Молния

Мо́лния — электрический искровой разряд в атмосфере, происходящий во время грозы, проявляющийся яркой вспышкой света и сопровождающим её громом. Молнии также наблюдаются на Венере, Юпитере, Сатурне, Уране и других планетах. Сила тока в разряде молнии на Земле составляет в среднем 30 кА, иногда достигает 200 кА, напряжение — от десятков миллионов до миллиарда вольтКошкин Н. И., Ширкевич М. Г. Справочник по элементарной физике. — 5-е изд. — : Наука, 1972. — С. 138..

История изучения

Молния издревле является объектом интереса со стороны человека. Её опасные проявления были известны ещё с глубокой древности. В язычестве молнию считали деятельностью наиболее могущественных богов: Зевса в древнегреческой мифологии, Тора — в скандинавской, Перуна — в славянской. Поражение молнией считалось карой божьей. Соответственно, для защиты от молнии совершались определённые ритуалы и обряды. Из античной и славянской мифологии представление о молнии, как об инструменте божественной деятельности перекочевало и в христианство. Несмотря на восприятие молнии как проявления высших сил, тем не менее, уже в античности были выявлены определённые закономерности в поражении объектов молнией. Ещё Фалесом было описано, что молния чаще всего ударяет в высокие отдельно стоящие объекты. В Средние века молния часто становилась причиной пожаров в деревянных городах, откуда пошло правило, что нельзя строить дома выше храма. Храмы, расположенные, как правило на возвышенных местах, выполняли в этих случаях роль молниеотводов. .

Большой толчок в изучении молнии дало развитие мореплавания. Во-первых, мореплаватели столкнулись с грозами невиданной на суше силы. Во-вторых, обнаружили, что грозы неравномерно распределены по географическим широтам. В-третьих, заметили: при недалеком ударе молнии стрелка компаса испытывает сильные возмущения. В-четвёртых, четко связали появление огней святого Эльма с надвигающейся грозой. Кроме того, именно мореплаватели первыми обратили внимание, что перед грозой возникали явления, похожие на те, что возникают при электризации стекла или шерсти от трения.

Развитие физики в XVII—XVIII веках позволило выдвинуть гипотезу о связи молнии и электричества. В частности, такого представления придерживался М. В. Ломоносов. Электрическая природа молнии была раскрыта в исследованиях американского физика Б. Франклина, по идее которого был проведён опыт по извлечению электричества из грозового облака. Широко известен опыт Франклина по выяснению электрической природы молнии. В 1750 году Франклин опубликовал работу, в которой описан эксперимент с использованием воздушного змея, запущенного в грозу. Опыт Франклина был описан в работе Джозефа Пристли. К началу XIX века большинство учёных уже не сомневалось в электрической природе молнии (хотя существовали и альтернативные гипотезы, например химическая) и основными объектами исследования стали механизм выработки электричества в грозовых облаках и параметры грозового разряда.

В июне 1847 года американский фотограф Томас Мартин Истерли (Thomas Martin Easterly) сделал первую из известных фотографий молнии — «Уличная сцена № 267». Первой фотографией, сделанной с научными целями, считается работа Уильяма Николсона Дженнингса (William Nicholson Jennings), созданная в 1882 году. Первые спектры были запечатлены в 1893 году в Германии. Важный этап в фотофиксации молний произошёл в 1902 году, когда английский физик-экспериментатор Чарлз Вернон Бойс создал специальный фотоаппарат.

В 1989 году были обнаружены особые виды молний в верхней атмосфере: эльфы и спрайты. В 1995 году был открыт другой вид молний в верхней атмосфере — джеты.

В конце XX века при изучении молнии были открыты новые физические явления — пробой на убегающих электронахГуревич А. В., Зыбин К. П. «Пробой на убегающих электронах и электрические разряды во время грозы » // УФН, 171, 1177—1199, (2001) и фотоядерные реакции под действием гамма-излучения грозового разрядаБабич Л. П. «Грозовые нейтроны» // УФН, 189, 1044—1069, (2019).

