«Рождение молнии как коллективный процесс — вот что самое неожиданное в современном понимании о молнии»
Что такое молния и как она рождается? Она бьет сверху вниз или снизу вверх? Как в грозовом облаке из множества мельчайших зарядов за долю секунды собирается мощнейший электрический разряд? Обо всем этом Naked Science поговорил с заместителем директора Московского института электроники и математики им. А.Н. Тихонова ВШЭ, доктором физико-математических наук Александром Костинским.
[NS]: Александр Юльевич, простите, но мы начнем наш разговор не просто с вопроса, а с целого абзаца из старого учебника 1980-го года, которая когда-то произвела на меня большое впечатление: «Расстояния между частицами в облаке превышают космические. Что это значит? Луна, например, удалена от Земли на расстояние 300–400 000 километров, а это всего в 25–30 раз превышает диаметр Земли. Земля удалена от Солнца на расстояние всего 100 диаметров Солнца. А частицы в облаке находятся на расстояниях, в сотни раз превышающих их диаметр, а то и в тысячи. К тому же, пространство между частицами заполнено плохо проводящим электрический ток воздухом. Но как в этих условиях канал молнии собирает за несколько тысячных мгновений секунды заряды миллиардов и миллиардов капель, распределенных по объему в несколько кубических километров? Это же похоже на чудо! Реальное чудо, причём чудо, которое повторяется при каждом ударе молнии». Давайте поговорим про это чудо — молнии (их, кстати, бывает на Земле до 100 штук в секунду.
[АК]: Честно говоря, меня молнии всегда пугали, особенно шаровые. Поэтому для меня эта тема связана с детской травмой.
[NS]: Странно! Я бы больше боялся обычных молний, они гораздо чаще встречаются.
[АК]: Давайте про шаровые молнии в конце поговорим, этой темы нам все равно не избежать. Я, как ученый, обычно считаю своим долгом популяризировать знания, которые мы добываем за ваши, кстати, налоги. Поэтому довольно часто читаю всякие популярные лекции с самой широкой аудиторией от взрослых до детишек. И всегда, всегда на этих лекциях звучит вопрос: «А расскажите про шаровую молнию!» У меня есть даже целая большая лекция на YouTube, посвященная этой теме с научной точки зрения — что мы о ней знаем.
[NS]: Итак, тогда начнем с обычных молний, не шаровых. Я хотел прямо сразу уточняющий вопрос задать: молния много десятков тысяч лет известна человеку. Сколько он живет — столько и знает про молнии. Наверное, лет 100 назад казалось, что про них уже более-менее всё известно. Вот есть какой-то ионизированный канал, по нему молния проходит сверху вниз. Но за последние пару десятков лет появилось очень много интересных открытий. Я бы хотел вас спросить, как изменились наши представления о молниях за последний исторический срок?
[АК]: Это все-таки обывательское представление, что мы молнию знаем. Хотя замечу, что такого счастливого времени, как сейчас, популяризация ещё не знала даже 30 лет назад. Сейчас про молнии десятки очень хороших лекций можно найти, как и в целом — по любой почти теме. Дело в том, что все люди привыкли видеть большой горячий канал, который зачастую приводит к большим разрушениям — к гибели самолётов, гибели людей и животных. Каждый год тысячи людей и животных гибнут от молнии (по всему миру). Молния и гроза, как нечто, порождающее молнию, с другими своими проявлениями — такими, как град, — это зачастую самые частые и опасные явления.
Может показаться, что вулканы и землетрясения гораздо страшнее. Но они и происходят гораздо реже. Вы вот правильно заметили, что у нас приблизительно от 50 до 100 раз в секунду молния бьет где-то, в каком-то месте на планете. Т. е. это действительно невероятно частое явление. Это только казалось, что мы его хорошо знаем. Допустим, что это так — и кстати, наиболее хорошо изучен именно этот самый горячий, большой, огромный канал, который дает токи в среднем от 15 до 100 килоампер. Огромные заряды, которые исчисляются кулонами и десятками кулон. Тут просто трудно сказать: если бы здесь, в комнате, где мы сидим, случилось бы хоть 0,1 кулона, то от нее почти ничего бы не осталось. Это гигантские энергетические возможности.
