Трудно сразу понять и объяснить драматическое отставание научных "фундаментальных исследований" грозового процесса. И все же нельзя не усмотреть поверх всего лежащего факта целенаправленной специфики познавательной инициативы фундаментальной физики. Выстроившиеся в затылок техническому прогрессу теоретики и экспериментаторы фундаментальной физики - действительно с триумфом погрузились в экспериментальные возможности и перспективы "лабораторной физики". При этом, совершенно естественно, они упустили из вида многие природные энергоемкие явления и события, в том числе, и грозовые процессы. Но как оказалось, многочисленные уравнения по электроразрядным процессам в лабораторных и производственных условиях совершенно не пригодны для физического описания реальных грозовых процессов. Тревожащий общественность максимум "драмы гроз" достиг, когда даже в урбанических регионах (например, Австрия, 2003 год) в "грозовых реакторах" число разрядов в одну минуту ушло за 300 разрядов. Эта сверхскоростная регенерация электрических зарядов в облаках окончательно похоронила версию о том, что "физики все знают о грозах". Но по мере того, как Земля движется к новому климату и биосферному равновесию, общепланетная грозовая активность набирает все больший объем своего "правового пространства"... и этот факт не является новым для грозовой активности Горного Алтая. Так Бутвиловский (1993) отмечает, что во время ледовой разгрузки в период Сартанского оледенения грозовые разряды плавили некоторые вершины гор.
Гроза привлекала исследовательское внимание людей с глубокой древности. Предполагается, что до XVIII века люди, с целью своей безопасности, наблюдали за грозовыми явлениями, не имея строгого научного метода в изучении этих событий (Чеканал, 1965).
Одним из первых высказал суждение о природе грозы еще Анаксимен, который рассматривал грозу как результат сгущения воздуха в облаках. Анаксагор, основываясь на взглядах Анаксимена, даже пытался предсказывать появление и развитие гроз. Сократ и Демокрит говорили о столкновении и соединении облаков как о причине возникновения гроз. Аристотель обобщил и развил представление предшественников. Лукреций видел причину генерации гроз в возникновении ветра, который выдавливает из "облаков огненные тельца в виде молнии" (Арабаджи, 1960).
В 1746 году начался очередной этап в изучении грозовых разрядов - молний. До XVIII века для мировой физики был характерен описательный характер изучения атмосферных электрических явлений. Первый в мире электроизмерительный прибор был изобретен в 1745 году Санкт-Петербургским ученым Г.В. Рихманом (Чеканал, 1965). В Филадельфии Б.Франклин пришел к заключению о том, что гром и молния - это проявление электрических процессов в атмосфере. Этот подход в изучении грозовых разрядов нашел практическое применение, и в 1749 году он запатентовал изобретение громоотвода. Почти одновременно с Б. Франклином, другие исследователи: Де Ром, Г. Делибар, Г.В. Рихман и М.В. Ломоносов экспериментально доказали наличие электрической составляющей в природе молнии. Ломоносов в "Слове о воздушных явлениях, от электрической силы происходящих", опубликованном в 1753, выдвигает теорию образования электрических разрядов при восходящих и нисходящих течениях воздуха (в кн. Избранные философские произведения, 1950). Ломоносов особо подчеркивал, что разделение электрических зарядов и образование сильного электрического поля происходит только при интенсивных вертикальных восходящих и нисходящих воздушных течениях. Это положение во многом согласуется с современными представлениями о возникновении гроз (Хромов, 1983).
В XVIII веке причину грозового электричества усматривали в электризации воды при испарении. А. Вольт считал, что электричество входит в состав паров, испаряющихся с поверхности рек, морей и озер. Эти взгляды разделяли П. Лаплас, А. Лавуазье, О. Соссюр и Б. Пальмиери. В последующем, идея А. Вольта не выдержала детальную проверку опытом. Многочисленные опыты М. Фарадея, А. Пальтье, Р. Калишера, У. Блейка и других показали, что при испарении не происходит электризации водяного пара (Арабаджи, 1960).
На связь распределения электричества в облаках с индукционным действием Земли указывал в 1840 году А. Пальтье (Kahler, 1924). "В 1883 году Сименс высказал предположение, что электризация Земли должна возникать благодаря индукционному действию положительно заряженной поверхности Солнца. Согласно этой гипотезе, возникновение гроз объясняется вторичным индукционным действием со стороны, заряженной земной поверхности на облака" (Арабаджи, 1960, с.27).
Но, как оказалось, гипотеза Э. Сименса, не исчерпывающа и во многом, противоречит действительности. В XIX веке были выдвинуты и другие попытки физического объяснения грозовых явлений с Солнечно-земными связями. Эти предположения получили серьезное обоснование, лишь, в последние 50 лет (Павлова, 1969; Дружинин, 1970; Дьяков, 1974; Заводченков, Переведенцев, 1989).
