Систематическое изучение грозы и атмосферного электричества на научной основе началось примерно в 1925 году (в Швеции уже в 1918 г.), когда впервые стали применять катодный осциллограф, фотографические методы, а вскоре и радар.
И хотя нам еще недостает некоторых данных для теоретической оценки молнии как физического явления, можно продолжать работу, опираясь на решения, основанные на определенных предпосылках. Проведенные исследования преследуют цель — защита людей и материальных ценностей от грозы.
Нет сомнения в том, что определив все параметры молнии, можно будет с большой долей вероятности выбрать такие средства защиты от нее, которые позволят свести к минимуму причиняемый ею ущерб.
Необходимо учесть, что при проведении исследований и публикаций полученных результатов важнейшие из них часто утаиваются, особенно после того, как выяснилось, что грозы и молнии имеют определенное военное значение, главным образом в авиации.
Гроза над городом Салоники в Греции
Первые в мире исследования гроз и молний
С середины XIX века в английской лаборатории в Кью ежедневно измеряли и записывали разницу потенциалов электрического поля атмосферы.
В 1909 году Дж. С. Симпсон впервые разработал убедительную теорию разделения (расслоения) электрических зарядов в облаках, доставляемых на Землю водяными каплями во время ливней (работы проводились в Индии).
Предыдущие исследования велись на земле. Однако в обсерватории в Кью близ Лондона приступили к систематическим запускам шаров-зондов в грозовые облака. Этими исследованиями занимались Дж. С. Симпсон, Ф. Дж. Скрейз и Дж. Д. Робинсон. Первые сообщения о них были опубликованы в 1937 году.
С. В. Бойс существенно улучшил возможности фотографирования молнии тем, что усовершенствовал вращающуюся камеру (камера Бойса применялась для измерение числа ударов молнии). С ее помощью изучал разряд молнии Б. Ф. Шонленд, установивший ее ступенчатое движение.
В 1843—1844 годах разница потенциалов измерялась 4 раза в день. С 1861 года эти исследования курировал профессор Дж. Томсон (будущий лорд Кельвин), который изобрел электрограф для измерения заряда водяных капель.
С 1913 года в лаборатории работал Дж. Симпсон, заботившийся о развитии измерительных методов. С 1930 года производились постоянные записи о прохождении электрического тока между атмосферой и Землей с помощью прибора, сконструированного Ф. Скрейзом.
Средний заряд положительного электричества, достигший острия прибора (за 10 лет измерения), составил 103 мКл, а отрицательного — 148 мКл, т. е. почти наполовину больше. Было установлено, что при обычных условиях электрический разряд в воздухе начинается при разнице потенциалов 30 кВ/м.
Молния ударяет в Эйфелеву башню, 3 июня 1902 года, в 21:20. Считается, что это одна из самых ранних фотографий молнии.
Первые в мире работы по изучению молнии были выполнены в Швеции, хотя грозы в этой стране не столь уж часты.
Уже в 1918 году, когда физическая природа молнии была еще мало изучена и не имелось нужных приборов, профессор Гарольд Нориндер проводил свои исследования.
Он первый подумал об использовании фигур Лихтенберга, которые позже привели к изобретению клидонографа, однако отказался от этой мысли и решился на применение трубки Брауна в катодном осциллографе.
Клидонограф — прибор для измерения ударных напряжений и фотографирования фигур Лихтенберга.
В 1931 году исследования по молнии были расширены благодаря созданию Института по изучению высокого напряжения в Упсале, который располагал не только лабораторией высокого напряжения, но и передвижными полевыми станциями.
У сотрудников института имелись 13 осциллографов, 6 передвижных полевых станций, 1 генератор мощностью 5—10 кВт, железнодорожный вагон для лаборатории и 1 искровой генератор на 1 мВ.
Нориндер так описывает процесс молнии: между отрицательно заряженным облаком и землей образуется сильно ионизованный канал.
Постепенно в нем возникают разряды в направлении к земле, и затем по каналу проходит главный разряд со скоростью, которая на начальном этапе равна 2/3 скорости света.
