Процесс образования молнии. Молния. Люди и молния
Lightning 1882
(c) Photographer: William N. Jennings, c. 1882
Электрическая природа молнии была раскрыта в исследованиях американского физика Б. Франклина , по идее которого был проведён опыт по извлечению электричества из грозового облака. Широко известен опыт Франклина по выяснению электрической природы молнии. В 1750 году им опубликована работа, в которой описан эксперимент с использованием воздушного змея, запущенного в грозу. Опыт Франклина был описан в работе Джозефа Пристли .
Физические свойства молнии
Средняя длина молнии 2,5 км, некоторые разряды простираются в атмосфере на расстояние до 20 км.
Формирование молнии
Наиболее часто молния возникает в кучево-дождевых облаках , тогда они называются грозовыми; иногда молния образуется в слоисто-дождевых облаках, а также при вулканических извержениях, торнадо и пылевых бурях.
Обычно наблюдаются линейные молнии, которые относятся к так называемым безэлектродным разрядам, так как они начинаются (и заканчиваются) в скоплениях заряженных частиц. Это определяет их некоторые до сих пор не объяснённые свойства, отличающие молнии от разрядов между электродами. Так, молнии не бывают короче нескольких сотен метров; они возникают в электрических полях значительно более слабых, чем поля при межэлектродных разрядах; сбор зарядов, переносимых молнией, происходит за тысячные доли секунды с миллиардов мелких, хорошо изолированных друг от друга частиц, расположенных в объёме нескольких км³. Наиболее изучен процесс развития молнии в грозовых облаках, при этом молнии могут проходить в самих облаках - внутриоблачные молнии , а могут ударять в землю - наземные молнии . Для возникновения молнии необходимо, чтобы в относительно малом (но не меньше некоторого критического) объёме облака образовалось электрическое поле (см. атмосферное электричество) с напряжённостью, достаточной для начала электрического разряда (~ 1 МВ/м), а в значительной части облака существовало бы поле со средней напряжённостью, достаточной для поддержания начавшегося разряда (~ 0,1-0,2 МВ/м). В молнии электрическая энергия облака превращается в тепловую, световую и звуковую.
Наземные молнии
Процесс развития наземной молнии состоит из нескольких стадий. На первой стадии, в зоне, где электрическое поле достигает критического значения, начинается ударная ионизация , создаваемая вначале свободными зарядами, всегда имеющимися в небольшом количестве в воздухе, которые под действием электрического поля приобретают значительные скорости по направлению к земле и, сталкиваясь с молекулами, составляющими воздух, ионизуют их.
По более современным представлениям, ионизация атмосферы для прохождения разряда происходит под влиянием высокоэнергетического космического излучения - частиц с энергиями 10 12 -10 15 эВ , формирующих широкий атмосферный ливень (ШАЛ) с понижением пробивного напряжения воздуха на порядок от такового при нормальных условиях.
По одной из гипотез, частицы запускают процесс, получивший название пробоя на убегающих электронах . 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 .
Движение лидера к земной поверхности происходит ступенями в несколько десятков метров со скоростью ~ 50 000 километров в секунду, после чего его движение приостанавливается на несколько десятков микросекунд, а свечение сильно ослабевает; затем в последующей стадии лидер снова продвигается на несколько десятков метров. Яркое свечение охватывает при этом все пройденные ступени; затем следуют снова остановка и ослабление свечения. Эти процессы повторяются при движении лидера до поверхности земли со средней скоростью 200 000 метров в секунду.
По мере продвижения лидера к земле напряжённость поля на его конце усиливается и под его действием из выступающих на поверхности Земли предметов выбрасывается ответный стример , соединяющийся с лидером. Эта особенность молнии используется для создания молниеотвода .
