Молния и ток в газах

Многие процессы, происходящие в атмосфере, обязаны своим появлением Солнцу. В том числе, во многом, и возникновение молнии. Излучение Солнца в безоблачный день почти без потерь проникает через всю атмосферу. Нагрев поверхности земли или воды приводит к подогреву и насыщению водяными парами воздуха вблизи поверхности земли. Вслед за этим начинается конвекция, при которой влажный и теплый воздух от поверхности земли поднимается на большую высоту. Запаса тепла, накопленного землей и водой, хватает на большое время, поэтому конвекция воздуха продолжается и после того, как доступ солнечным лучам к земле будет закрыт облаками или даже тучами. В «мощной» грозовой туче конвекцией захвачен воздух до высоты 10 - 12 км, скорость вертикального движения достигает нескольких метров в секунду. Место поднимающегося вверх теплого и влажного воздуха занимает поступающий «с боков и сверху» воздух, лишенный водяных паров (сухой). Даже при одинаковой температуре вблизи поверхности земли сухой воздух имеет большую плотность, чем влажный, так как молярная масса воды меньше, чем средняя молярная масса воздуха. Постепенно насыщаясь влагой, этот воздух в свою очередь начинает подниматься вверх. Большие объемы поднимающегося воздуха практически не обмениваются теплом с окружающим воздухом. Поэтому можно считать, что при подъеме вверх и (соответственно) попадании в область с меньшим давлением теплый и влажный воздух расширяется и совершает работу за счет своей внутренней энергии, что сопровождается охлаждением воздуха. На определенной высоте достигается так называемая температура росы, и водяной пар начинает конденсироваться в капельки. Условия освещения поверхности земли на больших пространствах (100 - 200 км) одинаковы, поэтому для восходящих конвекционных потоков, находящихся одновременно в пределах видимости соответствующие температуры росы тоже примерно одинаковы. Вследствие этого нижний край практически всех кучевых облаков обычно находится на одной и той же высоте над землей. Эти капельки, с одной стороны, притягиваются к земле, а, с другой стороны, за счет трения увлекаются восходящими потоками воздуха. Пока размеры капелек невелики, все они поднимаются вверх (хотя относительно окружающего воздуха они, конечно же, движутся вниз). Со временем капельки растут в объеме, сливаются друг с другом, и некоторые из них приобретают такую массу, что поток воздуха уже не может поддерживать их подъем. Такие капли начинают двигаться вниз, навстречу поднимающимся вверх воздуху и более мелким капелькам. Сталкиваясь с более мелкими капельками, большая капля иногда (важно, что не всегда) захватывает их и увеличивается в объеме. Часть столкновений не приводит к слиянию капелек. Вам, наверное, не раз приходилось видеть в умывальнике капельки, бегающие по поверхности воды. Вот это и иллюстрирует тот факт, что не все столкновения капель обязательно приводят к их немедленному слиянию. Итак, в нашем распоряжении имеется некоторое механическое устройство, переносящее маленькие капельки вверх, но при этом большие капли падают вниз. Такое встречное движение происходит в той части грозового облака, где уже имеется вода в конденсированном состоянии. Вот мы и подошли вплотную к объяснению механизма разделения зарядов в грозовом облаке, вслед за чем и возникает молния. Для такого разделения нужно, чтобы в той области пространства, где движутся и сталкиваются капельки, существовало хотя бы небольшое по величине вертикально направленное электрическое поле. И такое поле есть - это электрическое поле Земли, соответствующее отрицательному заряду земной поверхности. Из нескольких возможных механизмов приобретения капельками электрических зарядов мы опишем только один, но и его действия достаточно, чтобы происходило разделение зарядов в грозовом облаке. В каждой незаряженной первоначально капельке, находящейся в электрическом поле, возникает вызванное этим полем перераспределение зарядов (см. рисунок). В результате летящие навстречу друг другу маленькая и большая капельки притягиваются, хотя они и не заряжены зарядами разных знаков. При столкновении, которое не заканчивается слиянием, «верхняя» капля приобретает отрицательный заряд, а «нижняя» - положительный. Отрицательный заряд вместе со своей «верхней» каплей после удара капель опускается вниз, а положительный заряд вместе со своей «нижней» каплей поднимается вверх. Заметьте, что после такого перераспределения заряды движутся против электрических сил, связанных с зарядом поверхности земли. В результате нижняя и верхняя части облака оказываются заряженными зарядами разных знаков - низ облака отрицательно (так же, как первоначально была заряжена поверхность земли под восходящим потоком воздуха), а верх положительно. Эти заряды, в свою очередь, вызывают перераспределение зарядов на поверхности земли, в результате чего непосредственно под облаком (в эпицентре грозы) земля приобретает положительный заряд, а в стороне от облака — отрицательный.