На последней стадии процесса молнии путь для прохождения тока между землей и облаком закрыт и ее можно отнести к квазистационарным состояниям.
Он установил также, что при многократных молниях первый разряд характеризуется наибольшей силой тока. Чаще всего встречались три или четыре частичных разряда.
Проведенные им измерения показали, что у 46 главных разрядов сила тока составляла обычно меньше 40 кА, а в большинстве случаев меньше 20 кА. Из 46 главных разрядов только 7% происходили из положительно заряженных облаков. Следовательно, подавляющая их часть выходила из отрицательно заряженных облаков.
При изучении продолжительности молнии в большинстве случаев было установлено, что она составляет 100—200 мк/с, но у некоторых разрядов она достигала 800—1000 мк/с.
Согласно Нориндеру самый продолжительный разряд длился 1600 мк/с. Он вычислил также, что у 46 главных разрядов величина зарядов приблизительно 5 Кл, но встречались заряды величиной от 10 до 35 Кл.
Его методы измерений на большом расстоянии — причина того, что полученные им результаты значительно отличаются от результатов других исследователей.
Несмотря на некоторые присущие этим исследованиям недостатки, они ценны тем, что Нориндер — первооткрыватель — сумел заложить основу для всех дальнейших работ в этой области.
Фотография удара молнии, снятая с большой выдержкой
Исследования в Швейцарии
Изучение гроз и атмосферного электричества в Швейцарии связано с именем К. Бергера и горой Сан-Сальватор (высота 905 м над уровнем моря).
На первом этапе (1928—1937 гг.) измерения здесь проводились с помощью катодного осциллографа, а на втором (1943—1954 гг.) — магнитных стержней и клидонографа.
Осциллографы размещались в лаборатории, представляющей собой камеру Фарадея. Здесь же находился исследователь, защищенный от возможных опасных напряжений при ударах молнии, а также размещались приборы для регистрации тлеющих разрядов (огней Эльма) на верхушках мачт.
В другом здании имелось помещение с двумя окнами и восемью отверстиями для фотосчетчика. В каждом отверстии были установлены фотоаппарат Лейка и камера Бойса для низкоскоростной съемки (порядка 3 м/с), в окне с видом на мачту — камера Бойса для высокоскоростной съемки (50 м/с).
Число гроз метеорологи определяют по числу грозовых дней в году, причем за таковой считается любой день, в течение которого прогремел хотя бы один гром.
На горе Сан-Сальватор бывает в среднем 51 грозовой день в году. Большинство гроз приходится на послеполуденные и вечерние часы, т. е. от 14 до 23. Средняя плотность положительных и отрицательных ионов, составляющая 2000 на см3, во время грозы возрастает до 15 000 на см3.
Было установлено, что некоторые участки местности в течение какого-либо года почти не подвергались ударам молний, зато в последующие годы их было много.
Из имеющихся на сегодня многолетних наблюдений пока нельзя заключить, каково влияние топографических и почвенно-геологических условий при этом.
Во время одной грозы в 1954 голу наблюдали 32 молнии, причем одна из них имела положительный заряд равный 350 Кл.
О том, что существующие способы защиты не всегда полностью исключают удары молнии, свидетельствует случай, когда молния ударила в мачту примерно в 15 м ниже верхушки.
Многочисленные удары молнии
Исследования в США
Исследования в США. К обширным исследованиям гроз и молний здесь приступили уже после успешной работы шведских и швейцарских специалистов.
Под руководством Макичрона электротехническая фирма «Дженерал Электрик Компани» организовала весьма тщательное изучение молнии прямо в центре Нью-Йорка, на крыше небоскреба «Эмпайр стайт билдинг» (сокращенно ЭСБ). Исследования велись с помощью осциллографов и фотоаппаратуры.
ЭСБ — здание из железобетона со стальной несущей конструкцией. Металлическая верхушка его башни возвышается на 380 м над улицей. На ней еще установлены антенны телекомпании «Нэшнл Броудкастинг Компани».
Работали со специальной фотоаппаратурой для скоростной съемки (от 48 до 115 м/с). Меньшую скорость имели фотокамеры для анализа следов многократных молний.
