Синие струи

               
                © Владимир Ерашов

  Российский ученый В.В.Кузнецов так описывает природное явление, связанное с электрическим разрядом в верхних слоях атмосферы (1.):
Синяя струя движется вверх со скоростью
примерно 100 км/с, как хорошо сфокусированный
пучок синего цвета, от вершины грозового облака
до высоты порядка 50 км. Принято считать синие
струи аналогом стримера, в виде ряда плазменных
волокон (см. рис. 10), возникающих при
электрическом пробое газового промежутка [Pasko
et al., 1996; Sukhorukov et al., 1996].
Добавлю, что в указанную цитату не вошли такие данные синей струи, приведенные также в этой работе как то, что сини струи как правило бьют с вершины грозового облака примерно с высоты 10 км.
Встает вопрос, какая же физическая природа этих струй. На что у Кузнецова тоже имеется ответ:
Материнское
облако имеет, как правило, на верхней кромке
положительный, а на нижней, – отрицательный
заряды (см. рис. 10). В верхней части (голове) синей
струи то же знак заряда положительный. Считается,
что в струе происходит сепарирование зарядов
таким образом, чтобы образовалось электрическое
поле обратного знака атмосферному электрическому полю. Суммарный заряд синей струи
составляет 300-400 кулон, размер по высоте – порядка 20 км, толщина струи порядка
одного км, время существования струи около одной секунды.
Сразу скажу, из этого объяснения я ничего не понял, как сепарируется поле обратного знака, кто его сепарирует и так далее и тому подобное. Поэтому я откладываю объяснение этого ученого и даю свое. Пусть жизнь и читатели выбирают, какое из этих объяснений логичнее, а значит и правдоподобнее.
Ученым хорошо известно, что  в грозовом облаке происходит разделение электрических зарядов.  Но некоторые моменты из теории грозы все же нужно напомнить. Вот цитата из Фейнмановских лекций по физике(2):
Качественно можно описать молнию следующим образом. Как показали фотоснимки, молния –
это обычно повторные электрические разряды по одному и тому же пути.

 Потенциал нижней части тучи, висящей над равниной, гораздо более отрицателен, чем земная по-
верхность под ней. Отрицательный заряд (электроны) устремляются к Земле. Всё начинается со све-
тящегося комка – «ступенчатого лидера». Он не такой яркий, как вспышка молнии. На снимках
можно видеть вначале небольшое светлое пятнышко, выходящее из тучи и очень быстро катящееся
вниз со скоростью 1/ 6 скорости света. Оно проходит всего около 50 м и останавливается. Следует
пауза около 50 мкс, а затем происходит следующий шаг. Снова остановка, а после новый шаг и т.д.
Так, шаг за шагом, пятно движется к Земле по пути, показанному на рис. 6.
 Облако

 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +

Рис.6. Образование ступенчатого лидера.

 Лидер наполнен отрицательным зарядом. Воздух ионизуется быстро движущимися зарядами ли-
дера и становится проводящим вдоль его пути. В момент, когда лидер коснётся поверхности земли,
получается как бы проводящая проволока, которая тянется до самой тучи и полна отрицательного
электричества. Теперь отрицательные заряды из тучи мчатся на землю: сначала соскакивают элек-
троны нижней части лидера, оставляя позади себя положительный заряд. Он притягивает электро-
ны из более верхнего участка лидера, они тоже падают на землю и т.д. В конце концов весь отрица-
тельный заряд этой части тучи быстро и энергично сбегает по этому каналу вниз. Так что видимая
нами молния (как будто движение положительного заряда) бьёт от земли вверх (Рис. 7). Это и есть
основной разряд – обратная вспышка. Она вызывает яркое свечение и выделение тепла, которое,
приводя к быстрому расширению воздуха, производит громовой удар.
Отмечу следующее, во времена написания этих лекций, считалось, что удары молнии – единственный механизм, который заряжает Землю отрицательным зарядом. В настоящее время появилось множество различных теорий смысл которых сводится к тому, что Земля заряжается отрицательно осадками, а заряд молниями или совсем отрицается, или сводится к мизерному проценту в доле различных механизмов, заряжающих Землю.
В свете новых представлений хочу и здесь изложить свое видение происходящего:
Изначальная молния бьет в Землю по описанному выше механизму. После того, как образовался проводящий канал происходит обратный электрический удар. И здесь уже отрицательный заряд с Земли по проводящему каналу утекает в положительную область тучи. Причем этот заряд не только нейтрализует положительный заряд тучи, но и заряжает эту область отрицательно, за счет того, что отрицательный заряд с Земли притягивается положительным поясом электрического поля  находящегося на высоте 50-90 км. Но дойдя до верхней части тучи отрицательный заряд с Земли выше распространиться и соединиться с положительным не может, атмосфера плохой проводник, поэтому действие обратного удара молнии в подавляющем большинстве случаев заканчивается.
По ряду причин, например из-за какой-то повышенной локальной ионизации выше тучи могут создаться условия, когда пробой атмосферы не заканчивается верхней частью облака, а распространяется выше. Вот в этом случае синие струи, как бы принимают эстафету от молнии, которая доставила отрицательный заряд с Земли в верхнюю часть тучи и несут этот заряд еще выше. Обратите внимание,  в ссылках приведенных ранее,  было сказано, что синие струи распространяются снизу вверх со скоростью 100 км/сек, а дальше эстафету может подхватить спрайт. Но вот в спрайте происходят несколько иные вещи. Здесь в верхних слоях атмосферы, за счет сильного разряжения атмосферы, положительный заряд, то есть ионы имеют достаточную подвижность для того, чтобы устремиться навстречу отрицательному заряду с Земли, что они и делают. Получается своеобразная эстафета. После такой эстафетной серии разрядов, часть отрицательного заряда в верхних слоях тучи все же остается, то есть разряд заканчивается раньше, чем все электроны убегут с тучи. Откуда такой вывод. В работе (1)  сказано, что после спрайта в этой области атмосферы наблюдается положительный потенциал электрического поля выше среднего значения. А это может иметь место только в том случае, когда в верхней части тучи на высоте 10 км остался остаточный отрицательный потенциал, он притягивает к себе положительные заряды. Какое время избыточный заряд в верхней части тучи существует, и какова его дальнейшая судьба, это предмет дальнейших исследований. Может оказаться, что отрицательный заряд на высоте 10 км существует всегда, нужно проводить более детальные исследования. Главное, что очень простым и логичным способом удалось объяснить ряд высокоатмосферных электрических явлений, по которым до нас не было достаточной ясности.

                Литература
1.АТМОСФЕРНОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ:
ФАКТЫ, НАБЛЮДЕНИЯ, КОРРЕЛЯЦИИ, МОДЕЛИ
В. В. Кузнецов 1,2
1ИГФ СО РАН (г.Новосибирск) ,
2ИКИР ДВО РАН (с.Паратунка, Камчатская обл.)

2. Фейнмановские лекции по физике. Том 5, стр.174-198, 1977, "Мир", М.
                21.01.2012г.