Короткие замыкания в небесной канцелярии

Даже в России, где грозы относительно редки, хлопот они причиняют немало. А природа этого явления таит в себе ещё много загадок

В каждую секунду в поверхность нашей планет бьет в среднем сорок шесть молний. Количество высвобождающейся энергии колоссально, хотя и вдвое меньше, чем думали в прошлом веке. Фото (Creative Commons license): elsie

По официальной статистике грозы занимают второе место среди природных факторов, угрожающих жизни человека. На первом месте — наводнения. А от ударов молнии, оказывается, гибнет больше людей, чем от смерчей и ураганов вместе взятых. Даже в США и даже нынешний, весьма неспокойный с точки зрения разнообразных атмосферных явлений год не изменил обычного положения дел. А поэтому задача изучения атмосферного электричества самым прямым образом связана с проблемами личной безопасности. И задача эта пока далека от разрешения.

Заниматься ею начали довольно давно. Ещё в далеком 1708 году некий доктор Уильям Уолл (William Wall) представил Лондонскому Королевскому обществу «сообщение», которое было опубликовано в первом в истории научном журнале, называвшемся «Philosophical Transactions», и благодаря которому нам известно о самом существовании этого доктора. Там, в частности, говорится, что «свет и треск наэлектризованных тел можно до некоторой степени уподобить молнии и грому». 

К середине XVIII столетия появились первые громоотводы, за широкое распространение которых мы должны быть признательны выдающемуся американскому физику и политическому деятелю Бенджамину Франклину (Benjamin Franklin, 1706–1790). При всем том предложенную Франклиным конструкцию громоотвода — а равно и его теорию атмосферного электричества — многие современники Франклина признавать отказывались. Например, английский король Георг III признавал лишь громоотводы с шарами на концах (в то время как Франклин предлагал делать их заостренными). Несогласие же с Франклином петербургских академиков Георга Вильгельма Рихмана (1711–1753) и Михаила Васильевича Ломоносова (1711–1765) имело далеко идущие последствия: судя по всему именно этим объясняется трагическая гибель Рихмана, пытавшегося во время грозы измерять «электрическую силу атмосферы». Кстати, Франклин тоже имел все шансы быть убитым молнией во время своих рискованных опытов с воздушными змеями во время грозы.

Бенджамин Фарнклин измеряет при помощи воздушного змея изменение напряженности электрического поля вблизи земной поверхности во время грозы

Непосредственное отношение к дискуссиям вокруг природы атмосферного электричества имеет и известное постановление Парижской академии наук (Acade'mie des sciences de Paris), отказавшейся в 1772 года регистрировать сообщения о «падающих с неба камнях». В наши дни это решение часто приводится как пример, когда из-за чересчур ретивой борьбы со лженаукой из корыта с мыльной водой выплескивается и ребенок. Это постановление надолго лишило академию ценной информации о падающих на Землю метеоритах. На самом же деле решение французских академиков было заметным вкладом в борьбу с устаревшими научными теориями. До XVIII столетия камни, падавшие с неба, именовались «камнями грома», поскольку считалось, что они образуются во время грозы из рассеянных в атмосфере веществ. 

По мере того как электрическая природа молнии стала для физиков очевидной, образ «камней грома» превращался в архаику. Создатель лейденской банки Питер Ван Мушенбрук (Pieter van Musschenbroek, 1692–1761) писал ещё в 1739 году: «Я вовсе ничего не буду говорить о камнях грома и молнии, якобы падающих с неба… потому что все это нельзя считать ничем иным, кроме как занимательными сказками». Отказываясь обсуждать сообщения о камнях грома, парижские академики демонстрировали свое нежелание оказывать, хотя бы и косвенную, поддержку антинаучным, по мнению Академии, описаниям природных явлений. 

Со временем выяснилось, что хотя камни и могут падать с неба, это явление не имеет никакого отношения к атмосферному электричеству и грозам. А громами и молниями уже занимались отдельным образом. Причем эта наука привлекала к себе большое число дилетантов. Даже отец «вождя мирового пролетариата» Илья Николаевич Ульянов отметился на этом поприще, написав в 1861 году небольшой «мемуар» «О грозе и громоотводах». Впрочем, в то время эта тема имела непосредственное отношение к его общественному положению: он заведовал Пензенской метеорологической обсерваторией.

Что же касается ХХ столетия, то именно очарование зрелищными атмосферными явлениями и попытки воспроизвести их в лабораторных условиях привели Чарльза Вильсона (Charles Thomson Rees Wilson, 1869–1959) к созданию одного из самых совершенных приборов, позволяющих измерять параметры элементарных частиц — «камеры Вильсона» (Нобелевская премия по физике 1927 года). Немного позже похожим путем пошел и Виктор Гесс (Victor Franz Hess, 1883–1964) — к открытию космических лучей (Нобелевская премия по физике 1936 года). 

И все же надо признать, что об атмосферном электричестве современной физике известно очень мало. По части наблюдений сколько-нибудь значительный успех был достигнут благодаря наблюдениям со спутников. Например, совсем недавно удалось измерить глобальную среднегодовую частоту вспышек молний — 46 с-1, что более чем в два раза ниже теоретической оценки, использовавшейся на протяжении последних восьмидесяти лет. Установлен регион максимальной грозовой активности — это Африка, в первую очередь бассейн реки Конго. Наблюдения со спутников показывают также, что над сушей молнии сверкают существенно чаще, особенно если суша расположена в тропических широтах. Причины таких закономерностей физикам ещё предстоит объяснить. 

