В некоторых случаях коронный разряд с громоотвода бывает настолько сильным, что у острия возникает явно видимое свечение. Такое свечение иногда появляется и возле других заостренных предметов, например, на концах корабельных мачт, острых верхушек деревьев, и т.д. Это явление было замечено еще несколько веков тому назад и вызывало суеверный ужас мореплавателей, не понимавших истинной его сущности.
Молния. Красивое и небезопасное явление природы – молния – представляет собой искровой разряд в атмосфере.
Уже в середине 18-го века обратили внимание на внешнее сходство молнии с электрической искрой. Высказалось предположение, что грозовые облака несут в себе большие электрические заряды и что молния есть гигантская искра, ничем, кроме размеров, не отличающаяся от искры между шарами электрической машины. На это указывал, например, русский физик и химик Михаил Васильевич Ломоносов (1711-65), наряду с другими научными вопросами занимавшийся атмосферным электричеством.
Это было доказано на опыте 1752-53 г.г. Ломоносовым и американским ученым Бенджамином Франклином (1706-90), работавшими одновременно и независимо друг от друга.
Ломоносов построил «громовую машину» - конденсатор, находившийся в его лаборатории и заряжавшийся атмосферным электричеством посредством провода, конец которого был выведен из помещения и поднят на высоком шесте. Во время грозы из конденсатора можно было рукой извлекать искры.
Франклин во время грозы пустил на бечевке змея, который был снабжен железным острием; к концу бечевки был привязан дверной ключ. Когда бечевка намокла и сделалась проводником электрического тока, Франклин смог извлечь из ключа электрические искры, зарядить лейденские банки и проделать другие опыты, производимые с электрической машиной (Следует отметить, что такие опыты чрезвычайно опасны, так как молния может ударить в змей, и при этом большие заряды пройдут через тело экспериментатора в Землю. В истории физики были такие печальные случаи. Так погиб в 1753 г. в Петербурге Г.В. Рихман, работавший вместе с Ломоносовым).
Обычная линейная молния представляет собой гигантский электрический искровой разряд между слоями атмосферы или между облаками и земной поверхностью длиной несколько километров при напряжении несколько сотен миллионов вольт и длительностью десятые доли секунды. Форма молнии обычно похожа на разветвленные корни разросшегося в поднебесье дерева. Тому есть свои причины.
Проводимость верхних слоев атмосферы достаточно велика, чтобы атмосферу можно было считать сферическим проводником. Существующее между отрицательно заряженной поверхностью Земли и положительно заряженной верхней атмосферой электрическое поле могло бы разрядиться менее чем за 5 минут из-за непрерывной ионизации молекул воздуха под действием космического излучения и естественной радиоактивности Земли. Однако этого не происходит, поскольку в результате грозовой активности поддерживается постоянный приток электронов к Земле. Разность потенциалов между нашим носом и ступнями могла бы достигать 200 В, если бы не высокая проводимость человеческого тела.
При разряде молнии заряды в облаке распределяются следующим образом: в основании облака сосредотачивается относительно небольшой запас положительных зарядов, в середине – большой отрицательный, наверху – огромный положительный. Вначале возникает разряд между основанием облака и его отрицательно заряженной серединой, при котором электроны переходят в основание облака. Предельное напряжение пробоя, вызывающее образование ионизованного канала, составляет примерно 3 млн В/м. Далее разряд продвигается вниз в виде ступенчатого лидера, прыгающего скачками по 50 м с паузами по 50 мкс, и с каждым скачком отрицательный заряд перемещается из облака в нижнюю часть проделанного лидером канала. Светится лишь нижняя часть лидера, но из-за быстрого движения нам виден полностью светящийся канал. Лидер скачет по ломаной линии, отклоняясь под действием разбросанных в воздухе положительно заряженных островков. Если неоднородность велика, лидер может изменить направление с вертикального на горизонтальное.
Вблизи заостренных предметов на поверхности Земли электрическое поле достигает таких значений, что навстречу лидеру устремляется положительный заряд, а в месте встречи возникает яркая вспышка, продолжающаяся до полной нейтрализации электричества. Ярко светящаяся область устремляется вверх по каналу лидера и достигает облака. Если движение вниз совершается примерно за 20 мс, то обратное движение происходит всего за 0,1 мс. Диаметр разряда-лидера оценивается метрами, а обратного разряда – несколько сантиметров. Свечение происходит от центральной части канала. Из-за неспособности человеческого глаза следить за столь быстрыми движениями, светящимся кажется весь ствол с ответвлениями.
При вспышке молнии возникают импульсы электромагнитного излучения в широком диапазоне – от сверхнизких частот до 30 кГц и выше. Наибольшее излучение радиоволн находится в диапазоне от 5 до 10 кГц. Такие низкочастотные радиопомехи сосредоточены в пространстве между нижней границей ионосферы и земной поверхностью и способны распространяться на расстояния в тысячи километров от источника.
