Просто о сложном: что такое молния?

Одна известная поговорка гласит: «незнание закона не освобождает от ответственности». Поэтому нередки такие ситуации, когда человек, движимый добрыми побуждениями, совершает поступки, попадающие под регулирование уголовного кодекса. Незнание законов физики в некоторых случаях может стоить и жизни. Отсюда рождаются страхи и панические настроения у тех, кто не до конца понимает физическую природу молний: им кажется, что любое действие навлечет разряд молнии прямо к ним в квартиру. А может ли такое случиться на самом деле? Попробуем разобраться.

Чтобы понять природу молнии необходимо сделать небольшое отступление в школьный курс физики. Любое вещество состоит из атомов, которые в свою очередь состоят из малых частиц: протонов, нейтронов и электронов. Протоны и электроны являются носителями электрического заряда. В обычном атоме количество положительных и отрицательных электрических зарядов одинаково, поэтому атом является электрически нейтральным. Однако электроны, витающие вокруг атомного ядра, не закреплены в атоме навсегда. При некотором воздействии (например, при трении, когда атомы одного вещества приходят в контакт с атомами другого вещества) электроны могут отделяться от своих атомов. Если данный процесс длится некоторое время, то в результате складывается такая ситуация, что тело, имевшее идеальный баланс протонов и электронов, в итоге раздает свои электроны направо и налево. Создается избыток протонов, и совокупный заряд тела меняется с нейтрального на положительный. Это приводит к образованию электрического поля вокруг заряженного тела, которое взаимодействует с зарядами других тел. Это легко проверить, потерев руку о ковер, а затем проведя этой рукой вблизи волос или полиэтиленового пакета.

Электрическое поле взаимодействует с другими зарядами: притягивает противоположные по знаку и отталкивает одноименные. Таким образом, электрическое поле «приказывает» зарядам другого тела выстроиться в определенном порядке: на стороне ближней к полю будут преобладать заряды противоположные по знаку, притягиваемые полем, а отталкиваемые полем одноименные заряды будут собираться на противоположной стороне. В результате чего между двумя телами создается взаимодействие: разноименные заряды в телах притягиваются друг к другу, вследствие чего волосы тянутся вслед за рукой.

Во время грозы все происходит точно так же. Конечно, грозовые облака не трут руки о ковры, но у них имеется другой механизм формирования зарядов. Взвешенные в облаках водяные капельки, частицы пыли, соли и прочих веществ, сталкиваются друг с другом в воздушных потоках. В результате данных столкновений более массивные атомы «отбирают» электроны у легких атомов. Ведомые силой тяжести в нижнюю часть облака, данные атомы формируют отрицательно заряженную область. В течение некоторого времени отрицательный заряд накапливается в нижней части облака, пока не достигает таких значений, при которых создаваемое им электрическое поле не начинает взаимодействовать с предметами на земле или с самой землей. Под воздействием мощнейшего электрического поля грозового облака, заряды в земле или расположенных на ней предметах выстраиваются согласно правилу: положительно заряженные частицы ближе к облаку, отрицательно заряженные – в противоположный конец. В итоге между облаком и землей (предметами) создается большая разность потенциалов. Наличие разности потенциалов означает возможность протекания электрического тока между точками с различным потенциалом. Однако ток течет только по проводникам, а земная атмосфера является диэлектриком, т.е. не проводит электрический ток. Поэтому ток не течет, а заряды в облаке и, соответственно, в земле (предметах) постоянно увеличиваются.

