Загадочные явления природы

Уже в середине XVIII века обратили внимание на внешнее сходство молнии с электрической искрой. Высказывалось предположение, что грозовые облака несут в себе большие электрические заряды и что молния — это гигантская искра, ничем, кроме размеров, не отличающаяся от искры между шарами электрической машины. На это указывал, например, русский физик и химик Михаил Васильевич Ломоносов (1711–1765), наряду с другими научными вопросами занимавшийся атмосферным электричеством.

Это было доказано опытным путем в 1752–1753 гг. Ломоносовым и американским ученым Бенджамином Франклином (1706–1790), работавшими одновременно и независимо друг от друга.

Ломоносов построил «громовую машину» — конденсатор, находившийся в его лаборатории и заряжавшийся атмосферным электричеством посредством провода, конец которого был выведен из помещения и поднят на высоком шесте. Во время грозы из конденсатора можно было рукой извлекать искры.

Франклин во время грозы пустил на бечевке змея, снабженного железным острием; к концу бечевки был привязан дверной ключ. Когда бечевка намокла и сделалась проводником электрического тока, Франклин смог извлечь из ключа электрические искры, зарядить лейденские банки и проделать другие опыты, производимые с электрической машиной. Следует отметить, что такие опыты чрезвычайно опасны, так как молния может ударить в змея, и при этом большие заряды пройдут через тело экспериментатора в землю. В истории физики были такие печальные случаи. Так погиб в 1753 году в Петербурге Г. В. Рихман, работавший вместе с Ломоносовым.

Обычная линейная молния представляет собой гигантский электрический искровой разряд между слоями атмосферы или между облаками и земной поверхностью. Длина его составляет несколько километров при напряжении несколько сотен миллионов вольт и длительности в десятые доли секунды. Форма молнии обычно похожа на разветвленные корни разросшегося в поднебесье дерева. Тому есть свои причины.

Проводимость верхних слоев атмосферы достаточно велика, чтобы атмосферу можно было считать сферическим проводником. Существующее между отрицательно заряженной поверхностью Земли и положительно заряженной верхней атмосферой электрическое поле могло бы разрядиться менее чем за 5 минут из-за непрерывной ионизации молекул воздуха под действием космического излучения и естественной радиоактивности Земли. Однако этого не происходит, поскольку в результате грозовой активности поддерживается постоянный приток электронов к Земле. Разность потенциалов между нашим носом и ступнями могла бы достигать 200 В, если бы не высокая проводимость человеческого тела.

При разряде молнии заряды в облаке распределяются следующим образом: в основании облака сосредоточивается относительно небольшой запас положительных зарядов, в середине — большой отрицательный, наверху — огромный положительный. Вначале возникает разряд между основанием облака и его отрицательно заряженной серединой, при котором электроны переходят в основание облака. Предельное напряжение пробоя, вызывающее образование ионизованного канала, составляет примерно 3 млн В/м. Далее разряд продвигается вниз в виде ступенчатого лидера, прыгающего скачками по 50 м с паузами по 50 мкс, и с каждым скачком отрицательный заряд перемещается из облака в нижнюю часть проделанного лидером канала. Светится лишь нижняя часть лидера, но из-за быстрого движения нам виден полностью светящийся канал. Лидер скачет по ломаной линии, отклоняясь под действием разбросанных в воздухе положительно заряженных островков. Если неоднородность велика, лидер может изменить направление с вертикального на горизонтальное.

Вблизи заостренных предметов на поверхности Земли электрическое поле достигает таких значений, что навстречу лидеру устремляется положительный заряд, а в месте встречи возникает яркая вспышка, продолжающаяся до полной нейтрализации электричества. Ярко светящаяся область устремляется вверх по каналу лидера и достигает облака. Если движение вниз совершается примерно за 20 мс, то обратное движение происходит всего за 0,1 мс. Диаметр разряда-лидера измеряется метрами, а обратного разряда — несколькими сантиметрами. Свечение идет от центральной части канала. Человеческий глаз не способен отследить столь быстрое движение, поэтому светящимся кажется весь ствол с ответвлениями.

При вспышке молнии возникают импульсы электромагнитного излучения в широком диапазоне — от сверхнизких частот до 30 кГц и выше. Наибольшее излучение радиоволн находится в диапазоне от 5 до 10 кГц. Такие низкочастотные радиопомехи сосредоточены в пространстве между нижней границей ионосферы и земной поверхностью и способны распространяться на расстояния в тысячи километров от источника.