Изучая физико-энергетическую сторону грозовых процессов нельзя не учитывать характер и количественные оценки планетарного электрического поля. Широко известно, что преимущественно (имеются участки с положительным зарядом), поверхность Земли заряжена отрицательно по отношению к окружающей ее атмосферной оболочке. За стандарт электрической напряженности поля (Е) принята величина порядка 100 В/м. По направлению от поверхности к газо-плазменным оболочкам напряженность экспоненциально спадает. Регистрируемая плотность тока J, направленного к поверхности Земли, составляет около 10-12 А/м2 и значимо не зависит от высоты над поверхностью. С набором статистических данных по электрическим замерам выявилось, что напряженность поля (Е) имеет суточное колебание. Причем, в какой бы точке Земли не измерялась напряженность, ее максимальное значение приходится на 19 часов по лондонскому времени (Гринвичскому меридиану). Впоследствии это глобальное электроколебание было названо унитарной вариацией электрического поля Земли.
Все вышеприведенные данные о грозах и по изменяющему характеру грозовых процессов на Земле лишь значительно усложняют вопрос самой физики гроз и ее отдельных разрядов. И, действительно, в грозе наиболее интересны вопросы о распределении и механизме разделения электрических зарядов в грозовом облаке - ячейке грозы, поэтому на этом вопросе мы остановимся более подробно. В фейнмановских лекциях о распределении электрических зарядов написано так (Фейнман и др., 1966, стр.186-187): "Разного рода эксперименты, включая полеты сквозь грозовой фронт (пилоры, совершающие их - истинные храбрецы), выяснили, что распределение разрядов в грозовой ячейке напоминает изображенное на рис. Верхушка грозы заряжена положетельно, а низ - отрицательно, за исключением небольшого участка положительных зарядов в нижней части тучи, причинившего немало забот исследователям. Никто не знает, почему он там появляется и насколько он важен, то ли это всего лишь вторичный эффект положительного дождя, то ли существенная часть всего механизма. Если б этого не было, все выглядело бы значительно проще. Во всяком случае, преимущественно отрицательный заряд может зарядить Землю отрицательно. Положительные заряды находятся в 6-7 км над Землей, где температура достигает -20°С, а отрицательные - на высоте 3-4 км, и температура там от 0 до -10°С. Заряда в нижней части тучи хватает на то, чтобы создать между ней и землей разность потенциалов в 20, 30 и даже 100 млн. В - несравненно больше, чем те 0,4 млн. В перепада, которые бывают между "небом" и Землей при ясном небе. Эти огромные напряжения пробивают воздух и создают гигантский грозовой разряд. При пробое отрицательный заряд с нижней тучи переносится зигзагами молнии на Землю. А теперь мы в нескольких словах опишем строение молнии. Прежде всего, имеется настолько большой перепад потенциалов, что воздух пробивается. Молния бьет между одной частью тучи и другой, или между тучей и Землей. С каждой независимой вспышкой - с каждым ударом молнии, который вы видите, с небес низвергается 20-30 Кулон электричества. Интересно, сколько же времени тратит туча на восстановление этих 20-30 Кулон, уходящих с молнией? Это можно выяснить, измеряя вдали от тучи электрическое поле, вызываемое дипольным моментом тучи. При таких измерениях, вы видите внезапный спад поля при ударе молнии, а затем экспоненциальный возврат к первоначальному его значению с характерной временной постоянной порядка 5 сек, потому, что меняется и геометрия туч и другие факторы. Вспышки следуют друг за другом нерегулярно, но существенно то, что возращение к начальным условиям всегда происходит примерно за 5 сек. Следовательно, в грозовой динамомашине течет ток примерно 4 А. А это означает, что любая модель, придуманная для объяснения того, как грозовой вихрь генерирует электричество, должна быть очень мощной - это должна быть огромная быстродействующая махина". Известно много моделей разделения электрических зарядов в грозовом облаке. Это разделение неразрывно увязано с процессом образования дождя. Вместе с тем, вряд ли мы можем быть уверенными в том, что известные механизмы обеспечат быстрое восстановление электрических зарядов после каждого разряда молнии за очень короткое время, порядка 5 сек. Однако, рассмотрим один из наиболее правдоподобных механизмов такого разделения, опираясь опять же на текст (Фейнман и др., 1966, стр.190-191): "Одна из самых остроумных теорий ... принадлежит Вильсону. Описывая ее, мы, как и сам Вильсон будем говорить о каплях, хотя все это относится в равной мере и ко льду. Пусть у нас имеется водяная капелька, падающая в