Механизм формирования грозового облака и раскатов

Кузнецов А.И, Кузнецов А.Р.

Гроза; — атмосферное явление, при котором внутри облаков или между облаками и земной поверхностью возникают электрические разряды — молнии, сопровождаемые громом. Как правило, гроза образуется в мощных кучево-дождевых облаках и связана с ливневым дождём, градом и шквальным усилением ветра. Грозу без осадков называют «сухая гроза».

Необходимыми условиями для возникновения грозового облака является наличие условий для развития конвекции или иного механизма, создающего восходящие потоки запаса влаги, достаточного для образования осадков, и наличия структуры, в которой часть облачных частиц находится в жидком состоянии, а часть — в ледяном [1].

Автору «посчастливилось» наблюдать все эти процессы, оказавшись в зоне зарождения и «свирепствования» такой стихии, находясь на даче г. Аксу (бывший Ермак) Павлодарской области. Место расположения дачной зоны, время и погода полностью соответствовали необходимым для этого явления условиям. Дачные участки располагаются на расстоянии примерно 200 м вдоль канала Иртыш-Караганда, текущего с востока на запад. Ширина канала — 20-50 м, глубина — 5-7 м. Канал берёт начало из рукава Иртыша — реки Белой, которая протекает с юга на север на расстоянии примерно 1 км от дач. Рядом с Белой течет широкий Иртыш.

Было начало июня. Температура в течение нескольких дней держалась около +30оС. Все дачники и владельцы сельхозугодий, расположенных на другом берегу канала и на западе дачной зоны, утром и вечером усиленно поливали всходы и высаженную рассаду овощных культур, а также плодово-ягодные насаждения с использованием всевозможных поливальных средств. Все это способствовало обильному испарению влаги в атмосферу.

Мы приехали на дачу после обеда, когда жара немного спала, и начали поливать свои насаждения. В это время на западе показались и стали быстро приближаться в нашу сторону, вдоль канала, темные облака. Вскоре небо полностью затянуло тучами, подул восточный ветер и пошел дождь. Мы вынуждены были укрыться в домике. В какой-то момент я заметил, что из поливочного шланга продолжает течь вода и решил ее закрыть. Как был при поливе, в одних плавках и босиком по раскисшей дорожке я под дождем побежал к крану, который располагался на лежащей на земле стальной трубе диаметром около 150 мм. Схватившись за вентиль крана, я получил сильный электрический удар, но отделался легким испугом, без тяжелых последствий.

Дождь стал усиливаться. Дул сильный восточный ветер. Для Казахстана пыльные бури со скоростью ветра 20-25 м/c, которые называют «казахстанский дождь», – это можно сказать норма. Скорость возникшего ветра была значительно больше. Молодые яблони, высотой до 4 м, сгибало почти под прямым углом пополам, а у старых отламывало большие ветки. Началась гроза: пошел сильный град крупностью до 10 мм, из туч почти непрерывно с треском сверкали молнии и грохотал гром, дождь лил как из ведра.

Примерно через полчаса все это светопреставление закончилось. На месте грядок стояли лужи, молодые всходы, а вернее то, что от них осталось, были перемешаны с почвой, вместо рассады помидор торчали голые стебли, порой с остатками разорванных градом листьев. Широкие листья винограда и молодых побегов кабачков были «украшены» дырами в центре и обрывками по краям.

Сейчас, спустя лет 7, начинаю понимать суть и всю последовательность произошедшего явления. Анализируя имеющиеся литературные данные о теории процесса и сопоставляя их со своими наблюдениями, хочу изложить свои соображения по отдельным вопросам, не находящим четкого объяснения у ученых.

Ни одна из существующих версий не объясняет досконально, каким образом растет грозовое облако, достигая поперечных размеров 5-20 км, а вертикальных – 8-12 км.

Согласно имеющихся наблюдений ученых грозовые облака буквально на глазах, вырастают вверх на несколько километров. Их называют облака вертикального развития, или конвективные облака. Они могут простираться сквозь всю толщу тропосферы, иногда их вершины могут пробивать тропопаузу и проникать в стратосферу.

Глубокая, проникающая (в стратосферу) – так характеризуют интенсивную конвекцию в атмосфере метеорологи. Конвекция развивается в неустойчивой атмосфере, когда воздушные массы у поверхности земли, оказываются легче, чем воздух, расположенный в более высоких слоях - начинается интенсивное перемешивание воздуха по вертикали.

Мы считаем, что причиной этого является «падение» атмосферного давления в предполагаемом месте грозы. Учитывая значительные его размеры, это вызывает поступление в эту зону большого количества, как ближайших вертикальных, так и более удаленных горизонтальных воздушных потоков со значительной территории ближайших областей.

