От таких объектов вверх вытягиваются каналы, образованные ионизованными атомами, — восходящие стримеры. Когда один из этих стримеров встречается со ступенчатым лидером, канал замыкается, возникает проводящий путь между тучей и землей, и электрическое поле ускоряет электроны, находящиеся у поверхности земли вдоль этого пути. Проводимость канала возрастает, и по нему протекает основной ток, причем в направлении от земли к туче. Этот ток называется возвратным ударом, вот он и есть та молния, которую мы обычно видим. Поскольку электроны ускорены полем, они по пути сталкиваются с молекулами воздуха, выбивают из них электроны и сильно поднимают температуру воздуха на своем пути. При нагревании воздух так быстро расширяется, что возникает ударная волна, которая и образует удар грома. Когда освободившиеся электроны рекомбинируют с молекулами воздуха, вспыхивает ярким светом молния. Хотя молния может быть яркой и мощной, толщина проводящего пути, в котором вся эта активность происходит, около сантиметра в диаметре.

Когда проводящий путь установился, к его верхней части начинают стекаться электроны из других частей тучи, и из нее вниз может быть послано несколько электронных импульсов. Эти множественные импульсы можно увидеть — они проявляются в виде мерцающей молнии. Если во время формирования множественных импульсов проводящий канал будет сдуваться в сторону сильным ветром, вместо единичной молнии можно увидеть несколько параллельных молний, напоминающих свисающую с облака ленту.

В большинстве молний образуется распространяющийся сверху вниз ступенчатый лидер, и электроны перемещаются от тучи к земле. Однако идущий вниз ступенчатый лидер может начаться и в более высоких, положительно заряженных слоях тучи, и тогда электроны будут двигаться от земли к туче. А еще ступенчатый лидер может начаться на земле, скорее всего, в каких-либо высоких точках типа небоскребов, и распространяться от них вверх. Такой ступенчатый лидер, направляющийся к нижней части тучи, переносит электроны на землю, а лидер, направляющийся к верхней ее части, переносит электроны на тучу. Можно определить, что эти ступенчатые лидеры идут от земли, по тому, что они ветвятся снизу вверх. В конце грозы иногда происходят разряды между облаками, и тогда на нижней части грозовых туч можно увидеть молнию-паутину — красивейшую, медленно расширяющуюся во все стороны светящуюся картину.

Почему прямое попадание молнии обычно приводит к смерти? Почему иногда при ударе молнии с человека срывает одежду и обувь? Оказавшись в грозу на улице, что должен сделать человек, чтобы свести опасность удара к минимуму? Например, должен ли он спрятаться под деревом или встать на открытом месте? Должен ли он стоять неподвижно, присесть или убежать? Могут ли у человека волосы встать дыбом и является ли это сигналом опасности?

Почему во время грозы могут пострадать целые группы людей, например бейсболисты во время матча, ведь молния может попасть только в одного игрока? Тем не менее при ударе молнии иногда падают все игроки.

Почему во время грозы коровы, овцы и лошади обычно находятся в большей опасности, чем люди?

Есть много рассказов о том, как Бенджамин Франклин — известный американский ученый и государственный деятель — при приближении грозы запускал воздушного змея, чтобы продемонстрировать электрические свойства молний. Почему его не убило молнией?

ОТВЕТ • Человека может ранить или убить молнией пятью различными способами.

• 1. Наиболее очевидный способ: при прямом попадании молнии большой ток (движущиеся электроны) может пройти через грудь, остановить сердце, парализовать мышцы, с помощью которых человек дышит, и вызвать внутренние ожоги. Впрочем, если одежда человека сильно промокла, то есть стала проводящей, ток может не попасть внутрь тела, и тогда человек может остаться жив.

• 2. Можно получить повреждения, если прикоснуться к предмету, например автомобилю, в момент, когда в него попадает молния. Часть тока при этом пройдет через человека.

• 3. Можно получить повреждения, если стоять рядом с предметом, например с деревом, в который попала молния. Часть тока может пробить воздушный зазор и пройти через человека. Этот разряд называется боковым разрядом. Если повезет, ток в этом случае может оказаться не настолько большим, чтобы убить жертву.

• 4. Менее очевидный способ получить повреждение или погибнуть от удара молнии, связан с током молнии, проходящим по поверхности земли (земным током). Если человек одной ногой стоит ближе к месту попадания молнии в землю, а другой дальше, ток может пройти от ближней ноги через тело, а затем вниз по второй ноге (рис. 5.2а). Если этот ток достаточно велик, он может временно парализовать жертву. Ток через землю может сбить с ног целую группу людей, например игроков бейсбольной команды.

• 5. Пятый способ еще более изощренный. Как уже объяснялось выше, обычно при грозе ступенчатый лидер, совершающий свой извилистый путь от тучи вниз, встречается на этом пути с коротким восходящим стримером, в котором молекулы воздуха ионизованы. В момент встречи происходит полноценный разряд с огромным током. Другие восходящие стримеры обычно тоже образуются, но они не входят в контакт со ступенчатым лидером. Хотя ток в этих «тупиковых» стримерах не достигает значения полноценного тока молнии, однако если такой стример пройдет через тело человека, это может привести к летальному исходу.

Рис. 5.2 / Задача 5.2. а) Земной ток может пройти через тело человека, если он расставит ноги. б) Овца, спасающаяся от удара земным током.

Появившиеся на коже человека ожоги могут иметь вид дендритного узора в виде разветвленной папоротникообразной структуры, известной под названием фигур Лихтенберга, поскольку ток расходится из начальной точки по коже в разных направлениях. Некоторые люди, обладающие живым воображением, могут решить, что это фотография цветка, изображение ландшафта или образ их духовного гуру, но молния не фотографирует, не рисует и не пишет иконы. Если на человеке надето что-то металлическое, от удара молнии металл может разогреться до высоких температур и вызвать ожог. Если одежда и обувь человека сильно промокли, при ударе молнии их может сорвать, поскольку ток нагревает воду, она мгновенно превращается в пар и увеличивается в объеме.

Лучший совет человеку, оказавшемуся в грозу на открытом воздухе, — отойти от высоких деревьев и вообще от всяких высоких проводящих конструкций, в которые может ударить молния, найти какое-нибудь углубление или овраг, спрятать голову, чтобы в нее не попала молния, и свести ноги вместе, чтобы уменьшить риск поражения тела током, текущим через землю. Неплохой выход — бежать, поскольку при беге только одна нога в каждый момент времени касается земли. Впрочем, голова при этом поднята, и это нехорошо. Коровы, лошади и овцы скорее рискуют пострадать от земных токов, чем человек, поскольку их передние и задние ноги находятся на большем расстоянии, и, следовательно, через их туловище может протечь больший ток. Люди могут соединить ноги вместе, а овцы — нет (рис. 5.2б).