МОЛНИЯ МЕЖДУ ГРОЗОВЫМ ОБЛАКОМ И ЗЕМЛЁЙ: ГРАВИТАЦИОННО-ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ЯВЛЕНИЕ

А.А.Гришаев, независимый исследователь

Введение.

Хорошо известное явление, линейная молния между грозовым облаком и землёй, имеет, как полагают, чисто электрическую природу. Считается, что механизм формирования такой молнии – в общих чертах тот же, что и механизм формирования длинной искры (см., например, [1]), а именно: лавинный пробой воздуха при пробивной напряжённости электрического поля.

Однако, прорастание молнии имеет принципиальные отличия от прорастания длинной искры. Во-первых, канал проводимости для удара молнии формируется в условиях, когда напряжённость электрического поля значительно меньше той, которая требуется для лавинного пробоя. Во-вторых, этот канал формируется не сразу на всю протяжённость между облаком и землёй, а через последовательные наращивания – со значительными паузами между ними. В рамках традиционных подходов, оба названных обстоятельства до сих пор не нашли разумных объяснений, поэтому остаётся загадкой даже то, каким образом молния возможна в принципе.

В данной статье мы постараемся восполнить эти пробелы. Мы постараемся показать, что важную роль в обеспечении возможности электрического разряда между грозовым облаком и землёй играет тяготение. Роль тяготения заключается здесь, конечно, не в гравитационном воздействии на свободные заряженные частицы, а во влиянии на работу программ, управляющих поведением этих частиц, т.е. программ, обеспечивающих электромагнитные явления. Это влияние тяготения сказывается, когда масштаб электрического явления по вертикали достаточно грандиозен, и молния «облако-земля» - как раз такое явление. Свободные заряженные частицы между грозовым облаком и землёй управляются по стандартному алгоритму: частицы с зарядом, одноимённым с избыточным зарядом в нижней части облака, электрически «отталкиваются» от него, а частицы с зарядом, разноимённым с тем зарядом, «притягиваются» к нему. Но тяготение заставляет этот стандартный алгоритм работать совершенно парадоксальным образом. Наличие тяготения приводит к тому, что у частиц, разделённых достаточно большим перепадом высоты, одноимённость или разноимённость зарядов не является свойством, постоянным во времени. От перепада высоты между избыточным зарядом в облаке и свободной заряженной частицей зависит частота, с которой циклически изменяется знак заряда этой частицы по отношению к знаку избыточного заряда. Соответственно, каждая такая частица испытывает знакопеременные силовые воздействия – «к облаку - от облака». Это и облегчает формирование канала проводимости для удара молнии, поскольку тип электрического пробоя воздуха оказывается здесь не лавинным, а высокочастотным (ВЧ). Ступенчатое наращивание канала проводимости (движение ступенчатого лидера) тоже находит естественное объяснение.

Бессилие традиционных подходов.

До сих пор нет разумного объяснения того, каким образом возникает молния при имеющих место напряжённостях электрического поля.

Френкель [2], проиллюстрировав вопиющую недостаточность напряжённости электрического поля для лавинного пробоя воздуха между грозовым облаком и землёй, выдвинул гипотезу о том, что остриё растущего пробоя является усилителем напряжённости – из-за сильной неоднородности поля рядом с остриём. При внешней правдоподобности этой модели, у неё, на наш взгляд, имеется серьёзный недостаток. Остриё усиливает напряжённость поля, когда на этом острие имеется избыточный заряд. Но, как мы увидим ниже, канал с ионизованным воздухом формируется в условиях, когда заряды из облака ещё не успели продвинуться до конца этого канала, и на этом конце ещё нет избыточного заряда. Как же растёт этот канал, если усиление поля ещё не работает? Да и откуда берётся первый участок канала проводимости, первое остриё? Вот что пишут современные авторы о напряжённостях электрического поля в грозовой обстановке: «Ясно, что в точке старта молнии электрическое поле должно быть достаточным для увеличения плотности электронов в результате ударной ионизации. В воздухе нормальной плотности для этого требуется E_i»30 кВ/см; на высоте 3 км над уровнем моря (это средняя высота старта молнии в Европе) – примерно 20 кВ/см. Столь сильное электрическое поле никогда не измерялось в грозовом облаке. Наиболее высокие цифры были зафиксированы при ракетном зондировании облаков (10 кВ/см)… и при пролёте через облако специально оснащённого самолёта-лаборатории (12 кВ/см). В непосредственной близости от грозового облака при облёте его на самолёте намерено примерно 3.5 кВ/см… Цифры от 1.4 до 8 кВ/см получены в целом ряде сходных по методике измерений» [3]. Если эти цифры не являются завышенными, они всё равно сильно не дотягивают до значения, требуемого для лавинного пробоя – даже там, где молния стартует. «Даже при мегавольтных напряжениях лабораторных генераторов стримеры в воздухе вырастают только до нескольких метров. Напряжения в десятки мегавольт, провоцирующие разряды молнии, в состоянии увеличить длину стримеров, в лучшем случае, до десятков метров, но не до километров, на которые обычно прорастает молния» - пишут авторы [3]. Выход из тупика они предлагают удивительный: «Единственное, чем можно предотвратить… распад воздушной плазмы в слабом электрическом поле, это поднять температуру газа в канале… до 5000-6000К» - и далее приводят фантастические расклады на тему о том, как температура поверхности Солнца могла бы достигаться и поддерживаться в формирующемся канале проводимости – до главного токового удара. При этом авторы обходят вопрос о том, как светился бы воздух при такой высокой температуре – ведь интенсивное свечение у формирующегося канала проводимости не наблюдается.

