Как возникает молния во время грозы

Физика атмосферы: как, почему и откуда появляются молнии

Каждую секунду в атмосфере Земли возникает примерно 700 молний, и каждый год около 3000 человек погибают из-за удара молнии. Физическая природа молнии не объяснена окончательно, а большинство людей имеют лишь приблизительное представление о том, что это такое. Какие-то разряды сталкиваются в облаках, или что-то в этом роде. Сегодня мы обратились к нашим авторам по физике, чтобы узнать о природе молнии больше. Как появляется молния, куда бьет молния, и почему гремит гром. Прочитав статью, вы будете знать ответ на эти и многие другие вопросы.

Ежедневная рассылка с полезной информацией для студентов всех направлений – на нашем телеграм-канале.

Что такое молния

Молния – искровой электрический разряд в атмосфере.

Электрический разряд – это процесс протекания тока в среде, связанный с существенным увеличением ее электропроводности относительно нормального состояния. Существуют разные виды электрических разрядов в газе: искровой, дуговой, тлеющий.

Искровой разряд происходит при атмосферном давлении и сопровождается характерным треском искры. Искровой разряд представляет собой совокупность исчезающих и сменяющих друг друга нитевидных искровых каналов. Искровые каналы также называют стримерами. Искровые каналы заполнены ионизированным газом, то есть плазмой. Молния – гигантская искра, а гром – очень громкий треск. Но не все так просто.

Физическая природа молнии

Как объясняют происхождение молнии? Система туча-земля или туча-туча представляет собой своеобразный конденсатор. Воздух играет роль диэлектрика между облаками. Нижняя часть облака имеет отрицательный заряд. При достаточной разности потенциалов между тучей и землей возникают условия, в которых происходит образование молнии в природе.

Ступенчатый лидер

Перед основной вспышкой молнии можно наблюдать небольшое пятно, движущееся от тучи к земле. Это так называемый ступенчатый лидер. Электроны под действием разности потенциалов, начинают двигаться к земле. Двигаясь, они сталкиваются с молекулами воздуха, ионизируя их. От тучи к земле прокладывается как бы ионизированный канал. Из-за ионизации воздуха свободными электронами электропроводность в зоне траектории лидера существенно возрастает. Лидер как бы прокладывает путь для основного разряда, двигаясь от одного электрода (тучи) к другому (земле). Ионизация происходит неравномерно, поэтому лидер может разветвляться.

Обратная вспышка

В момент, когда лидер приближается к земле, напряженность на его конце растет. Из земли или из предметов, выступающих над поверхностью (деревья, крыши зданий) навстречу лидеру выбрасывается ответный стример (канал). Это свойство молний используется для защиты от них путем установки громоотвода. Почему молния бьет в человека или в дерево? На самом деле ей все равно, куда бить. Ведь молния ищет наиболее короткий путь между землей и небом. Именно поэтому во время грозы опасно находиться на равнине или на поверхности воды.

Когда лидер достигает земли, по проложенному каналу начинает течь ток. Именно в этот момент и наблюдается основная вспышка молнии, сопровождаемая резким ростом силы тока и выделением энергии. Здесь уместен вопрос, откуда идет молния? Интересно, что лидер распространяется от тучи к земле, а вот обратная яркая вспышка, которую мы и привыкли наблюдать, распространяется от земли к туче. Правильнее говорить, что молния идет не от неба к земле, а происходит между ними.

Почему молния гремит?

Гром возникает в результате ударной волны, порождаемой быстрым расширением ионизированных каналов. Почему сначала мы видим молнию а потом слышим гром? Все дело в разности скоростей звука (340,29 м/с) и света (299 792 458 м/с). Посчитав секунды между громом и молнией и умножив их на скорость звука, можно узнать, на каком расстоянии от Вас ударила молния.

Нужна работа по физике атмосферы? Для наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы

Виды молний и факты о молниях

Молния между небом и землей – не самая распространенная молния. Чаще всего молнии возникают между облаками и не несут угрозы. Помимо наземных и внутриоблачных молний, существуют молнии, образующиеся в верхних слоях атмосферы. Какие есть разновидности молний в природе?

Последние три вида молний невозможно наблюдать без специальных приборов, так как они образуются на высоте от 40 километров и выше.

Приведем факты о молниях:

Шаровая молния

Напоследок предлагаем Вам посмотреть видео и напоминаем: если курсовая или контрольная свалилась на голову как молния в солнечный день, не нужно отчаиваться. Специалиста студенческого сервиса выручают студентов с 2000 года. Обращайтесь за квалифицированной помощью в любое время. 24 часа в сутки, 7 дней в неделю мы готовы помочь вам.

Источник

Из-за чего бьет молния и как она появляется

Мы часто говорим на нашем сайте о погоде, ураганах, грозах, и прочих погодных явлениях, которые могут быть интересны с точки зрения науки и могут нанести ущерб хозяйственной деятельности человека или его жизни и здоровью. Очень часто такие явления способствуют появлению в атмосфере молний. Это тоже очень интересное и не до конца изученное явление, которое возникает из-за появления в воздухе заряженных частиц. По сути это чем-то напоминает статический разряд от шерстяного свитера, вот только масштабы более крупные. Тем не менее, при образовании молний должно сложиться множество факторов, о которых мы сегодня и поговорим. Тем более, мы уже рассказывали об интересных фактах, связанных с этим явлением. Теперь надо разобраться с природой появления “стрел Зевса”.

Молния может напугать, если не знать откуда она берется.

Что такое молния?

Согласно науке, можно сказать, что молния является искровым разрядом, возникающим в атмосфере. В числе основных проявлений можно назвать яркую вспышку света и громкий звук, который принято называть громом. Кроме Земли, молнии можно встретить на других планетах, например, Венере, Юпитере, Сатурне, Уране и других, где есть какая-то газовая среда.

Во время удара молнии высвобождается огромное количество энергии. В результате ее температура в несколько раз превышает температуру поверхности Солнца. Сила тока в разряде молнии на Земле достигает 500 ампер, а напряжение доходит до нескольких миллионов вольт.

Как раз из-за большого количества энергии, молния редко длится дольше долей секунд. Как правило значение доходит до четверти секунды (0,25), но бывают и исключения. Так, самая продолжительная молния зафиксирована на отметке почти восьми секунд (7,74).

Такая красота и почти восемь секунд.

Сейчас мы не будем останавливаться на определении молнии, как пометке для срочной новости или печатного издания, хотя суть понятна, и именно из-за скоротечности или, если хотите, молниеносности события они так и называются.

Какие бывают молнии?

Прежде, чем подробно рассказать о типах молний, надо сказать, какими они вообще бывают. Четыре основных типа были приведены парой строк выше, а именно: линейная, зигзагообразная, шаровая и сухая.

Линейной молнией называют короткий резкий разряд, который вспыхивает моментально, озаряет собой небо и пропадет. Иногда даже самой молнии не видно, так как она проходит очень быстро и часто даже бьет не в землю, а между облаками.

Зигзагообразной принято называть чуть более долгие молнии, которые имеют кривую траекторию и дают хоть несколько долей секунды, чтобы себя рассмотреть. Иногда можно заметить даже небольшую пульсацию света в них.

Шаровая молния — это крайне редкое явление. Если с обычной молнией мы встречаемся по несколько раз в год, а жители некоторых регионов — несколько раз в неделю, то шанс увидеть шаровую молнию не превышает один к десяти тысячам. Именно поэтому явление считают очень мистический, и если вы ее видели, вам очень повезло. Надо бежать за лотерейным билетом.

С сухой молнией все просто. Так обычно называют молнию, которая происходит без дождя. Не самое часто явление, но периодически все равно случается. И уж точно чаще, чем шаровая.

Мы уже определились, что молния — это мощнейший электрический разряд, возникающий при накоплении заряда внутри облаков и появлении большой разницы электрических потенциалов объектов. В итоге молния может возникать между соседними облаками, между облаком и землей, и даже внутри одного облака, что тоже случается очень часто. В любом случае облако должно быть наэлектризовано. Но как оно электризуется?

Это можно назвать молнией в миниатюре. Процессы похожи.

Этот процесс знаком нам с детства. Достаточно вспомнить как электризуется расческа, воздушный шарик или многие другие вещи при трении. Подобный процесс происходит и в облаках на большой высоте и в существенно больших масштабах.

Дело в том, что облака представляют собой огромный водяной шар, пусть и не совсем шаровидной формы. Его высота может достигать нескольких километров, но в разном агрегатном состоянии вода в нем есть на всех высотах. До трех-четырех тысяч метров это капли, а выше — уже кристаллики льда.

Эти кристаллики имеют разный размер и постоянно перемешиваются. Более мелкие летят вверх из-за восходящих потоков воздуха от теплой земли. Поднимаясь, они постоянно сталкиваются с более крупными кристалликами. В итоге, все облако начинает электризоваться подобно предметам в приведенных выше примерах. Положительно заряженные частицы оказываются сверху, а отрицательно заряженные — снизу.

Примерно так выглядит разница потенциалов при формировании молнии.

Когда разность потенциалов получается очень высокой, происходит разряд. Если внутри облака для формирования разряда недостаточно условий, то разрядка происходит в землю. При этом она сопровождается яркой вспышкой с выделением тепла. Из-за выделения огромного количества энергии воздух вокруг молнии моментально нагревается до нескольких десятков тысяч градусов и взрывообразно расширяется в небольшом объеме. Эта взрывная волна и называется громом, расходясь на расстояние до 20 км от самой молнии.

При этом молнии состоят из нескольких разрядов, которые идут непрерывно друг за другом, но по одиночке длятся тысячные и миллионные доли секунды.

Почему молния имеет такую форму?

Мы знаем, что молния старается ударить в объект по кратчайшему расстоянию. Но почему же она такая изогнутая? Это же совсем не кратчайшее расстояние, при котором она была бы прямая, как геометрический луч.

