От чего происходит гром и молния. Физика атмосферы: как, почему и откуда появляются молнии. Молнии в верхней атмосфере
Электрическая природа молнии была раскрыта в исследованиях американского физика Б. Франклина, по инициативе которого был проведен опыт по извлечению электричества из грозового облака. Широко известен опыт Франклина по выяснению электрической природы молнии. В 1750 г. им была опубликована работа, в которой был описан эксперимент с использованием воздушного змея, запущенного в грозу. Опыт Франклина был описан в работе Джозефа Пристли.
Средняя длина молнии 2,5 км, некоторые разряды простираются в атмосфере на расстояние до 20 км.
Как происходит 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.
Схема возникновения молнии: а - формирование; б - разряд.
Для возникновения молнии необходимо, чтобы в относительно малом (но не меньше некоторого критического) объёме облака образовалось электрическое поле 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 и световую.
Обычно наблюдаются линейные молнии, которые относятся к так называемым безэлектродным разрядам, так как они начинаются (и кончаются) в скоплениях заряженных частиц. Это определяет их некоторые до сих пор необъяснённые 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 несколько кв.км.
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).
Наземные молнии
Схема развития наземной молнии: а, б - две ступени лидера; 1 - облако; 2 - стримеры; 3 - канал ступенчатого лидера; 4 - корона канала; 5 - импульсная корона на головке канала; в - образование главного канала молнии (К).
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 электронами, 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, ионизируют их.
По более современным представлениям, разряд инициируют высокоэнергетические космические лучи, которые 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 25 000 °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.
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 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.
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.
В каждую секунду около 50 молний ударяются в поверхность земли, и в среднем каждый ее квадратный километр молния поражает шесть раз за год.
Люди и молния
Молнии - серьезная угроза для жизни людей. Поражение человека или животного молнией часто происходит на открытых пространствах, т.к. электрический ток идет 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 от молнии отмечаются такие же патологические изменения, как при поражении электротоком. Жертва теряет сознание, падает, у него могут начаться судороги, часто останавливается дыхание и сердцебиение. На теле обычно можно обнаружить «метки тока» - места входа и выхода электричества.
Это 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. 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.
При поражении молнией первая медицинская помощь должна быть неотложной. В тяжелых случаях (остановка дыхания и сердцебиения) необходима реанимация, её должен оказать, не ожидая медицинских работников, любой свидетель несчастья. Реанимация эффективна только в первые минуты после поражения молнией, через 10-15 минут она, как правило, уже неэффективна. Экстренная госпитализация необходима во всех случаях.
Жертвы молний
В мифологии и литературе:
- Асклепий (Эскулап), сын Аполлона - бог врачей и врачебного искусства, не только исцелял, но и оживлял мёртвых. Чтобы восстановить нарушенный мировой порядок, Зевс поразил его своей молнией;
- Фаэтон, сын бога солнца Гелиоса - однажды взялся управлять солнечной колесницей своего отца, но не сдержал огнедышащих коней и едва не погубил в страшном пламени Землю. Разгневанный Зевс пронзил Фаэтона молниями.
Исторические личности:
- российский академик Г. В. Рихман - в 1753 году погиб от удара молнии;
- народный депутат Украины, экс-губернатор Ровенской области В. Червоний 4 Июля 2009 года погиб от удара молнии.
- Рой Салли Ван остался живым после семи ударов молнией;
- американский майор Саммерфорд умер после продолжительной болезни (результат удара третьей молнией). Четвертая молния полностью разрушила его памятник на кладбище;
- у индейцев Анд удар молнией считается необходимым для достижения высших уровней шаманской инициации.
Деревья и молния
Высокие деревья - частая мишень для молний. На реликтовых деревьях-долгожителях легко можно найти множественные шрамы от молний. Считается, что одиночно стоящее дерево чаще поражается молнией, хотя в некоторых лесных районах шрамы от молний можно увидеть почти на каждом дереве. Сухие деревья от удара молнии загораются. Чаще удары молнии бывают направлены в дуб, реже всего в бук, что, по-видимому, зависит от различного количества жирных масел в них, представляющих большое сопротивление электричеству.
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 поврежденные ткани и могут закрывать рану целиком, оставив только вертикальный шрам. Если ущерб является слишком серьезным, 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.