Для изучения физики молнии применяются методы наблюдения со спутниковИудин Д. И., Давыденко С. С., Готлиб В. М., Долгоносов М. С., Зелёный Л. М. «Физика молнии: новые подходы к моделированию и перспективы спутниковых наблюдений » // УФН, 188, 850—864, (2018).

Виды

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

Обычно наблюдаются линейные молнии, которые относятся к так называемым безэлектродным разрядам, так как они начинаются (и заканчиваются) в скоплениях заряженных частиц. Это определяет их некоторые до сих пор не объяснённые свойства, отличающие молнии от разрядов между электродами. Так, молнии не бывают короче нескольких сотен метров. Молнии возникают в электрических полях значительно более слабых, чем поля при межэлектродных разрядах. Накопление зарядов, переносимых молнией, происходит за тысячные доли секунды с миллиардов мелких, хорошо изолированных друг от друга частиц, расположенных в объёме нескольких . Наиболее изучен процесс развития молнии в грозовых облаках, при этом молнии могут проходить в самих облаках — внутриоблачные молнии, а могут ударять в землю — молния облако-земля. Для возникновения молнии необходимо, чтобы в относительно малом (но не менее некоторого критического) объёме облака образовалось электрическое поле (см. атмосферное электричество) с напряжённостью, достаточной для начала электрического разряда (~ 1 МВ/м), а в значительной части облака существовало бы поле со средней напряжённостью, достаточной для поддержания начавшегося разряда (~ 0,1—0,2 МВ/м). В молнии электрическая энергия облака превращается в тепловую, световую и звуковую.

Молнии облако-земля

Процесс развития такой молнии состоит из нескольких стадий. На первой стадии в зоне, где электрическое поле достигает критического значения, начинается ударная ионизация, создаваемая вначале свободными зарядами, всегда имеющимися в небольшом количестве в воздухе, которые под действием электрического поля приобретают значительные скорости по направлению к земле и, сталкиваясь с молекулами, составляющими воздух, ионизуют ихУченые с помощью радиотелескопа впервые увидели, как рождаются молнии // Газета.ru, 10 января 2022.

По более современным представлениям, ионизация атмосферы для прохождения разряда происходит под влиянием высокоэнергетического космического излучения — частиц с энергиями 1012—1015 эВ, формирующих широкий атмосферный ливень с понижением пробивного напряжения воздуха на порядок от такового при нормальных условияхЕрмаков В. И., Стожков Ю. И. Физика грозовых облаков // Физический институт им. П. Н. Лебедева, РАН, М., 2004 г. . Запуск молнии происходит от высокоэнергетических частиц, вызывающих пробой на убегающих электронах («спусковым крючком» процесса при этом являются космические лучи)В возникновении молний обвинили космические лучи // Lenta.Ru, 09.02.2009. Таким образом возникают электронные лавины, переходящие в нити электрических разрядов — стримеры, представляющие собой хорошо проводящие каналы, которые, сливаясь, дают начало яркому термоионизованному каналу с высокой проводимостью — ступенчатому лидеру молнии.

Движение лидера к земной поверхности происходит ступенями в несколько десятков метров со скоростью ~ 50 000 километров в секунду, после чего его движение приостанавливается на несколько десятков микросекунд, а свечение сильно ослабевает; затем в последующей стадии лидер снова продвигается на несколько десятков метров. Яркое свечение охватывает при этом все пройденные ступени; затем следуют снова остановка и ослабление свечения. Эти процессы повторяются при движении лидера до поверхности земли со средней скоростью 200 000 метров в секунду. По мере продвижения лидера к земле напряжённость поля на его конце усиливается и под его действием из выступающих на поверхности Земли предметов выбрасывается ответный стример, соединяющийся с лидером. Эта особенность молнии используется для создания молниеотвода.

