ИЦТЭФ

Эта зима продолжает удивлять жителей Алтайского края: резкие перепады температур, ураганы, а теперь и грозы. Последние дни многие барнаульцы замечают вспышки молний и раскаты грома и активно делятся наблюдениями в социальных сетях. Насколько необычно такое явление с точки зрения науки? Поясняет доцент кафедры общей и экспериментальной физики, кандидат физико-математических наук АлтГУ Татьяна Витальевна Андрухова.

«В состав атмосферы, наряду с нейтральными частицами (молекулы газов, примеси), входят электрически зараженные частицы, несущие положительный или отрицательный заряд. По сравнению с массой нейтральных частиц их масса мала, однако заряженные частицы порождают в атмосфере явления, привлекающие внимание человека. Это грозовые разряды – молнии и сопровождающий их гром, полярные сияния, светящиеся разряды с острых предметов и др.», — отмечает Татьяна Витальевна.

Как правило, грозы возникают в теплое время года. Их интенсивность во многом зависит от расположения Солнца – в средних широтах явление чаще наблюдается летом после полудня. Основные предвестники грозы — кучево-дождевые облака, обычно они появляются в безветренные дни.

Но, оказывается, и зимой могут быть грозы. Снежная (снеговая) гроза — метеорологическое явление, при котором вместо ливневого дождя выпадает ливневый снег, ледяной дождь или ледяная крупа. Термин используется в основном в научно-популярной и зарубежной литературе. В профессиональной российской метеорологии такого термина нет: в таких случаях отмечается одновременно гроза и ливневый снег.

Случаи зимних гроз отмечаются в старинных русских летописях: в 1383 году был «гром страшен очень и вихрь силен вельми», в 25 декабря 1396 года в Москве «…был гром, а туча от полуденной страны», 13 ноября в 1447 года в Новгороде «…в полночь страшный гром и молния велико зело».

И сейчас грозовой снегопад на самом деле является гораздо более частым явлением, чем считалось ранее:
‒ в  Москве снежная гроза наблюдалась 17 декабря 1995 года,  18 декабря 2006  года,  30 марта и 26 декабря 2011 года, 1 февраля 2015 года и 19 января 2019 года;
‒ в Мурманске данное явление наблюдалось в 2013, 2015, 2016 годах;
‒ 9 декабря 2015 года в Новосибирске произошла первая за историю наблюдений зимняя гроза;
‒ 30 января 2017 года была зимняя гроза в Сочи. Шел снег и одновременно с этим сверкала молния и гремел гром;
‒ 27 февраля 2017 года жители Нижневартовска стали свидетелями грома и молнии, сразу после которых началась пурга;
‒ 18 февраля 2018 года в Новочеркасске Ростовской области очевидцы сняли на видео молнию и гром во время снегопада;
‒ 9 ноября 2018 года в Биробиджане прошел снег с сильным ветром, во время которого можно было слышать раскаты грома и увидеть молнию;
‒ 4 марта 2021 года в столице Чувашии – Чебоксарах шел ливневой снег с ветром, во время которого была молния и слышен гром;
‒ 21 декабря 2021 года в Севастополе во время снегопада молния ударила в многоэтажный дом;
‒ 19 января 2023 года вечером в Можайске зафиксировали грозу.

Но почему же мы не видим и не слышим грозы зимой? Все дело в снеге – он гасит звуковые волны, и слышимость становится очень плохой. А вот летом гром хорошо слышен, даже если молния возникает на большом расстоянии от нас. По мнению ученых, механизм возникновения грозового снегопада такой же, что и у летней грозы.

«Обычно подобные грозы возникают на холодных атмосферных фронтах циклонов, где наблюдаются значительные контрасты температуры воздуха в приземном слое и на высоте в несколько километров. Например, у земли слабые плюсовые температуры, а на высоте 2–5 км температура воздушной массы может быть на несколько десятков градусов ниже, чем у поверхности земли. Влажный и относительно теплый воздух у поверхности Земли начинает подниматься вверх, где сталкивается с холодным воздухом, в результате чего конденсируется влага. При этом образуя облака, наполненные переохлажденной жидкой водой (мелкие капли, которые остаются жидкими даже при очень низких температурах), крошечными кристаллами льда и мелким «мягким» градом, называемым «крупой». Эта смесь в облаке может создать электрический заряд и привести к возникновению молнии», — говорит физик.

Механизмы возникновения заряда в облаках:

Электризация капель за счет захвата ионов:

1. на поверхности капли (или кристалла) образуется двойной электрический слой молекулярных диполей, которые захватывают из воздуха отрицательные ионы;
2. крупные капли и кристаллы поляризуются — нижняя часть заряжается положительно, а верхняя – отрицательно. При падении эти заряды взаимодействуют с зарядами ионов: отрицательные ионы притягиваются к нижней части капли и захватываются ею, положительные отталкиваются. Поэтому падающая капля заражается отрицательно, а положительные ионы восходящим потоком переносятся в верхнюю часть облака.

Электризация при фазовых переходах – наиболее важный механизм образования электрических зарядов,  связанный с процессом замерзания переохлажденных капель воды. В каждой из фаз (жидкая и твердая) происходит диссоциация молекул воды на два иона — положительный и отрицательный. А так как концентрация ионов в жидкой фазе выше, чем в твердой, то возникает поток  ионов через фронт кристаллизации из жидкой фазы в твердую. Положительно зараженные ионы водорода более подвижны и быстрее проникают через этот фронт, создавая во льду избыточный положительный заряд.

«Под влиянием вертикальных движений происходит заряды в облаке разделяются – в верхней части преобладают положительные, в нижней – отрицательные. Эти заряды формируют электрическое поле. Высокие значения напряженности этого поля, необходимые для возникновения молний, создаются под влиянием турбулентных движений. Порождаемые макро турбулентностью неоднородности электрического поля повышают напряженность этого поля до критических значений — тогда начинаются разряды внутри облака, между соседними облаками и разряды на землю, т.е. процесс молнеобразования. Молния – это одно из проявлений грозы. Когда напряжение в электрическом поле грозового облака достигает критического значения, происходит процесс ударной ионизации, во время которого электрические заряды приобретают большую скорость и движутся по направлению к земле», — рассказывает специалист.