Физика грозы: от заряда в облаке до защиты на земле. Сложное явление простыми словами

Гроза — опасное, мощное, но завораживающее атмосферное явление. В этой статье мы не только полюбуемся ее мощью, но и разберем, как работает разделение зарядов в облаке, почему на самом деле нужен громоотвод и как инженерный подход спасает жизни уже 250 лет.

На знаменитой картине русского художника И.И. Шишкина перед вами расстилается бескрайнее поле зрелой ржи; среди желтого моря высятся стройные зеленые сосны. Зной. Все накалено. На синем небе легкая белая дымка. Чувствуется, как дрожащие струйки нагретого воздуха поднимаются вверх... В такой день внезапно начинают образовываться легкие белые облака, которые быстро темнеют, наливаются синевой, небо мрачнеет. Не проходит и получаса, как тяжелая, свинцовая туча низко нависает над полем. Темнеет. Волнуется рожь. Вздрагивают сосны. Взметается дорожная пыль. Налетает вихрь. И вот упали первые капли дождя, оставляя на дороге большие темные пятна. Дождь усиливается. Сильные струи с шумом обрушиваются на землю, создавая сплошную завесу из воды.
Вдруг в свинцовом небе сверкнула извилистая огненная лента... Молния! Она ударила где-то близко, и через 1-2 секунды раздается такой звук, будто рядом с вами большой высоты обрушились камни. Порывы ветра усиливаются. Сосны тревожно раскачиваются, склоняя свои кроны к земле. В воздухе творится нечто невообразимое... Вой ветра, потоки воды, грохот грома, мрачное небо, прорезаемое огненными зигзагами молний. а всего полчаса назад лишь стрекотанье кузнечиков нарушало ленивую тишину знойного дня. И.С. Стекольников

Гроза — мое любимое атмосферное явление. Сложно представить летний сезон без нее. Наблюдать за рождением и развитием грозового фронта — отдельное, захватывающее зрелище со множеством нюансов.

Обычно в детстве мы задаем родителям вопросы про грозу из серии "Почему?", и получив базовый ответ, остаемся удовлетворенными им на всю жизнь. Те, кто пытался почитать об этом явлении поподробнее, скорее всего ужаснулись сложности образования и течения гроз и забросили это дело. Не претендуя на особую легкость изложения, постараюсь поделиться знаниями об этом потрясающе красивом атмосферном явлении, присущим не только нашей планете.

Снимок АМС "Юнона" вспышки молнии в атмосфере Юпитера. Грозы, по-видимому, происходят на всех газовых гигантах, а также зафиксированы на Венере. Однако ключевое здесь -- зафиксированы [с помощью радиоволн], а не сфотографированы. Перед вами единственное реальное фото молнии за пределами Земли. Источник

Термодинамический двигатель: как рождается грозовая туча

Родить грозу дано не каждой туче. Уильям Шекспир

Гроза после жарких дней, особенно в горной местности – привычное дело. «Парит! Быть грозе» – одно из распространенных народных поверий. Для ее возникновения нужен мощный восходящий в небо поток влажного воздуха, что возможно лишь в спокойные и жаркие дни. Нагретые на солнце склоны испаряют влагу, насыщая ей горячий приземистый воздух, который всплывает вверх. На место выбывшего воздуха приходит такой же из боковых окрестностей, создавая теплый предгрозовой ветер, столь известный многим.

Чем выше над землей, тем ниже окружающая температура (воздух нагревается лишь от земли), поэтому теплый воздух всплывает все быстрее и быстрее. Но вечно такое длиться не может – на высоте 10-15 км влажный воздух остынет, пар сконденсируется сначала в капельки, потом, на большей высоте – в лед, и мы увидим грозовую тучу. Чем больше в ней влаги, тем она темнее. Остывший и потяжелевший воздух начнет свое движение обратно к земле, и падая вместе с каплями, создаст ливень с сильным, часто шквальным и уже холодным ветром. Лед, то есть град, обычно не успевает долететь до земли – тает, но гроза с градом – в целом не редкость, особенно в горах.

