Среди множества атмосферных явлений молния, несомненно, занимает особое место. Она чрезвычайно красива и зрелищна, а невероятная мощь ее ударов и сегодня приводит в ужас многих людей.
И это несмотря на то, что все они учились в школе и представляют, что такое электричество.
Древние представления о молнии
В древности молния вызывала у людей не менее сильные чувства. Ею восхищались и ее боялись, считая ее оружием богов. Не зря наиболее грозные и воинственные божества практически у всех народов были вооружены именно молниями: Зевс — у древних греков, Юпитер – у римлян, Перун – у славян.
В древнеиндийском пантеоне богов молнией были вооружены Шива-Разрушитель и Индра-Воин, у которого для метания молний даже имелось специальное оружие – ваджра.
В то же время молния нередко считалась символом пробуждения жизненных сил и энергии. Так, по верованиям древних китайцев, погодой управляла специальная небесная управа из четырех богов.
Молнией заведовала богиня Дянь-му, которая сближала и разводила небесные зеркала, начиная вспышкой молнии неуклонное движение жизни на полях и в сердцах людей. В христианстве молния символизирует Божественное откровение и Божественный суд.
Как образуется молния?
Сегодня всем известно, что молния – это мощный электрический разряд, возникающий между тучами. Но как именно он образуется, представляют далеко не все.
Грозовая туча – это облако водяного пара, имеющее размеры подчас в десятки километров. Его верхняя часть может находиться на высоте 6-7 км, в то время как нижняя – всего в полукилометре от земли.
На высоте 4 км всегда царит отрицательная температура, поэтому капельки пара там превращаются в льдинки. Хаотично перемещаясь, они постоянно трутся друг о друга, благодаря чему большинство из них приобретают электрический заряд: мелкие – положительный, крупные – отрицательный.
Под действием тяготения крупные льдинки опускаются в нижние слои тучи, скапливаясь там, а мелкие остаются наверху. Постепенно суммарная величина зарядов становится достаточно большой для того, чтобы возникшее между ними поле приобрело гигантскую напряженность.
Когда разнозаряженные части тучи сближаются, отдельные ионы и электроны, сорванные с места взаимным притяжением, устремляются навстречу друг другу, увлекая за собой соседей. Возникает плазменный канал разряда, распространяющийся по участкам тучи со скоростью в сотые доли секунды.
Иногда нижний край тучи нависает над землей достаточно низко, чтобы электрический пробой случился между тучей и поверхностью земли. Особенно «везет» в этом отношении отдельно стоящим пригоркам или деревьям, столбам и вышкам линий электропередач, которые становятся катализаторами разряда. Вот почему опасно в грозу оставаться под одиноким деревом на пригорке или электрическим столбом.
Температура внутри канала молнии достигает десяти тысяч градусов, а электрическое напряжение – нескольких сотен миллионов вольт. В то же время емкость облачного «конденсатора» совсем невелика – всего около 0,15 микрофарад. Раскаленная плазма выжигает воздух вокруг канала, который затем схлопывается, вызвав ударную волну, которую мы воспринимаем как гром.
Зарница
Молнии возникают не только в обычных облаках, состоящих из водяного пара. Для их образования необходимо, чтобы в воздухе находилась мелкодисперсная взвесь любого вещества, частицы которого будут тереться друг о друга и приобретать электрический заряд.
Так, в засушливое лето иногда можно увидеть «сухую грозу» — молнии, образованные в огромных тучах поднятой ветром пыли. Эти молнии называют зарницами.
Шаровая молния
Иногда во время грозы происходит образование шаровой молнии – шарообразного сгустка энергии небольшого размера. Это одно из наиболее малоизученных атмосферных явлений, повторить которое в лабораторных условиях, в отличие от обычной молнии, до сих пор не удалось.
Шарообразная молния может причинить вред человеку, которого она коснется, но немало и случаев, когда контакт с нею не приносил никаких неприятных ощущений.
Грозовые разряды (молнии ) - это наиболее распространенный источник мощных электромагнитных полей естественного происхождения. Молния представляет собой разновидность газового разряда при очень большой длине искры. Общая длина канала молнии достигает нескольких километров, причем значительная часть этого канала находится внутри грозового облака. молнии Причиной возникновения молний является образование большого объемного электрического заряда.
Обычным источником молний являются грозовые кучево-дождевые облака, несущие в себе скопление положительных и отрицательных электрических зарядов в верхней и нижней частях облака и образующие вокруг этого облака электрические поля возрастающей напряженности. Образование таких объемных зарядов различной полярности в облаке (поляризация облака) связано с конденсацией вследствие охлаждения водяных паров восходящих потоков теплого воздуха на положительных и отрицательных ионах (центрах конденсации) и разделением заряженных капелек влаги в облаке под действием интенсивных восходящих тепловых воздушных потоков. Из-за того, что в облаке образуется несколько изолированных друг от друга скоплений зарядов (в нижней части облака скапливаются преимущественно заряды отрицательной полярности).