В 1884 году В. Лувини и К. Зоннке независимо друг от друга сформулировали теорию электризации облаков за счет трения льда о воду. К. Зоннке исходил из результатов опытов М. Фарадея. Впоследствии многочисленные опыты К. Эльстера и Г. Хомма подтвердили опыты М. Фарадея и К. Зоннке. В. Лувини и К. Зоннке рассматривали грозовой процесс аналогично объяснительной модели М.В. Ломоносова. В 1890 году Г. Гейтель и К. Эльстер высказывали мысль о сложном процессе перераспределения атмосферных зарядов - большие капли заряжаются отрицательно, а маленькие положительно (Kahler, 1924). Эти предположения поддерживал и развивал Ф. Шуман. Но во взглядах К. Эльстера и Г. Гейтеля остаются неподтвержденными ни существенное индукционное влияние на электризацию капель электрического поля земной поверхности, ни механизм скольжения малых капель по поверхности больших (Арабаджи, 1960).
Исследования русского физика Гезехуса открыли новый этап в изучении грозовых процессов. В работе "Атмосферное электричество" (Чеканал, 1965) Гезехус рассматривает электрические явления в атмосфере в связи с ветром и метелями. Самым замечательным открытием Гезехуса следует считать его исследования электризации водных брызг, которые и обосновали начало современному представлению об электризации облаков и осадков. Он обнаружил, что вблизи водопадов в воздухе имеется свободное отрицательное электричество, появляющееся в результате того, что отрывающиеся от массы воды брызги заряжаются отрицательно. Такой же эффект наблюдается и при разбрызгивании капель воды от какой-либо струи или капель дождя. Отметим, что многие зарубежные исследователи, наблюдавшие эти явления раньше (например, Ф. Ленард в 1892 г.) не смогли объяснить данный механизм электризации. И только профессор Томского университета Гезехус со своими учениками обстоятельно изучили это явление и дали ему исчерпывающее объяснение (Чеканал, 1965). В ряде учебников по метеорологии появляются уже целые главы, посвященные вопросам атмосферного электричества, например, в книге русского ученого А.И. Воейкова "Климаты земного шара" (Войейков, 1884).
Длительное накопление наблюдательного и экспериментального материала по регистрации электрических полей атмосферы и значительные теоретические работы, выполненные русскими и зарубежными учеными, позволили лишь к началу XX века нарисовать общую картину распределения электрических зарядов в атмосфере и тех возмущений электрического поля, которые приводят к образованию электрических разрядов (молний).
С 1909 года проблемой электризации облаков занимался Д. Симпсон (Simpson, 1928). Но согласно наблюдательным данным, оказалось, что предложенный им сценарий не соответствует действительной (природной) электрической структуре облаков. Кроме того, теория Д. Симпсона относится только к капельному облаку, к кристаллам же она вообще не применима (Арабаджи, 1960). В 1920 году разрабатываемая теория Д.Симпсона нашла своего последователя в лице Ч. Вильсона (Wilson, 1920), который считал, что падающая электрически поляризованная капля заряжается отрицательно, а поднимающаяся - положительно. Кроме того, Ч. Вильсон полагал, что положительный заряд верхней части облака притягивает отрицательные ионы из ионосферного слоя О. Хевисайда, а отрицательный заряд нижней части облака притягивает положительный заряд с земной поверхности, оставляя ее заряженной отрицательно. Легко усмотреть, что теория Ч. Вильсона имеет ряд недостатков. Например, для высокочастотных разрядов образования молнии (более 300 в минуту), в естественной среде необходимо наличие механизма регенерации зарядов, на порядки превышающие скорости регенерации зарядов в облаке, чем по теории Ч. Вильсона. В последующем, Э. Чалмерс установил, что механизм заряжения облачных частиц, разработанный Ч. Вильсоном, пригоден для частиц любого агрегатного состояния (Chalmers, 1949), что повышает ценность результатов работ автора зарядного механизма, но вопрос скоростной регенерации зарядов, после разрядной деполяризации, остался открытым.
В 1935 году Ю. Ганн высказал мысль о связи грозы с сублимацией и выпадением ледяных частиц. В 1938 году Н.Ф. Финдейзен высказал предположение, что в частях облака, где преобладает сублимация, кристаллы льда будут приобретать положительный заряд (Mason, 1957). В 1940 году Н.Б. Баракан провел опыты, которые опровергли мысль об электризации водных капель за счет их испарения и конденсации (Mason, 1957). В последовательности исследователей гроз сороковых годов ХХ века значительную роль играют работы И.С. Стекольникова (1943). Именно Стекольников обратил серьезное внимание на участие геолого-геофизических обстановок в специфике гроз и локализации грозопоражаемости отдельных участков земной поверхности.