Из деревьев, пораженных молнией, делают музыкальные инструменты, приписывая им уникальные свойства.
Многие люди боятся страшного явления природы - грозы. Это обычно происходит, когда солнце закрывается мрачными тучами, гремит жуткий гром и идет сильный дождь.
Конечно, бояться молнии следует, ведь она может даже убить или стать Это известно давно, поэтому и придумали различные средства для защиты от молний и грома (например, металлические шесты).
Что же происходит там наверху и откуда берется гром? И молния как возникает?
Грозовые тучи
Обычно огромные. По высоте они достигают нескольких километров. Визуально не видно, как внутри этих гремучих туч все бурлит и кипит. Это воздуха, включающие в себя капельки воды, с большой скоростью перемещаются снизу вверх и наоборот.
Самая верхняя часть этих туч по температуре достигает -40 градусов, и капли воды, попадающие в эту часть тучи, замерзают.
О происхождении грозовых туч
Прежде чем мы узнаем, откуда берется гром и молния как возникает, вкратце опишем, как формируются грозовые тучи.
Большая часть этих явлений происходит не над водной гладью планеты, а над континентами. Кроме того, грозовые облака интенсивно формируются над континентами тропических широт, где у поверхности земли воздух (в отличие от воздуха над водной поверхностью) сильно прогревается и поднимается быстро вверх.
Обычно на склонах разных возвышенностей образуется подобный прогретого воздуха, который втягивает в себя влажный воздух с обширных площадей земной поверхности и поднимает его вверх.
Таким образом и образуются так называемые кучевые облака, превращающиеся в грозовые облака, описанные чуть выше.
А теперь проясним, что же такое молния, откуда берется она?
Молния и гром
Из тех самых замерзших капель образуются кусочки льда, которые также перемещаются в облаках с огромной скоростью, сталкиваясь, разрушаясь и заряжаясь электричеством. Те льдинки, которые легче и меньше, остаются наверху, а те, что крупнее, - тают, спускаясь вниз, вновь превращаясь в капельки воды.
Таким образом, в грозовой туче возникают два электрических заряда. В верхней части отрицательный, в нижней - положительный. При встрече разных зарядов возникает мощный и происходит молния. Откуда берется она, стало понятно. А дальше что происходит? Вспышка молнии мгновенно разогревает и расширяет вокруг себя воздух. Последний нагревается так сильно, что происходит эффект взрыва. Это и есть гром, пугающий все живое на земле.
Выходит, что все это - проявления Тогда возникает следующий вопрос о том, последнее откуда берётся, причем в таких больших количествах. И куда оно девается?
Ионосфера
Что такое молния, откуда берется она, выяснили. Теперь немного о процессах, сохраняющих заряд Земли.
Ученые выяснили, что заряд Земли в общем невелик и составляет всего лишь 500 000 кулонов (как у 2 автомобильных аккумуляторов). Тогда куда исчезает тот отрицательный заряд, которые переносится молниями ближе к поверхности Земли?
Обычно в ясную погоду Земля потихоньку разряжается (постоянно между ионосферой и поверхностью Земли проходит слабый ток через всю атмосферу). Хоть и воздух считается изолятором, в нем есть небольшая доля ионов, которая позволяет существовать току в объёме всей атмосферы. Благодаря этому, хоть и медленно, но отрицательный заряд переносится с земной поверхности на высоту. Поэтому и объем суммарного заряда Земли всегда сохраняется неизменным.
На сегодня самым распространенным мнением является то, что молния шаровая представляет собой особый вид заряда в форме шара, причем существующий довольно продолжительное время и перемещающийся по непредсказуемой траектории.
Единой теории возникновения этого явления на сегодня нет. Существует много гипотез, но пока ни одна не получила признания в среде ученых.
Обычно, как свидетельствуют очевидцы, возникает в грозу или в шторм. Но имеются и случаи её возникновения и в солнечную погоду. Чаще она порождается обычной молнией, иногда возникает и спускается с облаков, а реже появляется неожиданно в воздухе или даже может выйти из какого-то предмета (столб, дерево).
Некоторые интересные факты
Откуда берется гроза и молния, мы выяснили. Теперь немного о любопытных фактах, касающихся вышеописанных природных явлений.
1. Ежегодно Земля испытывает приблизительно 25 миллионов вспышек молний.