Добавим, что были и более ранние попытки предложить механизм, который играл бы вспомогательную роль при формировании канала проводимости и облегчал бы лавинный пробой. Так, Тверской [4] даёт ссылку на Капцова [5], который излагает теорию Лёба и Мика [6]. Согласно этой теории, в головной части растущего канала проводимости присутствуют возбуждённые ионы – с энергиями возбуждения, превышающими энергии ионизации атомов. Эти ионы испускают коротковолновые фотоны, которые ионизируют атомы – что даёт вклад в формирование канала проводимости. Не отрицая наличия этого механизма, заметим, что здесь на возбуждение ионов тратится, опять же, кинетическая энергия электронов – которая иначе прямо пошла бы на ионизацию атомов. Косвенная ионизация, через возбуждение ионов и высвечивание коротковолновых фотонов, менее эффективна, чем прямая ионизация электронным ударом. Поэтому эта косвенная ионизация не облегчает лавинный пробой, а, наоборот, затрудняет его, давая потери энергии при формировании лавины – особенно если учесть, что ионизирующие фотоны, не имея заряда, должны разлетаться во всех направлениях, а канал проводимости растёт в выделенном направлении. Наконец, факт: «высвечивающиеся ионы» ничуть не помогают формироваться длинным стримерам в лабораторных условиях.

Но мало того, что загадкой остаётся сам рост канала проводимости при имеющих место напряжённостях электрического поля – не меньшей загадкой остаётся прерывистость этого роста, со значительными паузами между последовательными наращиваниями. Шонланд пишет: «Продолжительность паузы между последовательными ступенями у ступенчатого лидера варьируется удивительно мало… В 90% из множества исследованных лидеров, она попадает в диапазон между 50 и 90 msec. Поэтому трудно принять объяснение паузы, которое не включает в себя газоразрядный механизм фундаментального характера. Так, едва ли пауза может быть связана с каким-либо свойством заряда в облаке, которым подпитывается лидер, поскольку это должно давать широкий разброс пауз от вспышки к вспышке. По этой же причине следует отбросить любую интерпретацию, основанную на осцилляциях в канале между облаком и кончиком лидера или на импульсах, движущихся по этому каналу. Из подобных объяснений непременно следует увеличение длительности паузы по мере роста длины канала, а такое увеличение не наблюдается» [7] (перевод наш). Но разумное объяснение пауз, основанное на «газоразрядном механизме фундаментального характера», тоже до сих пор не предложено. Юман пишет: «Чтобы окончательно ввести в заблуждение читателя, в литературе по «теории» молнии лабораторные данные, многие из которых противоречивы, часто экстраполируют для «объяснения» явлений молнии. Общее плачевное состояние иллюстрируется различными теориями ступенчатого лидера… В большей части литературных источников по молнии слова пилот-лидер и стример заменяют объяснения физического смысла явлений. Но назвать ещё не значит объяснить» [8]. Наконец, приведём ещё одну цитату: «Многочисленные гипотезы о механизме ступенчатого лидера столь несовершенны, неубедительны, а зачастую просто нелепы, что мы даже не станем их здесь обсуждать. Предложить свой механизм мы сегодня не готовы» [3].

Таковы, вкратце, современные воззрения науки на физику молнии. Изложим теперь альтернативный подход.

Как тяготение вмешивается в электромагнитные явления.

Динамика свободных зарядов хорошо изучена для случаев, когда задействованные заряженные частицы находятся примерно в одном и том же гравитационном потенциале. Но если задействованные частицы достаточно сильно рассредоточены по высоте, то характер динамики свободных зарядов оказывается кардинально иным.

Согласно концепции «цифрового» физического мира [9], элементарный электрический заряд не является энергетической характеристикой, будучи у частицы просто меткой, идентификатором для программ, которые обеспечивают электромагнитные явления. Зарядовая метка у частицы физически реализована весьма просто. Она представляет собой квантовые пульсации [9] на электронной частоте f_e [9], значение которой определяется формулой де Бройля hf_e=m_ec², где h - постоянная Планка, m_e - масса электрона, c - скорость света. Положительный или отрицательный знак элементарного заряда определяется фазой квантовых пульсаций на электронной частоте: пульсации, идентифицирующие заряды одного знака, синфазны, но они противофазны пульсациям, идентифицирующим заряды другого знака.

