Игрите на атмосферата:
Как се раждат бурите

След като разбрахме, че в огньовете на свети Елмо няма нищо мистично, нека си припомним как се образуват бурите, мълниите и гръмотевиците. С това продължаваме поредицата „Игрите на атмосферата“.

Буря без мълнии няма. Обикновено бурите се съпътстват и от проливен дъжд и поривист вятър (а понякога – градушка или торнадо).

Обособените бури, които продължават не повече от час, се наричат едноклетъчни. Няколко такива бури, обединени в група, се наричат многоклетъчна буря. Многоклетъчната буря може да продължи часове и да предизвика цяла редица торнадо, тъй като отделните бурни клетки изчезват, но се появяват нови.

За възникването на буря са необходими четири взаимно свързани компонента.

Подемна сила. За формиране на облаци е необходимо влажният въздух да се повдигне нагоре, а влагата, съдържаща се в него, да се охлади и кондензира. Подемната сила е механизъм, който кара въздуха да се издига.

Съществуват няколко варианта на действие на този механизъм. Когато Слънцето нагрява земята, а земята нагрява въздуха край своята повърхност, нагрятият въздух се устремява нагоре, а неговото място заема студен въздух.

Когато движещата се хоризонтално маса на топлия въздух се сблъсква с неподвижната маса на студения въздух, то по-лекият топъл въздух се издига нагоре и заема пространството над студения въздух. Възможна е и обратната ситуация, когато движещият се хоризонтално студен въздушен фронт се „плъзва“ под неподвижната маса на топлия въздух и я кара да се повдигне.

Повдигайки се, топлият въздух се охлажда, а след това се спуска надолу – този процес се нарича конвекция. Конвекционните потоци разсейват топлинната енергия (топлината), в дадения случай – нагретия въздух. За описание на сложните бурни явления учените използват такъв термин като мезомащабна конвекционна система.

Влага. Влажността е един от основните фактори на времето. Сухият издигащ се въздух не образува облаци. Купесто-дъждовните облаци са изпълнени с влага във формата на водна пара. Те се образуват с изкачването на топлия въздух нагоре и последващото му охлаждане до точката на оросяване.

Точката на оросяване е температура, при която облакът се пренасища с влага (тоест той повече не е в състояние да задържа допълнителна влага), след което водната пара започва да кондензира в дъждовни капки. Бурите често протичат в топло време, когато точката на оросяване е висока – облаците могат да попият повече влага, преди да достигнат до точката на насищане и да освободят тази влага във вид на порой.

Неуравновесена въздушна маса. Възходящите потоци влажен въздух невинаги станат причина за буря. Въздушната маса трябва да е неуравновесена. В уравновесената маса възходящите потоци стават по-студени от въздуха, който ги заобикаля, затова те отново се спускат и буря не настъпва.

Неуравновесените въздушни маси се движат нагоре и се охлаждат, но при това остават по-топли, отколкото въздуха около тях, затова продължават да се издигат. Механизмът на това явление е свързан с топлината, която се отделя в облака в процеса на кондензация на влага.

Благодарение на това възходящата въздушна маса винаги остава по-топла от заобикалящия я въздух и затова продължава да се изкачва. Въздухът, движещ се нагоре, образува възходящ поток, докато въздухът, движещ се надолу, образува низходящ поток.

Отсъствие на шапка на височина около 3000 м. Шапката е горната част на конвекционния облак, където въздушната маса става уравновесена. Ако на височина около 3000 м облакът няма шапка, то неуравновесеният въздух продължава да се изкачва, допринасяйки за образуването на буря.

В този случай, когато присъства хоризонтално движеща се маса топъл въздух, бурите се зараждат в нестабилната маса от влажен и студен въздух под нея. При настъпателното движение на студения въздушен фронт бурята се формира по предния му край и на известно разстояние пред него.

Съчетанието на тези четири компонента е необходимо, за да настъпи буря. Възходящият въздушен поток допринася за образуването на кулообразни облаци. Когато започне да вали дъжд, се образува низходящ въздушен поток, който поражда пориви на вятъра при повърхността на земята. В крайна сметка възходящият поток изчезва и бурята утихва. Силата на бурята се определя от силата на възходящия и низходящия въздушен поток.

Как се раждат мълниите

Какво води до възникването на мълния? Какво именно предизвиква нарушението на електричния баланс между заредените частици и възстановяването му след това?

Пълната картина на случващото се е неизвестна на учените. Те са разработили няколко теории, които си съперничат за правото на признание.

Принципно теориите за възникване на мълниите се разглеждат в качеството на причини, предизвикващи електричен дисбаланс или движение на атмосферните валежи (дъжд, град, ледени частици), или конвекция (процес, при който материята разсейва топлинната енергия.

В една от тези теории например се споменават ледени частици, които увеличават размерите си, сблъскват се помежду си и се разпадат. По-малките частици губят електрони и по такъв начин стават заредени положително, а по-големите частици – заредени отрицателно.

Възходящите въздушни потоци (насочени нагоре потоци вятър) и силата на привличане на земята разделят тези частици, в резултат на което по-малките от тях (заредени положително) се изкачват, а по-големите (заредени отрицателно) се спускат. Разделянето на частиците води до образуването на небалансирано електрическо поле.

Друга теория, в която фигурират частиците, се опира на взаимодействието на дъжда с полуразтопения град. По-тежкият град по-лесно преодолява съпротивлението на въздуха, затова пада по-бързо от дъждовните капки. Съприкосновението на две агрегатни състояния на водата (течно и твърдо), падащи с различни скорости, води до разделяне на електрическите заряди.

