нимающегося влажного воздуха, в который все время добавляется холодный боковой воздух. Видно, что приток холодного воздуха существенно уменьшает температуру поднимающейся воздушной массы. На сравнительно малых высотах, где боковой приток воздуха несуществен (особенно если есть много примыкающих друг к другу грозовых ячеек), поднимающийся воздух описывается кривой 3; скорость восходящих потоков увеличивается. На больших высотах, где боковой приток воздуха становится существенным, поднимающийся воздух описывается кривой 4; скорость восходящих потоков снижается. Теперь предположим, что на некоторой высоте (см. точку А на рисунке 5.2) зародился нисходящий воздушный поток; его температура будет возрастать по мере уменьшения высоты, следуя кривой 5. На всех высотах кривая 5 равноотстоит от кривой 3.

Как видно из рисунка, в некоторой точке В кривая 5 пересечется с кривой 1, после чего падающая вниз воздушная масса оказывается холоднее окружающего тучу воздуха, и дальнейшее падение становится неотвратимым.

Электрические заряды в туче. Картина восходящих и нисходящих воздушных потоков позволяет довольно четко выделить основной этап жизни тучи - этал ее зрелости. У него есть еще одна, и притом очень важная, особенность. Речь идет о молниях. Они наблюдаются именно в зрелой грозовой туче. Молнии - характерная черта грозовой активности; их можно рассматривать в качестве определяющего признака грозы.

Возникновение молний говорит о том, что в тучах накапливаются значительные электрические заряды. Впрочем (и это важно подчеркнуть), отсутствие молний еще не означает, что зарядов нет. И в грозовых тучах, и в различных видах облаков, в частности в слоистых и слоисто-дождевых, накапливаются электрические заряды. Просто в грозовой туче этих зарядов намного больше, чем, например, в слоистом облаке. До сих пор мы не касались вопроса об электризации туч и облаков. Теперь пришло время поговорить об электрических процессах, происходящих в облачном покрове Земли, а также в самой земной атмосфере.

Прежде всего заметим, что уже в чистой атмосфере, где вообще нет никаких облаков, имеются свободные электрические заряды. В слоистых и слоисто-дождевых облаках объемная плотность зарядов примерно в 100 раз выше, чем в чистой атмосфере. Степень электризации облака увеличивается по мере укрупнения его частиц, роста толщины облака, усиления осадков из него. Наибольший заряд содержат грозовые тучи. Для возникновения молнии необходимы заряды 10... 100 Кл, разнесенные друг от друга на расстояние от 1 км до 10 км.

На рисунке 5.3 упрощенно показано, как распределяются заряды в грозовой туче. Верхняя часть тучи заряжена положительно, а нижняя отрицательно. Центр положительных зарядов находится на высоте 7... 10 км, где температура составляет -20...-30°С. Центр отрицательных зарядов находится на высоте 3...4 км, где температура 0... -10°С. Вообще-то распределение зарядов в туче более

сложное. Например, в самом ее низу есть небольшой объем, заряженный положительно. Однако в общих чертах картина такова, как она показана на рисунке.

Нижнюю часть тучи и земную поверхность можно уподобить пластинам своеобразного конденсатора; верхняя пластина заряжена отрицательно, а нижняя положительно. Конденсатор разряжается, во-первых, за счет молний, проскакивающих между тучей и земной поверхностью, а во-вторых, за счет осадков. И в том и в другом случае положительные заряды переносятся с поверхности земли в тучу.

В древнеиндийском поэтическом сборнике Семьсот стихотворений , создание которого определяют между HI и Vn вв., есть любопытное четверостишие:

Слышите, как надрываются Там грозовые могучие тучи, Землю веревками ливней Пытаясь поднять в поднебесье?

В нем очень интересна мысль о существовании сил притяжения меж-

ду тучей и землей. Такие силы действительно есть - это силы электрического притяжения, действующие между зарядами разных знаков. Конечно, автор стихотворения не мог и подумать об электрической природе этих сил (представления об электричестве сформировались много позднее), однако впечатляет сама догадка о каких-то силах, возникшая у поэта при виде дождевых струй.

Но вернемся к физической стороне дела. Главный вопрос, связанный с электризацией туч и облаков, состоит в том, каким именно образом происходит в них разделение электрических зарядов.

Каков тот физический механизм, который заставляет положительные заряды группироваться в верхней части тучи, а отрицательные в нижней?

Вопрос этот достаточно сложен; прежде чем перейти к нему, необходимо поговорить об атмосферном электричестве.

Атмосферное электричество. Представим себе ясный безветренный день, на чистом небе ни единого облачка. Кажется, что атмосфера совершенно спокойна, неподвижна. Но эта неподвижность обманчива: все воздушное пространство над земной поверхностью пронизывают электрические токи, текущие сверху вниз - от небес к Земле. Сила этих токов незначительна- всего около 10~А на каждый квадратный метр земной поверхности (на каждый квадратный метр поверхности ежесекундно приходит положительный заряд, равный 10~Кл). Однако земная поверхность велика, поэтому в расчете на всю поверхность нашей планеты получаем весьма

внушительную силу атмосферного тока - 1800 А.

Если через атмосферу течет электрический ток, то это означает, что, во-первых, в ней имеется электрическое поле, направленное по вертикали, и, во-вторых, атмосфера обладает электропроводностью (хотя и небольшой). Напомним в связи с этим формулу, представляющую собой не что иное, как закон Ома:

j=E/Q, (5.1)

где j - плотность силы тока, Е - напряженность поля, q - удельное сопротивление среды (в данном случае атмосферы). Величина о, обратная удельному сопротивлению, называется электропроводностью среды. Таким образом, формулу (5.1) можно переписать в виде

j=oE.

(5.2)

Электропроводность атмосферы обусловлена ионами. В начале нашего века полагали, что ионы в атмосфере возникают благодаря радиоактивности Земли. Согласно этой гипотезе концентрация ионов в воздухе (а значит, и его электропроводность) должна была бы уменьшаться по мере подъема над земной поверхностью. Чтобы проверить гипотезу, В. Гесс поднимался на воздушном шаре и измерял степень ионизации атмосферы на разных высотах. В результате он установил: степень ионизации с высотой не уменьшается, а, напротив, растет. Это открытие привело к рождению нового направления в физике, названного впоследствии физикой космических лучей. Оказалось, что именно космические лучи (потоки заряженных частиц и жесткого электромагнитного излучения), приходящие к нам из мирового про-

странства и в частности, от Солнца, непрерывно снабжают земную атмосферу ионами.

Итак, вследсугвие ионизации воздуха космическими лучами электропроводность атмосферы быстро растет с высотой. Фактически уже на высоте 50 км воздух становится хорошим проводником, так что эта высота может рассматриваться как нижняя граница ионосферы. Между ионосферой (точнее говоря, ее нижней границей) и земной поверхностью имеется разность потенциалов около 4 ЮВ, причем ионосфера заряжена положительно, а земная поверхность отрицательно. Полный отрицательный заряд Земли (как и положительный заряд ионосферы) составляет примерно 10 Кл. Упомянутая разность потенциалов как раз и обусловливает положительный ток, текущий через атмосферу от нижней границы ионосферы к Земле (рис. 5.4).

Выделим мысленно вертикальный столб воздуха высотой 50 км с основанием площадью 1 м. По этому столбу сверху вниз течет

Ионосфера

Земля