В заключительной стадии по ионизованному лидером каналу следует обратный (снизу вверх), или главный, разряд молнии , характеризующийся токами от десятков до сотен тысяч ампер, яркостью, заметно превышающей яркость лидера , и большой скоростью продвижения, вначале доходящей до ~ 100 000 километров в секунду, а в конце уменьшающейся до ~ 10 000 километров в секунду. Температура канала при главном разряде может превышать 2000-3000 °C. Длина канала молнии может быть от 1 до 10 км, диаметр - несколько сантиметров. После прохождения импульса тока ионизация канала и его свечение ослабевают. В финальной стадии ток молнии может длиться сотые и даже десятые доли секунды, достигая сотен и тысяч ампер. Такие молнии называют затяжными, они наиболее часто вызывают пожары. Но земля не является заряженой, поэтому принято считать что разряд молнии происходит от облака по направлению к земле(сверху вниз).
Главный разряд разряжает нередко только часть облака. Заряды, расположенные на больших высотах, могут дать начало новому (стреловидному) лидеру, движущемуся непрерывно со скоростью в тысячи километров в секунду. Яркость его свечения близка к яркости ступенчатого лидера. Когда стреловидный лидер доходит до поверхности земли, следует второй главный удар, подобный первому. Обычно молния включает несколько повторных разрядов, но их число может доходить и до нескольких десятков. Длительность многократной молнии может превышать 1 сек. Смещение канала многократной молнии ветром создаёт так называемую ленточную молнию - светящуюся полосу.
Внутриоблачные молнии
Внутриоблачные молнии над Тулузой, Франция. 2006 год
Внутриоблачные молнии включают в себя обычно только лидерные стадии; их длина колеблется от 1 до 150 км. Доля внутриоблачных молний растет по мере смещения к экватору , меняясь от 0,5 в умеренных широтах до 0,9 в экваториальной полосе. Прохождение молнии сопровождается изменениями электрических и магнитных полей и радиоизлучением , так называемыми атмосфериками .
Полёт из Калькутты в Мумбаи.
Вероятность поражения молнией наземного объекта растет по мере увеличения его высоты и с увеличением электропроводности почвы на поверхности или на некоторой глубине (на этих факторах основано действие громоотвода). Если в облаке существует электрическое поле, достаточное для поддержания разряда, но недостаточное для его возникновения, роль инициатора молнии может выполнить длинный металлический трос или самолёт - особенно, если он сильно электрически заряжен. Таким образом иногда «провоцируются» молнии в слоисто-дождевых и мощных кучевых облаках .
Молнии в верхней атмосфере
В 1989 году был обнаружен особый вид молний - эльфы, молнии в верхней атмосфере . В 1995 году был открыт другой вид молний в верхней атмосфере - джеты .
Эльфы
Джеты
Джеты представляют собой трубки-конусы синего цвета. Высота джетов может достигать 40-70 км (нижняя граница ионосферы), живут джеты относительно дольше эльфов .
Спрайты
Спрайты трудно различимы, но они появляются почти в любую грозу на высоте от 55 до 130 километров (высота образования «обычных» молний - не более 16 километров). Это некое подобие молнии, бьющей из облака вверх. Впервые это явление было зафиксировано в 1989 году случайно. Сейчас о физической природе спрайтов известно крайне мало .
Взаимодействие молнии с поверхностью земли и расположенными на ней объектами
Глобальная частота ударов молний (шкала показывает число ударов в год на квадратный километр)
Согласно ранним оценкам, частота ударов молний на Земле составляет 100 раз в секунду. По современным данным, полученным с помощью спутников, которые могут обнаруживать молнии в местах, где не ведётся наземное наблюдение, эта частота составляет в среднем 44 ± 5 раз в секунду, что соответствует примерно 1,4 миллиарда молний в год. 75 % этих молний ударяет между облаками или внутри облаков, а 25 % - в землю.
Самые мощные молнии вызывают рождение фульгуритов .