Дело в том, что при формировании разряда электроны разгоняются до околосветовых скоростей, но периодически встречают на пути препятствия в виде молекул воздуха. При каждой такой “встрече” они меняют направление своего движения и мы получаем ступенчатую структуру молнии, к которой мы привыкли, и которая схематическим рисуется, как логотип автомобилей Opel.

Молния на логотипе этой компании впервые появилась на грузовике Opel Blitz (в переводе с немецкого Blitz — молния)

Может ли человек создать молнию?

Да, человек может создавать молнии. Каждый ребенок может дома поставить небольшой опыт, натерев два шарика и потом сблизив их. Если делать это в темноте, можно увидеть небольшой разряд и треск или щелчок. Это и есть молнии и гром в миниатюре.

С такими молниями можно столкнуться, поносив шерстяной свитер, расчесав волосы и во многих других ситуациях. Даже зажигалка с кнопкой создает минимолнию, которая и поджигает газ. Аналогичное оборудование установлено в газовых плитах а автоподжигом.

Обсудить все, что угодно связанное с наукой можно в нашем Telegram-чате.

Но человек может создать и более серьезные молнии. Я даже не говорю о лабораториях под открытым небом, которые формируют разряд для его изучения, хотя так он тоже может быть очень сильным. Я имею ввиду молнию, которая появляется при ядерном взрыве.

Дело в том, что при протекании реакции ядерного взрыва гамма-излучение продуцирует электромагнитный импульс с напряжённостью на уровне 100—1000 кВ/м. Это не только выводит из строя незащищенные электромагнитные линии бункеров, шахт и других объектов, но и приводит к образованию молнии. Правда, эта молния бьет в небо, то есть, в обратную сторону, если можно так сказать. Разряд появляется перед приходом огненной полусферы и очень быстро исчезает. Происходит это примерно с 0,015 до 0,5 секунды процесса протекания реакции ядерного взрыва.

Откуда берутся молнии перед землетрясением?

Существуют молнии, которые проявляют себя во время землетрясений. До конца их природа пока неизвестна, но они тоже возникают из-за накопления заряда. Только в данном случае это происходит из-за трения слоев пород между собой.

Изначально ученые не воспринимали всерьез рассказы о том, что землетрясения сопровождаются молниями, но появление в последнее время камер заставило их задуматься над этим. В итоге они начали ставить эксперименты и пришли к выводу о трении слоев пород.

Куда более известны молнии при извержениях вулканов, которые еще называются “грязными молниями”. Они тоже возникают в результате трения между собой частиц, вылетающих из жерла.

Примерно так выглядит молния внутри вулкана.

Образование молний сопровождает и другие явления, например, пылевые бури, торнадо и некоторые другие, приводящие все к тому же накоплению заряда.

Что такое шаровая молния, и как она появляется?

Кроме обычных молний, с которыми все более менее понятно, хоть и остаются некоторые вопросы, есть еще и шаровые молнии, которые вообще не изучены толком и никто не может объяснить, откуда они берутся, почему и куда пропадают.

Изначально шаровая молния является светящимся шаром (иногда форма может немного отличаться), который по подсчетам имеет температуру 500-1000 градусов Цельсия, может перемещаться в пространстве, проходить через стекло и взрываться через несколько минут после появления. Пока больше неизвестно ничего.

Первые упоминания о них относятся еще ко временам до нашей эры. Правда, тогда это было очень иносказательно и включало в себя разговоры об огненных птицах и тому подобном. Сейчас это очень похоже на описание шаровых молний, но с уверенностью об этом говорить нельзя.

Это птица Феникс, но примерно так представляли себе шаровые молнии в древнем мире.

До недавнего времени многие ученые вообще не верили в существование такого явления, а заявления очевидцев считали следствием повреждения сетчатки после удара обычной молнией. Тем более все говорили о разной форме. Сейчас в это начали верить и занялись исследованиями, но информации все равно мало.

Кто-то считает их сгустками газа, кто-то особыми частицами с огромным количеством энергии, а кто-то и вовсе говорит о высших силах.

Тем не менее, это не отменяет того факта, что шаровые молнии могут повреждать объекты, с которыми вступили в контакт. Например, плавить стекло и металл, поджигать дерево и кипятить воду. Есть даже рассказы о том, как они замыкали высоковольтные линии передач, создавая дугу.

Есть несколько гипотез этого явления, каждая из которых до сих пор не подтверждена, но и не опровергнута.

Одна из них гласит, что шаровая молния это специфическое взаимодействие азота с кислородом, в результате которого и вырабатывается энергия на ее существование. Согласно другой гипотезе явление представляет собой вихрь шарообразной формы из пылевых частиц с активными газами. Такими они стали из-за полученного электрического разряда. В итоге, шаровая молния является чем-то вроде батареи. Эта гипотеза объясняет специфический запах и шлейфовое свечение рядом с шаровой молнией.

Шаровая молния может выглядеть так или иначе, но более изученной от этого она не становится.

Есть гипотеза, которая оспаривает обе предыдущих, говоря нам, что существование шаровой молнии невозможно без подпитки ее энергией снаружи. Но такая гипотеза рушится отсутствием доказательств существования волн нужной для питания длины.

Все это лишний раз доказывает, что шаровую молнию надо опасаться, так как даже нет четких описаний того, как надо действовать при ее появлении. Самой главной рекомендацией является немедленное покидание зоны ее действия, но без лишней спешки, чтобы не нарушить движение воздуха и не увлечь ее за собой.

Что мы знаем о молниях?

Об обычных молниях мы знаем много, хоть и не все. О шаровых почти ничего, но учитывая частоту их появления, можно допустить, что это не так страшно, хотя работать в этом направлении надо и надо продолжать исследования.

Молнии стали неотъемлемыми спутниками нашей жизни. Они проявляются во многих сферах и заставляют себя уважать из-за разрушительной мощи, спрятанной в них.

Тем не менее, средства борьбы с ними есть и достаточно эффективные. Надо только выполнять элементарные правила безопасности (не стоять в грозу рядом с деревьями, не запускать змеев, да и вообще лучше не выходить из дома) и ставить громоотводы на дома. В этом случае все будет существенно проще и безопаснее.

Источник

Электрический потенциал: как возникает молния и насколько она опасна

Теории и практики

Грозы случаются на нашей планете чаще 40 тысяч раз в день — около 100 вспышек молний каждую секунду. Но до сих пор это явление до конца не изучено. «Теории и практики» публикуют отрывок из книги Уолтера Левина и Уоррена Гольдштейна «Глазами физика. От края радуги к границе времени», которую издательство «МИФ» подготовило к выставке Non/fiction. Авторы объясняют, что такое молния и может ли от нее спасти громоотвод, автомобиль или кроссовки на резиновой подошве.

Конечно, один из самых опасных видов тока — молния, которая также относится и к числу самых замечательных электрических явлений, мощных, не вполне предсказуемых, не до конца понятных и таинственных — в общем, настоящий коктейль. В мифах разных народов — от древних греков до индейцев майя — разряды молнии описываются либо как символы божеств, либо как орудие их возмездия. И это неудивительно. В среднем на земле ежегодно проходит около 16 миллионов гроз (более 43 тысяч ежедневно и примерно 1800 ежечасно), которые ежесекундно производят около 100 вспышек молний, или более 8 миллионов молний в день. Это в масштабах всей планеты.

Молния — это следствие заряжения грозовых облаков. Обычно верхняя часть облака заряжается положительно, а нижняя — отрицательно. Почему именно так, ученые пока до конца не разобрались. Хотите верьте, хотите нет, но в физике атмосферы еще очень много вопросов, на которые предстоит ответить. А пока в целях простоты обсуждения давайте несколько упростим ситуацию, представив себе облако, отрицательно заряженное на той стороне, которая находится ближе к земле. Из-за индукции земля, ближе всего расположенная к облаку, заряжается положительно, и между нею и облаком возникнет электрическое поле.

С физической точки зрения разряд молнии довольно сложен, но, по существу, ее вспышка (электрический пробой) возникает, когда электрический потенциал между облаком и землей достигает десятков миллионов вольт. И хотя мы нередко думаем о разряде молнии как о «стрельбе» с облака в землю, на самом деле движение идет и с облака на землю, и с земли на облако. Сила электрического тока во время разряда молнии средней интенсивности составляет около 50 тысяч ампер (хотя может достигать и нескольких сотен тысяч ампер), а максимальная мощность достигает около триллиона (1012) ватт, но продолжается это всего несколько десятков микросекунд. Тем не менее полная энергия, выделяющаяся в момент удара молнии, редко превышает несколько сотен миллионов джоулей, что эквивалентно энергии, потребляемой за месяц стоваттной лампочкой. Так что идея сбора энергии молнии совершенно непрактична и нецелесообразна.

Большинству из нас известно, что определить, как далеко от нас ударила молния, можно по времени, которое проходит между моментами, когда мы видим разряд и слышим гром. Причина, которой это объясняется, позволяет нам также получить кое-какое представление о мощных силах, задействованных в данном процессе. И она, кстати, не имеет ничего общего с объяснением, однажды услышанным мной от своего студента: что молния создает нечто вроде области низкого давления, куда устремляется воздух и сталкивается там с воздухом, поступающим с другой стороны, в результате чего получается гром. На самом деле все происходит практически в точности до наоборот. Энергия разряда нагревает воздух примерно до 20 тысяч °С, то есть до температуры, более чем в три раза превышающей температуру поверхности Солнца. Затем этот суперразогретый воздух создает мощную волну давления, она сталкивается с холодным воздухом вокруг нее, создавая звуковые волны, которые распространяются в воздухе. Так как звуковые волны в воздухе перемещаются со скоростью около полутора километров за пять секунд, подсчитав секунды, вы можете довольно легко выяснить, насколько далеко от вас ударила молния.

