InfoRadar
Мазмұны
Табиғат адамзат мыңдаған жыл бойы бақылап келе жатқан, алайда жақын арада ғана түсінген құбылыстарға толы. Найзағай — жер бетіндегі ең тамашаларының бірі: аспан жарқылдан жарылып, ауа күннің күркіреуінен дірілдейді де, бұның бәрі бірнеше секунд ішінде өтіп кетеді. Ғалымдар бұл керемет көріністің артында электр зарядтарын бөлудің өте күрделі физикалық процесі жатқанын анықтады. Бұлттардың ішінде орасан мөлшерде статикалық электр жиналуы — миллиард ватқа жететін разрядтар болып табылатын найзағайды тудыратын нәрсе. Осы табиғи электрдің қалай туатынын түсіну — атмосфералық физиканың жүрегіне үңілу дегенді білдіреді.
Найзағай бұлтының құрылысы
Электр туралы түсінікті жетілдірмес бұрын, найзағай бұлтының физика тұрғысынан не екенін ұғыну маңызды. Кюмулонимбус бұлттары — дәл солар найзағай тудырады — биіктігі 5-ден 18 километрге дейін жететін алып атмосфералық машиналар болып табылады.
Мұндай құрылымның ішінде бір мезгілде бірнеше негізгі аймақ жұмыс істейді:
- бұлттың төменгі бөлігі шамамен 1-2 км биіктікте орналасып, негізінен ірі су тамшылары мен ауыр мұз бөлшектерін қамтиды;
- ортаңғы аймақ 2-ден 6 км-ге дейін созылып, мұз кристалдары, асқын суытылған тамшылар және қар жармасымен қаныққан;
- жоғарғы облыс 6 км-ден жоғары көтеріледі, онда температура -40°C-тан төмен түседі де барлық ылғал ең ұсақ мұз кристалдарына айналады;
- қуатты өрлемелі ауа ағындары (апдрафттар) бұлттың бүкіл тігінен секундына 40 м/с жылдамдықпен өтіп, жеңіл бөлшектерді жоғары көтереді.
Бөлшектердің осы тігінен қозғалысы электрлендірудің басты қозғаушы күшіне айналады. Қуатты өрлемелі ағындарсыз ешқандай найзағай бұлты мүлдем пайда болмас еді.
Зарядтар жинақталуының механизмі
Бұлттардың электрленуінің басты себебі — әр өлшемдегі мұз бөлшектерінің арасындағы соқтығысулар. Ауыр қар жармасы ұсақ мұз кристалымен соқтығысқанда, олардың арасында электрон алмасу жүреді — бұл құбылысты мектеп физикасынан жақсы белгілі трибоэлектрлік эффект деп атайды.
Зарядтар бөлінуінің процесі бірнеше кезекті қадаммен өрбиді:
- Өрлемелі ауа ағыны ұсақ мұз кристалдарын ұстап алып жоғары апарады, ал ауыр бұршақ пен жарма ауырлық күшінің әсерінен төмен түседі. Түсу жылдамдығындағы осы айырмашылық әр өлшемдегі бөлшектер арасында жиі соқтығысуларға жағдай жасайды — бұл бүкіл одан кейінгі процесс үшін өте маңызды мән-жай.
- Әрбір соқтығысу сәтінде жылырақ және ірірек бөлшек электрондарды суырақ және ұсақтау кристалға береді. Ұсақ кристалдар теріс заряд алады, ал ірі жарма оң зарядталған күйінде қалады. Бұл байқауды АҚШ пен Жапония зерттеушілері 1970-жылдары эксперимент жүзінде дәлелдеді.
- Заряд алмасқаннан кейін бөлшектер алыс жаққа ұшып кетеді: жеңіл теріс зарядталған кристалдар ағынмен жоғары апарылады, ал ауыр оң зарядталған кесектер бұлттың төменгі бөлігіне шөгеді. Осылайша зарядтардың кеңістіктік бөлінуі пайда болады — бұл одан кейінгі найзағай разрядының басты шарты.
- Бұл процесс бұлттың бүкіл көлемінде секундына миллиардтаған рет қайталанады. Бірте-бірте жоғарғы аймақ оң заряд жинайды, төменгісі — теріс заряд жинайды, ал олардың арасындағы потенциалдар айырымы жүздеген миллион вольтқа дейін өседі.
Осылайша, найзағай бұлты ауа ағындарының механикалық энергиясы есебінен зарядтарды үздіксіз бөліп отыратын табиғи генератор ретінде жұмыс істейді.
Температура факторы да маңызды рөл атқарады. Зерттеулер бөлшектер арасындағы тиімді зарядтар алмасуы дәл -10°C пен -25°C арасындағы температура диапазонында жүретінін көрсетті. Одан жоғары немесе төмен мәндерде зарядтар бөлінуі айтарлықтай әлсірейді.
Сондықтан найзағай орта ендіктерде жазда ерекше қарқынды болады: жер бетіндегі жылы ылғалды ауа қуатты өрлемелі ағындар тудырады да, олар бұлт бөлшектерін электрлендіру ең белсенді болатын температуралық аймаққа апарып жеткізеді.
Бұлттың электрлік құрылымы
Бұлт найзағай үшін «пісіп-жетілген» кезде оның электрлік құрылымы айтарлықтай күрделі болып қалыптасады. Арнайы зондтар арқылы найзағай бұлттарының ішіндегі электр өрістерін өлшеген ғалымдар бірнеше тән аймақты сипаттайды.