Ясно, что постоянно быть точно синфазными или противофазными могут только пульсации, которые имеют одинаковую частоту. Если частоты у двух пульсаций различаются, то их разность фаз изменяется со временем, так что состояния их синфазности и противофазности попеременно повторяются на разностной частоте.

Теперь вспомним, что тяготение, согласно нашей модели [9], организовано таким образом, что массы элементарных частиц и соответствующие им частоты квантовых пульсаций зависят от гравитационного потенциала – увеличиваясь при подъёме вдоль местной вертикали. Так, для околоземного пространства справедливо соотношение [10]

, (1)

где R - расстояние до центра Земли, f_¥ - частота квантовых пульсаций «на бесконечности», G - гравитационная постоянная, M - масса Земли, c - скорость света.

Сопоставляя критерий идентификации одноимённости-разноимённости зарядов и зависимость электронной частоты от гравитационного потенциала, мы получаем парадоксальные следствия. Электронные частоты у частиц, находящихся в одном и том же гравитационном потенциале, одинаковы, поэтому разноимённые заряды, находящиеся на одной высоте, всё время должны быть разноимёнными, а одноимённые – одноимёнными. Но иная ситуация должна иметь место для двух частиц, разделенных перепадом высот DH. Относительная разность их электронных частот, как следует из (1), составляет

, (2)

где g - локальное ускорение свободного падения, f_e=1.24×10²⁰ Гц - локальное значение электронной частоты. У этих двух частиц состояния синфазности и противофазности электронных пульсаций циклически повторяются, и период повторения составляет 1/Df_e. Значит, для программ, управляющих заряженными частицами, заряды двух наших частиц, друг относительно друга, попеременно должны оказываться то одноимёнными, то разноимёнными.

Такой подход, на первый взгляд, противоречит представлениям об абсолютности знака элементарного заряда, присущего конкретной частице. Но это противоречие – кажущееся. Электрон на любой высоте потому и ведёт себя как обладатель элементарного отрицательного заряда, что для каждого гравитационного потенциала программно заданы, помимо значения электронной частоты, ещё и две текущие противоположные фазы пульсаций на этой частоте, задающие два знака электрического заряда – и у электрона текущая фаза пульсаций всегда соответствует отрицательному заряду. В этом смысле, отрицательный знак заряда электрона – абсолютен. Переключаемость же знаков зарядов имеет относительный характер, она проявляется у пар свободных заряженных частиц, достаточно разнесённых по высоте.

Прежде чем пояснить, что означает «достаточная разнесённость по высоте», заметим, что в условиях вертикального градиента электронной частоты, даже при ничтожно малом перепаде высот, разделяющем два электрона, их электронные частоты различаются, и разность фаз их электронных пульсаций изменяется со временем. Если у пары таких электронов одноимённость-разноимённость зарядов друг по отношению к другу имела бы место только в моменты точной синфазности-противофазности их электронных пульсаций, то их взаимное «отталкивание-притяжение» обеспечивалось бы только в эти отдельные моменты времени. Так, при перепаде высот в 1 см, два электрона кратковременно «чувствовали» бы друг друга с периодичностью, согласно (2), примерно в 7 ms. А этого на опыте не наблюдается: они «чувствуют» друг друга постоянно.

Отсюда мы делаем вывод: приняты специальные меры для того, чтобы заряженные частицы, находящиеся в различающихся гравитационных потенциалах и имеющие различающиеся электронные частоты, непрерывно проявляли свои заряды друг по отношению к другу. Логично допустить, что одноимённость-разноимённость зарядов определена не для точных синфазности-противофазности электронных пульсаций, но для более широких фазовых коридоров. А именно, заряды считаются одноимёнными, если у соответствующих квантовых пульсаций на электронной частоте разность фаз попадает в интервал 0±(p/2) – и разноимёнными, если эта разность фаз попадает в интервал p±(p/2). В результате такого определения одноимённости-разноимённости зарядов, практически, все заряженные частицы, находящиеся на различающихся высотах, будут постоянно охвачены управлением программ, отвечающих за электромагнитные явления.

