Чудинова М.А.
СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ГРОЗООБРАЗОВАНИИ, МОЛНИЯХ И МЕТОДАХ ИХ ИЗУЧЕНИЯ *
Аннотация:
в статье исследуются механизмы разделения зарядов в грозовых облаках, приводящие к возникновению молний. Рассмотрены основные теории (индукционная, конвективная зарядка, эффект замерзания), структура зарядов в облаке, физика молниевого разряда и методы молниезащиты. Приведены данные экспериментального и численного моделирования атмосферного электричества.
Ключевые слова:
электростатические явления, образование молний, системы молниезащиты, электричество
Атмосфера Земли является естественной средой для возникновения сложных электростатических процессов, наиболее ярким проявлением которых служат грозовые разряды – молнии. Эти явления связаны с разделением электрических зарядов в облаках, их накоплением и последующим разрядом.Рассмотрим механизмы разделения зарядов в кучево-дождевых облаках.Кучево-дождевые облака являются основными источниками грозовой активности. Процессы, которые происходят в их толще приводят к накоплению значительных электрических зарядов.Разделение электрических зарядов в кучево-дождевых облаках – ключевой процесс, приводящий к возникновению гроз и молний [1, с. 117]. Этот механизм обусловлен взаимодействием частиц льда, града, переохлажденных капель и турбулентных воздушных потоков.Накопление зарядов в облаках объясняется основными теориями:- Теория индукционной зарядки (Ленарда-Симпсона) [2, с. 85]. Объясняет разделение зарядов при столкновении ледяных частиц. Из-за разницы температур (градины теплее кристаллов) электроны переходят от градин к кристаллам. В результате градины заряжаются отрицательно, а мелкие кристаллы – положительно. Восходящие потоки переносят легкие положительные частицы в верх облака. Тяжелые отрицательно заряженные градины опускаются вниз.- Теория конвективной зарядки (Гренета-Воннегута) [6, с. 89]. Альтернативная модель, связывающая разделение зарядов с движением ионов в восходящих и нисходящих потоках. У поверхности Земли всегда есть слабая ионизация воздуха (космические лучи, радиация). Положительные ионы легче отрицательных, поэтому они поднимаются вверх с восходящими потоками. Отрицательные ионы оседают вниз или притягиваются к каплям и градинам. В результате верх облака заряжается положительно, низ облака – отрицательно.- Эффект замерзания капель (рабочая гипотеза). При замерзании переохлажденных капель происходит спонтанное разделение зарядов. В облаке присутствуют капли воды при температуре ниже 0°C (переохлажденные). При резком замерзании внешняя часть капли замерзает первой, приобретая положительный заряд. Внутренняя часть (еще жидкая) становится отрицательно заряженной. Если капля разбивается (например, при столкновении), отрицательные фрагменты остаются в воздухе, а положительные – на льдинках. Структура зарядов в грозовом облаке представлена в табл.1.Разделение зарядов в кучево-дождевых облаках – сложный процесс, включающий индукционную зарядку, конвективные потоки и эффект замерзания [1, с. 201]. Понимание этих процессов важно для прогнозирования гроз, разработки молниезащиты и изучения атмосферного электричества в целом.Отдельно отметим физику образования и распространения молний.Молния представляет собой мощный электрический разряд в атмосфере, возникающий вследствие накопления значительных электрических зарядов в кучево-дождевых облаках. Этот процесс включает несколько физических этапов, от начальной ионизации воздуха до формирования видимого разряда.Таблица 1. Типичное распределение зарядов в грозовом облаке.Для образования молнии необходимо наличие сильного электрического поля (порядка 1-3 МВ/м), достаточная концентрация свободных электронов и ионов, проводящий канал между областями с разными потенциалам.В кучево-дождевых облаках эти условия создаются благодаря: разделению зарядов (положительные вверху, отрицательные внизу), наличию водяных капель, ледяных кристаллов и града, интенсивным вертикальным потокам воздуха.Классифицируют молнии по геометрии разряда - выделяют линейную (классический зигзагообразный разряд), ленточную (несколько параллельных каналов), четочную (прерывистый разрывной канал) и шаровую (сферический плазмоид диаметром до 50 см) молнии. Также по направлению разряда молнии: Облако-Земля, Внутриоблачные, Межоблачные и Земля-Облако (восходящие молнии) [2, с. 84].Для исследования молний применяются инструментальные наблюдения (высокоскоростная съемка (до 10⁷ кадров/с)), радиоинтерферометрия для отслеживания лидеров, детекторы рентгеновского излучения. Проводятся лабораторные эксперименты:- Искусственные молнии (генераторы импульсных напряжений),- Моделирование плазменных каналов в аэродинамических трубах,- Исследование шаровых молний в плазменных ловушках [5, с. 18].