Молния — удивительное явление природы

В каждую секунду на планете происходит около ста молниевых разрядов. Канал разряда за доли секунды разогревается примерно до 30 000 кельвинов — это впятеро горячее поверхности Солнца. Откуда берётся это тепло, почему вспышка мерцает, а не горит ровно, и что такое шаровая молния, для которой до сих пор нет ни одной общепризнанной физической модели, — читайте дальше.

Молния — мощный электрический разряд в атмосфере, возникающий во время грозы и сопровождающийся вспышкой и громом. Пиковый ток в канале разряда обычно составляет 20 000–30 000 ампер, хотя в редких случаях достигает 200 000. Грозовые явления зафиксированы не только на Земле: аналогичные разряды наблюдаются на Венере, Юпитере, Сатурне и Уране.

Как в облаке накапливается заряд

В грозовом облаке постоянно идёт разделение зарядов. Восходящие потоки воздуха несут мелкие положительно заряженные кристаллы льда вверх, более крупные и тяжёлые отрицательно заряженные частицы оседают в нижней части. Постепенно формируется сильное электрическое поле — между слоями внутри облака и между облаком и поверхностью земли.

Когда напряжённость поля достигает порогового значения, воздух начинает ионизироваться. Вниз распространяется ступенчатый лидер — слабо светящийся плазменный канал, прокладывающий путь короткими ступенями длиной по 50–100 метров. С земли ему навстречу тянутся восходящие разряды. Когда они соединяются, по образовавшемуся каналу проходит основной разряд — именно он даёт яркую вспышку.

Виды молний

Линейная молния — наиболее распространённый тип разряда между облаком и землёй. Длина канала обычно составляет 2–4 км, но в крупных грозовых системах он может вытягиваться на несколько сотен километров. Внутриоблачные разряды встречаются даже чаще: по оценкам исследователей, на них приходится около 70–80% всех молниевых разрядов на планете. Снаружи такой разряд выглядит как диффузная вспышка, охватывающая значительную часть облака.

Опыты Франклина и Далибара

В 1750 году Бенджамин Франклин высказал предположение: грозовые явления имеют электрическую природу, и это можно проверить опытом с металлическим стержнем. Первым поставил его французский физик Тома-Франсуа Далибар — 10 мая 1752 года в Марли он укрепил на изоляторе длинную железную штангу и во время грозы снял с неё искры.

Ровно то, что описывал Франклин.

Летом того же года Франклин провёл свой эксперимент с воздушным змеем: к нити привязал металлический ключ, у руки держал шёлковую изолирующую ленту. Во время грозы с ключа удалось снять искры. Позднее измерения показали, что нижняя часть грозовых облаков чаще всего несёт отрицательный заряд.

Фотосъёмка разряда

С конца XIX века камеры с короткой выдержкой позволили фиксировать то, что глаз не успевает различить: зигзагообразное продвижение лидера, разветвления канала, несколько последовательных возвратных разрядов по одному пути. Именно фотографии показали, что «одна» вспышка чаще всего состоит из 3–5 отдельных импульсов.

В 2020 году Всемирная метеорологическая организация официально зафиксировала два рекорда: самая длинная одиночная вспышка — 768 км над южными штатами США, самая продолжительная — 17,1 секунды над Уругваем и северной Аргентиной. Оба события зарегистрированы спутниковыми датчиками.

Что происходит в канале

Основа процесса — лавинная ионизация. Свободные электроны под действием поля ускоряются и выбивают новые из молекул воздуха, те — ещё новые. Лидерная стадия продвигается вниз со скоростью около 200 км/с. Когда канал замыкается, по нему проходит обратный ток — уже со скоростью около 100 000 км/с, то есть примерно треть скорости света.

Шаровая молния

Сообщений об этом явлении накопилось достаточно, чтобы не списывать их на оптическую иллюзию. Очевидцы описывают светящийся шар — чаще небольшой, иногда размером с футбольный мяч, — который медленно перемещается, иногда проникает в помещения через окна или вентиляционные отверстия, а затем гаснет тихо или с резким хлопком.