Грозовые разряды по внешним признакам могут быть разделены на несколько типов. Обычный тип - линейная молния , с разновидностями: ленточная, ракетообразная, зигзагообразная и разветвленная. Наиболее редкий тип разрядов - шаровая молния. Известны разряды, носящие названия "Огни святого Эльма" и "Свечение Анд". Молния обычно бывает многократной, т.е. состоит из нескольких единичных разрядов, развивающихся по одному и тому же пути, причем каждый разряд, так же как и разряд, получаемый в лабораторных условиях, начинается лидерным и завершается обратным (главным) разрядом. Скорость опускания лидера первого единичного разряда примерно равна 1500 км/с, скорости лидеров последующих разрядов достигают 2000 км/с, а скорость обратного разряда изменяется в пределах 15000 -150000 км/с, т. е. от 0,05 до 0,5 скорости света. Канал лидера, как и канал всякого стримера, заполнен плазмой, следовательно, обладает определенной проводимостью.
Верхним концом лидерный канал соединен с одним из заряженных центров в облаке, поэтому часть зарядов этого центра стекает в канал лидера. Распределение заряда в канале должно быть неравномерным, возрастая к его концу. Однако некоторые косвенные измерения позволяют предположить, что абсолютная величина заряда на головке лидера невелика и в первом приближении канал можно считать равномерно заряженным с линейной плотностью зарядов S. Общий заряд в канале лидера в этом случае равен Q = S*l, где l - длина канала, причем обычно значение его составляет около 10% значения заряда, стекающего в землю во время единичного разряда молнии. В 70-80% всех случаев этот заряд имеет отрицательную полярность. По мере продвижения канала лидера под действием создаваемого им электрического поля в земле происходит смещение зарядов, причем заряды, противоположные по знаку зарядам лидера (обычно это положительные заряды), стремятся расположиться как можно ближе к головке лидерного канала. В случае однородного грунта эти заряды скапливаются непосредственно под лидерным каналом.
Если грунт неоднородный и основная его часть обладает большим удельным сопротивлением, заряды сосредоточиваются в участках с повышенной проводимостью (реки, грунтовые воды). При наличии заземленных возвышающихся объектов (молниеотводы, дымовые трубы, высокие здания, смоченные дождем деревья) заряды стягиваются к вершине объекта, создавая там значительную напряженность поля. На первых стадиях развития лидерного канала напряженность электрического поля на его головке определяется собственными зарядами лидера и находящимися под облаком скоплениями объемных зарядов. Траектория движения лидера не связана с земными объектами. По мере опускания лидера все большее влияние начинают оказывать скопления зарядов на земле и возвышающихся объектах. Начиная с определенной высоты головки лидера (высота ориентировки), напряженность поля по одному из направлений оказывается наибольшей, и происходит ориентирование лидера на один из наземных объектов. Естественно, что при этом преимущественно поражаются возвышающиеся объекты и участки земли с повышенной проводимостью (избирательная поражаемость). С очень высоких объектов навстречу лидеру развиваются встречные лидеры, наличие которых способствует ориентированию молнии на данный объект.
После того, как канал лидера достигнет земли или встречного лидера, начинается обратный разряд, во время которого канал лидера приобретает потенциал, практически равный потенциалу земли. На головке развивающегося вверх обратного разряда имеется область повышенной напряженности электрического поля, под действием которой происходит перестройка канала, сопровождающаяся увеличением плотности зарядов плазмы от 10^13 - 10^14 до 10^16 - 10^19 1/м3, благодаря чему проводимость канала увеличивается по крайней мере в 100 раз. Во время развития обратного разряда через место удара проходит ток iM = v, где v - скорость обратного разряда. Процесс, происходящий при переходе лидерного разряда в обратный разряд, во многом аналогичен процессу замыкания на землю вертикального заряженного провода.