Ударная волна от молнии
Разряд молнии является электрическим взрывом и в некоторых аспектах похож на детонацию . Он вызывает появление ударной волны, опасной в непосредственной близости. Ударная волна от достаточно мощного грозового разряда на расстояниях до нескольких метров может наносить разрушения, ломать деревья, травмировать и контузить людей даже без непосредственного поражения электрическим током. Например, при скорости нарастания тока 30 тысяч ампер за 0,1 миллисекунду и диаметре канала 10 см могут наблюдаться следующие давления ударной волны :
- на расстоянии от центра 5 см (граница светящегося канала молнии) - 0,93 МПа,
- на расстоянии 0,5 м - 0,025 МПа (разрушение непрочных строительных конструкций и травмы человека),
- на расстоянии 5 м - 0,002 МПа (выбивание стёкол и временное оглушение человека).
На бо́льших расстояниях ударная волна вырождается в звуковую волну - гром .
Люди и молния
Молнии - серьёзная угроза для жизни людей. Поражение человека или животного молнией часто происходит на открытых пространствах, так как электрический ток идёт по кратчайшему пути «грозовое облако-земля». Часто молния попадает в деревья и трансформаторные установки на железной дороге, вызывая их возгорание. Поражение обычной линейной молнией внутри здания невозможно, однако бытует мнение, что так называемая шаровая молния может проникать через щели и открытые окна. Обычный грозовой разряд опасен для телевизионных и радиоантенн, расположенных на крышах высотных зданий, а также для сетевого оборудования.
В организме пострадавших отмечаются такие же патологические изменения, как при поражении электротоком. Жертва теряет сознание , падает, могут отмечаться судороги , часто останавливается дыхание и сердцебиение . На теле обычно можно обнаружить «метки тока», места входа и выхода электричества. В случае смертельного исхода причиной прекращения основных жизненных функций является внезапная остановка дыхания и сердцебиения, от прямого действия молнии на дыхательный и сосудодвигательный центры продолговатого мозга. На коже часто остаются так называемые знаки молнии, древовидные светло-розовые или красные полосы, исчезающие при надавливании пальцами (сохраняются в течение 1 - 2 суток после смерти). Они - результат расширения капилляров в зоне контакта молнии с телом.
Молния проходит в стволе дерева по пути наименьшего электрического сопротивления , с выделением большого количества тепла, превращая воду в пар, который раскалывает ствол дерева или чаще отрывает от него участки коры, показывая путь молнии. В следующие сезоны деревья обычно восстанавливают повреждённые ткани и могут закрывать рану целиком, оставив только вертикальный шрам. Если ущерб является слишком серьёзным, ветер и вредители в конечном итоге убивают дерево. Деревья являются естественными громоотводами , и, как известно, обеспечивают защиту от удара молнии для близлежащих зданий. Посаженные возле здания, высокие деревья улавливают молнии, а высокая биомасса корневой системы помогает заземлять разряд молнии.
По этой причине нельзя прятаться от дождя под деревьями во время грозы, особенно под высокими или одиночными на открытой местности.
Из деревьев, поражённых молнией, делают музыкальные инструменты, приписывая им уникальные свойства.
Молния и электроустановки
Разряды молний представляют большую опасность для электрического и электронного оборудования. При прямом попадании молнии в провода в линии возникает перенапряжение , вызывающее разрушение изоляции электрооборудования, а большие токи обуславливают термические повреждения проводников. Для защиты от грозовых перенапряжений электрические подстанции и распределительные сети оборудуются различными видами защитного оборудования таким как разрядниками , нелинейными ограничителями перенапряжения, длинноискровыми разрядниками. Для защиты от прямого попадания молнии используются молниеотводы и грозозащитные тросы. Для электронных устройств представляет опасность также и электромагнитный импульс , создаваемый молнией.
Молния и авиация
Атмосферное электричество вообще и молнии в частности представляют значительную угрозу для авиации. Попадание молнии в летательный аппарат вызывает растекание тока большой величины по его конструкционным элементам, что может вызвать их разрушение, пожар в топливных баках, отказы оборудования, гибель людей. Для снижения риска металлические элементы наружной обшивки летательных аппаратов тщательно электрически соединяются друг с другом, а неметаллические элементы металлизируются. Таким образом, обеспечивается низкое электрическое сопротивление корпуса. Для стекания тока молнии и другого атмосферного электричества с корпуса, летательные аппараты оборудуются разрядниками.