Бесконечно данный процесс продолжаться не может, поэтому в тот момент, когда заряд в облаке достигает необходимого критического значения, сила его взаимодействия с противоположным зарядом на земле становится настолько большой, что заряды прорываются друг к другу сквозь воздух. Отрицательно заряженные частицы с облака в некотором смысле распихивают молекулы воздуха в стороны и прокладывают себе путь вниз локтями. Путь, который выбирают себе заряженные частицы, не случаен, он зависит от конкретного состояния воздуха в момент разряда. Земная атмосфера не однородна: в ней всегда присутствует водяной пар, частички пыли, атомы и молекулы различных веществ, являющихся проводниками электрического тока. Все эти частицы создают и «электрическую неоднородность», когда отдельные области атмосферы лучше проводят электрический ток, чем соседние участки. Именно по таким неоднородностям и движется молния. Заряд срывается с облака, летит к ближайшему участку с меньшим электрическим сопротивлением, от него летит в следующий ближайший участок, потом в следующий, и так далее пока не достигнет земной поверхности. Именно поэтому молния всегда такой причудливой ломаной формы: заряд ступеньками прыгает сквозь непроводящий воздух по участкам с меньшим сопротивлением.

Попадая в землю (напрямую или через расположенные на ней предметы) одноименные отрицательно заряженные электроны, повинуясь силам электрического взаимодействия, разлетаются друг от друга в разные стороны, и молния нейтрализуется. Однако, находясь в «полете» с облака к земле, они плотно прижаты друг к другу, т.к. не могут разлететься из-за того, что лететь они могут только все вместе и только в одном направлении – к ближайшему участку воздуха, где сопротивление ниже всего. В результате этого в небольшой толщине молнии концентрируется невероятное количество заряженных частиц, которые разогревают молекулы окружающего воздуха до такого состояния, что те начинают испускать свет (любое нагретое тело испускает свет, например раскаленная добела сталь при ковке меча или нить накаливания в лампочке). Именно этот свет человек видит при вспышке молнии. Раскаленный молнией воздух начинает мгновенно расширяться, создавая воздушные колебания, воспринимаемые человеком как звук грома.

Согласно закону Кулона, сила взаимодействия между зарядами обратно пропорциональна расстоянию между ними. Т.е. чем ближе друг к другу располагаются заряды, тем сильнее взаимодействие между ними. Именно по этой причине молния бьет в самый высокий объект на местности: заряды с верхней части предмета сильнее взаимодействуют с зарядами в облаке, в результате чего именно они притягиваются друг к другу. Поэтому молния никогда не ударит в окно, как боятся некоторые люди, она всегда ударит в крышу (расположенный на ней молниеотвод). А это совсем не опасно, т.к. затем заряд перетечет в землю и распределится по поверхности. И именно поэтому никогда не стоит стоять в грозу под одиноким деревом: молния всегда попадет именно в него.

Таким образом, молния – это не что иное, как гигантская искра, проскакивающая между небом и землей. Когда зимой в холодном темном помещении человек стягивает с себя шерстяной свитер, сторонний наблюдатель может заметить десятки «мини-молний», проскакивающих между свитером и телом человека. Молния во время грозы – это то же самое, только увеличенное в миллионы раз.

В заключении упомянем об одной разновидности молний, которой люди боятся еще сильнее, чем обычной: это шаровая молния. Природа этого явления практически не изучена, однако есть предположения, что данный вид молний представляет собой не что иное, как изолированное скопление электрических зарядов, которые оказались окружены непроводящим воздухом, в котором отсутствуют те самые электрические неоднородности. Поэтому заряд не может никуда «разрядиться» и пребывает в состоянии поиска места наименьшего сопротивления. Именно поэтому людям, заметившим шаровую молнию, рекомендуют не двигаться: движения провоцируют создание разреженных областей воздуха. Если провести рукой по воде, то вода не сразу заполнит пространство вслед за рукой, сперва там будет пустота. Так же и с воздухом: на короткий миг после каждого движения человеческого тела за ним будет образовываться пустота. И эта пустота обладает особенностью: она не сопротивляется движению электрического тока. Поэтому заряд шаровой молнии вполне вероятно может разрядиться именно в пустоту, созданную движением человека.

Как видно из вышесказанного, реальную опасность для человека представляют только шаровые молнии. Обычные разряды, бьющие из облаков, достаточно умны и не бьют, куда попало. Поэтому, находясь в достаточно безопасном (а именно: не самом высоком) месте не стоит отказывать в себе в удовольствии полюбоваться величественным проявлением красоты природы.