Тепер ми хочемо звернутися до обговорення найважливішої для нас сторони справи — до виникнення електричних зарядів. Різного роду експерименти, включно з польотами крізь грозовий фронт (пілоти, що їх здійснюють, — справжні смільчаки!), з'ясували, що розподіл зарядів у грозовій комірці нагадує зображене на фіг. 9.11. Верхівка грози заряджена позитивно, а низ — негативно, за винятком невеликої ділянки позитивних зарядів у нижній частині хмари, яка завдала чимало клопоту дослідникам. Ніхто не знає, чому вона там з'являється і наскільки вона важлива, чи то це всього лише вторинний ефект позитивного дощу, чи то суттєва частина всього механізму. Якби цього не було, все виглядало б значно простіше. У всякому разі, переважно негативний заряд унизу і позитивний угорі — це якраз таке розташування полюсів батареї, яке може зарядити Землю негативно. Позитивні заряди перебувають на висоті 6—7 км над Землею, де температура досягає —20° С, а негативні — на висоті 3—4 км, і температура там від 0 до —10° С.Заряду нижньої частини хмари вистачає на те, щоб створити між нею і землею різницю потенціалів у 20, 30 і навіть 100 млн. в — незрівнянно більше, ніж ті 0,4 млн. в перепаду, які бувають між «небом» і Землею за ясного неба. Ці величезні напруги пробивають повітря і створюють гігантський грозовий розряд. При пробої негативний заряд із нижньої частини хмари переноситься зигзагами блискавки на Землю.
А тепер ми в кількох словах опишемо будову блискавки. Насамперед є настільки великий перепад потенціалів, що повітря пробивається. Блискавка б'є між однією частиною хмари і другою, або між однією хмарою і другою, або між хмарою і Землею. З кожним незалежним спалахом — з кожним ударом блискавки, який ви бачите, з небес низвергається 20—30 кулон електрики. Цікаво, скільки ж часу витрачає хмара на відновлення цих 20—30 кулон, що йдуть із блискавкою? Це можна з'ясувати, вимірюючи здалеку від хмари електричне поле, викликане дипольним моментом хмари. При таких вимірюваннях ви бачите раптовий спад поля при ударі блискавки, а потім експоненційне повернення до початкового його значення з характерною часовою сталою порядку 5 с, що трохи змінюється від випадку до випадку. Отже, грозі достатньо 5 с, щоб відновити весь свій заряд. Але це, звісно, не означає, що чергова блискавка вдарить точно через 5 с, тому що змінюється і геометрія хмар, й інші фактори. Спалахи йдуть один за одним нерегулярно, але суттєво те, що повернення до початкових умов завжди відбувається приблизно за 5 с. Отже, у грозовій динамомашині тече струм приблизно в 4 а. А це означає, що будь-яка модель, придумана для пояснення того, як грозовий вихор генерує електрику, повинна бути дуже потужною — це повинна бути величезна швидкодіюча машина.
