Молния

А. ЛУИЗОВ

Кому из нас не приходилось любоваться грозой! Темносиние тучи, затмившие сияние солнца, бурные потоки воды, низвергающиеся с неба, ослепительные вспышки ветвистых молний, оглушительные раскаты грома —  величественное и грозное зрелище.

Человек давно уже задумывался над причинами этого явления природы, пытаясь так или иначе осмыслить его, разгадать причины грома и молнии. И дело тут не в простой любознательности. Ведь удар молнии может мгновенно убить человека, разрушить здание или зажечь его. Опасность молнии совсем не так мала, как некоторые думают, и молния — явление отнюдь не такое редкое. В среднем каждую секунду на всем земном шаре происходит около ста ударов молнии. Пока вы читаете эту фразу, во всем мире разыгрывается около двух тысяч гроз. Конечно, далеко не все грозовые удары поражают людей или наносят материальный ущерб, но все же несчастий они приносят немало. Так, например, по данным американского Национального общества страхования от огня, ежегодные потери, вызванные разрушительным действием молнии в США, достигают 9 млн. долларов, и сумма эта, несомненно, преуменьшена.

Гроза подавляюще действовала на воображение первобытного человека. В молнии он видел непосредственное проявление силы и гнева какого-нибудь из богов, и притом обычно главного божества. Греческий Зевс, римский Юпитер, славянский Перун — все это боги-громовержцы.

Правда, уже в древней Греции, а затем и в Риме появляются люди, стремящиеся дать грозе подлинно научное объяснение. Мы находим такие попытки у Демокрита, а затем у Лукреция Кара. Но объяснения их кажутся нам теперь наивными. Они были слишком далеки от правильного понимания причин молнии и грома.

Только после того как ученые несколько ближе познакомились с электрическими явлениями, наметился путь к разгадке истинной сущности молнии.

Каждую секунду на всем земном шаре происходит около ста ударов молнии.

Во второй половине XVII в. Отто фон-Герике сконструировал первую электрическую машину. Это был просто смоляной шар на железной оси. Когда к вращающемуся шару прикладывали руку, он довольно сильно электризовался. В 1745 г. была изобретена лейденская банка, которая позволила накоплять сравнительно большие электрические заряды и получать при разряжении искру. Некоторые ученые, замечая сходство между молнией и электрической искрой, пришли к мысли, что в сущности это — одно и то же явление. Но только американскому ученому Франклину удалось в 1752 г. на опыте доказать, что молния —  явление электрическое.

Смелый естествоиспытатель буквально поймал молнию в руки. Он запустил в грозовое облако змей, укрепив на нем металлическое острие. К концу веревки змея был привязан ключ. вот, приблизив палец к этому ключу, Франклин получил электрическую искру.

Познав природу молнии, Франклин нашел и способ борьбы с ней. Он изобрел громоотвод. Это железный стержень с острием, обращенным вверх. Стержень соединяется с землей толстым проводником. Когда над громоотводом появляется туча, заряженная электричеством, земля, здание и сам стержень вследствие индукции заряжаются электричеством противоположного знака; с острия громоотвода заряд стекает в воздух и, соединяясь с противоположным зарядом тучи, разряжает се. Удар молнии часто заменяется, таким образом, тихим разрядом. Если же происходит разряд в виде молнии, то вероятнее всего, что молния ударит как раз в громоотвод, так как он возвышается над зданием и дает молнии наиболее удобный путь в землю. А проходя по хорошему проводнику в землю, заряд молнии не причиняет никакого вреда зданию.

В первые годы своего существования громоотвод встречал и горячих защитников и ярых врагов. Знаменитый французский писатель Вольтер одним из первых поставил громоотвод в своем поместье Фернее. Реакционеры всех сортов восставали против громоотвода, считая его опасной и даже греховной затеей. Вокруг громоотвода разыгрывались даже политические страсти. Английский король Георг III хотя и поставил на своем дворце громоотводы, но с шариками, а не с остриями, как бы подчеркивая свое нежелание следовать примеру американцев, которых он считал мятежниками, восставшими против английского владычества.

