Теория искры - Лозанский Э.Д.
Скачать (прямая ссылка):
Каждый импульс молнии начинается со слабосветящегося пред-разряда, который получил в литературе название лидерного про-
242
цесса. Чаще всего лидер движется от облака к земле отдельными ступенями, характерная длина которых ~50 м. В конце каждой ступени лидер останавливается на время ~50 мксек, а затем проходит следующую ступень. Поэтому этот лидер часто называют ступенчатым лидером. Характерная скорость распространения ступенчатого лидера ~105 м!сек, а заряд, переносимый им к земле, ~5 к.
Ступенчатый лидер может дойти до земли либо настолько увеличить поле вблизи ее поверхности (чаще вблизи какой-либо выступающей части поверхности или острия), что от земли начинает двигаться разряд, который сливается со ступенчатым лидером. В обоих случаях промежуток облако — земля замыкается и по создавшемуся проводящему каналу от земли к облаку устремляется так называемый возвратный удар, формирующий яркий светящийся искровой канал.
Фронт возвратного удара представляет собой ионизованный волновой фронт электрического поля высокой напряженности. Этот фронт переносит потенциал земли по пути, ранее проделанному ступенчатым лидером. Скорость распространения возвратного удара ~5 • IO7 м/сек, т. е. близка к скорости света. Ток возвратного удара, измеренный у земли, порядка 20 ка в течение нескольких микросекунд, а затем в течение 40 мксек падает в два раза. Токи порядка сотен ампер могут длиться в течение нескольких миллисекунд. Столь большие токи приводят к разогреву канала и как следствие к увеличению давления и расширению канала.
Канал расширяется со сверхзвуковой скоростью, создавая ударную волну, которая воспринимается как гром. Температура в канале оценивается 3 • IO4 ° К. После фазы ударной волны, которая длится обычно ~10 мксек, расширение канала завершается, и высокотемпературный канал приближается к равновесному по давлению состоянию с окружающим воздухом. В этот момент диаметр канала порядка нескольких сантиметров. С прекращением тока разряд завершается.
Однако часто наблюдаются многоимпульсные разряды в отличие от рассмотренного одноимпульсного. Если не весь отрицательный заряд облака скомпенсирован первым импульсом, то существует возможность подвода дополнительных зарядов к каналу. Если после первого возвратного удара прошло не более 100 мксек, то еще не вся плазма канала рекомбинировалась, и дополнительный заряд проходит по этому каналу к земле. Эта стадия разряда называется стреловидным лидером. Стреловидный лидер движется равномерно без остановок со скоростью, примерно на порядок большей скорости ступенчатого лидера. Это объясняется тем, что он движется по предварительно ионизованному каналу. Впрочем, если после первого возвратного удара прошло более мксек, то стреловидный лидер^может сначала двигаться непрерывно, а при достижении областей, где ионизация резко уменьшилась, перейти к ступенчатому характеру распространения. Такой лидер называют стреловидно-
243
ступенчатым. Стреловидный лидер переносит заряд ~1 /с, т. е. меньший, чем ступенчатый лидер. После завершения пути стреловидного лидера наблюдается следующий возвратный удар и т. д. Обычно число импульсов равно 3—4 с интервалом ~40 мксек. Суммарный заряд, переносимый в разряде молнии, ~25 к.
Помимо рассмотренного разряда отрицательное облако — земля наблюдаются и другие типы молний. Наиболее часто встречаются внутриоблачные разряды. Они обычно происходят между центрами верхнего положительного и нижнего отрицательного зарядов облака. Общая продолжительность разряда ~0,2 сек. Относительно редко наблюдается разряд между положительным зарядом облака и землей (положительный импульс). Положительное облако может образоваться при сносе верхней части нормального облака ветром. В этом случае разряд формируется катодным стримером, который продвигается к земле. В положительных импульсах токи нарастают гораздо медленнее, чем в отрицательных, но заряд они переносят больший (~75 /с). Обычно положительный разряд одноим-пульсный.
Часто с вершин высоких зданий или башен в горах развиваются ступенчатые лидеры, движущиеся вверх, причем эти лидеры могут нести как положительный, так и отрицательный заряд. Очень редко наблюдается шаровая молния — светящаяся сфера, имеющая диаметр ~20 см и время жизни несколько секунд.
Рассмотрим физические процессы, протекающие в разряде молнии.
Образование грозовых облаков. Пожалуй, наиболее обоснованное объяснение электризации облаков было дано Френкелем [24]. Основная идея Френкеля состоит в том, что если по какой-либо причине произошло микроразделение электрических зарядов, т. е. ионизация, то это может привести к их макроразделению под влиянием силы тяжести, если заряды разных знаков окажутся связанными с частицами разных размеров. Пусть, например, более крупные облачные частицы—капли воды или льдинки — заряжены отрицательно, а более мелкие — положительно (причина этого будет объяснена ниже), тогда под влиянием силы тяжести более крупные частицы должны падать относительно воздуха быстрее, чем мелкие (вес капли растет пропорционально кубу размера частицы, а сила сопротивления пропорционально квадрату размера).