Но, как нам представляется, работа этих программ кардинально упрощена через исключение необходимости отрабатывать взаимные изменения знаков зарядов, разделённых малыми перепадами высот. Для этого, через программные манипуляции фаз квантовых пульсаций на электронных частотах, организованы смежные горизонтальные слои – с толщиной, ориентировочно, в несколько десятков метров – в которых эти пульсации, несмотря на небольшой разброс частот, происходят квази-синфазно. В каждом из таких слоёв, которые мы будем называть слоями квази-синфазности, опорной является текущая фаза пульсаций на высоте центра слоя, а пульсации, происходящие выше и ниже центра этого слоя, импульсно подстраиваются по фазе так, чтобы они оставались в коридоре 0±(p/2) с пульсациями в центре слоя – как это схематически показано на Рис.1. Такие фазовые манипуляции не нарушают градиента частот, которым обеспечивается тяготение, но задают постоянную одноимённость зарядов у всех свободных электронов, находящихся в пределах одного слоя квази-синфазности. При этом, циклические смены одноимённости-разноимённости зарядов у свободных электронов происходят лишь для тех из них, которые находятся в разных слоях квази-синфазности – с частотой, равной разности электронных частот на высотах середин этих слоёв.

Рис.1

Если верна наша модель, то избыточный объёмный заряд в атмосфере, находящийся в пределах одного слоя квази-синфазности, должен приводить к циклическим силовым воздействиям «вверх-вниз» на находящуюся под ним свободную заряженную частицу. Если же область избыточного заряда охватывает несколько слоёв квази-синфазности, то заряды каждого слоя должны приводить к воздействию на своей частоте – и спектр частот суммарного воздействия должен при этом быть, соответственно, шире. Тогда статические объёмные заряды в атмосфере – одним фактом своего присутствия – должны генерировать широкополосные шумы в электронной аппаратуре, причём, особенно эффективно – в радиоприёмной аппаратуре. Так, при нахождении верхней границы области избыточного заряда на 3 км выше радиоприёмника, верхняя частота у полосы шумов, которые могли бы генерироваться в приёмнике, должна составлять около 40 МГц. Имеют ли место такие шумы на практике?

Шумы действительно имеют место.

Очень хорошо известно, что радиоприёму на средних и особенно на длинных волнах мешают, помимо т.н. свистящих атмосфериков, ещё и другие характерные помехи, которые акустически проявляются как шум (шорох) и треск. Эти помехи резко усиливаются при приближении местной грозы и ослабляются при её удалении, но ясно, что они вызываются отнюдь не местными грозовыми разрядами. В самом деле, имея импульсный характер, отдельные разряды дают, соответственно, отдельные кратковременные возмущения – тогда как для шума, о котором идёт речь, характерна непрерывность во времени. Бесхитростное объяснение, которое вошло едва ли не во все учебные пособия, объявляет этот шум результатом грозовых разрядов, происходящих сразу на всём земном шаре – ведь, по некоторым подсчётам, в поверхность Земли ударяет примерно 100 молний каждую секунду. Но открытым остаётся смешной вопрос о том, почему помехи из-за молний, удалённых на громадные расстояния, резко усиливаются при приближении местной грозы.

Богатый опыт радиолюбителей можно дополнить печальным опытом авиаторов. Инструкции и приказы регламентируют действия экипажа при попадании самолёта в зону повышенной электризации атмосферы – ввиду опасности поражения самолёта разрядом статического электричества. Здесь характерен термин «поражение воздушных судов электрическими разрядами вне зон грозовой деятельности». Действительно, в значительном проценте случаев, особенно в холодное время года, зоны повышенной электризации атмосферы образуются при отсутствии грозовых облаков [11], и если области объёмного заряда не имеют резко выраженных границ, то они не дают засветок на экранах бортовых и наземных радиолокаторов. Тогда попадание самолёта в зону повышенной электризации атмосферы не прогнозируется, а определяется пилотами по факту, важнейший признак которого – это появление сильных радиопомех, которые проявляются, опять же, как шум и треск в наушниках пилотов. В качестве причины этих шума и треска называют сильную электризацию самолёта, т.е. избыточный заряд на нём. Можно допустить, что сток статического электричества с самолёта (коронирование) порождает шумы и треск в используемой полосе радиочастот. Но вспомним, что совершенно аналогичные шумы и треск – в совершенно аналогичных условиях повышенной электризации атмосферы – дают и наземные радиоприёмники, о сильной электризации которых говорить неуместно.

Сопоставляя опыт радиолюбителей и авиаторов, мы приходим к выводу о том, что главная причина вышеназванных шумов как в наземной, так и в бортовой аппаратуре – в действительности одна и та же, и что эта причина неизвестна науке, будучи не связана ни с грозовыми разрядами на всём земном шаре, ни с электризацией воздушного судна. Мы связываем эту причину с местными объёмными зарядами в атмосфере, одного присутствия которых достаточно для знакопеременных силовых воздействий на свободные заряженные частицы, согласно вышеописанному механизму.

О токе электронов по длинному вертикальному проводнику.

