Возникновение зарядов статического электричества в атмосфере

Электрические заряды, формирующие грозовые разряды возникают в облачном воздухе атмосферы. Электричество безоблачной атмосферы (атмосферы «хорошей» погоды) является фоном для электрических процессов в облаках.

Электрическое поле «хорошей» погоды направлено сверху вниз, т.е. земля заряжена отрицательно, а атмосфера – положительно. Это направление поля считается нормальным, а вертикальный градиент электрического потенциала (далее – потенциала) – положительным. У поверхности земли градиент потенциала составляет в среднем ~ 130 В/м.

Электричество «хорошей» погоды обусловлено наличием в атмосфере так называемых лёгких аэроинов, которые появляются за счёт ионизации воздуха при распаде радиоактивных веществ как в земле (почве), так и в атмосфере. Кроме того, ионизация воздуха происходит под действием космических лучей, однако в тропосфере этот процесс малоинтенсивен.

За счёт наличия градиента потенциала в атмосфере «хорошей» погоды в воздухе протекают токи диффузии, конвекции и проводимости, величина которых в совокупности составляет ~ 3∙10^-12 А/м².

С появлением в атмосфере различного рода аэрозолей напряжённость электрического поля (градиент потенциала) несколько возрастает, однако существенно величина электрических токов при этом не увеличивается.

С развитием в тропосфере мощных конвективных потоков воздуха в летнее время появляются кучевые облака разных типов, которые представляют собой аэрозольные системы. Скорость конвективных потоков при этом может достигать 50 м/с. Наряду с конвективными в таких облаках развиваются и мощные турбулентные потоки воздуха. Мощность кучевых облаков по высоте достигает 5…7 км, а диаметр их – 10-ти км и более. Часть кучевого облака располагается над нулевой изотермой атмосферы, что способствует образованию твёрдофазной воды (снежинки, крупа, градины). Кучевое облако при этом трансформируется в кучево-дождевое, в котором аэрозольные частицы воды на высоте ниже нулевой изотермы укрупнены до диаметра ~ 1 мм за счёт слияния более мелких – диаметром ~ 50 мкм.

В кучево-дождевом облаке за счёт мощных воздушных потоков идёт сильная трибоэлектризация частиц, составляющих дисперсную фазу облачного аэрозоля. При этом могут создаваться флуктуации как положительных, так и отрицательных зарядов, имеющих в поперечнике километровые размеры. Напряжённость электрического поля между соседними флуктуациями и землёй при разноимённых зарядах достигает 9·10⁵ В/м и более, что способствует возникновению газового электрического разряда – молнии.

Развитие разряда, например, из облака, на землю начинается с образования стримера (от англ. stream – течь, проноситься), который с большей скоростью (до 10⁶ м/с) начинает движение в воздухе к заряду противоположного знака. Стример ещё не молния, а лишь её лидер, обеспечивающий за счёт фотоионизации воздуха извилистый и ветвящийся токопроводный канал в атмосфере. По каналу лидера развивается с поверхности земли главный возвратный удар молнии, который и переносит основной электрический заряд кучево-дождевого облака.

Скорость распространения главного удара достигает 10⁸ м/с, а сила электрического тока составляет при этом ~ 2∙10⁵ А. Спустя сотые доли секунды описанный процесс повторяется многократно. В среднем молния состоит из трёх главных ударов (разрядов).

После описанных процессов начинается восстановление прежнего значения напряжённости электрического поля, которое происходит ~ 7 с и ситуация повторяется. Заканчиваются грозовые разряды тогда, когда снижается мощность конвективных потоков воздуха за счёт охлаждения поверхности земли осадками, или когда расходуется накопленный заряд атмосферного электричества.