Панорама грозовой тучи, сделанная автором в горах. Несмотря на кажущуюся ограниченную высоту тучки, она не так уж и мала — выше 10 км, ибо самая темная область находится внизу, где в конце концов и скапливается больше всего влаги, обрушивающейся ливнем

Гроза — это гигантский тепловой двигатель, работающий на разности температур и скрытой теплоте парообразования. Без мощной конвекции и влаги явление невозможно.

Физика электричества: почему лед и град — основа молнии

Описанные процессы приводят к разделению электрических зарядов в грозовом облаке, а оно в свою очередь — к молниям. Как и между какими телами в туче происходит разделение зарядов — наиболее сложный момент в изучении физики гроз. Исследование атмосферного электричества идет уже несколько сотен лет, но за это время полностью сложившееся и единое мнение на процесс образования статического электричества в облаке так и не сформировалось.

Об открытии электрической природы молний

Впервые электрическую природу молний доказал Бенджамин Франклин в 1752 г. Его знаменитый эксперимент с воздушным змеем показал, что грозовые облака действительно электризованы, а молния — словно искра между двумя наэлектризованными трением телами.

Бенжамин Франклин — политик, общественник и ученый, но никак не президент

Франклин так же ошибочно считал, что в грозовом облаке капли воды, дробясь, заряжаются положительно, а пар — отрицательно.

Заряд в грозовом облаке, как и везде, возникает из-за обмена электронами — точно как при электризации палочки ветошью на уроках физики. Но электризуются только разнородные вещества — если тереть шелком по стеклу, они зарядятся разными знаками, а вот если тереть стекло о стекло — то ничего не выйдет. Стало быть, и в облаке должны "тереться" разнородные вещества — а это могут быть только капли воды, лед и снег — поэтому при сухом воздухе гроз не бывает.

В 1920-х годах британский физик Чарльз Т. Р. Вильсон (нобелевский лауреат 1927 г., изобретатель камеры Вильсона) теоретически обосновал, что разделение зарядов внутри облака должно быть следующим: плюс (+) — сверху, минус (-) — снизу. Первые прямые доказательства этого получили почти одновременно в разных странах, используя приборы на шарах-зондах и самолетах. В нашей стране этим в конце 1920-х — начале 1930-х занимался ученый И.С. Стекольников, чьим эпиграфом начинается эта статья. Тогда проводили рискованные полеты на аэропланах, оснащенных электрометрами, прямо в грозовые облака. Их данные одними из первых показали наличие отрицательного заряда в нижней части облака.

Известное распределение зарядов служит ключом к пониманию того, какие частицы их несут. Отрицательный заряд сосредоточен внизу — значит, его носители относительно тяжелы и опускаются под действием силы тяжести. Положительный заряд — наверху, а значит, его носители легки и увлекаются восходящим потоком. 

Распределение зарядов в грозовом облаке под действием восходящего конвекционного потока и силы тяжести. О положительном заряде в нижней части облака читайте далее

Граупель, или мягкий град — это осадки, которые образуются, когда переохлажденные  капельки воды собираются в воздухе и замерзают при падении снежинок, образуя шарики хрустящей непрозрачной изморози толщиной 2-5 мм

Несмотря на обилие различных механизмов электризации, сейчас большинство ученых считают главным обмен зарядами при столкновениях мелких кристаллов льда и частиц снежной крупы — граупеля.

Основная зона зарядки находится в центральной части облака, где температура от -15 до -25°С. Здесь восходящий поток уносит мелкие кристаллы льда вверх, а более тяжелый граупель зависает или падает. При столкновении лед приобретает положительный заряд, а граупель — отрицательный. В результате верхняя часть облака становится положительно заряженной, а нижняя — отрицательно. Восходящие потоки внутри грозового облака и ветры на более высоких уровнях атмосферы приводят к тому, что в верхней части грозовое облако горизонтально растягивается. Эта часть тучи называется «наковальней». Кроме того, из-за осадков и повышения температуры у основания грозового облака накапливается небольшой, но имеющий важное значение положительный заряд.