Если верна вышеизложенная модель для частотно-фазового поведения квантовых пульсаций у распределённых по высоте свободных электронов, то теряют смысл традиционные представления о разности потенциалов – для электрических явлений, охватывающих большие перепады высот. Пусть, например, вертикальный проводник тянется через несколько слоёв квази-синфазности. Тогда бессмысленно говорить, что к его концам приложена некоторая постоянная разность потенциалов. В самом деле, о какой постоянной разности потенциалов может идти речь, если знаки зарядов электронов на верхнем и нижнем концах проводника оказываются то одноимёнными, то разноимёнными – с частотой, скажем, в 1 МГц? В данном случае корректно говорить просто о сосредоточении избыточного количества электронов на одном из концов проводника – т.е. использовать понятийный аппарат, на котором и построена логика программ, которые устраняют названную неоднородность в распределении заряда, перемещая избыточные электроны по проводнику.

Но даже при использовании корректной терминологии требуется пояснение: как, например, работают линии электропередач, проложенные между пунктами с большими перепадами высот – т.е. как ток электронов (особенно постоянный) идёт по проводнику, на соседних участках которого заряды электронов не всегда одноимённы, а переключаются между состояниями одноимённости и разноимённости на радиочастоте.

Рассмотрим случай такой длины вертикального проводника, на которой ускорение свободного падения g можно считать постоянным. Тогда, как можно допустить, толщины задействованных слоёв квази-синфазности одинаковы, а, значит, одинаковы и разности df_e между частотами опорных пульсаций в соседних слоях. При равных p ширинах фазовых коридоров, дающих идентификацию одноимённости или разноимённости зарядов (см. выше), в проводнике будут сменять друг друга, с периодичностью 1/df_e, два состояния. А именно, пол-периода будет длиться сквозная одноимённость зарядов электронов во всех слоях, а другие пол-периода знаки зарядов электронов будут чередоваться от слоя к слою – при этом за опорный можно взять любой из слоёв.

Нас интересует вопрос: если, скажем, на верхнем конце нашего проводника поддерживается постоянный избыток электронов, то каков будет характер результирующего тока электронов в проводнике? На интервалах времени со сквозной одноимённостью зарядов, очевидно, по всему проводнику электроны будут двигаться вниз. На интервалах же времени с послойно-чередующимися знаками зарядов электронов, ситуация будет сложнее. В слоях, где заряды электронов будут одноимённы с избыточным зарядом наверху, электроны будут двигаться вниз, а в слоях, где они будут разноимённы – вверх. Заметим, что ток «отрицательных» электронов вниз и ток «положительных» электронов вверх – эквивалентны. И любой детектор обнаружит, в нашей задаче, один и тот же постоянный ток в любом месте проводника – если пренебречь сгущениями и разрежениями свободных электронов, которые будут получаться на стыках слоёв за каждый интервал времени с послойно-чередующимися знаками зарядов. А эти сгущения-разрежения будут, действительно, ничтожны, поскольку скорость продвижения электронов в проводниках даже при сильных токах составляет всего несколько сантиметров в секунду (см., например, [12]).

Таким образом, тот разнобой знаков зарядов электронов, о котором говорит наша модель, практически, не скажется на процессе движения избыточных электронов по длинному вертикальному проводнику. Но молния бьёт сквозь воздух, который при обычных условиях проводником не является. Чтобы стал возможен удар молнии, в воздухе должен быть сформирован канал проводимости, т.е. канал с достаточно высокой степенью ионизации.

Как под грозовым облаком создаются условия для ВЧ-пробоя воздуха.

В нижней части грозового облака, из-под которой начинается формирование канала проводимости для удара молнии, сосредоточен избыточный заряд – как правило, отрицательный. Вертикальная протяжённость области сосредоточения этого заряда может составлять 2-3 км.

Казалось бы, это мощное сосредоточение заряда должно вызывать электрический дрейф свободных заряженных частиц, имеющихся в небольшом количестве в непробитом воздухе между облаком и землёй. Статическое силовое воздействие на свободные электроны было бы более эффективное, чем на ионы – по сравнению с которыми, у электронов меньше инертность и выше подвижность. Но в литературе по атмосферному электричеству мы не нашли никаких упоминаний о дрейфе атмосферных электронов под грозовым облаком к земле – а ведь этот дрейф не мог остаться незамеченным. И никто из авторов не задался вопросом: а почему этого дрейфа нет?

Наша модель легко объясняет этот парадокс тем, что мощное сосредоточение заряда в атмосфере приводит не к статическому силовому воздействию на находящиеся под ним свободные заряженные частицы, а к знакопеременному – причём, в широкой полосе частот, определяемой вертикальной протяжённостью сосредоточения заряда. При таком воздействии, в результирующем движении атмосферных электронов отсутствует компонента, соответствующая постоянному току – как в проводнике, имеющем на одном конце избыточный заряд – эти электроны испытывают лишь высокочастотную «болтанку».