В течение трех лет изучили 81 грозу. Во время их молния ударила в здание 68 раз.
Удар молнии в небоскреб «Эмпайр стайт билдинг»
В отличие от английского исследователя Шонленда, установившего с помощью фотосъемок в Южной Африке, что на равнине почти все молнии идут из облаков к земле, Макичрон при работе на крыше ЭСБ обнаружил как раз обратное.
Он установил, что в данном случае первый головной разряд (за некоторым исключением) всегда шел от верхушки здания к облаку, причем ступенчато. Однако позже при многократных молниях лидеры были непрерывными и постоянно направлялись от облака к земле.
На основании этого он заключил, что направление первого головного разряда зависит не от полярности, а прежде всего от структуры обоих электродов, т. е. облака и земли.
Около 90% всех молний, ударивших в здание ЭСБ и измеренных осциллографами, исходили из отрицательно заряженного облака, следовательно, были полностью отрицательными. Лишь три молнии в конце своего пути сменили заряд на положительный. Исключительно положительный ток не встречался ни разу.
Наибольшая продолжительность молнии составляла 1,5 секунды, а половина всех наблюдавшихся молний имела продолжительность 0,3 секунды.
Интересно, что скорость головных разрядов, идущих от здания к облаку, значительно меньше скорости разрядов, направляющихся вниз. Средняя скорость первых составляет около 0,26 м/мкс, а вторых — около 12 м/мкс.
Наибольший заряд всей молнии равнялся 164 Кл, у половины наблюдавшихся молний он равнялся около 25 Кл. Максимальная сила тока, измеренная магнитными стержнями на крыше ЭСБ, достигала 156 000 А.
Исследователи пришли к выводу, что высотное здание оказывает существенное влияние на разряд молнии.
Международный центр исследования и испытаний молний при Университете Флориды
Оригинальное исследование проводилось также в 1945—1947 годах в г. Орлеандо на Флориде, где согласно статистическим данным за сорок лет бывает 80 грозовых дней в году, и в г. Уилмингтон (штат Огайо).
В нем приняло участие много специалистов, и в финансовом отношении оно оказалось очень дорогим. В реализации обширной исследовательской программы участвовали Метеорологический институт США, эксперты различных авиакомпаний, военной авиации и морского флота, Чикагского университета и многих учреждений.
В основе программы лежало стремление продолжить усилия, направленные на улучшение летных возможностей в плохую погоду (полеты в тумане, посадка вслепую), на предупреждение ущерба, наносимого грозами гражданской и военной авиации.
Воздушные вихри в грозовых облаках — одна из важнейших преград при полете во время гроз. Поэтому возникла идея исследовать внутреннее строение грозовых облаков с помощью прямых полетов к ним.
Еще перед второй мировой войной совершались полеты в кучево-дождевые облака и таким образом собирали данные о вихревых процессах в восходящих токах воздуха.
Исследовательские самолеты совершили 1363 пролета через облака на высоте от 1500 до 8000 м. Затраченное на измерения время составило 4218 минут.
Основные результаты исследований:
- Грозовые облака, обусловливающие местные грозы, всегда складываются из нескольких грозовых облаков больших размеров, которые распределяются неравномерно. Например, тропическая гроза может растянуться на 50 км.
- Сначала в облаке преобладает восходящий ток воздуха со скоростью до 30 м/с и его верхняя часть достигает высоты 7500 м. Спустя 10—15 минут вершина облака будет уже высотой более 12 000 м, где господствуют сильные нисходящие токи воздуха со скоростью 18 м/с. Облако продолжает подниматься еще 15—30 минут, затем восходящий ток воздуха полностью прекращается.
- Средняя величина градиента электрического поля атмосферы в состоянии покоя составляет около 100 В/м. Возникновение грозы обусловлено возрастанием разницы потенциалов. Непосредственно перед ударом молнии, например, на высоте 4000 м измеренный с помощью самолета градиент равнялся 3400 В/см, что является одной из самых больших из измеренных разниц потенциалов.