О трехслойной структуре заряда облака

Окружающий воздух всегда содержит небольшое количество легких положительных и отрицательных ионов (от космических лучей, естественной радиации и т.д.). Электрическое поле отрицательно заряженной капли притягивает к себе положительные ионы из воздуха, через который она падает. Капля при этом частично нейтрализуется, теряя часть своего отрицательного заряда (но обычно остается в целом отрицательной). Отрицательные же ионы, наоборот, отталкиваются от падающей капли и уходят в стороны. В итоге, в слое воздуха и мелких капелек непосредственно под зоной падения осадков накапливается положительный пространственный заряд.

Этот слой положительного заряда обычно не очень велик по величине, поэтому неспособен полностью экранировать отрицательный заряд облака со стороны поверхности Земли.

Когда заряды разделятся в достаточной степени, в облаке, преодолевая изолирующие свойства воздуха, проскакивает разряд электричества между отрицательным и положительно заряженными частями — молния, заряды по ее каналу возвращаются обратно к "хозяевам".

Анимация столкновения падающего граупеля (мягкого града, сплошные кружки), и поднимающихся восходящим потоком мелкого льда (показаны в виде снежинок). При столкновении в силу электризации трением поверхностные электроны отрываются у льда и переходят на граупель, заряжая его отрицательно

Электричество в облаке генерируется не трением "капель о воздух", а взаимодействием разных фаз воды (лед и граупель от переохлажденной воды) в мощном восходящем потоке.

Электрическое поле у Земли: как оценить риск и обезопасить себя

Поверхность Земли, находясь под грозовой тучей, испытывает индуцированный положительный заряд – электроны отталкиваются вглубь грунта.

Механизм индуцированной зарядки человеческого тела и земной поверхности — отталкиваясь от одноименно заряженной нижней части тучи, электроны из тела убегают в землю, делая его положительно заряженным. Это справедливо для любого проводящего ток предмета

Заряд вокруг тучи

Любопытно, что на периферии грозовой тучи точно так же положительный заряд в «наковальне» может привести к накоплению индуцированного отрицательного заряда на земле, который может распространяться далеко за пределы грозового облака.

Таким образом, во время грозы мы находимся между «плюсом» земли и «минусом» облака. Разноименность заряда, порождающая при мощных грозах очень сильное электрическое поле, иногда приводит к притяжению волос, а на острых предметах может зажечься коронный разряд ("огни Св. Эльма").

При сильной грозе возможно такое. Есть ошибочное мнение, что торчащие вверх волосы при грозе — предвестник удара в человека молнии. На самом деле между этими явлениями нет прямой связи, однако при столь сильной грозе лучше быть в укрытии в любом случае — электрическое поле очень сильно и риск удара молнии в целом велик

Всем известно, что при нахождении на открытом месте во время грозы риск поражения молнией далеко не нулевой – она старается ударить по наикротчайшему пути, и любое возвышение над равниной сокращает этот путь до облака.

Тут как раз можно отметить, как бьет молния. На замедленной съемке видно, что сначала от облака к земле проходит относительно неяркий ветвящийся разряд, как бы ищущий наиболее подходящий путь для молнии – так называемый лидер. Вслед за ним уже от земли к облаку проскакивает основной разряд по наивыгоднейшему пути – собственно молния. На все это уходит не более 0,1 с и глаз не успевает различить детали.

Но вернемся к теме опасности стихии. Самые неподходящие места при грозе – быть в лодке на воде, �� поле, на гребне или вершине гор. И если такое все ж случилось, нужно минимизировать свое возвышение над окружающей местностью – например, сесть или лечь на грунт.

