Молния

Молния, гигантский электрический искровой разряд в атмосфере, проявляющийся обычно яркой вспышкой света и сопровождающим её громом. Электрическая природа М. была раскрыта в исследованиях американского физика Б. Франклина, по идее которого был проведён опыт по извлечению электричества из грозового облака.

  Наиболее часто М. возникает в кучево-дождевых облаках, тогда они называются грозовыми; иногда М. образуются в слоисто-дождевых облаках, а также при вулканических извержениях, торнадо и пылевых бурях.

  Обычно наблюдаются линейные М., которые относятся к т. н. безэлектродным разрядам, т. к. они начинаются в скоплениях заряженных частиц. Это определяет их некоторые, до сих пор необъяснённые свойства, отличающие М. от разрядов между электродами. Так, М. не бывают короче несколько сотен м; они возникают в электрических полях значительно более слабых, чем поля при межэлектродных разрядах; сбор зарядов, переносимых М., происходит за тысячные доли секунды с мириадов мелких, хорошо изолированных друг от друга частиц, расположенных в объёме несколько км³. Наиболее изучен процесс развития М. в грозовых облаках, при этом М. могут проходить в самих облаках — внутриоблачные, а могут ударять в землю — наземные. Для возникновения М. необходимо, чтобы в относительно малом (но не меньше 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 М. электрическая энергия облака превращается в тепловую.

  Процесс развития наземной М. состоит из несколько стадий. На первой стадии в зоне, где электрическое поле достигает критического значения, начинается ударная ионизация, создаваемая вначале свободными электронами, всегда имеющимися в небольшом количестве в воздухе, которые под действием электрического поля приобретают значительные скорости по направлению к земле и, сталкиваясь с атомами воздуха, ионизуют их. Т. о. 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 М. (рис., а, б). Движение лидера к земной поверхности происходит ступенями в несколько десятков м со скоростью ~ 5×10⁷ м/сек, после чего его движение приостанавливается на несколько десятков мксек, а свечение сильно ослабевает; затем в последующей стадии лидер снова продвигается на несколько десятков м. 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 2×10⁵ м/сек. 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 М. используется для создания молниеотвода. В заключительной стадии по ионизованному лидером каналу (рис., в) следует обратный, или главный, разряд М., характеризующийся токами от десятков до сотен тысяч а, яркостью, заметно превышающей яркость лидера, и большой скоростью продвижения, вначале доходящей до ~ 10⁸ м/сек, а в конце уменьшающейся до ~ 10⁷ м/сек. Температура канала при главном разряде может превышать 25 000 °С. Длина канала М. 1—10 км, диаметр — несколько см. После прохождения импульса тока ионизация канала и его свечение ослабевают. В финальной стадии ток М. может длиться сотые и даже десятые доли сек, достигая сотен и тысяч а. Такие М. называют затяжными, они наиболее часто вызывают пожары.

  Главный разряд разряжает нередко только часть облака. Заряды, расположенные на больших высотах, могут дать начало новому (стреловидному) лидеру, движущемуся непрерывно со средней скоростью ~ 10⁶ м/сек. Яркость его свечения близка к яркости ступенчатого лидера. Когда стреловидный лидер доходит до поверхности земли, следует второй главный удар, подобный первому. Обычно М. включает несколько повторных разрядов, но их число может доходить и до нескольких десятков. Длительность многократной М. может превышать 1 сек. Смещение канала многократной М. ветром создаёт т. н. ленточную М. — светящуюся полосу.

  Внутриоблачные М. включают в себя обычно только лидерные стадии; их длина от ~ 1 до 150 км. Доля внутриоблачных М. растет по мере смещения к экватору, меняясь от 0,5 в умеренных широтах до 0,9 в экваториальной полосе. Прохождение М. сопровождается изменениями электрических и магнитных полей и радиоизлучением, т. н. атмосфериками. Вероятность поражения М. наземного объекта растет по мере увеличения его высоты и с увеличением электропроводности почвы на поверхности или на некоторой глубине (на этих факторах основано действие громоотвода). Если в облаке существует электрическое поле, достаточное для поддержания разряда, но недостаточное для его возникновения, роль инициатора М. может выполнить длинный металлический трос или самолёт — особенно, если он сильно электрически заряжен. Таким образом иногда «провоцируются» М. в слоисто-дождевых и мощных кучевых облаках.

