Процесс развития наземной молнии состоит из несколько стадий. На первой стадии в зоне, где электрическое поле достигает критического значения, начинается ударная ионизация, создаваемая вначале свободными электронами, всегда имеющимися в небольшом количестве в воздухе, которые под действием электрического поля приобретают значительные скорости и, сталкиваясь с молекулами, составляющими воздух, ионизуют их. Таким образом возникают электронные лавины, переходящие в нити электрических разрядов – стримеры, представляющие собой хорошо проводящие каналы, которые, сливаясь, дают начало яркому термоионизованному каналу с высокой проводимостью – ступенчатому лидеру молнии.

Образование лидера начинается с широкого атмосферного ливня (ШАЛ), попавшего в ту часть грозового облака, где напряженность поля Е ≥ 3 кВ/см. При этом система связанных друг с другом ионизованных следов оказывается под разностью потенциалов V, которая при толщине слоя порядка сотни метров равна V ≈ 3 кВ/см ⋅ 104 cм ≈ 30 МВ. Под действием этой разности потенциалов через систему ионизованных следов течет ток, благодаря которому у границ слоя образуются разноименные заряды, сосредоточенные в этих следах. При толщине слоя d ≈ 100 м каждый из этих зарядов находится под потенциалом V/2 ≈ 15 МВ. Этой разности потенциалов достаточно для того, чтобы пробить слой воздуха толщиной до 5 м, подключить к системе проводящих каналов ШАЛ ионизованный след (или несколько следов), образованных другой высокоэнергичной частицей и сделать его проводящим. Как показывают наблюдения за молниями, пробой между ступенями лидера происходит в течение характерного времени 50 мкс. Этот пробой возможен при условии появления в течение указанного интервала двух близко расположенных друг к другу ионизованных следов. Поток космических лучей в нижней тропосфере составляет ~ 0.1 частиц / (см²⋅с). При таком потоке одна частица в течение 50 мкс одна частица падает на поверхность 1/ (0.1⋅50⋅10−6) см² = 2⋅105 см². Отсюда следует, что среднее расстояние между появившимися в течение 50 мкс ионизованными следами равно (2⋅105 см²) 0.5 ≈ 5 м. В связи с тем, что вновь подключенный ионизованный канал становится электропроводящим, его потенциал принимает значение потенциала проводящей системы ШАЛ, равного V/2. Далее происходит новый пробой воздуха между этим подключенным проводящим каналом и вновь образуемым ионизованным следом от другой высокоэнергичной частицы. Процесс подключения новых ионизованных следов продолжается до тех пор, пока проводящий канал, движущийся от облака, не достигнет проводящей поверхности земли. На этом формирование ступенчатого лидера заканчивается. Он проходит через систему следов, обладающую минимальным сопротивлением.

Далее по проводящему каналу проходит так называемый возвратный удар. Во время этого удара электроны уходят из разветвленной проводящей системы облака и уменьшают имеющееся там электрическое поле до значения Е = 20 В/м, при котором разряд гаснет. Тем самым они производят нейтрализацию отрицательного избыточного объемного заряда, находящегося в облаке. Так происходит в случае нисходящей молнии, которая переносит отрицательный заряд из облака на поверхность земли. В случае восходящей молнии электроны уходят с поверхности земли в облако и производят в нем нейтрализацию положительного объемного заряда. Проходящий по следам космических лучей лидер имеет ступенчатую форму, так как он составлен из следов различной длины. Скорость распространения лидера различна. Она максимальна в ступени (или в следе частицы) и близка к скорости света. Поэтому ступень длиной в десятки и сотни метров высвечивается за время менее 1 мкс. В то же время в промежутках между ступенями она порядка 107 см/с. При такой скорости промежуток воздуха длиной 5 м пробивается за время 50 мкс. Это соответствует характерному наблюдаемому значению так называемой паузы между ступенями лидера. Во время пробоя канал светится значительно слабее, чем в ступени. Время прохождения лидером промежутка между облаком и землей в основном определяется временем пробоя промежутков между ступенями и составляет единицы миллисекунд. В отличие от лидера возвратный удар распространяется с большей скоростью, характерная величина которой 5 ⋅ 107 см/с. После возвратного удара заканчивается первый разрядный импульс молниевой вспышки. Далее происходит остывание разрядного канала. Если за время ≤ 100 мс к этому каналу подключается система проводящих каналов нового ШАЛа, появившегося в облаке, то через него проходит второй разрядный импульс. Этому разряду предшествует так называемый стреловидный лидер, который проходит через систему проводящих каналов ШАЛ и неостывший канал предшествующего импульса. Число разрядных импульсов во вспышке молнии определяется числом ШАЛов, подключаемых к неостывшему разрядному каналу первого импульса, а также величиной заряда, находящегося в облаке.

