CC BY
49
УДК 551.594.221
Чемерис В.Д., Чемерис И.А., Чемерис В.В.
Теория молниевого разряда
Аннотация
Разряды молний представляют собой процесс из нескольких последовательных импульсов, не видимых глазом, но улавливаемых электро-, магнито- и видеоаппаратурой. Каждый импульс состоит из нескольких фаз. Авторы предлагают объяснение столь сложного механизма разряда молнии с позиций теории электричества.
I Ключевые слова: атмосферное электричество, гроза, грозовая туча, молния, удар молнии, импульс молнии, ступенчатый лидер, возвратный удар, стреловидный лидер, электротропизм.
... великие облака... ужасную... на себя принимают силу, жестокие показывают действия., которых... истолковать по законам электрическим здесь намерение имею [3, с. 51] М.В. Ломоносов 1. О современной молниевой теории Прошло почти 270 лет с тех пор, как опубликовано «Слово о явлениях воздушных, от электрической силы происходящих, предложенное от Михайла Ломоносова», где он заложил основы грозовой теории и высказал мнение, что молния представляет собой электрический разряд.
За прошедшие столетия, благодаря развитию технических средств, появились приборы, которыми
можно было измерять магнитно-электрические характеристики грозовой атмосферы и производить высокоскоростную фиксацию светимости молнии. Результаты, полученные этими приборами, были удивительны. Оказалось, что молнии, разряжающиеся в землю, состоят из нескольких импульсов: «После образования канала молнии по нему могут пройти три, а иногда и более сорока импульсов. Суммарная продолжительность вспышки составляет примерно 0,25 с с интервалом между импульсами в 10-100 мс» [5, 24].
Импульсы хорошо различимы, так как между импульсами электрическая активность в канале молнии останавливается (рис. 1), а светимость канала прекращается или снижается до предельно низких значений.
Рис. 1. График грозового разряда [8, с. 133]: I - сила тока, t- время
Существование импульсов давно доказано, но вот теоретическое объяснение многоимпульсности не выдерживает никакой критики.
В настоящее время считается, что пока молниевый канал остывает и гаснет, с удалённых участков грозового облака сбегается новая партия зарядов: «Происхождение повторных импульсов объясняется постепенным притоком зарядов в облаке к каналу молнии» [10, 16]. Вот они и разряжаются во втором импульсе. В первый импульс не успели, попали во второй. Во второй не успели, попали в третий и т. д.
Несостоятельность такой версии видна во всём.
Почему заряды второго импульса не успели с первым? Они же достаточно подвижны.
Молниевый канал существует практически до второго импульса. Почему же тогда прибывающие заряды ждут его угасания и только затем начинают следующее нисхождение? Они же, без проблем, могли уйти в землю по этому каналу. Нет, отставшие заряды «отсиживаются» в облаке и чего-то ждут.
И наконец, суммарная мощность всех импульсов оказывается настолько большой, что будто бы в грозовом облаке находится электрогенератор, превосходящий по мощности любую электростанцию, построенную людьми. Но все, выявленные до настоящего времени, процессы генерирования электричества в грозовой атмосфере гораздо менее эффективны.
Итак, современная молниевая теория никак не может объяснить многоимпульсность молний.
Многоимпульсностью загадочность молнии не заканчивается. Было выявлено, что сам импульс молнии представляет собой некий процесс, состоящий из нескольких стадий. Стадии эти принято называть фазами: лидерная фаза, фаза возвратного удара и фаза послесвечения.
Последней фазе теоретики внимания не уделяют. Считается, что она вполне очевидна. При послесвечении электрическая активность отсутствует, молниевый канал угасает. Молния разрядилась и остывает. Но так ли всё просто?
Возвратный удар тоже практически обойдён вниманием. Известно лишь только, что электроны при возвратном ударе по какой-то причине снова возвращаются в облако: «... в обратном направлении по проложенному пути проходит главный разряд» [1, с. 851]. В этой фазе сила, протекающих токов, и светимость канала молнии всё ещё высокие. Но как же так? Канал молнии строился под сход электронов на землю, а оказалось, при возвратном ударе ток продолжает идти, и идёт он вспять. Этому опять же нет никаких объяснений.
Лишь лидерная фаза является наиболее исследованной и теоретически обоснованной.
Для объяснения лидерной фазы предложен «.механизм., в основе которого лежит кластер-кластерная агрегация динамических фрактальных проводящих структур» [1, с. 862]. В междоузлия фрактально-кластерной структуры вмонтирована стримерная теория электрического пробоя газов между электродами. «Согласно этой теории из электронных лавин, возникающих в электрическом поле разрядного промежутка, ... образуются стримеры - тускло светящиеся тонкие разветвлённые каналы. Взаимодействие стримеров приводит к
появлению. лидера - слабо светящегося разряда... Лидер, двигаясь от одного электрода к другому, . соединяет электроды непрерывным проводящим каналом» [1, с. 851].
«Стример-фрактал-кластерная» модель
совершенно не уделяет должного внимания вопросу: что заставляет светящийся сгусток (лидер) двигаться к земле. Кроме того, эта модель описывает лишь детали первой фазы молниевого импульса (лидерную фазу) и никак не объясняет другие фазы - возвратный удар и послесвечение. Она не позволяет объяснять молниевый разряд, как единый непрерывный сложный процесс. Авторы публикаций сами прекрасно понимают это и пишут, например, что «физические модели молниевых разрядов до сих пор не созданы» [1, с. 850-851].
Полагаем, что без устранения этого недостатка молниевая теория не может далее развиваться.
Создавая модель многоимпульсной молнии с множеством фазовых переходов, следует опираться на электрическую теорию, тем более что ещё Михайло Васильевич Ломоносов отмечал: молния имеет электрическую природу. И на наш взгляд, если в развитии молниевой теории на первый план поставить моделирование электрических процессов и пытаться сопоставить их с результатами научных наблюдений, то это будет более правильный путь в дальнейшем познании молнии.
2. Подготовка к разряду
Перед ударом молнии наблюдается следующая ситуация. В облаках сосредоточено значительное количество отрицательных зарядов, а на поверхности земли, особенно на выступающих предметах такое же количество положительных (рис. 2).