Но этой «болтанкой» атмосферных электронов и обеспечивается, на наш взгляд, формирование канала проводимости для удара молнии. Если кинетическая энергия свободных электронов в результате ВЧ-воздействия оказывается достаточной для ударной ионизации атомов воздуха, то происходит безэлектродный высокочастотный пробой [5]. Хорошо известно, что ВЧ-пробой происходит при гораздо меньших напряжённостях поля, чем лавинный – при прочих равных условиях. Этим мы и объясняем загадку формирования канала проводимости для удара молнии при напряжённостях, далеко не достаточных для лавинного пробоя.

Уместно добавить, что Н.Тесла шокировал своих современников зрелищем длинных разрядов в воздухе, вызываемых им искусственно – его даже называли «повелителем молний». Известно, что секрет Теслы заключался не только в использовании весьма высоких напряжений, но и в знакопеременности этих напряжений, на частотах в десятки кГц и выше. Таким образом, тип пробоя воздуха в молниях Теслы был, несомненно, высокочастотный.

Но вернёмся к ВЧ-пробою воздуха, которым формируется канал проводимости для удара молнии «облако-земля». Ясно, что, при одинаковой плотности свободных электронов на всей высоте между облаком и землёй, ВЧ-пробой в первую очередь произойдёт там, где, из-за ВЧ-воздействия, у электронов максимальна кинетическая энергия. Между облаком и землёй, энергия атмосферных электронов оказывается максимальна в области, непосредственно примыкающей к «днищу» облака: во-первых, там максимальна интенсивность ВЧ-воздействия, и, во-вторых, там минимальна плотность воздуха, что благоприятствует разгону электронов. Вот почему, в нашем случае, ВЧ-пробой начинается из-под нижней части грозового облака. Но он не прорастает сразу на всю высоту между облаком и землёй – он прорастает всего на длину одной ступени у «ступенчатого лидера».

Чем определяется длина ступени лидера.

Итак, канал проводимости для удара молнии «облако-земля» начинает расти из области, примыкающей к «днищу» грозового облака. Казалось бы, развивающийся от облака к земле ВЧ-пробой мог бы вырастить канал проводимости сразу на всю протяжённость, которую допускает интенсивность ВЧ-воздействия – хватало бы этой интенсивности для обеспечения требуемой степени ионизации воздуха. Но такой подход не учитывает специфических условий, которые имеются на границах слоёв квази-синфазности.

Действительно, рассмотрим свободный электрон, который на ускоряющей стадии ВЧ-воздействия переходит границу между соседними слоями квази-синфазности. Если, на момент перехода границы, в этих соседних слоях имеет место одноимённость зарядов электронов, то с нашим электроном ничего особенного не произойдёт – ускоряющая стадия ВЧ-воздействия продолжится. Но если переход границы придётся на разноимённость зарядов электронов в соседних слоях, то результатом такого перехода границы станет немедленная инверсия фазы ВЧ-воздействия: ускоряющая стадия сменится на тормозящую. В этом случае электрон не сможет воспринять ВЧ-воздействие в полной мере – в отличие от электронов, колеблющихся в пределах одного слоя квази-синфазности или переходящих границу между ними тогда, когда заряды электронов в них одноимённы.

Из этого следует, что на границах между соседними слоями квази-синфазности имеются пограничные слои, в которых часть свободных электронов имеет кинетические энергии, значительно меньшие той, которую обеспечивает ВЧ-воздействие для остальных электронов. Поскольку пониженная кинетическая энергия электрона означает и его пониженную способность к ионизации воздуха, то в пограничных слоях эффективность ионизации оказывается снижена – ориентировочно, вдвое. Поэтому высока вероятность того, что ВЧ-пробой, дойдя до области с пониженной эффективностью ионизации в пограничном слое, не сможет пройти сквозь эту область, и развитие ВЧ-пробоя на этом остановится.

Тогда ступени подавляющего большинства ступенчатых лидеров должны начинаться и заканчиваться на пограничных слоях между слоями квази-синфазности. И по средней длине ступени лидера можно судить о толщине слоёв квази-синфазности – принимая во внимание, что если одна ступень приходится на один слой квази-синфазности, то длина ступени должна увеличиваться при отклонении ступени от вертикального направления. К сожалению, мы не нашли в литературе данных, позволяющих подтвердить или опровергнуть тезис об увеличении длины ступени лидера при её отклонении от вертикали. Впрочем, есть указания на то, что почти-горизонтальные линейные молнии образуются свободнее – без тех жёстких ограничений на длины ступеней лидера, которые имеют место у молний «облако-земля». Действительно, при том, что длина молний «облако-земля» составляет в среднем 2-3 км, «длина молнии, происходившей между облаками, достигала 15-20 км и даже более» [4].

