Молния — это природный разряд больших скоплений электрического заряда в нижних слоях атмосферы, и одним из первых это установил знаменитый американский государственный деятель и ученый Бенджамен Франклин. В 1752 году он провел опыт с бумажным змеем, к шнуру которого был прикреплен металлический ключ, и получил от ключа искры во время грозы. С тех пор молния интенсивно изучалась как интересное явление природы, а также из-за серьезных повреждений линий электропередачи, домов и других строений, вызываемых прямым ударом молнии или наведенным ею напряжением.
При создании своих «атмосферных электроразрядных установок» в Колорадо-Спрингс и Варденклифе Тесла детально исследовал разделение зарядов в облаке при их переносе восходящими и нисходящими потоками. Изобретатель выяснил, что грозовые облака состоят из множества электрических ячеек. Каждая такая ячейка проходит стадию зарождения, зрелости и затухания. В стадии зарождения в электроячейках преобладают восходящие течения, а зрелая ячейка характеризуется развитием восходящих и нисходящих потоков, электрической активностью, выраженной в разрядах молний, и выпадением осадков. Размер электрических ячеек, по мнению Теслы, мог достигать в диаметре нескольких километров.
Грозовой фронт
Мы проходим с непостижимой скоростью через бесконечное пространство; все, окружающее нас, находится в движении, и энергия есть повсюду. Должен найтись более прямой способ утилизировать эту энергию, чем известные в настоящее время. И когда свет получится из окружающей нас среды и когда таким же образом без усилий будут получаться все формы энергии из своего неисчерпаемого источника, человечество пойдет вперед гигантскими шагами.
Одно созерцание этой великолепной перспективы подымает наш дух, укрепляет нашу надежду и наполняет наши сердца величайшей радостью.
Никола Тесла
Вот эта модель «ячеистых грозовых процессов» и была положена изобретателем в основу создания установок, управляющих погодными явлениями. Тесла считал, что переменное электрическое поле высокой интенсивности способно перемешивать грозовые электроячейки и путем «молниеносных» разрядов гасить разгул стихии.
Эксперименты в Колорадо-Спрингс не дали однозначного ответа о правильности «модели гроз по Тесле», но все наблюдатели сходились во мнении, что на близком расстоянии атмосферный разрядник лаборатории явно оказывал какое-то влияние на частоту и силу молний.
Опыты Теслы с «Глобальным электрическим резонатором» не намного прояснили ситуацию. Ученый считал, что недостаточная эффективность его установки связана с тем, что, кроме большинства молний отрицательного заряда, встречаются атмосферные разряды и противоположной полярности. В первом случае грозы значительно богаче молниями, чем во втором, и именно на них должен сильно влиять гигантский электроразрядник башни «Варденклиф». Между тем, по подсчетам изобретателя, каждая третья-четвертая гроза несла молнии положительной полярности, для управления которыми требовалось принципиально иное оборудование. Надо сказать, что Тесла одним из первых обратил внимание на то, что отношение отрицательных разрядов к положительным для молний, поражающих высокие здания, больше, чем для разрядов на равнинной местности.
Другой причиной странного воздействия «глобального электроразрядника» «Варденклифа» на грозовые фронты Тесла считал необычное строение электрического поля атмосферы во время осенне-зимних гроз. Для того чтобы объяснить странные клиновидные полосы разрядов, разделяющих грозовые облака, изобретатель предложил новую модель атмосферного электричества. В ней подавляющее большинство молний, возникающих на «переднем крае» бури, обладало положительным зарядом, и условное направление тока было от облаков к поверхности земли. Однако по мере продвижения к сердцевине урагана количество «электрических стрел», бьющих сверху и снизу, выравнивается, и в «тылу» грозы большинство молний уже несет к земле отрицательный заряд.
Такое биполярное строение грозы, в общем-то, позволяло не только объяснить действие разрядов с башни «Варденклиф», но и проектировать новую систему управления атмосферным электричеством. В своей модели Тесла предположил, что причиной биполярности гроз являются горизонтальные ветры. В частности, он считал, что поскольку обычно грозовое облако имеет вертикальное строение и его верхняя часть несет положительный заряд, а нижняя — отрицательный, то при горизонтальном ветре на уровне верхней части облака оно начинает клониться к земле, и положительный заряд смещается в направлении ветра. Со временем такое смещение приводит к появлению в «передней» части грозы центра с положительным зарядом.
Многократные молнии
В своей колорадской «грозовой лаборатории» Тесла выяснил, что чаще всего молния представляет собой многократный разряд. Изобретатель считал, что многократные молнии — обычное явление, они могут насчитывать до нескольких десятков. Измерения Теслы показали, что паузы между отдельными разрядами составляют несколько секунд, а средняя длительность полного разряда молнии измеряется десятыми долями секунды, при этом отклонения от среднего значения в обе стороны возможны на порядок величины.
В «электрическом макете атмосферного электричества», представляющем собой ящик с электродами и конденсаторами, куда впрыскивалась водяная пыль, Тесла показал, что обычно разряд развивается лавинообразно, сначала в виде отдельного канала, получившего название лидера молнии, который ступенчато продвигается от облака к земле. Очень долго изобретателю не удавалось измерить скорость ступенчатого движения лидера к земле, и лишь после множества попыток он остановился на цифре в десятки тысяч километров за секунду, что всего лишь в несколько раз меньше современных оценок. Довольно точно удалось Тесле определить и пятидесятиметровую длину каждой ступени лидера, так что полное время его движения до земли составило сотые доли секунды. Изобретатель считал, что после возникновения канала разряда от земли к облаку по нему перекачивается основная масса электричества, но с гораздо меньшей скоростью. При этом «молниевый столб» обычно глубоко проникает внутрь облака, образуя множество разветвленных каналов, светящихся более секунды.
Конечно, у теории Теслы нашлось достаточно противников, которые справедливо отмечали, что горизонтальные ветры обычно слишком слабы, чтобы перенести значительный заряд в район грозового фронта. Удивительно, но за прошедшее столетие метеорологи и геофизики существенно не продвинулись в данном вопросе!
Модель Теслы объясняла и электризацию грозовых облаков при дроблении дождевых капель потоками воздуха. В результате такого дробления падающие более крупные капли заряжались положительно, а остающиеся в верхней части облака более мелкие — отрицательно.
Впоследствии, уже отойдя от активного экспериментирования с атмосферным электричеством, Тесла построил в высшей степени оригинальную «индукционную теорию глобального отрицательного электричества». Согласно ей, электрические заряды разделяются электрическим полем Земли, имеющим отрицательный знак. Тесла полагал, что в основе данного механизма лежит явление электростатической индукции, заключающееся в появлении противоположного заряда вблизи заряженной поверхности. Тогда если принять, что воздушные массы, насыщенные атмосферным электричеством, в целом электронейтральны, то нижняя кромка туч должна получать положительный заряд, а верхняя — отрицательный. Это отчасти подтверждает и часто наблюдаемая картина грозы, когда горизонтальные молнии происходят между противоположными зарядами самого облака, а вертикальные — между его нижней частью и земной поверхностью.