Рис. 2. Распределение электричества в грозовом облаке и в наземных предметах [2, 12]
Налицо очевидное противоречие. Перед ударом молнии поверхность земли заряжена положительно, но также хорошо известно, что, во-первых, «Землю с окружающей атмосферой по электрическим свойствам можно представить как шаровой конденсатор колоссальных размеров.» [10, 5]. Во-вторых, «Наша планета всегда имеет отрицательный заряд» [10, 5]. Как же тогда на поверхности шарового конденсатора с достаточно хорошей проводимостью и, заряженной отрицательно, могут существовать зоны положительного заряда? И, вообще, откуда
берётся этот положительный заряд, если поверхность Земли заряжена только отрицательно?
Попробуем разобраться. Возьмём два металлических предмета - достаточно большой шар и тонкую, сравнительно с шаром, небольшую пластину. Поместим на шаре отрицательные заряды. Потенциал этих зарядов пусть будет равен, например, некоторому количеству электронов (-т). Одноимённые заряды отталкиваются, поэтому, помещённые на шар, заряды равномерно распределятся по его поверхности (рис. 3а).
Рис. 3. Индуцирование положительных зарядов на шаре: а) отрицательно заряженный шар; б) заряды пластины отгоняют близлежащие заряды шара; в) под отрицательно заряженной пластиной образовалась беззарядная зона; г) возникновение в зоне под пластиной пары «свободный электрон-дырка»
и дрейф свободного электрона от пластины; д) появление первого положительного заряда на шаре; е) возникновение новых пар «свободный электрон-дырка» и выдавливание электронов из зоны действия пластины; ж) завершение индуцирования положительных зарядов на поверхности шара
Пластину тоже зарядим отрицательно (-п2) и поднесём к шару так, чтобы оба предмета были очень близко, но не соприкасались (рис. 3б). Заряды пластины и некоторой области шара, расположенной под пластиной, войдут в дистанционное взаимодействие и будут отталкиваться. На пластине заряды никуда не могут сместиться, а вот на шаре заряды выдавливаются из-под пластины. В результате, на поверхности шара, напротив пластины, образуется брешь - зона, в которой отсутствует какие-либо заряды (рис. 3в). Общий потенциал шара при этом не изменяется, но в зоне под пластиной нет никаких зарядов. Ни положительных, ни отрицательных.
Потенциал шара за исключением зоны под пластиной - (-т), потенциал зоны под пластиной - 0, потенциал на пластине - (-п2).
Но на этом перераспределение зарядов не заканчивается.
В теле проводников беспрерывно происходят два процесса. Результатом одного процесса является образование пар «свободный электрон-дырка», другого - аннигиляция пар «свободный электрон-дырка». В устойчивом состоянии количество образовавшихся пар равно количеству исчезнувших.
В нашем же случае следует ожидать, что пары «свободный электрон-дырка» тоже создаются, но в области «бреши» на поверхности шара на свободный электрон и дырку действуют разгоняющие силы. Отрицательные заряды пластины отталкивают свободный электрон, но удерживает дырку в зоне под пластиной (рис. 3г). Свободный электрон дрейфует за пределы зоны, подверженной действию заряженной
пластины, поэтому, хотя суммарный потенциал всего шара не меняется, но на участке за пределами пластины начинает возрастать количество отрицательных зарядов, а на участке под пластиной -положительных (рис. 3д).
Потенциал шара за пределами зоны под пластиной возрастает по модулю - (-«1-1), потенциал зоны под пластиной перестаёт быть нулевым - (+1), лишь потенциал на пластине не изменяется - (-п2).
Процесс с образованием пар «свободный электрон-дырка», из которых далее свободные электроны вырываются и выталкиваются за зону действия пластины (рис. 3е), продолжается до тех пор, пока под пластиной не наберётся количество положительных зарядов, равное потенциалу пластины, но противоположное по знаку (рис. 3ж).
В конечном счёте, потенциал шара, исключая зону под пластиной, достигает значения (-п1-п2), потенциал зоны под пластиной возрастает до (+п2), потенциал на пластине - без изменений (-п2).
Лабораторную модель, шар с пластиной, предлагаем сопоставить с природными объектами. Землю в эксперименте заменяет шар, а нижний слой грозового облака - пластина. Мы полагаем, что схема, получения положительных зарядов на поверхности отрицательно заряженного шара под влиянием отрицательно заряженной пластины, соответствует процессу возникновения положительных зарядов на поверхности земли под грозовым облаком.
Отрицательные заряды, скопившиеся в нижнем слое облака, разгоняют все отрицательные заряды Земли и индуцируют под собой на поверхности земли
положительные заряды, разрывая образующиеся пары «свободный электрон-дырка» и выдавливая свободные электроны за пределы действия грозового
облака (рис. 4а).
Результатом этого процесса является то, что под облаком на земле скапливается значительное количество положительных зарядов (рис. 4б).
а)
Щ
Рис. 4. Возникновение положительных зарядов на поверхности земли под грозовым облаком: а) разделение возникающих пар «свободный электрон-дырка» и выдавливание электронов за пределы зоны влияния заряда грозового облака, б) предразрядное состояние зарядов в облаке и на земле
Вполне вероятно, что предложенная схема образования положительных зарядов на поверхности земли под грозовым облаком не является единственной и, вполне возможно, что она не является даже основной. Но, тем не менее, мы считаем, ставившуюся перед нами задачу, вполне выполненной.
Мы показали, что для возникновения на поверхности земли положительных зарядов существует вполне работоспособная схема, выполнимая, по крайней мере, в лабораторных условиях. Тем более, гипотеза о том, что на возникновение положительных зарядов на поверхности земли в первую очередь влияют отрицательные заряды, скопившиеся в нижнем слое грозового облака, высказана достаточно давно [6, 17]. Мы, просто, более детально расписали эту гипотезу, дав последовательное объяснение происходящих при этом электрических процессов.
3. Ступенчатый лидер
Между зарядами, скопившимися в нижнем слое грозового облака, и зарядами, индуцированными на
земле, возникает поле. Напряжённость этого поля притягивает разноимённые заряды облака и земли друг к другу. Положительные концентрируются на выступах, имеющих хороший контакт с землёй: сооружения, здания, деревья, холмы и скалы. Выше положительные заряды продвинуться не могут. Околоземный воздух является для них серьёзным препятствием.
Несколько другая ситуация складывается в грозовом облаке с отрицательными зарядами.
