Сложные процессы трения, ударов, расщепления капелек или ледяных кристалликов на части приводят к образованию в облаках электрических зарядов. При этом положительно заряженные капельки обычно относятся воздушным потоком в верхнюю часть облака. Превращаясь в ледяные кристаллики, они образуют шапку грозового облака.
Накопление в грозовом облаке больших зарядов приводит к мощным искровым разрядам как между отдельными частями облака, так и между двумя разными облаками или между облаком и поверхностью Земли. Эти разряды мы и наблюдаем в виде молний. Напряжение между облаками и землей оценивают в десятки и сотни миллионов вольт. Длина искры достигает 10 км. Молнии предшествует появление слабосветящегося канала, распространяющегося в направлении к земле. Когда канал достигнет земли, по нему устремляется главный разряд молнии со скоростью в десятки тысяч километров в секунду.
Таким образом, продолжительность молнии около 0,001c. Поэтому если вам когда-нибудь случится наблюдать движение пешеходов и автомашин ночью в грозу, при свете молнии, то вам представится поразительная картина. Движение как бы прекратилось, колеса неподвижны. Пешеходы как бы застыли в той позе, в какой их застал блеск молнии. Cлабосветящийся канал, предшествующий молнии, представляет собой скопление ионизованных частиц. В воздухе всегда имеется некоторое количество таких частиц.
Под влиянием сильного электрического поля между облаком и землей число частиц лавинообразно нарастает. При расщеплении молекул в процессе образования новых ионов возникает излучение, распространяющееся со скоростью света. Эти излучения вызывают новые расщепления и появление новых лавин.
Прежде образовавшиеся лавины нагоняют их и сливаются с ними в еле светящийся электропроводящий канал, по которому и устремляется мощный поток электронов - главный разряд молнии. Его скорость порядка десятков тысяч километров в секунду. Сила тока измеряется десятками и сотнями тысяч ампер. Температура молнии достигает 30 000 градусов . Она так сильно разогревает окружающий воздух, что он стремительно расширяется и с грохотом преодолевает звуковой барьер, подобно сверхзвуковому радиоактивному самолету. Грохот этот доходит до нас, и мы говорим: гремит гром.
Вспышка молнии распространяется в воздушной среде со скоростью света, так что мы видим ее практически в то же мгновение, когда происходит разряд, а грохот расширяющегося воздуха пролетает километр приблизительно за три секунды.
Молния и гром первоначально воспринимались людьми как выражение воли богов и, в частности, как проявления божьего гнева, Вместе с тем пытливый человеческий ум с давних времён пытался постичь природу молний и грома, понять их естественные причины.
В древние века над этим размышлял Аристотель. Над природой молний задумывался Лукреций. Весьма наивно предстовляются его попытки объяснить гром как следствие того, что "тучи сшибаются там под натиском ветров".
Многие столетия, включая и средние века, считалось, что молния - это огненный пар, зажатый в водяных парах туч. Расширяясь, он прорывает их в наиболее слабом месте и быстро устремляется в низ, к поверхности земли.
В 1752 году Бенджамин Франклин экспериментально доказал, что молния - это сильный электрический разряд. Одновременно с Франклиным исследованием электрической природы молнии занимались М.В. Ломоносов и Г.В.Рихман.
Благодаря их исследованиям в середине 18 века была доказана электрическая природа молнии. C этого времени стало ясно, что молния представляет собой мощный электрический разряд, возникающий при достаточно сильной электризации туч.
Большинство молний возникает между тучей и земной поверхностью, однако, есть молнии, возникающие между тучами. Все эти молнии принято называть линейными. Длина отдельной линейной молнии может измеряться километрами (линейную молнию можно получить искусственно - скользящий заряд).
Еще одним видом молнии является ленточная молния. При этом следующая картина, как если бы возникли несколько почти одинаковых линейных молний, сдвинутых относительно друг друга.
Было замечено, что в некоторых случаях вспышка молнии распадается на отдельные светящиеся участки длиной в несколько десятков метров. Это явление получило название четочной молнии.
Но бывают и другие молнии: расплывчатые, шаровые. Расплывчатые молнии не сопровождаются громом. Их называют зарницами, хотя правильнее назвать зарницей отблеск, отражения от воздушных слоев очень отдаленных молний, гром которых до нас не доходит.
Линейная молния представляет собой несколько импульсов, быстро следующих друг за другом. Каждый импульс - это пробой воздушного промежутка между тучей и землей, происходящий в виде искрового разряда. В его развитии есть две стадии: сначала образуется канаал разряда между тучей и землей, а затем по образовавшемуся каналу быстро проходит импульс основного тока.
Самостоятельный электрический разряд между грозовым облаком и землей после нескольких ударов молний сам собой прекращающийся, так как большая часть избыточных электрических зарядов в грозовом облаке нейтрализуется электрическим током, протекающем по плазменному каналу молнии.