Одно крупное несчастье заставило, однако, правительства многих государств позаботиться об установке громоотводов по крайней мере на пороховых погребах. В 1769 г. молния ударила в Сен-Назерскую башню в итальянском городе Брешия. В подвале этой башни хранилось 200 т пороху. Произошел взрыв; башня взлетела на воздух, обломки ее разрушили шестую часть города и перебили 3 тыс. человек. Так сама молния агитировала за громоотвод.

*

Франклин доказал, что молния — это только огромная электрическая искра. Но многое оставалось еще неясным и прежде всего основной вопрос — откуда берутся столь высокие напряжения во время грозы?

Уже современники Франклина, продолжая его исследования, сделали замечательное открытие: оказалось, что электрические явления в атмосфере наблюдаются не только во время гроз. Если установить длинный заостренный вверху шест на изолирующей подставке, то он всегда оказывается в той или иной степени наэлектризованным. Такие опыты производил в 1752—1753 гг. талантливый русский физик Рихман. Ему часто удавалось извлекать из своего прибора искры даже в ясную погоду. Но 26 июля 1753 г. во время грозы, подойдя к своему прибору, Рихман был насмерть поражен молнией. Ломоносов сказал, что «Рихман умер прекрасной смертью, исполняя по своей профессии должность. Память его никогда не умолкнет». Но вместе с тем он высказал опасения, как бы «сей случай не был истолкован противу приращений науки». Опасения Ломоносова оправдались: многие склонны были считать смерть Рихмана «божьей карой» за дерзость исследователя.

Конечно, эти толки невежд не остановили других ученых. Исследования продолжались, и вопросы, связанные с атмосферным электричеством, изучались все глубже и глубже.

Что же известно современной науке об атмосферном электричестве и в частности о грозе?

Земля — довольно хороший проводник электричества, воздух —  очень плохой, но в высоких слоях, на высоте 70—80 км, воздух обнаруживает хорошую проводимость. Это так называемый слой Хевисайда, союзник каждого радиолюбителя, слой, отражающий радиоволны и не дающий им теряться в межпланетном пространстве. Таким образом, землю и слой Хевисайда можно рассматривать как два проводника, разделенные диэлектриком — воздухом. Это своего рода огромный шарообразный конденсатор. Земля заряжена отрицательным электричеством. Величина ее отрицательного заряда — 540 тыс. кулонов, потенциал слоя Хевисайда — более 200 тыс. вольт. Цифры эти не могут претендовать на большую точность, но они все же дают возможность судить о порядке величин, характеризующих электрическое состояние нашей планеты. Очевидно, между поверхностью земли и слоем Хевисайда существует электрическое поле. Теперь его можно обнаружить и исследовать различными способами. Поле это очень неустойчиво, напряжение его постоянно колеблется, даже в ясную погоду, а во время снегопада, дождя или, тем более, грозы оно меняется особенно сильно.

Но наличие над поверхностью земли электрического поля еще не объясняет появления значительных электрических зарядов, проявляющихся в виде молнии. Для объяснения грозы создано много теорий. Мы рассмотрим только одну из них — теорию Симпсона. Эта теория пользуется сейчас наиболее широким признанием, хотя нельзя сказать, чтобы она объясняла все случаи грозы. Сам автор предложил eе только для так называемых тепловых и фронтальных гроз.

Теория Симпсона базируете на эффекте Ленарда, который заключается в следующем: если водяной капле сообщить резкий толчок, от ее поверхности отскакивают мельчайшие капельки, которые оказываются заряженными отрицательно, крупный остаток капли заряжается при этом положительно.