Носителями отрицательных зарядов являются электроны. Лёгкие и достаточно подвижные, они способны собраться в пучок (рис. 5а) и преодолевать воздушный слой от облака до земли (рис. 5 б). Такой пучок электронов принято называть лидером. Когда расстояние между лидером и положительными зарядами земной поверхности составляет считанные метры, происходит пробой (рис. 5в). Лидер достигает земли и прекращает своё существование в точке контакта.
а) 6) в)
Рис. 5. Развитие лидера: а) образование, б) продвижение к земле, б) пробой
Следует обратить внимание на особую функцию лидера. По траектории движения лидер оставляет плазменную дорожку - молниевый канал. То есть, лидер на протяжении всего своего «жизненного» цикла связан токопроводящей «пуповиной» с грозовым облаком.
Это обстоятельство значительно упрощает нам лабораторное моделирование.
Если металлический шар заменяет в эксперименте Землю, а пластина - нижний слой грозового облака, то простой токопроводящий стержень, опущенный от
пластины на шар, послужит достаточной имитацией молниевого канала. Остриё стержня заменит лидер.
Итак, продолжим лабораторную работу.
Нами уже было получено распределение зарядов между отрицательно заряженными шаром и пластиной, соответствующее началу молниевого разряда (рис. 6а): потенциал на пластине - (-и2), потенциал на шаре в зоне воздействия пластины - (+и2) и потенциал шара, исключая зону под пластиной - (-иги2).
Рис. 6. Аннигиляция электрических зарядов при установке перемычки: а) шар и пластина перед установкой перемычки; б) опускание стержня от пластины на шар; в) заряды пластины перешли на шар; г) аннигиляция положительных зарядов шара и отрицательных зарядов пластины
Если от пластины на шар опустить металлический стержень (рис. 66), то через полученную перемычку пойдёт электрический ток. Электроны и дырки ринутся навстречу друг другу. Оказавшись в прямом контакте (рис. 6в), заряды аннигилируются. Потенциалы пластины и зоны под ней обнуляются, и там зарядов не остаётся совсем никаких (рис. 6г).
Полученная лабораторным путём, картина позволяет нам с большим пониманием взглянуть на
электрические преобразования, происходящие в системе «грозовое облако - земля» в первой фазе молниевого импульса.
После предразрядной подготовки система «грозовое облако-земля» пришла в следующее состояние: в нижнем слое грозового облака находятся отрицательные заряды, а на участке земли под облаком соответствующее количество положительных (рис. 1а).
Рис. 7. Перетекание электрических зарядов из грозового облака на землю при помощи ступенчатого лидера: а) предразрядное состояние, б) формирование ступенчатого лидера, в) продвижение ступенчатого лидера, г) пробой, д) состояние системы «грозовое облако - земля» после пробоя
Как уже отмечалось выше, положительные заряды не могут подниматься по воздуху к грозовому облаку. А вот отрицательные заряды, размещённые в облаке,
могут собираться, образовывая лидер (рис. 76). Этот лидер способен самостоятельно прокладывать себе дорогу к земле (рис. 7в).
Надо сказать, что реальная обстановка под грозовым облаком несколько отличается от условий, которые были в лабораторном эксперименте. Слой воздуха между облаком и землёй неоднороден. В нём имеются участки со значительной концентрацией положительных зарядов: «.в. области между нижней кромкой облака и поверхностью земли существует. заряд положительного знака.» [8, с. 85].
Скопившиеся в нижнем слое грозового облака отрицательные заряды прокладывают проход к первому самому близкому положительно заряженному участку. Потом к следующему. Участки эти расположены не на прямой линии от облака до земли. Траектория движения лидера представляет собой ломаную линию, и поэтому лидер принято называть ступенчатым.
Продвижение лидера от одной положительной области к другой, как уже отмечалось выше, в настоящее время наиболее теоретически обосновано в «стример-фрактал-кластерной» теории. Двигаясь от одного узла к другому (от одного участка сконцентрированных положительных зарядов к другому), лидер приближается к земле.
Пробой между ступенчатым лидером и землёй воссоединяет положительные и отрицательные заряды (рис. 7г). Они аннигулируются. Потенциалы нижнего слоя облака и зоны земли, расположенной под облаком обнуляются (рис. 7д).
По пути в воздухе некоторая часть зарядов ступенчатого лидера отрывается от основного пучка и уходит в сторону близлежащих участков воздуха, имеющих положительную заряженность. Заряды на таких участках аннигилируются и в дальнейшем не играют никакой роли. «Отпочковавшиеся» сгустки электронов оставляют по своему пути светящиеся полосы (канальчики). В результате, общая картина молниевого разряда от грозового облака в землю очень напоминает корень растения.
Позволим себе некоторое отступление от основной темы, ведь, кроме описания электрического механизма молниевой вспышки, нашей второй целью является привлечение внимания к не утратившей своего научного значения, публикации М. В. Ломоносова «Слово о явлениях воздушных, от электрической силы происходящих...».
Михайло Васильевич в своей работе утверждает, что электрические процессы, характерные для молнии, присущи и растениям [3, с. 27-31]. Наличие и передвижение электрических зарядов влияет, как на развитие молнии, так и на «поведение» растений. Сейчас, когда в нашем распоряжении имеются технические средства больших возможностей и высокой точности, нам остаётся только неоднократно подтверждать и развивать эту гипотезу.
Например, обратите внимание на корень растения. Как же он похож на молнию! Но дело здесь не только во внешнем сходстве.
В научных исследованиях было замечено, что корневая система небезразлична к электрическим полям:
«.в 1930 г. в ... опытах Brauner и Bunning было установлено, что в электрическом поле напряжённостью 600 В/см . корни конского боба растут по направлению к катоду» [4, с. 80].
«В опытах Ishikawa и Evans было показано, что корни кукурузы. изгибаются в сторону анода.» [4, с. 81].
То есть в таком случае в корневом окончании должны существовать электрические заряды. Эти заряды влияют на рост корня так, что направление для роста определяется по линиям электрической напряжённости, исходящим из этих зарядов.
Действительно, электрические заряды в корне имеются: «.в кончике корня кукурузы имеется зона, где электрические импульсы возникают постоянно, причём в соседних клетках они скоординированы между собой. Электрическая активность этого участка управляет ростом корня. На снимке: кончик корня кукурузы; зоны электрической активности выделены цветом. Тонкие чёрные линии с точками - микроэлектроды для записи импульсов» [7, с. 39] (рис. 8).
