Двойное везение Бенджамина Франклина
Идея доказательства пришла в голову Франклину в 1752 году. Нужно соединить облака с землей и посмотреть, возникнет ли электрический разряд. Исследователь соорудил воздушный змей — не бумажный, а шелковый, потому что во время грозы бумага бы сразу промокла.
На одном конце змея он закрепил железный гвоздь, к другому концу привязал пеньковую веревку. И вот однажды в июле наступила подходящая погода. Когда собралась гроза, Франклин выбежал на улицу вместе с маленьким сыном и запустил змея. К концу веревки он привязал металлический ключ, чтобы увидеть, проходит ли по веревке электричество.
В этот день ему повезло вдвойне. Во-первых, очень скоро волоски пеньковой веревки встали дыбом, а вокруг ключа заискрило. Значит, по веревке проходил ток, то есть доказательство было получено. А во-вторых, в змей не ударила молния. А это вполне могло произойти и означало бы верную смерть Франклина. Он и не догадывался, как велико напряжение между облаками и землей и какой опасный эксперимент он проводит. Но риск Франклина был вознагражден: его опыт доказал, что молния возникает благодаря электрическому заряду облаков.
Но как заряжаются облака? Можно подумать, летом к ним то и дело поднимается великан Голиаф, чтобы потереть их тканью? Или где-нибудь есть гигантская розетка для облаков? Как это происходит в действительности, Франклин не знал, и, как ни странно, ученые до сих пор не до конца понимают этот процесс. Но большинство из них считает, что электрический заряд связан в первую очередь с движением внутри облаков. Более холодные и более теплые капли воды трутся друг о друга и создают таким образом заряд в разных частях облаков. При этом электроны собираются на нижнем крае облака, образуя отрицательный заряд, а положительный находится в верхней части.
С помощью теории дождевых капель можно объяснить, почему грозы чаще всего бывают летом, даже в безветренную погоду. Влажный воздух сильно нагревается у земли и быстро поднимается в верхние слои атмосферы, где температура ледяная, и вызывает там завихрения. Внутри облачного тумана словно постоянно движется лифт. Мельчайшие частицы льда и воды летают вверх и вниз и трутся друг о друга. От этого — как в случае с янтарем — и возникают электрические заряды и поля. Конечно, гроза бывает не только летом. Электрическое напряжение возникает также, когда ветром приносит воздух низкой температуры, и он сталкивается с областью высокой температуры. В этом случае частицы тоже интенсивно трутся друг о друга.
Мы уже знаем, что нижняя сторона облаков заряжена отрицательно. Теперь нужно представить себе, что этот заряд и его поле действуют на землю как гигантский магнит, заполняющий все пространство между небом и землей. Магнит может притягивать и отталкивать. В нашем случае отрицательный заряд нижней стороны облаков строго отталкивает отрицательно заряженные электроны на земле. В результате на земле увеличивается положительный заряд, то есть напряжение между небом и землей растет.
Со временем напряжение увеличивается до такой степени, что даже воздух, который обычно не проводит электрический ток, уже не препятствие для противоположных зарядов. Предполагают, что напряжение между облаками и землей может достигать ста миллионов вольт. Сравните: в обычной розетке напряжение 220 вольт, но и этот ток может убить человека. Правда, 220 вольт — недостаточное напряжение, чтобы преодолеть сопротивление воздуха, поэтому между дырочками розетки и не сверкает молния. Но в грозу все иначе.
СМЕРТЬ РИХМАНА
Всего через год после эксперимента Франклина исследованием молнии занялся немецкий физик Георг Вильгельм Рихман. Он установил недалеко от своего дома металлический шест и экспериментировал, проводя молнии в землю. На свою беду он подошел слишком близко к шесту в тот момент, когда ударила молния. Она отклонилась и прошла через все тело Рихмана. На лбу у него осталось красное пятно, а внизу, на левом башмаке — большая обугленная дыра. Ученый погиб.
Когда напряжение между облаками и землей вырастает достаточно сильно, происходит внезапный выброс тока, мощный обмен энергией, похожий на взрыв, — это и есть молния. Взрыв при таком коротком замыкании нагревает воздух вокруг до тридцати тысяч градусов.
Это в пять раз больше, чем температура поверхности Солнца, и поэтому газы в воздухе загораются, как на пожаре, и мгновенно расширяются. Результат этого расширения вам хорошо известен — гремит гром. А так как звук распространяется гораздо медленнее света, гром слышно всегда на несколько секунд позже, чем видна молния.
Кстати, может показаться неожиданным, но молнии бьют не только сверху вниз, но и снизу вверх. Дело в том, что молнию обычно запускает «лидер молнии» — первопроходец, прокладывающий путь от тучи к земле. Как электрик, прокладывающий кабель, маленький «лидер молнии» создает в воздухе канал, связывающий отрицательный заряд в тучах с положительным на земле. Когда связь налажена, по каналу проскакивает главный разряд — собственно молния. Положительный заряд на земле притягивает электроны по каналу молнии, и таким образом канал разогревается снизу вверх.