Теорията на конвекцията се базира на прехода в газообразно състояние на несметно множество дъждовни капки. Газът се повдига нагоре, охлажда се и преминава в течно състояние. Според тази теория падащият надолу лед избива електроните от изкачващия се насреща му и кондензиращ газ, който придобива положителен заряд. При това падащият лед се зарежда отрицателно.

Независимо от механизма на образуване бурното електрическо поле се разпространява по цялата облачна маса и по цялото пространство между облаците и земята.

Горната част на облачната маса придобива положителен заряд, а долната – отрицателен. В ясен ден земята обикновено е заредена отрицателно, но преминаващите покрай земята бурни облаци откъсват тези електрони и предизвикват образуването на положителен заряд на нея.

Участъците на земята и небето, носещи противоположни заряди, притежават огромен потенциал за привличане помежду си. С други думи, между тях се създава изключително високо напрежение. Колкото повече е разстоянието между тях, толкова по-голямо е напрежението. В резултат на освобождаването на това напрежение буквално за една петдесета от секундата се ражда мълния. И все пак през този необикновено кратък период от време протичат множество явления.

Изместващи се лидери и разряди

Въздухът като правило се явява изолатор, тоест лошо провежда електричество. Той възпрепятства смесването на йонизираните частици. (Йон, или йонизирана частица, е атом, който е загубил или придобил електрони и затова е станал електрически зареден.)

За да преодолее съпротивлението на въздуха и да го превърне в проводник на електричество, е необходимо огромно електрическо налягане (напрежение).

Достига се необичайно високо ниво на електрическо напрежение, след което отрицателно заредените йони формират невидим път по посока към положително заредената област на електрическото поле, например от долната част на облака към земята.

Те се движат със скорост около 725 000 км/ч, но тяхното „препускане“ не се явява непрекъснато. Заредените частици се движат на „кратки прибежки“, чиято дължина е приблизително 50–130 м. Това „тичане с почивки“ се нарича изместващи се лидери.

При всеки нов порив напред изместващият се лидер сменя посоката на своето движение (в зависимост от това как е насочен пътят на най-малко съпротивление), създавайки при това в небето рисунък със зигзаги, две или няколко разклонения.

Когато изместващият се лидер се спусне на височина около 50–70 м, положителните йони от земята се насочват нагоре по отрицателно заредения път, прокаран от лидера. Този възходящ светещ поток частици се нарича обратен разряд. Неговият диаметър е 2,5–5 см и той се движи практически със скоростта на светлината.

Сливането на изместващия се лидер и обратния разряд (тоест възстановяването на равновесието на заредените частици) е и този процес, който предизвиква мълнията. Средно във всеки изблик на мълния протичат от 3 до 5 разряда в много бърза последователност. Наблюдателят вижда тези разряди като проблясък. След всеки изблик и проблясък се разнася гръм.

И гръмна гръм

Проблясването на мълния винаги се съпровожда от разнасяне на гръм, макар че той невинаги може да се чуе. Преди да утихнат, звуковите вълни на гърма изминават разстояние около 29 км. Ако мълнията е ударила недалече от вас, вие усещате ударната вълна на гърма като краткотраен въздушен тласък.

Гърмът се поражда от мълнията в резултат на бързото нагряване на въздуха до температури в диапазона от 10 000 до 33 300°С. Да отбележим, че в сравнение с мълниите повърхността на Слънцето е направо студена – нейната температура е 5500°С.

За части от секундата нагретите газове на въздуха се взривяват, разширяват се и предизвикват колебания. Звукът е колебание на материята, а бързото разширяване на нагретите газове създава изключително силни колебания, които се чуват като силен рев. Ударната вълна от гърма е свиване на въздуха, предизвикано от взрива.

Двете събития – гръм и мълния – протичат в мигновена последователност. Но тъй като светлината винаги се движи много по-бързо от звука, то наблюдателят забелязва пауза между проблясването на мълнията и разнасянето на гърма.

Всички знаем, че за да разберем разстоянието до бурния фронт, трябва да преброим секундите между проблясването на мълнията и чуването на гърма. Всеки три секунди задръжка сочат разстояние, равно на около 1 километър, макар че скоростта на звука може да варира в зависимост от плътността на въздуха.

Ако бурята бушува наблизо, гърмът звучи като плясък или тътен, тъй като голяма част от звуковите вълни достигат до нас приблизително в едно и също време. Ако мълнията е ударила далече, то звука от гърма се чува от нас като нисък продължителен екот.

Причината за това е, че звуковите вълни с висока честота много по-лесно се поглъщат от околната среда. Ние чуваме екот, защото първи до нас достигат звуковите вълни, които са се придвижили близо до земята, а след тях – тези, които са възникнали в по-високите слоеве на атмосферата (и съответно на по-голямо разстояние от нас). Освен това в планински местности звукът от гърма се усилва от ехото.

Освен видимата светлина, топлинната енергия, звуковите и ударните вълни разрядите на мълниите създават радиовълни – носители на нискочестотна електромагнитна енергия. По време на буря тези вълни могат да предизвикат пращене или прекъсване в работата на радиоприемниците.

В хода на експерименти с изкуствени мълнии са открити високочестотно и високоенергийно електромагнитно лъчение – рентгенови и гама-лъчи. За щастие не всички удари на мълнии и излъчваните от тях мощни импулси енергия достигат земята.

В понеделник ще се запознаем с видовете мълнии. След това ще продължим с най-призрачните форми на електрически дисбаланс, част от които са и огньовете на свети Елмо.