Ввиду того, что электрическая емкость самолёта, находящегося в воздухе невелика, разряд «облако-самолёт» обладает существенно меньшей энергией по сравнению с разрядом «облако-земля». Наиболее опасна молния для низколетящего самолёта или вертолёта, так как в этом случае летательный аппарат может сыграть роль проводника тока молнии из облака в землю. Известно, что самолёты на больших высотах сравнительно часто поражаются молнией и тем не менее, случаи катастроф по этой причине единичны. В то же время известно очень много случаев поражения самолётов молнией на взлете и посадке, а также на стоянке, которые закончились катастрофами или уничтожением летательного аппарата.
Молния и надводные корабли
Молния также представляет очень большую угрозу для надводных кораблей в виду того, что последние приподняты над поверхностью моря и имеют много острых элементов (мачты, антенны), являющихся концентраторами напряженности электрического поля. Во времена деревянных парусников, обладающих высоким удельным сопротивлением корпуса, удар молнии практически всегда заканчивался для корабля трагически: корабль сгорал или разрушался, от поражения электрическим током гибли люди. Клёпаные стальные суда также были уязвимы для молнии. Высокое удельное сопротивление заклёпочных швов вызывало значительное локальное тепловыделение, что приводило к возникновению электрической дуги, пожарам, разрушению заклёпок и появлению водотечности корпуса.
Сварной корпус современных судов обладает низким удельным сопротивлением и обеспечивает безопасное растекание тока молнии. Выступающие элементы надстройки современных судов надежно электрически соединяются с корпусом и также обеспечивают безопасное растекание тока молнии.
Деятельность человека, вызывающая молнию
При наземном ядерном взрыве за доли секунды до прихода границы огненной полусферы в нескольких сотнях метров (~400-700 м при сравнении со взрывом 10,4 Мт) от центра дошедшее гамма-излучение продуцирует электромагнитный импульс с напряжённостью на уровне ~100-1000 кВ/м, вызвающий разряды молний, бьющих от земли вверх перед приходом границы огненной полусферы.
См. также
| молния в Викисловаре | |
| Category:Lightning на Викискладе |
Примечания
- Ермаков В.И., Стожков Ю.И. Физика грозовых облаков // Физический институт им. П.Н. Лебедева, РАН, М.2004 г. :37
- В возникновении молний обвинили космические лучи Lenta.Ru , 09.02.2009
- Красные Эльфы и Синие Джеты
- ELVES, a primer: Ionospheric Heating By the Electromagnetic Pulses from Lightning
- Fractal Models of Blue Jets, Blue Starters Show Similarity, Differences to Red Sprites
- V.P. Pasko, M.A. Stanley, J.D. Matthews, U.S. Inan, and T.G. Wood (March 14, 2002) "Electrical discharge from a thundercloud top to the lower ionosphere, " Nature , vol. 416, pages 152-154.
- Появление НЛО объяснили спрайтами . lenta.ru (24.02.2009). Архивировано из первоисточника 23 августа 2011. Проверено 16 января 2010.
- John E. Oliver Encyclopedia of World Climatology . - National Oceanic and Atmospheric Administration, 2005. - ISBN 978-1-4020-3264-6
- . National Oceanic and Atmospheric Administration. Архивировано
- . NASA Science. Science News. (December 5, 2001). Архивировано из первоисточника 23 августа 2011. Проверено 15 апреля 2011.
- К. БОГДАНОВ «МОЛНИЯ: БОЛЬШЕ ВОПРОСОВ, ЧЕМ ОТВЕТОВ». «Наука и жизнь» № 2, 2007
- Живлюк Ю.Н., Мандельштам С.Л. О температуре молнии и силе грома // ЖЭТФ. 1961. Т. 40, вып. 2. С. 483-487.
- Н. А. Кун «Легенды и мифы Древней Греции» ООО «Издательство АСТ» 2005-538,с. ISBN 5-17-005305-3 Стр.35-36.