Тем фактом, что молния столь сильно нагревает воздух, объясняется и другое явление, с которым вы, возможно, сталкивались во время грозы. Вы когда-нибудь замечали, насколько свежий, особый запах стоит в воздухе после грозы, словно буря очистила его? Конечно, в большом городе это трудно почувствовать, потому что там воздух практически всегда пропитан выхлопными газами от автомобилей. Но даже если вам посчастливилось услышать этот замечательный аромат, вы вполне можете не знать, что это запах озона, молекулы кислорода, состоящей из трех атомов кислорода. Как известно, нормальные молекулы кислорода — без запаха — состоят из двух атомов кислорода, и мы записываем их как O2. Но потрясающий жар от молнии разбивает эти молекулы — не все, но достаточное количество, чтобы оказать определенный эффект. Получившиеся в результате отдельные атомы кислорода сами по себе нестабильны, поэтому прикрепляются к нормальным молекулам О2, создавая вещество О3 — озон.

Однако следует отметить, что озон приятно пахнет только в небольших количествах; в высоких концентрациях его запах не столь привлекателен. Его можно почувствовать, например, под высоковольтными проводами. Если вы слышите жужжащий звук, исходящий от проводов, это обычно означает, что там происходит искрение, называемое коронным разрядом, в результате которого и создаются молекулы озона. Когда нет сильного ветра, как правило, можно почувствовать довольно неприятный запах.

«Молния ударяет в самолеты в среднем более одного раза в год, но благодаря скин-эффекту они благополучно переживают эти удары»

А теперь вернемся к идее, что человека от последствий удара молнии могут спасти надетые на него кроссовки на резиновой подошве. Разряд молнии в 50–100 тысяч ампер, способный разогреть воздух до температуры, более чем в три раза превышающей температуру поверхности Солнца, почти наверняка сожжет вас дотла, заставит биться в конвульсиях от сильнейшего поражения электрическим током или попросту взорвет вас, мгновенно превратив всю воду в вашем теле в сверхгорячий пар. Совершенно независимо от того, во что вы обуты. Именно это происходит с деревом, в которое ударила молния, — сок в нем взрывается и срывает с него всю кору. Сто миллионов джоулей энергии — эквивалент почти тридцати килограммов динамита, — это вам не фунт изюма.

А как насчет того, безопасно ли находиться внутри автомобиля, защищающего вас от удара молнии благодаря резиновым шинам? Автомобиль действительно может защитить вас в этой ситуации (однако никаких гарантий!), но по совершенно иной причине. Дело в том, что электрический ток течет по поверхностным слоям проводника (это явление называется скин-эффектом), и, сидя в автомобиле, вы оказываетесь внутри металлической коробки, а металл, как мы уже знаем, хороший проводник. Вы даже можете прикоснуться к внутренней части панели воздуховода и не получить никакой травмы. Тем не менее я настоятельно призываю вас этого не делать, поскольку это крайне опасно, так как в большинстве современных автомобилей используются детали из стекловолокна, а в этом материале скин-эффект отсутствует. Иными словами, если молния ударяет в ваш автомобиль, вы — да и ваша машина — можете пережить не самые приятные секунды в жизни. Если интересно, посмотрите короткое видео, где показано, как молния поражает автомобиль. Думаю, вы сразу поймете, что с этим шутить не стоит!

На наше в вами счастье, с самолетами ситуация совершенно другая. Молния ударяет в них в среднем более одного раза в год, но благодаря все тому же скин-эффекту они благополучно переживают эти удары. Смотрите видео.

Есть еще один знаменитый эксперимент, связанный с молниями, авторство которого приписывают Бенджамину Франклину, но я настоятельно не рекомендую вам его проводить. Речь идет о запуске во время грозы воздушного змея с привязанным к нему металлическим ключом. Предположительно Франклин так намеревался проверить гипотезу о том, что грозовые облака создают электрический огонь. Он рассуждал следующим образом: если молния действительно является источником электроэнергии, то как только бечевка змея намокнет от дождя, она станет хорошим проводником (хотя ученый не использовал этого слова) электричества и оно пройдет вниз, к ключу, привязанному к ее концу. Рассказывают также, что стоило Франклину поднести руку к ключу, как тут же появлялась яркая искра. Так вот, как и в случае с Ньютоном, который на закате своей жизни якобы утверждал, что на создание закона всемирного тяготения его вдохновило яблоко, упавшее на землю с дерева, никаких современных доказательств того, что Франклин когда-либо действительно проводил этот эксперимент, нет. Есть только отчет в письме, посланном им в Королевское научное общество в Англии, и еще один письменный документ, составленный пятнадцать лет спустя другом Франклина Джозефом Пристли (кстати, первооткрывателем кислорода).

«Сто миллионов джоулей энергии — эквивалент почти тридцати килограммов динамита, — это вам не фунт изюма»

Но проводил ли Франклин этот эксперимент или нет — что было бы фантастически опасно и с очень высокой вероятностью привело бы к гибели великого изобретателя, — описание другого эксперимента он опубликовал точно. В данном случае задача была — увести молнию в землю, для чего ученый установил на верхушке башни длинный железный стержень. Несколько лет спустя француз Томас-Франсуа Далибар, который встретился с Франклином и перевел его идеи на французский язык, провел этот эксперимент в несколько иной версии и стал свидетелем поистине невероятного явления. Далибар установил железный стержень длиной больше 10 метров и, направив его в небо, увидел у его не заземленного основания искры.

Франклин изобрел подобную штуковину, но его детище было заземлено; сегодня оно известно под названием громоотвод. Устройство отлично заземляет удары молнии, однако не по той причине, которую предполагал Франклин. Он считал, что громоотвод будет вызывать между заряженным облаком и зданием непрерывный разряд, тем самым сохраняя разность потенциалов на низком уровне и, следовательно, снижая опасность удара молнии. Ученый был настолько уверен в своей правоте, что посоветовал королю Георгу II установить громоотводы на крыше королевского дворца и на складах с боеприпасами. Оппоненты Франклина утверждали, что громоотводы будут только притягивать молнии и что эффект разряда, снижая разность электрических потенциалов между зданием и грозовыми облаками, будет совсем незначительным. Но король, как гласит история, доверился Франклину и установил громоотводы.

Вскоре после этого молния ударила прямо в один из складов боеприпасов, но повреждения оказались минимальными. То есть стержень сработал, но по совершенно иным причинам. Критики Франклина были абсолютно правы: громоотводы действительно притягивают молнии и разрядка стержня действительно ничтожна по сравнению с огромным зарядом грозовой тучи. Но громоотвод все же дает желаемый эффект — потому что когда стержень достаточно толстый, чтобы справиться с 10–100 тысячами ампер, ток будет оставаться в стержне и заряд уйдет в землю. Получается, Франклин был не только блестящим ученым — ему еще и здорово везло!

Разве это не удивительно, что, поняв природу тихого потрескивания, раздающегося, когда мы снимаем полиэстеровый свитер зимой, мы можем также постичь суть жуткой грозы с молниями, освещающими ночное небо, и разобраться в происхождении одного из самых громких и устрашающих звуков в природе?

В некотором смысле мы все — современные версии Бенджамина Франклина, пытающиеся выяснить и постичь в этом грозном явлении то, что пока еще находится за пределами нашего понимания. В конце 1980-х годов ученые впервые сфотографировали разные формы молний, сверкающих высоко-высоко в облаках. Одна из разновидностей называется красными призраками и состоит из электрических разрядов, происходящих в 50–90 километрах над землей. А есть еще синие струи — они гораздо больше, иногда длиной до 70 километров, и возникают в верхних слоях атмосферы. Но мы знаем о них всего лишь немногим более двадцати лет, и нам еще очень мало известно о причинах этого потрясающего природного явления. Даже несмотря на то, что люди изучили электричество уже весьма детально, грозы по-прежнему покрыты завесой тайны — а ведь они случаются на нашей планете около 45 тысяч раз в день.

Источник

Природа молнии

Молния — атмосферное явление в виде мощного электрического искрового разряда, которое случается во время грозы и проявляется в виде яркой вспышки света. Возникает в результате электризации туч или земли: разряды молнии могут образовываться внутри облака, между соседними наэлектризованными облаками или между наэлектризованным облаком и землей.

В течение долгого времени молния считалась сверхъестественной силой, которую люди очень боялись. В эпоху Просвещения феномен молнии был детально изучен. В 1752 году эксперименты Бенджамина Франклина доказали, что молния представляет собой гигантскую электрическую искру.[5]

Молнии образуются в кучево-дождевых (или грозовых), слоисто-дождевых облаках, при вулканических извержениях, торнадо и пылевых бурях. Грозовое обл­ако разделяется на нижнюю и верхнюю части, в каждой из которых содержатся отрицательный и положительный заряды. Внутри облака постоянно циркулируют различные воздушные потоки, сталкивающие между собой частицы, которые попадают в облако. В результате столкновения заряженных частиц облака с попавшими в него различными элементами происходит перераспределение зарядов: на полюсах одних частиц возникает положительный заряд, а на других — отрицательный. Отрицательно заряженная нижняя часть облака, находящаяся ближе к земле, отталкивает электроны к поверхности земли, что приводит к формированию под облаком положительно заряженной части земной поверхности. Вследствие соприкосновения противоположно заряженных зарядов между облаком и землей возникает искра, которая и является молнией. По различной траектории, чаще всего зигзагом, она устремляется к земле и находит там свой положительный заряд — протон.[2]

Молнии делят на линейные, шаровые и чёточные. Длина линейной молнии равняется в среднем 2-3 км, сила тока примерно 10 тыс. ампер. Формирование линейной молнии сопровождается звуками грома. Шаровая молния образуется при разряде линейных молний, имеет сферическую или грушевидную форму и подсвечивается красным цветом. Чёточная молния (называемая также жемчужной, цепной, ожерельчатой и капельной) представляет собой последовательность светящихся, устойчивых и относительно небольших сферических образований, которая часто рассматривается как след от прохождения разряда обычной линейной молнии

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.

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.).

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.

Этот тип молнии (так называемая «сплошная молния», поскольку она освещает небо сплошным светом) возникает внутри грозового облака (внутриоблачная молния) или от одного облака к другому (молния между облаками или межоблачная молния). Она обычно вызывает рассеянное освещение без отчетливо видимого канала. К этому типу молнии также относится подвид зарница, которая состоит из рассеянного света от отдаленной грозы, наблюдаемой у горизонта. Иногда разряды молнии, выходящие из наковальни или части облака под ней, движутся горизонтально на некоторое расстояние, порождая древообразные ветви. Это явление называется «ползучая молния». [8]

Разряд линейной молнии происходит между облаками, внутри облака или между облаком и землёй, и обычно имеет длину около 2-3 км, но бывают молнии длиной и до 20-30 км.

