Тарасов Л.В. - Ветры и грозы в атмосфере Земли (1109048), страница 40
Текст из файла (страница 40)
3.3. Грозовое облако 2 19 'З Рис. 3.11 Теперь вообразим, что мелкая и крупная водяные капли находятся рядом друг с другом и что из мелкой капли вылетели 1О ионов Н+, а из крупной 100 ионов Н' (числа взяты условно). Конечно, такую картину надо представлять не статически, а динамически— вылетевшие из капель ионы Н' могут возвращаться назад в капли. Чтобы мелкая капля стала снова электронейтральной, нужно, чтобы в нее вернулись 10 ионов Н', Однако вблизи капли находятся 11О ионов Н' и, значит, с большой вероятностью в нашу каплю вернугся более десяти ионов Н", в результате чего мелкая капля окажется положительно заряженной.
После этого крупная капля вынуждена оставаться заряженной отрицательно. Получается, что при наличии рядом мелких и крупных капель должен происходить фактически перенос ионов Н о/п крупных капель к мелким. Можно было бы указать несколько возможных физических механизмов, приводящих к разделению электрических зарядов в облаке. Строго говоря, все они должны рассматриваться как гипотезы. Один из механизмов был предложен Чарльзом Вильсоном. Познакомимся с ним в самых общих чертах. Представим себе водяную каплю, которая начинает падать сквозь грозовое облако. Напомним, что капля находится в электрическом поле атмосферы, направленном зь + + вниз — от ионосферы к Земле. Поле поляризует каплю так, что ее верх- / няя часть оказывается заряженной отрицательно, а нижняя положи- Д+ тельно.
Теперь представим себе, что 1 / на пути падающей капли встреча- 1 ются ионы атмосферы (как положительные, так и отрицательные). Передняя (по движению) часть капли заряжена положительно, поэтому встретившиеся положительные ионы будут отброшены в сторону, тогда как отрицательные ионы, напротив, будут притянуты к капле (рис. 3.11). Конечно, оказавшиеся позади падающей капли положительные ионы могут притянуться к ее отрицательно заряженной верхней части. Однако надо иметь в виду, что капля падает достаточно бы- 220 Глава 3. Электричество в атмосфере стро (особенно если это крупная капля), а ионы не очень подвижны; поэтому многие ионы попросту не успеют догнать удаляющуюся от них каплю.
В результате в процессе своего падения капля будет приобретать все больший отрицательный заряд. Поэтому в нижней части облака будет накапливаться отрицательный заряд. В то же время отброшенные в сторону положительные ионы будут снесены к вершине грозового облака восходящими потоками и увеличат положительный заряд в верхней части облака. Рассмотренный механизм электризации грозового облака достаточно нагляден. Однако в облаке не так уж много малоподвижных ионов. Даже если бы все отрицательные ионы были захвачены падающими каплями, а все положительные отброшены, то и в этом случае возникающий в грозовом облаке заряд был бы в десятки и даже сотни раз меньше наблюдаемого в действительности.
Более существенную роль в электризации грозового облака играет, по-видимому, обледенение его верхней части, происходящее в процессе формирования облака. Довольно трудно наглядно представить этот механизм. Поэтому ограничимся некоторыми качественными пояснениями, позволяющими понять его в общих чертах. Как известно, над поверхностью любого тела имеется «облако» электронов. Это электроны, у которых энергия теплового движения оказалась достаточно большой. Данное явление называют термоэлектронной эмиссией.
Существует специальное понятие: работа выхода— минимальная энергия электрона, при которой он может вылететь из данного вещества. Работа выхода различна для разных веществ. Предположим, что приведены во взаимный контакт вещества А и В. Пусть из вещества А электронам легче вылететь, чем из В (у вещества А работа выхода меньше, чем у В).
Понятно, что термоэлектронная эмиссия из А будет происходить интенсивнее, чем из В. В результате часть электронов перейдет из А в В, вещество В зарядится отрицательно, а вещество А положительно. Между контактирующими веществами возникнет разность потенциалов; ее называют контактной разностью потенциалов.
