Молния - гигантская электрическая искра. Ударяя в строения, она вызывает пожары, расщепляет крупные деревья, поражает людей. В каждый момент времени в разных точках Земли сверкают молнии более 2000 гроз. В каждую секунду около 50 молний ударяются в поверхность земли, и в среднем каждый ее квадратный километр молния поражает шесть раз за год
Молния - гигантский электрический искровой разряд в атмосфере, обычно происходит во время грозы, проявляющийся яркой вспышкой света и сопровождающим её громом. Молнии также были зафиксированы на Венере, Юпитере, Сатурне и Уране. Ток в разряде молнии достигает 10-20 тысяч ампер, поэтому мало кому из людей удается выжить после поражения их молнией.
Поверхность земного шара является более электропроводной, чем воздух. Однако, с высотой электропроводность воздуха возрастает. Воздух обычно заряжен положительно, а Земля отрицательно. Водяные капли в грозовом облаке заряжены за счет поглощения находящихся в воздухе заряженных мельчайших частиц (ионов). Капля, падающая из облака, имеет в верхней части отрицательный заряд, а в нижней - положительный. падающие капли большей частью поглощают отрицательно заряженные частицы и приобретают отрицательный заряд. В процессе завихрения в облаке капельки воды разбрызгиваются, причем мелкие брызги летят с отрицательным зарядом, а крупные - с положительным. То же происходит с кристаллами льда в верхней части облака. При раскалывании их мелкие частицы льда приобретают положительный заряд и восходящими токами уносятся в верхнюю часть облака, а крупные, заряженные отрицательно, опускаются в нижнюю часть облака.В результате разделения зарядов в грозовом облаке и в окружающем пространстве создаются электрически поля. С накоплением в грозовом облаке больших объемных зарядов между отдельными частями облака или между облаком и земной поверхностью возникают искровые разряды (молнии). Разряды молнии по внешнему виду различны. Наиболее часто наблюдается линейная разветвленная молния, иногда шаровая молния и др.
Молнияпредставляет большой интерес не только как своеобразное явление природы. Она дает возможность наблюдать электрический разряд в газовой среде при напряжении в несколько сотен миллионов вольт и расстоянии между электродами в несколько километров.
В 1750 Б.Франклин предложил Лондонскому королевскому обществу поставить опыт с железной штангой, укрепленной на изолирующем основании и установленной на высокой башне. Он ожидал, что при приближении грозового облака к башне на верхнем конце первоначально нейтральной штанги сосредоточится заряд противоположного знака, а на нижнем – заряд того же знака, что у основания облака. Если напряженность электрического поля при разряде молнии возрастет достаточно сильно, заряд с верхнего конца штанги будет частично стекать в воздух, а штанга приобретет заряд того же знака, что и основание облака.
Предложенный Франклином эксперимент не был осуществлен в Англии, однако его поставил в 1752 в Марли под Парижем французский физик Жан д"Аламбер. Он использовал вставленную в стеклянную бутылку (служившую изолятором) железную штангу длиной 12 м, но не помещал ее на башню. 10 мая его ассистент сообщил, что, когда грозовое облако находилось над штангой, при поднесении к ней заземленной проволоки возникали искры.
Сам Франклин, не зная об успешном опыте, реализованном во Франции, в июне того же года провел свой знаменитый эксперимент с воздушным змеем и наблюдал электрические искры на конце привязанной к нему проволоки. На следующий год, изучая заряды, собранные со штанги, Франклин установил, что основания грозовых облаков обычно заряжены отрицательно.
Более детальные исследования молний стали возможны в конце 19 в. благодаря совершенствованию методов фотографии, особенно после изобретения аппарата с вращающимися линзами, что позволило фиксировать быстро развивающиеся процессы. Такой фотоаппарат широко использовался при изучении искровых разрядов. Было установлено, что существует несколько типов молний, причем наиболее распространены линейные, плоские (внутриоблачные) и шаровые (воздушные разряды).
Линейная молния имеет длину 2-4 км и обладает большой силой тока. Она образуется, когда напряженность электрического поля достигает критического значения и возникает процесс ионизации. Последний в начале создается свободными электронами, всегда имеющимися в воздухе. Под действием электрического поля электроны приобретают большие скорости и на пути к Земле, сталкиваясь с атомами воздуха, расщепляют и ионизируют их. Ионизация происходит в узком канале, который становится проводящим. Воздух разогревается. Через канал нагретого воздуха заряд из облака со скоростью более 150 км/ч стекает к земной поверхности. Это первая стадия процесса. Когда заряд достигает поверхности Земли между облаком и землей, создается проводящий канал, через который навстречу друг другу движутся заряды: положительные заряды от поверхности Земли и отрицательные - скопившиеся в облаке.Линейная молния сопровождается сильным раскатистым звуком - громом, напоминающим взрыв. Звук появляется в результате быстрого нагревания и расширения воздуха в канале, а затем такого же быстрого его охлаждения и сжатия.
Плоские молнии возникают внутри грозового облака и выглядят как вспышки рассеянного света.
Шаровые молнии состоят из светящейся массы в форме шара, несколько меньше футбольного мяча, движущегося с небольшой скоростью в направлении ветра. Разрываются они с большим треском или исчезают бесследно. Появляется шаровая молния после линейной. Часто она через открытые двери и окна проникает в помещения. Природа шаровой молнии еще не известна.Воздушные разряды шаровых молний, начинающиеся от грозового облака, часто направлены горизонтально и не достигают земной поверхности.
Для защиты от молнии создаются молниеотводы, с помощью которых заряд молнии уводится в землю по специально подготовленному безопасному пути.
Разряд молнии обычно состоит из трех или более повторных разрядов – импульсов, следующих по одному и тому же пути. Интервалы между последовательными импульсами очень коротки, от 1/100 до 1/10 с (этим обусловлено мерцание молнии). В целом вспышка длится около секунды или меньше. Типичный процесс развития молнии можно описать следующим образом. Сначала сверху к земной поверхности устремляется слабо светящийся разряд-лидер. Когда он ее достигнет, ярко светящийся обратный, или главный, разряд проходит от земли вверх по каналу, проложенному лидером.