Это наиболее часто встречающаяся форма молнии.

Плоская молния имеет вид рассеянной вспышки света на поверхности облаков. Грозы, сопровождаемые только плоскими молниями, относятся к разряду слабых, и наблюдаются они обычно лишь ранней весной или поздней осенью.

Ленточная молния — несколько одинаковых зигзагообразных разрядов от облаков к земле, параллельно смещённых относительно друг друга с небольшими промежутками или без них.

Редкая форма электрического разряда при грозе, в виде цепочки из светящихся точек. Время существования четочной молнии 1–2 секунды. Примечательно, что траектория четочной молнии нередко имеет волнообразный характер. В отличие от линейной молнии след четочной молнии не ветвится — это является отличительной особенностью этого вид.

Ракетообразная молния представляет собой медленно развивающийся разряд, продолжительностью 1–1.5 секунды. Ракетообразная молния наблюдается очень редко.

Редкая форма молнии, по статистике на тысячу обычных молний приходится 2-3 шаровых.

Природа шаровой молнии изучена не до конца. Существует множество гипотез о происхождении шаровой молнии, от научных до фантастических. [7]

Шторовая молния выглядит как широкая вертикальная полоса света, сопровождающаяся низким негромким гулом.

Шаровая молния — странное явление, которое до сих пор остается малоизученной загадкой. Ярчайший шар, летающий после или во время грозы, «жизнь» которого завершается мощнейшей электрической вспышкой или даже пожаром.

Объёмная молния – белая или красноватая вспышка при низкой полупрозрачной облачности, с сильным звуком треска “отовсюду”. Чаще наблюдается перед основной фазой грозы.

Молния издревле является объектом интереса со стороны человека. Её опасные проявления были известны еще с глубокой древности. В течении долгого времени молния считалась сверхъестественной силой, которую люди очень боялись. В язычестве молнию считали деятельностью наиболее могущественных богов: Зевса в древнегреческой мифологии, Перуна — в славянской. Поражение молнией считалось карой божьей. Соответственно, для защиты от молнии совершались определенные ритуалы и обряды. Из античной и славянской мифологии представление о молнии, как об инструменте божественной деятельности перекочевало и в христианство. Несмотря на восприятие молнии как проявления высших сил, тем не менее, уже в античности были выявлены определенные закономерности в поражении объектов молнией. Еще Фалесом было описано, что молния чаще всего ударяет в высокие отдельно стоящие объекты. В Средние века молния часто становилась причиной пожаров в деревянных городах, откуда пошло правило что нельзя строить дома выше храма. Храмы, расположенные, как правило на возвышенных местах, выполняли в этих случаях роль молниеотводы. Было также замечено, что металлизированные (в те годы — в основном, позолоченные) купола реже поражаются молнией.

Большой толчок в изучении молнии дало развитие мореплавания. Во-первых, мореплаватели столкнулись с грозами невиданной на суше силы, во-вторых, обнаружили, что грозы неравномерно распределены по географическим широтам, в-третьих, заметили, что при недалеком ударе молнии стрелка компаса испытывает сильные возмущения, в-четвертых, четко связали появление огней святого Эльма и надвигающейся грозы. Кроме того, именно мореплаватели первыми обратили внимание, что перед грозой возникали явления, похожие на те, что возникают при электризации стекла или шерсти от трения.

Развитие физики в XVII—XVIII веках позволило выдвинуть гипотезу о связи молнии и электричества. В частности, такого представления придерживался М.В.Ломоносов. 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

К началу XIX века большинство ученых уже не сомневались в электрической природе молнии (хотя существовали и альтернативные гипотезы, например, химическая) и основными вопросами исследования стали механизм выработки электричества в грозовых облаках и параметры грозового разряда.

В 1989 году были обнаружены особые виды молний в верхнй атмосфере: эльфы и спрайты. В 1995 году был открыт другой вид молний в верхней атмосфере — джеты.

В конце XX века при изучении молнии были открыты новые физические явления — пробой на убегающих электронах и фотоядерный эффект под действием гамма-излучения грозового разряда [1]

700 километров — такова длина самой протяженной из зафиксированных на сегодняшний момент в мире молний. Такой разряд произошел в 2018 году над Бразилией, сообщили метеорологи ООН. [3]

Наиболее часто молния возникает в кучево-дождевых облаках, тогда они называются грозовыми; иногда молния образуется в слоисто-дождевых облаках, а также при вулканических извержений, торнадо и пылевых бурях.

В заключении можно сказать, что молнии это очень важное и интересное явление, которое несет в себе множество интересных фактов.

1) Молния – это [Электронный ресурс]. – Режим доступа:

2) Молния, как явление [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://indicator.ru/label/molniya

3) Самая длинная молния [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.gazeta.ru/science/2020/06/26_a_13132027.shtml

4) Грозы [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.nkj.ru/archive/articles/9014/

5) Молния опасное явление [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://goo.su/34oE

6) Формы молний [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://ice-halo.net/wiki/atoptics/em/molniya

7) Шаровая молния [Электронный ресурс]. – Режим доступа:

Источник

Как образуется молния?

Что такое гроза?

Гроза – это атмосферное явление, которое сопровождается светомузыкальными эффектами под названиями молния и гром. Еще при грозе частенько бушует ветер и льется дождь. В общем-то каждый и сам все видел и все это знает. С дождем и ветром более менее понятно, но возникает вопрос откуда берутся молния и гром? Обычно люди, которые знают, что электричество живет в розетке, делают серьезное лицо и выдают ответ: “Это облака сталкиваются, поэтому сверкает.” Неплохой ответ конечно, но давайте ответим на этот вопрос с физической точки зрения.

Что такое молния?

Молния – это электрический разряд. Но откуда же он берется? А все начинается с облаков. С поверхности земли испаряется влага, которая поднимается вверх в виде капелек. “Стая” таких капелек собирается на определенной высоте и становится видна с земли в виде облака (в одном облаке просто невероятное количество капель). К облакам постоянно присоединяются новые капли, а старые могут отрываться от них. Если их присоединяется больше, чем отрывается, то облако растет. Размер облака по вертикали может достигать нескольких километров (расстояние от земли до нижней части облака примерно 0.5 – 2 км). В облаках температура может быть ниже нуля градусов по Цельсию, поэтому капельки замерзают и становятся льдинками. Эти льдинки находятся в постоянном движении, поэтому очень часто сталкиваются друг с другом. В результате этих столкновений одни капли/льдинки заряжаются положительно (они более легкие, поэтому поднимаются вверх), а другие отрицательно (они более тяжелые, поэтому скапливаются в нижней части облака).

При этом процессе нижняя часть облака заряжается отрицательно, а верхняя – положительно. При этом такое облако уже имеет большие размеры и становится грозовым. Нужно понимать, что не каждое облако становиться грозовым, так как этот процесс занимает длительное время, и нужно, чтобы сложились благоприятные условия (чтобы облако не распалось раньше, чем оно накопит достаточный заряд и наберет достаточную массу).

Теперь вернемся к молнии. Если два таких грозовых облака подходят на достаточно близкое расстояние (да еще одно подходит отрицательной стороной, а другое – положительной), заряженные частицы (электроны и ионы) начинают проскакивать через воздушную прослойку между двумя облаками (ведь плюс и минус, как мы знаем, должны притягиваться). Даже воздушная прослойка не может их остановить, настолько большие заряды у облаков!

Обычно первые частицы являются “полководцами”, так как они прокладывают канал между облаками, по которому сразу же устремляются миллиарды других заряженных частиц.

В этот момент мы и видим молнию!

Часто случается такое, что молния бьет прямо в землю. В этом случае сама земля выступает в качестве скопления положительного заряда, а остальное происходит как описано выше.

Почему молния имеет изломы?

Когда заряженные частицы летят через воздушную прослойку между облаками, они могут сталкиваться с молекулами воздуха или каплями (льдинками) воды. От этих столкновений меняется направление движения заряженных частиц, но в целом они продолжают двигаться в сторону второго облака, чтобы замкнуться на нем.

Почему мы слышим гром?

Гром – это звуковое сопровождение молнии, без которого невозможно достигнуть необходимого порога страха. Именно грома человек боится больше, чем светящейся полоски на небе.

При прохождении электрического разряда (молнии) происходит резкое повышение температуры окружающего воздуха до нескольких тысяч или даже миллионов градусов. Этот температурный скачок приводит к локальному расширению нагретого воздуха (взрыв), которое вызывает ударную волну (раскат грома). Если молния имеет много изломов, то мы слышим несколько раскатов грома при каждой резкой смене направления возникает новый “взрыв“.

Так как скорость звука в воздухе меньше скорости света, мы слышим гром немного позже самой вспышки. По времени задержки грома можно примерно посчитать расстояние до того места, где появилась молния. Для этого нужно посчитать: через сколько секунд слышится гром после вспышки. Каждые 3 секунды примерно равны расстоянию в 1 километр.

То есть, если после вспышки прошло 9 секунд до того как прогремел гром, то молния сверкнула на расстоянии 3 км.

Источник

Молния – природа газового электричества

В разных точках нашей планеты одновременно бушует около 2000 гроз и в каждую секунду в поверхность Земли бьет приблизительно 50 молний. Человечество изучает молнии издавна, однако только четверть века назад американским ученым Бенджамином Франклином было доказано, что молния представляет собой электрический разряд несущий в себе отрицательный заряд. Сегодня скоростная фотосъемка позволила установить, что вспышка состоит из нескольких коротких разрядов длящихся десятые доли секунды.

Как появляется молния?