В народе существует поверье, что любая непогода приходит с Запада. Иные называют запад «гнилым углом» и считают, что если подул ветер с Запада, то надо ждать ухудшения погоды.

В нашем случае тучи надвигались с Запада, вдоль канала и дач, т.е. над зоной максимального испарения влаги. В процессе своего движения они, очевидно, пополняли свои запасы воды. Этому способствовал дующий навстречу тучам шквальный восточный ветер со стороны Иртыша и р. Белой. 

Мы считаем, что рост грозового облака происходит не мгновенно и не только за счет вертикальной конвекции. Начало его формирования осуществляется «постепенно» в процессе горизонтального перемещения воздушных масс в слоях атмосферы над поверхностью Земли.

Начальную фазу этого процесса можно сравнить с известной технологией создания благоприятных погодных условий при проведении торжественных мероприятий в столичных городах. Ее принцип основывается на распылении с самолета специальных реагентов и последующей конденсации на их частицах находящейся в атмосфере влаги, которая после накопления выпадает в виде осадков, не достигнув территории города. Сам процесс разгона облаков начинается за час-полтора до намеченного времени и ведется на расстоянии 50-150 километров от того места, где необходимо обеспечить благоприятную погоду [2].

Экологи утверждают, что существует определенная зависимость между разгоном облаков и проливными дождями, выпадающими в последующие дни. В это же время известны случаи осадков в виде града в близлежащих районах такого города.

Для формирования молнии необходимо разделение положительных и отрицательных зарядов в облаке. Механизм возникновения зарядов и формирования электрической структуры грозового облака до сих пор полностью не изучен и является областью активных исследований.

Согласно теории, предложенной российскими физиками из ФИАН, катализатором молний является космическое излучение. По этой теории, частица космического излучения, сталкиваясь на около световой скорости с молекулой воздуха, ионизирует ее, выбивая из нее электроны с высокой энергией. В свою очередь, они ионизируют путь своего движения, увлекая за собой лавину электронов, движущихся к земле и создавая канал для разряда.

Однако, известно, что частицы первичного космического излучения приходят к Земле извне Солнечной системы в относительно небольшом количестве. По нашему мнению, поскольку общий поток энергии, приносимой космическими лучами, чрезвычайно мал, по сравнению с излучаемым на Землю потоком солнечной энергии, то наибольший вклад в ионизацию верхней части облаков принадлежит, очевидно, потоку солнечного ветра.

Эти частицы несут энергию, достаточную для отделения электронов от атомов или молекул, встречающихся на их пути в слое атмосферы, тем самым ионизируя их. В солнечном ветре энергия протонов составляет 100 – 200 эВ, а электронов – 10 – 20 кэВ. Пороги ионизации составляют 13,6 эВ для атомов водорода и кислорода и 14,5 эВ для атома азота.

Число вторичных частиц, генерируемых при этом, превосходит 10^6. Лавинообразным нарастанием потока ионизирующих частиц, очевидно, объясняется быстрый рост и мгновенное накопление и распространение числа ионизированных атомов и электронов в грозовом облаке, обеспечивающих формирование его электрической структуры. 

Именно протоны солнечного ветра и ионизированные атомы и молекулы атмосферы обеспечивают положительный заряд верхней части грозового облака. Образующаяся при этом лавина электронов, обладающая высокой проникающей способностью, накапливается на сконденсировавшихся частицах влаги в нижней части облака, заряжая его отрицательно.

Такая электризация облака приводит к тому, что его верхняя часть заряжается положительно, а нижняя отрицательно. И как следствие, на подстилающем участке земной поверхности наводится положительный заряд. Нижняя часть грозового облака и подстилающий участок поверхности образуют конденсатор.

Поступающие в грозовое облако с солнечным ветром протоны и атомы водорода, в результате химического взаимодействуя с ионизированными атомами кислорода атмосферы, образуют молекулы воды как в жидком, так и твердом состоянии. Подтверждением протекания этой химической реакции является обильное образование снежинок в зимнее время года, когда испарение влаги на Земле практически отсутствует.

Очевидно, именно благодаря этой реакции, а не подъему воздушных масс со стороны Земли, происходит быстрое распространение на большую высоту верхней части грозового облака и обильное накопление здесь запасов воды в твердом состоянии. Попадая в более низкие слои атмосферы, с положительной температурой снежинки превращаются в льдинки, которые, опускаясь вниз, способствуют образованию градинок.

В Казахстане, при появлении на горизонте туч поднимается сильный ветер, сопровождающийся пыльной бурей с завихрениями.