Рис. 8 [7, с. 39] Зоны электрической активности в корневом окончании растения
Итак, в корневом окончании, действительно, индуцируются электрические заряды. Между этими зарядами и зарядами, находящимися на некотором удалении в почве, возникает электрическая напряжённость, и заряды тянутся друг к другу. В результате корень растёт в сторону почвенных электрических зарядов.
Остаётся неясным: зачем корню нужно расти в сторону, в которой находятся электрические заряды. Да и вообще, принято считать приповерхностные земные слои достаточно хорошим проводником. Где же тогда в этих слоях можно встретить хранилище электрических зарядов? Если в почве имеются положительные заряды, то они должны аннигилироваться с отрицательными зарядами Земли. Если отрицательные, то в таком случае они должны
выйти на поверхность Земли.
Оказывается на самом деле, хранилища электрических зарядов в почве есть, и они являются как раз источниками удовлетворения важнейших потребностей растения, а именно потребностей в питании и питье.
Питательные вещества растение не может усваивать в твёрдом виде. Лишь растворы питательных веществ в воде могут проникнуть через покровные ткани корня и далее подняться по корню и стволу к листьям, цветам и плодам растения. Минеральные питательные вещества, попадая в воду и растворяясь в ней, распадаются на ионы. Эти ионы и реагируют на электрическое поле, создаваемое, находящимися в корневом окончании, зарядами. Растворённые ионы начинают притягиваться к корню. Заряды в корневом окончании в ответ тоже тянутся к ионам. Так возникает сила, которая сосёт уже с некоторого расстояния из почвы питательные вещества. Кроме того, она указывает нужное направление дальнейшего роста для корешков корневой системы.
Нарастание корня растения под действием электрического поля следует относить к проявлению электротропизма растения. Электротропизм корня представляет собой индуцирование в кончике корня растения электрических зарядов и нарастание корня под действием этих зарядов в сторону расположения зон почвы с противоположными по знаку зарядами - в сторону скопления ионов, а именно, в сторону влажной почвы с растворёнными во влаге питательными веществами.
Всё это похоже на то, что происходит при молниевом разряде. Лидер (у растения это кончик корня), имея электрическую заряженность, тянется к местам скопления в приземном воздухе зарядов противоположного знака (корень же тянется к скоплениям, растворённых в почвенной влаге, ионов питательных веществ). Вот почему корень и молния так похожи. На них действуют одинаковые силы, имеющие электрическую природу.
Как же интересно читать классику и обнаруживать там великие прозрения, актуальность которых сохраняется сотни лет, и находить для этих прозрений
всё новые и новые подтверждения!
Поразительно, но по широте и, главное, по глубине погружения в тему статья М. В. Ломоносова по электро-грозовой теории не уступает современным публикациям на эту тему. Все выдвинутые в ней гипотезы основательно продуманы и обоснованы, поэтому ждут скорее своего дальнейшего развития, чем опровержения.
Предлагаем вернуться к основной теме нашей статьи.
Ступенчатый лидер соединил отрицательные заряды грозового облака и положительные заряды поверхности земли. Как ни странно, а молниевый разряд на этом не закончился. Это была только первая фаза.
4. Возвратный удар
После того, как ступенчатый лидер ушёл в землю, импульс молниевого разряда не заканчивается. Наступает вторая фаза. Эту фазу принято называть возвратным ударом. На протяжении возвратного удара плазменная токопроводящая перемычка (молниевый канал) сохраняется и играет важную роль, ведь при возвратном ударе электрическая активность в молнии продолжается, но, странным образом, она меняет свою направленность.
Почему так происходит? Опять же рассмотрим на упрощённой, и потому более понятной, лабораторной модели.
Мы оставили её в состоянии, когда шар с пластиной соединены металлическим стержнем (рис. 9а). При этом на пластине, как и в зоне под ней, нет никаких электрических зарядов. Заряды имеются только на поверхности шара, не находящейся под влиянием пластины.
Потенциал шара без зоны под пластиной - (-И1-И2), потенциал в зоне под пластиной - 0, потенциал на пластине - 0.
Это состояние крайне неустойчиво, поэтому, так как сторона шара, находящаяся в «тени» пластины, и сама пластина оказались незаряженными, то свободные электроны с другой стороны шара немедленно потекут на свободные поверхности (рис. 96) и оккупируют их.
б)
в)
У1отещиалы
- потенциал шара без ЗОНЫ под ПЯистиной
- потенциал зоны под пластиной - потенциал на пластине
г)
Рис. 9. Рассредоточение свободных электронов шара по всей поверхности шара и по пластине при наличии перемычки между шаром и пластиной: а) состояние после аннигиляции отрицательных зарядов пластины и положительных зарядов шара; б) стремление отрицательных зарядов рассредоточиться по всей поверхности
шара; в) перетекание свободных электронов на пластину; г) свободные электроны шара заняли всю доступную поверхность 14 Интерактивная наука | 3 (68) • 2022
Отрицательные заряды рассредоточатся по поверхности шара и далее по перемычке устремятся на пластину (рис. 9в). По перемычке пойдёт снова ток, но уже в обратную сторону. Свободные электроны займут все поверхности на шаре и пластине (рис. 9г).
Фаза возвратного удара, благодаря лабораторному эксперименту, представилась совсем по-
новому. Становится понятным, где же находятся те заряды, которые создали возвратный удар, и почему ток пошёл в обратном направлении.
После лидерной фазы на короткое время участок поверхности земли под грозовым облаком оказывается незаряженным (рис. 10а).
Рис. 10. Возвратный удар: а) состояние после пробоя, б) стекание отрицательных зарядов Земли в зону под облаком, в) восхождение зарядов по молниевому каналу, г) состояние после возвратного удара
Из заряженных зон Земли отрицательные заряды тут же устремляются на освободившуюся территорию (рис. 106). Далее по каналу молнии свободные электроны взбираются до облака и заполняют там освободившуюся от прежних зарядов зону, обладающую электро-ёмкостными свойствами (рис. 10в). Все поверхности системы «грозовое облако - земля» оказываются оккупированными отрицательными зарядами (рис. 10г).
Возвратный удар закончился, но с точки зрения электрической теории система «грозовое облако -земля» опять находится в неустойчивом состоянии.