2. Молния имеет среднюю длину приблизительно в 2,5 км. Есть и разряды, простирающиеся в атмосфере на 20 км.
3. Есть поверье, что молния не может дважды ударить в одно место. В действительности это не так. Результаты анализа (по географической карте) мест ударов молний за предшествующие несколько лет показывают, что молния и несколько раз может ударить в одно и то же место.
Вот и выяснили что такое молния, откуда берется она.
Грозы образуются как следствие сложнейших атмосферных явлений планетарного масштаба.
Каждую секунду на планете Земля происходит примерно 50 вспышек молниий.
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.
В теплое время года довольно часто бывают грозы ‑ впечатляющие природные явления, тем не менее, вызывающие не только любопытство, но и страх. Во время грозы между облаками и Землей возникают электрические разряды, которые хорошо видно и слышно: молния наблюдается в виде ветвящихся светящихся линий, пронизывающих небо, а несколько позже мы слышим раскатистый звук грома. При этом, как правило, наблюдается ливневый дождь, сопровождающийся шквальным ветром и градом. Гроза является одним из наиболее опасных атмосферных явлений: только наводнения связаны с большим, чем у гроз количеством человеческих жертв. Интерес к изучению природного электричества возник еще в давние времена. Первым, кто исследовал электрическую природу молнии, был Бенджамин Франклин – американский политический деятель, но вместе с тем ученый и изобретатель. Именно он еще в 1752 году предложил первый проект молниеотвода. Давайте попробуем разобраться, какую опасность несет гроза, и что нужно знать и делать, чтобы себя обезопасить.
Одновременно на Земле действует около полутора тысяч гроз, средняя интенсивность разрядов оценивается как 100 молний в секунду или свыше 8 миллионов в день. По поверхности планеты грозы распределяются неравномерно. Над океаном гроз наблюдается приблизительно в десять раз меньше, чем над континентами. В тропической и экваториальной зоне (от 30° северной широты до 30° южной широты) сосредоточено около 78 % всех молниевых разрядов. Максимум грозовой активности приходится на Центральную Африку. В полярных районах Арктики и Антарктики и над полюсами гроз практически не бывает. Интенсивность гроз следует за солнцем: максимум гроз приходится на лето (в средних широтах) и дневные послеполуденные часы. Минимум зарегистрированных гроз приходится на время перед восходом солнца. На грозы влияют также географические особенности местности: сильные грозовые центры находятся в горных районах Гималаев и Кордильер.
Во время грозы между тучами и Землей возникает огромное напряжение, достигающее значения в 1000000000 В. При таком напряжении воздух ионизируется, превращаясь в плазму, и возникает гигантский электрический разряд с силой тока до 300000 А. Температура плазмы в молнии превышает 10000 °С. Молния проявляется яркой вспышкой света и ударной звуковой волной, которую несколько позднее слышно в качестве грома. Опасна молния еще и тем, что она может ударить совершенно неожиданно, и ее путь может быть непредсказуем. Однако расстояние до грозового фронта и скорость его приближения или удаления можно легко определить при помощи секундомера. Для этого необходимо засечь время между вспышкой света молнии и раскатом грома. Скорость звука в воздухе составляет примерно 340 м/с, поэтому, если вы услышали гром через 10 с после вспышки света, то до грозового фронта примерно 3,4 км. Измеряя таким образом время между вспышкой света и громом, а также время между разными ударами молнии, можно определить не только расстояние до них, но и скорость приближения или удаления грозового фронта:
где – скорость звука, – время между вспышкой света и громом первой молнии, – время между вспышкой света и громом второй молнии, – время между молниями. Если значение скорости получится положительным, то грозовой фронт приближается, а если отрицательным – удаляется. При этом необходимо учитывать, что направление ветра не всегда совпадает с направлением движения грозы.
Если все-таки вы попали в грозу, то следует соблюдать ряд простых правил, чтобы себя обезопасить:
Во-первых , во время грозы желательно избегать открытой местности. Молния с большей вероятностью бьет в самую высокую точку, одинокий человек в поле – это и есть та самая точка. Если Вы по какой-то причине остались в поле один на один с грозой, спрячьтесь в любом возможном углублении: канавке, ложбинке или самом низком месте поля, сядьте на корточки и пригните голову. При этом следует помнить, что песчаная и каменная почвы имеют меньшую электропроводность, а значит, они безопаснее, чем глинистая. Не следует прятаться под отдельно стоящими деревьями, так как они в первую очередь подвержены ударам молнии. А если вы находитесь в лесу, то лучше всего прятаться под низкорослыми деревьями с густой кроной.