Такое разбрызгивание капель может получаться в воздухе при наличии восходящего течения достаточной силы. Предположим, что ветер врывается в облако снизу. Если в каком-нибудь месте облака скорость движения воздуха вверх достигает 8 м в секунду, капли не могут падать вниз против такого ветра. Мелкие капли летят вверх и дальше по ветру в сторону, а крупные оказываются во взвешенном состоянии. Но в таком положении и крупные капли не могут сохранять устойчивости: они разбрызгиваются, причем мелкая водяная пыль разносится ветром по всему облаку, а более крупные остатки капель только слегка отклоняются в стороны и, выходя из пространства, где скорость движения воздуха вверх достигает 8 м в секунду, падают на землю. Вследствие эффекта Ленарда мелкие капельки, которые уносит ветер, наэлектризованы отрицательно, а более крупные —  положительно. Обычно получается, что положительный заряд сосредоточивается в сравнительно небольшом объеме облака, а большая часть облака заряжается отрицательно.

Для получения электрической энергии всегда нужно затратить какую-то другую энергию. Электризация туч, по Симпсону, происходит за счет энергии ветра, который разбрызгивает капли и относит мелкие от крупных, преодолевая взаимное притяжение разноименных зарядов и совершая поэтому известную работу.

Так, по теории Симпсона, происходит появление электрических зарядов в облаках.

Молния бывает самой различной формы. Вот какой замысловатый рисунок молнии удалось наблюдать во время грозы.

Однако, чтобы правильно понимать явление грозы, недостаточно разобраться в причинах возникновения заряда в облаках, нужно еще изучить механизм грозового разряда. Для практических целей изучение законов разряда даже важнее: ведь именно молния приносит нам вред и от молнии мы должны защищаться.

Молния представляет собой электрическую искру от 2 до 40 км длиной. Такой колоссальной искре соответствует огромный потенциал грозовой тучи —  от 100 млн. до 1 млрд. вольт.

Продолжительность молнии чрезвычайно мала, а быстрота даже вошла в поговорку. Грозовой разряд оказывается явлением весьма сложного характера. Развитие молнии удается проследить по фотографиям, сделанным при помощи быстро движущейся фотокамеры. При таком способе фотографирования на пластинке получается ряд изображений молнии, приблизительно подобных друг другу. Значит, каждая молния состоит из ряда импульсов, следующих один за другим обычно через тысячные доли секунды. Первый из этих импульсов имеет особенно сложное строение. Он не сразу доходит до того места, куда ударяет молния, а движется постепенно, ступенями. Конец первой искры как бы пробуравливает воздух; продвинувшись метров на 60, он приостанавливается на малую долю секунды, чтобы затем продвинуться на новую ступень. Извилистость молнии объясняется, очевидно, тем, что первый импульс избирает путь с наименьшим сопротивлением. Именно поэтому можно рассчитывать, что молния ударит скорее в громоотвод — высоко поднятый, хорошо заземленный проводник, — чем куда-нибудь поблизости от него. Но, к несчастью, молния все же не всегда оправдывает такие расчеты и иногда избирает весьма трудный путь рядом с громоотводом, производя на этом пути сильные разрушения. Приходится признать, что в механизме грозового разряда современной науке далеко еще не все ясно.

Развитие молнии удается проследить по фотографиям, сделанным при помощи быстро движущейся фотокамеры. При таком способе фотографирования на пластинке получается ряд изображений молнии, приблизительно подобных друг другу.

Действия молнии очень разнообразны и подчас загадочны. Большое количество таких поразительных примеров действия молнии можно найти в книге Фламмариона «Атмосфера». Человек, пораженный молнией, бывает иногда сильно обожжен, иногда получает страшные раны, а в некоторых случаях умирает или теряет сознание, не получив никаких заметных повреждений. Молния часто откалывает камни от стен, расщепляет деревья. Горючие вещества нередко загораются от молнии, иногда даже плавятся металлы, хотя, вообще говоря, хорошим проводникам молния причиняет меньше вреда, чем плохим.