Возникнув, она будет препятствовать дальнейшему переходу электронов из А в  — устанавливается равновесие. Теперь обратимся к грозовым облакам. Они содержат как водяные капли, так и ледяные кристаллы. Вода и лед, таким образом, контактируют здесь друг с другом. За счет контактной разности по- 3.4. Линвйная маяния — искровой разряд в атмосфере 221 тенциалов, возникающей между льдом и водой, как раз и происходит электризация облака. Итак, электризация облака приводит к тому, что его верхняя часть заряжается положительно, а нижняя отрицательно. И как следствие, на подстилающем участке земной поверхности наводится положительный заряд (рис.
3.12). Нижнюю часть грозового облака и подстилающий участок поверхности образуют конденсатор. Этот конденсатор разряжается, во-первых, за счет молний, проскакивающих между грозовым облаком и земной поверхностью, а во-вторых, за счет осадков. И в том, и другом случае происходит перенос положительных зарядов с + + + + + + поверхности земли в облако. В древнеиндийском поэтическом сборнике «Семьсот стихотворений», создание которого датируют П1 — ЧП вв., есть такие строки: Слышите, как надрываются там грозовые могучие тучи, Землю веревками ливней пытаясь поднять в поднебесье? Здесь интересна мысль о существовании сия притяжения между тучей и землей. Такие силы действительно есть — это силы электрического притяжения, действующие между зарядами разных знаков. Конечно, автор четверостишия не мог и подумать об электрической природе этих сил (представления об электричестве сформировались много позднее), однако впечатляет догадка о существовании какихто сил между тучей и землей, возникшая у неизвестного нам поэта при виде струек ливневого дождя.
3.4. ЛИНЕЙНАЯ МОЛНИЯ вЂ” ИСКРОВОЙ РАЗРЯД В АТМОСФЕРЕ Эволюция представлений о природе молнии Вполне понятно, что молния и гром первоначально воспринимались людьми как проявление божьего гнева. У разных народов главными почитались боги-громовержцы — Зевс у древних 222 Глава Д Электричество в атмосфере греков, Юпитер у римлян, Индра у индусов, Тор у скандинавов, Перун у славян. Вместе с тем пытливый человеческий ум с давних времен стремился постичь природу молнии и грома, понять их естественные причины. Так, Аристотель полагая, что при грозе облака соударяются, производя гром, и при этом из них вытесняется некая «материя ветра» (Аристотель называл ее «пневмой»), которая вспыхивает огнем. «Молния возникает после удара и позже грома, но кажется, что раньше, потому что наше зрение опережает слух».
Так писал Аристотель во второй книге своей знаменитой «Метеорологики». Многие столетия, включая средние века, считалось, что молния— это «огненный пар», зажатый в водяных парах туч. Расширяясь, он как бы прорывает их в наиболее слабом месте и быстро устремляется к земле. Об этом упоминается, например, в «Божественной комедии» Данте: И как огонь, из тучи упадая, Стремится вниз... Вот перед нами старинный учебник физики.
Издан в 1760 г. в Санкт-Петербурге и имеет длинное название: «Вольфианская теоретическая физика с немецкого подлинника, сокрашенная, переведена на российский язык Императорской Академии Наук переводчиком Борисом Волковым». На странице 11О учебника читаем: «Что молния есть действительно огонь, оное явствует из того, что она по прикосновении своем к телам оные зажигает. А что огонь сей состоит из серных загоревшихся частиц, оное из серного запаха, который исходит от тел, молнией пораженных, ясно познается». Итак, молния есть огонь, который «состоит из серных загоревшихся частиц». Заметим, что такое утверждение переведено на русский язык в 1760 г., т. е.