Во-вторых , во время грозы избегайте воды, так как природная вода – хороший проводник тока. Удар молнии распространяется вокруг водоема в радиусе около 100 метров. Нередко она бьет в берега. Поэтому во время грозы необходимо подальше отойти от берега, при этом нельзя купаться и ловить рыбу. Кроме того, при грозе желательно избавиться от металлических предметов. Часы, цепочки и даже раскрытый над головой зонтик – потенциальные цели удара. Известны случаи удара молнии по находящейся в кармане связке ключей.
В-третьих , если гроза застала Вас в машине, то она достаточно хорошо защищает от молнии, так как даже при ударе молнии разряд идет по поверхности металла. Поэтому закройте окна, отключите радиоприёмник и GPS-навигатор. Не следует дотрагиваться до любых металлических деталей автомобиля. Очень опасно во время грозы разговаривать по мобильному телефону. Лучше всего во время грозы его тоже выключить. Были случаи, когда входящий звонок становился причиной попадания молнии. Велосипед и мотоцикл в отличие от машины от грозы вас не спасут. Необходимо слезть, уложить транспорт на землю и отойти на расстояние примерно 30 м от него.
В природе существуют разные виды молний: линейные (наземные, внутриоблачные, молнии в верхней атмосфере) и шаровые молнии – светящиеся плавающие в воздухе образования, уникально редкое природное явление. Если природа линейной молнии ясна и ее поведение более предсказуемо, то природа шаровой молнии до сих пор хранит в себе множество тайн. Несмотря на то, что вероятность поражения человека шаровой молнией мала, тем не менее, она представляет серьезную опасность, так как не существует надежных методов и правил защиты от нее.
Поведение шаровой молнии непредсказуемо. Она может неожиданно появляться где угодно, в том числе в закрытых помещениях. Отмечены случаи появления шаровой молнии из телефонной трубки, электрической бритвы, выключателя, розетки, репродуктора. Достаточно часто она проникает в здания через трубы, открытые окна и двери. Известны случаи, когда шаровая молния проникала в помещение через узкие щели и даже замочную скважину. Размеры шаровой молнии могут быть различными: от нескольких сантиметров до нескольких метров. В большинстве случаев шаровая молния легко парит или катится над землей, иногда подскакивая, но может и зависнуть над поверхностью земли. Как утверждают очевидцы, шаровая молния реагирует на ветер, сквозняк, восходящие и нисходящие потоки воздуха. Но это не всегда так: известны случаи, кода шаровая молния никак не реагировала на потоки воздуха.
Шаровая молния может внезапно появиться и так же внезапно исчезнуть, не нанеся вреда человеку или помещению. Например, может залететь в окно и вылететь из помещения через открытую дверь или дымовую трубу, пролетев мимо Вас. При этом следует знать, что всякий контакт с человеком приводит к тяжелым травмам, ожогам, а в большинстве случаев к смертельному исходу. Поэтому, если вы увидели шаровую молнию, безопаснее всего удалиться от нее на максимально возможное расстояние.
Кроме того шаровая молния часто взрывается. Возникающая при этом ударная воздушная волна может травмировать человека или привести к разрушениям. Например, известны случаи взрывов молний в печках, дымоходах, что привело к серьезным разрушениям. Температура внутри шаровой молнии достигает 5000 °С, поэтому она может стать причиной пожара. Статистика поведения шаровой молнии говорит о том, что в 80% случаев взрывы не были опасны, однако тяжелые последствия все-таки возникали в 10% взрывов.
По предложенному методу мы предлагаем вам рассчитать расстояние до грозового разряда и его скорость, если первый гром был слышен через 20 секунд после наблюдения первой молнии, а второй через 15 секунд после наблюдения второй молнии. Время между молниями составляет 1 минуту.
Доктор биологических наук, кандидат физико-математических наук К. БОГДАНОВ.
