1.3. Основные фазы первого и последующих компонентов молнии.
Родство молнии с искровым разрядом доказано еще работами Бенджамена Франклина два с половиной века назад. Произнося подобную фразу сегодня, правильнее упоминать две эти формы электрического раз ряда в обратной последовательности, ибо наиболее важные структурные элементы искры первоначально наблюдались у молнии и только затем были обнаружены в лаборатории. Причина столь нестандартной последовательности событий проста: разряд молнии имеет существенно большую длину, его развитие занимает больше времени, а потому для оптических регистрации молнии не требуется аппаратуры с особо высокой пространственной и временной разрешающей способностью. Первые и до сих пор впечатляющие развертки во времени разрядов молнии были выполнены с помощью простых фотокамер с механическим взаимным перемещением объектива и пленки (камер Бойса) еще в 30-е годы [1.7]. Они позволили выявить две основные фазы процесса: лидерную и главную стадии. В течение лидерной стадии в промежутке облако-земля или между облаками прорастает проводящий плазменный канал — лидер. Он рождается в области сильного электрического поля, безусловно достаточного для ионизации воздуха электронным ударом, но основную часть пути лидеру приходится прокладывать там, где напряженность внешнего поля (от заряда грозовых облаков) не превышает нескольких сотен вольт на сантиметр. Тем не менее, длина лидерного канала увеличивается, а это значит, что у его головки идет интенсивная ионизация, превращающая нейтральный воздух в хорошо проводящую плазму. Такое возможно, потому что лидер сам несет свое сильное поле. Оно создается объемным зарядом, сконцентрированным в области головки канала, и перемещается вместе с ней. В отношении структуры электрического поля грубым аналогом лидера могла бы служить металлическая игла, связанная тонкой проволокой с источником высокого напряжения. Если игла хорошо заточена, электрическое поле в ближайшей окрестности острия очень сильно даже при относительно невысоком напряжении. Представим теперь, что игла падает на землю, вытягивая за собой проволоку. Вместе с ней будет двигаться область сильного поля, где осуществляется ионизация молекул воздуха. В арсенале молнии металлической проволоки нет. Функцию проводника, гальванически связывающего головку лидера с точкой старта молнии, приходится выполнять плазменному каналу лидера. Лидер растет достаточно долго, до 0,01 с — целая вечность в масштабе быстротечных явлений импульсного электрического разряда. Все это время плазма в канале должна сохранять высокую проводимость. Такое невозможно без разогрева газа до температур, приближающихся к температурам электрической дуги (свыше 5000-6000 К). Вопрос о балансе энергии в канале, которая требуется для его разогрева и для компенсации потерь, — один из самых важных в теории лидера. Применительно к различным типам молнии он рассмотрен в главах 2, 4.
Лидер — необходимый элемент любой молнии. У многогокомпонентной вспышки с лидерного процесса начинается не только первый, но и все последующие компоненты. В зависимости от полярности молнии, направления ее развития и номера компонента (первый или какой-либо из последующих) механизм лидера может меняться, но суть явления сохраняется. Она заключается в формировании высокопроводящего плазменного канала за счет локального усиления электрического поля в ближайшей окрестности лидерной головки.
Главная стадия молнии (return stroke) начинается с момента контакта лидера с поверхностью земли или заземленным объектом. Чаще всего, это не непосредственный контакт. От вершины объекта может возникать и двигаться навстречу лидеру молнии собственный лидерный канал, называемый встречным лидером. Их встреча кладет начало главной стадии. Во время движения в промежутке облако-земля головка лидера молнии несла высокий потенциал, сравнимый с потенциалом грозового облака в точке старта молнии (они отличаются падением напряжения на канале). После контакта, головка лидера принимает потенциал земли, а ее заряд стекает в землю. Со временем то же случается и с другими участками канала, обладающими высоком потенциалом. Эта «разгрузка» происходит путем распространения по каналу от земли к облаку волны нейтрализации заряда лидера. Скорость волны приближается к скорости света, до 108 м/с. Между фронтом волны и землей по каналу течет сильный ток, уносящий к земле заряд с «разгружающихся» участков канала. Амплитуда тока зависит от первоначального распределения потенциала вдоль канала. В среднем она близка к 30 кА, а для наиболее мощных молний достигает 200-250 кА. Перенос столь сильного тока сопровождается интенсивным выделением энергии. Благодаря этому газ в канале быстро нагревается и расширяется; возникает ударная волна. Раскат грома — одно из ее проявлений.
