Электричество в атмосфере. Грозы
Электрическое поле в атмосфере существует постоянно. А электрические характеристики состояния атмосферы влияют на развитие отдельных метеорологических процессов.
Атмосфера непрерывно ионизируется. То есть в атмосфере постоянно происходит образование положительных и отрицательных ионов тех газов, которые входят в ее состав. Сущность процесса заключается в том, что под определенными воздействиями от нейтрального атома (или молекулы), в котором число элементарных положительных зарядов равно числу электронов, отщепляется один из электронов. В результате образуется положительно заряженная частичка (положительный ион), а оторвавшийся электрон либо самостоятельно, либо объединившись с другой нейтральной молекулой, образует отрицательный ион.
В электрическом поле атмосферы ионы движутся вдоль силовых линий поля, скорость движения зависит в том числе от заряда и массы иона.
Наличие в атмосфере ионов обусловливает электрическую проводимость атмосферного воздуха. Электропроводность воздуха зависит от концентрации ионов и их подвижности.
Электрические заряды, постоянно содержащиеся в атмосфере и на Земле, создают электрическое поле. В целом Земля заряжена отрицательно, а атмосфера положительно.
Электрические заряды, появляющиеся вследствие избытка зарядов одного знака в некотором объеме, называются объемными зарядами.
Существуют глобальные и местные генераторы объемных зарядов атмосферы. К глобальным генераторам относятся грозы, к местным – туман, облака, метели, песчаные бури.
Объемные заряды в атмосфере в основном положительны, однако в отдельных случаях, главным образом в облаках, туманах, при бурях и т.д., они могут быть отрицательными.
Электризация происходит и в облачных элементах и зависит от вертикальной мощности облаков, скорости воздушных потоков в них, а также от наличия жидкой и твердой фаз воды. При этом в облаках образуются объемные заряды, и появляется электрическое поле. В облаках также происходит распределение зарядов и накопление одноименных зарядов в разных частях облака.
Облака, как правило, поляризованы, то есть в их верхней части находится заряд одного знака (положительный заряд), а в нижней – другого (отрицательный заряд).
В мощных кучево-дождевых облаках электрические заряды располагаются в три слоя: в центре облака – область избыточного отрицательного заряда, в верхней части облака – область избыточного положительного заряда, в нижней части облака – вторая, более локализованная область избыточного положительного заряда.
Образование больших объемных разрядов внутри облака и вследствие этого наведения на земной поверхности под облаком разряда противоположного знака приводит к созданию 
сильных электрических полей как внутри облака, так и между облаком и землей. Напряженность электрического поля в облаке тем больше, чем больше эти заряды и чем меньше расстояние между ними. В грозовых облаках и в окружающем их пространстве напряженность поля может достигать нескольких тысяч В/м. При определенных условиях появляются гигантские электрические искры либо между облаками, отдельными частями облака, либо между облаком и поверхностью земли (находящимися на ней предметами).
Молния представляет собой электрический разряд между облаками, частями одного облака или между облаком и землей. Молнии могут возникать только в достаточно мощных кучево-дождевых облаках (высотой не менее 4 км).
Исследования показали, что грозовые разряды между облаками или внутри одного и того же облака происходят чаще, чем между облаком и землей. Например, в средних широтах число разрядов на землю составляет 40-50%, а в экваториальной зоне только 10-15% общего числа разрядов. Остальные разряды происходят между облаками.
По внешнему виду различают линейные, плоские, четочные и шаровые молнии.
Чаще всего наблюдается линейная молния с ее многочисленными разновидностями. Она представляет собой искровой разряд, иногда сильно разветвленный. Длина линейной молнии обычно составляет 2-3 км, а иногда при разряде между облаками может достигать и 15-20 км. Диаметр молнии составляет несколько десятков сантиметров.
Линейная молния чаще всего состоит из нескольких разрядов (импульсов), следующих друг за другом через промежутки в несколько долей секунды. Общая продолжительность молнии не превышает десятых долей секунды. Каждый разряд, как правило, состоит из предварительного, относительно более слабого разряда – лидера, главного разряда и финальной стадии.
