Небесная электростанция: как устроена гроза и откуда бьёт молния?

Многие из нас из нас видели это грандиозное шоу природы: небо темнеет, воздух становится тяжёлым, и вдруг тьму прорезает ослепительная вспышка, а через несколько секунд доносится оглушительный грохот. Гроза — это явление, которое одновременно восхищает своей красотой и заставляет чувствовать себя крошечной песчинкой перед лицом стихии. Но что это за небесная электростанция? Как она накапливает такой чудовищный заряд и почему разряжается стрелами молний?

Три фактора, на которых держится гроза

Чтобы в небе зародилась гроза, должны сойтись вместе три ключевых условия. Если хотя бы одного из них не будет, то ничего, кроме обычного дождя, мы не увидим. Эти три условия — влага, подъёмная сила и нестабильность атмосферы.

Всё начинается с воды. Солнце нагревает поверхность океанов, морей, озёр и даже влажную почву. Под действием тепла вода превращается в невидимый газ — водяной пар. Этот пар смешивается с воздухом, насыщая его влагой, словно губку. Чем теплее день и чем больше водоёмов поблизости, тем больше «топлива» для будущей грозы поднимается в атмосферу. Это первый и самый важный ингредиент.

Солнце греет не только воду, но и землю. Земля, в свою очередь, как печка, нагревает самый нижний слой воздуха. Физика здесь проста: всё, что нагревается, расширяется и становится легче. Тёплый воздух не исключение. Он становится менее плотным, чем окружающий его холодный воздух, и его начинает выталкивать наверх. Этот процесс очень похож на то, как пузырёк воздуха всплывает в воде. Мощные восходящие потоки тёплого, насыщенного влагой воздуха — это и есть тот «двигатель», который будет строить грозовое облако.

Третий элемент — это состояние самой атмосферы. «Нестабильность» означает, что температура воздуха с высотой падает очень быстро. В такой ситуации поднявшийся тёплый «пузырь» воздуха, даже немного остыв, всё равно остаётся теплее окружающей его среды на новой высоте. Из-за этого он не останавливается, а продолжает свой стремительный подъём всё выше и выше, как воздушный шар, у которого не кончается горючее.

Рождение облачного гиганта

Когда наш тёплый и влажный воздушный поток поднимается на высоту в несколько километров, он попадает в зону холода. Там невидимый водяной пар начинает охлаждаться и конденсироваться, превращаясь в микроскопическую водную пыль или кристаллики льда. Из этих крошечных частиц и начинает формироваться облако.

Если восходящий поток очень силён, облако не просто висит на месте, а начинает стремительно расти вверх, как тесто на дрожжах. Оно превращается в огромную вертикальную башню, которую метеорологи называют кучево-дождевым облаком. Его вершина может пробить границу тропосферы (нижнего слоя атмосферы) и достигнуть высоты 12-18 километров. Там, наверху, где царит ледяной холод (до -50°C), облако состоит уже исключительно из кристалликов льда. Сильные ветры на такой высоте расплющивают его вершину, придавая ей характерную форму гигантской наковальни. Именно внутри этого бурлящего котла и начинается самое интересное — электризация.

Процесс зарядки: как облако копит гнев

Внутри грозового облака творится настоящий хаос. Мощнейшие восходящие потоки воздуха, движущиеся со скоростью ураганного ветра, подбрасывают вверх мелкие кристаллики льда. Одновременно с этим, более крупные и тяжёлые ледяные образования — градины и ледяная крупа, под действием силы тяжести устремляются вниз.

В этой суматохе происходит постоянное столкновение лёгких и тяжёлых частиц. Учёные выяснили, что при таких столкновениях происходит разделение электрических зарядов. Механизм довольно сложен, но если упростить, то получается так: более лёгкие кристаллики льда, улетая вверх, приобретают положительный заряд. А более тяжёлые градины, падая вниз, заряжаются отрицательно.

В результате этой непрерывной сортировки верхняя часть облака-гиганта (его «ледяная шапка») становится положительно заряженной зоной. А нижняя и средняя части, где скапливаются тяжёлые частицы, превращаются в зону с мощным отрицательным зарядом. Облако поляризуется, становясь похожим на гигантский небесный конденсатор, накопивший колоссальное напряжение в сотни миллионов вольт. Атмосфера вокруг него буквально трещит от напряжения, и разрядка становится неизбежной.

Молния: Короткое замыкание в небе

Воздух сам по себе является отличным изолятором. Он не даёт электричеству просто так течь сквозь себя. Но когда напряжение становится слишком большим, любой изолятор «пробивает». Именно это и происходит во время грозы. Молния — это и есть гигантский электрический разряд, который на мгновение превращает воздух в проводник.

Рассмотрим самый частый и опасный вид молнии — удар из облака в земли.

• Поиск пути. Сначала из отрицательно заряженного основания облака вниз устремляется «разведчик» — тусклый, еле заметный канал заряженных частиц, который называется ступенчатым лидером. Он движется не по прямой, а зигзагами, словно нащупывая в воздухе путь с наименьшим сопротивлением.
• Ответный ход. Когда лидер приближается к земле на расстояние в несколько десятков метров, колоссальное отрицательное поле над поверхностью заставляет положительные заряды на земле «ответить». С верхушек деревьев, крыш домов, шпилей и других высоких объектов вверх устремляются встречные искорки — стримеры.
• Соединение. В тот момент, когда один из стримеров соединяется с лидером, создаётся непрерывный «электрический мост» между облаком и землёй. Канал для главного разряда готов.
• Главный удар. По этому готовому каналу, но уже снизу вверх — от земли к облаку несётся ослепительный разряд. Это обратный удар. Именно его мы и видим как яркую вспышку молнии. Он движется с фантастической скоростью (до трети скорости света) и раскаляет канал до температуры в 30 000°C, что в несколько раз выше температуры на поверхности Солнца.

Вся эта последовательность событий занимает тысячные доли секунды. Часто по одному и тому же каналу успевает пройти несколько разрядов подряд, из-за чего нам кажется, что молния дрожит или мерцает.

Гром: Звуковой эффект от взрыва

Теперь о звуковом сопровождении. Гром — это прямое следствие молнии. Когда по узкому каналу проходит разряд невероятной мощности, он мгновенно нагревает окружающий воздух до сверхвысоких температур. Воздух от такого теплового удара расширяется со взрывной силой, создавая мощнейшую ударную волну. Эту звуковую волну мы и воспринимаем как гром.

Разница во времени между вспышкой и звуком объясняется разной скоростью света и звука. Свет доходит до нас практически мгновенно, а звук преодолевает каждый километр примерно за три секунды. Эта задержка позволяет легко рассчитать расстояние до грозы: просто посчитайте секунды между молнией и громом и разделите на три.

А почему гром часто бывает не резким хлопком, а долгим гулким раскатом? Причин несколько. Во-первых, молния имеет очень большую длину, иногда несколько километров. Звук от разных её участков доходит до нашего уха в разное время. Во-вторых, звуковая волна многократно отражается от облаков, холмов и зданий, создавая эффект эха, который и превращает один мощный хлопок в продолжительный грохот.

Вот так, из вполне обыденных вещей: воды, солнечного света и воздуха, природа создаёт одно из своих самых завораживающих и грозных представлений. Это сложный, многоступенчатый процесс, превращающий спокойную атмосферу в гигантскую электрическую машину. И теперь, слыша раскаты грома, вы будете знать, что это не просто звук, а эхо от вспышки, которая на мгновение соединила небо и землю.