Тарасов Л.В. - Ветры и грозы в атмосфере Земли (1109048), страница 41
Текст из файла (страница 41)
3.15). Рис. 3.15 Рис. 3.16 226 Глава 3. Электричество в атмосфере Третий вид линейных молний — внутриоблачлые и межоблачные. Они развиваются от одной части облака к другой или от одного грозового облака к другому (рис. 3.16). Чаще всего наблюдаются внутриоблачные н межоблачные молнии; на них приходится 60% всех линейных молний. Количество молний облако — земля составляет 40%; из них 90% — нисходящие молнии и только 10% — восходящие. А вообще в земной атмосфере каждую секунду сверкают в среднем около ста линейных молний.
Наиболее изучены нисходящие линейные молнии. Ниже мы достаточно подробно рассмотрим физику процессов, происходящих при возникновении во время грозы именно этих молний. «Паспортные данные» линейной молнии Отметим некоторые параметры линейной молнии. Длина составляет от нескольких сотен метров до нескольких километров. Разряд молнии длится 0,2 с. Средний ток в разряде порядка 1Оз А и даже больше, а общий заряд, переносимый молнией, достигает 200 Кл (в среднем несколько десятков кулонов). Видимый канал молнии имеет диаметр несколько дециметров.
Наблюдая разряд молнии, замечаем, что он состоит из нескольких последовательных импульсов (их называют также комионентами молнии). Длительность каждого импульса (компонента) порядка 10 "с; промежутки между импульсами около 0,05 с. Оценим энергию, выделяющуюся при разряде молнии, полагая электрическое поле между земной поверхностью и нижней границей грозового облака однородным. Будем считать, что горизонтальные размеры облака 4 х 4 км, расстояние от нижней его границы до земли 1 км, разность потенциалов мехсду облаком и землей 10~ В. Воспользуемся моделью плоского конденсатора. В нашем случае площадь каждой пластины конденсатора Ю= 16 кмз = 1,6 1О' мз, расстояние между пластинами И = 10' м, разность потенциалов У = 1Ое В. Сначала найдем электроемкость конденсатора С, используя хорошо известную формулу: С = еоо/И (напомним: ео = 8,85.
10 м Ф/м — электрическая постоянная). Подставляя в (3.25) численные значения, находим: С = 1,5 ! 0 ' Ф. Хотя наш природный «конденсатор» имеет весьма внушительные разме- 3.4. линейная молния — искровой разряд в атмосфере 227 ры, его емкость оказывается скромной. В радиоприемниках при- менялись конденсаторы с емкостью в тысячу раз большей. Но у на- шего «конденсатора» огромная разность потенциалов, а потому и энер- гия Ис велика: ))' = — Сиз = 7,5 1О'о Дж. 2 (3.26) Физика процессов, происходящих при возникновении нисходящей линейной молнии Как уже отмечалось, линейная молния представляет собой несколько следующих друг за другом искровых разрядов между грозовым облаком и землей, называемых импульсами или, иначе, компонентами молнии. Принципиально важную роль играет нервый импульс (компонент), поскольку он возникает в невозмущенном воздухе, т.
е. в воздухе, который не был предварительно ионизирован и натрет. С процессов, происходящих в этом импульсе, мы и начнем рассмотрение физики нисходящей молнии. В развитии импульса есть две стадии— лидериая и гяавнал. На лидерной стадии формируется в направлении от тучи к земле плазменный канал разряда. На главной стадии по образовавшемуся каналу быстро проходит в обратном направлении (от земли к туче) импульс основного тока. Его называют возвратным ударом.
Лидерная стадия начинается с образования у основания тучи ллазменных нитей — так называемых стримеров. Свободные электроны, находящиеся в основании тучи, приобретают под действием электрического поля напряженностью около 3 1О' В/м огромное ускорение. Это ускорение направлено вниз, так как нижняя часть тучи заряжена отрицательно, а поверхность земли под тучей положительно. Сталкиваясь с молекулами воздуха, электроны ионизируют их. При этом рождаются новые (вторичные) электроны, которые На самом деле энергия молнии по крайней мере на порядок меньше.
Это вполне понятно, так как, во-первых, лоле между облаком и землей лишь приближенно можно считать однородным и, во-вторых, одна молния не разряжает полностью конденсатор облако — земля. 228 Глава 3. Электричество в атмосфере в свою очередь ускоряются в поле тучи и затем в столкновениях ионизируют новые молекулы.
Возникают лавины быстрых электронов, образующие нити плазмы (стримеры). Объединяясь, стримеры дают начало плазменному каналу (рис. 3.17, а). Этот канал наполнен свободными электронами и ионами и поэтому может хорошо проводить электрический ток. Его называют лидером или, точнее, стуненчатым лидером. Рис. 3.17 Дело в том, что канал формируется скачками (ступенями). Головка лидера выскакивает из тучи и движется со скоростью порядка 10' м/с.
Пройдя расстояние порядка 100 м, она внезапно останавливается. Остановка длится около 5 10-' с. Лидер как бы набирается сил, а затем следует бросок еще примерно на 100 м, причем совсем не обязательно в направлении предыдущего броска, и снова короткая остановка. Так отдельными бросками (ступенями) головка лидера постепенно приближается к земной поверхности, оставляя позади себя плазменный канал в виде причудливой ломаной линии (рис.