Вообще, молния «прощупывает» путь удара не с точки зрения топографии реальной поверхности, а исходя из конфигурации электрического поля над ней. Так, например, в лесу поверхностью Земли для молнии будут верхушки деревьев, а не сам грунт – войдя в лес, мы для грозы станем «невидимыми» – как бы опустимся под поверхность земли. Другое дело отдельно стоящее дерево – возвышаясь над равниной, оно может являться хорошей мишенью для сокращения пути разряду, хотя и здесь есть нюансы.

Идущие вдоль земли линии одинакового напряжения относительно грунта (эквипотенциальные поверхности) над человеком или иным более-менее проводящим телом искривляются вверх и уплотняются. Чем больше разность потенциалов между каким-либо объектом и облаком, тем проще ударить в него молнии. Разность потенциалов максимальна между облаком и землей (левая красная стрелка). Но она такая же между головой человека и облаком, однако расстояние между ними уже меньше и молнии ударить в человека проще. В лесу же (рисунок справа), линии электрического поля в основном оканчиваются на макушках проводящих ток деревьев и человек никак на него не влияет

Вряд ли многие задумывались о молниеотводе (громоотводе) – этом простом и уже давно известном устройстве, применяемом на зданиях, опорах линий электропередач, башнях и пр. возвышенностях. А если и задумывались, то большинство скажет, что молниеотвод – специально торчащее повыше металлическое острие, служащее для удара в него молнии и отвода ее в землю, то есть принимающего удар на себя, и этим защищающее объект. Но это, так сказать, функция «на крайний случай» (хоть он чаще и происходит), а дополнительная – в честь которой устройство и названо – предотвращать удар молнии вообще.

Заземленный торчащий острый штырь создает локальное искажение поля и, за счет коронного разряда, может нейтрализовать часть заряда в пространстве над собой, снижая вероятность удара. Или, если говорить совсем по-простому, «приподнимает» с точки зрения электрического поля поверхность земли над защищающем зданием, почти как в примере с человеком в лесу. И здание, опора ЛЭП и пр. как бы исчезают для молнии из поля зрения, скрываясь под "зонтиком" молниеотвода. Однако этот механизм не поможет, если напряженность поля слишком высока, но зато при этом молния ударит не куда-нибудь, а именно в молниеотвод, который, ввиду низкого сопротивления, отводит заряд в землю не причиняя урона защищаемому объекту.

Курьезы истории молниеотвода

Молниеотвод применялся человечеством, по-видимому, очень давно. Но в новое время он был переизобретен в 1572 г. Бенджамином Франклином. И хотя он изображен на американских купюрах, президентом США он не был, как считают многие. Годом позднее Ломоносов предложил использовать молниеотводы и в России. Кстати, его друг и коллега по академии Георг Рихман при опытах с атмосферным электричеством трагически погиб в том же году. Ломоносов об этом писал: «…Красно-вишнёвое пятно видно на лбу, а вышла из него громовая электрическая сила из ног в доски. Ноги и пальцы сини, башмак разорван, а не прожжён… Рихман умер прекрасной смертью, исполняя по своей профессии должность. Память его никогда не умолкнет».

Гравюра Ивана Соколова, посвященная гибели Рихмана. Сам художник был свидетелем проишествия

Как и происходило со многими изобретениями, внедрение молниеотводов происходило не всегда гладко. Яркий пример — история 80-летнего адвоката Николая Виссери де Буавалле из Сент-Омера. В 1780 году он установил громоотвод, но провёл заземляющую проволоку по стене дома соседки, с которой был в ссоре. Та, вместе с другой соседкой, подала жалобу, утверждая, что устройство угрожает пожаром и даже вызывает болезни.

Суд предписал убрать громоотвод. Виссери, вместо полного демонтажа, лишь убрал наконечник и, заручившись поддержкой адвоката Бюиссара, подал апелляцию. Бюиссар заручился научными заключениями (в том числе от метеоролога Луи Котта) и передал дело перспективному адвокату Максимилиану Робеспьеру.