Разряд-лидер, как правило, движется зигзагообразно. Скорость его распространения колеблется от ста до нескольких сотен километров в секунду. На своем пути он ионизирует молекулы воздуха, создавая канал с повышенной проводимостью, по которому обратный разряд движется вверх со скоростью приблизительно в сто раз большей, чем у разряда-лидера. Размер канала определить трудно, однако диаметр разряда-лидера оценивается в 1–10 м, а обратного разряда – в несколько сантиметров.
Разряды молнии создают радиопомехи, испуская радиоволны в широком диапазоне – от 30 кГц до сверхнизких частот. Наибольшее излучение радиоволн находится, вероятно, в диапазоне от 5 до 10 кГц. Такие низкочастотные радиопомехи «сосредоточены» в пространстве между нижней границей ионосферы и земной поверхностью и способны распространяться на расстояния в тысячи километров от источника.
Молния: подарившая жизнь и двигатель эволюции. В 1953 году биохимики С. Миллер (Stanley Miller) и Г. Юри (Harold Urey) показали, что одни из "кирпичиков" жизни - аминокислоты могут быть получены путем пропускания электрического разряда через воду, в которой растворены газы "первобытной" атмосферы Земли (метан, аммиак и водород). Спустя 50 лет другие исследователи повторили эти опыты и получили те же результаты. Таким образом, научная теория зарождения жизни на Земле отводит удару молнии основополагающую роль. При пропускании коротких импульсов тока через бактерии в их оболочке (мембране) появляются поры, через которые внутрь могут проходить фрагменты ДНК других бактерий, запуская один из механизмов эволюции.
Как можно защититься от молнии с помощью водяной струи и лазера. Недавно был предложен принципиально новый способ борьбы с молниями. Громоотвод создадут из… струи жидкости, которой будут стрелять с земли непосредственно в грозовые облака. Громоотводная жидкость представляет собой солевой раствор, в который добавлены жидкие полимеры: соль предназначена для увеличения электропроводности, а полимер препятствует "распаду" струи на отдельные капельки. Диаметр струи составит около сантиметра, а максимальная высота - 300 метров. Когда жидкий громоотвод доработают, им оснастят спортивные и детские площадки, где фонтан включится автоматически, когда напряженность электрического поля станет достаточно высокой, а вероятность удара молнии - максимальной. По струе жидкости с грозового облака будет стекать заряд, делая молнию безопасной для окружающих. Аналогичную защиту от разряда молнии можно сделать и с помощью лазера, луч которого, ионизируя воздух, создаст канал для электрического разряда вдали от скопления людей.
Может ли молния сбить нас с пути? Да, если вы пользуетесь компасом. В известном романе Г. Мелвила "Моби Дик" описан именно такой случай, когда разряд молнии, создавший сильное магнитное поле, перемагнитил стрелку компаса. Однако капитан судна взял швейную иглу, ударил по ней, чтобы намагнитить, и поставил ее вместо испорченной стрелки компаса.
Может ли вас поразить молния внутри дома или самолета? К сожалению, да! Ток грозового разряда может войти в дом по телефонному проводу от рядом стоящего столба. Поэтому при грозе старайтесь не пользоваться обычным телефоном. Считается, что говорить по радиотелефону или по мобильному безопасней. Не следует во время грозы касаться труб центрального отопления и водопровода, которые соединяют дом с землей. Из этих же соображений специалисты советуют при грозе выключать все электрические приборы, в том числе компьютеры и телевизоры.
Что касается самолетов, то, вообще говоря, они стараются облетать районы с грозовой активностью. И все-таки в среднем раз в год в один из самолетов попадает молния. Ее ток поразить пассажиров не может, он стекает по внешней поверхности самолета, но способен вывести из строя радиосвязь, навигационное оборудование и электронику.
Древние люди далеко не всегда считали грозу и молнию, а также сопровождающий их раскат грома проявлением гнева богов. Например, для эллинов гром и молния являлись символами верховной власти, тогда как этруски считали их знамениями: если вспышка молнии была замечена с восточной стороны, это означало, что всё будет хорошо, а если сверкала на западе или северо-западе – наоборот.
Идею этрусков переняли римляне, которые были убеждены, что удар молнии с правой стороны является достаточным основанием, чтобы отложить все планы на сутки. Интересная трактовка небесных искр была у японцев. Две ваджры (молнии) считались символами Айдзен-мео, бога сострадания: одна искра находилась на голове божества, другую он держал в руках, подавляя нею все негативные желания человечества.
Молния – это огромных размеров электрический разряд, который всегда сопровождается вспышкой и громовыми раскатами (в атмосфере чётко просматривается сияющий канал разряда, напоминающий дерево). При этом вспышка молнии почти никогда не бывает одна, за ней обычно следует две, три, нередко доходит и до нескольких десятков искр.
Эти разряды почти всегда образуются в кучево-дождевых облаках, иногда – в слоисто-дождевых тучах больших размеров: верхняя граница нередко достигает семи километров над поверхностью планеты, тогда как нижняя часть может почти касаться земли, пребывая не выше пятисот метров. Молнии могут образовываться как в одной туче, так и между находящимися рядом наэлектризованными облаками, а также между облаком и землей.
Состоит грозовая туча из большого количества пара, сконденсированного в виде льдинок (на высоте, превышающей три километра это практически всегда ледяные кристаллы, поскольку температурные показатели здесь не поднимаются выше нуля). Перед тем как туча становится грозовой, внутри неё начинают активное движение ледяные кристаллы, при этом двигаться им помогают восходящие с нагретой поверхности потоки тёплого воздуха.
Воздушные массы увлекают за собой вверх более мелкие льдинки, которые во время движения постоянно наталкиваются на более крупные кристаллы. В результате кристаллики меньших размеров оказываются заряженными положительно, более крупные – отрицательно.