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. Еще Б. Франклин показал, что молнии, бьющие по земле из грозовых облаков, - это электрические разряды, переносящие на нее отрицательный заряд величиной несколько десятков кулон, а амплитуда тока при ударе молнии составляет от 20 до 100 кА. Скоростная фотосъемка показала, что разряд молнии длится несколько десятых долей секунды и состоит из нескольких еще более коротких разрядов. Молнии издавна интересуют ученых, но и в наше время об их природе мы знаем лишь немного больше, чем 250 лет тому назад, хотя смогли их обнаружить даже на других планетах.
Наука и жизнь // Иллюстрации
Способность электризации трением различных материалов. Материал из трущейся пары, находящийся выше в таблице, заряжается положительно, а ниже - отрицательно.
Отрицательно заряженный низ облака поляризует поверхность Земли под собой так, что она заряжается положительно, и, кода появляются условия для электрического пробоя, возникает разряд молнии.
Распределение частоты гроз по поверхности суши и океанов. Самые темные места на карте соответствуют частотам не более 0,1 грозы в год на квадратный километр, а самые светлые - более 50.
Зонт с громоотводом. Модель продавалась в XIX веке и пользовалась спросом.
Выстрел жидкостью или лазером по грозовой туче, нависшей над стадионом, уводит разряд молнии в сторону.
Несколько разрядов молний, вызванных пуском ракеты в грозовую тучу. Левая вертикальная прямая - след ракеты.
Крупный «ветвистый» фульгурит весом 7,3 кг, найденный автором на окраине Москвы.
Полые цилиндрические фрагменты фульгурита, образованные из оплавленного песка.
Белый фульгурит из Техаса.
Молния - вечный источник подзарядки электрического поля Земли . В начале XX века с помощью атмосферных зондов измерили электрическое поле Земли. Его напряженность у поверхности оказалась равной примерно 100 В/м, что соответствует суммарному заряду планеты около 400 000 Кл. Переносчиком зарядов в атмосфере Земли служат ионы, концентрация которых увеличивается с высотой и достигает максимума на высоте 50 км, где под действием космического излучения образовался электропроводящий слой - ионосфера. Поэтому электрическое поле Земли - это поле сферического конденсатора с приложенным напряжением около 400 кВ. Под действием этого напряжения из верхних слоев в нижние все время течет ток силой 2-4 кА, плотность которого составляет 1-2 . 10 -12 А/м 2 , и выделяется энергия до 1,5 ГВт. И это электрическое поле исчезло бы, если бы не было молний! Поэтому в хорошую погоду электрический конденсатор - Земля - разряжается, а при грозе заряжается.
Человек не чувствует электрического поля Земли, так как его тело - хороший проводник. Поэтому заряд Земли находится и на поверхности тела человека, локально искажая электрическое поле. Под грозовым облаком плотность наведенных на земле положительных зарядов может значительно возрастать, а напряженность электрического поля - превышать 100 кВ/м, в 1000 раз больше ее значения в хорошую погоду. В результате во столько же раз увеличивается положительный заряд каждого волоска на голове человека, стоящего под грозовой тучей, и они, отталкиваясь друг от друга, встают дыбом.
Электризация - удаление "заряженной" пыли. Чтобы понять, как облако разделяет электрические заряды, вспомним, что такое электризация. Легче всего зарядить тело, потерев его о другое. Электризация трением - самый старый способ получения электрических зарядов. Само слово "электрон" в переводе с греческого на русский означает янтарь, так как янтарь всегда заряжался отрицательно при трении о шерсть или шелк. Величина заряда и его знак зависят от материалов трущихся тел.
Считается, что тело, до того как его стали тереть о другое, электронейтрально. Действительно, если оставить заряженное тело в воздухе, то к нему начнут прилипать противоположно заряженные частицы пыли и ионы. Таким образом, на поверхности любого тела находится слой "заряженной" пыли, нейтрализующий заряд тела. Поэтому электризация трением - это процесс частичного снятия "заряженной" пыли с обоих тел. При этом результат будет зависеть от того, на сколько лучше или хуже снимается "заряженная" пыль с трущихся тел.
Облако - фабрика по производству электрических зарядов. Трудно представить, что в облаке находится пара материалов из перечисленных в таблице. Однако на телах может оказаться различная "заряженная" пыль, даже если они сделаны из одного того же материала, - достаточно, чтобы микроструктура поверхности отличалась. Например, при трении гладкого тела о шероховатое оба будут электризовываться.
