Молния выглядит ломаной и ветвистой, потому что её проводящий канал растёт короткими шагами. На каждом шаге направление зависит от электрических условий рядом с кончиком. Когда одна ветвь соединяется с восходящим каналом от земли, яркий разряд освещает уже проложенный путь.
Если посмотреть на снимок грозы, иногда видна одна жирная линия с тонкими «корнями» по бокам, иногда целое дерево, а иногда облако просто вспыхивает изнутри. Разберём, откуда берётся эта разница и что фотография действительно позволяет узнать о молнии.
В статье вы узнаете:
Воздух между облаком и землёй обычно плохо проводит электричество. Во время грозы в разных областях облака накапливаются заряды, а над землёй возникает сильное электрическое поле. Это область, где электрические заряды влияют на другие заряды; в разных местах влияние неодинаково. Когда условия становятся подходящими, в воздухе возникают проводящие участки. Из них складывается узкий канал, по которому затем сможет пройти большой ток.
В распространённом случае молнии между облаком и землёй от облака вниз развивается так называемый ступенчатый лидер. Это растущий проводящий канал; его кончик прокладывает путь. Он продвигается не одним ровным броском: короткое движение, пауза, ещё одно движение. В описании Национальной метеослужбы США типичный шаг составляет около 50 метров. Это порядок величины для одного распространённого типа разряда, а не одинаковая длина всех видимых «зубцов» на фотографии.
Важное различие: лидер светится сравнительно слабо. Когда его ветвь встречается с восходящим проводящим каналом от земли или высокого предмета, возникает непрерывный путь. По нему вверх проходит очень яркий обратный удар. Именно его свет обычно и называют вспышкой молнии. Глаз не успевает увидеть порядок этих стадий; высокоскоростная камера разделяет их.
У кончика растущего канала нет карты всей местности. На его развитие влияют ближайшее электрическое поле и состояние воздуха рядом: где легче продолжить ионизацию, то есть создать новые заряженные частицы и сделать газ проводящим. Поле меняется от точки к точке; его меняют само облако, уже выросший канал, другие ветви и заряды у земли. Поэтому новое продвижение не обязано быть продолжением предыдущего по прямой.
Представьте линию, которую рисуют короткими отрезками, каждый раз выбирая направление по обстановке возле кончика карандаша. Если после первого отрезка слегка повернуть вправо, после второго влево, линия получится ломаной. У молнии нет карандаша и осознанного выбора: сравнение нужно только для понимания последовательности. Физическая причина поворотов связана с местным распределением электрического поля и развитием проводящего канала в воздухе.
Отсюда же понятна ошибка в популярной фразе «молния идёт по пути наименьшего сопротивления». Для готового металлического провода можно сравнить сопротивления двух цепей. Перед молнией готового провода через небо ещё нет. Разряд сам создаёт канал по мере движения, а окружающее поле тоже меняется. Нельзя заранее провести на карте одну линию и объявить её обязательным кратчайшим или «самым лёгким» маршрутом.
У растущего лидера могут одновременно развиваться несколько кончиков. Один сворачивает в одну сторону, другой тянется в другую. Они словно проверяют разные направления, хотя никто ничего не «ищет» сознательно. Поэтому у молнии появляется главный ствол и боковые ветви. Ветвистость относится прежде всего к той стадии, когда проводящий путь ещё формируется.
Когда какая-то ветвь соединяется с восходящим каналом, по связанному пути идёт мощный яркий импульс. Остальные ветви могут ненадолго засветиться, но обычно намного слабее основного ствола: они не обязательно дошли до земли. На снимке возникает знакомый силуэт дерева с тонкими ответвлениями. Значит ли каждое ответвление, что молния ударила в отдельный дом? Нет. Видимая ветка и отдельная точка удара на земле не одно и то же.
Соединение не обязательно происходит с самым высоким объектом во всей округе. Высокие предметы могут запускать восходящие каналы, но результат зависит и от того, где в данный момент оказались ветви лидера, и от электрической обстановки. Поэтому по силуэту дерева на горизонте нельзя определить будущую точку удара.