Молния может поразить человека и не проходя непосредственно через его тело. Очень часто люди, укрывшиеся во время грозы под деревом, бывали поражены, хотя молния ударила не в них непосредственно, а в дерево. Такое действие ударившей молнии нетрудно объяснить явлением индукции.

*

Огромные убытки причиняет молния электрохозяйству. Телефонные и телеграфные линии, линии передачи электроэнергии — все это высоко подвешенные, хорошие проводники, протянувшиеся на огромные расстояния. Вероятность попадания молнии в такие проводники велика, а удар в провод может причинить серьезнейшие неприятности, если не принять мер

против его действия. Нужно еще учесть, что молния, ударившая даже не в самый провод, а где-нибудь поблизости, может также привести к аварии, вызвав индуктивное перенапряжение. Однако для высоковольтных линий, уже рассчитанных на большие напряжения, такие непрямые удары мало опасны.

Насколько важно наладить рациональную охрану линий электропередачи от действия молнии, говорит хотя бы следующий пример: в 1933 г. около половины всех аварий по сетям Мосэнерго и Донэнерго произошло в результате гроз.

Как же защитить высоковольтную линию от молнии? Самый простой способ — это расставить вдоль всей линии громоотводы. Многие линии действительно защищены таким способом. Но чтобы громоотводы давали достаточно надежную защиту, промежутки между ними должны быть невелики, и, следовательно, на всем протяжении линии приходится ставить огромное количество громоотводов. Это связано с весьма большими затратами. Поэтому стали применять и другие способы защиты линий. Широкое применение получили искровые промежутки и разрядники.

Идея устройства искрового промежутка очень проста: от провода создают для электричества путь в землю, но этот путь разорван промежутком, скажем, в 24 см; если нормальное напряжение в линии — 100 тыс. вольт, ток не будет уходить в землю, потому что такое напряжение не в силах пробить воздушный промежуток в 24 см; но если где-нибудь в провод ударяет молния, напряжение сразу повышается, через воздушный промежуток проскакивает искра и большая часть тока молнии уходит в землю без вреда для линии и аппаратуры станции.

Величина искрового промежутка подбирается, конечно, в зависимости от того перенапряжения, которое считается уже недопустимым.

Искровой промежуток имеет один существенный недостаток: после пробоя его искрой образуется дуга, и уж тогда нормально текущий по линии ток начинает уходить в землю. Чтобы избежать этого явления, можно последовательно с искровым промежутком включить плавкие предохранители; тогда заземление будет происходить только на самое короткое время, а затем предохранитель, расплавившись, прекратит утечку тока в землю. Но это опять связано с другим неудобством: после того как предохранитель переплавится, искровой промежуток уже не может более защищать линию от повторных ударов молнии; поэтому в последнее время стали применять более сложные разрядники, которые, во-первых, гасят образовавшуюся дугу и, во-вторых, могут действовать многократно. Это так называемые многократные деионные разрядники, или стреляющие разрядники.

Деионный разрядник, с помощью которого осуществляется защита электрический линий от ударов молнии.

В стреляющем разряднике дуга возникает внутри трубки, сделанной из какого-либо вещества, выделяющего при высокой температуре большое количество газов, которые очень быстро гасят образовавшуюся дугу, а как только гаснет дуга, прекращается выделение газов, и разрядник снова готов к действию.

Лабораторное исследование молнии затруднено огромными напряжениями грозовых разрядов и колоссальными размерами молний. Трудно представить себе осуществление установки, дающей искры в несколько километров длиной. Поэтому в лабораториях молнию приходится исследовать на моделях в значительно меньших масштабах. Но чем ближе будет масштаб модели к масштабу естественного явления, тем ценнее окажутся результаты лабораторных исследований. Сейчас Ленинградским индустриальным институтом строится новая, весьма крупная высоковольтная лаборатория, здесь устанавливается генератор, который позволит получать напряжение до 16 млн. вольт, длина искусственной молнии будет достигать 15—16 м. Лаборатория будет изучать последовательные стадии развития электрического разряда и проверять действие различных защитных устройств. Основная цель лаборатории —  изучение действия грозовых перенапряжений на линиях электропередачи.