- Editors: Mariko Namba Walter,Eva Jane Neumann Fridman Shamanism: an encyclopedia of world beliefs, practices, and culture. - ABC-CLIO, 2004. - Т. 2. - С. 442. -
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.
Вот еще недавно чистое, ясное небо затянули облака. Упали первые капли дождя. А в скором времени стихия продемонстрировала земле свою силу. Гром и молния пронзили грозовое небо. Откуда приходят подобные явления? Человечество множество веков видело в них проявление божественной силы. Сегодня мы знаем о возникновении таких явлений.
Происхождение грозовых туч
Облака появляются в небе из конденсата, поднимающегося высоко над землей, и парят в небе. Тучи же более тяжелые и большие. Они приносят с собой все "спецэффекты", присущие непогоде.
Грозовые облака отличаются от обычных наличием заряда электричества. Причем есть тучи с положительным зарядом, а есть с отрицательным.
Чтобы понять, откуда берутся гром и молния, следует подняться выше над землей. В небе, где нет препятствий для вольного полета, дуют ветра сильнее, чем на земле. Именно они провоцируют заряд в облаках.
Происхождение грома и молнии может объяснить всего одна капля воды. Она имеет положительный заряд электричества в центре и отрицательный снаружи. Ветер разбивает ее на части. Одна из них остается с отрицательным зарядом и имеет меньший вес. Более тяжелые положительно заряженные капли образуют такие же тучи.
Дождь и электричество
До того как в грозовом небе появятся гром и молния, ветер разделяет облака на положительно и отрицательно заряженные. Дождь, падающий на землю, уносит часть этого электричества с собой. Между тучей и поверхностью земли образовывается притяжение.
Отрицательный заряд тучи будет притягивать положительный на земле. Это притяжение будет располагаться равномерно на всех поверхностях, находящихся на возвышенности, и проводящих ток.
И вот дождь создает все условия для появления грома и молнии. Чем выше предмет к туче, тем легче молнии пробиться к нему.
Происхождение молнии
Погода подготовила все условия, которые помогут появиться всем ее эффектам. Она создала тучи, откуда берутся гром и молния.
Заряженная отрицательным электричеством крыша притягивает к себе положительный заряд наиболее возвышенного предмета. Его отрицательное электричество уйдет в землю.
Обе эти противоположности стремятся притянуться друг к другу. Чем больше в туче электричества, тем больше его и в самом возвышенном предмете.
Накапливаясь в туче, электричество может прорвать слой воздуха, находящийся между ней и предметом, и появится сверкающая молния, прогремит гром.
Как развивается молния
Когда бушует гроза, молния, гром сопровождают ее беспрестанно. Чаще всего искра происходит из отрицательно заряженной тучи. Она развивается постепенно.
Сначала из тучи по каналу, направленному к земле, течет небольшой поток электронов. В этом месте тучи скапливаются электроны, двигающиеся с большой скоростью. Благодаря этому электроны сталкиваются с атомами воздуха и разбивают их. Получаются отдельные ядра, а также электроны. Последние также устремляются к земле. Пока они движутся по каналу, все первичные и вторичные электроны снова расщепляют стоящие у них на пути атомы воздуха на ядра и электроны.
Весь процесс похож на лавину. Он двигается по нарастающей. Воздух разогревается, его проводимость увеличивается.
Все сильнее электричество из тучи стекается к земле со скоростью 100 км/с. В этот момент молния пробивает себе канал к земле. По этой дороге, проложенной лидером, электричество начинает течь еще быстрее. Происходит разряд, имеющий огромную силу. Достигая своего пика, разряд уменьшается. Канал, разогретый таким мощным током, светится. И в небе становится видно молнию. Протекает такой разряд недолго.
После первого разряда часто следует второй по проложенному каналу.
Как появляется гром
Гром, молния, дождь неразлучны при грозе.
Гром возникает по следующей причине. Ток в канале молнии образуется очень быстро. Воздух при этом очень нагревается. От этого он расширяется.
Это происходит так быстро, что напоминает взрыв. Такой толчок сильно сотрясает воздух. Эти колебания и приводят к появлению громкого звука. Вот откуда берутся молния и гром.