5. Послесвечение
Следующая фаза - послесвечение. Отличается от других отсутствием значительной электрической активности в канале молнии. Видеоприборы фиксируют угасание молниевого канала.
Казалось бы, в этой фазе не может быть ничего необычного. Но не надо делать поспешных выводов.
Процессы при послесвечении происходят уже вполне нам знакомые, мы с ними встречались в предразрядной стадии, но выявить это сходство как раз и представляет большой интерес.
Шар и пластину мы оставили в следующем состоянии: отрицательные заряды шара распространились по всей поверхности шара, по стержню и по пластине (рис. 11а). Но заряды пластины
действуют на зону под ней, и свободные электроны выдавливаются из этой зоны и из стержня (рис. 116). Под пластиной на шаре образовалась зона без зарядов (рис. 11в).
Потенциал шара без зоны под пластиной - (-пз), потенциал у зоны под пластиной - 0, у пластины - (-п4).
Стержень, служивший перемычкой между пластиной и шаром, отделяем от шара и поднимаем к пластине (рис. 11 г).
И снова перед нами первоначальное состояние -два предмета, заряженные отрицательно. Естественно, как и тогда, они дистанцированно провзаимодействуют друг с другом.
В результате, на поверхности шара, ближайшей к пластине, опять вместе с появляющимися и исчезающими парами «свободный электрон-дырка» будут и такие, которые отрицательные заряды пластины успевают разорвать, притягивая положительные заряды и отгоняя отрицательные (рис. 11 д). Потенциал шара без зоны под пластиной - (-п3), потенциал в зоне под пластиной -0, потенциал на пластине - (-п4).
Свободные электроны выдавливаются из зоны влияния пластины. Остаются только положительные заряды (рис. 11е). Потенциал шара без зоны под пластиной - (-п3-п4), потенциал в зоне под пластиной -(+п4), потенциал на пластине - (-п4).
Рис. 11. Перераспределение электрических зарядов на шаре и пластине после удаления перемычки: а) свободные электроны рассеяны по шару, стержню и пластине, б) свободные электроны выдавливаются из зоны под пластиной, в) под пластиной образовалась зона без зарядов, г) металлический стержень отделён от шара и поднят к пластине, д) возникновение пар «свободный электрон-дырка» и дрейф электронов за пределы зоны влияния пластины, е) концентрация под пластиной положительных зарядов
Спроецируем, полученный экспериментально, результат на грозовое облако и Землю.
После возвратного удара отрицательные заряды заполнили поверхность земли, канал молнии и нижний слой облака (рис. 12а). Под влиянием
отрицательных зарядов грозового облака отрицательные заряды изгоняются из канала молнии и с поверхности земли под облаком (рис. 126). В молниевом канале и под облаком образуется баззарядная зона (рис. 12е).
а)
5)
+ + + + + +
Ь)
е)
Рис. 12. Послесвечение: а) отрицательные заряды заполняют поверхность и нижний слой облака, б) отрицательные заряды изгоняются из-под облака, в) под облаком образовалась баззарядная зона, г) канал молнии разрушился, д) возникновение пар «свободный электрон-дырка» и дрейф электронов за пределы зоны действия облака, е) концентрация на поверхности земли под облаком положительных зарядов 16 Интерактивная наука | 3 (68) • 2022
Полагаем, что движение электрических зарядов по каналу прекратилось. И, по всей видимости, именно электрические токи поддерживали его целостность. А так как движение зарядов прекратилось, то возникли предпосылки разрушения канала. У молниевого канала пропадают участки (рис. 12г).
После исчезновения даже небольшого участка канала нарушается его токопроводящая функция. Прерывается непосредственная связь зарядов облака и зарядов Земли. С этого момента они взаимодействуют только дистанционно.
Теперь не все возникающие пары «свободный электрон-дырка» аннигилируются на поверхности земли под облаком. Многие из них разрываются и разгоняются под влиянием зарядов облака (рис. 12д). Свободные электроны дрейфуют за пределы зоны облака, а дырки остаются.
На поверхности земли под облаком концентрируется количество положительных зарядов, равное количеству зарядов в грозовом облаке (рис. 12е).
яя
2 мин 25,133 сек
На этом первый импульс молнии, пожалуй, можно считать закончившимся.
6. Повторные импульсы
Молнии от облаков на землю представляют собой череду импульсов.
В настоящее время даже на любительской фототехнике часто можно отснять отдельные импульсы. На представленных фотографиях видно, что видеозапись зафиксировала пять импульсов.
В момент 2 мин 25,133 с разряда молнии ещё не было. На фотографии - тёмное небо, и проявление молнии никак не наблюдается (рис. 13а).
Следующий снимок в 2 мин 25,167 с зафиксировал яркое свечение (рис. 136). Свечение озарило пол неба и было настолько ярким, что за ним не было видно канала молнии, производившего это свечение.
Снимок в 2 мин 25,200 с отображает фазу послесвечения. Яркость канала молнии, несомненно, упала (рис. 13в). Он виден только как «нитка» от облаков к земле. Освещённость неба соответствует состоянию, которое наблюдалось перед разрядом.
5-й импульс 2 мин 25,567 сек
Рис. 13. Кадры любительской видеосъёмки, зафиксировавшей 5 импульсов во вспышке молнии: а) предразрядная фаза, б) первый импульс, в) первое послесвечение, г) второй импульс, д) второе послесвечение, е) третий импульс, ж) третье послесвечение, з) четвёртый импульс, и) четвёртое послесвечение, к) пятый импульс, л) пятое послесвечение
В 2 мин 25,233 с прошёл второй импульс. Светимость канала такая, что засвечивается всё вокруг него на сотни метров (рис. 13г).
В 2 мин 25,267 с небо потемнело (рис. 13д). Виден только канал молнии. Это послесвечение второго импульса.
В 2 мин 25,300 с прошёл следующий импульс. Небо опять озарилось (рис. 13е). Канал опять засвечивает всё вокруг себя так, что даже невозможно определить, где же проходит сам канал.
В 2 мин 25,367 с небо погасло (рис. 13ж-). Погас даже канал. Наблюдается фаза послесвечения третьего импульса.
В 2 мин 25,500 с произошёл четвёртый импульс. Небо опять освещено (рис. 13з). Канал опять невозможно разглядеть.