Если верны наши рассуждения, то толщина слоёв квази-синфазности должна быть немного меньше, чем средняя длина ступени лидера. Разные авторы приводят несколько различающиеся значения для средней длины ступени – в качестве ориентировочной величины назовём цифру в 40 м. Если эта цифра недалека от истины, то мы не сильно ошибёмся, если в качестве ориентировочного значения толщины слоёв квази-синфазности назовём величину в 30 м.

Что происходит в паузах между наращиваниями канала проводимости.

Опыт показывает, что после очередного наращивания канала проводимости на длину одной ступени лидера – на что уходит примерно 1 ms – следует пауза перед наращиванием следующей ступени; эти паузы длятся примерно по 50 ms. Что происходит во время этих пауз?

Напрашивается ответ: во время этих пауз происходит продвижение свободных электронов из облака по всему сформированному каналу проводимости, с заполнением нового наращенного участка до самого его конца, чтобы на этом конце концентрация избыточных электронов оказалась достаточна для пробоя пограничного слоя между соседними слоями квази-синфазности. Подтверждение тезиса о продвижении электронов по каналу проводимости в паузах между наращиваниями ступеней лидера мы находим у Шонланда [7], который пишет о совпадении скорости ступенчатого лидера со скоростью дрейфа свободных электронов – при имеющих место плотности воздуха и напряжённости электрического поля. Здесь Шонланд говорит о средней скорости ступенчатого лидера, но ведь этот лидер продвигается кратковременными бросками, а в подавляюще большее остальное время – «отдыхает». И если результирующая средняя скорость ступенчатого лидера равна скорости продвижения электронов, то это и означает, что электроны продвигаются по новым наращиваемым участкам канала проводимости именно во время следующих за этим пауз – ведь, со своей скоростью дрейфа, они просто не успевали бы продвинуться по новому участку за время его формирования.

И, действительно, ВЧ-пробой формирует новый участок канала проводимости всего лишь через увеличение степени ионизации воздуха в нём – количества свободных электронов и положительных ионов при этом увеличиваются, но остаются равными друг другу. Поэтому изначально в новом участке канала проводимости нет избыточного заряда – а для его притока требуется время. Вот почему, на наш взгляд, является нерабочей модель Френкеля [2] об усилении поля на острие прорастающего пробоя. Для такого усиления поля требуется, чтобы на острие присутствовал избыточный заряд. Но мы видим, что наращивание канала проводимости происходит при отсутствии избыточного заряда на оконечности растущего пробоя – эти избыточные заряды притекают со значительным опозданием.

Подчеркнём, что именно модель продвижения электронов из облака по каналу проводимости во время пауз между последовательными наращиваниями этого канала даёт простейший и логичный ответ на вопрос о том, каким образом в канале поддерживается высокая степень ионизации во время этих пауз – когда механизм, обеспечивший быстрый пробой, может уже не справляться с потерями ионов в результате рекомбинации и диффузии. На наш взгляд, именно продвижение избыточных электронов создаёт дополнительные ионы через ударную ионизацию и способствует, таким образом, поддержанию состояния проводимости в канале.

Добавим, что продвижение свободных электронов в паузах между наращиваниями канала проводимости происходит не только по каналу, который достигнет земли, и по которому произойдёт главный токовый удар, но и по всем ответвляющимся тупиковым каналам. Об этом визуально свидетельствует полная схожесть роста сразу многих каналов – когда ещё не ясно, какой из них окажется каналом главного токового удара.

Главный токовый удар.

Когда канал проводимости между грозовым облаком и землёй оказывается полностью сформирован, по нему происходит главный токовый удар (или несколько токовых ударов). Иногда в литературе главный токовый удар крайне неудачно называют обратным токовым ударом или обратным разрядом. Эти термины вводят в заблуждение, порождая впечатление того, что при обратном разряде электроны движутся в направлении, обратном тому, в котором рос канал проводимости, и в котором они продвигались по мере этого роста. В действительности, при «обратном разряде» электроны перемещаются в «прямом» направлении, двигаясь из облака – т.е. из области их избыточного сосредоточения – на землю. «Обратность» же этого разряда проявляется исключительно через его наблюдаемую динамику. Дело в том, что сразу после формирования между облаком и землёй канала проводимости, заполненного избыточными электронами, главный токовый удар развивается таким образом, что в первую очередь приходят в движение электроны на участках канала, ближайших к земле, затем – на более высоких участках, и т.д. При этом край зоны интенсивного свечения, которое порождают эти мощные подвижки электронов, движется снизу вверх – что и даёт иным авторам повод говорить об «обратном разряде».