Расположение положительных и отрицательных зарядов в облаке относительно друг друга исследовалось в последнее время главным образом с помощью баллонов, самолетов и наземных станций. Наблюдения показали, что иногда молния начинается на высоте 8800 м при температуре — 25°С.
Установлено также, что для возникновения молнии необходима низкая температура. Существует определенпая зависимость между максимальной высотой облака (и наиболее низкой температурой) и наибольшим числом молний.
Вопреки многим ранее существовавшим теориям грозового электричества они подтверждают ту точку зрения, что решающими факторами при возникновении грозы являются изменения в состоянии, положении и плотности компонентов грозового облака.
Пусковая площадка в лагуне Москито возле мыса Канаверал (Космический центр Кеннеди), Флорида. Стрельба из ракеты в грозовую тучу вызывает удар молнии. Тонкая медная проволока, тянущаяся от ракеты, создает путь для электрического заряда облака (1991).
Исследования в Германии
В конце 40-х годов И. Кюттнер изучал грозы и атмосферное электричество на вершине г. Цугшпитце (2966 м) и доказал, что даже простыми средствами можно получить очень важные результаты.
В течение трех лет он наблюдал 125 гроз и зарегистрировал 689 близких ударов молнии, из которых 23 попали прямо в обсерваторию.
Благодаря тому, что обсерватория располагалась так высоко, Кюттнер работал прямо в облаках. Это в значительной мере сказалось на методах и результатах его исследований.
К главным итогам его работы относится следующее:
- Было установлено, что преобладают отрицательные градиенты напряжения (64%).
- Подтвердилось установленное Дж. Симпсоном распределение зарядов в облаках: в верхней их части находится область положительных, а в нижней — отрицательных. Однако здесь имеется небольшое положительно заряженное ядро. Его диаметр достигает около 500 м и через центр проходит изотерма 0°С. Различие в электрической структуре фронтальных и местных гроз не существенно. Отличен лишь характер воздушных токов в них.
Удар молнии в церковь
Исследования в СССР
Изучение гроз, молний и проблем защиты от них, атмосферного электричества и т. п. являлось составной частью советских научных исследований. Об этом свидетельствует не только большое число публикаций в советских специальных журналах, но и значительное количество докладов на международных конференциях.
К выдающимся советским исследователям в этой области принадлежат И. С. Стекольников, С. С. Валеев, А. Акопян, В. С. Комельков, В. В. Бургсдорф, А. А. Ламдон, Р. И. Френкель и другие.
Для конкретных полевых исследований был выбран район между деревнями Салинская, Слобода и Ягунин в 70 км от Москвы. Здесь впервые использовали привязные баллоны.
Крыши и стенки автомашин обиты жестью, чтобы не только исключить влияние электрических полей и ограничить влияние магнитных, но и обеспечить защиту исследователям, работающим в машинах во время грозы.
В исследованиях применялись следующие основные приборы: 2 катодных осциллографа, 2 клидонографа с большой скоростью передвижения пленки, 1 камера Бойса собственной конструкции.
Емкость баллонов составляла 300 м3. Они поднимались на высоту 500 и 800 м. Поперечное сечение стального троса, к которому привязывались баллоны, равнялось 19,6 мм2.
Для измерения силы электрического поля и величины индуцированного напряжения использовались антенны, установленные на высоте 15 и 10 м. С помощью третьей антенны изучали отдаленные грозы. Длина первых двух антенн — 100 м, третьей — 50 м.
Наибольшая измеренная сила тока молнии равнялась 100 кА. В течение десяти гроз с помощью клидонографов удалось сделать 83 снимка 25 молний.
Оригинальным способом наблюдались и измерялись прямые удары молнии в баллонные уловители.
Новый клидонограф с большой скоростью передвижения пленки позволил исследовать число частичных разрядов молнии, интервал между ними, их продолжительность и полярность, величину индуцированного напряжения в антенне.
Следует подчеркнуть, что в советских исследованиях использовались новые, не испытанные ранее, измерительные средства и хотя измерение было связано со значительными трудностями, полученные результаты согласуются с данными других экспериментаторов.
