Как возникают гроза и молния
Гроза возникает в мощных облаках, где потоки воздуха и частицы воды и льда помогают разделять электрические заряды. Молния представляет собой электрический разряд, а гром рождается при резком нагреве воздуха вдоль его пути.
1Облако растёт вверх
Небо темнеет, ветер меняется, и на горизонте появляется облако, похожее на огромную башню. Через некоторое время оно озаряется вспышкой, а затем раздаётся гром. За этой знакомой картиной скрывается целая цепочка событий: движение тёплого воздуха, образование капель и льдинок, разделение электрических зарядов.
Обычное небольшое облако редко даёт грозу. Для неё нужно мощное кучево-дождевое облако, которое занимает большой слой атмосферы по высоте. Внутри такого облака рядом существуют области с разной температурой, а воздух непрерывно движется вверх и вниз.
Тёплый влажный воздух поднимается, если оказывается легче окружающего. При подъёме он расширяется и охлаждается. Водяной пар начинает превращаться в мельчайшие капли: так возникает видимая часть облака, хотя большая доля содержащейся в воздухе воды по-прежнему может оставаться паром.
Если условия позволяют воздуху подниматься дальше, облако растёт. В верхних холодных областях появляются ледяные частицы. Иногда вершина растекается в стороны и напоминает наковальню: сильный восходящий поток достигает слоя, где дальнейшее движение вверх затруднено.
2Как разделяются заряды
Внутри грозового облака тесно. Капли, ледяные кристаллы и более крупные обледеневшие частицы сталкиваются друг с другом. При определённых условиях такие столкновения сопровождаются обменом электрическим зарядом. Движение воздуха затем разносит частицы разного размера по разным областям облака.
Лёгкие кристаллы легче увлекаются вверх, а тяжёлые частицы чаще остаются ниже или опускаются. В распространённой схеме верх облака получает преимущественно положительный заряд, а значительная область ниже — отрицательный. Настоящее облако устроено сложнее: в нём могут возникать дополнительные заряженные области.
Заряд не создаётся из ничего. Меняется его распределение: в одной области появляется избыток заряда одного знака, в другой — противоположного. Похожий общий принцип проявляется, когда после трения ткань и пластмассовая поверхность начинают притягиваться, хотя устройство грозового облака гораздо сложнее бытового примера.
Между заряженными областями усиливается электрическое поле. Оно действует на заряженные частицы, даже если между ними нет провода. Поле облака также меняет распределение зарядов у поверхности земли. Так возникают условия для разряда как внутри облака, так и между облаком и землёй.
3Путь яркой вспышки
Обычно воздух плохо проводит электрический ток. Однако достаточно сильное электрическое поле может запустить образование проводящего пути. В воздухе появляются свободные заряженные частицы, и разряд начинает продвигаться через области, которые прежде служили изолятором.
У многих молний между облаком и землёй сначала развивается ветвящийся канал. Его продвижение происходит отдельными шагами. Когда формируется связь с землёй, по подготовленному пути проходит мощный ток, и мы видим особенно яркую вспышку. Весь процесс слишком быстр, чтобы глаз различил его подробности.
Одна видимая молния иногда состоит из нескольких последовательных разрядов по близкому пути. Поэтому вспышка может казаться мерцающей. Её ветви показывают, что проводящий канал искал путь в неоднородном воздухе, а не следовал заранее нарисованной прямой.
Таблица: Где проходит молния
| Вид разряда | Какие области он соединяет | Что видно наблюдателю |
|---|---|---|
| Внутри облака | Заряженные области одного облака | Облако освещается изнутри |
| Между облаками | Области разных облаков | Вспышка или протяжённый канал в небе |
| Между облаком и землёй | Облако и земную поверхность | Яркий канал, иногда с ветвями |
Нельзя считать, что всякая вспышка обязательно достигла земли. Значительная часть грозовых разрядов происходит в облаках. Снаружи их канал может быть скрыт каплями и льдинками, поэтому наблюдатель замечает лишь рассеянный свет.
4Почему слышен гром
Ток молнии очень быстро нагревает воздух вдоль канала. Нагретый воздух резко расширяется, создавая волну давления. Она распространяется дальше и достигает наших ушей как гром. Иначе говоря, гром связан с движением воздуха после разряда, а не с ударом облаков друг о друга.
Вспышку мы видим раньше, чем слышим гром, потому что свет распространяется гораздо быстрее звука. Чем дальше гроза, тем заметнее промежуток. Однако грозовое облако велико, а канал молнии может быть длинным, поэтому такой промежуток не описывает расстояние до всего облака сразу.
Резкий треск и долгий раскат имеют одну основу. Звук приходит от разных участков канала в разное время. Дополнительно его отражают земная поверхность и окружающие предметы, а неодинаковая температура воздуха меняет путь звуковых волн. Из короткого события получается протяжённый гул.
5Гроза в круговороте воды
Развивающееся облако не только накапливает заряд. Его капли и ледяные частицы растут, сталкиваются и объединяются. Когда они становятся достаточно тяжёлыми, начинается выпадение осадков. По дороге к земле лёд может растаять и превратиться в дождь.
Сильные восходящие потоки способны удерживать ледяные частицы в облаке, где они обрастают новыми слоями. Так формируется град. Он встречается не в каждой грозе: необходимы подходящие условия для роста и сохранения льда.
Падающие осадки увлекают воздух вниз. Испарение части капель охлаждает его и может усилить нисходящий поток. У земли такой воздух растекается в стороны, поэтому приближение грозы нередко сопровождается порывами ветра и ощущением прохлады.
Со временем восходящий поток слабеет или теряет доступ к тёплому влажному воздуху. Облако перестаёт поддерживать прежнюю внутреннюю циркуляцию и постепенно распадается. Но в большой грозовой системе рядом могут возникать новые облака, продолжая общую цепочку событий.