Лидерная и стримерная стадии молнии

Описанная картина резко изменится, если найдутся причины, которые могут послужить началом разряда. Пусть такой причиной окажется молниеотвод I, который соединен с землей и имеет высоту, например, 100—200 метров. Его верхний конец окажется в области, где потенциал достигает величины более 10 МВ, и поэтому вблизи острия молниеотвода может начаться разряд в виде тонкого канала-лидера. Дальнейшее развитие лидера и его продвижение будет происходить по строго определенному закону, который придает всему процессу развития молнии весьма необычные свойства. Суть в следующем (рис. 1, е).

В первый момент лидер должен продвигаться преимущественно вверх, так как в этом направлении разность потенциалов между острием лидера и окружающим пространством максимальна, а, следовательно, максимальна и напряженность электрического поля. Дойдя примерно до середины слоя (поверхность АА,) то есть до высоты, близкой к 1 км, лидер попадает в область максимального потенциала 100 MB и более. Именно здесь должно произойти резкое изменение направления дальнейшего движения лидера, так как разность потенциалов между ним и окружающим пространством, а вместе с тем и максимальная напряженность электрического поля будут создаваться вдоль поверхности АА,. Лидер должен двинуться не вверх, а параллельно земле, то есть в том направлении, в котором до возникновения разряда вообще электрическое поле отсутствовало. Продвигаясь вдоль поверхности АА, лидер порождает все новые и новые проводящие ветви — стримеры, которые проникают даже в самые отдаленные уголки заряженной области, сколь бы обширна она ни была. Если предположить, чтозаряженный слой будет окружать всю землю, то молния, которая возникнет на острие иглы молниеотвода, промчится десятки тысяч километров. При этом для создания такого гиганта не потребуется повышать разность потенциалов между землей и поверхностью АА по сравнению с молнией длиной, например, 10 км. Именно электризация атмосферы, создающая в ней плотный объемный заряд, является той причиной, из-за которой над землей на высоте 1—1, 5 км образуется слой проводящих каналов-стримеров. Диаметр слоя может достигать 100 — 150 км. Он будет находиться под потенциалом 100 MB и более относительно земли. Из-за этой разности потенциалов между молниеотводом и слоем стримеров происходит пробой с образованием основного канала молнии. Этот канал обычно имеет диаметр 20 — 30 см, ток в нем достигает 50 — 500 кА, а температура в канале — 20000-30000 К [1].

Для иллюстрации сказанного на рис. 2 приведены фотографии четырех молний, полученных на фоне ночного неба во время одной грозы, но с некоторым интервалом времени между съемками. На снимке четко видны длинные яркие, почти вертикальные каналы трех молний между облаками и землей. В верхней части фото видна и четвертая молния, которая проскакивает между облаками. Над каждым ярким каналом можно разглядеть густую сеть еле видимых голубых каналов-стримеров, которая раскинулась вширь на много километров.

Если уменьшать размеры заряженной области, стягивая ее к молниеотводу Г, то это приведет к уменьшению стримерного слоя и, как следствие этого, лишит молнию ее энергии. При некоторых критических размерах области ее заряд будет стекать по молниеотводу на землю без образования лидера и стри-мерного гноя. Поэтому в атмосфере молний короче 1—2 км не бывает. Заметим также, что при большой высоте молниеотвода, например, 300—500 м, в его окрестности создаются благоприятные условия для стека-ния зарядов из заряженного облака. Поэтому в окрестности диаметром 0, 5—1 км высокий потенциал объемного заряда вообще образоваться не может, и вероятность возникновения молний в окрестностях таких строений понижена. Правда, порывы ветра, присущие грозам, могут приблизить высоко-потенцир" ьный слой к высокому строению. Тогда возникают молнии, которые могут ударить в нижнюю часть строения

Существование нижней границы критических размеров среды, где может возникать молния, значительно усложняет постановку полномасштабного эксперимента с линейными молниями.

Именно процесс образования, развития и угасания сети каналов стримеров определяет •судьбу молний. Эти процессы должны быть исследованы с помощью установок, в которых специально создаются плотные объемно-заряженные слои.

МАКЕТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ МОЛНИЙ

В основу экспериментальной установки должно быть положено требование, которое позволит исследовать развитие обширной сети стримерных каналов. Для этого должен быть выбран экспериментальный зал надлежащих размеров. Цри выборе этих размеров следует учесть весьма интересйый факт. Известно, что при чистке баков (танков) в современных танкерах часто возникают молнии различных " модификаций". В частности, в [9] указано, что современный танкер водоизмещением 500 тыс. тонн имеет длину 450 м, ширину 60 м, высоту борта 30 м. Он разделен на отсеки — танки, которые в длину достигают 40 м, высоту 30 м и ширину 20 м. Поэтому экспериментальная установка для исследования молний должна размещаться в зале больших размеров, например, 50 х 30 х 30 м, с электроизолирующим покрытием стенок. Внутри зала должны быть размещены электронный ускоритель с выходной энергией пучка, например, 1 — 10 МэВ и током пучка 1 — 10 мА, который впрыскивается в зал для создания в нем объемного заряда, и аэрозольная установка [7]. В зале также необходимо поместить вентилятор для выравнивания объемного заряда по всему залу, увлажнитель, осушитель воздуха для получения среды с различной проводимостью и иглы-молниеотводы, длину которых можно регулировать.

Меняя режим работы ускорителя, аэрозольной установки, увлажнителя и осушителя, а также длину игл-молниеотводов и их положение в зале, можно создать условия для получения молний разных конфигураций. При экспериментах следует вести фотографирование, измерение потенциалов и токов разряда.

Попытки экспериментального исследования молний предпринимались неоднократно. Наиболее эффектный фотоснимок экспериментального разряда приведен на рис. 3. Он сделан в одной из лабораторий, где исследуется высоковольтный пробой воздушных промежутков [6]. Несмотря на внешнее сходство искры на рис. 3 и молний на рис. 2, по своим физическим законам развития они коренным образом различаются. Причиной рождения молнии в атмосфере является электризация воздуха, которая создает в нем плотный объемный заряд. На рис. 3 видно, что разряд происходит по пути, близкому к кратчайшему расстоянию между высоковольтным электродом, который расположен в центре рисунка, и " земляным" электродом, роль которого играют пол, стены, потолок зала. Вместе с тем на рисунке не видно сколько-нибудь заметного отклонения канала разряда от кратчайшего пути между электродами, в отличие от резкого поворота каналов в присутствии объемного заряда, что особенно подчеркнуто на рис. 1. Это свидетельствует о том, что в зале нет плотного объемного заряда. Кроме того, изображенная на рис. 3 лаборатория ввиду ее малых размеров и отсутствия мощных устройств для электризации воздуха типа электронного ускорителя или аэрозольного устройства: вообще не пригодна для создания длинных электрических разрядов молний со стримерной стадией, связанной с объемным зарядом.