Исследование физики молний важно для разработки эффективных методов молниезащиты и прогнозирования грозовой активности.Рассмотрим принципы работы систем молниезащиты.Для защиты зданий и сооружений от ударов молнии применяются системы молниезащиты, включающие:- Громоотвод (молниеприемник) - принимает на себя удар молнии, отводя ток в землю. Устанавливается на высочайшей точке здания [3, с. 99],- Токоотводы – проводящие кабели, соединяющие молниеприемник с заземлением,- Заземление – система электродов, погруженных в грунт. Обеспечивает безопасное рассеивание тока в земле,- Дополнительные меры – экранирование и установка УЗИП (устройство защиты от импульсных перенапряжений).Эффективность систем молниезащиты достигается при комплексном подходе, учитывающем внешние и внутренние факторы воздействия молнии.Экспериментальное моделирование атмосферного электричества применяется для изучения молний и грозовых явлений. В него входят лабораторные и полевые эксперименты, как правило они включают три основных направления:1. Лабораторное моделирование (генерация разрядов с помощью высоковольтных установок - генератор Маркса, импульсный трансформатор Тесла).2. Натурные эксперименты (атмосферные зонды и ракеты): запуск ракет с проводящими нитями для инициирования управляемых разрядов на высоту до 5 км, при этом инициируются разряды 10-50 кА и измеряются параметры лидера, запуск высотных зондов со специальным оборудованием. Это позволяет получить данные о вертикальных профилях потенциала и о распределении пространственного заряда [4, с. 301].3. Компьютерное моделирование. Численные расчеты распространения лидеров с использованием методов электродинамики: метод конечных элементов FEM (расчет распределения поля, моделирование пробоя), Монте-Карло (траектории электронов), Гидродинамические модели (динамика плазменного канала, ударные волны).Электростатические явления в атмосфере, включая процессы разделения зарядов в грозовых облаках и механизмы образования молний, представляют собой сложный комплекс физических взаимодействий, требующих междисциплинарного подхода. Исследование этих процессов не только углубляет понимание фундаментальных законов электродинамики и термодинамики, но и имеет важное прикладное значение. Разработка эффективных систем молниезащиты, прогнозирование грозовой активности, минимизация ущерба для инфраструктуры и человеческих жизней — всё это напрямую зависит от прогресса в изучении атмосферного электричества. Современные методы моделирования, такие как комбинация лабораторных экспериментов, полевых наблюдений и численного анализа, позволили существенно продвинуться в воссоздании ключевых этапов формирования молний. Однако полное воспроизведение природных условий, включая турбулентность воздушных потоков, неоднородность зарядовых зон и динамику плазменных каналов, остаётся сложной задачей. Дальнейшая интеграция данных, полученных разными методами, открывает перспективы для создания более точных прогностических моделей и инновационных технологий защиты.В рамках углублённого изучения электростатических явлений в атмосфере перспективным направлением представляется совершенствование численных моделей, направленное на интеграцию микропроцессов (таких как столкновение ледяных частиц, фазовые переходы воды и динамика зарядов) с макромасштабными атмосферными процессами, включая турбулентность и конвективные потоки. Параллельно с этим актуальной задачей остаётся разработка инновационных материалов для молниезащиты, где особое внимание следует уделить композитным структурам и наноматериалам, способным оптимизировать рассеивание энергии разряда. Не менее важным аспектом является анализ влияния климатических изменений на грозовую активность, требующий комплексного подхода к оценке взаимосвязи между глобальным потеплением, частотой образования кучево-дождевых облаков и интенсивностью молниевых разрядов. Для повышения точности прогнозирования целесообразно внедрение технологий искусственного интеллекта, включая машинное обучение для анализа больших массивов метеорологических данных в режиме реального времени. Одновременно необходимо расширить исследования аномальных форм молний, таких как шаровая молния, путём создания контролируемых лабораторных условий, позволяющих изучать их устойчивость и взаимодействие с окружающей средой. Реализация этих направлений позволит не только закрыть существующие пробелы в понимании атмосферного электричества, но и создать технологические решения, адаптированные к вызовам современного климата.
Номер журнала Вестник науки №5 (86) том 4
Ссылка для цитирования:
Чудинова М.А. СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ГРОЗООБРАЗОВАНИИ, МОЛНИЯХ И МЕТОДАХ ИХ ИЗУЧЕНИЯ // Вестник науки №5 (86) том 4. С. 1860 - 1866. 2025 г. ISSN 2712-8849 // Электронный ресурс: https://www.вестник-науки.рф/article/23504 (дата обращения: 15.07.2025 г.)
Вестник науки © 2025. 16+