Зарядтардың тән үлестірілуі мынадай:
- бұлттың жоғарғы облысы негізінен оң заряд алып жүреді және 10-15 км биіктікте орналасуы мүмкін;
- негізгі теріс аймақ температурасы шамамен -15°C болатын 4-6 км биіктіктегі ортаңғы бөлікте шоғырланады;
- кішігірім оң қалта кейде бұлттың ең төменінде — негізінде, жер бетіне жақын жерде пайда болады;
- бұлттың астында, жер бетінде индукция салдарынан оң зарядтар жинақталады да, олар төменгі теріс қабатымен «тартылады».
Мұндай көп деңгейлі құрылым найзағайлардың неліктен түрлі болатынын түсіндіреді: біреулері бұлттан жерге соғады, екіншілері — жерден бұлтқа соғады, ал үшіншілері тікелей бұлттың ішінде разрядталады.
Жинақталған зарядтан — найзағайға дейін
Бұлттың төменгі бөлігі мен жер бетінің арасындағы потенциалдар айырымы шекті мәнге — әдетте 100-300 миллион вольтқа — жеткенде, ауа сенімді оқшаулағыш болудан қалады. Атмосфераның лавиналық иондануы басталады.
Разряд кезең-кезеңімен дамиды:
- Бұлттың төменгі бөлігінен төмен қарай көзге көрінбейтін сатылы лидер — 50-100 метр секіртпелермен ілгерілейтін иондалған ауаның жіңішке каналы — ұмтылады. Ол ең аз кедергі жолын іздестіре отырып, бұтақталады және бағытын өзгертеді. Оның ілгерілеу жылдамдығы шамамен 200 000 м/с — жарық жылдамдығының шамамен мыңнан бірі.
- Лидерге қарсы жіңішкерген жер үсті нысандарынан — ағаштардан, мұнаралардан, биік ғимараттардан — оң зарядтың қарсы лидері көтеріледі. Екі канал жер бетінен бірнеше ондаған метр биіктікте қосылғанда, аспан мен жер арасында толыққанды өткізгіш жол пайда болады. Сондықтан найзағай жиірек биік дара нысандарға соғады.
- Қалыптасқан каналмен лезде төменнен жоғары негізгі разряд өтеді — қайтарым соққы деп аталатын құбылыс. Ток 30 000 амперге жетеді, канал ішіндегі плазманың температурасы 30 000°C-қа дейін қызады — бұл Күн бетінің температурасынан шамамен бес есе ыстық. Дәл осы разрядты біз найзағай жарқылы ретінде байқаймыз.
- Бірінші лидерден разряд аяқталғанға дейінгі бүкіл процесс шамамен 0,2 секунд алады, алайда жарқын импульстің өзі небары бірнеше микросекунд созылады. Жиі бір каналмен бірнеше кезекті разряд өтеді — сондықтан найзағай жыпылықтап тұрғандай көрінеді.
Әрбір жарқылға ілесетін күн күркіреуі астрономиялық температураға дейін қызған ауаның лезде кеңеюінен туындайды. Дыбыс жарықтан айтарлықтай баяу таралатындықтан, жарқыл мен күркіреу арасындағы аралық найзағайға дейінгі қашықтықты анықтауға мүмкіндік береді: әрбір үш секунд шамамен бір километрге сәйкес келеді.
Атмосфералық электрдің ауқымы мен маңызы
Найзағайлар — жаһандық ауқымдағы құбылыс. Жер бетінде секунд сайын шамамен 100 найзағай разряды болып тұрады, ал кез келген сәттегі планетадағы барлық найзағайлардың жиынтық қуаты шамамен 2 000 мегаватты құрайды.
Атмосфералық электр планеталық өмірде бірнеше маңызды қызмет атқарады:
- атмосфера мен жер бетінің арасындағы үздіксіз ток жүйесі болып табылатын «жаһандық электр тізбегін» ұстап тұрады;
- топыраққа тыңайтқыш қызметін атқарып, жаңбырмен бірге оның ішіне еніп кететін азот оксидтерінің түзілуіне қатысады;
- атмосфера қабаттарының араласуына және жылудың тропикалық ендіктерден қоңыржай ендіктерге тасымалдануына ықпал етеді;
- ғалымдарды шабыттандыру көзі болып табылады: найзағайды зерттеу Бенджамин Франклинге 1752 жылы найзағай өткізгішін жасауға көмектесті, ал бүгінде найзағай қорғаныс жүйелері миллиардтаған адамды қорғайды.
Қазіргі заманғы жерсерік деректері бүкіл әлем бойынша найзағай белсенділігін нақты уақыт режимінде бақылауға мүмкіндік береді, бұл метеорология мен климатология үшін жаңа горизонттар ашады.
Найзағай — бұл жай ғана керемет көрініс емес, термодинамика, аэродинамика және электростатика бірыңғай тұтастық ретінде жұмыс істейтін нәзік құрылған физикалық механизм. Атмосфералық электрдің табиғатын түсіну адамзатқа найзағайдан сенімді қорғаныс жүйелерін жасауға, найзағайды жасанды шақырту мен болдырмау әдістерін жасақтауға, сонымен қатар атмосфералық процестердің планетаның климаттық теңгерімінде атқаратын рөлін тереңірек ұғынуға мүмкіндік берді. Горизонт үстінде жарқыраған әрбір найзағай — бұл бабаларымызды шошытқан табиғи күштер бүгінгі күні білім мен технологиялық прогрестің қайнар көзіне айналғанын еске салатын жәдігер.