В 2 мин 25,533 с на тёмном небе видна только «нитка» канала (рис. 13и). Наступило четвёртое послесвечение.
В 2 мин 25,567 с зафиксирована последняя вспышка, осветившая небо (рис. 13к).
В 2 мин 25,600 с пятое послесвечение канала. Канал молнии угасает (рис. 13л) и скоро совсем исчезнет.
Дальнейшая съёмка импульсов больше не зафиксировала. Канал молнии прекратил своё существование.
Промежутки между импульсами являются вполне ощутимыми: 7 мс, 1 мс, 20 мс и 7 мс. Причём,
Лмс
если при прохождении импульса канал молнии разогревается так, что освещает небо на сотни метров, то между импульсами освещённость неба молнией прекращается. Видна лишь «нитка» канала, а иногда даже и её не видно.
Существование импульсов в молниевом разряде очевидно, в прямом смысле.
Импульсы состоят из фаз. Это установлено достаточно давно.
При помощи особого аппарата с, перемещающейся поступательно по горизонтали, фотоплёнкой были зафиксированы не только импульсы, но даже фазы этих импульсов (рис. 14). А также были установлены существенные отличия первого импульса от последующих.
70 мхе
60 мке
-\мс
\\ „ V
- 20ме —|— 4йнс-6 0*лс
Ступенча тый лидер
-Стрет
нидер \
Г
Время
ДмчюятеЬт Возврат ный удар | _ный уйар^\ ный удар
Рис. 14. Процесс развития молнии: а) детали светимости вспышки молнии, которые регистрируются камерой с неподвижным объективом и движущейся плёнкой, б) та же вспышка молнии, зарегистрированная камерой
с неподвижной плёнкой [9, 17].
Возвратный удар и послесвечение во всех отснятых импульсах одинаковые, но лидерная фаза первого импульса совершенно не такая, как во всех следующих за ним. Лидер первого импульса ступенчатый, а в повторных импульсах он стреловидный. В первом импульсе лидер движется от одного положительного участка приземного воздуха к другому. Стреловидному лидеру нет в этом необходимости. Он использует уже существующий электропроводящий канал.
Итак, на отснятом фотоматериале отчётливо видно, что в течение первых 20 мс происходит движение ступенчатого лидера. За ним 70 мкс уходит на возвратный удар. Через 40 мс послесвечения от облака проскакивает стреловидный лидер второго импульса, длящийся 2 мс. Потом 60 мкс ушло на возвратный удар, 30 мс на послесвечение. Стреловидный лидер третьего импульса прошёл за 1 мс. У третьего импульса тоже наблюдается возвратный удар. Он длится 60 мкс.
Смоделируем повторный импульс на лабораторном оборудовании.
Моделирование первого импульса закончилось состоянием: на пластине имеется некоторое количество отрицательных зарядов, под пластиной такое же количество, но уже положительных зарядов, за зоной влияния пластины на поверхности шара вся остальная часть отрицательных зарядов (рис. 15а).
Между шаром и пластиной снова создаём перемычку. Опускаем от пластины на шар
металлический стержень (рис. 156). Заряды пластины и шара получили токопроводящий канал. Этим каналом они немедленно воспользовались. Ринулись навстречу друг другу и встретились (рис. 15в). Получилась аннигиляция зарядов пластины и зоны под пластиной. Пластина и зона под ней остались без зарядов (рис. 15г).
Свободные электроны шара поспешили занять освободившуюся зону (рис. 15д). По стержню свободные электроны продвигаются на пластину (рис. 15е). По перемычке снова пошёл ток. Отрицательные заряды распространились по всем поверхностям шара, стержня и пластины (рис. 15.ж).
Отрицательные заряды пластины влияют на зону поверхности шара и выдавливают из этой зоны все отрицательные заряды (рис. 15з). Под пластиной возникает зона свободная от зарядов (рис. 15и). Перемычку между шаром и пластиной отделяем от шара и поднимаем к пластине (рис. 15к). Они становятся самостоятельными электроёмкостями. На поверхности шара, в которой не было зарядов, возникающие пары «свободный электрон-дырка» разрушаются под влиянием зарядов пластины (рис. 15л). Свободные электроны выдавливаются подальше от пластины. Дырки, наоборот, удерживаются. Под пластиной на шаре индуцируются положительные заряды, количество которых по модулю равно количеству зарядов пластины (рис. 15м).
Рис. 15. Электрические процессы при повторном замыкании-размыкании шара и пластины: а) состояние после первого замыкания-размыкания, б) опускание стержня от пластины на шар, в) воссоединение зарядов пластины и зоны под пластиной, г) отсутствие зарядов после аннигиляции, д) стремление зарядов шара занять всю поверхность шара, е) стремление зарядов шара занять перемычку и пластину, ж) отрицательные заряды шара заняли все доступные поверхности, з) заряды пластины выдавливают близко расположенные заряды на поверхности шара, и) под пластиной на поверхности шара образовалась беззарядная зона, к) поднятие стержня к пластине, л) на поверхности шара под пластиной образуются пары «свободный электрон-дырка» и под влиянием зарядов пластины связь в парах разрушается, свободные электроны отгоняются, м) под отрицательно заряженной пластиной сформировались положительные заряды
Самое интересное в этой ситуации то, что, если между пластиной и шаром снова установить перемычку, то в момент соединения по перемычке пойдёт ток, аннигилирующий отрицательные заряды пластины и положительные заряды шара. Затем на пластину «перекочует» часть зарядов с шара. А после размыкания шара и пластины на пластине останутся отрицательные заряды, под влиянием которых на шаре вновь индуцируются положительные.
И сколько бы раз ни производилось «замыкание-размыкание», каждый раз в момент, когда между пластиной и шаром будет устанавливаться перемычка, по ней будут течь токи.
Опять же, лабораторная модель прекрасно налагается на происходящее между грозовой тучей и землёй.
По окончании первого импульса система «грозовое облако-земля», в некотором роде, вернулась к первоначальному виду. В грозовом облаке имеются отрицательные заряды, а на поверхности земли под ним - положительные (рис. 16а).
Но есть и некоторое отличие. Заключается оно в том, что имеются ещё остатки молниевого канала.
