Физика молнии, образующейся между тучей и Землей

Каждый импульс молнии – это пробой воздушного промежутка между тучей и Землей, происходящий в виде искрового разряда. В развитии первого импульса различают две стадии: сначала образуется канал разряда между тучей и Землей, а затем по образовавшемуся каналу быстро проходит импульс основного тока.

Первая стадия: в нижней части тучи формируется электростатическое поле очень большой напряженности (10 ⁵ - 10 ⁶ В / м). Свободные электроны получают в таком поле огромные ускорения, направленные вниз (так как Земля под тучей заряжена положительно вследствие явления электростатической индукции). Электроны, обладающие значительной кинетической энергией, ионизируют атомы и молекулы, при этом рождаются вторичные электроны, которые также ускоряются полем тучи, и сами начинают принимать участие в ионизации атомов и молекул. Возникают целые лавины быстрых электронов, образующих у самого «дна» тучи плазменные «нити» – стримеры. Сливаясь друг с другом стримеры дают начало плазменному каналу, по которому затем пройдет разряд (импульс основного тока). Развивающийся от дна тучи к поверхности Земли плазменный канал наполнен свободными электронами и ионами, поэтому является хорошей проводящей электрический ток средой. Канал называют ступенчатым лидером, потому что он формируется не плавно, а скачками – «ступенями». Канал разряда имеет вид прихотливой ломаной линии. Так отдельными бросками (могут быть остановки лидера продолжительностью в 50 мкс) голова лидера постепенно приближается к земной поверхности. В сильном электрическом поле головы лидера происходит интенсивная ионизация атомов и молекул воздуха за счет явлений ударной электронной ионизации и фотоионизации (поглощение атомами и молекулами фотонов ультрафиолетового излучения с последующим отрывом электронов от них). После достижения лидером земной поверхностью начинается вторая стадия развития начального импульса.

Вторая стадия. Быстрая и мощная. По проложенному лидером пути устремляется основной ток, при котором рождается яркий свет и возникает гром вследствие резкого расширения нагретого газа. Существенно, что и свечение, и разогрев плазменного канала развиваются в направлении от Земли к туче – снизу вверх. Это происходит потому, что, как только голова лидера достигает земной поверхности, вниз соскакивают прежде всего, электроны, находящиеся в нижней части плазменного канала, поэтому именно она начинает разогреваться и светиться. Затем к Земле устремляются электроны из следующей (более высоко находящейся) части канала и т. д. Таким образом, настоящие молнии бьют снизу вверх. После того, как прошел импульс основного тока, наступает пауза (10-50 мкс), после чего в туче образуется новый «лидер» (плазменный канал), но теперь его называют стреловидным, потому что он идет по дороге, проторенной первым лидером. (Но иногда стреловидный лидер, вследствие действия законов синергетики выбирает себе новый путь, и тогда мы молнию видим «раздвоившейся».) После «замыкания цепи» (лидер достиг поверхности Земли) вновь происходит импульс основного тока. Так может повторяться несколько раз, которые для нас «складываются» в единый образ молнии.

Гром возникает вследствие резкого расширения воздуха при быстром повышении температуры в канале разряда молнии. Вспышку молнии мы видим практически «сразу» после разряда, так как свет распространяется со скоростью 300000 км/с. Звук распространяется значительно медленнее (его скорость в воздухе при Т = 20 ˚ С равняется 330 м / с). Поэтому гром запаздывает по отношению к вспышке молнии. По этому запаздыванию можно определить, как далеко от наблюдателя находится гроза. Гром от очень далеких молний вообще не доходит – звуковая энергия рассеивается в пространстве и поглощается по пути. Такие молнии называют зарницами. Иногда наблюдается усиление громкости звука в конце громовых раскатов. Это объясняется отражением звуковых волн от облаков.

Шаровая молния – самостоятельно существующее тело (без непрерывного подвода энергии от внешних источников), состоящее из тяжелых положительных и отрицательных ионов, рекомбинация которых сильно затруднена вследствие их гидратации. Это определение шаровой молнии по кластерной теории. Кластер – это положительный ион, окруженный своеобразной шубой из нейтральных молекул (в случае шаровой молнии – молекул воды).

Случаи возможного возникновения шаровой молнии: а) случай встречи спускающегося из тучи лидера и поднимающегося от Земли (встречного); б) в месте особенно резкого излома обычной молнии; в) в месте раздвоения обычной молнии; г) из Земли или из воды, в том месте, где произошло поражение обычной молнией; д) при электрическом разряде между тучами. Чаще – в период грозовой активности, но иногда и в хорошую погоду.

Свойства шаровой молнии: двигается вдоль эквипотенциальных поверхностей в электрическом поле; способна очень сильно деформироваться (шар диаметром в 40 см способен пройти в отверстие размером в несколько мм); имеет достаточно четкую границу – поверхность (обладает свойством поверхностного натяжения?); скорость движения шаровой молнии не велика – 1-10 м /с; время жизни молнии от 10 с до 10 мин; может взрываться; тяжелее воздуха?.

3. Магнитное поле и его характеристики. Представление о магнитном поле Земли. Дрейф магнитных полюсов. Палеомагнетизм. Движение заряженных частиц в магнитном поле. Радиационные пояса Земли. – см. Тарасов Л. В. Физика в природе: кн. для учащихся. – М.: Просвещение, 1988. – 351 с. (или более позднее издание), глава Полярное сияние (с. 141-164). Опты с прибором по наблюдению траекторий электронов в сферическом сосуде, находящемся в магнитном поле.

Наш земной шар – это тоже магнит, только очень большой. Магнитные полюсы Земли не совпадают с её географическими полюсами (см. рис. 4). Упрощенная картина силовых линий магнитного поля Земли – геомагнитного поля – показана на рис. 4. Через С и Ю обозначены соответственно Северный и Южный географические полюсы. Оказалось, что на геомагнитное поле сильно влияет солнечный ветер, «поджимая» поле на дневной стороне, при этом на ночной стороне линии поля оказываются отброшенными далеко от Земли, образуя длинный хвост. Продолжительность геомагнитного поля на дневной стороне порядка 10 земных радиусов, на ночной же – сотни земных радиусов.

Рис. 4

Магнитные полюсы «дрейфуют» с течением времени. А причиной существования у Земли магнитного поля (по одной из гипотез) считают внутренние токи, циркулирующие в земных глубинах.

Положение овальных зон полярных сияний показано на рис. 4 красными стрелками. Частицы солнечного ветра – протоны и электроны – попадая в магнитное поле Земли, удерживаются им и образуют радиационные пояса. Большая доля частиц движется, как бы навиваясь под действием силы Лоренца на магнитные силовые линии Земли, дрейфуя от одного полюса до другого. Вблизи полюсов происходит их отражение. Расстояние от полюса до полюса частица проходит за время примерно 0,3 с. Протон в такой геомагнитной ловушке может удерживаться до 100 лет. В поясах существует динамическое равновесие. Внутри полюсов частицы уходят из-за торможения, а их убыль компенсируется частицами, приходящими из космоса. Радиационные пояса были открыты в 1958 г. С помощью ИСЗ. Оказалось, что существуют два электронных пояса и один протонный, в значительной степени перекрывающиеся между собой. Внутренний электронный и протонный начинаются примерно на одной высоте 1000 км над поверхностью Земли. Максимум концентрации протонного (среднего) пояса удален от центра Земли примерно на три земных радиуса. Максимум концентрации внутреннего электронного пояса удален от центра Земли на 1,5 земных радиуса, а максимум концентрации внешнего электронного пояса – на 5 земных радиусов.

Дата добавления: 2015-07-17