Грозовое облако - это огромное количество пара, часть которого конденсировалось в виде мельчайших капелек или льдинок. Верх грозового облака может находиться на высоте 6-7 км, а низ нависать над землей на высоте 0,5-1 км. Выше 3-4 км облака состоят из льдинок разного размера, так как температура там всегда ниже нуля. Эти льдинки находятся в постоянном движении, вызванном восходящими потоками теплого воздуха от нагретой поверхности земли. Мелкие льдинки легче, чем крупные, увлекаются восходящими потоками воздуха. Поэтому "шустрые" мелкие льдинки, двигаясь в верхнюю часть облака, все время сталкиваются с крупными. При каждом таком столкновении происходит электризация, при которой крупные льдинки заряжаются отрицательно, а мелкие - положительно. Со временем положительно заряженные мелкие льдинки оказываются в верхней части облака, а отрицательно заряженные крупные - внизу. Другими словами, верхушка грозы заряжена положительно, а низ - отрицательно. Все готово для разряда молнии, при котором происходит пробой воздуха и отрицательный заряд с нижней части грозовой тучи перетекает на Землю.
Молния - привет из космоса и источник рентгеновского излучения. Однако само облако не в состоянии так наэлектризовать себя, чтобы вызвать разряд между своей нижней частью и землей. Напряженность электрического поля в грозовом облаке никогда не превышает 400 кВ/м, а электрический пробой в воздухе происходит при напряженности больше 2500 кВ/м. Поэтому для возникновения молнии необходимо что-то еще кроме электрического поля. В 1992 году российский ученый А. Гуревич из Физического института им. П. Н. Лебедева РАН (ФИАН) предположил, что своеобразным зажиганием для молнии могут быть космические лучи - частицы высоких энергий, обрушивающиеся на Землю из космоса с околосветовыми скоростями. Тысячи таких частиц каждую секунду бомбардируют каждый квадратный метр земной атмосферы.
Согласно теории Гуревича, частица космического излучения, сталкиваясь с молекулой воздуха, ионизирует ее, в результате чего образуется огромное число электронов, обладающих высокой энергией. Попав в электрическое поле между облаком и землей, электроны ускоряются до околосветовых скоростей, ионизируя путь своего движения и, таким образом, вызывая лавину электронов, движущихся вместе с ними к земле. Ионизированный канал, созданный этой лавиной электронов, используется молнией для разряда (см. "Наука и жизнь" № 7, 1993 г.).
Каждый, кто видел молнию, заметил, что это не ярко светящаяся прямая, соединяющая облако и землю, а ломаная линия. Поэтому процесс образования проводящего канала для разряда молнии называют ее "ступенчатым лидером". Каждая из таких "ступенек" - это место, где разогнавшиеся до околосветовых скоростей электроны остановились из-за столкновений с молекулами воздуха и изменили направление движения. Доказательство для такой интерпретации ступенчатого характера молнии - вспышки рентгеновского излучения, совпадающие с моментами, когда молния, как бы спотыкаясь, изменяет свою траекторию. Недавние исследования показали, что молния служит довольно мощным источником рентгеновского излучения, интенсивность которого может составлять до 250 000 электронвольт, что примерно в два раза превышает ту, которую используют при рентгене грудной клетки.
Как вызвать разряд молнии? Изучать то, что произойдет непонятно где и когда, очень сложно. А именно так в течение долгих лет работали ученые, исследующие природу молний. Считается, что грозой на небе руководит Илья-пророк и нам не дано знать его планы. Однако ученые очень давно пытались заменить Илью-пророка, создавая проводящий канал между грозовой тучей и землей. Б. Франклин для этого во время грозы запускал воздушный змей, оканчивающийся проволокой и связкой металлических ключей. Этим он вызывал слабые разряды, стекающие вниз по проволоке, и первым доказал, что молния - это отрицательный электрический разряд, стекающий с облаков на землю. Опыты Франклина были чрезвычайно опасными, и один из тех, кто их пытался повторить, - российский академик Г. В. Рихман - в 1753 году погиб от удара молнии.
