Сегодня - 16.11.2019

Как в облаках получаются молнии?

Отвечает: 
лаборант Института ядерной физики им. Г. И. Будкера аспирант НГУ Антон Вячеславович Судников и ведущий научный сотрудник Института солнечно-земной физики СО РАН доктор физико-математических наук Виктор Григорьевич Файнштейн.

 



Мне интересно, как в облаках получается молния? Как там скапливаются одноименные отрицательные заряды в облаке, они же отталкиваются?
Вы случайно не знаете, где можно выучиться у нас в России на астрофизика? (Прокопьева Ангелина)


Антон СудниковА.В. Судников:

Начнём по порядку. Сначала придётся ответить на вопрос: откуда берутся грозовые тучи?
Для их формирования необходимо сочетание нескольких факторов:
1) достаточно сильный восходящий поток воздушных масс. Наиболее простая причина для этого — нагрев воздуха от раскаленной солнцем земли, поводом могут также послужить атмосферные фронты и многое другое.
 2) высокая влажность. Бывают и «сухие грозы», но они редки, а их причины специфичны.

Ещё важно заметить, что в воздухе всегда есть некоторое количество положительных и отрицательных ионов, образовавшихся, в основном, из-за космического излучения.

Если эти (и некоторые другие) факторы выполняются, может возникнуть ситуация, когда мелкие капли и снежинки летят вверх, а крупные — вниз. Поскольку капля воды в электрическом поле Земли (которое составляет 100 Вольт на один метр) электризуется таким образом, что её нижняя поверхность заряжается положительно, а верхняя — отрицательно, то снизу в каплю приходит больше отрицательных зарядов, а сверху — наоборот. Из-за этого капля, летящая вниз, собирает отрицательный заряд, а капля, летящая вверх — положительный. Если посмотреть на тучу в целом, то получается, что отрицательный заряд скапливается в её нижней части, на поверхности земли в свою очередь собирается положительный заряд-изображение, притянутый отрицательно заряженной нижней кромкой облака.

Одноименно заряженные капли, конечно, отталкиваются, но деваться им некуда. Вверх — мешает сила тяжести, вниз — уходят вместе с дождём, но он уносит не так много заряда. Вбок — так там такая же туча. Поэтому они и скапливаются.

Получается конденсатор — устройство для накопления заряда и энергии электрического поля — размером в несколько (а иногда — несколько сотен) километров. Однако электрическое поле в нём всё ещё недостаточно, чтобы «пробить» воздух в любом месте. Пробой — ситуация, когда каждый летящий электрон набирает достаточно энергии, чтобы ионизировать молекулы, в нашем случае — азота и кислорода. При ионизации возрастает число свободных электронов и ионов, соответственно, каждая капля собирает в своём полёте больший заряд, поэтому отрицательный заряд нижней части тучи возрастает. Но в нашем случае свободная заряженная частица не успевает разогнаться до энергии, достаточной для этого. Тогда большую роль получают быстрые космические частицы. Они, во-первых, проходят большее расстояние и поэтому эффективнее ускоряются (соответственно у них есть энергия для ионизации), а, во-вторых, просто выбивают из молекул электроны достаточно высокой энергии.   

Вокруг следа космической частицы образуется область с высокой концентрацией свободных зарядов. Он выступает как остриё, на котором электрическое поле заметно возрастает и становится достаточным для возникновения того самого «пробоя», когда любой электрон может разогнаться до энергии, достаточной, чтобы выбить из молекулы ещё один. В этом случае количество заряженных частиц возрастает лавинообразно. Если при этом на земле есть другая «игла» — громоотвод или высокое дерево — с него по тому же типу начинает развиваться встречный пробой.

В тот момент, когда два канала ионизированного воздуха встречаются, отрицательный заряд с тучи получает возможность свободно «стечь» на землю. Что он и делает, разогревая канал молнии до высокой температуры. Из-за этого происходит вспышка света и резкое расширение воздуха в канале, становящееся причиной грома.

Виктор ФайнштейнВ. Г. Файнштейн:

- Проще всего выйти в Интернет и выяснить, в каких вузах готовят таких специалистов. Наиболее близкий мне - это Иркутский государственный университет, его выпускники потом как раз идут работать к нам, в Институт солнечно-земной физики. Возможность выучиться на астрофизика есть также в Москве, Санкт-Петербурге, Казани. Казанская школа по астрофизике раньше была одной из самых сильных. На сегодняшний день лучшие школы, как мне представляется, -  в Москве и Санкт-Петербурге.
 

Фото: 1 - Юлия Позднякова, 2 - vsp.ru

Поделись с друзьями: 

Система Orphus