Почему во время гроз блистают молнии и гремит гром?
Чтобы ответить на эти вопросы, нужно было изучить явление, проникнуть в самую его суть. И люди сделали это, хотя кое-кто из пионеров науки и поплатился жизнью за свою дерзость.
Нельзя при этом не назвать имён великого русского учёного М. В. Ломоносова и его друга профессора Г. В. Рихмана. Они были одними из первых, кто стал изучать природу молнии. Для этой цели учёные изобрели «громовую машину» и при её помощи проводили различные опыты.
«Громовая машина» была громоздким сооружением. На высоком дереве был водружён деревянный шест, от которого шёл провод, заканчивавшийся железной линейкой и шёлковой нитью. Во время грозы прибор оказывался в электрическом поле, и тогда от наэлектризованной линейки можно было вызвать молнии-искры. Одним из таких сильных разрядов был поражён насмерть профессор Рихман.
Грозовое облако имеет весьма внушительный вид; огромное, свинцово-чёрное, оно обычно бывает увенчано гигантской «наковальней». Знаете ли вы, что такое облако представляет собой небесную электростанцию, могучую динамо-машину? Почему так происходит?
В атмосфере, окружающей Землю, всегда имеются большие запасы электрической энергии. Эта энергия рассеяна повсюду. Мельчайшие частицы, капельки, ледяные кристаллики, захватывая ионы из окружающего воздуха, приобретают микроскопический электрический заряд. У одних частичек он положительный, у других — отрицательный. В нижней части облака чаще всего скапливаются отрицательно заряженные частицы, а в верхней — положительные. Такое разделение зарядов приводит к тому, что поверхность земли под грозовым облаком тоже становится заряженной положительно.
Эти наэлектризованные области занимают позиции друг против друга словно враждебные полчища, состоящие из бесчисленных мириад крошек-воинов, вооружённых электрическими копьями.
Наступает такой критический момент, когда отдельные когорты разноимённых заряженных частиц бросаются в атаку. В тот же миг заблещут молнии, загремит гром, разразится гроза.
Великие учёные М. В. Ломоносов и В. Франклин в середине XVIII века сделали открытие: молния представляет собой электрическую искру, проскакивающую между облаками и землёй или непосредственно в атмосфере. Когда опыты с электричеством стали производиться в лабораториях, учёные выяснили, что для появления искры-молнии нужно, чтобы между облаками и землёй находилось поле с напряжением около 30 тысяч вольт на каждый метр расстояния между ними.
И вот, как только наступает такой критический момент, начинает интенсивно развиваться ионизационный процесс. Ионы и электроны, с огромными скоростями ударяясь о молекулы и атомы, ионизируют их. Образующиеся при этом электроны и атомы в свою очередь ионизируют другие молекулы и атомы. Этот процесс разрастается, словно лавина. Но всё это происходит в узком канале, где воздух сильно нагревается. Канал нагретого воздуха служит путём, по которому из облака начинает стекать электрический заряд — предшественник молнии, называемый её лидером.
Лидер молнии развивается скачкообразно. За каждый скачок, длящийся в течение нескольких тысячных долей секунды, он успевает продвинуться к земле на 50 — 100 метров.
Как только канал приблизится к земле, по нему навстречу друг другу помчатся разноимённые заряды, отрицательные из облака, положительные — с земной поверхности. Скорость таких потоков поистине огромна — несколько десятков тысяч километров в секунду.
Так в канале возникает электрический ток огромной силы и мощности.
Это и есть молния, которую мы видим на небе. Когда заряды нейтрализуются, ток ослабевает. Но уже новый лидер прокладывает дорогу своей госпоже — молнии. Процесс повторяется многократно.
Поэтому молния и имеет вид длинной разветвлённой искры, напоминающей по своим очертаниям речную систему, какой её обычно изображают на картах. Длина молнии может быть самой различной — от 2 до 20, а в отдельных случаях до 50 километров.
В проводящем канале воздух нагревается до 25 тысяч градусов. Он очень быстро расширяется, а когда образовавшийся при этом вакуум заполняется воздухом, поступающим извне, возникает грохот — гром, который мы слышим.
Когда мы видим сильно разветвлённую молнию, это означает, что в прокладке для неё путей участвовал не один, а несколько лидеров. В течение одной грозы происходит до 50 — 60 мощных электрических разрядов.
Молния обладает огромной силой тока, достигающей 25 — 60 тысяч ампер, а иногда даже до 200 тысяч ампер, причём напряжение тока равно многим миллионам вольт.