После того как маленькие ледяные кристаллики собираются наверху, а большие – снизу, верхняя часть облака оказывается положительно заряженной, нижняя – отрицательно. Таким образом, напряжённость электрического поля в туче достигает чрезвычайно высоких показателей: миллион вольт на один метр.
Когда эти противоположно заряженные области сталкиваются друг с другом, в местах соприкосновения ионы и электроны образовывают канал, по которому вниз устремляются все заряженные элементы и образуется электрический разряд – молния. В это время выделяется настолько мощная энергия, что её силы вполне хватило бы на то, чтобы на протяжении 90 дней питать лампочку мощностью в 100 Вт.
Канал раскаляется почти до 30 тыс. градусов Цельсия, что в пять раз превышает температурные показатели Солнца, образуя яркий свет (вспышка обычно длится лишь три четверти секунды). После образования канала грозовое облако начинает разряжаться: за первым разрядом следуют две, три, четыре и больше искр.
Удар молнии напоминает взрыв и вызывает образование ударной волны, чрезвычайно опасной для любого живого существа, оказавшегося возле канала. Ударная волна сильнейшего электрического разряда в нескольких метрах от себя вполне способна сломать деревья, травмировать или контузить даже без прямого поражения электричеством:
- На расстоянии до 0,5 м до канала молния способна разрушить слабые конструкции и травмировать человека;
- На расстоянии до 5 метров постройки остаются целыми, но может выбить окна и оглушить человека;
- На больших расстояниях ударная волна негативных последствий не несёт и переходит в звуковую волну, известную как громовые раскаты.
Раскаты грома
Через несколько секунд после того как был зафиксирован удар молнии, из-за резкого повышения давления вдоль канала, атмосфера раскаляется до 30 тыс. градусов Цельсия. В результате этого возникают взрывообразные колебания воздуха и возникает гром. Гром и молния тесно взаимосвязаны друг с другом: длина разряда нередко составляет около восьми километров, поэтому звук с разных его участков доходит в разное время, образуя громовые раскаты.
Интересно, что измеряя время, которое прошло между громом и молнией, можно узнать, насколько далеко находится эпицентр грозы от наблюдателя.
Для этого нужно умножить время между молнией и громом на скорость звука, который составляет от 300 до 360 м/с (например, если промежуток времени составляет две секунды, эпицентр грозы находится немногим более чем в 600 метрах от наблюдателя, а если три – на расстоянии километра). Это поможет определить, удаляется или приближается гроза.
Удивительный огненный шар
Одним из наименее изученных, а потому наиболее таинственных явлений природы считается шаровая молния – передвигающийся по воздуху святящийся плазменный шар. Загадочен он потому, что принцип формирования шаровой молнии неизвестен и поныне: несмотря на то, что существует большое число гипотез, объясняющих причины появления этого удивительного явления природы, на каждую из них нашлись возражения. Учёным так и не удалось опытным путём добиться образования шаровой молнии.
Шарообразная молния способна существовать длительное время и перемещаться по непрогнозируемой траектории. Например, она вполне способна зависать несколько секунд в воздухе, после чего метнуться в сторону.
В отличие от простого разряда, плазменный шар всегда бывает один: пока не было одновременно зафиксировано двух и больше огненных молний. Размеры шаровой молнии колеблются от 10 до 20 см. Для шаровой молнии характерны белый, оранжевый или голубой тона, хотя нередко встречаются и другие цвета, вплоть до чёрного.
Ученые еще не определили температурные показатели шаровой молнии: несмотря на то, что она по их подсчётам должна колебаться от ста до тысячи градусов Цельсия, люди, находившиеся недалеко от этого феномена, не ощущали исходившей от шаровой молнии теплоты.
Основная трудность при изучении этого феномена состоит в том, что зафиксировать его появление учёным удаётся редко, а показания очевидцев часто ставят под сомнение тот факт, что наблюдаемое ими явление действительно являлось шаровой молнией. Прежде всего, расходятся показания относительно того, в каких условиях она появилась: в основном её видели во время грозы.
Существуют также показания, что шаровая молния может появляться и в погожий день: спуститься с облаков, возникнуть в воздухе или появиться из-за какого-нибудь предмета (дерева или столба).
Ещё одной характерной особенностью шаровой молнии является её проникновение в закрытые комнаты, была замечена даже в кабинах пилотов (огненный шар может проникать через окна, спускаться по вентиляционным каналам и даже вылетать из розеток или телевизора). Также были неоднократно задокументированы ситуации, когда плазменный шар закреплялся на одном месте и постоянно там появлялся.
Нередко появление шаровой молнии не вызывает неприятностей (она спокойно движется в воздушных потоках и через какое-то время улетает или исчезает). Но, были замечены и печальные последствия, когда она взрывалась, моментально испаряя находящуюся неподалёку жидкость, плавя стекло и металл.
Возможные опасности
Поскольку появление шаровой молнии всегда неожиданно, увидев возле себя этот уникальный феномен, главное, не впадать в панику, резко не двигаться и никуда не бежать: огненная молния очень восприимчива к колебаниям воздуха. Необходимо тихо уйти с траектории движения шара и постараться держаться от неё как можно дальше. Если человек находится в помещении, нужно потихоньку дойти до оконного проёма и открыть форточку: известно немало историй, когда опасный шар покидал квартиру.
В плазменный шар ничего нельзя бросать: он вполне способен взорваться, а это чревато не только ожогами или потерей сознания, но остановкой сердца. Если же случилось так, что электрический шар зацепил человека, нужно перенести его в проветриваемую комнату, теплее укутать, сделать массаж сердца, искусственное дыхание и сразу же вызвать врача.
Что делать в грозу
Когда начинается гроза и вы видите приближение молнии, нужно найти укрытие и спрятаться от непогоды: удар молнии нередко смертелен, а если люди и выживают, то часто остаются инвалидами.