По направлению развития различают нисходящие и восходящие молнии. Нисходящие молнии возникают в грозовых облаках и развиваются по направлению к земле. Восходящие молнии возбуждаются у вершин заземленных сооружений и развиваются по направлению к облаку.
Полярность молнии определяется по знаку заряда, переносимого от облака на землю по ее каналу. Большинство молний переносят на землю отрицательный заряд. Отрицательная молния изучена более полно, ее параметры известны с большей достоверностью.
У нисходящей отрицательной молнии выделяют три основные стадии: лидерную, главную и финальную.
Лидер – это начальный процесс развития молнии, ее «подготовительная» часть. Во время лидерной стадии, длящейся миллисекунды, происходит пробой промежутка облако-земля за счет постепенного прорастания проводящего высокотемпературного канала молнии (канала лидера), несущего ток в сотни ампер. По длине канала лидера распределен электрический заряд величиной до нескольких кулон. Канал лидера является плазменным образованием.
Когда канал нисходящего лидера замыкается на землю, начинается переходный процесс, разряжающий лидер. Этот процесс, похожий в некоторых чертах на короткое замыкание на землю заряженной линии, получил название главной стадии. Главная стадия сопровождается очень резким увеличением яркости свечения канала и мощным звуковым эффектом (громом). Длительность стадии до сотен микросекунд.
В финальной стадии продолжается перенос заряда к земле по каналу молнии, в основном за счет разрядных явлений в облаках. Процесс идет менее интенсивно и составляет миллисекунды.
Три перечисленные стадии образуют первую компоненту нисходящей отрицательной молнии. Каждая последующая компонента молнии также состоит из лидерной, главной и финальной стадий. Последующие компоненты используют канал между облаком и землей, оставшийся от первой компоненты.
Первая компонента восходящей отрицательной молнии состоит из лидерной и финальной стадий и не содержит главной стадии, так как ее лидер по завершении своего развития соприкасается не с поверхностью земли, а с мало проводящим облаком. 
Лидер последующих компонентов восходящей молнии всегда продвигается по направлению к земле, а потому структура этих компонент не отличается от структуры последующих компонент нисходящей молнии.
Положительная молния как более редкое явление изучена значительно слабее. Можно выделить лидерную стадию восходящей и нисходящей положительной молнии. Разделение последующих процессов на главную и финальную стации не всегда удается произвести. Положительная молния, как правило, однокомпонентная, но заряд, который ею переносится, может значительно превосходить заряд многокомпонентной отрицательной молнии.
Плоская молния представляет собой нелинейный электрический разряд внутри или на поверхности облака. Обычно такие разряды имеют вид кистевого разряда. Положительные разряды отмечаются чаще отрицательных и бывают наиболее интенсивными.
Четочная молния – очень редкий вид молнии, состоящей из отдельных светящихся шаров диаметром в несколько сантиметров, располагающихся вдоль кривой по пути разряда, прошедшего перед ее появлением. Расстояние между такими шарами около 1 м, время существования молнии не более 1 с.
Шаровая молния наблюдается чаще, чем четочная, но наблюдения за ней носят случайный и в основном качественный характер. Она появляется обычно после сильного разряда линейной молнии и имеет вид светящегося шара. Иногда вытянутого в виде груши. Размеры чаще всего составляют 10-20 см и лишь в отдельных случаях достигают 1 м и более.
Продолжительность существования шаровой молнии колеблется от доли секунды до нескольких минут.
Как явление природы шаровая молния до сих пор не имеет окончательного объяснения.
Грозой называется явление погоды, при котором возникают мощные электрические разряды между облаком и земной поверхностью или между облаками, сопровождающиеся световым эффектов (молния), а на близком расстоянии – звуковым эффектов (гром).
Гроза, как правило, связана с выпадением ливневых осадков и шквалистым усилением ветра. Однако, при большой сухости нижнего слоя воздуха при грозе осадки могут не наблюдаться (сухие грозы).
