Повторное свержение Перуна спустя 1036 лет
Гроза… Мое любимое атмосферное явление — опасное, мощное, но завораживающее. Какой летний поход без грозы может быть? Вот и наш последний масштабный переход хребта не обошелся без этого явления и града.
Обычно в детстве мы задаем родителям вопросы про грозу из серии "Почему?", и получив базовый ответ, остаемся удовлетворенными им на всю жизнь. Те, кто пытался почитать об этом явлении поподробнее, скорее всего ужаснулись сложности образования и течения гроз. Не претендуя на особую легкость изложения, постараюсь поделиться знаниями об этом потрясающе красивом атмосферном явлении, присущим не только нашей планете.
Гроза после жарких дней, особенно в горах – привычное дело. «Парит! Быть грозе» – одно из распространенных народных поверий. Для ее возникновения нужен мощный восходящий в небо поток влажного воздуха – земля «парит». Нагретые на солнце склоны испаряют влагу, насыщая ей горячий приземистый воздух, который всплывает вверх. На место выбывшего воздуха приходит такой же из окрестностей, создавая теплый предгрозовой ветер. В ограниченном участке неба, по пути восходящего потока, таким образом, собирается много влаги. Чем выше над землей, тем ниже окружающая температура, поэтому теплый воздух всплывает все быстрее и быстрее. Но вечно такое длиться не может – на высоте 10-15 км влажный воздух остынет, пар сконденсируется сначала в капельки, потом, на большей высоте – в лед, и мы увидим грозовую тучу. Чем больше в ней влаги, тем она темнее. Остывший и потяжелевший воздух начнет свое движение обратно к земле, и падая вместе с каплями, создаст ливень с сильным, часто шквальным холодным ветром. Лед, то есть град, обычно не успевает долететь до земли – тает. Но не в горах – их большая высота позволяет воде добраться до поверхности еще в твердой фазе, т.е. в горах гроза с градом – дело обычное.
Описанные процессы приводят к разделению электрических зарядов в грозовом облаке, а оно в свою очередь — к молниям. Как происходит разделение зарядов между крупными и мелкими каплями — наиболее сложный момент в изучении физики гроз. Исследование атмосферного электричества идет уже несколько сотен лет. За это время были написаны тысячи научных статей и сотни книг, но единого мнения на процесс образования статического электричества в облаке до сих пор нет!
Для начала нужно понимать, что заряд возникает из-за обмена электронами — мелкие капли отдают электроны крупным, отчего первым не хватает отрицательного заряда, а у второго возникает его переизбыток — точно как при электризации палочки ветошью на уроках физики. Но электризуются только разнородные вещества — если тереть шелком по стеклу, они зарядятся разными знаками, а вот если тереть стекло о стекло — то ничего не выйдет. Стало быть, и в облаке должны "тереться" разнородные вещества — а это могут быть только капли воды, лед и снег — поэтому при сухом воздухе гроз не бывает. Несмотря на обилие различных микрофизических механизмов электризации, сейчас многие авторы считают главным обмен зарядами при столкновениях мелких (с размерами порядка микрометров) кристаллов льда и частиц снежной крупы — граупеля (с размерами порядка нескольких миллиметров).
Основная зона зарядки во время грозы находится в центральной части грозового облака, где силен восходящий поток, а температура колеблется от -15 до -25°С. В этом месте из-за сочетания температуры и быстрого восходящего движения воздуха образуется смесь переохлаждённых капель (жидкая вода с температурой ниже точки замерзания), мелких кристаллов льда и мягкого града (граупеля). Восходящий поток уносит переохлаждённые облачные капли и очень мелкие кристаллы льда вверх. В то же время граупель, который значительно крупнее и плотнее, имеет тенденцию падать или зависать в восходящем потоке воздуха. Различия в движении осадков приводят к столкновениям. Когда поднимающиеся кристаллы льда сталкиваются с граупелем, лед приобретают положительный заряд, а граупель — отрицательный.
Восходящий поток поднимает положительно заряженные кристаллы льда к верхней части грозового облака. Более крупные и плотные граупели либо зависают в центре грозового облака, либо опускаются к нижней его части. В результате верхняя часть грозового облака становится положительно заряженной, а средняя и нижняя части — отрицательно заряженными. Восходящие потоки внутри грозового облака и ветры на более высоких уровнях атмосферы приводят к тому, что в верхней части грозовое облако горизонтально растягивается. Эта часть тучи называется «наковальней». Кроме того, из-за осадков и повышения температуры у основания грозового облака накапливается небольшой, но имеющий важное значение положительный заряд.