Перш ніж рухатися далі, розглянемо дещо, що майже напевно не має жодного стосунку до предмета, який тут викладається, але тим не менш само по собі цікаве, оскільки це демонструє вплив електричного поля на водяні краплі. Ми кажемо, що це може й не мати стосунку, тому що пов'язано з дослідом, який можна провести в лабораторії зі струминкою води і який показує доволі сильну дію електрики на крапельки. У грозі ж немає жодних водяних струменів; там просто є хмара сконденсованого льоду і крапель води. Тож питання про механізми, що діють у грозі, з усією ймовірністю, ніяк не пов'язане з усім тим, що ви побачите в тому простому досліді, який ми хочемо описати. Насадіть на водопровідний кран шланг зі звуженим кінцем і спрямуйте струмінь води з нього під крутим кутом (фіг. 9.12). Вода вдарить тонкою струминкою і, ймовірно, почне розбризкуватися дрібними крапельками. Якщо впоперек струменя навести електричне поле (скажімо, зарядженою паличкою), то форма струменя зміниться. При слабкому електричному полі ви побачите, що струмінь розбивається на кілька великих крапель, а при сильному полі струмінь розбризкується на дуже-дуже дрібні крапельки, набагато дрібніші, ніж раніше. У слабкого електричного поля є тенденція перешкоджати дробленню струменя на краплі, а сильне, навпаки, прагне роздробити потік.Ці ефекти, вочевидь, можна пояснити так. Коли зі шланга б'є вода і ми прикладаємо впоперек невелике поле, то один бік струменя може зарядитися трошки більш позитивно, а інший — трошки більш негативно. А потім, коли струмінь дробиться, краплі з одного боку струменя можуть стати позитивно зарядженими, а з іншого — негативно зарядженими. Вони почнуть притягуватися і захочуть зливатися у більші, ніж раніше, краплі. Струмінь не буде сильно дробитися. Якщо ж поле збільшити, то заряд на кожній окремій краплі стане дуже великим, і сам заряд прагнутиме подрібнювати краплі (через їхнє відштовхування). Кожна крапелька розділиться на дрібніші (і теж заряджені), вони почнуть відштовхуватися, і посипляться бризки. Отже, при наростанні поля струминка дробиться все дрібніше. Єдине, що нам хотілося б підкреслити,— це те, що за деяких обставин електричне поле може сильно позначатися на краплях. Точний механізм того, що відбувається в грозі, невідомий, і зовсім не обов'язково пов'язувати його з щойно описаним. Ми включили цей опис лише для того, щоб ви оцінили складність явищ, які можуть відігравати роль. Насправді ні в кого з учених немає теорії, заснованої на такому уявленні.
Ми хотіли б навести дві теорії, вигадані для пояснення розділення зарядів у грозі. Обидві вони засновані на уявленні про те, що на частинці, яка падає, повинен існувати один заряд, а в повітрі — протилежний. Тоді при русі частинки, яка падає (води або льоду), крізь повітря виникає розділення електричних зарядів. Питання лише в тому, від чого починається електризація? Одна зі старіших теорій — це теорія «дроблення крапель». Хтось колись виявив, що якщо в потоці повітря краплі дробляться на частини, то самі вони заряджаються позитивно, а повітря — негативно. У цієї теорії є кілька недоліків, найсерйозніший з яких — що знак виходить не той. Крім того, у більшості гроз помірного поясу, що супроводжуються блискавками, опади на великих висотах бувають не у вигляді води, а у вигляді льоду.
З щойно сказаного випливає, що якби ми могли уявити собі спосіб зробити так, щоб верх і низ краплі були наелектризовані по-різному, і якби ми вгледіли якийсь резон для крапель розбиватися в швидкому потоці повітря на нерівні частини — більшу попереду, а меншу позаду (ну, скажімо, через рух крізь повітря або через щось подібне), то й у нас з'явилася б своя теорія (відмінна від усіх відомих!). Тоді через опір повітря великі краплі при падінні відставали б від дрібних і вийшло б розділення зарядів. Як бачите, можна вигадувати будь-які можливості.
