Что же происходит в небесах во время гроз и почему они вдруг начинают так нещадно изливать на землю потоки воды?

Одна из причин ливневых дождей – особо сильный прогрев влажной почвы в жаркую летнюю пору. Масса испаряющейся с поверхности земли влаги образует (нередко это происходит у нас прямо на глазах) огромные тяжелые тучи. «Толщина» облачного слоя достигает 6–8, а то и 10 километров. Из них, из перенасыщенных, перегруженных водой туч, и низвергаются ливни.

Ливни такого происхождения особенно характерны для тропических широт. В наших широтах ливневые облака образуются, как правило, иначе: при фронтальной встрече различно нагретых воздушных масс, когда холодный воздух вклинивается в более теплый, и развивается сложный, бурный процесс по всей линии атмосферного фронта. Специалисты называют этот процесс конвекцией. Физический смысл его в том, что происходит перемещение больших воздушных масс с переносом теплоты и других физических факторов. С ним и связано образование кучево-дождевых облаков, несущих ливни и грозу.

Маленькую, далеко не точную, но зато наглядную модель этого процесса каждый из нас не один раз видел в своей жизни, открывая зимой, при сильном морозе, форточку. На дворе никакого тумана нет – чистый морозный воздух, но, врываясь в форточку, он почему-то начинает клубиться. А происходит это потому, что в нашем жилье воздух теплый, насыщен парами, они и конденсируются в морозном воздушном потоке. Чем больше влаги в комнатном воздухе, тем гуще, заметнее клубы морозного.

Представим себе, что в теплую весеннюю пору года на европейскую часть нашей страны с севера с большой скоростью вторглась холодная воздушная масса. Прежде всего на 10, а то и 15^о понизится среднесуточная температура. Затем в тех местах, где, двигаясь к юго-востоку, холодные массы все глубже и глубже будут вклиниваться в нагретый, насыщенный испарениями воздух восточноевропейских равнин, начнется процесс интенсивного грозообразования. В результате на гигантской территории, от Среднерусской возвышенности до Причерноморской низменности, на тысячи километров протянется полоса гроз с ураганными порывами ветра и ливнями.

Хорошо еще, что такие региональные изменения погоды случаются довольно редко – раз в несколько лет, а то и десятилетие, позволяя европейцем понять, что такое ежегодные тропические ливни. В тропиках такая непогода, особенно в сезон дождей, очень опасна, ведь там ливни бывают насколько многоводны, что за сутки уровень осадков соответствует многолетним нормам для умеренных широт. Например, в северо-восточной части Индии, в гималайских предгорьях, находится самое дождливое место на Земле. Там в течение года выпадает в среднем 12,5 метра осадков. Это означает, что если бы пролившаяся дождевая вода не поглощалась почвой и различными стоками, она покрыла бы поверхность суши слоем такой толщины.

Подобные сюрпризы природа преподносит даже Австралии, где почти две трети территории обладают пустынным либо полупустынным климатом и где большинство рек (а их там не так уж много) – это русла без воды. Их называют «крики». Зато после ливней от них можно ждать всякого, даже наводнений. Одно из таких наводнений уничтожило город Виндзор.

Одним из самых грандиозных наводнений в истории человечества считается разгул стихии в декабре 1887 года. Тогда в дельте китайской реки Хуанхэ разразилась настоящая природная катастрофа, виновником которой стал многодневный тропический ливень. Вышедшая из берегов водная масса прорвала огромную плотину и безжалостно смыла многочисленные поселения. Затем на гигантской территории в тысячи квадратных километров возникло озеро-море. Китайцы называют Хуанхэ желтым зверем, рекой бедствий. И действительно, она нередко совершает опустошительные набеги на землю. Там, где бесновались ее грязно-желтые воды, остаются лишь руины.

