Г л а в а 1 Первое знакомство с молнией, ее опасными воздействиями и защитой от них.
Чтобы близко познакомиться с молнией, хорошо бы побывать в специализированной лаборатории. Эти лаборатории есть на всех континентах Земли (кроме Антарктиды). Можно ограничиться и обзором неба с крыши дома, захватив с собой фотоаппарат. Даже самые обычные снимки позволяют различать детали, которые не доступны глазу. Впрочем, можно и не покидать любимого кресла. Достаточно придвинуть его к окну, не затененному высокими деревьями и домами, и ждать грозового вечера, еще лучше — ночи. Времени на подготовку хватит, гроза будет подкрадываться медленно и мало заметно. Сначала тревожно застынет воздух. Станет темнее, значительно темнее, чем просто летним вечером. Тучу еще не видно, но она уже угадывается по беззвучным сполохам у самого горизонта. Зарницы постепенно набегают на Вас, и вот уже самые близкие и яркие отдают в ушах запоздалым, пока еще беззлобным рокотом. Так может продолжаться долго. Кажется, туча застыла на месте или повернула в сторону, но небо вдруг вспарывается пополам огненным лезвием и оттуда бьет по ушам ничем не воспроизводимый грохот. Это не краткий, пусть даже столь же оглушительный орудийный выстрел, а затянутый во времени раскат. Кажется, что первый разряд распахивает тучу — теперь из нее валом сыпятся молнии. Некоторые ударяют в землю, другие продолжают расчерчивать небо, соревнуясь с самой первой вспышкой в красоте и длине траектории. Настало время наблюдений. Можно открыть затвор фотокамеры и попытаться получить снимки.
1.1. Типы молний
Рекомендацию открыть затвор камеры нужно воспринимать буквально. Снимая камерой с предварительно открытым затвором, исследователи получили немало информации. Желательно только, чтобы в поле зрения объектива не было ярких посторонних источников света. Тогда пленку можно экспонировать в течение нескольких минут, дожидаясь, пока молния попадет в кадр. После этого затвор закрывают, пленку перематывают и приступают к следующему снимку. Опыт показывает, что в хорошую ночную грозу по крайней мере треть снимков оказываются удачными. Все разряды молнии легко разделить на две группы: межоблачные и удары в землю. Последних явно меньше, примерно в 2-3 раза. Межоблачный разряд никогда не развивается по прямой. На той части его канала, что не закрыта облаками, видны многочисленные искривления и ветвления. Как правило, длина канала достигает нескольких километров, в отдельных случаях — десятков километров.
Длина канала у разрядов молнии в землю более определенная. Средняя высота грозовых облаков в Европе близка к 3 км. Примерно такую же среднюю длину имеют каналы молнии. Конечно, этот параметр статистически варьируется. Во-первых, из-за того, что молния может стартовать от заряженного центра облака, расположенного на разной высоте (вплоть до 10 км), во-вторых, — вследствие многочисленных изломов траектории. Искривления хорошо видны невооруженным глазом. На снимках же они часто поражают своей причудливостью (рис. 1.1).
Рис.1.1. Статическая фотография разряда молнии в останкинскую телебашню.
Фотографии передают еще одну особенность разрядов в землю, недоступную глазу: кроме яркого канала, достигшего земли существуют многочисленные ответвления, прекратившие свое развитие на самой разной высоте. Длина отдельных ветвей может быть очень большой, иногда сравнимой с основным каналом (рис. 1.2).
Ветви удобны для определения направления развития молнии. Молния, как и дерево, ветвится в сторону роста. Кроме молний, прорастающих от облака к земле, - их называют нисходящими молниями, наблюдаются разряды, которые стартуют от высокого наземного сооружения и движутся к облаку. Это восходящие молнии (рис. 1.3). Направление их развития выдают ветви, расходящиеся друг от друга снизу вверх. Восходящая молния в равнинной местности может возникнуть только от очень высокого здания или башни, как правило, не меньше 100-200 м высоты. Чем выше сооружение, тем больше доля восходящих молний. Из всех молний, поражающих Останкинскую телебашню в Москве высотой 530 м, более 90% — восходящие [1.1]. Похожая ситуация характерна для нью-йоркского Empire State Building высотой около 410 м [1.2]. Про такие высокие сооружения правильнее говорить, что они не столько поражаются молниями, сколько сами обстреливают ими грозовое облако. В горных районах восходящие молнии наблюдались и при существенно меньшей высоте заземленного объекта. Как пример, можно сослаться на результаты наблюдений грозовой деятельности на горе Сан-Сальваторе в Швейцарии [1.3]. Высота приемной башни равнялась там всего 70 м. Тем не менее, большинство молний, поразивших ее, были восходящими.
Небоскребами и высотными телеантеннами земля не забита. Поэтому логично желание исследователя соорудить в нужном месте хоть на короткое время личную молниетворную башню.
Рис. 1.2. Фотография нисходящей молнии
Рис. 1.3. Фотография восходящей молнии с многочисленными ветвлениями
Для этого к грозовому облаку запускают маленькую ракету, которая тащит за собой тонкую заземленную проволоку [1.4]. Когда та поднимается на высоту 200-300 м, от ракеты стартует восходящая молния. Такой искусственно возбужденный разряд в атмосфере часто называют триггерной молнией. Чтобы увеличить шансы на успех, перед пуском ракеты измеряют электрическое поле у поверхности земли, созданное зарядами грозового облака. Команду на старт дают, когда поле близко к 200 В/см. Это гарантирует возбуждение молнии для 60-70 % запусков [1.5]. Цифра 200 В/см на 2 порядка меньше пороговой величины Ei приблизительно 30 кВ/см, при которой пробивается воздушный промежуток с однородным полем в нормальных атмосферных условиях. Ясно, что возбуждение молнии было бы невозможным без локального усиления поля электрическими зарядами, наведенными на поднятой проволоке и ракете. Нам еще придется подробно рассматривать механизм зарождения такого искусственно возбуждаемого электрического разряда. Датчик поля на поверхности земли (кстати, его можно расположить и на подоконнике собственной комнаты) позволяет легко определять полярность заряда, переносимого молнией к земле. Полярность молнии устанавливается по знаку этого заряда. Примерно 90% нисходящих молний в Европе во время летних гроз несут к земле отрицательный заряд — это отрицательные нисходящие молнии. Остальные нисходящие молнии положительные. Замечено, что доля положительных молний несколько возрастает в тропических и субтропических областях, особенно для зимних гроз, где она может приближаться к 50 %. Не придумано специального названия для молний, которые возбуждаются от летательных аппаратов, когда они находятся в атмосфере и полностью изолированы от земли. Появление таких молний не редкость. В современный авиалайнер в среднем приходится один удар молнии на каждые 3000 часов полета. По крайней мере половина этих молний возбуждается не в грозовом облаке, а непосредственно от самолета. Часто это происходит не в грозовой, а в кучевой облачности, несущей относительно небольшой электрический заряд. Причина возбуждения молнии от изолированного от земли крупногабаритного объекта в основных чертах такая же, как от заземленного, и связана с усилением электрического поля поверхностным зарядом поляризации. Мы рассмотрим этот вопрос в разд. 4.2 следом за анализом природы восходящих молний.
<< Предисловие
