Гигантская электрическая машина в небесах

(По материалам сайта www.gazeta.ru)

Грозовые облака способны накапливать потенциал почти в миллиард вольт и создавать искры длиной несколько километров, способны даже при небольших размерах порождать несколько вспышек в минуту, каждая из которых по мощности равна средней электростанции. Кажется невероятным, что эти чудовищные электрические машины состоят лишь из клубящегося множества частиц воды и льда, поддерживаемых восходящим потоком воздуха.

Чтобы объяснить появление объёмных зарядов облаков и их пространственное разделение, выдвигали и выдвигают два основных вида гипотез. В одних главная роль отводится осадкам (её развивали ещё М. В. Ломоносов и его помощник Г. Рихман, в 1753 г. погибший во время проведения эксперимента с электрическими разрядами), в других, более сложных — конвективным потокам воздуха. Простейшая гипотеза осадков основана на том, что капли дождя, частицы снежной крупы и градины в грозовом облаке падают сквозь массу более мелких частиц, остающихся во взвешенном состоянии. Предполагалось, что при столкновении падающих частиц со взвешенными первые заряжаются отрицательно, а вторые положительно: таким образом, нижняя часть облака, состоящая из более тяжёлых частиц, накапливает отрицательный заряд, а верхняя — положительный. Однако ещё Б. Франклин заметил, что попадаются облака с «плюсом» внизу…

Другая гипотеза предполагает, что электрические заряды в облаке образуются в основном благодаря космическим лучам, отрицательно ионизирующим молекулы воздуха в верхней части облака. Но нисходящие потоки воздуха на периферии облака переносят затем отрицательно заряженные частицы из верхнего слоя вниз, а потому и в этом случае у облака формируется та же электрическая структура, которую описывает гипотеза осадков. Для более полного описания процессов в грозовом облаке в модель были введены дополнительные заряженные слои, однако, несмотря на все попытки её усложнения и доработки, конвективная гипотеза не получила чёткого экспериментального подтверждения.

Уже в XIX веке высказывались предположения о том, что объёмное разделение зарядов в грозовых облаках может происходить и при соударениях кристаллов льда в виде мелких снежинок или градин с более крупными частицами льда. Эта гипотеза, наименее вероятная на первый взгляд, получила подтверждение в ходе многолетнего эксперимента, проводимого NASA с использованием спутника TRMM (Tropical Rainfall Measurement Mission — «Программа по измерению атмосферных осадков в тропиках»).

Космический мониторинг грозовых облаков дал ценнейшие результаты. За три года спутник получил изображения грозовых облаков и исследовал более 1 миллиона молний. На спутнике TRMM была установлена оптическая камера для регистрации вспышек молний и радар, работавший в микроволновом диапазоне и позволявший измерять количество льда в облаках. При этом аппаратура давала возможность проводить исследования в разных масштабах — глобальном, региональном и локальном.

Как же происходит образование заряда в грозовом облаке? Мельчайшие кристаллы льда устремляются с восходящими потоками воздуха в верхнюю часть облака, развивая скорость до 150 км/ч и многократно соударяясь с другими кристаллами. При этих столкновениях мелкие кристаллы льда теряют электроны и приобретают положительный заряд. В то же время более тяжёлые частицы льда приобретают отрицательный заряд и при этом опускаются в нижнюю часть облака. Таким образом, создаётся разделение зарядов с разностью потенциалов в миллионы вольт, которая и является причиной молний.

Удалось обнаружить однозначную корреляцию (порядка 90 %) между количеством льда в облаках и интенсивностью разрядов молний, причём эта корреляция не зависела от того, где находится облако — над морем, побережьем или сушей. Корреляция была и в глобальном масштабе, и в более мелких масштабах — в отдельной грозовой туче. В последнем случае удалось определить и другую количественную характеристику, связывающую массу льда и частоту возникновения молний — каждые 10 тысяч тонн льда в облаке в среднем приводят к возникновению одного разряда молнии в минуту.

Универсальная природа этой корреляционной связи даёт в руки учёным новый инструмент изучения молний и расширяет прогностические возможности разнообразных методик мониторинга атмосферы. Теперь достаточно будет разместить на земле или на любом спутнике недорогие оптические камеры, которые обеспечат учёт грозовых разрядов, и с их помощью можно будет (уже без сложных радаров) определять количество льда в облаках и рассчитывать возможности выпадения осадков.

Длительная полемика учёных о том, какой именно механизм приводит к образованию всем знакомых грозовых разрядов, по всей видимости, пришла к своему завершению. Исследования с помощью космических аппаратов показали, что в облаках «работает» ледяной генератор.