Молния и молниезащита - Главная стадия разряда молнии

Потенциал канала лидера в процессе его развития определяется накапливаемым вокруг него объемным зарядом, поскольку в самом канале может разместиться только очень небольшая часть заряда лидера, при которой на поверхности плазменного канала напряженность электрического поля достигает начальной напряженности коронного разряда Ек:
(1.22)
При радиусе канала лидера rк = 2 см и начальной напряженности коронного разряда Ек=20 кВ/см (с учетом реальной плотности воздуха на высоте 2...3 км) максимальный положительный заряд в канале лидера

Дальнейшее увеличение заряда в канале лидера невозможно, поскольку стримерный коронный разряд выносит в окружающее лидер пространство избыточный заряд в пределах длины развивающихся стримеров. Следовательно, для того чтобы снизить потенциал канала лидера до потенциала пораженного молнией заземленного предмета, необходимо нейтрализовать не только небольшую часть заряда лидера в его канале, но и весь объемный заряд, расположенный вокруг канала лидера. Чрезвычайно большая разность потенциалов между каналом лидера и его объемным зарядом определяет повышенную скорость развития стримеров вблизи канала лидера, постепенно уменьшающуюся по мере их распространения в область объемного заряда, так что средняя скорость развития стримеров.

Электромагнитная волна нейтрализации заряда лидера распространяется вдоль плазменного канала лидера, как по проводнику, со скоростью света, достигая ЗЦО за время
(1.23)
При минимальной высоте ЗЦО над землей Н = 600 м время Тэм = 2 мкс. При наиболее вероятной высоте ЗЦО
Η=2...3 км Тм=6,7...10 мкс.
При наибольшей высоте отрицательно ЗЦО Η= 6 км, Тэм = 20 мкс. С учетом извилистости канала лидера максимальное время пробега электромагнитной волны от заземленного объекта до отрицательно ЗЦО оказывается несколько больше (до 30 мкс).
Распространяющаяся вдоль канала лидера электромагнитная волна могла бы нейтрализовать весь заряд лидера (содержащийся в его канале и в окружающем канал пространстве, если бы весь необходимый для нейтрализации заряд мог разместиться в плазменном канале. Однако по достижении на поверхности канала лидера напряженности электрического поля, достаточной для возникновения самостоятельного разряда, возникает коронный разряд в стримерной форме, полярность которого противоположна полярности лидера молнии. При отрицательной полярности разряда молнии волна нейтрализации вызывает положительный стримерный разряд с канала лидера. Развитие стримеров возможно при средней напряженности электрического поля не ниже 500 кВ/м, а в объеме вокруг канала лидера расположен объемный заряд, создающий напряженность электрического поля отрицательного знака 800 кВ/м. Для изменения знака напряженности поля и увеличения ее до 500 кВ/м положительного значения плотность положительного объемного заряда должна быть больше плотности отрицательного объемного заряда в отношенииЭто означает, что длина положительных стримеров, развивающихся с проводящего канала лидера в стадии нейтрализации его объемного заряда, и соответственно размер области положительного объемного заряда меньше, чем длина отрицательных стримеров, образованных в лидерной стадии разряда молнии, и, соответственно, размер области отрицательного объемного заряда в обратном отношении

При длине лидерного канала 3 км среднее время развития стримеров с проводящего канала, согласно соотношению 17,2 мкс, тогда как электромагнитная волна нейтрализации достигает ЗЦО за 10 мкс. Развитие стримеров сопровождается ярким свечением, обусловленным ионизационными процессами на их кончиках. Следовательно, свечение вокруг нижней части канала прекращается через 7,2 мкс после достижения электромагнитной волной ЗЦО. Из-за значительно меньшей длины стримеров в верхней части канала молнии (см. п. 1.2) свечение вокруг верхней части канала, согласно соотношению (1.25), при Нл = 0 прекращается через 3,1 мкс после достижения электромагнитной волной нейтрализации ЗЦО. Такое соотношение времен распространения волны нейтрализации и времени затухания свечения вокруг канала лидера истолковывается обычно как запаздывание процессов нейтрализации по отношению к распространению электромагнитной волны вдоль канала лидера. В действительности прекращение развития стримеров и, соответственно, свечения в занимаемой ими области не означает прекращение протекания тока по стримерам. Дело в том, что стример в целом является нейтральным образованием; избыточный заряд сосредоточен только на его кончике, где создается область чрезвычайно высокой напряженности электрического поля. После прекращения развития стримера электроны продолжают движение вдоль его канала относительно длительное время (аналогично паузе в продвижении отрицательного лидера после завершения развития очередного стримера).

По мере продвижения электромагнитной волны нейтрализации вдоль канала лидера длина зоны развития стримеров увеличивается, достигая максимума при достижении начальной частью волны нейтрализации ЗЦО (рис. 1.11) и, согласно соотношению (1.23), равна Н.
По мере удаления электронов из стримеров длина зоны нейтрализации объемного заряда сокращается, что приводит к уменьшению тока молнии, поскольку в канал лидера вливается все меньшее количество электронов из развивающихся с поверхности проводящего канала лидера положительных стримеров (в лидерной стадии разряда заряд из ЗЦО переносится в цилиндрическую область вокруг проводящего канала лидера). В соответствии с вышеизложенным в начальной (верхней) части лидера длина стримеров (как в лидерной стадии, так и в стадии главного разряда) наименьшая; поэтому ток в искровом канале, поступающий из стримеров, прекращается прежде всего в верхней его части, а в нижней части искрового канала ток из стримеров поддерживается до окончания стадии главного разряда. Поэтому после достижения максимума ток молнии плавно уменьшается до нуля, причем время начала уменьшения тока молнии Тну определяется временем устранения электронов из стримеров в верхней части разряда. При отрицательном разряде молнии с учетом соотношений  (1.23) и (1.26)

Следовательно, ток молнии начинает уменьшаться примерно через 31,2 мкс после достижения максимума. В течение 31,2 мкс ток молнии сохраняется практически неизменным.
При положительном разряде молнии минимальное время перемещения электронов в верхних стримерах, нейтрализующих объемный заряд лидера, меньше и, соответственно, меньше время начала уменьшения тока молнии с учетом соотношений (1.23) и (1.30):

Рис. 1.11. Схема распространения электромагнитной волны вдоль канала лидера молнии в различные моменты времени процесса нейтрализации заряда лидера [16]:

Следовательно, в отличие от отрицательного разряда молнии при положительной полярности разряда ток начинает уменьшаться практически сразу после достижения максимума (через 2 мкс).
Протекание тока в несколько десятков килоампер по искровому каналу приводит к его дальнейшему разогреванию, причем максимальная температура газа в канале достигает 30000 К. При этом повышается давление газа в канале в несколько раз, что вызывает ударное расширение канала, сопровождающееся снижением температуры газа до 20000...25000 К. При этом радиус проводящего канала молнии увеличивается примерно до 10 см, а плотность заряженных частиц в канале достигает 10¹⁸ 1/см³ (степень ионизации газа 0,1) [20]. Такое быстрое расширение канала молнии (в течение 20 мкс) вызывает распространение в окружающее пространство мощной звуковой волны (гром молнии).