восемь лет спустя после того, как была установлена электрическая природа молнии. Думается, что переводчик Императорской Академии Наук должен был бы знать об этом. В 1752 г. американский ученый и государственный деятель Бендэкамин Франклин (1706 — 1790) экспериментально доказал, что молния — это сильный электрический разряд. Он выполнил знаменитый опыт с воздушным змеем, который был запушен в воздух при приближении грозы.
На крестовине змея была укреплена заостренная проволока, к концу бечевки привязаны ключ и шелковая лента. «Как только грозовая туча окажется нал змеем, — писал Франклин в письме к 3.4. Панеаная молнии — искровой разряд в атмосфере 223 другу, — заостренная проволока станет извлекать из нее электрический огонь, и змей вместе с бечевой наэлектризуется... А когда дождь смочит змей и бечеву, сделав их способными проводить электрический огонь, вы увидите, как он обильно стекает с ключа при приближении вашего пальца». Встречаюшееся здесь словосочетание «электрический огонь» мы сегодня переводим как «электрический заряд».
Опыт Франклина с некоторыми изменениями был вскоре повторен рядом ученых. Одновременно с Франклином исследовали молнию и установили ее электрическую природу российские ученые аз ила ив Васильевич Ломоносов (17 1 1 — 1765) и Георг Рихман (17 11 — 1753) С середины ХМ!! в. стало понятно, что молния представляет собой мощный электрический разряд, возникающий нри достаточно сильной электризации облаков. Исходя из электрической природы молнии Франклин создал громоотвод, который правильнее было бы называть «молниеотводом». Это был длинный металлический стержень, который устанавливался вертикально и одним концом уходил в землю. Он предохранял постройки от поражения молнией.
Три вида линейных молний Грозы всегда сопровождаются молниями. Как правило, это так называемые линейные молнии. Изредка наблюдаются молнии еше двух типов шаровые и четочные (последних называют также хсемчуэкными). Шаровая молния имеет вид светяшегося шара, а четочная (жемчужная) — цепочки светяшихся шаров, разделенных темными промежутками около 10 м и напоминаюших четки или жемчуг, нанизанный на нить. Познакомимся поближе с линейной молнией. Она представляет собой гигантский (длиной до нескольких километров) искровой разряд в атмосфере.
Этот разряд в лабораторных условиях показан на рис. 3.13. Он возник между дву- Рис. 3.13 224 Глава 3. Электричество в атмосфере мя шарообразными электродами, находящимися на расстоянии примерно метра друг от друга. Для возникновения разряда нужно было довести напряженность электрического поля между электродами до 3 ! О' В/м. Такая же напряженность нужна и для возникновения молнии во время грозы. Роль электродов при этом играют грозовые облака и находящийся под ними участок земной поверхности.
Различают три вида линейных молний: нисходящие, восходящие и внутриоблачные (межоблачные). Когда на этапах начальной и зрелой грозы нижняя часть грозового облака заряжена отрицательно, а подстилающая поверхность земли положительно, может возникнуть (при соответствующей напряженности поля) нисходящая линейная молния (рис. 3.!4). Она развивается (часто говорят: «прорастает») от грозового облака к земле и ветвится в направлении сверху вниз. Можно сказать, что нисходящая линейная молния стартует в основании грозового облака. Рис. 3.14 Одновременно с появлением нисходящих молний начинают выпадать осадки из созревшей тучи, и, как отмечалось ранее, восходящие воздушные потоки внутри облака постепенно прекращаются, уступая место нисходящим.
Те довольно быстро разрушают тучу. В процессе разрушения тучи положительно заряженные ледяные кри- 3.4. Линейная молния — искровой разряд в атмосфере 225 сталлы опускаются вниз, превращаются в водяные капли и заряжают все облако положительно. Положительно заряженное облако наводит на подстилающей поверхности земли отрицательные заряды. Теперь становится возможным возникновение аасходянзих яинейныхмояний. Они «прорастают» от земной поверхности к облаку, аепзвнепся в направлении снизу вверх, стартуя с какого-либо высокого наземного обьекта (рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