Молния возникает в сильно наэлектризованных дождевой туче, между облаком и землей либо между соседними облаками. Причиной электризации выступает сила притяжения, которая возникает вследствие трения сконденсированных капелек или льдинок, из которых и образуется грозовая туча. Эти частички находятся в непрекращающемся движении вызванным потоками теплого воздуха, поднимающимися вверх от нагретой поверхности земли. Льдинки и капельки воды сталкиваются друг с другом, в результате чего и происходит электризация тучи. При этом более мелкие частички, увлекаемые воздухом вверх, имеют положительный заряд, а более крупные и тяжелые, находящиеся в нижней части облака – отрицательный.

Когда два противоположно заряженных облака приближаются друг к другу между ними возникает плазменный канал, образующийся из ионов и электронов. По этому каналу устремляются заряженные частицы в результате чего получается электрический молниевый разряд. Как между разными облаками получается молния, так и между тучей и поверхностью земли или же внутри одной грозовой тучи.

Сегодня ученые нашли ответ из чего же состоит молния – из нитей электрических зарядов (стримеров), которые сливаясь образуют ступенчатый лидер. По мере приближения лидера к поверхности земли или другому облаку, образуется ответный и при их соприкосновении происходит яркая вспышки и электрический разряд.

Как велика энергия одной молнии?

Напряжение молнии очень огромно и этой энергии хватит чтобы лампочка в 100 Вт светила непрерывно в течение 90 дней. В среднем один грозовой разряд несет в себе до 20 000 мегаватт, при этом температура достигает 10 тысяч по Кельвину, что в 5 раз больше чем на поверхности Солнца.

Известно, что разряд между тучей и поверхностью земли высвобождает энергии больше нежели разряд внутри облака или между двумя соседними. Это происходит потому, что разность потенциалов между небом и землей намного выше, чем просто между тучами.

Почему гремит гром?

Грозовая, насыщенная электричеством молния, всегда сопровождается раскатами грома. Это происходит из-за вибрации раскаленного воздуха, под воздействием стремительно возросшего атмосферного давления. Звук получается раскатистым, поскольку длина одной молнии достигает нескольких километров, а разряд длится некоторое время, потому доходит до слуха с разностью в доли секунд. И хотя вспышка и гром происходят в одно время, раскаты слышатся с некоторым запозданием, поскольку скорость звука ниже скорости света.

Какие бывают молнии

Всего в природе насчитывает несколько основных видов грозовых разрядов:

Также ученые называют молнией такие природные явления как эльфы, джеты, спрайты и огни Святого Эльма. Каждый вид возникающих электрических разрядов отличается характерными только для него особенностями и ведет себя по-разному.

Чем опасна гроза

Поскольку молния представляет собой электрический заряд огромной мощности, при попадании в здание она может вызвать его разрушение или возгорание. Кроме того, если такой разряд попадет в человека это может стать причиной тяжелых увечий и даже летального исхода. Поражается головной мозг, разрушается центральная нервная система, может произойти остановка сердца. И хотя по статистике прямое попадание грозового разряда в человека происходит в 1% случаев, это чрезвычайно опасно.

Ударная волна высвободившего разряда способна сломать дерево, выбить окна, травмировать, контузить, обжечь или оглушить оказавшегося по близости человека, потому даже ударившая рядом молния чрезвычайно опасна.

Сила тока молнии

Сила тока в молнии может достигать порядка 100 тысяч ампер, при этом напряжение составляет около несколько миллиона вольт (вплоть до миллиарда). Температура внутри молниевого канала достигает 25 000 градусов Цельсия и при ударе в песок или песчаную почву образуется стекло. Длина одного грозового разряда может быть от 8-10 до нескольких сот километров.

Правила поведения во время грозы

Чтобы избежать риска попадания молнии нужно знать, как правильно себя вести во время грозы:

Находясь в автомобиле во время грозы категорически запрещено прикасаться к крыше машины, двери и ручкам, поскольку при попадании молнии в корпус разряд идет по поверхности металла. Также лучше отключить радиоприемник, GPS-навигатор и опустить антенну.

Находясь дома нужно закрыть окна и двери, чтобы исключить возможные сквозняки. Известно, что именно сквозняк привлекает шаровую молнию. Во время грозы нельзя находится вблизи металлической батареи, подоконника или электроприборов – именно в них чаще всего разряжается шаровая молния. Также находясь в помещении рекомендовано отключить от сети бытовую технику и выключить радиоприборы.

Если непогода застает человека на улице на велосипеде, мопеде или мотоцикле – лучше спешиться, положить транспортное средство на бок и отойти от него на расстояние 25-30 метров. Не стоит раскрывать зонт, поскольку опасность попадания грозового разряда в этом случае повышается. Также опасно прятаться от дождя под высокими деревьями или находится вблизи металлических заборов.

Интересные факты

Существует немало интересных и шокирующих фактов, связанных с этим природным явлением:

Понимание того, как в грозовых тучах образуется молния и что она из себя представляет поможет относиться к этому явлению без пренебрежения. При неправильном поведении во время грозы молнии несут прямую опасность здоровью и жизни человека. Потому важно не забывать вовремя выключить мобильный телефон и постараться найти подходящие убежище на время буйства стихии.

Профильное образование: Троицкий аграрный техникум, специальность – электрик 3 разряда (1996 г.).
IV группа допуска по электробезопасности.
Электрик 4 разряда.
Опыт работы – с 1996 года.
Объекты работ: квартиры, дачи, бани, офисы и другие.
Дополнительная информация: Ленинградская область (до 100 км от г. Санкт-Петербурга)

Источник

Молния с последующими раскатами — самое завораживающее, но очень опасное природное явление. Образование молнии до сих пор учёными до конца не изучено, несмотря на прогресс науки и техники. Любому человеку стоит ее остерегаться, и в то время когда есть предпосылки к возникновению электрического разряда, стоит предпринять профилактические меры, чтобы избежать повреждения жилых зданий, инфраструктуры и, конечно же, гибели людей.

Что такое молния

Во время грозы, когда в небе происходит формирование туч (дождевых облаков большого размера и насыщенно-тёмного цвета), возникают искры невероятной мощности, сопровождающиеся громовым раскатом. Искры вызываются электростатическим разрядом:

Сначала возникает яркая вспышка, то есть молния, которая состоит из изогнутой или ломаной линии с ответвлениями. При этом небо озаряется синеватым свечением. Но так как скорость света гораздо быстрее скорости звука, доходит громовой раскат чуть позже.

Молния возникает во время грозы и принимает облик ярких вспышек, сопровождающихся громом

Почему возникает молния

Тому, как происходит молния, есть научное объяснение. Обязательное условие возникновения этого явления — столкновение частиц, с отрицательным и положительным зарядом. Чем больше разница напряжения между ними, тем сильнее столкновение, а значит, и мощность самой молнии.

Темно-синий цвет приобретают облака большой толщины, нижний край которых располагается в километре от поверхности земли, верхние же порой достигают 7 км. Внизу облако всегда теплее верхних слоёв, где капли воды превращаются в лёд. Происходит постоянное движение — тёплые пары с положительно заряженными частицами стремятся подняться вверх, а льдинки с отрицательно заряженными частицами – опуститься вниз. При столкновении происходит трение и статическая электризация частиц.

Но электрическое поле в самом облаке никогда не превышает 400 кВ/м, а для возникновения разряда необходима напряжённость в 2500 кВ/м, значит, в этом процессе участвуют некие другие силы. И здесь мнения учёных расходятся. В 1992 году российским учёным А. В. Гуревичем была предложена версия, что для получения искры принимают участие космические лучи — частицы высоких энергий, скорость которых приближается к световым.

История изучения молнии

В древности молнию считали посланием разгневанных богов, таких как Зевс из древнегреческой мифологии и Перун – из славянской, которые посылали огненные стрелы на безбожников и грешников. Для защиты от этого явления люди выполняли ритуалы и обряды, тем самым как-бы задабривая богов. Понятие о молнии в виде божьего наказания из античной и славянской мифологий перешло и в христианскую веру.

Тем не менее, даже в древности люди обратили внимание на закономерность поведения молнии. Чаще она поражает отдельно стоящие высокие предметы: дерево, столб, храм со шпилем. Поэтому дома нельзя было строить выше храма, который исполнял роль громоотвода.

Большой вклад в изучении молний принесло мореходство. Моряки сталкивались с грозами, мощность которых в разы превышала их проявлений на суше, при этом стрелка компаса выписывала невероятные «кульбиты». А появление в атмосфере пучков света в виде кисточек, чётко связали с надвигающейся грозой.

В XII-XIII веках активно развивалась такая наука как физика, что позволило связать молнию с электричеством. Этого же мнения придерживался и великий учёный того времени М. В. Ломоносов. Физика молнии была раскрыта Бенджамином Франклином, американским учёным и политическим деятелем. Результаты своих опытов с воздушным змеем по извлечению электричества из грозового облака он описал в 1750 году. Также ученый настаивал на возведении громоотводов в виде железного стержня, который должен возвышаться над сооружениями и соединяться с землёй.

Сейчас же портрет изобретателя громоотвода красуется на стодолларовой купюре.

В конце XIX века основная часть учёных уже не сомневались в электрическом происхождении молнии. Помимо основного вида грозового разряда, в верхних слоях атмосферы были обнаружены иные свечения, впоследствии названные эльфами, спрайтами и джетами. В конце XX века при изучении молний были открыты иные физические явления, возникающие под действием гамма-излучений грозовых разрядов. До сих пор учёные мира наблюдают за поведением разных видов молний с искусственных спутников нашей планеты.

Характеристики молнии

Молнию не перепутаешь ни с каким другим явлением, она легко узнаваема не только по внешним проявлениям, но и по другим показателям.

Атмосфера, окружающая среда и температура определяют цвет молнии, и её свечение приобретает все оттенки светового спектра, который распределяется в последовательности от горячих оттенков к холодным. Чем выше температура — тем ближе к холодным тонам: голубым, синим, фиолетовым. А при ударе в объект или землю молния обычно окрашивается в красный или оранжевый цвет.