Если же никаких построек поблизости нет, а человек в это время в поле, он должен учитывать, что от грозы лучше спрятаться в пещере. А вот высоких деревьев желательно избегать: молния обычно метит в самое большое растение, а если деревья имеют одинаковую высоту, то попадает в то, что лучше проводит электричество.
Чтобы защитить отдельно стоящее строение или конструкцию от молнии, возле них обычно устанавливают высокую мачту, наверху которой закреплён заострённый металлический стержень, надёжно соединённый с толстым проводом, на другом конце находится закопанный глубоко в землю металлический предмет. Схема работы проста: стержень от грозовой тучи всегда заряжается противоположным облаку зарядом, который, стекая по проводу под землю, нейтрализует заряд тучи. Это устройство называется громоотвод и устанавливается на всех зданиях городов и других людских поселений.
Происхождение грозовых туч
Туман, поднявшийся высоко над землёй, состоит из частичек воды и образует облака. Более крупные и тяжёлые облака называются тучами. Одни тучи являются простыми - они молнии и грома не вызывают. Другие же называются грозовыми, так как именно они создают грозу, образуют молнию и гром. От простых дождевых туч грозовые тучи отличаются тем, что они заряжены электричеством: одни - положительным, другие - отрицательным.
Как же образуются грозовые тучи? Всякий знает, какой сильный ветер бывает во время грозы. Но ещё более сильные воздушные вихри образуются выше над землёй, где движению воздуха не мешают леса и горы. Этот ветер, главным образом, и образует положительное и отрицательное электричество в облаках.
В центре каждой капли находится положительное электричество, а равное ему отрицательное электричество располагается на поверхности капли. Падающие капли дождя подхватываются ветром, попадают в воздушные потоки. Ветер, с силой ударяющий в каплю, разбивает её на части. При этом отколовшиеся наружные частицы капли оказываются заряженными отрицательным электричеством.
Оставшаяся более крупная и тяжёлая часть капли заряжена положительным электричеством. Та часть тучи, в которой скапливаются тяжёлые частицы капель, заряжается положительным электричеством. Дождь, выпадающий из тучи, уносит часть электричества тучи на землю и, таким образом, между тучей и землёй создаётся электрическое притяжение.
На рис. 1 показано распределение электричества в туче и на поверхности земли. Если туча заряжена отрицательным электричеством, то, стремясь притянуться к нему, положительное электричество земли будет распределяться на поверхности всех возвышенных предметов, проводящих электрический ток. Чем выше предмет, стоящий на земле, тем меньше расстояние между его верхом и низом тучи и тем меньше остающийся здесь слой воздуха, разделяющий разноимённые электричества. Очевидно, что в таких местах молнии легче пробиться к земле. Об этом мы расскажем ещё подробнее дальше.
Рис. 1. Распределение электричества в грозовой туче и наземных предметах
Отчего происходит молния?
Подходя близко к высокому дереву или дому, грозовая туча, заряженная электричеством, действует на него. На рис. 1 туча, заряженная отрицательным электричеством, притягивает к крыше положительное электричество, а отрицательное электричество дома уйдёт в землю.
Оба электричества - в туче и в крыше дома - стремятся притянуться друг к другу. Если электричества в туче много, то и на доме образуется через влияние много электричества.
Подобно тому, как прибывающая вода может размыть плотину и ринуться бурным потоком, затопляя долину в своём безудержном движении, так и электричество, всё в большем количестве накапливающееся в туче, в конце концов, может прорвать слой воздуха, отделяющий его от поверхности земли, и устремиться вниз навстречу земле, к противоположному электричеству. Произойдёт сильный разряд - между тучей и домом проскочит электрическая искра.
Это и есть молния, ударившая в дом. Разряды молнии могут происходить не только между тучей и землёй, но и между двумя тучами, заряженными электричествами разного рода.
Чем сильнее ветер, тем скорее туча заряжается электричеством. Ветер затрачивает определенную работу, которая уходит на то, чтобы разделить положительное и отрицательное электричества.
Как развивается молния?
Чаще всего молнии, ударяющие в землю, происходят от туч, заряженных отрицательным электричеством. Молния, ударяющая из такой тучи, развивается так.
Сначала из тучи по направлению к земле начинают течь электроны в небольшом количестве, в узком канале, образуя в воздухе нечто подобное ручейку.
На рис. 2 показано это начало образования молнии. В той части тучи, где начинается образование канала, скопились электроны, обладающие большой скоростью движения, благодаря которой они, сталкиваясь с атомами воздуха, разбивают их на ядра и электроны.
Рис. 2. В туче начинается образование молнии
Освобождающиеся при этом электроны устремляются также по направлению к земле и, снова сталкиваясь с атомами воздуха, расщепляют их. Это похоже на падение снега в горах, когда сначала небольшой ком, катясь вниз, обрастает прилипающими к нему снежинками, и, всё ускоряя свой - бег, превращается в грозную лавину.
И здесь электронная лавина захватывает все новые объёмы воздуха, расщепляя его атомы на части. При этом воздух разогревается, а при повышении температуры его проводимость усиливается. Он из изолятора превращается в проводник. Через полученный проводящий канал воздуха из тучи начинает стекать электричество всё в большем количестве. Электричество приближается к земле с огромной скоростью, достигающей 100 километров в секунду.
Через сотые доли секунды электронная лавина достигает земли. Этим заканчивается только первая, так сказать, «подготовительная» часть молнии: молния пробила себе дорогу к земле. Вторая, главная часть развития молнии ещё впереди. Рассмотренную часть образования молнии называют лидером. Это иностранное слово означает по-русски «ведущий». Лидер проложил дорожку второй, более мощной части молнии; эту часть называют главной. Как только канал дошёл до земли, электричество начинает протекать через него гораздо более бурно и быстро.
Теперь происходит соединение отрицательного электричества, скопившегося в канале, и положительного электричества, которое попало в землю с каплями дождя и путём электрического влияния - происходит разряд электричества между тучей и землёй. Такой разряд представляет собою электрический ток огромной силы - эта сила гораздо больше, чем сила тока в обычной электрической сети.