электрическом поле напряженностью 200 В/м к отрицательно заряженной земле. У капли появится наведенный дипольный момент - положительный заряд внизу, отрицательный - наверху... Кроме этого, в воздухе имеются "ядра" (центры конденсации паров воды) - большие неторопливо движущие ионы... Предположим, что на своем пути низ капли оттолкнет его, и он отойдет в сторону. Так что, собственно, капля даже не соприкоснется с ним. Если же ион приблизится к капле сверху, он может притянуться у ней. Но капля падает сквозь воздух, и воздух проносится мимо нее вверх, унося с собой ионы- Положительные ионы ... не смогут соприкасаться ни с нижней, ни с верхней поверхностью летящей капельки. Но когда крупные, медленные, отрицательные ионы входят в соприкосновение с каплей, она их притягивает к себе и захватывает. На капле накапливается отрицательный заряд... Отрицательный заряд будет перенесен каплями в нижнюю часть тучи, а положительные ионы, брошенные по дороге, будут сдуты к ее верхушке различными восходящими потоками... Однако, и эта теория оставляет какие-то неясности. Во-первых, суммарный заряд грозы очень велик. Довольно быстро весь запас больших ионов израсходуется. Вильсон и другие вынуждены были предположить, что существуют добавочные источники больших ионов. Как только начинается разделение зарядов, развивается очень сильные электрические поля, и в этих полях могут быть места, где воздух ионизируется. Если там имеется сильно заряженная точка или любой небольшой объект наподобие капли, то они могут сконцентрировать вокруг себя поле, достаточно большое для того, чтобы возник "кистевой разряд". Когда имеется достаточно сильное поле, скажем положительное, то электроны будут попадать в это поле и успевать набирать между столкновениями большую скорость. Она будет такой высокой, что, попадая в атомы, электроны будут срывать атомные электроны с их оболочки, оставляя позади себя положительные ионы. Эти новые электроны тоже наберут скорость и, столкнувшись, породят еще больше новых электронов. Произойдет своего рода цепная реакция, или лавина, вызывающая быстрое накопление ионов. Положительные заряды останутся невдалеке от своих прежних мест, так что чистый эффект состоит в распределении положительных зарядов в области вокруг исходной точки. При этом, конечно, сильное поле исчезнет и процесс замрет. Таков характер кистевого разряда. Не исключено, что поля в грозовой туче могут достичь такой величины, что сколько там кистевых разрядов действительно возникнет; могут также быть и другие механизмы ионизации, включаемые, едва начнется гроза. Но никто точно не знает, как они действуют. Так что по-настоящему до конца происхождение молнии не понято". В связи с механизмом разделения электрических зарядов в грозовой туче можно прочитать и другие, столь же "неуверенные" тексты, например, в книге Л.В. Тарасова "Физика в природе". Этот механизм становится особенно загадочным, если принять во внимание, что существуют так называемые "сухие грозы", когда молнии возникают в безоблачном небе. Хотя процессы в электрических разрядах линейной молнии становятся, в основном, понятными (Арабаджи, 1960; Фейнман и др., 1966; Юман, 1972; Тарасов, 1988), но остаются некоторые вопросы. Среди них - вопрос о движении головки "ступенчатого лидера" - плазменного образования, создающего канал будущей линейной молнии. Так, Тарасов пишет (1988, стр.97): "Головка лидера выскакивает из тучи и движется к земле с огромной скоростью (порядка 1000000 м/с), пройдя около 50 м, она внезапно останавливается, лидер как бы "набирает сил", как бы "размышляет", в каком направлении ему двигаться далее. Затем следует бросок еще на 50 м, причем совсем не обязательно в направлении предыдущего броска, - и снова остановка на 50 мс. Так отдельными бросками (ступенями) головка лидера постепенно приближается к земной поверхности, оставляя позади себя канал разряда в виде прихотливо ломанной линии... Заметим, что лидер светится относительно слабо, он почти не виден; при высокоскоростной съемке его головка выглядит небольшим пятнышком, рывками перемещающимся к земле. Почему в движении лидера наступают паузы и при том относительно регулярные - этого мы пока не знаем". Как уже отмечалось выше, грозовая активность значительно модифицируется в связи с ускоренным изменением климата (Глобальные изменения..., 1996), ускоряющимся встречным движением магнитных полюсов Земли в процессе инверсии знака зарядов (Кузнецов, 1996; Newitt et al, 2002) все более настоятельно возникают региональные постановки задач для обнаружения местных специфик и установления растущего разнообразия планетофизических перестроек. Грозовая активность - это значительная составляющая процесса изменения климата, поэтому и была осуществлена попытка обнаружения функции грозовой активности на территории Горного Алтая. В ключе нашей постановки задачи огромное значение имеет общеизвестный факт, что максимальное количество гроз на земном шаре происходит в окрестности 19 часов по лондонскому времени (рис.4). Характерно также, что грозоактивные максимумы на Земле располагаются над территорий океанов, где должна наблюдаться обратная (положительная) полярность электрического поля. Эти наблюдательные факты дополняются новыми предположениями В.