В 1990-х годах исследователи научились вызывать молнии, не подвергая опасности свою жизнь. Один из способов вызвать молнию - запустить с земли небольшую ракету прямо в грозовую тучу. Вдоль всей траектории ракета ионизирует воздух и создает таким образом проводящий канал между тучей и землей. И если отрицательный заряд низа тучи достаточно велик, то вдоль созданного канала происходит разряд молнии, все параметры которого регистрируют приборы, расположенные рядом со стартовой площадкой ракеты. Чтобы создать еще лучшие условия для разряда молнии, к ракете присоединяют металлический провод, соединяющий ее с землей.
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.
Почему зимой грозы очень редки? Ф. И. Тютчев, написав "Люблю грозу в начале мая, когда весенний первый гром…", знал, что зимой гроз почти не бывает. Чтобы образовалось грозовое облако, необходимы восходящие потоки влажного воздуха. Концентрация насыщенных паров растет с повышением температуры и максимальна летом. Разница температур, от которой зависят восходящие потоки воздуха, тем больше, чем выше его температура у поверхности земли, так как на высоте нескольких километров его температура не зависит от времени года. Значит, интенсивность восходящих потоков максимальна тоже летом. Поэтому и грозы у нас чаще всего летом, а на севере, где и летом холодно, грозы довольно редки.
Почему грозы чаще над сушей, чем над морем? Чтобы облако разрядилось, в воздухе под ним должно быть достаточное число ионов. Воздух, состоящий только из молекул азота и кислорода, не содержит ионов, и его очень тяжело ионизировать даже в электрическом поле. А вот если в воздухе много инородных частиц, например пыли, то и ионов тоже много. Ионы образуются при движении частиц в воздухе аналогично тому, как электризуются при трении друг о друга различные материалы. Очевидно, что пыли в воздухе гораздо больше над сушей, чем над океанами. Поэтому-то грозы и гремят над сушей чаще. Замечено также, что прежде всего молнии бьют по тем местам, где в воздухе особенно велика концентрация аэрозолей - дымов и выбросов предприятий нефтеперерабатывающей промышленности.
Как Франклин отклонил молнию. К счастью, большинство разрядов молнии происходят между облаками и поэтому угрозы не представляют. Однако считается, что каждый год молнии убивают более тысячи людей по всему миру. По крайней мере, в США, где ведется такая статистика, каждый год от удара молнии страдают около 1000 человек и более ста из них погибают. Ученые давно пытались защитить людей от этой "кары божьей". Например, изобретатель первого электрического конденсатора (лейденской банки) Питер ван Мушенбрук (1692-1761) в статье об электричестве, написанной для знаменитой французской Энциклопедии, защищал традиционные способы предотвращения молнии - колокольный звон и стрельбу из пушек, которые, как он считал, оказываются довольно эффективными.
Бенджамин Франклин, пытаясь защитить Капитолий столицы штата Мериленд, в 1775 году прикрепил к зданию толстый железный стержень, который возвышался над куполом на несколько метров и был соединен с землей. Ученый отказался патентовать свое изобретение, желая, чтобы оно как можно скорее начало служить людям.
Весть о громоотводе Франклина быстро разнеслась по Европе, и его выбрали во все академии, включая и Российскую. Однако в некоторых странах набожное население встретило это изобретение с возмущением. Сама мысль, что человек так легко и просто может укротить главное оружие "божьего гнева", казалась кощунственной. Поэтому в разных местах люди из благочестивых соображений ломали громоотводы. Любопытный случай произошел в 1780 году в небольшом городке Сент-Омер на севере Франции, где горожане потребовали снести железную мачту громоотвода, и дело дошло до судебного разбирательства. Молодой адвокат, защищавший громоотвод от нападок мракобесов, построил защиту на том, что и разум человека, и его способность покорять силы природы имеют божественное происхождение. Все, что помогает спасти жизнь, во благо - доказывал молодой адвокат. Он выиграл процесс и снискал большую известность. Адвоката звали Максимилиан Робеспьер. Ну а сейчас портрет изобретателя громоотвода - самая желанная репродукция в мире, ведь она украшает известную всем стодолларовую купюру.
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.