Как только электричество из тучи достигнет земли и исчезнет из канала, он очень быстро охлаждается. Сжатие воздуха также приводит к раскатам грома.
Чем больше молний прошло по каналу (их может быть до 50 штук), тем продолжительнее сотрясения воздуха. Этот звук отражается от предметов и туч, и происходит эхо.
Почему есть интервал между молнией и громом
В грозу за появлением молнии следует гром. Опоздание его от молнии происходит из-за разных скоростей их движения. Звук движется с относительно небольшой скоростью (330 м/с). Это всего в 1,5 раза быстрее движения современного "Боинга". Скорость света гораздо больше скорости звука.
Благодаря такому интервалу можно определить, как далеко от наблюдателя находятся сверкающие молнии и гром.
Например, если между молнией и громом прошло 5 с, это значит, что звук прошел 330 м 5 раз. Путем умножения легко посчитать, что молнии от наблюдателя были на расстоянии 1650 м. Если гроза проходит ближе, чем 3 км от человека, она считается близкой. Если расстояние в соответствии с появлением молнии и грома дальше, то и гроза дальняя.
Молния в цифрах
Гром и молния были изменены учеными, и результаты их исследований представлены общественности.
Было установлено, что разница потенциалов, предшествующих молнии, достигает миллиардов вольт. Сила тока при этом в момент разряда достигает 100 тыс. А.
Температура в канале разогревается до 30 тыс. градусов и превышает температуру на поверхности Солнца. От облаков до земли молния проходит со скоростью 1000 км/с (за 0,002 с).
Внутренний канал, по которому течет ток, не превышает 1 см, хотя видимый достигает 1 м.
В мире непрерывно происходит около 1800 гроз. Вероятность быть убитым молнией составляет 1:2000000 (такая же, как умереть при падении с кровати). Вероятность увидеть шаровую молнию равна 1 к 10000.
Шаровая молния
На пути изучения того, откуда гром и молния происходят в природе, самым загадочным явлением выступает шаровая молния. Эти круглые огненные разряды до конца еще не изучены.
Чаще всего форма такой молнии напоминает грушу или арбуз. Она существует до нескольких минут. Появляется в конце грозы в виде красных сгустков от 10 до 20 см в поперечнике. Наибольшая шаровая молния, сфотографированная однажды, была около 10 м в диаметре. Она издает жужжащий, шипящий звук.
Исчезнуть может тихо или с небольшим треском, оставляя запах гари и дымок.
Движение молнии не зависит от ветра. Их тянет в закрытые помещения через окна, двери и даже щели. Если соприкасаются с человеком, оставляют сильные ожоги и могут привести к летальному исходу.
До сих пор причины появления шаровой молнии были неизвестны. Однако это не является свидетельством ее мистического происхождения. В этой области ведутся исследования, которые смогут объяснить сущность такого явления.
Ознакомившись с такими явлениями, как гром и молния, можно понять механизм их возникновения. Это последовательный и довольно сложный физико-химический процесс. Он представляет собой одно из самых интересных явлений природы, которое встречается повсеместно и потому затрагивает практически каждого человека на планете. Ученые разгадали загадки практически всех видов молний и даже измеряли их. Шаровая молния на сегодняшний день выступает единственной нераскрытой тайной природы в области образования подобных явлений природы.
Молния
Мы часто думаем, что электричество - это нечто такое, что вырабатывается только на электростанциях, а уж никак не в волокнистых массах водяных облаков, которые настолько разрежены, что в них спокойно можно просунуть руку. Тем не менее, в облаках есть электричество, как есть даже в человеческом теле.
Природа электричества
Все тела состоят из атомов - от облаков и деревьев до человеческого организма. У каждого атома есть ядро, несущее положительно заряженные протоны и нейтральные нейтроны. Исключением является простейший атом водорода, в ядре которого нет нейтрона, а есть только один протон.