Импульс тока длится примерно 0,1 м/с. Сила тока в канале достигает значений порядка 10 000 - 20 000 А.
При увеличении силы тока в канале молнии происходит нагревание плазмы до температуры свыше 10 000 К. Именно в этот момент рождается тот необычайно яркий свет, который мы наблюдаем при разряде молнии.
Изменение давления в плазменном канале молнии при увеличении силы тока и прекращении разояда явление, называемое звуковым громом.
После того, как прошел импульс основного тока, наступает пауза длительностью от 10 до 50 мс. За это время канал практически гаснет, его температура падает примерно до 1000 К, степень ионизации канала существенно уменьшается.
Шаровая молния - сравнительно редкое явление. На тысячу линейных молний приходится примерно одна шаровая. Расказы "очевидцев" часто приукрашены. Но в литературе имеется описание нескольких сот достоверно зарегистрированных случаев шаровых молний. По-видимому, шаровая молния - это вторичное явление, сопровождающее, при соответствующих условиях, удар основной линейной молнии. Часто она появляется и исчезает бесследно, не причинив вреда, но были и трагические случаи при взрыве такой молнии.
Продолжительность жизни шаровой молнии - от нескольких секунд до нескольких минут. Шаровые молнии бывают красноватые или белые. По-видимому, наиболее безвредные красноватые. Движутся они со скоростью несколько метров в секунду. В помещениях появляются чаще у электрических проводов и металлических предметов.
Шаровая молния абсолютно не похожа на обычную (линейную) молнию и по своему виду, не потому, как она себя ведет. Обычная молния кратковременна; шаровая живет десятки секунд, минуты. Обычная молния сопровождается громом; шаровая совсем почти бесшумна, в поведении её много непредсказуемого.
Шаровая молния задает нам множество загадок, вопросов, на которые нет ясного ответа. В настоящее время можно лишь предполагать, делать гипотезы.
Единственным методом изучения шаровой молнии является систематизация и анализ случайных наблюдений.
Сформулируем основные выводы, которые можно сделать из анализа наблюдений.
· 1) Плотность вещества шаровой молнии практически совпадает с плотностью воздуха и обычно лишь немногим превосходит его, то есть составляет вероятно около ( 1-2 )х1/1000 г/куб. см. Недаром шаровая молния стремится опуститься вниз, разницу между силой тяжести и выталкивающей (архимедовой) силой компенсирует конвекционные воздушные потоки, а также сила, с какой действуют на молнию атмосферное и электрическое поле.
· 2) Число шаровых молний N (t), распавшихся за время t, определяется следующим выра-жением:
N (t) = N0 | 1 - a1 exp(-t/i1) - a2 exp(-t/i2)|,
где a1 + a2 = 1; i1 = 5-10с; i2 <~50-80c; N0 - число молний в момент t = 0. Доли коротко-
живущих (a1) и долгоживущих (a2) молний меняются в различных статистических выборках. Для
наших данных они приблизительно одинаковы (a1 = 0,57, a2= 0,43).
· 3) Наиболее вероятный диаметр шаровой молнии равен 10 - 15 см, а средний диаметр 20 - 30 см.
· 4) Температура шаровой молнии (не считая момента "взрыва") лишь относительно ненамного превышает температуру окружающего воздуха, достигая, по-видимому, всего нескольких сотен градусов (предположительно 500 - 600К).
· 5) Вещество шаровой молнии является проводник ом с низкой работой выхода зарядов и поэтому обладает свойством легко рассеивать электрические заряды, накопившиеся в других проводниках.
·Контакт шаровой молнии с заряженными проводниками приводит к появлению кратковременных импульсов электрического тока, довольно значительных по силе и проявлению иногда на сравнительно большом расстоянии от места контакта. Это вызывает перегорание предохранителей, срабатывания реле, вывод из строя электроприборов и другие аналогичные явления. Электрические заряды стекают со значительной площади через вещество шаровой молнии и рассеиваются в атмосфере.
·Взрыв шаровой молнии во многих ( не исключено, что почти во всех ) случаях является следствием такого кратковременного электрического разряда. Поражения шаровой молнией людей и животных также, по-видимому, связаны с импульсами тока, которые она вызывает.
·Запас энергии шаровой молнии может составлять от нескольких килоджоулей до нескольких десятков килоджоулей, в некоторых случаях ( особенно при больших размерах молнии), возможно, до ста килоджоулей. Плотность энергии 1-10 Дж/см3. Однако эффекты взрыва могут определяться, по крайней мере в некоторых случаях, не энергией самой шаровой молнии, а энергией, накопленной во время грозы в заряженных проводниках и окружающих их электрических полях. Шаровая молния играет в этом случае роль тригггерного механизма, включающего процесс освобождения этой энергии.