Грозовые облака способны накапливать потенциал почти в миллиард вольт и создавать искры длиной несколько километров, способны даже при небольших размерах порождать несколько вспышек в минуту, каждая из которых по мощности равна средней электростанции. Кажется невероятным, что эти чудовищные электрические машины состоят лишь из клубящегося множества частиц воды и льда, поддерживаемых восходящим потоком воздуха.
Чтобы объяснить появление объёмных зарядов облаков и их пространственное разделение, выдвигали и выдвигают два основных вида гипотез. В одних главная роль отводится осадкам (её развивали ещё М. В. Ломоносов и его помощник Г. Рихман, в 1753 г. погибший во время проведения эксперимента с электрическими разрядами), в других, более сложных — конвективным потокам воздуха. Простейшая гипотеза осадков основана на том, что капли дождя, частицы снежной крупы и градины в грозовом облаке падают сквозь массу более мелких частиц, остающихся во взвешенном состоянии. Предполагалось, что при столкновении падающих частиц со взвешенными первые заряжаются отрицательно, а вторые положительно: таким образом, нижняя часть облака, состоящая из более тяжёлых частиц, накапливает отрицательный заряд, а верхняя — положительный. Однако ещё Б. Франклин заметил, что попадаются облака с «плюсом» внизу…
Другая гипотеза предполагает, что электрические заряды в облаке образуются в основном благодаря космическим лучам, отрицательно ионизирующим молекулы воздуха в верхней части облака. Но нисходящие потоки воздуха на периферии облака переносят затем отрицательно заряженные частицы из верхнего слоя вниз, а потому и в этом случае у облака формируется та же электрическая структура, которую описывает гипотеза осадков. Для более полного описания процессов в грозовом облаке в модель были введены дополнительные заряженные слои, однако, несмотря на все попытки её усложнения и доработки, конвективная гипотеза не получила чёткого экспериментального подтверждения.
Уже в XIX веке высказывались предположения о том, что объёмное разделение зарядов в грозовых облаках может происходить и при соударениях кристаллов льда в виде мелких снежинок или градин с более крупными частицами льда. Эта гипотеза, наименее вероятная на первый взгляд, получила подтверждение в ходе многолетнего эксперимента, проводимого NASA с использованием спутника TRMM (Tropical Rainfall Measurement Mission — «Программа по измерению атмосферных осадков в тропиках»).
Космический мониторинг грозовых облаков дал ценнейшие результаты. За три года спутник получил изображения грозовых облаков и исследовал более 1 миллиона молний. На спутнике TRMM была установлена оптическая камера для регистрации вспышек молний и радар, работавший в микроволновом диапазоне и позволявший измерять количество льда в облаках. При этом аппаратура давала возможность проводить исследования в разных масштабах — глобальном, региональном и локальном.
Как же происходит образование заряда в грозовом облаке? Мельчайшие кристаллы льда устремляются с восходящими потоками воздуха в верхнюю часть облака, развивая скорость до 150 км/ч и многократно соударяясь с другими кристаллами. При этих столкновениях мелкие кристаллы льда теряют электроны и приобретают положительный заряд. В то же время более тяжёлые частицы льда приобретают отрицательный заряд и при этом опускаются в нижнюю часть облака. Таким образом, создаётся разделение зарядов с разностью потенциалов в миллионы вольт, которая и является причиной молний.
Удалось обнаружить однозначную корреляцию (порядка 90 %) между количеством льда в облаках и интенсивностью разрядов молний, причём эта корреляция не зависела от того, где находится облако — над морем, побережьем или сушей. Корреляция была и в глобальном масштабе, и в более мелких масштабах — в отдельной грозовой туче. В последнем случае удалось определить и другую количественную характеристику, связывающую массу льда и частоту возникновения молний — каждые 10 тысяч тонн льда в облаке в среднем приводят к возникновению одного разряда молнии в минуту.
Универсальная природа этой корреляционной связи даёт в руки учёным новый инструмент изучения молний и расширяет прогностические возможности разнообразных методик мониторинга атмосферы. Теперь достаточно будет разместить на земле или на любом спутнике недорогие оптические камеры, которые обеспечат учёт грозовых разрядов, и с их помощью можно будет (уже без сложных радаров) определять количество льда в облаках и рассчитывать возможности выпадения осадков.
Длительная полемика учёных о том, какой именно механизм приводит к образованию всем знакомых грозовых разрядов, по всей видимости, пришла к своему завершению. Исследования с помощью космических аппаратов показали, что в облаках «работает» ледяной генератор. Каковы основные характеристики молнии?
Причиной молнии является ударная ионизация. Молния — это пробой конденсатора, у которого диэлектриком является воздух, а обкладками — облака и земля. Ёмкость такого конденсатора невелика, примерно 0,15 микрофарад, но запас энергии огромен, так как напряжение достигает миллиарда вольт.
Скорость распространения молнии тоже огромна. Так, от облаков до Земли молния проходит за 0,002 секунды, что соответствует скорости 1000 километров в секунду. Средняя сила тока разряда 1000 ампер, а общий заряд, переносимый молнией, достигает 100 кулонов. Видимый канал молнии имеет диаметр около 1 метра, а внутренний, по которому течёт ток, — 1 сантиметра. Длительность каждого импульса 0,001 секунды. Промежутки между импульсами 0,01 секунды. Максимальная сила тока в импульсе может превышать 100 000 ампер. При этом выделяется огромная энергия — до миллиарда джоулей. Температура канала достигает 10 000 градусов (почти вдвое выше, чем на поверхности Солнца), что и рождает яркое свечение. После прохождения основного тока наступает пауза длительностью от 10 до 50 секунд. За это время канал практически гаснет, его температура падает до 1000 градусов Кельвина. Установлено, что и свечение, и разогрев плазменного канала развиваются в направлении от земли к туче, поэтому после паузы мощный импульс основного тока распространяется по восстановленному каналу снизу вверх. Паузы между свечениями всего десятки миллисекунд, поэтому несколько мощных импульсов мы воспринимаем как единый разряд молнии, как единую яркую вспышку.
Грозовые облака способны накапливать потенциал почти в миллиард вольт и создавать искры длиной несколько километров, способны даже при небольших размерах порождать несколько вспышек в минуту, каждая из которых по мощности равна средней электростанции. Кажется невероятным, что эти чудовищные электрические машины состоят лишь из клубящегося множества частиц воды и льда, поддерживаемых восходящим потоком воздуха.