Рис. 16. Движения электрических зарядов при повторном импульсе: а) состояние, которым закончился предыдущий импульс, б) движение зарядов навстречу друг другу по уцелевшим кускам канала, в) пробой,
г) состояние после аннигиляции зарядов, д) стремление зарядов Земли занять всю поверхность, е) стремление зарядов Земли занять канал и облако, ж) все возможные участки облака и канала оккупированы зарядами Земли, з) из канала и на земле под облаком разгоняются отрицательные заряды, и) беззарядная зона под облаком, к) разрушение канала молнии, л) индуцирование под облаком на земле положительных зарядов, м) состояние системы «грозовое облако - земля» после завершения импульса
Если возникшая разность потенциалов между облаком и землёй оказывается значительной, а разрыв в канале ещё не очень, то происходит повторный импульс. Отрицательные заряды облака и положительные заряды земли взаимно притягиваются. Они стремятся быть как можно ближе друг к другу. По уцелевшим кускам канала заряды продвигаются навстречу (рис. 166). Далее они пробивают разрушенный участок канала и восстанавливают его высокую проводимость (рис. 16в).
После пробоя аннигилируются заряды облака и положительные заряды земли. Электроёмкости облака, канала и поверхности земли под облаком оказываются незаряженными (рис. 16г). На этом завершается фаза стреловидного лидера.
Как и в первом импульсе за лидерной фазой наступает возвратный удар. При возвратном ударе происходит захват освободившихся зон отрицательными зарядами Земли. Сначала захватывается поверхность (рис. 16д). Затем - канал и грозовое облако (рис. 16е).
Облако, канал и поверхность земли заняты одноимёнными зарядами (рис. 16ж). Так долго продолжаться не может. Эти заряды мешают друг другу. В облаке заряды никуда не могут сместиться, а вот из канала и из зоны под облаком вполне могут. И эти заряды уходят по поверхности земли за зону влияния облачных зарядов (рис. 16з). В канале молнии и на поверхности под облаком опять возникают места, не имеющие зарядов (рис. 16и).
С электрической точки зрения система «грозовое облако - земля» пришла в устойчивое состояние, но вот с чисто физической всё совсем наоборот. По каналу не идут токи, и он разрушается (рис. 16к).
Грозовое облако и Земля превращаются в два отдельных тела. Облако обладает своими собственными отрицательными зарядами. Эти заряды влияют на поверхность земли под облаком. Они разбивают образующиеся на поверхности пары «свободный электрон-дырка» и выдавливают свободные электроны подальше от облака (рис. 16л).
Система «грозовое облако-земля» вернулась к состоянию, когда в нижнем слое облака находятся отрицательные заряды, а на поверхности земли под облаком положительные (рис. 16м). Таким состоянием системы «грозовое облако-земля» завершается импульс молнии.
Вспышка молнии может состоять из нескольких импульсов. Количество импульсов, по всей видимости, зависит от скорости уменьшения электроёмкости зоны облака, в которой сформировалась молния, и от того, как быстро канал молнии получит серьёзные невосстановимые разрушения. Если ёмкость облака сохраняется, а канал легко восстанавливается, то следует ожидать повторных импульсов.
Разряды молнии будут повторяться и повторяться до тех пор, пока не иссякнет электроёмкость зоны облака, в которой сформировалась молния, или разрушенные участки канала молнии будут настолько велики, что разность потенциалов между облаком и землёй не в силах будет придать электрическим зарядам такую силу, чтобы они могли совершить пробой исчезнувших участков канала.
7. Одноимпульсные молнии
Существует такое выражение: исключение из правила является лучшим подтверждением этого правила. В нашем случае всё примерно так и обстоит.
Анализировавшаяся нами многоимпульсная молния представляет собой сход на землю отрицательных зарядов грозового облака. Она является основным видом электрических разрядов между облаком и землёй. Тем не менее, существуют и другие виды. Все такие разряды являются одноимпульсными. Почему они одноимпульсные, рассмотрим на примерах.
Начнём с внутриоблачных молний.
Очевидно, электрический разряд является воссоединением отрицательных и положительных зарядов. Поэтому несложно предположить, что перед внутриоблачным разрядом в одной части грозовых облаков собираются значительные количества отрицательных зарядов, а в другой - положительных (рис. 17а).
При молниевом импульсе заряды встречаются (рис. 176) и аннигилируются. Соединившиеся молниевым каналом, облака оказываются без каких-либо зарядов (рис. 17в). Так как нет зарядов, то и электрические токи не могут возникать. Молниевый канал «не востребован», и поэтому разрушается (рис. 17г).
Рис. 17. Внутриоблачный разряд: а) предразядное состояние, б) пробой, в) послеразрядное состояние, г) разрушение канала
Импульс молнии закончился. Вместе с ним закончился и весь разряд, так как совершенно нет никаких предпосылок для второго импульса.
Внутриоблачные разряды всегда одноимпульсные. Объяснение этого при помощи электрической теории оказалось вполне логичным.
Одноимпульсными, хотя и крайне редко, бывают разряды на землю. Этому тоже можно найти объяснение с позиций электрической теории.
Если до этого в наших предыдущих рассуждениях мы полагали, что в грозовых облаках все отрицательные заряды связаны в единую
электроёмкость, то есть находятся в некой субстанции с хорошей проводимостью, то надо полагать - это не всегда так. Вполне могут быть ситуации, когда в грозовых облаках имеются разрозненные скопления электрических зарядов (рис. 18а).
Эти скопления индуцируют на земле положительные заряды.
Если ситуация благоприятная для разряда, то под облаками формируется лидер. Лидер продвигается к земле, оставляя за собой плазменный электропроводящий канал.
Рис. 18. Разряд на землю от грозовых облаков с разрозненными зонами скопления зарядов: а) предразрядное состояние, б) пробой, в) послеразрядное состояние, г) разрушение канала
При пробое заряды облака и земли встречаются (рис. 186) и аннигилируются (рис. 18в).
Зона поверхности, в которую произошёл разряд, блокирована от остальной поверхности Земли зонами влияния зарядов соседних облаков. Глобальный заряд не может проникнуть через этот заслон.
Центральное облако и зона под ним хотя и имеют значительную электроёмкость, но остались без зарядов. Причина заключается в том, что: нет никакой возможности подвести к пустующим зонам электрические заряды из других областей.
Электрическая активность в центральном облаке, в канале и в зоне под этим облаком останавливается. В результате канал разрушается (рис. 18г) и исчезает совсем.
