Природа блискавки: як виникають гігантські електричні розряди в атмосфері
- Ігор Сальниченко
- 5 січ.
- Читати 5 хв
Оновлено: 6 січ.
Природа блискавки: історія дослідження
Перші теоретичні та експериментальні кроки у вивченні блискавки безпосередньо пов’язані з ім’ям Бенджаміна Франкліна (1706–1790), який у XVIII столітті розгорнув цілу серію експериментів з електричними явищами. Одним із найвідоміших став дослід зі змієм та ключем у 1752 році, що мав на меті продемонструвати, що блискавка є формою електричного розряду, а не містичним феноменом. Франклін запускав змія під час грози, приєднавши до нитки металевий ключ. Коли ключ почав іскрити, це стало наочним підтвердженням спорідненості блискавки з електричною іскрою, що можна відтворити в лабораторних умовах. Саме цей експеримент підштовхнув учених до думки, що електричні розряди у грозовій хмарі за природою не відрізняються від штучних розрядів, отриманих на електричних машинах [1].
Щоб упевнитися, що дослід безпечний (адже він здавався вельми ризикованим), Франклін переконався, що змій не піднімається безпосередньо у грозову хмару, а лише наближається до сильно зарядженої ділянки атмосфери. Хоча в популярній культурі цей експеримент часто описують зі значними перебільшеннями, основна ідея була в тому, щоби зібрати електричний заряд з повітря і продемонструвати, що він «іскрить» так само, як заряд від тертя в електростатичних машинах. Відтоді блискавка міцно увійшла в поле зору фізики як яскрава і водночас небезпечна форма природного електричного розряду, а блискавковідвід (або громовідвід), що його запропонував Франклін, став першим технічним розв’язанням захисту будівель під час грози.
У XIX столітті поглиблене вивчення електромагнетизму продовжили такі науковці, як Майкл Фарадей (1791–1867) та Джеймс Клерк Максвелл (1831–1879). Фарадей відкрив явище електромагнітної індукції й довів, що зміна магнітного поля породжує електричний струм у провіднику. Це стало фундаментальною засадою для розуміння того, як можуть взаємодіяти електричні та магнітні поля в природі. Водночас він запровадив такі ключові поняття, як силові лінії, завдяки яким учені змогли наочно уявляти розподіл електричних зарядів у просторі, зокрема і в грозових хмарах [2].
Максвелл, у свою чергу, узагальнив досліди й припущення Фарадея в єдину математичну теорію, відому нині як рівняння Максвелла. Вони описують, як електричні та магнітні поля взаємопов’язані й поширюються у вигляді електромагнітних хвиль. Саме завдяки цим рівнянням стало можливим кількісно описувати процес розділення зарядів у грозовій хмарі, коли верхні її шари набирають позитивний заряд, а нижні — негативний, і пояснювати механізми виникнення блискавки. Хоча Максвелл безпосередньо не займався вивченням блискавок, його внесок був критично важливим, бо дав ученим надійний інструментарій для розуміння й розрахунків електричних полів великої сили в атмосфері.
На межі XIX–XX століть з’явилися нові, точніші методи експериментального дослідження. Тоді у поле зору наукової спільноти потрапила динаміка грозових хмар: як відбувається конвекція (підйом нагрітого вологого повітря), як у хмарах утворюються краплі води й кристали льоду й чому вони можуть набувати електричних зарядів. У цей період особливою фігурою став Чарльз Вілсон (1869–1959). Він детально досліджував розподіл електричного поля всередині грозових хмар, а також розглядав фізичні умови, необхідні для пробою повітря (іонізації й утворення каналу, по якому поширюється блискавка) [3].
Вілсон провів численні польові експерименти, спостерігаючи за розвитком і рухом грозових осередків, вимірюючи напруженість електричного поля на різних висотах. Він виявив, що коли різниця потенціалів між зарядженими ділянками (наприклад, між нижньою частиною грозової хмари й землею чи між різними шарами самої хмари) перевищує певний критичний поріг, відбувається миттєвий пробій повітря. Саме це явище ми спостерігаємо як сліпучий блиск блискавки, що супроводжується гучним гуркотом— громом. У дослідженнях Вілсона також уперше почали систематично розглядатися висотні розряди, хоча більшість із них (такі як спрайти чи блакитні джети) детальніше стали вивчати лише в другій половині XX століття, із запровадженням високошвидкісної відеозйомки та супутникового моніторингу атмосфери.
Внесок Вілсона був настільки значним, що в його честь названо ефект “Wilson chamber” (або “cloud chamber”), хоча ця установка спершу розроблялася для спостереження за іонізованими частинками (космічними променями, радіоактивним випромінюванням тощо), але також мала важливе значення і в дослідженнях атмосферної електрики.