Еще А.Л. Чижевский отмечал грандиозные электрические явления в атмосфере во время пыльных бурь. Частицы пыли в неимоверном количестве, пролетая одна около другой, заряжаются от трения до высокого электрического потенциала и создают в одном кубическом сантиметре воздуха электрическое напряжение, равное десяткам и даже сотням тысяч вольт.

Поскольку нагретый и увлажненный парами воды слой воздуха около земной поверхности легче воздуха вышерасположенных слоев, то он поднимается к верху. Отток отрицательно заряженных частиц пыли, увлекаемых воздушными потоками, способствуют электризации атмосферы и созданию положительного заряда в поверхностном слое земли.

Попадая в грозовые облака, частицы пыли заряжают отрицательно их нижнюю часть, обращенную к поверхности Земли и служат центрами осаждения на них сконденсировавшейся при охлаждении влаги.

Мы считаем, что реальной причиной зарождения грозового облака больших размеров и формирования его электрической структуры являются выбросы на Солнце.

Под действием мощных спиральных потоков солнечного ветра выброса происходит движение с высокой скоростью облаков в верхних слоях атмосферы с запада на восток (против часовой стрелки). Именно они также являются причиной возникновения в некоторых грозах интенсивных нисходящих воздушных потоков, создающих на поверхности земли ветер разрушительной силы.

Наличие разрежения в центральной части вихреобразного выброса вызывает падение атмосферного давления в зоне образования грозы. Это в сою очередь способствует возникновению пылеобразных завихрений на поверхности земли и созданию большой скорости распространения вертикальных потоков в грозовом облаке.

Зародышами таких облаков с содержанием значительного количества воды в твердом виде в верхних слоях тропосферы и стратосферы являются потоки ионизованных частиц плазмы и атомов водорода из недр Солнца. Именно они являются одним из основных источников начального поступления значительного количества положительных и отрицательных зарядов в облако и образуют основу формирования его электризационной структуры.

Под действием такого выброса, достигающего поверхности Земли, в зоне его воздействия наблюдается значительное повышение температуры воздуха и сильное испарение воды, предшествующее возникновению грозы.

Причиной образования конденсата водяного пара в стратосфере является не вертикальная конвекция воздушных потоков, а химическое взаимодействие находящихся здесь атомов кислорода с поступившим сюда с солнечным ветром потоком атомов водорода.

Достигая верхних слоев атмосферы Земли ионизованные частицы плазмы сталкиваются с атомами и молекулами воздуха, ионизируя их и образуя дополнительный поток лавины ионизированных частиц.

Из наблюдений известно, что молнии в облаках возникают при напряженностях электрического поля, не превышающих 3 киловольта на сантиметр, тогда как на тех высотах пробивное напряжение воздуха в 10 раз больше [3].

Приведенные данные наверно соответствуют нормальным условиям. Давно доказано, что над промышленными предприятиями электрические разряды и осадки преобладают в зоне выделения пыли, частицы которой несут на себе отрицательный заряд и способствуют образованию в данном месте канала с наименьшим электрическим сопротивлением для прохождения молнии, как внутри самого облака, так и между облаком и землей.

Когда величина накопившегося в облаке объёмного электрического заряда становится достаточно большой, между областями, заряженными противоположным знаком, происходит молниевый разряд с раскатом грома.

Каждый раскат грома сопровождается увеличением интенсивности выпадения осадков в виде града или мощного потока ливня.

По современным данным, полученным с помощью спутников, которые могут обнаруживать молнии в местах, где не ведётся наземное наблюдение, эта частота составляет в среднем 44 ± 5 раз в секунду, что соответствует примерно 1,4 миллиарда молний в год. 75 % этих молний ударяет между облаками или внутри облаков, а 25 % — в землю [4].

Согласно существующего определения [3]: «Гром — звуковое явление в атмосфере, сопровождающее разряд молнии. Возникает в результате очень быстрого повышения давления на пути молнии, вследствие нагревания воздуха электрическим током. Гром является взрывной волной, которая при удалении от разряда молнии вырождается в звуковую волну. Раскаты грома возникают из-за того, что молния имеет значительную длину, поэтому разряд происходит не мгновенно, а продолжается некоторое время.»

Однако, никакой зависимости длительности раската грома от длины молнии не установлено. Так длина вертикальной молнии «облако - земля» обычно составляет не более 3-5 км, а у горизонтальной «облако — облако» она значительно больше и может достигать - 719 км, т.е. примерно в 200 раз длиннее. Несмотря на это продолжительность раската грома при этом практически не меняется. Чем можно объяснить то, что иногда мы слышим громкий, резкий удар грома, а иногда его нет, а есть только низкие, продолжительные раскаты.