Если заряженный провод замыкается на землю через сопротивление r, то ток в месте заземления равен: где z = волновое сопротивление провода. Таким образом, и при разряде молнии ток в месте удара будет равен v только при сопротивлении заземления, равном нулю. При сопротивлениях заземления, отличных от нуля, ток в месте удара уменьшается. Количественно определить это уменьшение довольно трудно, так как волновое сопротивление канала молнии можно оценить лишь грубо приближенно. Имеются основания предполагать, что волновое сопротивление канала молнии уменьшается при увеличении тока, причем среднее значение примерно равно 200 - 300 Ом. В таком случае при изменении сопротивления заземления объекта от 0 до 30 Ом ток в объекте изменяется всего на 10%. Такие объекты в дальнейшем мы будем называть хорошо заземленными и считать, что через них проходит полный ток молнии iM = v. Основные параметры молнии и интенсивность грозовой деятельности Молнии с большими токами возникают крайне редко. Так, молнии с токами 200 кА возникают в 0,7...1,0% случаев от общего числа наблюдавшихся разрядов.
Число случаев ударов молний с величиной тока 20 кА составляет порядка 50%. Поэтому принято значения амплитуд токов молний представлять в виде кривых вероятностей (функций распределения), для которых по оси ординат откладывается вероятность появления токов молнии с максимальным значением. Основной количественной характеристикой молнии является ток, протекающий через пораженный объект, который характеризуется максимальным значением iM, средней крутизной фронта и длительностью импульса tи, которая равна времени уменьшения тока до половины максимального значения. В настоящее время наибольшее количество данных имеется по максимальным значениям тока молнии, измерение которой осуществляется простейшими измерительными приборами - магниторегистраторами, которые представляют собой цилиндрические стерженьки, изготовленные из стальных опилок или проволочек, запрессованных в пластмассу. Магниторегистраторы укрепляются вблизи возвышающихся объектов (молниеотводы, опоры линий передач) и располагаются вдоль силовых линий магнитного поля, которое возникает при прохождении тока молнии через объект. Так как для изготовления регистраторов применяются материалы, обладающие большой коэрцитивной силой, они сохраняют большую остаточную намагниченность.
Измеряя эту намагниченность, можно с помощью градуировочных кривых определить максимальное значение на магничивающего тока. Измерения магниторегистраторами не обеспечивают большой точности, однако этот недостаток частично компенсируется огромным количеством измерений, которые к настоящему времени исчисляются десятками тысяч. Располагая вблизи от поражаемого объекта рамку, замкнутую на индуктивную катушку, можно измерить крутизну тока молнии с помощью магниторегистратора, помещенного внутри катушки. Измерения показали, что токи молнии изменяются в широких пределах от нескольких килоампер до сотен килоампер, поэтому результаты измерения представляются в виде кривых вероятностей (функций распределения) токов молнии, на которых по оси абсцисс откладывается вероятность появления токов молнии с максимальным значением, превышающим значение, указываемое ординатой.
В Украине при расчетах грозозащиты используется кривая Для горных местностей ординаты кривой уменьшаются в 2 раза, так как при малых расстояниях от земли до облаков молния возникает при меньшей плотности зарядов в скоплениях, т. е. вероятность больших токов уменьшается. Значительно большие трудности представляет экспериментальное определение крутизны и длительности импульса тока молнии, поэтому количество экспериментальных данных по этим параметрам относительно невелико. Длительность импульса тока молнии в основном определяется временем распространения обратного разряда от земли до облака и в связи с этим изменяется в относительно узких пределах от 20 до 80-100 мкс. Средняя длительность импульса тока молнии близка к 50 мкс, что и определило выбор стандартного импульса.
Наиболее важными с точки зрения оценок грозовой стойкости РЭС являются: величина переносимого молнией заряда, ток в канале молнии, число повторных ударов по одному каналу и интенсивность грозовой деятельности. Все эти параметры определяются не однозначно и носят вероятностный характер. Заряд, переносимый молнией, колеблется в процессе разряда в пределах от долей кулона до нескольких десятков кулон. Средний заряд, опускаемый в землю многократной молнией, равен 15 - 25 Кл. Учитывая, что в среднем разряд молнии содержит три компоненты, следовательно, во время одной компоненты в землю переносится около 5 - 8 Кл. Из них в канал лидера стекает около 60% всего данного скопления зарядов, что составляет 3 - 5 Кл. Удар молнии в равнинные участки поверхности земли несет заряд 10 - 50 Кл (в среднем 25 Кл), при ударах молнии в горах - заряд 30 - 100 Кл (в среднем 60 Кл), при разрядах в телевизионные башни заряд достигает 160 Кл.
При разрядах молнии в землю в подавляющем большинстве (85 - 90%) в землю переносится отрицательный заряд. Заряд, стекающий в землю во время многократной молнии, изменяется в пределах от долей кулона до 100 Кл и более. Среднее значение этого заряда близко к 20 Кл. Заряд, спускаемый в землю во время гроз, по-видимому, играет существенную роль в поддержании отрицательного заряда земли. Интенсивность грозовой деятельности в различных климатических районах различается очень сильно. Как правило, количество гроз в течение года минимально в северных районах и постепенно увеличивается к югу, где повышенная влажность воздуха и высокая температура способствуют образованию грозовых облаков. Однако эта тенденция соблюдается не всегда. Существуют очаги грозовой деятельности и в средних широтах (например, в районе Киева), где создаются благоприятные условия для формирования местных гроз.