Механізм формування блискавки
У типовій грозовій хмарі (Cumulonimbus) завдяки потужній конвекції краплі води та кристали льоду активно піднімаються вгору, де стикаються й труться одна об одну. Ці зіткнення сприяють розділенню зарядів, унаслідок чого верхні шари хмари отримують переважно позитивний заряд, а нижні набувають негативного. Зі збільшенням висоти й густини хмари різниця потенціалів може сягати сотень мільйонів вольт. Коли показник напруженості електричного поля досягає критичних значень, повітря, яке зазвичай поводиться як ізолятор, починає іонізуватися. У такий спосіб формується канал, по якому рухаються електрони від області з великим негативним зарядом до зони з позитивним. Цей канал іонізованого повітря яскраво спалахує блискавкою, а гучний гуркіт грому виникає через миттєве розширення сильно нагрітого повітря.
Водночас дослідники зауважують, що блискавка може утворюватися не лише між хмарою та землею чи всередині хмари, а й у верхніх шарах атмосфери, де виникають так звані висотні атмосферні розряди. До них належать червоні спрайти, що спалахують у мезосфері й набувають характерного червоного відтінку, блакитні джети, які простягаються від верхньої частини грозової хмари в стратосферу й мають виразно синій колір, а також ельфи — майже миттєві кільцеподібні розряди, здатні охоплювати величезну площу у верхніх шарах атмосфери [4]. Ці рідкісні та малодоступні для ока явища стали відкриттям лише з появою високошвидкісних камер і систем супутникового моніторингу, які дають змогу зафіксувати їх у найдрібніших деталях та вивчити особливості їхньої взаємодії з іоносферою.
Природа блискавки нині спирається на здобутки фізики плазми, електромагнетизму та атмосферних наук. Серед провідних дослідників виділяється професор Мартін А. Уман (р. н. 1936), який у своїх працях описав початкові «лідерні» фази блискавки та пояснив закономірності формування блискавичного каналу. В особливо грозових регіонах, як-от штат Флорида (США), лабораторії використовують високошвидкісну відеозйомку й радарні установки, щоб аналізувати кожний етап розряду й розкрити складні механізми накопичення й розподілу зарядів.
Широкомасштабні проєкти NOAA (Національної адміністрації океанічних та атмосферних досліджень) займаються картографуванням блискавок у світовому масштабі та створюють бази даних про грозову активність, щоб точно визначати небезпечні осередки й прогнозувати ймовірність ударів блискавки [5]. Одним із найважливіших аспектів залишається безпека, адже блискавка становить неабияку загрозу для будівель і транспорту. Система блискавковідводів, розроблена ще Бенджаміном Франкліном, залишається основою захисту, проте сучасні варіанти доповнюють датчиками електричного поля, здатними виявляти приховані передумови виникнення грози, а також спеціальними матеріалами з покращеними провідними властивостями, які забезпечують надійну передачу струму в землю.
Новітні системи заземлення враховують реальний стан атмосфери та динамічно адаптуються до змін електричного поля, мінімізуючи ризик пошкоджень у разі сильних ударів блискавок. Усе це свідчить, що вивчення блискавок має не лише фундаментальний, а й прикладний характер, допомагаючи забезпечувати безпеку, прогнозувати погодні явища та досліджувати глибинні процеси у верхніх шарах атмосфери.
Висновки
Історія дослідження блискавки від дослідів Бенджаміна Франкліна, який ризикував власною безпекою, запускаючи змія з металевим ключем у грозову погоду, до теоретичних узагальнень Джеймса Клерка Максвелла та експериментальної роботи Чарльза Вілсона демонструє, як наука поступово розкривала справжню природу атмосферної електрики.
Завдяки поєднанню експериментальних спостережень, теорії електромагнетизму та високошвидкісних методів реєстраціїтепер відомо, що блискавка – це складний розряд, який виникає через розділення зарядів у грозових хмарах і може сягати вищих шарів атмосфери у вигляді різноманітних надгрозових феноменів. Сьогодні дослідники вивчають блискавки не лише для вдосконалення захисних технологій, а й щоб краще зрозуміти глобальну електричну систему Землі та процеси в іоносфері.
Практичне значення набутих знань полягає у покращенні грозозахисту будівель, розробці систем раннього попередження, точнішому прогнозуванні грозових явищ для авіації та інших видів транспорту. Крім того, дослідження блискавок допомагають виявляти взаємозв’язки між атмосферними процесами і змінами клімату.
Таким чином, блискавка постає не просто ефектним природним явищем, а багатогранною темою для науки: від історичних експериментів ентузіастів до високотехнологічних супутникових проєктів та лабораторних ініціатив, покликаних глибше проникнути в таємниці грозової стихії. Кожен крок у цьому напрямі розкриває нові подробиці взаємодії електромагнітних, термодинамічних і хімічних процесів у атмосфері, наближаючи людство до більш ефективного використання та убезпечення від колосальної сили природи.
Джерела:
[1] Franklin, B. (1752). Experiments and Observations on Electricity.
[2] Maxwell, J. C. (1865). A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field, Philosophical Transactions of the Royal Society of London, 155, 459–512.
[3] Wilson, C. T. R. (1921). Investigation on lightning discharges and the electric field of thunderstorms, Proceedings of the Royal Society A, 100, 299–309.
[4] Sentman, D. D., & Wescott, E. M. (1993). Observations of upper atmospheric optical flashes recorded from an aircraft, Geophysical Research Letters, 20(24), 2857–2860.
[5] NOAA (2020). Lightning Research Overview. Офіційний сайт.
Comentarios