лаборант Інституту ядерної фізики ім. Г. І. Будкера аспірант НГУ Антон Вячеславович Судник і провідний науковий співробітник Інституту сонячно-земної фізики СО РАН доктор фізико-математичних наук Віктор Григорович Файнштейн.
Мне интересно, як в хмарах виходить блискавка? Як там скупчуються однойменні негативні заряди в хмарі, вони ж відштовхуються?
Ви часом не знаєте, де можна вивчитися у нас в Росії на астрофізика? (Прокоп Ангеліна)
Почнемо по порядку. Спочатку доведеться відповісти на питання: звідки беруться грозові хмари?
Для їх формування необхідне поєднання декількох чинників:
1) досить сильний висхідний потік повітряних мас. Найбільш проста причина для цього - нагрівання повітря від розпеченої сонцем землі, приводом можуть також послужити атмосферні фронти і багато іншого.
2) висока вологість. Бувають і «сухі грози», але вони рідкісні, а їх причини специфічні.
Ще важливо помітити, що в повітрі завжди є деяка кількість позитивних і негативних іонів, що утворилися, в основному, через космічне випромінювання.
Якщо ці (і деякі інші) чинники виконуються, може виникнути ситуація, коли дрібні краплі і сніжинки летять вгору, а великі - вниз. Оскільки крапля води в електричному полі Землі (яке становить 100 Вольт на один метр) електризується таким чином, що її нижня поверхня заряджається позитивно, а верхня - негативно, то знизу в краплю приходить більше негативних зарядів, а зверху - навпаки. Через це крапля, що летить вниз, збирає негативний заряд, а крапля, що летить вгору - позитивний. Якщо подивитися на хмару в цілому, то виходить, що негативний заряд накопичується в її нижній частині, на поверхні землі в свою черга збирається позитивний заряд-зображення, притягнутий негативно зарядженої нижньої кромкою хмари.
Однойменно заряджені краплі, звичайно, відштовхуються, але діватися їм нікуди. Вгору - заважає сила тяжіння, вниз - йдуть разом з дощем, але він забирає не так багато заряду. Убік - так там така ж хмара. Тому вони і накопичуються.
Виходить конденсатор - пристрій для накопичення заряду і енергії електричного поля - розміром в декілька (а іноді - кілька сотень) кілометрів. Однак електричне поле в ньому все ще недостатньо, щоб «пробити» повітря в будь-якому місці. Пробій - ситуація, коли кожен летить електрон набирає досить енергії, щоб іонізувати молекули, в нашому випадку - азоту і кисню. При іонізації зростає число вільних електронів та іонів, відповідно, кожна крапля збирає в своєму польоті більший заряд, тому негативний заряд нижньої частини хмари зростає. Але в нашому випадку вільна заряджена частка не встигає розігнатися до енергії, достатньої для цього. Тоді велику роль отримують швидкі космічні частинки. Вони, по-перше, проходять більшу відстань і тому ефективніше прискорюються (відповідно у них є енергія для іонізації), а, по-друге, просто вибивають з молекул електрони досить високої енергії.
Навколо сліду космічної частинки утвориться область з високою концентрацією вільних зарядів. Він виступає як вістря, де електричне поле помітно зростає і стає достатнім для виникнення того самого «пробою», коли будь-який електрон може розганятися до енергії, достатньої, щоб вибити з молекули ще один. У цьому випадку кількість заряджених частинок зростає лавиноподібно. Якщо при цьому на землі є інша «голка» - громовідвід або високе дерево - з нього за тим же типом починає розвиватися зустрічний пробою.
У той момент, коли два канали іонізованого повітря зустрічаються, негативну заряд з хмари отримує можливість вільно «стекти» на землю. Що він і робить, розігріваючи канал блискавки до високої температури. Через це відбувається спалах світла і різке розширення повітря в каналі, що стає причиною грому.
- Найпростіше вийти в інтернет і з'ясувати, в яких вузах готують таких фахівців. Найбільш близька мені - це Іркутський державний університет, його випускники потім якраз йдуть працювати до нас, в Інститут сонячно-земної фізики. Можливість вивчитися на астрофізика є також в Москві, Санкт-Петербурзі, Казані. Казанська школа з астрофізики раніше була однією з найсильніших. На сьогоднішній день кращі школи, як мені видається, - в Москві і Санкт-Петербурзі.
Фото: 1 - Юлія Позднякова, 2 - vsp.ru
Поділися з друзями: