Бессилие традиционных подходов.

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 m sec . 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.