Ток, протекающий в канале, очень быстро нарастает, а достигнув наибольшей силы, начинает постепенно спадать. Канал молнии, через который протекает такой сильный ток, очень разогревается и поэтому ярко светится. Но время протекания тока в грозовом разряде очень мало. Разряд длится очень малые доли секунды, и поэтому электрическая энергия, которая получается при разряде, сравнительно невелика.
На рис. 3 показано постепенное продвижение лидера молнии по направлению к земле (первые три рисунка слева).
Рис. 3. Постепенное развитие лидера молнии (первые три рисунка) и её главной части (последние три рисунка).
На трёх последних рисунках видны отдельные моменты образования второй (главной) части молнии. Человек, смотрящий на молнию, конечно, не сможет различить её лидера от главной части, так как они следуют друг за другом чрезвычайно быстро, по одному и тому же пути.
После соединения двух электричеств разного рода ток обрывается. Однако, молния обычно на этом не заканчивается. Часто по пути, проложенному первым разрядом, сразу же устремляется новый лидер, а за ним, по тому же пути, идёт снова глазная часть разряда. Так завершается второй разряд.
Время между образованием отдельных разрядов очень мало. Оно не превышает сотых долей секунды. Если число разрядов очень велико, то длительность молнии может достигать целой секунды и даже нескольких секунд.
Мы рассмотрели лишь один вид молнии, который наиболее часто встречается. Эта молния называется линейной молнией, потому что невооружённому глазу она представляется в виде линии - узкой яркой полосы белого, светлоголубого или яркорозового цвета.
Линейная молния имеет длину от сотен метров до многих километров. Путь молнии обычно зигзагообразный. Часто молния имеет много разветвлений. Как было уже сказано, разряды линейной молнии могут происходить не только между тучей и землёй, но и между тучами.
Шаровая молния
Кроме линейной, бывают, правда гораздо реже, молнии других видов. Из них мы рассмотрим одну, наиболее интересную - шаровую молнию .
Иногда наблюдаются грозовые разряды, представляющие собой огненные шары. Как образуются шаровые молнии - пока ещё не изучено, но имеющиеся наблюдения над этим интересным видом грозового разряда позволяют сделать некоторые выводы.
Чаще всего шаровая молния имеет форму арбуза или груши. Длится она сравнительно долго - от небольшой доли секунды до нескольких минут.
Наиболее обычное время длительности шаровой молнии - от 3 до 5 секунд. Шаровая молния чаще всего появляется в конце грозы в виде красных светящихся шаров поперечником от 10 до 20 сантиметров. В более редких случаях она имеет и большие размеры. Была, например, сфотографирована молния поперечником около 10 метров.
Шар может быть иногда ослепительно белым и иметь очень резкий контур. Обычно шаровая молния издаёт свистящий, жужжащий или шипящий звук.
Шаровая молния может исчезать тихо, но может издавать при этом слабый треск или даже оглушающий взрыв. Исчезая, она часто оставляет остро пахнущую дымку. Вблизи земли или в закрытых помещениях шаровая молния движется со скоростью бегущего человека - приблизительно два метра в секунду. Она может оставаться в покое в течение некоторого времени, и такой «осевший» шар шипит и выбрасывает искры до тех пор, пока не исчезнет. Иногда кажется, что шаровую молнию гонит ветер, но обычно её движение от ветра не зависит.
Шаровые молнии притягиваются к закрытым помещениям, в которые они проникают через открытые окна или двери, а иногда даже через небольшие щели. Трубы представляют для них хороший путь; поэтому шаровые молнии часто появляются из печей в кухнях. Покружившись по комнате, шаровая молния оставляет помещение, уходя часто по тому самому пути, по которому она вошла.
Иногда молния два-три раза поднимается и опускается на расстояния от нескольких сантиметров до нескольких метров. Одновременно с этими подъёмами и спусками огненный шар передвигается иногда и в горизонтальном направлении, и тогда кажется, что шаровая молния делает скачки.
Часто шаровые молнии «оседают» на проводниках, предпочитая наиболее высокие точки, или катятся вдоль проводников, например - по водосточным трубам. Двигаясь по телам людей, иногда под одеждами, шаровые молнии вызывают сильные ожоги и даже смерть. Имеются многие описания случаев смертельного поражения людей и животных шаровой молнией. Шаровые молнии могут причинить очень сильные разрушения зданий.
Куда ударяет молния?
Так как молния представляет собою электрический разряд через толщу изолятора - воздуха, то он происходит чаще всего там, где слой воздуха между тучей и каким-либо предметом на поверхности земли будет меньше. Непосредственные наблюдения это и показывают: молния стремится поразить высокие колокольни, мачты, деревья и другие высокие предметы.
Однако, молния устремляется не только к высоким предметам. Из двух соседних мачт одинаковой высоты, сделанных одна из дерева, а другая из металла, и стоящих невдалеке одна от другой, молния устремится к металлической. Произойдёт это по двум причинам. Во-первых, металл проводит электрический ток гораздо лучше, чем дерево, даже если оно сырое. Во-вторых, металлическая мачта соединена хорошо с землёй, и электричество из земли может во время развития лидера свободнее подтекать к мачте.
Последнее обстоятельство широко используют для защиты различных строений от ударов молнии. Чем большая поверхность металла мачты соприкасается с землёй, тем легче электричеству из тучи перейти в землю.
Это можно сравнить с тем, как струя жидкости льётся через воронку в бутылку. Если отверстие в воронке достаточно большое, струя будет сразу же уходить в бутылку. Если же отверстие в воронке невелико, то жидкость начнёт переливаться через край воронки и выливаться на пол.
Молния может ударить и в ровную поверхность земли, но при этом она тоже устремляется туда, где электрическая проводимость почвы больше. Так, например, сырая глина или болотистое место поражаются молнией скорее, чем сухой песок или каменистая сухая почва. По той же причине молния поражает берега рек и ручьев, предпочитая их возвышающимся вблизи них высоким, но сухим деревьям.
