Попалась статья 2024 года, ссылка https://journals.ametsoc.org/view/journals/mwre/152/12/MWR-D-24-0060.1.xml, где авторы обобщили данные, кое–что промоделировали и дают более улучшенную физическую модель грозового облака. Но для начала давайте разберемся, как появляются заряды в конвективном облаке. Ниже будет большой текст.

I. Образование электрических зарядов в облаке. Разделение объемных зарядов

Давно известно, что при образовании облака, сначала, в области положительных температур, образовываются на ядрах конденсации микрокапли. По мере развития конвекции, облако попадает в область отрицательных температур, и при достижении уровня примерно -10°, помимо капель на ядрах конденсации начинают образовываться и кристаллики льда на центрах кристаллизации.

Далее облачные элементы укрупняются: если воды много — в основном идёт перегонка водяного пара с мелких капель на крупные и с капель на кристаллы. Также начинается формирование зародышей пористого града — граупеля (осадки пенопласт — это он :). Это происходит путем налипания и замерзания переохлаждённых капель на ледяных кристаллах (riming). Все это наиболее эффективно происходит в слое облака, который находится в области -10..-20°.

С началом формирования граупеля становится возможной эффективная неиндукционная электризация: за счёт столкновения ледяных кристаллов и граупеля.

II. По современным представлениям, именно этот механизм является основным источником зарядов в грозовом облаке. Электризация усиливается по мере накопления граупеля и роста интенсивности столкновений.

Кристаллы, как более лёгкие, вместе с положительным зарядом уносятся восходящим потоком к вершине облака, а на граупель продолжают налипать капли воды (если её много в облаке) или происходит рост за счёт переноса водяного пара с мелких капель. Более крупный и, как правило, отрицательно заряженный граупель располагается ниже — его положение определяется балансом оседания частиц под действием силы тяжести вниз и восходящего потока.

Так начинается разделение объёмных зарядов: формируется пространственно разделённая электрическая структура, где основной отрицательный заряд сосредоточен в средней части облака, а положительный — в верхней. В нижней части облака дополнительно формируется область положительного заряда, связанная с переносом зарядов вниз осадками и индукцией под действием основного отрицательного заряда.

III. Организация зарядов и развитие молнии.
Собственно об этом и работа. Авторы показали, что ключевую роль в возникновении молнии играет не столько сам процесс образования зарядов, сколько их пространственная организация внутри облака.

Механизм электризации остаётся классическим (столкновения граупеля и ледяных кристаллов), однако структура электрического поля формируется динамикой конвекции.

Исследование основано на численном моделировании конвективных облаков с очень высоким разрешением, позволяющим описывать их внутреннюю динамику, а также на обобщении самолетных и радиолокационных наблюдений.

Показано, что в условиях вертикального сдвига ветра зарядовые области деформируются и смещаются потоками воздуха. Разные типы частиц переносятся по-разному: кристаллы — в восходящих струях, граупель — в области осадков. В результате формируется трёхмерная, асимметричная структура зарядов с характерными масштабами в несколько километров.

При такой организации возникают протяжённые области электрического потенциала и зоны усиленного поля (порядка 10⁴–10⁵ В/м). Молния развивается не просто в точках максимального напряженности поля как думали раньше, а вдоль структуры зарядов — через области с благоприятной конфигурацией потенциала. Это объясняет сложную геометрию молниевых разрядов и их связь с внутренней динамикой облака.

Таким образом, молния определяется не только наличием зарядов, а их организацией. Сдвиг ветра и структура потоков напрямую влияют на электрическое поле и тип разрядов. Это даёт более физически обоснованную основу для прогноза гроз в численных моделях: необходимо учитывать не только термодинамику и CAPE, но и структуру потоков, обеспечивающую разделение и перенос зарядов.

Применимость работы одной строкой. При всех прочих равных условиях, электрическая активность облака зависит от сильного сдвига ветра (параметра shear) → выше шанс организованной электризации → больше молний.

В общем, CAPE делает облако, а shear делает молнии.

Конец. :)

IV. А ви-таки знаете, что не все грозы следуют «учебниковой» схеме (триполь типа + – +). Примерно 10–20% облаков имеют перевёрнутую структуру: вверху — отрицательный заряд, в середине — положительный ( – + – ) . Причина — изменение микрофизики в зоне смешанных фаз. При повышенном содержании переохлаждённой воды граупель начинает заряжаться положительно, а ледяные кристаллы наоборот отрицательно.

Восходящие потоки уносят отрицательный заряд вверх — схема переворачивается. В отличие от обычных отрицательных разрядов, +CG исходят из положительно заряженной средней части облака и несут существенно больший заряд. Они реже, но мощнее. Удар молнии часто напоминает пушечный выстрел.

Такие грозы особенно характерны для холодного сезона, высокоширотных гроз и/или мощных конвективных систем с большим водосодержанием.

V. Сразу напишу, что положительная молния +CG может шарахнуть и из вершины обычного классического грозового облака. Разряд тоже очень мощный и громкий; обычно случается в конце, казалось бы закончившийся грозы, когда ливень уже сильно ослаб или даже прекратился, а облако ушло. Отсюда часто случаются жертвы.