Грозовые разряды могут вызывать пожары, включая лесные, повреждение линий связи и электропередачи, могут вывести из строя приборы управления самолетом и пр. поэтому грозы относятся к неблагоприятным метеорологическим явлениям.
Грозы возникают в неустойчивых воздушных массах, то есть в тех, в которых развиваются крупномасштабная турбулентность и конвективные движения. Грозы возникают в хорошо развитых кучево-дождевых облаках.
В умеренных широтах грозы возникают, как правило, тогда, когда кучево-дождевое облаков своей вершиной достигает уровня с температурой -23 гр. и ниже, а толщина облака превышает 4 км.
Необходимые условия для возникновения гроз:
- неустойчивая воздушная масса;
- высокая удельная влажность воздуха в приземном слое и на высотах при большой неустойчивости воздушной массы;
- кучево-дождевая облачность с большой вертикальной протяженностью облаков (обычно более 4,5 км);
- интенсивные вертикальные движения внутри облака (скорость более 10 м/с);
- развитие облаков выше уровня с температурой воздуха -22 гр. (в умеренных широтах).
По условиям образования различают внутримассовые и фронтальные грозы.
Внутримассовые грозы наблюдаются летом во влажных неустойчивых воздушных массах при большой удельной влажности (более 12 г/кг) и сильном дневном прогреве приземного слоя воздуха. Такие условия создаются в слабовыраженных и заполняющихся циклонах, иногда в теплых сектора циклонах и на западных окраинах антициклонов, в размытых барических полях. Наблюдаются, как правило, внутримассовые грозы во второй половине дня, в период наиболее интенсивного прогрева воздуха, и имеют в основном локальный характер. Скорость перемещения внутримассовых гроз 5-25 км/ч.
Фронтальные грозы связаны с прохождением атмосферных фронтов. Фронтальные грозы имеют большую горизонтальную протяженность и наиболее активны. Грозовая деятельность на атмосферном фронте тем интенсивнее, чем больше разность температур между воздушными массами и чем больше влаги содержится в теплой воздушной массе. Грозовые облака сосредоточены вдоль линии фронта.
Фронтальные грозы подразделяются на грозы холодного фронта, теплого фронта и фронтов окклюзии.
Грозы холодного фронта возникают над поверхность холодного фронта. Скорость смещения грозовых зон составляет обычно 30-40 км/ч, но при определенных условиях скорость перемещения может достигать и 100 км/ч. Грозы холодного фронта усиливаются во второй половине дня и ослабевают ночью.
Грозы на теплом фронте возникают реже, чем на холодном. Они образуются при подъеме теплого и влажного воздуха. Грозы на теплом фронте усиливаются ночью и ослабевают в дневное время. Это связано с тем, что в ночное время верхняя граница облачности перестает нагреваться и начинает излучать тепло. Температура верхней границы облачности понижается, что приводит к неустойчивости воздушной массы, возникновению конвективных движений, и развитию кучево-дождевой облачности вместо слоисто-дождевой.
Формирование гроз на фронтах окклюзии зависит от того по типу какого фронта проходит фронт окклюзии теплого или холодного.
Наиболее часто фронтальные грозы связаны с медленно перемещающимися холодными фронтами и размытыми фронтами окклюзии, когда при сохранении высокой влажности и большой неустойчивости до значительных высот просветы в облаках способствуют дневному прогреванию поверхности земли и развитию конвективных движений.
Кучево-дождевое облако захватывает сравнительно узкую полосу вдоль траектории своего перемещения, и на его развитие оказывают сильное влияние местные условия – рельеф, водоемы (ослабление грозовой деятельности днем над водоемами и большими реками) и т.п.
По виду кучево-дождевых облаков, в которых грозы образуются, грозы бывают одноячейковыми, многоячейковыми и суперячейковыми.
Одноячейковые грозовые облака развиваются в дни со слабым ветром в малоградиентных барических полях. Они состоят из одной конвективной ячейки с восходящим потоком в центральной части и имеют ассимметричную форму. Такие облака быстро разрушаются, так как выпадающие осадки подавляют восходящие потоки и стимулируют нисходящие, что ведет к разрушению ячейки. Продолжительность жизни таких облаков около 1 часа, верхняя граница достигает уровня 8-12 км, поперечный размер до 20 км. Как правило, одноячейковые грозы являются внутримассовыми.