Эту особенность молнии - устремляться к хорошо соединённым с землёй и хорошо проводящим телам - широко используют для осуществления различных защитных устройств.
Молния – это искровой разряд электростатического заряда кучевого облака, сопровождающийся ослепительной вспышкой и резким звуком (громом).Опасность. Молниевой разряд характеризуется большими токами, а его температура доходит до 300000 градусов. Дерево при ударе молнии расщепляется и даже может загореться. Расщепление дерева происходит вследствие внутреннего взрыва из-за мгновенного испарения внутренней влаги древесины.
Прямое попадание молнии для человека обычно заканчивается смертельным исходом. Ежегодно в мире от молнии погибает около 3000 человек.
Предупредительные мероприятия перед грозой
Для снижения опасности поражения молнией объектов экономики, зданий и сооружений устраивается молниезащита в виде заземленных металлических мачт и натянутых высоко над сооружениями объекта проводами.Перед поездкой на природу уточните прогноз погоды. Если предсказывается гроза, то перенесите поездку на другой день. Если Вы заметили грозовой фронт, то в первую очередь определите примерное расстояние до него по времени задержки первого раската грома, первой вспышки молнии, а также оцените, приближается или удаляется фронт.
Поскольку скорость света огромна (300 000 км/с), то вспышку молнии мы наблюдаем мгновенно. Следовательно задержка звука будет определяться расстоянием и скоростью звука (около 340 м/с). Мы должны время в секундах от вспышки молнии до первого раската умножить на 340 - и получим расстояние в метрах до грозового фронта.
Пример: если после вспышки до грома прошло 5 с, то расстояние до грозового фронта равно 340 м/с х 5с = 1700 метров. Если с течением времени запаздывание звука растет, то грозовой фронт удаляется, а если запаздывание звука сокращается, а гром перестает быть раскатистым и напоминает сухой треск, то грозовой фронт приближается. Чем раскатистее гром на ровной местности - тем дальше гроза.
Как действовать во время грозы
Молния опасна тогда, когда вслед за вспышкой СРАЗУ следует раскат грома, а гром практически не имеет раскатов. В этом случае срочно примите меры предосторожности.Если Вы находитесь в сельской местности: закройте окна, двери, дымоходы и вентиляционные отверстия. Не растапливайте печь, поскольку высокотемпературные газы, выходящие из печной трубы, имеют низкое сопротивление. Не разговаривайте по телефону: молния иногда попадает в натянутые между столбами провода.
Во время ударов молнии не подходите близко к электропроводке, молниеотводу, водостокам с крыш, антенне, не стойте рядом с окном, по возможности выключите телевизор, радио и другие электробытовые приборы.
Если Вы находитесь в лесу, то укройтесь на низкорослом участке леса. Не укрывайтесь вблизи высоких деревьев, особенно сосен, дубов и тополей.
Не находитесь в водоеме или на его берегу. Отойдите от берега, спуститесь с возвышенного места в низину.
В степи, поле или при отсутствии укрытия (здания) не ложитесь на землю, подставляя электрическому току все свое тело, а сядьте на корточки в ложбине, овраге или другом естественном углублении, обхватив ноги руками.
Если грозовой фронт настиг Вас во время занятий спортом, то немедленно прекратите их. Металлические предметы (мотоцикл, велосипед, ледоруб и т.д.) положите в сторону, отойдите от них на 20-30 м.
Если гроза застала Вас в автомобиле, не покидайте его, при этом закройте окна и опустите антенну радиоприемника. Если в автомобиле сухо, он сможет выдержать удар молнии, защитив Вас.
От себя разъясняю больше. При движении грозового фронта от
трения воздуха между землей и облаками образуется огромная
разность потенциалов. Явление чем-то похоже на гигантский
природный конденсатор, накапливающий энергию.
Поэтому метеочувствительным людям может стать плохо перед грозой, даже если она прошла рядом, в работе тонких электроприборов могут наблюдаться электрические помехи, а радиосигнал может не проходить сквозь грозовой фронт.
Разряд статического электричества обычно проходит по пути наименьшего электрического сопротивления - по ионизированному каналу, проложенному "бегущим лидером" (как по проводу). Так как между самым высоким предметом, среди аналогичных, и кучевым облаком расстояние меньшее, значит меньше и электрическое сопротивление. Следовательно, молния поразит в первую очередь высокий предмет (мачту, дерево и т.п.).
Большая часть молний и электрических разрядов происходит между грозовыми облаками и внутри грозового облака - порядка 80%. Но мощность электрических разрядов между землей и облаками несопоставимо больше, так как намного выше разность потенциалов "между небом и землей".
После накопления критического статического заряда из грозового облака стекает небольшой заряд (микро-шаровая молния) - так называемый "бегущий лидер" и движется к земле со скоростью порядка 20 м/с. По пути он образует ионизированный канал, может расщепляться и делиться - тогда молния ветвится.
Как только он достигает земли или высокого предмета, имеющего статический заряд электричества, с земли в грозовое облако по проложенному ионизированному каналу происходит мгновенный многократный электрический разряд. Его мы видим как единую очень яркую "цельную" молнию, но на расстоянии мы слышим раскаты грома, так как мгновенных последовательных разрядов молнии по одному каналу производится от 10-15 до 80 и даже 100 в чрезвычайно редких случаях. Можете посчитать количество раскатов грома на отдалении 2 км от молнии.
"Бегущий лидер" - это ионизированный заряд электричества, стекающий с грозового облака. На фото вверху страницы очень хорошо видно, как с грозового фронта стекают вниз "бегущие лидеры", оставляя за собой слабосветящийся ветвистый канал. И очень хорошо заметен яркий мощный канал "от земли до неба" со вспышкой на облаке, по которому происходит непосредственный разряд молнии. Все такие активные каналы при входе в грозовое облако очень ярко подсвечены, а сам по себе выход "бегущего лидера" из облака - еще нет.