Но они отличаются от результатов шведского ученого Г. Нориндера. На основе собственных данных он определяет продолжительность молнии как равную примерно «одной сотой секунды», причем «большинство частичных разрядов длятся меньше 5 с».
Интерес представляют исследования, проведенные И. С. Сокольниковым в 1938 году на Кавказе.
Экспедиция Академии наук СССР и Всесоюзного электротехнического института работала в районе Бакуриани в период гроз под руководством И. С. Сокольникова неучастием И. А. Мякишева и В. П. Пономаренко.
Сезон гроз там длится 6 месяцев, и в течение этих 180 дней участники экспедиции круглосуточно измеряли молнии. В результате был собран обширный и ценный материал.
Экспедиция построила лабораторию, окруженную металлической заземленной сеткой. Недалеко от лаборатории поставили высокие мачты, защищавшие ее от ударов молнии.
Между тремя горными вершинами натянули антенну, соединенную с приборами в лаборатории. Это позволило регистрировать даже очень отдаленные разряды молнии.
Длина главной антенны около 900 м, помимо нее было еще 5 более коротких. Использовались клидонографы, катодные и шлейфовые осциллографы, оптические методы.
Гроза с пятью молниями
В разрез с мнением английского ученого Шонленда и его сотрудников, согласно которому молния развивается ступенчатыми разрядами, было установлено, что в данном горном районе молния проявляется как беспрерывный разряд. Однако проведенные позже измерения подтвердили взгляд Шонленда.
Интересно, что Стекольникову удалось получить снимок молнии с положительной полярностью. Это не совсем соответствует результатам английских исследователей, установивших, что почти все молнии имеют отрицательную полярность, примерно половина молний в среднем на три частичных разряда.
Промежутки времени между ними составляют в среднем от 0,02 до 0,07 секунды, наиболее вероятное время — около 0,02 секунды.
Что касается всей продолжительности молнии, то было установлено, что чаще всего она равна 0,1—0,2 секунды. Это согласуется с результатами других авторов. Наибольшая измеренная продолжительность молнии равнялась 1,2 секунды, что является заметным исключением.
Стекольников и его сотрудники сравнивали также свойства продолжительной лабораторной искры и молнии.
Они установили, что при лабораторном разряде между острием с отрицательной полярностью и плоскостью с положительной отрицательный головной разряд (лидер) никогда не достигает этой плоскости, так как навстречу ему развивается встречный положительный разряд. Главный канал молнии начинает формироваться в месте встречи двух разрядов.
Много усилий Стекольников с сотрудниками потратили на то, чтобы объяснить те загадочные случаи, когда молния ударяла в высокие хорошо заземленные здания, но не в наивысшей точке, а там, где меньше всего ожидалась.
Лабораторное исследование электрических разрядов
Хотя молния и является электрическим разрядом в обычном физическом смысле, по своим размерам она несопоставима с разрядом, получаемым в лабораторных условиях. Пониманию механизма молнии в природе в значительной мере способствовали фотонаблюдения.
В наших знаниях о молнии есть еще большие пробелы, которые можно частично восполнить лабораторными опытами.
Экспериментаторы добились больших успехов в получении электрических искр значительной продолжительности с помощью сравнительно простых в обращении приборов.
Молния или ток молнии — явление, протекающее подобно разряду конденсатора. В лабораторных условиях оно создается искусственно с помощью искрового генератора (смотрите — Электростатические генераторы - устройство, принцип действия и применение).
Генератор искровых разрядов, представленный на Всемирной выставке в Нью-Йорке в 1939—1940 годах включал 51 конденсатор с напряжением 100 кВ и емкостью 0,33 мкФ. Две батареи по 5100 кВ давали итоговое напряжение 10 200 кВ на разрядном стержне.
Результаты экспериментирования на моделях следует оценивать весьма осторожно и рассматривать лишь как прикладной материал для изучения молнии в природе, незаменимого лабораторными опытами.
Смотрите также: История создания молниеотвода (громоотвода), первые изобретения защиты от молнии