Робеспьер построил защиту на фактах, признавая риски электрических опытов (как гибель Рихмана), но доказывая безопасность самих громоотводов. Он выиграл процесс, что принесло ему первую известность. Виссери до смерти (1784) оберегал отсуженный громоотвод, даже включив его в завещание, что впоследствии создало проблемы его наследникам.

Максимилиан Робеспьер — неподкупный и безжалостный, но начинал с дела о громоотводе. Объявив террор основным орудием построения «светлого будущего» во Франции, он уже не мог остановиться и сам закономерно стал жертвой гильотины. Имя Робеспьера не умерло и активно использовалось в политическом лексиконе. Враги Наполеона прозвали корсиканского выскочку «Робеспьером на коне». Энгельс как-то написал об Оливере Кромвеле — вожде английской революции, — что он «соединял в себе Робеспьера и Наполеона». Лев Троцкий иронично именовал Ленина «Максимилианом», а герои французских кинокомедий 1980-х дразнили «робеспьерами» активистов Социалистической партии Франсуа Миттерана

Хорошо проводящее ток увлажненное дерево, например лиственница, имеющая острую макушку, тоже может служить молниеотводом, защищающим от грозы пространство вокруг себя, но не стоит рисковать, и при громе следует избегать отдельно стоящих деревьев, столбов, мачт — если громоотвод не справляется с рассасыванием заряда, то молния чаще поражает те объекты, которые хорошо заземлены и сами являются проводниками электричества. Дерево – проводник с куда более высоким сопротивлением, чем стальная проволока молниеотвода, а потому прохождение через него многих килоампер тока мгновенно его разогревает, поджигая, а образовавшийся от воды пар разрывает ствол и ветки. Если же вы прислонитесь к стволу или просто будете стоять рядом – вполне можете оказаться для молнии лучшим проводником.

Зато если вы на открытом пространстве обнаружили любое углубление – ямку в грунте, свободное место в невысоких кустарниковых сплошных зарослях и тому подобное – знайте, это хорошее убежище от грозы для вас. Уж лучше полчаса посидеть в луже, чем быть убитым или покалеченным от молнии, вероятность удара которой на открытой местности в человека весьма ощутима.

От молнии на планете гибнет несколько десятков тысяч человек в год. Официальная статистика ВОЗ – 24 000 – 60 000 смертей в год (включая непрямые случаи, например, от пожаров). Кстати, количество жертв молнии в наше время сильно меньше, чем это было, например, век назад – урбанизация уменьшила количество людей «в поле», в области высокого риска поражения ударом стихии.

---

Заключение

Заканчивая заметку о грозе, хотелось бы подчеркнуть две вещи. Во-первых, атмосферное электричество гораздо многограннее и сложнее рассмотренного. Достаточно упомянуть фактически недавно открытые новые виды разрядов — спрайты и джеты, выходящие за рамки статьи. Молнии играют значительную роль в глобальном круговороте азота, влияют на концентрацию и распределение озона с гидроксильными радикалами в атмосфере, и тем самым — на баланс солнечной радиации и климат. Возможно, что молнии некогда даже способствовали зарождению жизни на Земле.

Молнии, джеты (струи), спрайты с эльфами — сколько разновидностей атмосферных электрических разрядов! Самое раннее сообщение о спрайтах датируется 1886 годом, а их первая фотография, причем случайная, получена лишь 6 июля 1989 года

Во вторых, хочется напомнить, что за возникновением грозы стоит, помимо восходящего конвективного потока, вода. Вода во всех ее фазах — в виде пара, жидкости, льда и снега. Вообще, вода — очень удивительная штука, не так ли? Правда, на других планетах грозы образуются и без нее — например, в атмосфере Венеры почти нет воды, но молнии регистрируются.

Гроза — это не просто стихия, а грандиозный физический эксперимент, разворачивающийся над нашими головами. Понимание его механизмов не убирает трепет, но добавляет уважение к силе природы и ясность в вопросах собственной безопасности.

Гроза не страшит того, чей дух умеет взлететь выше облаков. — Виктор Губарев