Интенсивность грозовой деятельности принято характеризовать числом грозовых дней в году или общей годовой продолжительностью гроз в часах. Последняя характеристика более правильна, так как число ударов молнии в землю зависит не от числа гроз, а от их общей продолжительности. Число грозовых дней или часов в году определяется на основании многолетних наблюдений метеорологических станций, обобщение которых позволяет составить карты грозовой деятельности, на которые наносятся линии равной продолжительности гроз - изокеранические линии. Средняя продолжительность гроз за один грозовой день для территории европейской части России и Украины 1,5-2 ч.
Молния представляет собой мощнейший разряд электрической энергии. Природа его возникновения заключается в сильной электризации туч либо земной поверхности. По этой причине разряды происходят в самих облаках или между двумя соседними, или между облаком или землей. Большинство людей грозы боится. Явление действительно страшное. Мрачного вида тучи укрывают солнце, громыхает гром, сверкает молния, идет сильный ливень. Но откуда берется молния, как объяснить ребенку, что происходит наверху?
Откуда берется гром и молния объяснение для детей
Гремит гром и появляются молнии. Процесс возникновения молнии разделяют на первый удар и все последующие. Причина в том, что первичный удар создает путь для электороразряда. В нижней части тучи накапливается отрицательный разряд.
А положительным зарядом обладает земная поверхность. По этой причине электроны, расположенные в туче, притягиваются к земле и устремляются вниз. Как только первые электроны достигают поверхности земли, создается свободный для пропуска электрических разрядов канал, по которому оставшиеся электроны устремляются вниз. Электроны возле земли первыми уходят из канала. На их место спешат попасть другие. Создается условие, при котором весь отрицательный разряд энергии выходит из тучи, создавая мощный поток электричества, направленный в землю. Вот в такой момент и возможна вспышка молнии, сопровождающаяся раскатом грома.
Откуда берется шаровая молния
Молнии называют шаровыми? Такая молния считается особым видом, представляет собой плывущий по воздуху светящийся шар. Размер ее от десяти до двадцати сантиметров, цвет голубой, оранжевый или белый. Температура такого шара настолько велика, что при неожиданном разрыве окружающая его жидкость испаряется, а металлические или стеклянные предметы плавятся.
Существовать такой шарик способен длительное время. При перемещении он может неожиданно сменить свое направление, зависнуть в воздухе на несколько секунд, резко отклониться в одну из сторон.
Образуется шаровая молния чаще всего во время грозы, но бывают случаи, когда ее видят в солнечную погоду. Ее появление происходит в одном экземпляре, неожиданно. Шар способен спуститься с туч, появиться в воздухе из-за столба или дерева довольно неожиданно. Она способна проникнуть в замкнутое пространство через розетку, телевизор.
Откуда гроза и молния
Стихии, чтобы проявить свою силу, необходимы определенные обстоятельства. Наэлектризованные облака создают молнию. Но чтобы пробить атмосферный слой, не в каждом облаке содержится достаточная для этого мощность. Грозовым будет считаться то облако, высота которого достигает нескольких тысяч метров. Низ тучи располагается у земной поверхности, температурный режим там выше, чем в верхней части облака, где капли воды способны замерзать.
Массы воздуха находятся в постоянном движении. Теплый воздух уходит вверх, – опускается. При движении частиц они электризуются. В различных частях облака накапливается неодинаковый потенциал. При достижении критического значения происходит вспышка, которую сопровождают раскаты грома.
Опасные молнии
Обычно за первым ударом следует второй. Связано это стем, что электроны на первой вспышке ионизируют воздух, создавая возможность второму прохождению электронов. Поэтому последующие вспышки происходят почти без пауз, ударяя в одно и то же место. Появляющаяся из тучи молния способна причинить существенный вред своим электрическим разрядом для человека. Даже если ее удар придется рядом, последствия негативно скажутся на здоровье.
При грозе необходимо быть на суше, как можно ближе к поверхности земли. Желательно при этом не пользоваться мобильными устройствами.
16.05.2017 18:00
5102
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.
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. - ISBN 1-57607-645-8
- // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : В 86 томах (82 т. и 4 доп.). - СПб. , 1890-1907.
- Правила поведения во время грозы (рус.) . VLBoat.ru. Архивировано из первоисточника 23 августа 2011. Проверено 17 марта 2010.