Фульгурит - окаменевшая молния. При разряде молнии выделяется 10 9 -10 10 джоулей энергии. Большая ее часть тратится на создание ударной волны (гром), нагрев воздуха, световую вспышку и другие электромагнитные волны, и только маленькая часть выделяется в том месте, где молния входит в землю. Однако и этой "маленькой" части вполне достаточно, чтобы вызвать пожар, убить человека и разрушить здание. Молния может разогреть канал, по которому она движется, до 30 000° С, в пять раз выше температуры на поверхности Солнца. Температура внутри молнии гораздо больше температуры плавления песка (1600-2000°C), но расплавится песок или нет, зависит еще и от длительности молнии, которая может составлять от десятков микросекунд до десятых долей секунды. Амплитуда импульса тока молнии обычно равна нескольким десяткам килоампер, но иногда может превышать и 100 кА. Самые мощные молнии и вызывают рождение фульгуритов - полых цилиндров из оплавленного песка.
Слово "фульгурит" происходит от латинского fulgur, что означает молния. Самые длинные из раскопанных фульгуритов уходили под землю на глубину более пяти метров. Фульгуритами также называют оплавленности твердых горных пород, образованные ударом молнии; они иногда в большом количестве встречаются на скалистых вершинах гор. Фульгуриты, состоящие из переплавленного кремнезема, обыкновенно представляют собой конусообразные трубочки толщиной с карандаш или с палец. Их внутренняя поверхность гладкая и оплавленная, а наружная образована приставшими к оплавленной массе песчинками. Цвет фульгуритов зависит от примесей минералов в песчаной почве. Большинство из них имеют рыжевато-коричневый, серый или черный цвет, однако встречаются зеленоватые, белые или даже полупрозрачные фульгуриты.
По-видимому, первое описание фульгуритов и их связи с ударами молнии было сделано в 1706 году пастором Д. Германом (David Hermann). Впоследствии многие находили фульгуриты вблизи людей, пораженных разрядом молнии. Чарльз Дарвин во время кругосветного путешествия на корабле "Бигль", обнаружил на песчаном берегу вблизи Мальдонадо (Уругвай) несколько стеклянных трубочек, уходящих в песок вертикально вниз более чем на метр. Он описал их размеры и связал их образование с разрядами молний. Известный американский физик Роберт Вуд получил "автограф" молнии, которая чуть не убила его:
"Прошла сильная гроза, и небо над нами уже прояснилось. Я пошел через поле, которое отделяет наш дом от дома моей свояченицы. Я прошел ярдов десять по тропинке, как вдруг меня позвала моя дочь Маргарет. Я остановился секунд на десять и едва лишь двинулся дальше, как вдруг небо прорезала яркая голубая линия, с грохотом двенадцатидюймового орудия ударив в тропинку в двадцати шагах передо мной и подняв огромный столб пара. Я пошел дальше, чтобы посмотреть, какой след оставила молния. В том месте, где ударила молния, было пятно обожженного клевера дюймов в пять диаметром, с дырой посередине в полдюйма…. Я возвратился в лабораторию, расплавил восемь фунтов олова и залил в отверстие… То, что я выкопал, когда олово затвердело, было похоже на огромный, слегка изогнутый собачий арапник, тяжелый, как и полагается, в рукоятке и постепенно сходящийся к концу. Он был немного длиннее трех футов" (цитируется по В. Сибрук. Роберт Вуд. - М.: Наука, 1985, с. 285).
Появление стеклянной трубочки в песке при разряде молнии связано с тем, что между песчинками всегда находятся воздух и влага. Электрический ток молнии за доли секунд раскаляет воздух и водяные пары до огромных температур, вызывая взрывообразный рост давления воздуха между песчинками и его расширение, что слышал и видел Вуд, чудом не ставший жертвой молнии. Расширяющийся воздух образует цилиндрическую полость внутри расплавленного песка. Последующее быстрое охлаждение фиксирует фульгурит - стеклянную трубочку в песке.
Часто аккуратно выкопанный из песка фульгурит по форме напоминает корень дерева или ветвь с многочисленными отростками. Такие ветвистые фульгуриты образуются, когда разряд молнии попадает во влажный песок, который, как известно, имеет бo"льшую электропроводность, чем сухой. В этих случаях ток молнии, входя в почву, сразу начинает растекаться в стороны, образуя структуру, похожую на корень дерева, а рождающийся при этом фульгурит лишь повторяет эту форму. Фульгурит очень хрупок, и попытки очистить от прилипшего песка нередко приводят к его разрушению. Особенно это относится к ветвистым фульгуритам, образовавшимся во влажном песке.
