Эксперт кафедры техники и электрофизики высоких напряжений НИУ «МЭИ», кандидат технических наук Александр Орлов объяснил, почему грозы — явление преимущественно весенне-летнее, и описал физический механизм электрификации грозового облака.
Для формирования грозы необходимо одновременное выполнение нескольких условий: интенсивный прогрев земной поверхности, высокая влажность воздуха, мощные восходящие потоки и присутствие воды сразу в трёх агрегатных состояниях — жидком, твёрдом и газообразном. Весной с увеличением долготы дня солнце поднимается выше над горизонтом и сильнее прогревает поверхность. Нагретый влажный воздух поднимается вверх, где с понижением температуры и давления водяной пар конденсируется, образуя обычные кучевые облака. При достаточно мощном восходящем потоке они продолжают расти вертикально, достигают высоты 8 километров и превращаются в грозовые.
Электрические заряды формируются в зоне на высотах от 3 до 6 километров, где температура воздуха меняется от 0 до −10 °C. Здесь вода существует одновременно в жидком, твёрдом и газообразном состояниях, а восходящие потоки непрерывно перемешивают капли, градины, крупу и снежинки. Попадая в зону отрицательных температур, капля воды начинает замерзать снаружи: ледяная корочка сжимает жидкое ядро, вызывая перераспределение ионов — положительные концентрируются во льду, отрицательные остаются в жидкости. По мере утолщения корочки механическое напряжение внутри капли нарастает, вода несжимаема и сопротивляется сжатию. В какой-то момент корочка не выдерживает и замерзающая капля взрывается.
Осколки льда с положительным зарядом уносятся восходящим потоком в верхнюю часть облака, формируя там область положительного объёмного заряда. Отрицательно заряженные жидкие ядра оседают в нижней части облака. Именно это разделение разнополярных зарядов создаёт условия для возникновения молнии и начала грозы.
«Точные сроки и место возникновения молнии предсказать можно лишь примерно: всё зависит от скорости восходящих потоков воздуха и развития облака. Эти процессы могут происходить очень быстро — скорость восходящего потока может составлять от 5 до 60 метров в секунду. Например, в жаркий день, когда поверхность и воздух постепенно прогреваются в течение всего дня, к 17–18 часам создаются наиболее благоприятные условия для кратковременной грозы и молний. Однако речь идёт именно о вероятности возникновения грозы, а не о точном прогнозе времени и места удара молнии», – отметил доцент кафедры техники и электрофизики высоких напряжений НИУ «МЭИ», кандидат технических наук Александр Орлов
Зимой интенсивность солнечного прогрева недостаточна для запуска этого механизма, поэтому грозы в холодное время года остаются редким исключением.
«Кафедра ТЭВН НИУ «МЭИ» постоянно расширяет границы понимания электрофизических явлений. Исследования, связанные с вопросами молниезащиты и электромагнитной совместимости различных объектов и сооружений — это не только фундаментальная наука, но и основа для инновационных решений в этой области», — отметил ректор НИУ «МЭИ» Николай Рогалев.