  Особый вид М. — шаровая М., светящийся сфероид, обладающий большой удельной энергией, образующийся нередко вслед за ударом линейной М. Длительность существования шаровой М. от секунд до минут, а исчезновение М. может сопровождаться взрывом, вызывающим разрушения. Природа шаровой М. ещё не выяснена. М., как линейная, так и шаровая, могут быть причиной тяжёлых поражений и гибели людей.

  Удары М. могут сопровождаться разрушениями, вызванными её термическими и электродинамическими воздействиями, а также некоторыми опасными последствиями, возникающими в результате её электромагнитного и светового излучения. Наибольшие разрушения вызывают удары М. в наземные объекты при отсутствии хороших токопроводящих путей между местом удара и землёй. От электрического пробоя в материале образуются узкие каналы, в которые устремляется ток М. Поскольку в каналах создаётся очень высокая температура, часть материала интенсивно испаряется со взрывом. Это приводит к разрыву или расщеплению объекта, пораженного М., и воспламенению его горючих элементов. Наряду с этим возможно возникновение больших разностей потенциалов и электрических разрядов между отдельными предметами внутри строения. Такие разряды могут также явиться причиной пожаров и поражения людей электрическим током. Часто прямым ударам М. подвергаются сооружения, возвышающиеся над окружающими строениями, например неметаллические дымовые трубы, башни, пожарные депо, и строения, отдельно стоящие в открытой местности. Очень высокие объекты (телевизионные мачты, привязные аэростаты) могут быть поражены М. в точках, лежащих заметно ниже их вершины; этот эффект связан с воздействием на путь М. объёмных зарядов, создаваемых в атмосфере этими объектами. Весьма опасны прямые удары М. в воздушные линии связи с деревянными опорами. Атмосферные перенапряжение с большой амплитудой, попав в линию, распространяется по проводам и может вызвать электрические разряды с проводов и электроаппаратуры (громкоговорителей, телефонных аппаратов, выключателей и т. п.) на землю и на различные предметы, что может привести к разрушениям, пожарам и поражению людей электрическим током. Прямые удары М. в высоковольтные линии электропередачи вызывают электрические разряды с провода на землю или между проводами; эти разряды часто переходят под действием рабочего напряжения линии в электрическую дугу, приводящую к коротким замыканиям и отключению линии. Атмосферное перенапряжение, попадая с линии на оборудование станций и подстанций, вызывает разрушение изоляции (пробой), аппаратуры и машин. Попадание М. в самолёт может привести к разрушениям элементов конструкции, нарушению работы радиоаппаратуры и навигационных приборов, ослеплению и даже непосредственному поражению экипажа. При ударе М. в дерево разряд может поразить находящихся около него людей; опасно также напряжение, возникающее вблизи дерева при растекании с него тока М. на землю.

  Лит.: Стекольников И. С., Физика молнии и грозозащита, М. — Л., 1943; Разевиг Д. В., Атмосферные перенапряжения на линиях электропередачи, М. — Л., 1959; Юман М. А., Молния, пер.(перевод) с англ.(английский), М., 1972; Имянитов И. М., Чубарина Е. В., Шварц Я. М., Электричество облаков, Л., 1971; Имянитов И. М., Тихий Д. Я., За гранью закона, Л., 1967.

  И. М. Имянитов.

Схема развития наземной молнии: а, б — две ступени лидера; 1 — облако; 2 — стримеры; 3 — канал ступенчатого лидера; 4 — корона канала; 5 — импульсная корона на головке канала; в — образование главного канала молнии (К).