 

Ступенчатые лидеры наблюдаются каждый раз при явлении молнии как канал света большой яркости.

Можно объяснить, почему ступенчатый лидер периодически останавливается и двигается зигзагами в сторону Земли. Дело в том, что в конце каждого скачка лавина ионизации угасает (выдыхается по энергии), но это, слава Богу, сопровождается последующим усилением электрического поля в голове лидера с началом процесса фотоионизации на расстоянии за счет ультрафиолетовых лучей, испускаемых головкой лидера. В результате оно вновь начинает двигаться, но не обязательно в прежнем направлении. Лидер будет двигаться туда, где указанные два фактора подготовили условия для возникновения плазменного канала Отклонения от прежнего направления могут происходить также из-за конвективных потоков воздуха, неизбежных в предгрозовых условиях, и из-за других конкретных обстоятельств в этом месте. По тем же причинам некоторые направления движения лидера становятся тупиковыми, но он прорывается в другом месте и всегда в генеральном направлении от туч к Земле, т е. в направлении возникшего электрического поля. После достижения ступенчатым лидером поверхности Земли подготовленный им проводящий канал занимает линейная молния, которая двигается также зигзагами, т к такой путь был подготовлен лидером.

От туч в сторону Земли начинают двигаться невидимые для нас ступенчатые или стреловидные лидеры. Это слабо светящиеся скопления ионизированных частиц. Причиной их возникновения являются процессы возбуждения и ионизации в воздухе под влиянием электронов, ускоренных гигантским электрическим полем, возникшим в этом месте земной поверхности под влиянием атмосферных условий.Подобное явление наблюдается в лабораторных условиях, если между анодом и катодом создать большой величины электрическое поле. Подобно атмосферным ступенчатым лидерам перед возникновением искрового разряда между электродами появляются так называемые стримеры - слабо светящиеся конусы, направленные от катода к аноду. Они образуются из ионизированных атомов и молекул при ударной их ионизации электронными лавинами, испускаемыми катодом, а затем и вершинами конусов В лабораторных условиях было замечено также, что наряду с отрицательными стримерами появляются положительные стримеры, движущиеся от анода к катоду. Возможно, эти процессы возникают и в атмосферных явлениях перед возникновением молний
Важно отметить, что первые стримеры возникают у катода, но практически сразу же далеко впереди в сторону анода появляются вторичные, третичные и т.д стримеры вследствие фотоионизации излучением, т.е ионизации нейтральных атомов и молекул под влиянием квантов излучения. Стримеры, таким образом, сами себе прокладывают дорогу. Отдельные стримеры нагоняют друг друга и сливаются, формируя хорошо проводящий плазменный канал, по которому в обратном направлении пройдет затем искровой разряд.

Таким образом, линейные молнии, имеют, как мы видим, искровую природу. Это доказал еще Франклин своими опытами с воздушными змеями, а также Ломоносов и Рихман (последний погиб во время опытов) Ступенчатые стреловидные лидеры в атмосфере, предшествующие в грозовых условиях молниям, имеют такую же природу, как стримеры перед искровым разрядом Они также прокладывают себе дорогу - длинный проводящий канал от туч к Земле Двигаются скачками примерно по 5 метров в каждом скачке, быстро следующими друг за другом (доли секунды) в одном направлении, но с чередованием правильных направлений с тупиковыми. Они предшествуют молниям и поэтому называются лидерами.