Импульс был только один, но, тем не менее, молниевый разряд завершился.
Мы рассмотрели два примера одноимпульсных молний. На этих примерах хорошо видна причина, по которой одноимпульсные молнии отличаются от молний, состоящих из множества повторяющихся импульсов.
Как внутриоблачная молния, так и молния на землю от одной из разрозненных зон скопления зарядов грозовых облаков изолированы от глобальных отрицательных электрических зарядов. Заряды Земли
не имеют прямого контакта с опустевшими после разрядов молний зонами, способными к накоплению электрических зарядов.
Вполне вероятно, общий потенциал Земли, играет очень важную роль в многоимпульсных молниях, и именно он «виновен» в достаточно сложной картине такого разряда: в повторных импульсах и разложении импульса на несколько фаз.
8. Электрические процессы при молниевом разряде в землю
Молниевый разряд от грозового облака на землю состоит из нескольких импульсов. Импульсы же представляют собой ряд строго последовательных фаз. Для каждой фазы характерны свои электрические процессы (см. табл.).
Таблица
Электрические процессы в молниевом разряде»
Импульс Фаза Электрические процессы
Предразрядная Скопление отрицательных зарядов в нижнем слое облака. Индуцирование под облаком на земле положительных зарядов.
Первый Ступенчатый лидер Концентрация под облаком отрицательных электрических зарядов в пучок (формирование лидера ). Продвижение лидера к земле от одного участка с положительными зарядами к другому. По ходу движения лидера остаётся токопроводящий канал. Пробой между лидером и землёй. Встреча и аннигилирование зарядов облака и зоны земли под облаком.
Возвратный удар Глобальные заряды устремляются занять опустевшие поверхность земли под облаком, кнал молнии и нижний слой грозового облака.
Послесвечение Под влиянием зарядов в нижнем слое облака из канала и зоны под облаком выгоняются отрицательные заряды. Разрушается токопроводящий канал молнии. Облако и Земля превращаются в две отдельные электроёмкости. Заряды облака влияют на поверхность земли под ним. В результате, происходит индуцирование под облаком на земле положительных зарядов.
= 5. о н н о И Стреловидный лидер Отрицательные заряды облака и положительные заряды земли стекаются по уцелевшим частям канала, Пробой через разрушенный участок канала. Встреча и аннигилирование зарядов облака и зоны поверхности земли под облаком.
Возвратный удар См. возвратный удар первого импульса.
Послесвечение См. послесвечение первого импульса.
При подготовке к молниевому разряду происходит накопление отрицательных зарядов в нижнем слое облака. Эти заряды индуцируют положительные заряды на земле под облаком. После скопления значительного количества происходит разряд молнии, состоящий из нескольких импульсов. Первый импульс состоит из трёх фаз: ступенчатый лидер, возвратный удар и послесвечение.
В фазе ступенчатого лидера происходит концентрация под облаком отрицательных электрических зарядов в пучок (лидер). Сформировавшийся лидер продвигается к земле от одного участка с положительными зарядами к другому. По ходу движения лидера остаётся плазменный канал, обладающий токопроводящими свойствами. При приближении лидера к земле происходит пробой. После пробоя заряды облака и земли сливаются, аннигилируя друг друга.
За фазой ступенчатого лидера наступает возвратный удар. При возвратном ударе глобальные заряды устремляются занять опустевшие поверхность земли под облаком, канал молнии и нижний слой грозового облака.
Завершается первый импульс послесвечением. Под влиянием зарядов в нижнем слое облака из канала и зоны под облаком выгоняются отрицательные заряды. Разрушается токопроводящий канал молнии. Молния и Земля превращаются в две отдельные электроёмкости. Заряды облака проявляют дистанционное влияние на поверхность земли под ними и индуцируют под облаком на земле положительные заряды.
Любой повторный импульс начинается с фазы стреловидного лидера. Отрицательные заряды облака и положительные заряды земли стекаются по уцелевшим частям канала. Происходит пробой в
разрушенном участке канала. Заряды облака и зоны подоблачной поверхности земли встречаются, и происходит аннигиляция.
В повторных импульсах есть фазы возвратного удара и послесвечение. Эти фазы совершенно идентичны аналогичным фазам первого импульса. Все электрические процессы при возвратных ударах и послесвечении повторных импульсов точно такие же, как при возвратном ударе и послесвечении первого импульса.
Представленное нами описание электрических процессов, происходящих при молниевом разряде, согласуется с грозовой теорией М.В. Ломоносова и является важным элементом развития этой теории. Таким образом, повторные импульсы становятся совершенно обоснованными, а последовательность перетекания молниевого импульса из одной фазы в другую вполне объяснённой.
Литература
1. Иудин Д.И. Физика молнии: новые подходы к моделированию и перспективы спутниковых наблюдений / Д.И. Иудин, С.С. Давыденко, В.М. Готлиб [и др.] // УНФ. - 2018. - №8. - С. 850-864.
2. Колобков Н.В. Грозы и бури. - М., Л.: Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1949. - 64 с.
3. Ломоносов М. В. Слово о явлениях воздушных, от электрической силы происходящих, предложенное от Михайла Ломоносова // Полное собрание сочинений. - Т. 3. Труды по физике 1753-1765. - М., Л.: Изд-во Академии наук СССР, 1952. - С. 15-99.
4. Медведев С.С. Электрофизиология растений: учебное пособие. - СПб.: Изд-во С.-Петербургского университета, 1997. - 122 с.
5. Сингер С. Природа шаровой молнии / пер. П.С. Гурова, В.В. Рыбина. - М.: Мир, 1973. - 238 с.
6. Стекольников И.С. Молния и гром. - М., Л.: Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1947. - 39 с.
7. У кукурузы есть «мозг» // Наука и жизнь. - 2010. - №3. - С. 38-39.
8. Френкель Я.И. Теория явлений атмосферного электричества. - 2-е изд., испр. - М.: КомКнига, 2007. - 160 с.
9. Юман М. Молния / пер. с англ. С.И. Кирилловой, под ред. Н.В. Красногорской. - М.: Мир, 1972 - 320 с.
10. Юриков П.А. Защита электростанций и подстанций 3-500 кВ от прямых ударов молнии // Библиотека монтёра. - Вып. 541. - М.: Энергоиздат, 1982. - 88 с.