3.17, б). Заметим, что светится лидер относительно слабо, он почти не ви- Д4. Линейная молния — искровой разряд в атмосфере 229 Головка лидера ден; при высокоскоростной фотосъемке его головка выглядит светлым пятнышком, рывками приближающимся к земле. Обратим внимание на то, что напряженность поля в области пространства непосредственно перед головкой лидера существенно больше, чем в туче. Стримеры формируются в основании тучи при напряженности поля около 3 10з В/м, а поле перед головкой лидера имеет напряженность до 10' В/м. Увеличение напряженности поясняет рис. 3.18, где штриховыми линиями показаны сечения эквипотенциальных поверхностей, а сплошными — линии напряженности.
Аналогом лидера может служить металлическая игла, соединенная с источником напряжения. Поле вблизи острия иглы Рис. 3.18 будет сильным даже при относительно невысоком напряжении (так, напомним, возникает коронный разряд вблизи острия). В сильном электрическом поле вблизи головки лидера происходит интенсивная ионизация молекул, превращающая электронейтральный воздух в хорошо проводящую плазму. Ионизация происходит за счет, во-первых, бомбардировки молекул воздуха быстрыми электронами, вылетающими из лидера (ударная ионизация), и, вовторых, за счет поглощения молекулами воздуха фотонов ультрафиолетового излучения, испускаемого лидером (фотоионизация). Лидер перемещает в пространстве свое сильное поле, и вследствие интенсивной ионизации встречающихся в этом поле молекул плазменный канал становится все более длинным.
Вот, наконец, лидер достиг земли (рис. 3.17, в). С учетом остановок по пути ему понадобилось на это время порядка 1О-' с при расстоянии 1 км между тучей и земной поверхностью. Канал ионизованного воздуха как бы замкнул тучу с землей накоротко. На этом лидерная стадия первого импульса молнии заканчивается. Впрочем, тут необходимо некоторое уточнение. Строго говоря, нисходящий лидер не доходит до земли. Под действием поля вблизи 230 Глава 3. Электричество в атмосфере головки лидера из выступающих на поверхности земли обьектов (мачт, деревьев, зданий) выбрасывается ответный (встречный) лидер и перехватывает нисходящий лидер.
Эта особенность нисходящей молнии как раз и используется для создания молниеотвода. Главная стадия импульса начинается с момента встречи нисходящего и ответного лидеров. Она протекает быстро и мощно. По проложенному лидером пути устремляется основной ток (рис. 3.17, г). Импульс тока длится менее 10 4 с. Сила тока достигает 10' А. Выделяется значительное количество энергии (до 104 Дж). Температура в канале молнии достигает 3 104 К. Вот теперь как раз и рождается тот необычайно яркий свет, который мы наблюдаем при разряде молнии, и возникает гром вследствие резкого расширения внезапно нагретого газа.
Отметим, что свечение и разогрев плазменного канала развиваются в случае нисходящей молнии в обратном направлении — от земли к туче. Поясним это, разбив условно весь канал на части. Как только капая образовался, вниз (на землю) соскакивают прежде всего те электроны, которые находились в самой нижней части канала; поэтому нижняя часть начинает первой светиться и разогреваться. Затем к земле устремляются электроны из следующей (более высокой) части канала. И так постепенно — от низа до верха — в движение к земле включаются новые и новые электроны; в результате свечение и разогрев канала распространяются в направлении снизу вверх.
Получается, что нисходящая молния бьет, по сути дела, не из тучи в землю, как это обычно полагают, а наоборот, из земли в тучу. На рисунках часто изображают стрелы-молнии бьющими сверху, из тучи. Действительность оказывается иной (по крайней мере, для большинства линейных молний, возникающих между землей и облаком). Но вернемся к физике нисходящей молнии.
После того как прошел импульс основного тока, наступает пауза около 0,05 с. За это время канал практически гаснет, его температура падает до 10' К, степень ионизации канала существенно уменьшается. Однако в туче еще сохранился большой заряд, поэтому новый лидер устремляется из нее к земле, готовя дорогу для следующего импульса тока.
Новый лидер следует по пути, проторенному начальным лидером — ведь на этом пути сохранилось еще много ионов. Без остановки и без ветвления пробегает новый лидер весь путь сверху донизу. Теперь его называют не ступенчатым (ведь ступеней больше 14. Линейная молния — искровой разряд е атмосфере 231 иет), а стреловидным лидером, И снова следует мощный импульс основного тока, распространяющийся по восстановленному каналу снизу вверх.
Такова в общих чертах физика нисходящей молнии. Впрочем, реальная картина оказывается сложнее. Не всегда стреловидный лидер следует точно по пути, проложенному предыдущим лидером. В какой-то точке ои может изменить маршрут. И тогда мы наблюдаем молнию в виде нескольких ломаных линий. Роль космических лучей в образовании молний Обратим внимание иа то, что развитие стримеров и иачало роста ступенчатого лидера происходит при напряженности поля в основании тучи, равной примерно 3 10' В/м. Одиако„как мы уже отмечали, в лабораторных условиях для появления искрового разряда необходима иапряжеииость поля в воздушном промежутке между электродами около 3.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