При наблюдении на земле, в районе расположения линий электропередач высокого напряжения, замыкания или электрического пробоя, с образованием плазменного канала, никакого грома не бывает, хотя они происходят в плотных слоях атмосферы.

Поэтому такое примитивное объяснение возникновения грома и образования его раскатов у нас вызывает сомнение.

Скорее всего основным звуком сопровождающим сам разряд молнии является только потрескивание от ионизации атомов и молекул газа атмосферы.

Мы считаем, что причиной раскатов грома является наличие в грозовых облаках значительного количества озона, который является исключительно взрывоопасным во всех трех агрегатных состояниях газообразном, жидком и твердом.

Во время грозы происходит разряд электрической энергии, который воздействует на молекулы кислорода в атмосфере. В результате этого процесса молекулы кислорода расщепляются на атомарный кислород [5].

Свободные кислородные атомы затем реагируют с молекулами кислорода, образуя молекулы озона. Этот процесс происходит благодаря тому, что энергия разряда грозы достаточно высока для активации реакции между атомарным кислородом и его молекулами.

Озон в воздухе намного более стабилен, чем в воде [6]. Период полураспада озона в воздухе в основном зависит от температуры воздуха:

Температура воздуха, °C -50 -35 -25 20 120 250
Период полураспада 3 мес. 18 дн. 8 дн. 3 дн. 1,5 ч 1,5 с

Повышение температуры и понижение давления увеличивают скорость его перехода в двухатомное состояние. Переход сопровождается выделением тепла, а при больших концентрациях может носить взрывной характер. Озоно-воздушная или озоно-кислородная смеси, содержащие более 10% озона, взрывоопасны [5].

В соответствии с нашей гипотезой, именно такие благоприятные условия наблюдаются при образовании молнии внутри и между облаками, а также при ионизации молекул кислорода частицами солнечного ветра. Это способствует накоплению в серединной части облаков большого количества озона.

Учитывая, что разряды молний происходят не везде, а только в определенных местах грозового облака, можно утверждать, что именно здесь наблюдаются участки скопление озона.

При образовании «окна» в нижней части слоя облаков, вследствие электрического разряда типа облако-земля, в него устремляется большое количество восходящих потоков теплого воздуха, приводящее к реакции озона с атомами воздуха. Это сопровождается резким выделением большого количества тепла, приводящим к взрыву. Разрушительная сила взрыва и количество выделяемого тепла определяются, очевидно, диаметром молнии и содержанием озона в облаке ее образования.

Взрывная волна распространяется в грозовых облаках параллельно земле, повышая в них температуру и создавая области высокого давления, разрушающие плотные слои их нижней части. Это способствует частичному расплавлению скопившихся здесь льдинок и обильному выделению количества осадков в виде ливня и града. Сквозь образовавшиеся «окна» в облака устремляются новые потоки теплого воздуха, заполняя образовавшиеся здесь от выпавших осадков пустоты. Взаимодействие воздуха со скопившимся здесь озоном приводит к новому взрыву и образованию новой взрывной волны с повторением всех предыдущих стадий этого процесса.

Последовательное перемещение озоновых взрывов создает эффект раскатов грома, приводит к обильному выпадению осадков в этом месте и способствует быстрому разрушению грозового облака. Наличие после молнии вместо резкого удар грома только низких, продолжительных раскатов свидетельствует и небольших скоплениях озона в этих облаках.

Таким образом, предложена гипотеза, позволяющая объяснить каким образом происходит быстрый вертикальный рост грозового облака, причину разноименных зарядов его верха и низа, формирование его электризационной структуры, природу раскатов грома и небольшое время его существования.

ЛИТЕРАТУРА

1. Гроза. [Электронный ресурс]. – URL: https://ru.wikipedia.org/wiki [дата обращения 26.12.2023].

2. Технология создания благоприятной погоды ("разгон облаков"). Справка. [Электронный ресурс]. – URL: https://ria.ru/20090507/170241436.html [дата обращения 30.12.2023].

3. Что наука знает о грозе. [Электронный ресурс]. – URL: https://www.gazeta.ru/science/2015/07/27_a_7659085.shtml [дата обращения 26.12.2023].

3. Гром. [Электронный ресурс]. – URL: https://ru.wikipedia.org/wiki [дата обращения 21.12.2023].

4. Молния. [Электронный ресурс]. – URL: https://ru.wikipedia.org/wiki [дата обращения 22.12.2023].

5. Образование озона после грозы: процесс и механизмы. [Электронный ресурс]. – URL: [дата обращения 24.12.2023].

6. Самораспад озона в воздухе. [Электронный ресурс]. – URL: [дата обращения 02.01.2024].