Многоячейковые грозовые облака состоят из нескольких ячеек, находящихся на разных стадиях развития. Поперечные размеры 20-40 км, вертикальная граница достигает тропопаузы, иногда стратосферы. Новые ячейки образуются на правом фланге относительно направления перемещения облачной системы и по мере развития смещаются влево. Многоячейковые облака развиваются преимущественно на основных и вторичных холодных фронтах. С ними связаны сильные ливни, грозы, град. Продолжительность жизни таких конвективных очагов в среднем около 1,5 часов.
Суперячейковые очаги имеют горизонтальные размеры 20-40 км и высоту 12-16 км. На правом фланге (по потоку) располагается зона мощного восходящего потока, скорости которого достигают 40 м/с. Сверхячейки развиваются на холодных фронтах и фронтах окклюзии по типу холодного фронта при сильной статистической неустойчивости и больших сдвигах ветра при слабом его вращении. Сверхячейковые кучево-дождевые облака – наиболее долгоживущие конвективные очаги, с продолжительностью жизни до 4 часов.
В настоящее время разработано несколько десятков методов прогноза гроз, большинство из которых может применяться только в конкретных географических районах или при определенных синоптических и (или) исходных метеорологических условиях.
В последние годы для предупреждения о грозе используются радиолокационные наблюдения. Помимо обнаружения ливней и гроз, радиолокационные станции позволяют следить за их перемещением и эволюцией. Можно также оценить интенсивность осадков.
Выпадение града происходит только из очень мощных кучево-дождевых облаков. Образование града зависит от соотношения максимальной скорости восходящего потока воздуха внутри облака и температуры на этом же уровне. Так как при падении градин частично происходит их таяние, то размеры выпадающих градин зависят не только от максимальной скорости восходящего потока в облаке, но и от высоты изотермы 0 гр. над поверхностью земли.
Образование грома объясняется следующим образом. Вдоль пути разряда молнии возникает внезапное нагревание (до 30 000 0С) и вследствие этого происходит сильное расширение воздуха, похожее на взрыв. Это расширение и вызывает ударную волну, перемещающуюся в атмосфере и достигающую земной поверхности.
Обычно гром воспринимается не как отдельный звук (это наблюдается редко), а как ряд последовательных ударов, так называемых раскатов, которые отличаются интенсивностью и продолжаются по нескольку секунд, создавая непрерывный рокочущий звук.
Продолжительность и раскаты грома зависят главным образом от длины и изломанности пути молнии. Резкие и короткие удары отмечаются в тех случаях, когда грозовой разряд происходит вблизи от наблюдателя, и в особенности при небольшой длине канала молнии (при ударе молнии в землю). Чем более расстояние от наблюдателя до молнии, длиннее и извилистее ее траектория, тем более продолжительным и раскатистым оказывается гром. Это объясняется тем, что гром возникает по всей траектории молнии практически одновременно, но при большой протяженности канала молнии звук от различных точек ее доходит до наблюдателя неодновременно и притом с неодинаковой интенсивностью. Кроме того, по одному каналу молнии проходит несколько последовательных разрядов и производимые ими звуки сливаются, увеличивают продолжительность, создают раскаты грома. Также, в образовании раскатов грома играет роль и отражение звука как от земной поверхности, так и от облаков и поверхностей раздела воздушных масс.
Несмотря на большую силу источника звука, дальность слышимости грома редко превышает 20-25 км. Происходит это потому, что, во-первых, гром возникает на всем извилистом пути молнии и его энергия рассеивается по этому пути; во-вторых, гром всегда возникает при метеорологических условиях, неблагоприятных для слышимости.
Про промежутку времени между вспышкой молнии и громом можно определить расстояние от наблюдателя до места удара молнии. Для этого следует этот промежуток времени умножить на среднюю скорость звука (332 м/с при температура воздуха 200С).
