1. Введение

1.1. МОЛНИЯ И ГРОЗОВЫЕ ОБЛАКА

Вводная часть содержит краткий обзор современного состояния знаний о разрядах молний. Цель обзора — дать читателю общее представление о широком круге явлений, связанных с молнией. Эта общая картина будет служить основой для более детального рассмотрения разряда молнии в последующих главах. Исследования молнии на современном уровне начались в конце XIX столетия. Большая часть книги посвящена рассмотрению результатов исследований, проведенных с этого времени.

Молния может быть определена как мощный кратковременный электрический разряд, длина которого обычно измеряется километрами. Молния возникает, когда в какой-нибудь области атмосферы накапливается настолько большой электрический заряд, что наступает пробой воздуха. Наиболее обычным генератором молний являются грозовые облака (кучево-дождевые облака). Однако молния может происходить и в снежных и песчаных бурях, а также в облаках над извергающимися вулканами. Известно также, что молния происходит в прозрачном воздухе [2, 9, 10, 17, 18], по-видимому, оправдывая выражение «гром среди ясного неба». В этой книге будет описана молния, возникающая только в грозовых облаках. Молния может происходить внутри облака (внутриоблачный разряд), между двумя облаками (разряды облако — облако), между облаком и землей (разряд на землю) или между облаком и окружающим воздухом (разряды в атмосфере).

Прежде чем приступить к обсуждению процессов разряда молнии, рассмотрим грозовое облако и электрические заряды в нем — источники молнии. Грозовые облака образуются в атмосфере, содержащей холодный плотный воздух в верхних слоях и теплый влажный воздух в нижних.

Рис. 1.1. Сравнение различный размеров конвективных облаков, в которых возникают разряды молнии [20]. 1 - субтропическое «теплое» облако; 2 — типичное грозовое облако; 3 — гигантское грозовое облако.

Мощные восходящие потоки теплого воздуха, поднимающиеся вверх, образуют облака, холодный воздух при этом опускается. Атмосфера находится в таком состоянии, когда массы холодного полярного воздуха заполняют области с теплым воздухом или когда земля сильно прогревается солнцем и отдает свое тепло нижним слоям атмосферы.

Как показано на рис. 1.1, мощность грозовых облаков может быть небольшой, что характерно для субтропиков (причем их температура обычно выше уровня замерзания), и достигать больших размеров в гигантских грозовых облаках, которые могут простираться в высоту более чем на 20 км. Высота типичного грозового облака лежит в интервале от 8 до 12 км, хотя, строго говоря, высоты могут определяться только применительно к данной географической местности. В типичном грозовом облаке беспорядочно дующий ветер, вода и лед находятся в гравитационном поле и в поле температурного градиента.

Из-за взаимодействия этих элементов по еще не понятым полностью причинам [8] возникают заряженные области грозового облака. Обычно верхняя часть облака заряжена преимущественно положительно, а нижняя часть — отрицательно.

Рис. 1.2. Вероятное распределение грозовых зарядов для грозовых облаков в южной Африке согласно Малану [15, 16]. Черными кружками обозначено расположение эффективных точечных зарядов. Исследование напряженности электрических полей вблизи грозовых облаков обычно приводит к значениям

Таким образом, грозовое облако по структуре основного заряда представляет собой электрический диполь. Заряженные области диполя имеют диаметр порядка километров. Кроме основных зарядов, могут быть небольшие области положительного заряда в основании грозового облака. На рис. 1.2 приведена схема вероятного распределения заряда для типичного облака в южной Африке согласно Малану [15, 16]. Информация, необходимая для построения этой картины распределения зарядов в облаке, была получена из измерений

напряженности электрического поля вблизи грозовых облаков. Измеренные поля являются результатом как облачных зарядов, так и наведенных зарядов на земле или же облачных зарядов и их изображений ниже поверхности проводящей земли. Некоторые дополнительные и критические замечания относительно модели облачного заряда (рис. 1.2) даны в разд. 3.2.

Наиболее часто встречающаяся форма молнии представляет собой внутриоблачный разряд, однако большая часть литературы о молнии посвящена разрядам на землю. Молния облако — земля иногда называется линейной, или зигзагообразной, молнией. Разряд молнии облако — земля представляет собой один или более следующих один за другим частичных разрядов. Будем называть вспышкой общий разряд (продолжительность светимости порядка 0,2 с) и импульсом каждый компонент разряда (продолжительность светимости измеряется десятками миллисекунд). Обычно имеется три-четыре импульса на вспышку, причем импульсы разделены интервалами около 40 мс. Иногда при наблюдении молнии можно заметить мерцание. Это значит, что глаз различает отдельные импульсы вспышки. Разряды молний на землю обычно переносят отрицательный заряд в десятки кулон из -области облака (рис. 1.2).

В разд. 1.2 — 1.5 рассматриваются общие свойства обйчных разрядов молний облако — земля, т. е. разрядов, которые зарождаются в облаке и переносят отрицательный заряд к земле. Данные, относящиеся к этому типу молний, приведены в табл. 1.1. В разд. 1.6 — 1.9 рассматриваются разряды молний других типов.

Таблица 1.1 (см. скан) Данные для обычных разрядов молнии облако—земля, несущих отрицательный заряд к земле

Приведенные величины приближенно характеризуют различные физические параметры молнии. Нельзя требовать большой точности, поскольку встречаются расхождения в данных, полученных различными исследователями. Эти величины могут зависеть от особенностей окружающей среды, в которой происходит разряд молнии. Выбор статей, использованных при составлении таблицы, до некоторой степени произволен. Данные, приведенные в таблице, заимствованы из работ [3—7, 12, 14, 19, 21, 22].

(см. скан)