В энергетическом отношении главная стадия наиболее мощная. Она же характеризуется наиболее быстрым изменением тока. Крутизна его нарастания может превысить 1011 А/с — отсюда чрезвычайно мощное электромагнитное излучение, сопровождающее разряд молнии. Вот почему работающий радиоприемник или телевизор реагируют на грозу интенсивными помехами, и это происходит на расстояниях в десятки километров. Импульсы тока главной стадии сопровождают не только первый, но и все последующие компоненты нисходящей молнии. Это значит, что лидер каждого очередного компонента заряжает движущийся к земле канал, а во время главной стадии часть этого заряда нейтрализуется и перераспределяется. Длительные раскаты грома — результат наложения звуковых волн, возбужденных импульсами тока всей совокупности последующих компонентов.
У восходящей молнии картина несколько иная. Лидер первого компонента стартует от точки с нулевым потенциалом. По мере роста канала потенциал головки меняется постепенно, пока лидерный процесс не затормозится где-то в глубине грозового облака. Никакими быстрыми изменениями заряда это не сопровождается, а потому у первого компонента восходящей молнии главная стадия отсутствует. Она наблюдается только у последующих компонентов, которые стартуют уже от облака и движутся к земле, ничем не отличаясь от последующих компонентов нисходящих молний.
В научном плане большой интерес представляет главная стадия межоблачных молний. На то что она существует, указывают раскаты грома, не менее громкие, чем при разрядах в землю. Ясно, что лидер межоблачной молнии стартует где-то в объеме одной заряженной области грозового облака (грозовой ячейке) и движется в направлении другой, противоположного знака. Заряженные области в облаке никак нельзя представлять в виде каких-то проводящих тел, подобных пластинам высоковольтного конденсатора, ибо заряды там распределены по объему радиусом в сотни метров и располагаются на малых каплях воды и кристалликах льда (гидро- метеорах), не контактирующих друг с другом. Возникновение же главной стадии по своей физической сути необходимо предполагает контакт лидера молнии с высокопроводящим телом большой электрической емкости, сопоставимой или большей емкости лидера. Надо полагать при межоблачном разряде молнии в роли такого тела выступает одновременно возникший какой-либо другой плазменный канал, контактирующий затем с первым. В измерениях у поверхности земли импульс тока главной стадии снижается по половины амплитудного значения в среднем примерно за 10-4 с. Разброс этого параметра очень велик — отклонения от среднего в каждую сторону достигают почти порядка величины. Импульсы тока положительных молний, как правило, длительнее отрицательных, а импульсы первых компонентов длятся дольше последующих.
После главной стадии по каналу молнии в течение сотых, а иногда и десятых долей секунды может протекать слабо меняющийся ток порядка 100 А. В этой финальной стадии непрерывного тока канал молнии сохраняет свое проводящее состояние, а его температура удерживается на уровне дуговых. Стадия непрерывного тока может следовать за каждым компонентом молнии, в том числе и за первым компонентом восходящей молнии, у которой нет главной стадии. Иногда на фоне непрерывного тока наблюдаются всплески тока длительностью порядка 10-3 с и амплитудой до 1 кА. Они сопровождаются увеличением яркости свечения канала. В литературе это явление называют М-компонентами.
Лидеры >>