В. Кузнецова (1990) об электрогенерационной роли Мировых магнитных аномалий: Канадская, Бразильская, Восточно-Сибирская и Приантарктическая. Выявленная поглощающая способность космического радиационного материала Мировыми магнитными аномалиями позволяет допускать возникновение течение "тока" к поверхности Земли с большей интенсивностью, чем за пределами площади аномалии. Большие значения вертикальной составляющей магнитного поля, чем горизонтальной (характерное для Восточно-Сибирской аномалии), подкрепляет высказанное предположение, о том, что в районе мировых аномалий могут возникать условия для инверсии знака заряда поверхности земли. Как уже отмечалось, данная постановка задачи вытекает из специфики геолого-геофизических характеристик Горного Алтая, а именно: сгущенной разломной сетью, гелиочувствительностью, высокой встречаемостью природных самосветящихся образований, значительной неравномерностью сейсмичности (Дмитриев, 1998; Летников, 1998; Дмитриев, Шитов, 2003; Алтайское..., 2004) и др. Рассматриваются доводы в пользу того, что территория Горного Алтая, с ее зонами вертикального энергоперетока (Плазмообразование..., 1992), может представлять собой полигон для широкого развертывания разнообразия энергоемких грозовых процессов при становлении особых признаков регионального изменения климата. В ключе общего состояния проблемы первым этапом решения задачи грозовой активности Горного Алтая является обнаружение очагов гроз и их миграция по территории во времени. Последующие этапы решения должны выявить энергетические характеристики и экологические следствия грозовой активности. Для решения этих этапов была создана база данных, в которую вошла не только полная совокупность стандартных характеристик гроз за время их регистрации (с 1950-х годов). В ходе разработки базы данных за это время были подсоединены и количественные характеристики о геомагнитном режиме, и некоторые гелиофизические показатели. В общие интерпретационные модели изучения энергетики, взаимосвязей и картирования грозовой активности Горного Алтая вводилась информация тектонофизического профиля по тому или иному виду взаимосвязей и очагу сгущения гроз. Исследуемая территория является уникальной и по причине размещения на ней тангажных плоскостей ракетных пусков. Сотни ракетных пролетов вызывают длительные турбулентные процессы в нижней ионосфере (Фаткулин, 1982; Власов, Кричевский, 1999; Дмитриев, Шитов, 2003) и способствовали модификации газо-плазменных неустойчивостей и физико-химических процессов в стратосферно-тропосферной оболочке (Орленок, 1985).
Основной целью постановки данной задачи является обнаружение общего характера изменения грозовой активности на исследуемой территории; выявление взаимосвязей с вариациями магнитного поля в связи с Солнечной активностью и картирование основных очагов с максимальным экологическим риском. В качестве дополнительной цели формулируется задача по выявлению разнообразия физического характера проявления грозоактивных процессов и их приуроченность к зонам вертикального энергоперетока, где максимизируется встречаемость природных самосветящихся образований.
<Почему в движении лидера наступают паузы и при том относительно регулярные - этого мы пока не знаем".> Заблуждение в том, на мой взгляд, что "лидер"-сгусток отрицательного заряда, - лишь звено в цепи многократно воспроизводящихся в Грозовой Ячейке (ГЯ) последовательных "лидеров"...В ГЯ должен "работать" ПГ - пульсовый генератор, "выстреливающий" регулярно короткими пучками-лидерами. Иначе, в ГЯ, в "лице" ПГ работает ЭП - электронная пушка, бросающая вниз, к Земле, пучки отрицательных ионов (электронов), каждая последующая из которых "достраивает" ионизированную дорожку дальше примерно на 50 м; Подробности своего видения проблемы я изложил в статье "Как устроена молниетворная машина Грозовой Ячейки" на сайте <www.vseprokosmos.ru Авторские статьи>. С уважением - Шакиров Марат Муртазович, астрофизик-любитель, энтузиаст практического получения ШМ - шаровой молнии.
0