Вообще, катастрофические наводнения в Китае происходят довольно регулярно, и в юго-западных провинциях летом выпадает более 200, а в некоторых районах почти 500 миллиметров осадков. После таких катастрофических ливней потоки воды устремляются с гор в реку Янцзы и ее притоки, переполняя эту важнейшую южно-китайскую водную артерию. И тогда реки выходят из берегов, покрывая десятки уездов многометровым слоем желтых вод. Масштаб подобных наводнений, как правило сопровождаемых многочисленными жертвами и разрушениями, бывает так велик, что от него не спасают никакие ирригационные сооружения.

Еще древнегреческие ученые Анаксимен и Анаксагор рассматривали явление грозы как результат сгущения воздуха в облаках. Сократ видел основную причину возникновения гроз в столкновении облаков, Демокрит – в их соединении. Эти представления были обобщены и развиты Аристотелем, считавшим, что молния и гром образуются благодаря воспламенению в облаках разнообразных горючих испарений и завихрению их между облаками. В эпоху Средневековья представления о природе грозовых процессов не получили существенного развития.

Первые попытки ученых объяснить грозу как процесс электрического разряда относятся к началу XVIII века. Одну из научных теорий грозы, в основных чертах соответствующую природе явления, дал на основании ряда экспериментальных исследований великий русский ученый М. В. Ломоносов. Молния – это природный разряд больших скоплений электрического заряда в нижних слоях атмосферы, именно Ломоносов установил это одним из первых. Согласно его представлениям, электризация облаков происходит за счет «трения мерзлых паров о воздух», при этом под «мерзлыми парами» Ломоносов имел в виду лед, а «воздух» понимался им как смесь воздуха, водяного пара и мельчайших водяных капелек. Ломоносов особо подчеркивал, что разделение электрических зарядов и образование сильного электрического поля происходит только при интенсивных вертикальных восходящих и нисходящих течениях.

Грозовой процесс невозможен без разделения зарядов в облаке путем конвекции (переноса зарядов воздушными потоками). Поле конвекции в облаках распадается на несколько своеобразных ячеек. Каждая конвективная ячейка проходит стадию зарождения, зрелости и затухания. В стадии зарождения во всей конвективной ячейке преобладают восходящие течения. Зрелая конвективная ячейка характеризуется развитием восходящих и нисходящих потоков, электрической активностью, выраженной разрядами молний и выпадением осадков. Такая ячейка имеет горизонтальный диаметр в несколько километров и простирается в высоту на десятки километров. В стадии затухания во всей конвективной ячейке преобладают слабые нисходящие течения с уменьшением электрической активности и количества выпадающих в единицу времени осадков. Полный цикл жизни конвективной ячейки составляет около часа, длительность стадии зрелости составляет от четверти до получаса, приблизительно столько же длится ее затухание. Гроза, продолжающаяся несколько часов, является результатом деятельности нескольких конвективных ячеек.

Разряды молний могут происходить между соседними наэлектризованными облаками или между наэлектризованным облаком и землей. Разряду предшествует возникновение значительной разности электрических потенциалов между соседними облаками или между облаком и землей вследствие разделения и накопления атмосферного электричества в результате таких природных процессов, как дождь, снегопад и т. д. Возникшая таким образом разность потенциалов может достигать миллиарда вольт, а последующий разряд накопленной электрической энергии через атмосферу может создавать гигантские кратковременные токи. Для объяснения электризации грозовых облаков был разработан ряд теорий, например модель дробления дождевых капель потоками воздуха. В результате дробления падающие более крупные капли заряжаются положительно, а остающиеся в верхней части облака более мелкие – отрицательно.

Существует также конкурирующая индукционная теория. Она строится на предположении о том, что электрические заряды разделяются электрическим полем Земли, имеющим отрицательный знак. В основе этого механизма лежит явление электростатической индукции, заключающееся в появлении противоположного заряда вблизи заряженной поверхности. Воздушные массы, насыщенные атмосферным электричеством, в целом электронейтральны, но нижняя кромка тучи получает положительный заряд, а верхняя – отрицательный. Горизонтальные молнии происходят между противоположными зарядами самого облака, а вертикальные – между его нижней частью и земной поверхностью.