Электрический разряд молнии вызывает резкое расширение воздуха, в результате чего создается цилиндрическая ударная волна и образуется гром. Рядом с ударившей молнией можно расслышать шипение, производимое коронным разрядом, и следующий за ним щелчок – звук движущегося вверх сверхзвукового лидера. Сопровождающий молнию гром редко распространяется на расстояние более 25 километров, хотя те же орудийные выстрелы и взрывы снарядов разносятся значительно дальше. Дело в том, что скорость звука в теплом воздухе выше, чем в холодном. Поскольку с увеличением высоты температура уменьшается, верхняя часть звуковой волны, распространявшейся вначале горизонтально, движется медленнее, чем нижняя ее часть. Вследствие этого траектория волны загибается вверх. В холодный же день звук может отклоняться не вверх, а вниз, распространяясь на большие расстояние по поверхности земли (увы, в морозные дни молнии не сверкают). Кроме того, достигая относительно более теплых слоев стратосферы, траектория волны может искривиться таким образом, что снова устремляется вниз, поглощаясь и рассеиваясь рельефом местности. Между областью, которой достигает прямая звуковая волна, и отраженной от стратосферы областью находится "мертвая зона", в которой звук источника не слышен. За пределами мертвой зоны, вне видимости грозы, отраженный звук может появиться снова, предупреждая о нашествии стихии.
Иногда во время грозы можно наблюдать разряд молнии, обрывающийся на полпути к земле, что означает промежуточную нейтрализацию лидера положительным зарядом объемного воздушного скопления. Еще реже возникает картинка из нескольких параллельных разрядов, производящих впечатление свисающей с облака ленты – так называемая ленточная молния. "Лента" образуется при сильном ветре, перемещающем канал молнии с серией следующих друг за другом разрядов. Интересна по структуре и напоминает нанизанные на нитку бусинки четочная молния. Эффект четок возникает при сильно дожде, когда разряд частично заслонен каплями воды и дождевыми струями. В последнем случае участки канала молнии, совпадающие с направлением зрения наблюдателя, заметны несколько дольше остальных, поскольку видны с торца и дают больше света.
Причиной возникновения молнии, помимо распространенных природных явлений, могут послужить также ядерный взрыв, извержение вулкана и землетрясение. При взрыве водородной бомбы молнии могут возникать в результате разделения зарядов от гамма-излучения, а лидеры возникают вблизи металлических сооружений. Подобные лидеры молний, идущие снизу вверх, иногда наблюдаются над крышами небоскребов и остроконечными пиками гор. При вулканическом извержении раскаленная лава сползает в море и поднимает вверх облака положительно заряженного пара, электроны по каналу разряда затем движутся вверх. Что касается провоцирования гроз землетрясениями, ученые выдвигают гипотезу о пьезоэлектрическом эффекте в скальных глубинах, где распространяется сейсмическая волна. На подобном электрическом эффекте основано воспроизведение музыки с грампластинки.
Молниезащита. До изобретения электричества и громоотвода люди боролись с разрушительными последствиями ударов молний заклинаниями. В Европе действенным средством борьбы считался непрерывный колокольный звон во время грозы. Согласно статистике, итогом 30-летней борьбы с молниями в Германии стало разрушение 400 колоколен и гибель 150 звонарей.
Первым человеком, придумавшим эффективный способ нейтрализации молниевых ударов, стал небезызвестный гражданин США Бенджамин Франклин – универсальный гений своей эпохи (1706-1790).
Действие громоотвода не так просто, как может показаться на первый взгляд. Предполагается, что громоотвод притягивает приблизившегося к нему ступенчатого лидера, образуя защитный конус с углом 900 ниже верхушки громоотвода. Устройство простейшего громоотвода включает три основных элемента: молниеприемник, токоотвод и заземлитель. Часто молниеотвод имеет форму металлического штыря, троса или сетки., Устанавливать громоотвод необходимо на высоту с учетом 900 конуса защиты окружающего пространства. Поскольку при молниевых разрядах в высоковольтных линиях электропередач могут возникать кратковременные импульсы в десятки киловольт, в электросеть добавляют электронные средства защиты.
Тем временем изобретатели продолжают искать новые способы спасения от попадания молний зданий и сооружений. Недавно ведущий инженер Московского института теплотехники Борис Игнатов запатентовал "универсальный молниеотвод" для защиты от линейных и шаровых молний. По теории Игнатова, поскольку ядро шаровой молнии является мощным магнитным диполем, при установке в зоне обычного громоотвода постоянного магнита, шаровая молния должна обязательно притянуться к этому магниту. Важно обеспечить надежный сток электрического заряда на землю.
Принципиально новый способ борьбы с молниями предлагает калифорнийская компания BoltBlocker. По замыслу, громоотвод будет состоять из бьющей ввысь во время грозы водяной струи, диметр которой составит 1 см, а максимальная высота до 300 м. Подобными громоотводами компания планирует оснастить спортивные и детские площадки наиболее "молниеопасных" районов США.