Когда заряды разделятся в достаточной степени, в облаке, преодолевая изолирующие свойства воздуха, проскакивает разряд электричества между отрицательным и положительно заряженными частями — молния. Поверхность Земли, находящаяся под грозовой тучей, испытывает индуцированный положительный заряд – электроны из грунта и всего, что на нем находится, отталкиваясь от облака, убегают подальше вниз. Таким образом, во время грозы мы находимся между «плюсом» земли и «минусом» облака – в любой момент может проскочить молния, от которой на планете гибнет несколько тысяч человек в год. Кстати, количество жертв молнии в наше время сильно меньше, чем это было, например, век назад – урбанизация уменьшила количество людей «в поле», в области высокого риска поражения ударом стихии.
Разноименность заряда человека и грозовой тучи иногда приводит к притяжению волос к последней — многие могли это замечать, хотя и в меньшей степени, чем на представленном ниже фото. Так же при этом кончики волос или другие заостренные предметы могут начать мягко светиться — зажигается коронный разряд, "огни Св. Эльма".
Всем известно, что при нахождении на открытом месте во время грозы риск поражения молнией велик – она старается ударить по наикротчайшему пути, и любое возвышение над равниной сокращает этот путь до облака. Тут как раз можно отметить, как бьет молния. На замедленной съемке видно, что сначала от облака к земле проходит относительно неяркий ветвящийся разряд, как бы ищущий наиболее подходящий путь для молнии – так называемый лидер. Вслед за ним уже от земли к облаку проскакивает основной разряд по наивыгоднейшему пути – собственно молния. На все это уходит не более 0,1 с и глаз не успевает различить детали.
Но вернемся к теме опасности стихии. Самые неподходящие места при грозе – быть в лодке на воде, в поле, на гребне или вершине гор. И если такое все ж случилось, нужно минимизировать свое возвышение над окружающей местностью – например, сесть или лечь на грунт.
Вообще, молния «прощупывает» путь удара не с точки зрения топографии реальной поверхности, а исходя из конфигурации электрического поля над ней. Так, например, в лесу поверхностью Земли для молнии будут верхушки деревьев, а не сам грунт – войдя в лес, мы для грозы станем «невидимыми» – как бы опустимся под поверхность земли. Другое дело отдельно стоящее дерево – возвышаясь над равниной, оно может являться хорошей мишенью для сокращения пути разряду, хотя и здесь есть нюансы.
Вряд ли многие задумывались о молниеотводе (громоотводе) – этом простом и уже давно известном устройстве, применяемом на зданиях, опорах линий электропередач, башнях и пр. возвышенностях. А если и задумывались, то большинство скажет, что молниеотвод – специально торчащее повыше металлическое острие, служащее для удара в него молнии и отвода ее в землю, то есть принимающего удар на себя, и этим защищающее объект. Но это, так сказать, функция «на крайний случай», а основная же – в честь которой устройство и названо – предотвращать удар молнии вообще. Заземленный торчащий острый штырь, если говорить совсем по-простому, «приподнимает» с точки зрения электрического поля поверхность земли над защищающем зданием, точно как в примере с человеком в лесу. И все, здание, опора ЛЭП и пр. как бы исчезают для молнии из поля зрения.
Молниеотвод применялся человечеством, по-видимому, очень давно. Но в новое время он был переизобретен в 1572 г. Бенджамином Франклином. И хотя он изображен на американских купюрах, президентом США он не был, как считают многие. Годом позднее Ломоносов предложил использовать молниеотводы и в России. Кстати, его друг и коллега по академии Георг Рихман при опытах с атмосферным электричеством трагически погиб в том же году. Ломоносов об этом писал: «…Красно-вишнёвое пятно видно на лбу, а вышла из него громовая электрическая сила из ног в доски. Ноги и пальцы сини, башмак разорван, а не прожжён… Рихман умер прекрасной смертью, исполняя по своей профессии должность. Память его никогда не умолкнет».
