3. Что там, за облаками

Из цикла статей "Что там, за облаками?".

Первая регистрирующая камера была направлена за грозовой фронт только в конце прошлого века, да и то случайно. Начался ажиотаж, в результате которого были надежно зафиксированы многочисленные газоразрядные элементы гигантских размеров.

Рис. 4

Схематическая картина высотных электрических разрядов

На рис. 4 их стилизованное изображение, много раз повторенное в интернете. Я воспользовался им, потому что сам никогда не занимался исследованиями высотных разрядов. Меня интересует только их связь с традиционной молнией. Но об этом чуть позже.

Ближе всего от верхней границы грозового фронта размещаются голубые (синие) джеты. Их название (jet – струя) отмечает, что такой газоразрядный элемент сохраняет свою шнурованную структуру, очень напоминающую лидер обычной нисходящей молнии. Канал заканчивается светящейся областью, в которой специалисты по длинной искре признают стримерную зону лидера. У обычных голубых джетов она достигает высоты в 40 - 50 км, тогда как у гигантских добирается до 90 - 100 км, фактически касаясь нижней границы ионосферы. Наконец, фиксировались вполне «короткие» каналы с пограничной высотой 25 - 30 км. Их почему-то называют стартеры, хотя возбудителями, чего-то более мощного они не являются. Так или иначе, но все типы джетов связаны с распространением молний (или является ими?), а потому именно они представляют интерес для молниезащиты. Впрочем, физикам более привлекательны спрайты, занимающие очень большой объём и обладающие наиболее высокой точкой старта.

Спрайты с их ярким красноватым свечением стартуют почти от нижней границы ионосферы, с высоты 80 - 90 км и распространяются вниз, к земле на 30 - 40 км и более. Их наиболее высокая стартовая часть представляет собой сплошную светящуюся область диаметром в десятки километров. На высоте ниже 70 км наблюдается ветвление разряда. Скоростные фотокамеры фиксируют толстые шнурованные каналы. Для описания спрайтов пытаются использовать представления о стримерах, которые детально изучены в лаборатории при атмосферном и пониженном давлении. В частности установлено, что среднее электрическое поле для их развития резко снижается при уменьшении давления, для катодонаправленных стримеров - от 4,5 до 1 кВ/см в диапазоне изменения относительной плотности воздуха δ = 1 – 0,3 (рис. 5). Нет оснований предполагать, что подобная тенденция не продолжится далее, обеспечивая очень большую длину стримерных каналов.

Рис. 5

Зависимость электрического поле в канале катодонаправленного стримера от относительной плотности воздуха.
Измерения в лабораторном промежутке длиной 50 см.

Что же касается радиуса стримеров, то расхожее утверждение об их малости далеко от истины даже при нормальной плотности воздуха. На деле радиус определяется ионизационным расширением канала, которое продолжается, пока напряжённость электрического поля на границе не достигнет порога ионизации E_i ~ δ^-1. При высоком напряжении радиус стримеров измеряется сантиметрами и при нормальных атмосферных условиях (рис. 6). Остается учесть, что даже у нижней границы спрайта плотность атмосферного воздуха примерно на 3 порядка величины меньше нормальной и потому радиус каналов измеряется здесь не сантиметрами, а многими метрами.