Молния представляет собой мощный электрический разряд в атмосфере,
возникающий в условиях сильной неустойчивости электрического поля между
облаком и земной поверхностью или между различными областями облака. Это
кратковременное, но чрезвычайно интенсивное явление сопровождается
выделением огромной энергии, ярким световым свечением, нагревом воздуха
до десятков тысяч градусов и генерацией ударной волны, воспринимаемой
как гром.
Энергия одного разряда молнии может достигать 109–1010 Дж, а токи, протекающие в
канале, составляют десятки и сотни килоампер. Поэтому изучение молнии
имеет не только фундаментальное значение, но и важное прикладное
значение для защиты технических систем, обеспечения безопасности людей и
объектов.
Электризация грозовых
облаков
Основным источником энергии молнии служит накопленный заряд в
грозовом облаке. Электризация облаков происходит в результате
взаимодействия водяных капель, кристаллов льда и граупеля
(снежно-ледяных частиц) при интенсивных вертикальных движениях
воздуха.
- Механизм столкновений. При соударении частиц в
условиях разной температуры происходит разделение зарядов: более легкие
ледяные кристаллы получают положительный заряд и уносятся восходящими
потоками вверх, тогда как более тяжелые частицы граупеля остаются в
нижней части облака, приобретая отрицательный заряд.
- Вертикальное распределение зарядов. В результате
облако приобретает дипольную структуру: верхняя часть положительно
заряжена, нижняя — отрицательно. Вблизи основания облака также может
формироваться положительный заряд меньшей величины, создающий сложное
распределение электрического поля.
- Электрическое поле. Напряженность поля в зоне грозы
может достигать 105–106 В/м, что в десятки раз
превышает пробивное поле воздуха при нормальных условиях.
Условия пробоя воздуха
Возникновение молнии связано с электрическим пробоем атмосферы.
- Пробивное напряжение. При нормальном давлении
воздух пробивается при напряженности порядка 3 × 106 В/м. Однако в грозовой
атмосфере процесс осложняется наличием неоднородностей, ионизирующего
излучения, пылевых и водяных частиц, что снижает эффективное значение
критического поля.
- Ионизация. Первоначальные свободные электроны,
возникающие от космического излучения или радиоактивного фона,
ускоряются в поле облака, вызывая каскадные процессы ударной ионизации.
Формируется плазменный канал.
- Лавинообразное развитие. Ускоренные электроны
инициируют лавины, которые в условиях сильного поля перерастают в лидеры
— узкие каналы частично ионизированного газа, распространяющиеся
скачками.
Ступенчатый лидер и его
развитие
Процесс молнии обычно начинается со ступенчатого
лидера — канала слабо светящегося разряда, движущегося от
облака к земле.
- Лидер распространяется скачками длиной в десятки метров с
интервалами в десятки микросекунд.
- Каждый скачок сопровождается локальной ионизацией воздуха и
образованием ответвлений.
- Скорость продвижения ступенчатого лидера составляет около 105 м/с.
- Ветвистая структура лидера определяет форму будущего канала
молнии.
Когда лидер достигает нижних слоёв атмосферы, от земли могут
подниматься встречные разряды — стримеры, которые
устремляются навстречу. В момент их соединения замыкается основной канал
разряда.
Основной разряд молнии
После замыкания канала между облаком и землёй происходит мощный
обратный удар (return stroke).
- Ток. В канале протекает импульс тока величиной
30–100 кА, иногда до 300 кА.
- Температура. Газ в канале нагревается до 25 000–30 000 ∘C, что в несколько раз
превышает температуру поверхности Солнца.
- Световое излучение. Интенсивное свечение охватывает
широкий спектр, включая видимый, ультрафиолетовый и инфракрасный
диапазоны.
- Акустический эффект. Быстрое расширение нагретого
воздуха создает ударную волну, воспринимаемую как гром.
Обратный удар движется вверх по каналу со скоростью до 108 м/с, что объясняет мгновенный
световой эффект молнии.
Многократные разряды и
структура канала
Молния редко ограничивается одним разрядом. Чаще всего наблюдается
серия из нескольких последовательных ударов, следующих по одному и тому
же ионизированному каналу.
- Повторные удары. Интервал между ними составляет
десятки миллисекунд.
- Общая продолжительность. Разряд молнии может
длиться до 1–2 секунд.
- Структура канала. Ионизированный канал после
первого разряда сохраняет проводимость, облегчая повторные
импульсы.
Виды молний
Различают несколько типов атмосферных разрядов:
- Облако–земля. Наиболее известная и опасная форма
молнии, достигающая поверхности.
- Внутриоблачные. Наиболее частый тип, при котором
разряд происходит между заряженными областями одного облака.
- Межоблачные. Разряд между соседними облаками.
- Корона и стримеры. Слабые разряды на острых
предметах при сильном электрическом поле, предвестники молнии.
- Высотные разряды. Редкие явления в стратосфере и
мезосфере: «спрайты», «джеты», «эльфы», связанные с электрической
активностью гроз.
Энергетические и
экологические последствия
Молнии играют двойственную роль в системе Земли.
Положительные эффекты:
- участие в азотном цикле за счёт образования оксидов азота при
высокой температуре;
- стимуляция электрических и химических процессов в атмосфере;
- косвенное влияние на биоразнообразие и экосистемы.
Отрицательные эффекты:
- опасность для живых организмов и технических объектов;
- инициирование лесных пожаров;
- разрушение линий электропередач, средств связи и электроники.
Современные методы
исследования и защиты
- Наблюдения. Используются радиолокационные станции,
оптические системы высокого разрешения, сети датчиков молний (Lightning
Mapping Arrays).
- Лабораторное моделирование. Высоковольтные
установки и генераторы импульсов позволяют воспроизводить отдельные
стадии разряда.
- Защита. На практике применяются молниеотводы,
системы заземления, экранирование линий электропередачи. Современные
методы включают активные системы с ионизацией воздуха для отвода
разряда.