*

Все, что мы говорили до сих пор, относится к обыкновенной полосовой молнии. Но молнией называют еще и другое, очень своеобразное явление — так называемую шаровую молнию. Она появляется в виде огненного шара, который движется довольно медленно и исчезает иногда бесшумно, иногда же взрывается с громом.

Приведем только один весьма характерный случай появления шаровой молнии. Описание его мы заимствуем из упомянутой уже книги Фламмариона. «5 июля 1852 г. в Париже шаровая молния проникла через камин в комнату портного, опрокинув бумажный экран, заслонявший камин. Этот огненный шар казался котенком средней величины, свернувшимся в клубок и катящимся без помощи лап. Он приблизился к ногам портного, как бы желая поиграть с ним. Портной потихоньку отодвинул ноги, чтобы избежать соприкосновения, внушавшего ему нестерпимый ужас. Через несколько секунд огненный шар поднялся вертикально на высоту лица сидящего портного, который, чтобы не коснуться шара лицом, вытянулся, отклоняясь назад. Огненный шар продолжал подниматься и направился к пробитому выше камина отверстию, которое было заклеено бумагой. Шар отклеил бумагу, не повредив ее, вошел потихоньку в трубу и, поднявшись до известной высоты, произвел страшный взрыв, который разрушил конек кровли, разбросав осколки по двору и повредив крыши многих соседних домиков».

В существовании шаровых молний не приходится сомневаться. Известно много случаев их появления, и, наконец, за последнее время удалось получить несколько фотографий шаровых молний.

Природа этого явления еще далеко не выяснена. Впрочем, некоторым ученым удавалось получить экспериментально что-то похожее на шаровую молнию. В этом отношении, пожалуй, интересней всего опыты русского физика Н. А. Гезехуса. Он погрузил в воду полюс трансформатора, дававшего переменный ток в 10 тыс. вольт, и. соединил другой его конец с горизонтальной медной пластинкой, помещенной на расстоянии 2—4 см над водой. При этом наблюдался разряд, иногда в виде светящегося шарика, который перемещался при малейшем дуновении. Покрывая этот шарик колпачком, можно было наблюдать появление бурых паров окислов азота.

Гезехус полагает, что шаровая молния состоит из азота, сгорающего под влиянием сильных колебательных разрядов. Французский астроном и физик Е. Матиас высказал недавно предположение, что в состав шаровой молнии входят многоатомные молекулы азота и кислорода и высшие окислы азота. По Матиасу, эти вещества, еще не известные нам, весьма неустойчивы и потому при охлаждении разлагаются со взрывом.

*

Приносит ли молния какую-нибудь пользу? Несомненно приносит. Молния, как всякая электрическая искра, озонирует воздух. Озон — это некоторое видоизменение кислорода. Молекула обычного кислорода состоит из двух атомов, а молекула озона из трех. Под действием молний часть кислорода воздуха переходит в озон. А озон губительно действует на всевозможные бактерии, он очищает, дезинфицирует воздух. После грозы воздух особенно чист и полезен для дыхания.

Под влиянием молнии азот воздуха соединяется с кислородом, давая различные окислы азота. Эти окислы, соединяясь с дождевой водой, дают кислоты, которые, попадая в почву, образуют азотистые соли. А азотистые соли необходимы для жизни растений. Таким образом, дождь во время грозы не только орошает, но отчасти и удобряет наши поля.

Было бы очень заманчиво попытаться активно использовать энергию молнии. Мы уже говорили, что ежесекундно на всем земном шаре ударяют 100 молний. Общая мощность их достигает примерно 2700 миллионов киловатт. Это число очень велико. Если использовать всю энергию молний, то на каждого человека придется в среднем более двух лошадиных сил.

Однако современная техника еще не располагает такими средствами, которые, позволили бы это осуществить.