Атмосферное электричество. Методы изучения ионизационного состояния атмосферы. Электрическое поле в атмосфере, страница 8

Очень много ученых пытались и до сих пор пытаются объяснить природу шаровой молнии и ее необычные свойства. Иногда для этого выдвигаются просто фантастические гипотезы. Например, была как-то предложена гипотеза, что шаровая молния представляет собой сгусток плазмы, удерживаемой находящимся внутри  магнитным монополем - магнитом с одним полюсом[6]. Вообще, в  последние годы появилось в средствах массовой информации (особенно в легкодоступном Internet) огромное число сообщений об «оригинальных» теориях шаровой молнии, как правило, основывающихся на концепции плазмы. Даже поверхностный анализ показывает, что авторы подобных гипотез являются «рабами» малопонятного для них слова «плазма». Ничего общего с действительно научными гипотезами подобные «теории» не имеют. Иногда просто приходится сожалеть об отсутствии серьезной научной цензуры в этих средствах информации.

 Что касается обычных молний, то их теория также до конца не разработана. Хотя общие представления о процессах образования и развития молний сложились достаточно давно. Сила тока в молнии в среднем 20-40 кА. Количество переносимого электричества – порядка 10-100 Кл. Следует также иметь в виду, что  протекание тока по каналу молнии вызывает сильное электромагнитное поле. Таким образом, процесс разряда подобен току в колебательном контуре. Это приводит к пульсациям тока с частотой, равной собственной частоте контура. Интересно, что согласно экспериментальным наблюдениям электрического поля тучи, вызванным ее дипольным моментом, грозе достаточно приблизительно 5 с, чтобы восстановить свой заряд после его потери в ходе одиночного разряда молнии [23].

Во всех теориях молний исходят из того, что основными переносчиками заряда являются свободные электроны, образующиеся в результате ионизации первичным разрядом в канале молнии. Положительные и отрицательные ионы малоподвижны и практически не участвуют в переносе заряда. Поэтому в обычных условиях, несмотря на наличие большого числа ионов и разделение зарядов, ток в облаке мал, и оно не является хорошим проводником электричества из-за отсутствия большого числа свободных электронов.

Грозовые разряды инициируются пробоем воздуха при отсутствии электродов (рис. 9.4а). Вообще, пробой в воздухе начинается при напряженности поля, больше 30 000 В/см. При такой напряженности электрон приобретает кинетическую энергию, достаточную для ионизации атомов и молекул. Вновь освободившийся в акте ионизации электрон также приобретает энергию в электрическом поле и участвует в процессе ионизации. И так далее. В результате число свободных электронов очень быстро растет, и они с большой скоростью движутся в сторону, противоположную направлению силовых линий поля. Положительные и отрицательные ионы, образующиеся в ходе процессов ионизации слишком тяжелы и малоподвижны, чтобы играть существенную роль в динамике электрического разряда.

Таким образом, в первоначальной области сосредоточения отрицательного объемного заряда образуется «островок» положительного заряда из атомов, лишившихся электрона (см. рис. 9.4b). На рисунке 9.4с область пробоя показана в увеличенном масштабе. «Сбежавшие» электроны рассеиваются  в области положительного объемного заряда, прилипают к атомам и молекулам и создают «островок» отрицательного заряда в облаке положительных объемных зарядов. Это облако отрицательных зарядов ослабляет электрическое поле со стороны положительного объемного заряда, замыкая на себе часть силовых линий (рис. 9.4 d).

Около «островка» положительного заряда напряженность поля остается большой, поскольку малоподвижные положительные ионы не успевают  рассеяться подобно быстрым электронам. Здесь возможен очередной акт пробоя воздуха. Образующиеся электроны удаляются через ранее созданный проводящий канал, проникают в образовавшееся ранее облако отрицательных ионов и усиливают его. Проходя через канал, электроны ионизируют его и поддерживают его высокую проводимость. Многократное повторение описанного процесса приводит к развитию грозового разряда, причем, как следует из сказанного, разряд происходит посредством перемещения области с дефицитом электронов внутрь отрицательного объемного заряда. Часто по пути разряда возникают ответвления, не получающие дальнейшего развития (рис. 9.4e).