Окружающая среда и температура являются основными факторами, определяющими цвет молнии

Скорость и длина

Молнии бывают линейными с ответвлениями и пучковыми. Показатели линейных:

В пучковых же молниях каждый канал рассматривается отдельно, и указанные параметры могут разниться в каждом из них.

Сила тока и напряжение

Не менее ошеломляющие цифры и по другим показателям:

Частота

Стадии возникновения молнии

Разряд не возникает сразу, для этого потребуется некий период времени и определённые условия.

Начальная стадия

В определённой части облака локализуются заряженные частицы – ионы. Они возникают, когда молекулы и атомы воды и газа, из чего и состоит облако, начинают терять или приобретать электроны. Катионами называются положительно заряженные ионы, анионами — отрицательно заряженные. Возникают токи высокого напряжения.

Средняя стадия

Запускается цепная реакция. Поскольку ток — источник тепла, под высоким напряжением нагревается воздух, и ионизация распространяется по облаку, захватывая большие участки. Возникает разряд с ионизированным каналом и ответвлениями от него, через который выходят заряженные частицы на высокой скорости.

Финальная стадия

Во время перемещения частиц по каналу их скорость снижается, но напряжение остаётся довольно высоким. В итоге молния уходит в другой край облака, ударяет в другую тучу, выстреливает в атмосферу или направляется к земле. Иногда молния ударяет в одно и то же место многократно, «облюбовав» себе наиболее короткий путь.

В финальной стадии молния обычно достигает земли или различных объектов

Виды молнии

Молния может возникнуть на разной высоте, иметь различную длину, заряд, форму, направление и многие параметры.

Линейная туча-земля

Сначала появляются светящиеся стримеры, ищущие кротчайший путь к разряду в облаке. Они возникают всегда по несколько штук. Некоторые из них, едва появившись, гаснут. Затем формируется лидирующий канал, с появлением которого все стримеры пропадают и вся мощь, сосредоточенная в одном канале, устремляется к земле.

Визуально человек видит изогнутую или ломаную светящуюся линию, но при замедленной съемке видно, что заряд спускается не сразу, а ступенчато. Длина отрезков составляет около 50 метров. После каждого интервала молния замирает на 50-тимиллионные доли секунды и продолжает движение вниз.

Лидирующий спускающийся канал перенасыщен отрицательно заряженными частицами, и, чем ближе он находится от земли, тем сильнее возрастает положительный заряд внизу, чаще – на пиках высоких объектов. Возникает вспышка, длящаяся доли секунды, но человеческий глаз видит остаточное изображение и возникает иллюзия долгого свечения.

Земля-облако

Для некоторых сейчас будет открытием узнать, что молния не всегда имеет направление облако-земля. В доли секунды не всегда можно заметить движение разряда, однако с технической точки зрения молния идёт как сверху вниз, так и снизу вверх. Для возникновения подобного вида молнии должны быть созданы определённые условия, например, пик отдельно стоящей горы или сооружений-небоскрёбов. Это происходит по причине концентрации электрических полей на верхушках во время грозового разряда в облаках.

Разряд «земля-облако» возникает вследствие пробоя слоя атмосферы над облаком, которое находится ниже верхней границы тучи и заряженной верхушки

Облако-облако

Такое явление происходит по принципу обмена электрическими зарядами между двумя облаками. Так как в каждом из облаков присутствуют положительно и отрицательно заряженные частицы, они могут притянуться друг к другу.

Облака, расположенные поблизости, обмениваются друг с другом электрическими разрядами

Горизонтальная

Эта молния не бьёт в землю, а распространяется горизонтально. Может выстрелить из одиночного грозового облака в атмосферу.

Вспышки горизонтальной молнии распространяются в разные стороны

Ленточная

Несколько разрядов рисуют в пространстве одинакового размера зигзаги, параллельно смещённые относительно друг другу. Иногда между линиями формируется небольшие промежутки, что очень красиво смотрится. Но чаще они сливаются между собой, образуя как бы широкую ленту.

Ленточная молния возникает из нескольких молний, которые идут параллельно друг другу

Чёточная пунктирная

Данная форма редко встречается в природе. Разряд идёт не сплошной линией, а с промежутками, напоминает цепочку. Такое изображение формируется, возможно, из-за быстрого остывания отдельных её участков. Обычно такая молния вырисовывается одной пунктирной линией, без ответвлений.

Четочная пунктирная молния представляет собой цепочки из светящихся точек

Шторовая

Когда вряд несколько молний выстреливают из облаков и устремляются к земле, сопровождаемые гулом, создаётся видимость светящейся шторы.

Шторовая молния – это широкая светящаяся полоса, состоящая из большого количества разрядов

Спрайт

Их ещё называют красными спрайтами — крупногабаритные электрические разряды холодной плазмы. Они возникают высоко над грозовыми облаками, в тропосфере, расположенной в 50-90 км над землёй, образуя удивительные мерцающие формы красного или оранжевого цвета.

Спрайты – это электрические разряды холодной плазмы, бьющие из облаков вверх

Конусообразная слабосветящаяся вспышка над грозовым облаком в диаметре достигающаяся 400 км, а в высоту до 100 км, как бы напоминает колпак эльфа, отчего и получила своё название. Длительность свечения продолжается в среднем 3 мс.

Эльф представляет собой конусообразные вспышки со слабым красным светом

Джеты возникают в нижней части ионосферы и похожи на трубки-конусы синего цвета, высотой 40-70 км. Свечение длится дольше эльфов.

Синие джеты образуются в верхней кромке облаков

Вулканическая

В этом случае молния вызывается электрическим зарядом частиц во время извержения вулкана. Происходит уплотнение вулканического пепла, и за счёт генерализации образуется статическое напряжение внутри вулканического шлейфа. Иногда в этом процессе участвуют кристаллы льда. Отличительной особенностью вулканических молний является то, что разряд появляется прежде формирования в пылевом облаке льдинок.

Вулканические молнии появляются при извержении вулкана

Огни святого Эльма

Другое название — «огни святого Элмо». Эти беззвучные разряды относятся к оптическому явлению в атмосфере в форме светящихся пучков. Они возникают на заострённых концах высокостоящих одиноких объектах: мачте, пике башни, дереве, скалистой вершине и даже человека. Появляются во время грозы, зимней метели, пылевой бури или морского шторма, когда напряжённость в атмосфере достигает 100 000 В/м.

Огни святого Эльма – это разряды, которые возникают на заостренных концах возвышающихся объектов

Шаровая

Но самое загадочное природное явление — светящийся плавающий шар. До сих пор учёными не предоставлена единая физическая теория по возникновению и поведению этого объекта. Некоторые покорители наук относят это явления к галлюцинациям человеческого сознания.

Популярные вопросы и ответы

Чтобы обезопасить себя во время грозы, человеку стоит знать насколько опасны некоторые виды молний, и принять меры по уменьшению рисков.

Какие виды молнии опасны для человека

Опасность представляют только те виды молний, которые ударяют в землю или наземные объекты. Но человек не может предвидеть, куда именно ударит молния на земле или выстрелит горизонтально, поэтому стоит придерживаться общих правил поведения во время грозы. Безопасными считаются Огни святого Эльма.

Опасность представляют все виды молнии, которые могут достичь земной поверхности

Бывают ли молнии зимой

В зимний период возникновение молнии — редкое явление, так как земля недостаточно прогрета, и воздухообмен тёплых и холодных потоков не интенсивен. Обязательным условием для возникновения разряда является большая разница температур. Однако на фоне глобального потепления зимы бывают довольно тёплыми, а значит, молнии могут возникнуть.

Как определить расстояние до молнии по грому

Расстояние до разряда по громовому раскату можно рассчитать приблизительно, учитывая скорость звука, которая составляет около 300 м/сек. Для этого при вспышке засекают время и при первых громыханиях фиксируют конечный результат. 3 секунды приравниваются примерно к 1 километру.

Есть ли польза от молнии

Учёные считают, что обязательное условие зарождения жизни на Земле — это молнии. Без них на нашей планете не было бы той формы жизни, частью которой является человечество. Помимо этого во время грозовых дождей воздух очищается от пыли и вредных соединений. А искра преобразует вредные соединения в полезные, например, азот в аксиды азота или азотную кислоту.

Эти химические элементы считаются полезным удобрением для растений во время вегетации.

Можно ли использовать энергию молнии

Было бы неплохо использовать грозовую энергетику во благо человечеству. Ведь данный источник энергии неисчерпаем. Сейчас учёными ведутся разработки по созданию установок по захвату молний. Это бы снизило себестоимость электроэнергии и негативное влияние современных электростанций на экологию планеты. Но сложность состоит в том, что определить, в каком месте возникнет молния, практически невозможно.

Ученые разрабатывают технологию использования грозовой энергетики в научных и промышленных целях

Что делать во время грозы

При грозе путнику стоит соблюдать определённые правила поведения, чтобы снизить риски попадания молнии.

Существует такое понятие как «шаговое напряжение», то есть, напряжение между двумя точками. И чем дальше они друг от друга находятся, тем сильнее сила тока. Так крупный рогатый скот или лошади, копыта которых находятся на большом расстоянии друг от друга, находятся в зоне риска.

Как защищают самолеты от молнии

Но даже если молния всё же попадёт в самолёт, что случается раз или два раза в год, конструкторами-разработчиками учтён и этот фактор. Так как самолёты в воздухе не подключены к земле, то в атмосфере ток гораздо ниже, и вокруг металлического самолёта образуется «клетка Фарадея». Таким образом, ток проходит по поверхности корпуса, не проникая внутрь, и находящиеся в салоне пассажиры могут не волноваться по поводу ударов молнии.

Как защищают оборудование от молнии

От прямого попадания молнии оборудование полностью не защитить, но чтобы уменьшить риски, проводят профилактические меры и устанавливают громоотводы с грозозащитой в 15-20 кВ в виде:

Варианты защиты также разнятся на внешние, когда происходит отвод энергии в землю и её рассеивание, и внутренние — вторичный фактор защиты.