Измерения с помощью космических спутников позволили обнаружить большую неоднородность в распределении частоты ударов молний в земную поверхность от географического положения. В качестве единицы измерения принималось количество вспышек над одним квадратным километром в год. Фото: NASA/NSSTC Lightning Team

Информацией со спутников «космические» интересы исследователей атмосферного электричества не исчерпываются. На Кавказе и на Тянь-Шане физики ведут непрерывный мониторинг космических лучей, поскольку именно приходящее из глубин космоса излучение в значительной степени ответственно за образование в земной атмосфере участков повышенной электрической проводимости — тех участков, в которых и возникают разряды молний. И именно поэтому «глобальную атмосферную электрическую цепь» вместе с Институтом прикладной физики РАН изучают ещё две академические организации: Тянь-Шанская высокогорная научная станция Физического института РАН и Баксанская нейтринная обсерватория Института ядерных исследований РАН.

В ходе этих работ удалось установить скорость, с которой электроэнергия в атмосфере сначала вырабатывается, а потом преобразуется в другие формы — например, в механическую энергию разрушений или в тепло. Эта константа атмосферного энергетического баланса составляет четыреста тысяч мегаватт, что превышает скорость рассеяния энергии в земной коре в тектонических и магматических процессах. Авторы недавней публикации в журнале «Природа» нижегородские геофизики Евгений Анатольевич Мареев и Виктор Юрьевич Трахтенгерц отмечают в связи с этим, что такая высокая энергоемкость «характеризует глобальную электрическую сеть Земли как чрезвычайно динамичную систему с очень малым временем обновления электрической энергии».

Малость этих времен означает также, что формирование молнии может проходить на значительном удалении от самого разряда, а значит и информацию о ней тоже можно получать издалека. Установлено, например, что разряды молний сопровождаются миллисекундными электрическими вспышками на высоте от 50 до 100 километров (что намного выше грозового облака). Эльфы, спрайты и джеты (так именуются вспышки в специальной физической литературе) иногда удалены на десятки километров от области непосредственного молниевого разряда. Изучение эльфов, спрайтов и джетов приносит весьма ценную информацию об устройстве молнии и здесь для физиков главным становится умение получить эту информацию за те миллисекунды, которые «живет» вспышка… 

Фотография красного спрайта над Техасом летом 1994 года. Спрайт — это некое подобие молнии, только бьющей из облаков вверх. Фото NASA

Однако — и это, пожалуй, самое интересное в истории с молниями — все эти последние исследования так и не дали ответа на вопрос: можно ли электрический разряд в газе считать адекватной моделью грозы? Например, электрическая искра между двумя заряженными шарами проскакивает только при достижении достаточно высоких значений напряженности электрического поля между ними. Его называют уровнем пробоя. Наблюдения показывают, что в грозовом облаке напряженность поля в шесть раз меньше напряженности пробоя, а молнии все равно возникают. Можно предположить, что напряженность электрического «подскакивает» до уровня пробоя на очень короткое время, и приборы не успевают фиксировать эти скачки. В пользу этой гипотезы говорят некоторые очень быстрые процессы в эльфах, спрайтах и джетах, тем не менее проверить её пока не удалось.

Можно, впрочем, надеяться, что ответы на подобные вопросы будут найдены в некоторых модельных экспериментах. В 1960 году физики впервые инициировали разряд молнии — для этого в грозовое облако была запущена ракета, за которой тянулся заземленный провод. Недавние эксперименты в ИПФ РАН выглядят существенно более «компактно». Проводящий канал в атмосферном воздухе удалось создать с помощью мощного лазера, генерирующего фемтосекундные импульсы. Создание канала, в свою очередь, позволило инициировать в воздухе электрический разряд, причем измерения показали снижение напряженности пробоя в несколько раз.

Глобальная атмосферная электрическая цепь объединяет в одно целое весьма разные по своим временным и пространственным масштабам процессы. Для понимания, как эта цепь функционирует, в равной степени важны и сведения о космических лучах, и информация о «живущих» тысячные доли секунды электрических вспышках. Поэтому процессы в грозовом облаке естественно описывать с помощью теории самоорганизованной критичности. Основной идея теории в том, что система из большого числа элементов неизбежно приобретает «целостные», «системные» характеристики, которые к сумме свойств отдельных её элементов уже несводимы. 

Разработанную датским математиком Пером Баком (Per Bak, 1948–2002) теорию самоорганизованной критичности нередко упоминают как символ междисциплинарности современных методов изучения природы. О самоорганизованной критичности говорят экономисты, рассчитывающие научиться с её помощью прогнозировать обвалы на бирже. К теории Бака обращаются и геологи в попытках предсказать подвижки земной коры. 

Что же касается грозового облака, то теория самоорганизованой критичности представляет его системой большого числа электрических ячеек. Случайный разряд между парой ячеек порождает, по словам Мареева и Трахтенгерца, «эпидемию внутриоблачных микроразрядов». В результате происходит «быстрый переход облачной среды в состояние, напоминающее объемную паутину из динамичных проводящих нитей, на фоне которых и формируется видимый глазом лидерный канал молнии». Впрочем, это пока ещё не теория, а только красивая метафора, или, выражаясь языком Эйнштейна, руководящая идея, которую ещё предстоит преобразовать в контуры будущей концепции.

Источник: www.vokrugsveta.ru