Свечение при главном токовом ударе имеет интересные особенности. «Как только лидер достигает Земли, немедленно возникает главный разряд, распространяющийся от Земли к облаку. Главный разряд является гораздо более интенсивным по свечению, и было замечено, что по мере продвижения главного разряда вверх это свечение уменьшается, особенно по мере прохождения точек разветвлений. Никогда не наблюдалось увеличения свечения по мере продвижения разряда вверх» [13]. Мы объясняем эти особенности тем, что, на начальных стадиях главного токового удара, ток электронов в главном канале проводимости, тянущемся от облака до земли, подпитывается токами электронов из тупиковых ответвлений – как река подпитывается впадающими в неё ручьями. Вот эти-то токи, подпитывающие токовый удар в главном канале, являются действительно «обратными»: электроны при этом возвращаются из тупиковых ответвлений в главный канал.

В Интернете свободно доступны видеозаписи удара молнии «облако-земля» в замедленном темпе. На них прекрасно видна, по слабому распространяющемуся свечению, динамика продвижения электронов по наращиваемым каналам проводимости – с обильным ветвлением. Наконец, происходит ярко светящийся разряд по главному каналу, поначалу сопровождаемый свечением в боковых ответвлениях – которое угасает гораздо быстрее, чем свечение в главном канале, поскольку электроны из облака теперь не заходят в боковые ответвления, а движутся по главному каналу в землю.

Заключение.

Мы не претендуем на полный охват явлений, которые происходят при ударах молний. Мы рассмотрели лишь случай типовой линейной молнии «облако-земля». Но мы впервые дали системное объяснение физики такой молнии. Мы разрешили загадку самой возможности молнии при напряжённостях электрического поля, далеко не достаточных для лавинного пробоя воздуха – ведь пробой здесь оказывается не лавинным, а высокочастотным. Мы назвали причину, обеспечивающую этот ВЧ-пробой. И мы объяснили, почему этот пробой прорастает последовательными отрезками, со значительными паузами между ними.

Все эти объяснения оказались прямыми следствиями наших представлений [9] о природе электричества и об организации тяготения – впрочем, при некоторых уточняющих допущениях. Ключевую роль сыграли представления именно об организации тяготения, ведь молния предстаёт перед нами как гравитационно-электрическое явление. Поразительным образом, феномен молнии между грозовым облаком и землёй оказывается важным свидетельством корректности сразу двух базовых концепций «цифрового» физического мира [9], о сущностях электричества и тяготения – ведь молния находит разумное объяснение на основе сшивки этих двух концепций.

Добавим, что вышеизложенная физика линейной молнии между грозовым облаком и землёй может послужить отправным пунктом для объяснения природы молний других типов. Например, регулярность расположения слоёв с особыми условиями ионизации воздуха может играть ключевую роль при образовании т.н. чёточной молнии.

Ссылки.

1. Э.Д.Лозанский, О.Б.Фирсов. Теория искры. «Атомиздат», М., 1975.

2. Я.И.Френкель. Теория явлений атмосферного электричества. «Гос. изд-во технико-теоретической литературы», М.-Л., 1949.

3. Э.М. Базелян, Ю.П. Райзер. Физика молнии и молниезащиты. «Физматлит», М., 2001.

4. П.Н.Тверской. Атмосферное электричество. «Гидрометеоиздат», Л., 1949.

5. Н.А.Капцов. Электрические явления в газах и вакууме. «Гос. изд-во технико-теоретической литературы», М.-Л., 1947.

6. L.B.Loeb, J.M.Meek. The mechanism of the electric spark. Oxford, Clarendon Press, 1941.

7. B. F. J. Schonland. Progressive Lightning. IV. The Discharge Mechanism. Proceedings of the Royal Society of London. Series A - Mathematical and Physical Sciences. (1938) 164, p.132-150. – Доступна на: http://rspa.royalsocietypublishing.org/content/royprsa/164/916/132.full.pdf

8. М.Юман. Молния. «Мир», М., 1972.

9. А.А.Гришаев. Книга «Этот «цифровой» физический мир». М., 2010. – Доступна на данном сайте.

10. А.А.Гришаев. Энергетика свободного падения. – Доступна на данном сайте.

11. П.Д.Астапенко, А.М.Баранов, И.М.Шварёв. Авиационная метеорология. Стр.197-198. Доступна на: http://files.fip.rshu.ru/2/doc/%D0%91%D0%B0%D1%80%D0%B0%D0%BD%D0%BE%D0%B2%20%D0%90%20%D0%9C%20%D0%90%D0%B2%D0%B8%D0%B0%D1%86%D0%B8%D0%BE%D0%BD%D0%BD%D0%B0%D1%8F%20%D0%BC%D0%B5%D1%82%D0%B5%D0%BE%D1%80%D0%BE%D0%BB%D0%BE%D0%B3%D0%B8%D1%8F%201979/avmet_3.pdf

12. М.И.Каганов. Электроны, фононы, магноны. «Наука», М., 1979.

13. М.А.Бак, Н.Н.Николаевская. Молния и её физическая природа. УФН, т.XXII, вып.3, 1939, с.294.

Источник: http://newfiz.info

Поступило на сайт: 15 марта 2015.