В теории свободной ионизации предполагается, что электризация возникает как результат избирательного накопления ионов находящимися в атмосфере капельками разных размеров. Возможно, что электризация грозовых облаков осуществляется совместным действием всех этих механизмов, а основным из них является падение достаточно крупных частиц, электризуемых трением об атмосферный воздух.

Площадь земной поверхности, на которой проявляются связанные с отдельной грозой электрические явления, простирается на десятки квадратных километров. Благодаря проводимости воздуха к земной поверхности на этой площади от облака поступает ток около ампера.

Чаще всего молния представляет собой многократный разряд. Многократные молнии – обычное явление, они могут насчитывать до нескольких десятков. Паузы между отдельными разрядами составляют несколько секунд. Средняя длительность полного разряда молнии измеряется десятыми долями секунды, отклонения от среднего значения в обе стороны возможны на порядок величины. Обычно разряд развивается лавинообразно, сначала в виде ионизованного канала, получившего название «лидер молнии», который ступенчато продвигается от облака к земле. Затем по этому ионизованному каналу от земли к облаку движется основной разряд, он обычно глубоко проникает внутрь облака, образуя множество разветвленных каналов. Свечение этого яркого разряда, обусловленное рекомбинацией ионизованных атомов, может продолжаться более секунды.

При разряде молнии на всем протяжении ее извилистого пути происходит очень быстрое нагревание столба воздуха до нескольких десятков тысяч градусов. И основной канал молнии, и все его многочисленные разветвления становятся источниками ударных волн. Резкий фронт ударной волны по мере удаления от места разряда все более сглаживается, и на некотором расстоянии от источника ударная волна превращается в акустическую (звуковую) волну небольшой амплитуды. В ходе этого превращения происходит постепенное уменьшение скорости распространения ударной волны вплоть до скорости звука в конечном итоге.

Средняя длина молнии обычно составляет несколько километров, но изредка между облаками могут проскакивать молнии длиной в десятки километров. При этом разность потенциалов между грозовым облаком и Землей в верхнем пределе иногда достигает миллиарда вольт.

Звуки, следующие после главного удара грома, создают впечатление удаляющегося от места наблюдения и постепенно затухающего рокочущего шума. Это – раскаты грома. Они наблюдаются в местности с любым рельефом и образуются ветвящимся и удаляющимся от места наблюдения разрядом молнии. Длительность раскатов грома определяется особенностями развития молнии. В среднем раскаты длятся половину минуты, крайние отклонения от среднего значения составляют около 50 %.

Характер звучания грома является существенной особенностью уже начавшейся грозы. Народные приметы утверждают, что длительные раскаты грома являются признаком приближения протяженного массива грозовых облаков. Глухой, продолжительный и умножающийся со временем гром с медленными раскатами характерен для длительной грозы, в то время как короткие и резкие удары с возрастающими по времени промежутками между ними характеризуют грозу кратковременную.

Средняя дальность слышимости грома для летних гроз на континенте составляет полтора десятка километров. Разница во времени между вспышками молнии и восприятием грома может достигать полутора минут. Гром от близкого разряда молнии производит такое же действие на слух, как выстрел зенитного орудия в нескольких метрах от наблюдателя.

С давних времен в процессе познания грозы человек стремился подчинить ее своей власти. Об этом говорит, например, легенда о Прометее. Овладение грозами было предметом мечтаний ученых и философов Средневековья. В последние годы были сделаны попытки «засева» грозовых облаков кристаллами таких веществ, как йодистое серебро, йодистый свинец и твердая углекислота. Предполагается, что каждое из этих веществ может способствовать затуханию и даже полному прекращению грозового процесса за счет резкого усиления конденсации водяного пара. Опыты в этом направлении уже позволили накопить обширный экспериментальный материал, позволяющий сделать ряд практических выводов. На их основе были разработаны методики, позволяющие эффективно бороться с локальными очагами непогоды при важных спортивных и государственных мероприятиях на открытом пространстве.