Как образуется молния: физика разряда и причины удара по отдельным объектам

Молния – это кратковременный, но крайне мощный электрический разряд, возникающий между частями облака или между облаком и землёй.

В основе явления лежит разделение электрических зарядов в грозовом облаке и последующее пробивание изоляционных свойств воздуха.

Понимание того, как формируется молния и почему она чаще попадает в одни объекты, чем в другие, помогает оценить риски и грамотно подойти к защите зданий, людей и техники. На сайте можно выбрать средства для молниезащиты и заземления.

Как в облаке накапливается заряд

В грозовом облаке постоянно движутся восходящие и нисходящие потоки воздуха. Капли воды, кристаллы льда и частицы града сталкиваются, трутся и обмениваются электронами. В результате верхняя часть облака обычно получает положительный заряд, а нижняя – отрицательный. Земная поверхность под облаком при этом индуцирует на себе заряд противоположного знака, и между облаком и землёй растёт электрическое поле.

Почему воздух «пробивается»

В норме воздух – хороший изолятор, но при достаточно сильном электрическом поле он начинает ионизироваться: молекулы теряют электроны, появляются свободные носители заряда. Возникают условия для лавинного роста проводимости. Когда поле достигает критических значений (зависит от влажности, давления, наличия аэрозолей), начинается формирование проводящего канала.

Ступенчатый лидер и главный разряд

К земле из нижней части облака продвигается так называемый ступенчатый лидер – канал ионизированного воздуха, который растёт рывками, ветвится и ищет путь с наименьшим электрическим сопротивлением. Навстречу ему с земли поднимаются встречные стримеры от выступающих объектов. Когда лидер и стример соединяются, образуется непрерывный проводящий путь, и происходит главный разряд – яркая вспышка и мощный ток, нагревающий канал до десятков тысяч градусов. Именно этот нагрев вызывает резкое расширение воздуха и ударную волну, воспринимаемую как гром.

Облачная конвекция и столкновения частиц: откуда берётся электрический заряд

Грозовое облако становится «электростанцией» благодаря конвекции: тёплый влажный воздух поднимается, охлаждается, конденсируется и поддерживает мощные восходящие и нисходящие потоки. Эти потоки непрерывно переносят капли воды, кристаллы льда и граупель (мягкую ледяную крупу) через зоны с разной температурой, где частицы активно растут и дробятся.

Основной источник заряда – электризация при столкновениях в смешанной фазе (вода + лёд). Когда кристаллы льда, переохлаждённые капли и граупель сталкиваются и кратковременно контактируют, происходит перенос и разделение зарядов; затем конвекция разводит эти заряженные частицы по разным высотам, формируя крупномасштабное электрическое поле внутри облака.

Итог

Заряд в грозовом облаке возникает не «из ниоткуда», а рождается и усиливается в результате совместной работы микрофизики (столкновения, обмерзание, разрушение частиц) и динамики (вертикальные потоки и турбулентность). Конвекция создаёт условия для частых контактов частиц и одновременно выполняет роль «сортировщика», разносит разные знаки заряда по высоте и тем самым накапливает напряжение.

• Конвекция обеспечивает непрерывный перенос частиц через зоны роста льда и переохлаждённой воды.
• Столкновения и контакт приводят к передаче зарядов между льдом, каплями и граупелем.
• Разделение зарядов усиливается тем, что лёгкие кристаллы легче уносятся вверх, а более тяжёлые частицы чаще остаются ниже.
• Накопление поля продолжается, пока напряжённость не станет достаточной для пробоя воздуха и запуска разряда – молнии.