе с легкими частичками переноситься восходящими потоками вверх. Вот тогда-то мы и получим электрическое поле, достаточное для грозового разряда.

Так вот: в роли упомянутых тяжелых носителей выступают атмосферные осадки - всем известные дождевые капельки, градины и снежинки. А осадки образуются исключительно в облаках, в результате укрупнения облачных капелек и кристалликов. Таким образом, мы окончательно сформулировали, что нужно для формирования грозы: осадкообразующее облако, содержащее восходящий поток воздуха. Такое облако называется кучево-дождевым и относится к классу конвективных

 
Генерация и разделение зарядов в конвективном облаке

Теперь  нам осталось рассмотреть всего два вопроса:

1. Каким образом в конвективном облаке образуются нескомпенсированные объемные заряды?
2. Как получается, что тяжелые осадки заряжаются одним знаком, а легкие облачные капли (кристаллы) и другие носители, взвешенные в воздухе - противоположным?

Механизмов  разделения зарядов настолько много, и каждый из них зависит от столь  большого числа факторов, что построить универсальную теорию формирования зарядовой структуры конвективного облака (на все случаи жизни) пока не представляется возможным. 
Однако выявлен ряд общих закономерностей, имеющих место для большинства конвективных облаков.  

Классификация механизмов генерации и перераспределения электрического заряда в конвективном облаке

1. Захват ионов каплями  и ледяными частицами. 

В воздухе всегда присутствуют ионы обоих знаков, причем, ионообразование происходит непрерывно. Эти ионы захватываются частицами, составляющими облако. Ионные механизмы играют существенную роль на ранней стадии эволюции облака. В это время ледяные частицы в нем еще не успевают образоваться, так как облако полностью располагается ниже области отрицательных температур.

Заметим важную деталь: капли находятся во внешнем электрическом поле. Оно  пока еще невелико и близко к фоновому, но все равно способно искажать электрическую структуру капель, которые, даже будучи электрически нейтральными, поляризуются. Молекулы воды, представляющие собой диполи, обращаются положительным полюсом в направлении поля (вниз) и отрицательным в противоположном направлении.

Капли, постепенно укрупняясь, перестают полностью увлекаться восходящим потоком и приобретают собственную скорость, направленную вниз. Для мелких облачных капель, характерный диаметр которых не превышает десятки микрон, эта скорость составляет порядка 10^-2 - 10^-1 м/сек, для осадков, которые уже начинают формироваться, она в несколько раз выше. О выпадении осадков из облака пока речи не идет. Ионы представляют собой частицы гораздо меньшего размера (обычно, это - отдельные молекулы или кластеры из нескольких молекул), и потому несутся вместе с восходящим потоком навстречу падающим каплям. 
Нижняя часть капель заряжена положительно, поэтому она охотнее захватывает из встречного потока отрицательные ионы, чем положительные. Верхняя же часть, по законам электростатики, стремится захватывать ионы противоположного знака. Но здесь вступает в силу аэродинамика. Выхватить ионы из потока, обтекающего падающую каплю вверху, уже гораздо труднее, чем из встречного потока. В результате возникает асимметрия. Описанное явление называется селективный захват ионов. Крупные капли заряжаются отрицательно и постепенно оседают вниз, а оставшийся по закону сохранения положительный заряд движется с восходящим потоком в вершину облака. Именно так и образуется двухполюсная структура с положительным зарядом вверху.