Как вызвать разряд молнии

После многочисленных опытов учёных, пытающихся вызвать молнию искусственным путём, в 1990 году всё же удалось это сделать безопасным способом. Ведь до этого опыты нередко заканчивались гибелью исследователей. Например, российский академик Г. В. Рихман в 1753 году погиб от удара молнии, пытаясь повторить опыт Франклина.

Один из способов вызвать разряд — запустить в грозовое облако ракету, тем самым искусственно создав канал для выхода молнии и обеспечив ей связь с землёй. А чтобы обеспечить более благоприятные условия для образования разряда, к ракете крепят металлический провод, который создаёт связь с землёй.

Для того чтобы вызвать молнию, нужно запустить с земли небольшую ракету в грозовое облако

Почему грозы чаще над сушей, чем над морем

Над морем грозы также часто бывают, как и на суше. Просто свидетелей там меньше. Но космические и метеорологические станции фиксируют частоту молний и на суше и на море примерно в одинаковом количестве.

Как можно защититься от молнии с помощью водяной струи и лазера

Последние разработки учёных удивляют своей креативностью. Они предлагают на детских площадках и местах наибольшего скопления людей устанавливать водяные громоотводы. Принцип состоит из выстреливания струи воды высотой 300 метров и диаметром в сантиметр.

Выстрел водой по грозовой туче уведет разряд молнии в сторону

Вода в составе будет содержать соль для улучшения электропроводности и жидкие полимеры, для предотвращения распада струи на капли. Фонтан будет работать только в грозу, включаясь после ее окончания автоматически. Прибор, контролирующий выброс воды, зафиксирует достаточно высокое электрическое поле в атмосфере, при котором возникнет наибольшая вероятность формирования молнии и подаст сигнал.

В качестве громоотвода может послужить и лазерный луч. С его помощью можно ионизировать воздух и создать канал для молнии. Но эту защиту лучше размещать вдали от скопления людей.

Главное, что эти конструкции не только обезопасят окружающих от удара разрядом, но и сами по себе безопасны. Сейчас идут доработки, и в обозримом будущем эти сооружения появятся в наших городах.

Может ли поразить молния внутри дома

Разряд вполне может войти внутрь здания по:

В последнем случае в розетках возникает всплеск напряжения, после чего могут перегореть электроприборы или их предохранители.

Видео по теме

Источник

Гроза и молния: что об этом обязательно нужно знать

Молния — электрический разряд

В 1752 году известный американский ученый и политический деятель Бенджамин Франклин доказал, что молния является ни чем иным, как электрической искрой.

Летом в Филадельфии 45-летний Франклин со своим сыном запускали бумажного змея, к концу шелковой нити которого привязывали тяжелый железный ключ от садовой калитки. Когда приблизилось грозовое облако, Франклин поднес палец к ключу и между ними проскочила искра.

Открытие Франклина было настоящей сенсацией. Он доказал, что грозовые облака имеют электрический заряд и что молния — это электрический разряд между облаком и Землей.

Сначала из облака стремительно как-бы падает вниз на землю «лидер». Лидером называется стартовая часть разряда молнии. Пройдя порядка сотни метров, лидер замедляется, чтобы накопить энергию, набрать заряд, затем он движется дальше, сворачивает от пространства с воздухом большего сопротивления — туда где сопротивление меньше, минует следующие стадии, и в конце концов проходит весь путь, который может достигать десятков километров.

Продвигаясь все ближе к земле, и находясь уже на расстоянии в несколько десятков метров от ее поверхности, лидер вызывает на себя встречный (индуцированный) электрический разряд противоположного знака из какой-нибудь естественной или искусственной возвышенности.

Что такое гроза

Это сложный атмосферный процесс, сопровождаемый электрическими разрядами — молниями, которые вызывают гром. При грозе происходит конденсационный атмосферный процесс — осаждение водяного пара на конденсационных ядрах и образование капель.

Иногда это совокупность метеорологических явлений — воздушные течения, ветер, дождь, снег, град — при возникновении больших электрических напряжений в атмосфере и их выравнивание с помощью разрядов — молний.

Возникновение грозы обусловлено образованием кучево-дождевых облаков. Мощная облачность является следствием значительной неустойчивости атмосферы, при которой возникают гигантские и быстрые восходящие токи воздуха с образованием в них облаков.

Для грозы характерны шквальный ветер у земной поверхности, а часто и интенсивный дождь (снег), связанные иногда с градом. Примерно за час или два перед грозой атмосферное давление начинает быстро падать, вплоть до внезапного усиления ветра, затем опять повышается.

Куда и почему попадает молния

Но как молния выбирает место, в которое ей лучше ударить? Дело в том, что когда лидер молнии приближается к поверхности земли, непосредственно на поверхности земли, в месте под лидером, усиливается напряженность электрического поля, и стремительно накапливается индуцированный электрический заряд.

Наконец, в том месте где индуцированного заряда накопилось больше всего, и где напряженность электрического поля оказалась выше — там и наступает критический момент — происходит пробой воздуха.

Обычно пробой происходит в возвышающийся над поверхностью земли предмет, поскольку у острия или выступа заряда накапливается больше всего. Так принято считать. Однако лидер молнии движется очень быстро, прежде всего выбирая участок с более высокой электропроводностью, меньшего электрического сопротивления.

Влажная почва в месте залегания металлических руд имеет большую электропроводность по сравнению, скажем, с сухим песком, обладающим плохой проводимостью, препятствующей продвижению индуцированного заряда в сторону лидера. Поэтому высокий песчаный холм молния может обойти, выбрав вместо него ручеек, обильно увлажняющий низину. В такие моменты кажется что молния выбрала место для удара ниже чем следовало бы.

Молниеотводы представляют собой заземленные металлические штыри, установленные вертикально и заостренные сверху. Заземление штыря выполняется очень качественно, с помощью металлических листов большой площади, которые закапываются в землю на уровне, где всегда имеется достаточная влажность.

Допустим, молниеотвод имеет высоту h1, тогда он надежно защитит объекты, находящиеся внутри конуса с углом образующей альфа и радиусом основания ОС. Это означает, что почти 100% молний обречены попасть в область вершины конуса, в точку А, и лишь менее 1% молний могут случайно ударить в объект, находящийся внутри защищаемого объема. И то если грозовое облако окажется в данной области.

У острия молниеотвода электрическое поле имеет наивысшую напряженность и именно из него прежде всего вырвется навстречу лидеру индуцированный разряд, направляя молнию по безопасному для нас пути. Практически статистика говорит нам о том, что оснащенное таким образом пространство защищено от попадания туда молнии лет на 200.

Как узнать расстояние до молнии

Кстати, раскаты грома добираются до нас от молнии издалека, поэтому иногда звук грома как-бы приглушенный, а иногда — наоборот, прорывает оглушительным треском, если гроза в самом разгаре. Это очень просто объясняется. Свет от вспышки молнии распространяется по воздуху со скоростью 299792 километра в секунду, поэтому молнию мы видим всегда сразу.

А вот звук от нее распространяется медленнее, поэтому гром мы слышим намного позже вспышки, лишь некоторое время спустя. Так как за 3 секунды звук проходит примерно 1 километр, то посчитав время между вспышкой молнии и началом звука грома, можно прикинуть, на каком расстоянии произошел разряд или практически — на каком расстоянии находится грозовая туча.

Засеките время в секундах между вспышкой молнии и началом звука грома, затем разделите его на 3, так вы получите приблизительное расстояние в километрах от вас до места разряда молнии, гром от которой грохочет.

Опасность молнии

Молния, конечно, опасна для человека. Ток даже в 60 миллиампер уже может оказаться смертельным, если он, не дай бог, пройдет чрез мозг или сердце. Вот почему попадание молнии прямо в человеческое тело смертельно опасно. Но даже если молния ударит в землю или в объект находящийся рядом с человеком, это тоже опасно.

Токи, текущие по земле в момент попадания в нее молнии, создадут падение напряжения, особенно на определенном участке земли. В итоге даже между точками поверхности земли, находящимися на расстоянии метра друг от друга, может возникнуть разность потенциалов в сотни и тысячи вольт — так называемое шаговое напряжение, поскольку размера шага будет достаточно.

Неприятно одно только ощущение, когда находясь недалеко от места удара молнии, человек чувствует движущийся по его телу индуцированный заряд.

И мы сказали только о линейных молниях, не говоря уже о шаровых, которые могут порой возникать и быстро плавать в воздухе. Светящиеся электрические шары (плазма) достигающие 200 мм в диаметре могут быть очень опасными.

Техника безопасности во время грозы

Если вы находитесь дома, то закройте все окна и двери, а также дымоход, если у вас имеется печь. Хорошо если жилое здание оборудовано молниеотводом. Сельские дома часто имеют на крышах антенны, которые нужно заземлить, а про телефонные разговоры на время грозы лучше вообще забыть.

Находясь вне дома, не вздумайте купаться во время грозы. Помните, что вода естественных водоемов является хорошим проводником, особенно для электрических разрядов.

Не стоит прятаться от грозы возле одиноко стоящего дерева, ведь именно верхушки одиноко стоящих деревьев во время грозы очень наэлектризованы и буквально привлекают к себе молнии. Иногда можно заметить как верхушки деревьев светятся от электрического напряжения и ионизации во время приближения грозы.

Аналогичным образом ведут себя стога сена, столбы и другие выступающие над землей предметы. Если вы находитесь в лесу, то предпочтите для укрытия более низкое дерево или куст, стараясь, однако, как можно внимательнее избегать соприкосновения с ним.

Босиком в грозу лучше не ходить, и тем более не ложиться на землю, помните о шаговом напряжении. Когда идете в грозу по земле, шаг пусть будет не очень размашистым, ставьте ноги не далеко друг от друга.

Если гроза застала вас на природе, избегайте возвышенностей, а в горах выбирайте для укрытия середину ущелья. Перебегая с места на место помните, что время между разрядами молнии обычно составляет около 10 секунд. В степи для укрытия лучше воспользоваться какой-нибудь пленкой или плащом, и просто переждать грозу.

Если же вы в лодке далеко от берега, например рыбачите, то вам стоит укрыться прямо в ней и переждать грозу, вероятность поражения молнией в этом случае почти нулевая.