Как и происходило со многими изобретениями, внедрение молниеотводов происходило не всегда гладко. Примечательна следующая история с одним адвокатом. Во французском Сент-Омере Николай Коробенков Виссери де Буавалле, которому было уже 80 лет, знакомый с опытами Франклина, решил установить на крыше своего дома громоотвод в 1780 г. Но при установке громоотвода он совершил ошибку (а еще адвокат!), которая оказалась для него роковой: заземляющую проволоку он пустил по стене соседнего дома. Его соседке Аделаиде Реньяр-Дебюсси это, конечно, не понравилось, тем более что с Виссери она была в истинно плохих отношениях. Улица, на которой происходило дело, была короткая, всего в три дома, и третья соседка — мадам Кафиери — тоже ополчилась на бывшего адвоката. Женщины начали жаловаться в городской совет, утверждали, что их домам угрожает пожар. Довольно быстро к ним присоединились и другие жительницы Сент-Омера, и вот уже поползли слухи, что действие громоотвода вызывает выкидыши и страшные болезни.
Суд предписал убрать громоотвод с крыши, но вместо того, чтобы демонтировать конструкцию и закончить тяжбу, Виссери решил идти до конца, найдя сторонника: адвоката Бюиссара, самого известного в городе, по совместительству физика-любителя. Первое, что тот посоветовал, — демонтировать хотя бы часть громоотвода. Виссери убрал обломок шпаги, который был прикреплён на верхушке и служил токоприёмником, но целиком конструкцию уничтожать не стал. Жители города к тому моменту уже начали проявлять и беспокойство, и недовольство, конфликт усугублялся.
Бюиссар обратился к учёным, в том числе к философу и математику Мари Жан Антуану Кондорсе и метеорологу Луи Котту. Последний посоветовал ему составить меморандум, изложить в нём аргументы в пользу громоотвода, заверить его его где только можно и предоставить суду в качестве экспертной позиции. В итоге дело направили в следующую судебную инстанцию — Совет графства Артуа.
На этой стадии Бюиссар передал дело другому адвокату, большому оратору Максимилиану Робеспьеру, будущему деятелю французской революции. Тот построил защиту на том, что и физика, и юриспруденция опираются на факты (чудно такое слышать, не так ли?), изложил те данные, которые подготовили Виссери и Бюиссар, подчеркнул, что никаких бед громоотводы не причинили. При этом Робеспьер не стал утаивать, что среди учёных были случаи смерти в ходе опытов с электричеством, в частности, гибель упомянутого Георга Рихмана. Но с громоотводами эта смерть связана не была. В итоге Совет Артуа принял решение в пользу Виссери, разрешив ему оставить громоотвод. А Робеспьер получил не только местную, но и общенациональную известность на деле громоотвода.
Виссери торжествовал и оставшийся ему год жизни (он скончался в 1784-м) очень трепетно относился к отсуженному громоотводу. Он даже упомянул его в завещании, выделил специальную сумму на его содержание и обязал наследников сохранить громоотвод в конструкции дома. И это, надо сказать, очень усложнило его потомкам жизнь, принесло новые тяжбы и прочие трудности, но это, как говорится, другая история.
Хорошо проводящее ток увлажненное дерево, например лиственница, имеющая острую макушку, тоже может служить молниеотводом, защищающим от грозы пространство вокруг себя, но все ж не стоит рисковать, и при громе следует избегать отдельно стоящих деревьев, столбов, мачт — опыт показывает, что молния чаще поражает те объекты, которые хорошо заземлены и сами являются хорошими проводниками электричества. Зато если вы на открытом пространстве обнаружили любое углубление – ямку в грунте, свободное место в невысоких кустарниковых сплошных зарослях и тому подобное – знайте, это хорошее убежище от грозы для вас. Уж лучше полчаса посидеть в луже, чем быть убитым или покалеченным от молнии, вероятность удара которой на открытой местности в человека весьма ощутима.
Заканчивая заметку о грозе, хотелось бы подчеркнуть две вещи. Во-первых, атмосферное электричество гораздо многограннее и сложнее рассмотренного. Достаточно упомянуть фактически недавно открытые новые виды разрядов — спрайты и джеты, выходящие за рамки статьи. Молнии играют значительную роль в глобальном круговороте азота, влияют на концентрацию и распределение озона с гидроксильными радикалами в атмосфере, и тем самым — на баланс солнечной радиации и климат.
Во вторых, хочется напомнить, что за возникновением грозы стоит, помимо восходящего конвективного потока, вода. Вода во всех ее фазах — в виде пара, жидкости, льда и снега. Вообще, вода — очень удивительная штука. Знали ли вы, что воде посвящено множество книг — только в СССР из серии научно-популярных книг можно выделить штуки четыре-пять просто про воду! Поверьте, о воде можно писать и говорить много — гуглите книги Горского, Суслова, Новикова и более «наукоемкую» Синюкова — не пожалеете.