На четвертой слева молнии очень хорошо видно, что мощный разряд бьет вдоль канала из земли и еще не достиг развилки. А крайний справа вверху "слабый" разряд - это движение "бегущего лидера" из облака. На конце крайней левой развилки третьей слева молнии даже виден очень яркий "бегущий лидер" в виде точечного маленького шара.
Тем, кто считает, что разряд молнии бьет из облака в землю, и широко распространяет эти неверные сведения в интернете, настоятельно советую почитать высшую физику - в XX веке с активным приходом фотографии в нашу жизнь явление молнии было очень хорошо описано.
От себя могу высказать предположение о природе шаровой молнии: таинственная шаровая молния может оказаться очень крупным "бегущим лидером", который способен увидеть невооруженный глаз человека (а не только зафиксировать специальная фотография), за которым полностью закрылся ионизированный канал, и поэтому полноценный разряд молнии стал невозможным.
Если "бегущий лидер" оказался "слабеньким" и разрушился до того, как он полностью сформировал ионизированный канал, разряда молнии не происходит. Большинство выходов "бегущих лидеров" не заканчивается разрядом молнии. "Бегущий лидер", формирующий привычную нам молнию "между небом и землей", живет порядка 50-80 секунд, так как ему необходимо время для достижения поверхности.
"Бегущий лидер", за которым непосредственно следует электрический разряд и молния, на специальных фотографиях напоминает небольшую яркую искру и представляет собой сгусток ионизированного газа (сгусток низкотемпературной плазмы). Именно путем фотографирования молнии и того, что происходит непосредственно перед разрядом, в XX веке было сделано открытие, корректно описывающее явление молнии.
Если же "бегущий лидер" оказался очень большим по размеру, он начинает встречать более существенное сопротивление окружающей среды, скорость его движения резко замедляется, ионизированный канал за ним успевает полностью или частично закрыться. Поэтому полноценного разряда молнии не происходит, и мы можем наблюдать явление шаровой молнии (например, в зоне смерча и торнадо, как на фото). Стремясь занять наименьший объем, вещество в состоянии плазмы принимает шарообразную форму (площадь внешней поверхности шара минимальна среди прочих тел при фиксированном объеме).
Фактически, наблюдается три фазовых состояния, описывающих различное поведение математической модели "бегущего лидера" - формирование "бегущего лидера", который не закончился никаким разрядом (более 99%), "бегущий лидер", которому "повезло" и которому удалось полностью сформировать ионизированный канал, движение которого закончилось разрядом молнии (менее 1%), и "переросток", за которым частично или полностью закрылся ионизированный канал, и он сформировал видимую невооруженным глазом шаровую молнию (чрезвычайно редко).
Если рассматривать явление разряда молнии с точки зрения модной сегодня теории катастроф, то именно разряд молнии необходимо рассматривать как фазовое изменение состояния системы "природных конденсаторов". Только разряд молнии и "бегущий лидер", которому "повезло", вызывает скачкообразное изменение состояния электрических потенциалов грозовых облаков и поверхности земли и соответственно может рассматриваться как "катастрофа". Моментом начала скачкообразного изменение состояния системы является момент достижения "бегущим лидером" другого облака или поверхности земли (а также дерева, молниеотвода и т.п.).
Сам момент скачкообразного изменения состояния системы (то есть разряд молнии) может быть описан набором аппроксимированных дельта-функций по числу мгновенных электрических разрядов, аргументом является время.
Ни "бесплодный" "бегущий лидер", который не закончился разрядом молнии, ни тем более "переросток"-шаровая молния с точки зрения современной теории катастроф не вызывают скачкообразное изменения состояния "природных конденсаторов" - грозовых облаков и поверхности земли. Именно поэтому шаровая молния не может рассматриваться как явление, вызывающее скачкообразное изменение состояния системы вцелом, ведь она не влечет за собой полноценного разряда молнии со сформированным по всей длинне ионизированным каналом.
В крайнем случае, шаровая молния, получающая извне энергетическую подпитку (например, от мощного вращения торнадо, как на фото), влечет за собой локальные электрические микро-разряды в своей локализованной окрестности. Эти микро-молнии и электрические разряды проходят по локализованным в некоторой окрестности ионизированным каналам. Если же энергетический подпитки шаровой молнии извне не происходит и связь с источником полностью утеряна, то шаровая молния не формирует локальные электрические разряды вообще.
Но так или иначе, во время своего существования (с момента образования до момента разрушения) поведение шаровой молнии обусловлено исключительно локальными изменениями состояния системы и никак не влияют на ее глобальное состояние и поведение, в отличие от привычного разряда молнии.
16.05.2017 18:00
3193
Откуда берутся гром и молния.
Все знают, что такое гроза - это сверкание молнии и грохот грома. Многие люди (особенно дети) даже очень ее боятся. Но откуда же берутся гром и молния? И вообще, что это за явление такое?
Гроза - это и впрямь довольно неприятное и даже жутковатое природное явление, когда мрачные, тяжелые тучи закрывают собой солнце, сверкает молния, грохочет гром, а с неба потоками льет дождь...
А звук, возникающий при этом, - не что иное, как волна, вызванная сильными колебаниями воздуха. В большинстве случаев громкость увеличивается к концу раската. Это происходит из-за отражения звука от облаков. Вот это и есть гром.
Молния - это очень мощный электрической разряд энергии. Она возникает в результате сильной электризации туч или земной поверхности. Электрические разряды происходят либо в самих облаках, либо между двумя соседними облачками, или же между облаком или землей.
Процесс возникновения молнии разделяют на первый удар и все последующие за ним. Причина в том, что самый первый удар молнии создает путь для электорического разряда. В нижней части тучи накапливается отрицательный электрический разряд.
А земная поверхность обладает положительным зарядом. Поэтому электроны (отрицательно заряженные частицы, одни из основных единиц вещества), расположенные в туче, как магнитом притягиваются к земле и устремляются вниз.