Конкурирующих гипотез несколько: горящий аэрозоль, плазменный сгусток, фотохимическая реакция, микроволновое излучение в воздушной ловушке. Ни одна из них не объясняет всего диапазона задокументированных наблюдений. Воспроизвести явление в лаборатории до сих пор не удалось.

Как работает молниеотвод

Принцип не изменился с XVIII века: металлический молниеприёмник на возвышении, проводник вдоль стены и заземлитель в грунте. Разряд выбирает путь наименьшего сопротивления и уходит в землю по этой цепи, минуя конструкцию здания.

Почему молния мерцает

Одна вспышка почти всегда состоит из нескольких разрядов. После первого возвратного тока по уже ионизированному каналу распространяется новый лидер — он следует тем же путём и запускает следующий разряд. Таких импульсов бывает от двух до десяти, они следуют один за другим с интервалами в 40–80 миллисекунд. Суммарная продолжительность вспышки обычно не превышает 0,2 секунды.

Молния и радиосвязь

Каждый разряд генерирует широкополосный радиоимпульс — от единиц герц до нескольких мегагерц. Низкочастотная часть этого спектра, атмосферики (сферики), распространяется по волноводу между поверхностью Земли и ионосферой на тысячи километров. По этим сигналам можно определять положение грозового фронта даже без спутниковых данных.

Разряды и химия жизни

В 1953 году Стэнли Миллер и Гарольд Юри пропустили электрические разряды через смесь газов, предположительно близкую к составу ранней атмосферы Земли: метан, аммиак, водород и водяной пар. За неделю непрерывной работы установки в колбе появились аминокислоты — строительные блоки белков. Эксперимент вошёл в учебники как прямое лабораторное свидетельство: органические молекулы могут возникать из неорганических под действием электрической энергии.

Новые подходы к управлению разрядом

Экспериментальные разработки предполагают создание проводящего канала в воздухе с помощью высокомощных лазерных импульсов. В 2023 году исследователи, работавшие на горе Зентис в Швейцарии, опубликовали в Nature Photonics первые задокументированные результаты: тераваттный лазер перехватывал грозовые разряды и направлял их вдоль ионизированного канала на протяжении нескольких десятков метров. До практического применения пока далеко — принципиальная разница в стоимости оборудования.

Молния в быту и на транспорте

Ток может проникнуть в дом по электрическим или телефонным проводам, если разряд ударил в линию неподалёку. Мощная вспышка поблизости способна перемагнитить стрелку компаса.

Гражданские самолёты в среднем получают по одному удару молнии в год на воздушное судно — статистика устойчивая и хорошо задокументированная. Конструкция фюзеляжа рассчитана так, чтобы ток обтекал корпус снаружи и уходил через разрядники на концах крыльев. Серьёзных повреждений конструкции это обычно не вызывает, но бортовая электроника при ударе испытывает кратковременные помехи и потому защищена отдельно.

После грозы небо нередко расчищается резко — и именно тогда чаще всего появляется радуга. О том, что такое радуга и как она возникает, мы писали отдельно.

Правила безопасности во время грозы

• На открытой местности уйдите с возвышенностей, держитесь подальше от одиночных деревьев, металлических конструкций и воды.
• В помещении не пользуйтесь стационарным телефоном — провод становится проводником даже при ударе за несколько сотен метров. По возможности отключите от розеток чувствительную электронику.
• В автомобиле оставайтесь внутри: металлический кузов работает как клетка Фарадея.
• В горах и в поле не ложитесь на землю — пригнитесь, сведите ноги вместе и не держите в руках металлические предметы: ледорубы, трекинговые палки, карабины.

Парковый инспектор Рой Салливан из Вирджинии был поражён молнией семь раз за 35 лет — с 1942 по 1977 год. Выжил во всех случаях.