Форма молнии трёхмерная, а фотография делает её плоской. Изгиб в сторону камеры или от неё на снимке может быть почти незаметен. Другая молния действительно имеет меньше заметных поворотов на видимом участке. Длина шага и количество ветвей у разрядов различаются; не существует обязательного рисунка, который повторяет каждая вспышка.
Сравните два ракурса одной извилистой дорожки: сверху видны все повороты, а с конца она кажется прямее. Для молнии это только аналогия про проекцию. Снимок добавляет собственные особенности: длинная выдержка может сложить в один кадр несколько быстрых импульсов, а пересвеченная середина скроет тонкие ответвления. Из одной фотографии нельзя восстановить точную пространственную форму канала и всю последовательность событий.
И наоборот, часть видимых «ломаных» может быть особенно выразительной из-за ракурса, контраста и обработки снимка. Это не делает зигзаг выдумкой: ступенчатое продвижение и ветвление видны на скоростной съёмке. Просто не стоит измерять по обычной фотографии длину каждого шага и сравнивать его с известными 50 метрами без масштаба и учёта проекции.
Представим короткую запись с частотой в тысячи кадров в секунду. На первых кадрах от облака вниз появляются слабые разветвлённые каналы. Один из них приближается к земле; навстречу ему поднимается тонкий канал от объекта на поверхности. После соединения по этому пути проходит яркая волна вверх. Пауза для человеческого глаза ничтожна, поэтому с улицы это выглядит как одна вспышка, пришедшая сверху.
Такую последовательность показывает Национальная метеослужба США на высокоскоростных записях. Иногда позже по уже существовавшему пути проходит ещё один импульс. Он может быть сравнительно ровным и слабее разветвлённым, потому что на этот раз путь не приходится полностью прокладывать заново. Поэтому мигание одной молнии не означает, что каждый раз возникает новое независимое дерево ветвей.
Если хочется проверить себя, смотрите на замедленное видео с подписью частоты съёмки, а не на монтаж, в котором просто растянули обычное видео. Сначала ищите тусклый разветвлённый лидер, затем момент соединения и яркий обратный удар. Обычная съёмка на телефон полезна для красивого кадра, но часто не разделяет эти стадии по времени.
Мы описали распространённый случай разряда от облака к земле с отрицательным ступенчатым лидером. Бывают молнии внутри облака, между облаками, от облака в воздух и другие варианты разряда между облаком и землёй. Часть каналов скрыта толщей облака: вы увидите широкую вспышку, но не увидите ни единого зигзага. В иных случаях канал возникает в необычном направлении. Поэтому разветвлённая линия в небе показывает узнаваемый случай, а не универсальную форму каждой молнии.
Есть полезное разделение вопросов. Почему вообще возникает электрический разряд и откуда берётся гром, подробно объяснено в статье «Почему возникает молния и гремит гром». Здесь мы разбираем форму уже возникающего канала. Чтобы освоить само понятие электрического поля, можно поставить учебный опыт: задать один заряд и посмотреть, как сила его влияния меняется с расстоянием в калькуляторе напряжённости поля. Он описывает один точечный заряд в вакууме. В грозовом облаке зарядов множество, воздух становится проводящим неравномерно, поэтому этот простой расчёт не предскажет форму настоящей молнии.
Нет. Канал развивается по мере продвижения, а его дальнейшее направление зависит от ближайших условий. Когда одна ветвь соединяется с восходящим каналом, путь замыкается. По этой причине нельзя по уже видимой молнии предугадать, куда ударит следующая.
Так легче узнать молнию на дорожном знаке, иконке или школьном рисунке. Настоящий канал гораздо сложнее: его повороты неровные, ветви могут быть длинными и короткими, а часть пути прячется за облаком. Условный значок передаёт узнаваемую идею, а не точную геометрию.
По фотографии нельзя безопасно определять, какая ветвь станет основной, а какая остановится. Молния способна ударить и в стороне от дождя. Если слышен гром, укрывайтесь в капитальном здании или закрытом автомобиле с металлической крышей. Выходите не раньше чем через 30 минут после последнего грома.
Главный ответ теперь можно найти на любом хорошем снимке: яркий ствол показывает путь, созданный раньше более слабым растущим каналом, а боковые ветви показывают другие направления его развития. Форма возникла во время разряда, а не была заранее нарисована в воздухе.
Напишите своё мнение, комментарий или предложение.