В заключительной стадии по ионизованному лидером каналу следует обратный (снизу вверх), или главный, разряд молнии, характеризующийся токами от десятков до сотен тысяч ампер, яркостью, заметно превышающей яркость лидера, и большой скоростью продвижения, вначале доходящей до ~ 100 000 километров в секунду, а в конце уменьшающейся до ~ 10 000 километров в секунду. Температура канала при главном разряде может превышать 20000—30000 °C. Длина канала молнии может быть от 1 до 10 км, диаметр — несколько сантиметров. После прохождения импульса тока ионизация канала и его свечение ослабевают. В финальной стадии ток молнии может длиться сотые и даже десятые доли секунды, достигая сотен и тысяч ампер. Такие молнии называют затяжными, они наиболее часто вызывают пожары. Но земля не является заряженной, поэтому принято считать, что разряд молнии происходит от облака по направлению к земле (сверху вниз).

Главный разряд разряжает нередко только часть облака. Заряды, расположенные на больших высотах, могут дать начало новому (стреловидному) лидеру, движущемуся непрерывно со скоростью в тысячи километров в секунду. Яркость его свечения близка к яркости ступенчатого лидера. Когда стреловидный лидер доходит до поверхности земли, следует второй главный удар, подобный первому. Обычно молния включает несколько повторных разрядов, но их число может доходить и до нескольких десятков. Длительность многократной молнии может превышать 1 секунду. Смещение канала многократной молнии ветром создаёт так называемую ленточную молнию — светящуюся полосу.

Внутриоблачные молнии

Внутриоблачные молнии включают в себя обычно только лидерные стадии. Длина таких молний колеблется от 1 до 150 км. Доля внутриоблачных молний растёт по мере смещения к экватору, меняясь от 0,5 в умеренных широтах до 0,9 в экваториальной полосе. Прохождение молнии сопровождается изменениями электрических и магнитных полей и радиоизлучением, так называемыми атмосфериками.

Вероятность поражения молнией наземного объекта растёт по мере увеличения его высоты и с увеличением электропроводности почвы на поверхности или на некоторой глубине (на этих факторах основано действие молниеотвода). Если в облаке существует электрическое поле, достаточное для поддержания разряда, но недостаточное для его возникновения, роль инициатора молнии может выполнить длинный металлический трос или самолёт — особенно, если он сильно электрически заряжен. Таким образом иногда «провоцируются» молнии в слоисто-дождевых и мощных кучевых облаках.

В верхней атмосфере

Вспышки в верхних слоях атмосферы: стратосфере, мезосфере и термосфере, направленные вверх, вниз и горизонтально, очень слабо изучены. Они подразделяются на спрайты, джеты и эльфы. Окраска вспышек и их форма зависит от высоты, на которой они происходят. В отличие от наблюдаемых на Земле молний, эти вспышки имеют яркий цвет, обычно красный или синий, и покрывают большие пространства в верхних слоях атмосферы, а иногда простираются до границы с космосомАлександр Костинский. «Молниеносная жизнь эльфов и гномов» Вокруг света, № 12, 2009..

«Эльфы» Эльфы (; сокр. от ) представляют собой огромные, но слабосветящиеся вспышки-конусы диаметром около 400 км, которые появляются непосредственно из верхней части грозового облака. Высота эльфов может достигать 100 км, длительность вспышек — до 5 мс (в среднем 3 мс).

Джеты Джеты представляют собой трубки-конусы синего цвета. Высота джетов может достигать 40—70 км (нижняя граница ионосферы), продолжительность джетов больше, чем у эльфовV.P. Pasko, M.A. Stanley, J.D. Matthews, U.S. Inan, and T.G. Wood (March 14, 2002) "Electrical discharge from a thundercloud top to the lower ionosphere, " Nature, vol. 416, pages 152—154..

Спрайты