Как образуется гроза

Почему во время грозы гремит гром и сверкает молния? В наше время ответ на этот простой с виду вопрос знает даже школьник. В облаках накапливаются электрические заряды, что приводит к гигантской электрической искре – молнии. Воздух в месте её проскакивания сильно нагревается и расширяется – мы слышим гром. То есть, гром и молния – это проявления атмосферного электричества. Однако возникает вопрос: откуда оно берётся, да ещё в таких огромных количествах?

Взгляните на карту частоты молний в различных местах Земли, составленную по спутниковым данным. Нельзя не заметить, что подавляющее большинство молний сверкает не над водной гладью нашей планеты, а над континентами. Причём, больше всего молний бывает именно в тропиках. Следовательно, образование грозовых облаков особенно интенсивно происходит именно над континентами в тропических широтах, где воздух у поверхности земли (в отличие от воздуха над поверхностью воды) всегда сильно прогревается и стремится подняться вверх.

В каком-либо месте (обычно на склонах возвышенностей) образуется восходящий поток тёплого воздуха. Он втягивает в себя увлажнённый воздух с большой площади земной поверхности, перенося его вверх. Так образуются кучевые облака «вертикального развития», которые вскоре станут грозовыми облаками (см. левый рисунок). Если влагосодержание воздуха велико и имеются благоприятные условия, облако растёт в вертикальном и горизонтальном направлениях. Когда его вершина достигнет высоких слоёв атмосферы с отрицательной температурой, начинается образование из мельчайших капелек водяного пара более крупных и более тяжёлых кристалликов льда. Они начинают падать вниз внутри облака. В этот момент основание облака темнеет, принимая тёмный «свинцовый» оттенок (см. правый рисунок).
Не только в тропиках, но и в других широтах тоже образуются такие облака, размеры которых могут достигать нескольких километров. Падая внутри облака, капли воды или кристаллики льда электризуются при столкновениях с молекулами воздуха, а также другими микроскопическими частицами. В результате капли или льдинки приобретают отрицательный заряд и переносят его в нижнюю часть тучи, которая, таким образом, становится электрически заряженной (грозовой) тучей.
Поскольку нижняя часть тучи оказывается заряженной отрицательно, а верхняя – положительно, эти заряды притягиваются. Поэтому до поры до времени капельки или льдинки удерживаются электрическим притяжением внутри тучи, в нижней её части. Однако скопившийся внизу тучи большой отрицательный заряд по индукции притягивает к себе положительный заряд в поверхностном слое земли. В результате между облаком и землёй возникает огромное напряжение – десятки и сотни миллионов вольт. Электрическое поле становится настолько сильным, что возникает электрический разряд через воздух в виде огромной искры длиной иногда в несколько километров. Это и есть молния.

Молнии переносят отрицательный заряд на Землю, снова и снова заряжая её. Однако, как выяснили учёные, электрический заряд Земли в целом невелик и составляет около 500 000 кулонов (это приблизительно как у двух автомобильных аккумуляторов). Куда же исчезает тот огромный отрицательный заряд, переносимый молниями к поверхности Земли? Ведь ежесекундно на всей нашей планете происходит около 50 вспышек молнии!
Дело в том, что выше 100 км от поверхности Земли расположен слой атмосферы под названием «ионосфера». Он представляет собой разреженный атмосферный воздух, в котором есть как электронейтральные молекулы, так и заряженные частицы: ионы и электроны. Их концентрация может достигать десятков и сотен тысяч в кубическом сантиметре воздуха. Ионосфера существует потому, что Солнце постоянно испускает потоки заряженных частиц, ультрафиолетовое и рентгеновское излучения, которые «выбивают» из молекул электроны, образуя множество ионов.
В ясную погоду днём и ночью Земля постепенно разряжается: между ионосферой и поверхностью Земли постоянно идёт слабый объёмный ток, пронизывающий атмосферу. Хотя мы и привыкли считать воздух изолятором, в нём, тем не менее, есть малая доля ионов, позволяющая существовать этому току во всём объёме атмосферы. Он медленно, но верно переносит отрицательный заряд с поверхности земли на высоту, поэтому суммарный заряд всей планеты сохраняется.
Как видите, грозы образуются из-за сложнейших атмосферных явлений планетарного масштаба.