Атмосферное электричество. Методы изучения ионизационного состояния атмосферы. Электрическое поле в атмосфере, страница 7

С. Теория Вильсона[4] (1929 г.)

Согласно этой теории, падающие капли или кристаллы льда поляризуются в электрическом поле Земли так, что на нижнем конце индуцируется положительный заряд. Этот заряд при падении капли отталкивает встречающиеся по пути положительные ионы и притягивает отрицательные. В результате по мере падения капли на ней собирается отрицательный заряд, а окружающий воздух заряжается положительно.

Существуют и другие гипотезы, пытающиеся объяснить механизм образования зарядов осадков, однако ни одна из них не является общепризнанной. Наиболее разработанной является теория, предложенная Симпсоном[5] в 1934-1936 гг. Эта теория формирования объемных зарядов в грозовом облаке построена на основании наблюдений направлений электрических полей в грозовом облаке и измерений зарядов осадков. Согласно ей, верхняя часть развитого грозового облака заряжена положительно (область 1), а нижняя отрицательно (область 2, рис. 9.3). Кроме того, часто вблизи основания облака  имеется область с положительными зарядами (область 4). Эта область по-видимому связана с местами наиболее мощных восходящих течений –  активным центром бури. На тыловой границе этой области восходящие течения менее интенсивны, и здесь выпадает сильный положительный дождь. Вне этой области нижняя часть облака заряжена отрицательно, и из главной части облака выпадает отрицательный дождь средней силы (область 3).

Поверхность раздела положительных и отрицательных зарядов проходит на высотах, соответствующих интервалу температур -10 - -20° C. В верхней части облака вода присутствует в виде ледяных кристаллов. В результате  трения о воздух кристаллы заряжаются отрицательно, а воздух положительно. Отрицательные кристаллы оседают, что приводит к формированию объемного положительного заряда на вершине облака и отрицательного в средней и нижней его части. Таким образом, основная часть положительных зарядов формируется на высотах 6 – 7 км, где температура достигает –20 ⁰С, область отрицательных зарядов образуется на высоте 3 – 4 км, и температура там от –10 до 0 ⁰С.

Считается, что второй положительный объемный заряд в нижней части облака формируется в результате дробления крупных водяных капель. Тогда крупные осколки приобретают положительный заряд и продолжают опускаться, мелкие - отрицательные «зависают» в облаке из-за малой массы. Эта область образуется только в развитом грозовом облаке. В ливневом облаке (без грозы)  положительные заряды образуются только в верхней части облака.

Положительные заряды в верхней части облака постепенно рассеиваются в верхние слои атмосферы, характеризующиеся высокой проводимостью, и рассеиваются над всей Землей. Затем они постепенно переносятся ионами к земной поверхности. Отрицательные заряды из нижней части переносятся к поверхности Земли за счет более эффективного механизма – молний.

Молнии

В результате разделения зарядов в грозовом облаке создаются сильные электрические поля, как внутри его, так и в окружающем пространстве. Заряд нижней части тучи настолько велик, что его хватает для создания разности потенциалов между ней и землей в десятки и сотни миллионов вольт. Напряженность поля у поверхности Земли может достигать нескольких сотен тысяч В/м (любого знака). Такие мощные поля могут инициировать искровые разряды, между отдельными частями облака, между соседними облаками или между облаком и Землей.

Средняя длина видимой части линейной молнии – 2-3 км (наблюдались молнии длиной до 20 км между облаками). Средний диаметр молнии – 16 см. Еще бывают плоские молнии - разряды, охватывающие значительную часть облака. Еще более редки шаровые и четочные молнии.