Вокруг ядра обращаются отрицательно заряженные электроны. Положительные и отрицательные заряды взаимно притягиваются, поэтому электроны вращаются вокруг ядра атома, как пчелы около сладкого пирога. Притяжение между протонами и электронами обусловлено электромагнитными силами. Поэтому электричество присутствует везде, куда бы мы ни посмотрели. Как мы видим, оно содержится и в атомах.
В нормальных условиях положительные и отрицательные заряды каждого атома уравновешивают друг друга, поэтому тела, состоящие из атомов, обычно не несут никакого суммарного заряда - ни положительного, ни отрицательного. В результате соприкосновение с другими предметами не вызывает электрического разряда. Но иногда равновесие электрических зарядов в телах может нарушиться. Возможно, вы это испытываете на себе, находясь дома в холодный зимний день. В доме очень сухо и жарко. Вы, шаркая босыми ногами, ходите по паласу. Незаметно для вас часть электронов с ваших подошв перешла к атомам ковра.
Материалы по теме:
Разноцветные дожди
Вот теперь вы несете электрический заряд, так как количество протонов и электронов в ваших атомах уже не сбалансировано. Попробуйте теперь взяться за металлическую ручку двери. Между вами и ею проскочит искра, и вы почувствуете электрический удар. Произошло вот что - ваше тело, которому не хватает электронов для достижения электрического равновесия, стремится за счет сил электромагнитного притяжения восстановить равновесие. И оно восстанавливается. Между рукой и дверной ручкой возникает поток электронов, направленный к руке. Если бы в комнате было темно, то вы увидели бы искры. Свет виден потому, что электроны при перескакивании испускают кванты света. Если в комнате тихо, вы услышите легкое потрескивание.
Электричество окружает нас повсюду и содержится во всех телах. Облака в этом смысле - не исключение. На фоне голубого неба они выглядят очень безобидными. Но так же, как вы в комнате, они могут нести электрический заряд. Если это так - берегитесь! Когда облако восстанавливает электрическое равновесие внутри себя - вспыхивает целый фейерверк.
Как появляется молния?
Вот что при этом происходит: в темном огромном грозовом облаке постоянно циркулируют мощные воздушные потоки, которые сталкивают между собой разнообразные частицы - крупинки океанической соли, пыль и так далее. Точно так же, как ваши подошвы при трении о ковер освобождаются от электронов, и частицы в облаке при столкновении освобождаются от электронов, которые перескакивают на другие частицы. Так возникает перераспределение зарядов. На одних частицах, которые потеряли свои электроны, имеется положительный заряд, на других, которые приняли на себя лишние электроны, теперь отрицательный заряд.
Материалы по теме:
Дожди на других планетах
По причинам, которые не вполне ясны, более тяжелые частицы заряжаются отрицательно, а более легкие - положительно. Таким образом, более тяжелая нижняя часть облака заряжается отрицательно. Отрицательно заряженная нижняя часть облака отталкивает в сторону земли электроны, так как одноименные заряды отталкиваются. Таким образом, под облаком формируется положительно заряженная часть земной поверхности. Затем точно по такому же принципу, по которому между вами и дверной ручкой проскакивает искра, между облаком и землей проскочит такая же искра, только очень большая и мощная это и есть молния. Электроны гигантским зигзагом летят к земле, находя там свои протоны. Вместо едва слышного потрескивания раздается сильный удар грома.
Если просмотреть весь процесс в замедленном темпе, то вот что мы увидим. Из основания облака выступает тускло светящаяся полоса, называемая проводником. Проводник, он же «лидер», начинает быстрыми извилистыми движениями приближаться к земле. Сначала он проскакивает на 50 метров вправо, потом на 50 метров влево. Это тот самый зигзаг, который мы видим в небе. Путь лидера к земле продолжается в течение долей секунды, сила тока в молнии достигает 200 ампер. В домашней проводке сила тока не превышает 6 ампер. Когда лидер находится на расстоянии около 20 метров от земли, от нее в направлении к лидеру выскакивает искра и соединяется с ним. Ослепительный зигзаг несется кверху, к облаку, сила тока при этом достигает 10000 ампер.