В частности, он отметил, что грозопоражаемость (облако - земля) участков зависит от электропроводности подстилающих пород. Поэтому в случае перемежаемости песчаных и глинистых грунтов молнии "изберут" высокопроводящие глинистые участки. Так же выделяются в качестве грозопоражаемых участков трещиноватые гранитные массивы, трещины которых заполнены водой. В действительности, резкая контрастность электропроводности этих пород "притянет" грозовые электрические разряды. В отношении избирательности грозопоражаемости Стекольников выразился следующим образом (1943, стр.161):
"Различные гипотезы, выдвинутые для объяснения избирательной поражаемости, можно разделить на две группы. К первой относятся теории и гипотезы, в составе которых лежит предположение, что путь молнии определяется проводимостью воздуха; по второй - теории и гипотезы, объединяемые идеей о том, что путь молнии предопределяется свойствами почвы".
Это весьма справедливое расширение информационного пространства для изучения природы и физики гроз в свое время не было поддержано приверженцами метеорологических моделей. Но как показывают и наши исследования, в ряде случаев (особенно в горных условиях) грозопоражаемость участков и образование сильно связано с интенсивностью и пространственной неоднородностью электропроводимости грунтов.
В 1946 году Ю. Ганн наблюдал, как при плавлении льда на поверхность жидкости поднимались пузырьки воздуха и лопались, сообщая отрицательный заряд воде и положительный окружающему воздуху. Но это наблюдение не может быть использовано для непосредственного объяснения полярности облаков. Обнаруженный эффект может быть использован лишь для объяснения причин возникновения локального положительного заряда, появляющегося на определенной стадии развития грозового облака, особенно в его нижней части, т.е. в области положительных температур (Арабаджи, 1960).
В 1948 году Д. Валь разработал и дополнил вильсоновскую теорию обоснованием разделения зарядов противоположных знаков в облаке при температуре ниже 0 градусов (Mason, 1957) с учетом пьезо- и пироэлектрических свойств льда. Недостатком модели Валя является ее неспособность объяснить электризацию облачных частиц без воздействия внешнего электрического поля (Арабаджи, 1960). В противоположность ему Р. Мейсон в 1953 году пришел к выводу, что, лед, образующийся путем сублимации из атмосферной влаги, заряжается отрицательно, а окружающий воздух остается заряженным положительно (Mason, 1957). Процесс роста и падения ледяных ядер Мейсон считает причиной образования грозы (Арабаджи, 1960).
В 1955 году В.И. Мучник предположил, что грозовой процесс развивается при разрушении капель в электрическом поле за счет их электризации. Но В.И. Арабаджи, ссылаясь на К. Мекки, критикует теорию В.И. Мучника. Он утверждает, что электрическое поле будет уменьшаться, если следовать теории В.И. Мучника, а не возрастать как предполагает последний (Арабаджи, 1960).
В 1960 году вышла монография В.И. Арабаджи "Грозы и грозовые процессы", в которой он рассмотрел достаточно широкий спектр вопросов, связанных с грозовыми процессами. Наряду с чисто физическими вопросами грозовой активности он рассмотрел и географические аспекты проявления гроз. В своей работе Арабаджи развивает идеи, заложенные Ломоносовым, ссылается на опыты Д. Симпсона и других. В работе изложена новая теория электризации облаков. Разная плотность зарядов в поверхностном слое капель происходит за счет капиллярных давлений над каплями разной дисперсности. Поэтому при контакте капель разной дисперсности между ними будет происходить обмен зарядами. Таким образом, причиной электризации чисто водяных облаков может быть обмен зарядами при столкновении капель разной дисперсности (Арабаджи, 1960). От слияния при столкновении капли будет предохранять значительное капиллярное давление над малыми каплями. Оно препятствует деформации и, следовательно и, слиянию. Кроме того, он указывает на большое значение при образовании гроз развитие конвекции в облаках (Арабаджи, 1960).
В 70-е годы вышла в свет большая книга Э. Чалмерса (Чалмерс, 1974) и монография В.И. Мучника, посвященные общим проблемам атмосферного электричества: ионам, зарядам, проводимости, градиенту потенциала, токам проводимости и осадкам, точечному заряду, разделению положительных и отрицательных зарядов в грозовых облаках (молнии). Э. Чалмерс, на наш взгляд преждевременно, подчеркивает, что физическая теория всех этих явлений проста, кроме вопроса о происхождении заряда (Витинский, 1963).
Видную роль в изучении грозового процесса играют ученые Томского политехнического университета. Под руководством А.А. Воробьева изучалось электричество в горных породах, что фактически легло в основу современных представлений о различии электромагнитных полей над массивами разного вещественного состава. Институт высоких напряжений при ТПУ на протяжении многих лет изучал различные аспекты гроз. Воздействием гроз на технические сооружения занимался А.А. Дульзон. Им, в частности, разработаны методики защиты ЛЭП и подстанций от попадания молний. По мере более глубокого проникновения в природу грозовых процессов оформлялись научные определения. Гроза - это атмосферное явление, при котором в мощных кучево-дождевых облаках и между облаками и землей возникают сильные электрические разряды молнии, сопровождающиеся громом (Неклюкова, 1977).
Грозовой процесс не оставили без внимания и философы. О грозе писал В. Гете. Г. Гегель в "Философии природы" (1975) рассматривал грозу как второй момент диалектики метеорологического процесса.