Вопрос, в чем они заключены, ученых мучил с самого начала, когда они поняли, что это плазма. Конечно, не со времен Франклина и Ломоносова — всё-таки тогда понятия «плазма», как такового, не было. Они установили, что молния — это электрическое явление. А вот приблизительно с начала ХХ века, 120 лет назад, люди поняли, какое это чудовищно огромное явление, которое совершенно справедливо вас пугает. Это очень страшное явление! Нельзя к молнии относиться как-то снисходительно. Когда люди стали запускать воздушные шары, то выяснилось, что в облаке ничего нет, кроме маленьких капелек, ледышек, крупы и т. д. — нет ничего, кроме разных фаз замерзшей воды. И на этих крохотных частичках воды есть малюсенькие заряды. Абсолютно правильно в своей книге «За гранью законов науки» (М., 1980) И.Я. Имянитов, выдающийся исследователь грозовых облаков, и журналист Д.Я. Тихий написали эти проникновенные слова, которые вы процитировали в самом начале разговора: действительно, как из зарядов, которые являются даже не нанокулонами, а пикокулонами, т. е. одна триллионная часть кулона, только они при этом еще разбросаны на гигантском расстоянии друг от друга, вдруг получается мощный большой заряд — ну как же они собираются вместе?
[NS]: Причем в мгновение ока!
[АК]: Да! Для ученых это не мгновение, а другие шкалы времени и другие шкалы скоростей.
[NS]: Давайте отступим еще на шаг назад, потому что при чтении этих строк у кого-нибудь наверняка возникнет вопрос: как вообще многочисленные заряды на этих частицах возникают?
[АК]: Это очень сложный комплексный процесс. Это трение, разрушение, вытягивание капель. При любом разрушении и столкновении капель возникает зарядка. Эта динамо-машина очень мощная — вернее, даже не динамо, а этакая турбулентная машина, которая питается теплом конденсации. Очень много тепла выделяется, когда из пара, который молекулы, образуются капли. При охлаждении, поднятии облака выделяется тепло; оно поднимается еще быстрее, возникают скорости восхождения от 10 и иногда до 40 м/с. Вот смотрите, крутится такая мощная машина. В этой машине разного рода частички трутся, ударяются, с капелек срываются другие капельки…
[NS]: …И в процессе этой турбулентности образуются заряды.
[АК]: Мощной турбулентности, подчеркну! И разного типа неустойчивостей — т. е. эти потоки распадаются, сталкиваются и т. д. В действительности это одна из мощнейших известных нам машин. А дальше возникает вопрос: вот этот самый канал идет к земле, те самые молнии. Вопрос: как они спускаются? Как они могут пробить такое гигантское расстояние от облака до поверхности Земли? Дело в том, что даже если взять электрофорную машину в школе, которую мы все помним, — для того, чтобы пробить всего один сантиметр, т. е. сделать электрический разряд, нужно 30 000 вольт на сантиметр. А вы представляете, даже до кромки облаков — обычно 2–3 км. Если все хорошенько посчитать, то выходит, что никаких зарядов в облаке, которые мы уже хорошо научились измерять, не хватит, чтобы сформировать этот пробой. Это была одна из самых первых загадок. В ЮАР был такой офицер, которого за исследования молний (за заслуги перед британской наукой) королева Елизавета II в 1960-м титуловала рыцарем — это был сэр Бэзил Шонланд и его команда. Они открыли т.н. лидер (или «предвестник»). Оказывается, перед тем, как молния ударит в землю, возникает такой горячий плазменный канал, который движется с огромной скоростью от 100 до 500 км/с. И вот когда этот лидер подходит к земле, а со зданий или с земли ему навстречу поднимается такой же лидер (точнее, даже несколько лидеров, не один)…