«Наука и Техника» [журнал для перспективной молодежи], 2006 № 07 (7)

В день летней грозы многих и теперь, как в древние времена, охватывает страх и ощущение опасности. Сколько раз за лето каждый из нас видит вспышку молнии на небесах, и всякий раз ее огонь кажется таинственным. Да и ученый мир подтвердит, что, как ни прытка наука, познавшая все от атомов до созвездий, перед феноменом молнии — электрического разряда, возникающего между грозовой тучей и поверхностью Земли — долго пасовала и она. В этой области исследований еще не прошел описательный период.

Молнии рассекают атмосферу не только Земли, но и Венеры, Юпитера, Сатурна. Так, в конце января 2006 года межпланетная станция “Кассини” наблюдала за самой мощной грозой на Сатурне за всю историю наблюдений и сфотографировала эту космическую бурю.

К Земле же огненные стрелы молний летят со скоростью всего в двадцать раз меньше световой. В среднем вспышка молнии длится 30 миллисекунд. Ее мощность в это мгновение достигает 10¹² ватт, то есть в тысячи раз превосходит мощность небольшой АЭС. В канале молнии воздух разогревается до 30 тысяч градусов — в пять раз горячее, чем на поверхности Солнца. Разогретая плазма моментально расширяется и порождает мощную звуковую волну — гром.

Физика процесса достаточно известна — заряженные частицы в атмосфере появляются, когда капли дождя и ледяные кристаллы сталкиваются в грозовом облаке в сильных воздушных потоках и теряют или приобретают электроны. Отрицательно заряженные частицы собираются в нижней части облака. Когда накапливается большой заряд, происходит его разряд либо в облаках, либо между облаком и землей.

Изучение молний — достаточно сложный и дорогостоящий процесс. Год назад в Австрии стартовал крупный международный проект, в котором участвуют специалисты из 18 стран-членов ЕС, а также России, Украины, США, Японии и Канады. Возможно, нам откроются новые тайны молний.

Так, лишь недавно подтвердилось, что удары молний сопровождаются всплесками рентгеновского и гамма-излучения (впервые подобная гипотеза была высказана лет 80 назад). Мощное напряжение возникает не только между грозовой тучей и землей, но и между тучей и лежащими выше слоями атмосферы. На высоте от 20 до 80 километров может генерироваться напряжение до 20 миллионов вольт. Электроны, мчащиеся ввысь, порождают цепную реакцию. Сталкиваясь с молекулами воздуха, они вызывают их ионизацию. Постепенно возникает лавина электронов, летящих в сторону разреженной ионосферы. Там происходит все меньше соударений, и скорость электронов приближается к световой. Если они все же сталкиваются с другими частицами, то наблюдается излучение в рентгеновском или гамма-диапазоне. С 2002 года с околоземной орбиты ведется наблюдение за слабыми источниками гамма-излучения на нашей планете. Их активность длится от 0,2 до 3,5 миллисекунд. По некоторым оценкам, за сутки может появляться до полусотни таких источников.

По условиям развития грозы разделяются на внутримассовые и фронтальные.

Внутримассовые грозы над материком возникают в результате местного прогревания воздуха от земной поверхности, что приводит к развитию в нем восходящих токов местной конвекции и к образованию мощных кучево-дождевых облаков. Поэтому внутримассовые грозы над сушей развиваются преимущественно в послеполуденные часы. Над морями наиболее благоприятные условия для развития конвекции наблюдаются в ночные часы, и максимум в суточном ходе приходится на 4–5 часов утра.

Фронтальные грозы возникают на фронтальных разделах, т. е. на границах между теплыми и холодными воздушными массами и не имеют регулярного суточного хода. Над материками умеренного пояса они наиболее часты и интенсивны летом, в засушливых районах — весной и осенью. Зимние грозы возникают в исключительных случаях — при прохождении особенно резких холодных фронтов.

Грозы на Земле распределены неравномерно: в Арктике они возникают раз в несколько лет, в умеренном поясе в каждом отдельном пункте бывает несколько десятков дней с грозами. Тропики и экваториальная область являются самыми грозоопасными районами Земли и получили название «пояс вечных гроз», у них свой «полюс» — район Бютензорга на острове Ява: здесь грозы буйствуют 322 дня в году. В пустыне Сахара гроз вообще почти не бывает. К слову, по данным трехлетних наблюдений сотрудников Национального института космических исследований Бразилии, разряды молний над мегаполисами происходят почти в два раза чаще, чем над их окрестностями, но и этот вывод требует подтверждения.

Формирование молнии

Наиболее часто молния возникает в кучево-дождевых облаках, тогда они называются грозовыми; иногда молния образуются в слоисто-дождевых облаках, а также при вулканических извержениях, торнадо и пылевых бурях.