Одна з найдотепніших теорій, багато в чому більш задовільна, ніж теорія дроблення крапель, належить Вільсону. Описуючи її, ми, як і сам Вільсон, будемо говорити про краплі, хоча все це стосується рівною мірою і льоду. Нехай у нас є водяна крапелька, що падає в електричному полі напруженістю 100 в/м до негативно зарядженої землі. У краплі з'явиться наведений дипольний момент — позитивний заряд унизу, негативний угорі (фіг. 9.13). Крім цього, в повітрі є «ядра», про які ми вже говорили,— великі неквапливо рухомі іони. (Швидкі іони не матимуть тут помітного впливу.) Припустімо, що на своєму шляху вниз крапля наблизилася до великого іона. Якщо він сам позитивний, то позитивний заряд низу краплі відштовхне його, і він відійде вбік. Так що, власне, крапля навіть не торкнеться його. Якщо ж іон наблизиться до краплі згори, він може притягнутися до неї. Але крапля падає крізь повітря, і повітря проноситься повз неї вгору, забираючи з собою іони (якщо тільки вони рухаються достатньо повільно). Так що позитивні іони не встигають торкнутися верхівки краплі. Все це стосується, як бачите, тільки великих, малорухомих іонів. Позитивні іони такого сорту не зможуть торкатися ні нижньої, ні верхньої поверхні краплі, що летить. Але коли великі, повільні, негативні іони входять у дотик із краплею, вона притягує їх до себе і захоплює. На краплі накопичується негативний заряд (знак заряду визначається вихідною різницею потенціалів усієї Землі і виходить якраз той, який нам потрібен). Негативний заряд буде перенесений краплями в нижню частину хмари, а позитивні іони, кинуті по дорозі, будуть здуті до її верхівки різними висхідними потоками. Теорія виглядає доволі мило і, у всякому разі, дає правильні знаки. До того ж вона не залежить від того, град у нас чи краплі дощу. Ми побачимо, коли будемо вивчати поляризацію діелектриків, що з крижинками повинно відбуватися те саме. У них теж в електричному полі будуть з'являтися на кінцях позитивні й негативні заряди.Однак і ця теорія залишає якісь неясності. По-перше, сумарний заряд грози дуже великий. Доволі швидко весь запас великих іонів витратиться. Вільсон та інші були змушені припустити, що існують додаткові джерела великих іонів. Щойно починається розділення зарядів, розвиваються дуже сильні електричні поля, і в цих полях можуть бути місця, де повітря іонізується. Якщо там є сильно заряджена точка або будь-який невеликий об'єкт на кшталт краплі, то вони можуть сконцентрувати навколо себе поле, достатньо велике для того, щоб виник «кистьовий розряд». Коли є достатньо сильне поле, скажімо позитивне, то електрони потраплятимуть у це поле і встигатимуть набирати між зіткненнями велику швидкість. Вона буде такою високою, що, потрапляючи в атоми, електрони зриватимуть атомні електрони з їхньої оболонки, залишаючи позаду себе позитивні іони. Ці нові електрони теж наберуть швидкості і, зіткнувшись, породять ще більше нових електронів. Відбудеться свого роду ланцюгова реакція, або лавина, що викликає швидке накопичення іонів. Позитивні заряди залишаться неподалік від своїх колишніх місць, так що чистий ефект полягає в розподілі позитивних зарядів в області навколо вихідної точки. При цьому, звісно, сильне поле зникне і процес завмре. Такий характер кистьового розряду. Не виключено, що поля в грозовій хмарі можуть досягти такої величини, що якась кількість кистьових розрядів дійсно виникне; можуть також бути й інші механізми іонізації, що вмикаються, щойно почнеться гроза. Але ніхто точно не знає, як вони діють. Так що по-справжньому до кінця походження блискавки не зрозуміле. Ми знаємо тільки, що блискавки бувають від грози (і знаємо, звісно, що грім буває від блискавки — від теплової енергії, що вивільняється при спалаху блискавки).
Але принаймні ми можемо хоч частково зрозуміти походження атмосферної електрики. Через те що під час грози існують повітряні течії, іони і краплі води на крижинках — позитивні і негативні заряди— розділяються. Позитивні заряди відносяться вгору, до хмарного купола (див. фіг. 9.11), а негативні при ударах блискавки скочуються на Землю. Позитивні так і залишаються на верхівці хмари, входять у високі шари добре провідного повітря і розходяться над усією Землею. У районах, де тримається ясна погода, позитивні заряди в цьому шарі повільно переводяться до земної поверхні іонами в повітрі — іонами, утвореними то чи космічними променями, то чи сплесками хвиль і діяльністю людини. Атмосфера — це безперервно діюча електрична машина!