Как только первые электроны достигают поверхности земли, создается свободный для пропуска электрических разрядов канал (своеобразный проход), по которому оставшиеся электроны устремляются вниз.
Электроны возле земли первыми уходят из канала. На их место спешат попасть другие. В результате, создается условие, при котором весь отрицательный разряд энергии выходит из тучи, создавая мощный поток электричества, направленный в землю.
Именно в такой момент и происходит вспышка молнии, которая сопровождается раскатами грома.
Наэлектризованные облака создают молнию. Но далеко не в каждом облаке содержится достаточная мощность, для того, чтобы пробить атмосферный слой. Для проявления силы, стихии необходимы определенные обстоятельства.
Массы воздуха находятся в постоянном движении.Теплый воздух уходит вверх, а холодный – опускается. При движении частиц они электризуются,то есть напитываются электричеством.
В разных частях облака накапливается неодинаковый запас энергии. Когда ее становится слишком много, происходит вспышка, которую сопровождают раскаты грома. Это и есть гроза
Какие бывают молнии? Кто-то может подумать, что молнии все одинаковые, мол гроза и есть гроза. Однако, существует несколько видов молний, которые очень отличаются друг от друга.
Линейная молния – это наиболее часто встречающаяся разновидность. Она выглядит как перевернутое разросшееся дерево. От главного канала (ствола) отходит несколько более тонких и коротких "отростков".
Длина такой молнии может достигать до 20 километров, а сила тока - 20 000 ампер. Скорость ее движения составляет 150 километров в секунду. Температура плазмы, наполняющей канал молнии, доходит до 10 000 градусов.
Внутриоблачная молния - возникновение этого вида сопровождается изменением электрических и магнитных полей, и излучением радиоволн.Такую молнию с наибольшей вероятностью можно встретить ближе к экватору. В умеренном климате она появляется крайне редко.
Если в облаке находится молния, то заставить ее выбраться наружу может и посторонний объект, нарушающий целостность оболочки, например наэлектризованный самолет. Ее длина может колебаться от 1 до 150 километров.
Наземная молния - Это самый продолжительный по времени вид молнии, поэтому последствия от нее могут быть разрушительными.
Поскольку на ее пути встречаются преграды, чтобы их обойти, молния вынуждена менять свое направление. Поэтому земли она достигает в виде небольшой лестницы. Скорость ее движения составляет примерно 50 тысяч километров в секунду.
После того как молния пройдет свой путь, она на несколько десятков микросекунд, заканчивает движение, при этом ее свет ослабевает. Затем начинается следующая стадия: повторение пройденного пути.
Самый последний разряд превосходит по яркости все предыдущие, а сила тока в нем может достигать сотен тысяч ампер. Температура же внутри молнии колеблется в районе 25 000 градусов.
Спрайт-молния . Эта разновидность была открыта учеными относительно недавно - в 1989 году. Данная молния очень редкая и была обнаружена совершенно случайно.Тем более, что длится она всего лишь какие-то десятые доли 1-й секунды.
От других электрических разрядов Спрайт отличается высотой, на которой она появляется – примерно 50-130 километров, в то время как другие виды не преодолевают 15-километровый рубеж.Кроме того, спрайт-молния отличается огромным диаметром, который может достигать 100 км.
Выглядит такая молния как вертикальный столб света и вспыхивает не по одиночке, а группами. Ее цвет может быть разным, и зависит от состава воздуха: ближе к земле, где больше кислорода, она зеленая, желтая или белая.А под влиянием азота, на высоте более 70 км, она приобретает ярко-красный оттенок.
Жемчужная молния . Эта молния, также, как и предыдущая, является редким природным явлением. Чаще всего она появляется после линейной и полностью повторяет ее траекторию. Она представляет собой шары, находящиеся на расстоянии друг от друга и напоминающие собой бусы.
Шаровая молния . Это особая разновидность. Природное явление, когда молния имеет форму шара, светящего и плывущего по небу. В этом случае траектория ее полета становится непредсказуемой, что делает ее еще опаснее для человека.
В большинстве случаев, шаровая молния возникает в сочетании с другими видами. Однако известны случаи, когда она появлялась даже в солнечную погоду. Размер шара может быть от десяти до двадцати сантиметров.
Цвет ее бывает голубой, либо оранжевый или белый. А температура настолько велика, что при неожиданном разрыве шара окружающая его жидкость испаряется, а металлические или стеклянные предметы плавятся.
Шар такой молнии способен существовать довольно длительное время. При перемещении он может неожиданно сменить свое направление, зависнуть в воздухе на несколько секунд, резко отклониться в одну из сторон. Она появляется в одном экземпляре, но всегда неожиданно. Шар может спуститься с туч, или внезапно появиться в воздухе из-за столба или дерева.
И если обычная молния может лишь ударить во что-либо - дом, дерево и т.д, то шаровая молния способна проникать внутрь замкнутого пространства (например комнату) через розетку, или вклученные бытовые приборы - телевизор и т.д.
Какие молнии считаются наиболее опасными?
Обычно за первым ударом грома и молнии следует второй. Это связано с тем, что электроны на первой вспышке создают возможность второму прохождению электронов. Поэтому последующие вспышки происходят одна за другой почти без временных промежутков, ударяя в одно и то же место.
Появляющаяся из тучи молния своим электрическим разрядом способна причинить серьезный вред человеку и даже убить. И даже если ее удар не попадет прямо в человека, а придется рядом, последствия для здоровья могут быть очень плохими.
Чтобы обезопасить себя, необходимо соблюдать некоторые правила:
Так во время грозы ни в коем случае нельзя купаться в реке или море! Непременно нужно всегда находиться на суше. При этом необходимо быть как можно ближе к поверхности земли. То есть не нужно забираться на дерево и ужтем более стоятьпод ним, особенно если оно одно посреди открытого места.
Кроме того, нельзя пользоваться любыми мобильными устройствами (телефонами, планшетами и т.д.), потому что они могут притягивать к себе молнию.