Правила поведения с шаровой молнией

А как же быть, если вам «повезло» и встретилась шаровая молния? Не стоит от нее бежать, так как поток воздуха просто потянет шаровую молнию за вами. Спокойно и медленно отойдите от шаровой молнии подальше, внимательно следите за ней, не поворачивайтесь к ней спиной.

Шаровая молния движется вместе с потоком воздуха, поэтому перейдите на ту сторону от нее, откуда ветер будет шаровую молнию от вас отдувать. Если дело происходит в комнате, то избегайте сквозняка, не стойте между окном, дверью и дымоходом, ведь именно по этому пути вероятнее всего шаровая молния будет двигаться.

Не пытайтесь поймать шаровую молнию руками, во-первых, она очень горячая, во-вторых, вы рискуете уничтожить ее вместо того чтобы использовать эту возможность и понаблюдать редкое явление природы. Не нужно пытаться трогать шаровую молнию палкой или еще чем-нибудь. Если же вы растерялись, то просто спрячьтесь подальше и дождитесь пока шаровая молния «разрядится» или покинет помещение.

Если молния, независимо от ее вида, линейная или шаровая, поразила человека, и вы стали свидетелем этого, то необходимо перенести пострадавшего в теплое сухое проветриваемое помещение, накрыть его одеялом, и в случае необходимости оказать первые реанимационные мероприятия. Срочно вызовите скорую помощь и сообщите о случившемся!

Молниезащита и защита от импульсов перенапряжения

Актуальность проблемы защиты от перенапряжения и молниезащиты в последнее время у многих уже не вызывает сомнения. Однако, ощущается острая нехватка информации в данной области, недостаток теоретических знаний, методик расчета, т.е. непонятно, каким образом и при помощи каких конструктивов, элементов и устройств защитить задание, оборудование и людей внутри здания от разрушающих факторов и опасных последствий удара молнии и импульсов перенапряжения различной природы.

Источник

Как появляется молния и как она «выбирает цель»

Молния представляет собой электрический разряд огромной силы, который возникает между атмосферой и поверхностью Земли. Обычно воздух обладает диэлектрическими свойствами — он даже используется в качестве прослойки между обкладками конденсатора. Однако в конденсаторе могут случаться пробои. Это происходит, когда на обкладках скопился очень большой заряд, который в какой-то момент не выдерживает и начинает проходить через слой воздуха между обкладками.

С этой точки зрения молния представляет собой, фактически, пробой огромного конденсатора, обкладками которого выступают грозовые облака и поверхность Земли. В облаках перед разрядом молнии начинает накапливаться заряд из-за трения частичек пыли и кристалликов льда друг о друга. В некоторый момент заряд облака превышает критический и случается «пробой» — молния ударяет в землю.

Согласно современным данным, на Земле за секунду ударяет в поверхность примерно 45-50 молний. Эти природные явления могут наносить значительный ущерб не только человеческим сооружениям, но и природе, вызывая лесные пожары.

Свойства электрического тока таковы, что он ищет самый короткий путь до поверхности Земли, поэтому ударяет в наиболее высокую точку из всего пространства. Однако выбор этой точки во многом зависит от места формирования молнии: разряд не будет лететь до высокой точки, которая находится в нескольких километрах от него по поверхности. Чтобы предугадать, куда ударит молния, необходимо точно знать место ее формирования (что с помощью современных технологий сделать невозможно) и просто рассчитать наиболее короткий путь разряда до поверхности Земли.

Источник

Природа появление молнии и ее опасность

Молния и следующие за ней раскаты грома — это одно из самых эффектных явлений природы, оно привлекало человека во все времена. Они знакомы каждому с детства, но не все понимают, почему появляется молния. Дать точного ответа не могут ученые, несмотря на научно-технический прогресс явление остается слабо изученным. Ученые знают механизм образования разных видов молнии, но в нем есть множество научно необъяснимых моментов.

Молнией называют мощный электрический искровой заряд, который формируется в атмосфере планеты. На Земле это обычно происходит во время грозы. Молнии бывают не только на Земле, но и на других планетах — Венере, Уране, Юпитере и Сатурне. У нас это яркие вспышки разного цвета, за которыми следуют раскаты грома. Чаще всего они образуются в кучево-дождевых облаках, но могут образоваться и в слоисто-дождевых, если те будут достаточно большие по объему.

В этой статье мы расскажем о молниях: какими они бывают, как появляются, чем опасны. Ты узнаешь, какие технологии человечество изобрело для защиты от молний.

Грозовые тучи невозможно перепутать с другими, они всегда темные и насыщенные по цвету. Темный оттенок — это результат большой толщины: такие облака начинаются в километре над землей и доходят до высоты 6-7 километров. Так как на такой высоте низкая температура, вода становится кристаллами льда. Более теплый воздух поднимается вверх и тянет за собой эти кристаллики, более крупные льдинки опускаются, и они сталкиваются между собой.

Как образуется молния?

Льдинки сталкиваются и происходит то же самое, что и при трении других предметов друг о друга — они электризуются. Крупные обретают отрицательный заряд, мелкие — положительный. Разные части тучи получают разный заряд, сверху — плюс, снизу — минус. Разница потенциалов создается не только между частями тучи, но и между ней и землей. Разница исчисляется сотнями тысяч вольт. Молния двигается быстро, но образуется она не молниеносно. Формирование — это три последовательные стадии.

Начальная

Разряд создается в той части, где больше ионов, частиц с зарядом. Ионы появляются, когда целая молекула теряет электроны или обрастает новыми. В данном случае эти частицы создаются из газов и воды, из них туча и состоит. По поводу того, что происходит дальше, у специалистов нет единого мнения.

Ряд ученых считают, что из-за разгона свободных электронов концентрация ионов становится выше. Электроны сталкиваются с молекулами нейтрального заряда, ионизируя их. Так создается заряд. Есть и другая гипотеза, согласно которой воздух ионизируется под воздействием космического излучения. В ионизированном состоянии газы проводят ток, поэтому по облаку может пройти электричество.

Средняя

Затем следует цепная реакция. По облаку проходит ток, и он нагревает воздух в его определенной части. От этого энергетически заряженных частиц становится все больше, и они создают еще больше ионов. По этой причине молния проходит очень быстро. У любой молнии есть самый мощный канал, от него отходят ответвления. Поэтому заряды похожи на зигзаг, с новой вспышкой заряд продвигается примерно на несколько десятков метров. Скорость этого мощного канала может доходить до 50 тысяч километров в секунду.

Самый мощный заряд доходит до другой части облака или до земли, но на этом все не заканчивается. Ионизированный канал пробивается электрическим разрядом, по этому каналу очень быстро проходят заряженные частицы, его ширина составляет несколько сантиметров, температура внутри достигает нескольких тысяч градусов. Эти идущие по каналу заряды — и есть молния, которую мы видим. Из-за высокой температуры мы видим молнию очень яркой, явление проходит молниеносно, но за эти мгновения успевает высвободиться очень много энергии.

Финальная

Скорость движения зарядов в канале падает, но при этом напряжение и сила тока по-прежнему высоки. На финальной стадии молния достигает какого-то объекта. Если рядом будут люди, то для них явление крайне опасно. Данная стадия длится десятые доли секунды, но она способна нанести огромный ущерб. Вопреки распространенной поговорке, молния часто бьет в одно место дважды или даже несколько раз, так как оно является завершающего точкой для самого короткого пути.

Какие бывают молнии?

Выделяют множество видов молний, главное отличие — тип формирования в зависимости от высоты. От этого параметра зависит, какой вид образуется:

Какие самые опасные?

В разных точках земли люди видят молнии более или менее часто. Где-то очень часто, к примеру, в Венесуэле есть одно необычное местечко, где молнии формируются и вспыхивают непрерывно в любой день и любое время года. Пик приходится на период с мая по ноябрь, за год на каждый квадратный километр приходится 250 молний.

Насколько молния будет опасной для человека, зависит от того, достигнет она земли или нет. Огни Святого Эльма и те заряды, которые бьют по облакам или над ними, безопасны.

Какого цвета бывают?

Сложно не заметить, что молнии бывают разными по цвету. Они могут быть желтыми, белыми, оранжеватыми, голубоватыми, красноватыми. Какой будет оттенок, зависит от состава атмосферы. Температура в канале молнии в пять раз выше, чем на Солнце, при таких условиях воздуху свойственно становиться голубым или фиолетовым. Поэтому заряды вблизи от нас при чистом воздухе мы видим синеватыми. На более далеком расстоянии мы видим их белыми, на еще более далеком — желтыми. Но здесь дело не в самой молнии, а в том, что голубые цвета рассеиваются. При большом количестве пыли в воздухе цвет становится оранжевым. При наличии капель воды становится красной.

Как часто возникают молнии?

Есть мнение, что зимой молний не бывает. На самом деле бывают, но крайне редко. Объяснение в том, что поверхность земли прогревается не так сильно. Нет условий для формирования восходящих воздушных потоков. Однако, в последнее время из-за глобального потепления, молнии появляются чаще.

Согласно новым данным, полученным при помощи космических спутников, частота ударов молнии на планете составляет 44 в секунду плюс-минус пять.

По молнии можно высчитать, как далеко находится гроза. Для этого нужно засечь время между вспышкой и раскатом грома. Отталкиваясь от скорости звука — 300 метров в секунду, мы понимаем, что пауза в три секунды означает, что грозовой фронт примерно в километре. Если засечь дважды, то можно понять, приближается гроза или удаляется. Если видно всполохи, но не слышно грома, значит, расстояние составляет более 20 километров.

Какая опасность?

Самые опасные последствия — это попадание в человека, деревья, дома, машины и другие объекты. Когда электричество бьет в песок или горную породу, может сформироваться фульгурит. Под воздействием тока материя плавится и быстро застывает. Если это песок, то будет создано стекло — полые трубочки произвольной формы. Обнаружить их очень сложно, попасть в такую зону опасно.

Если шаровая молния попадет в дерево или деревянный объект, например, кровлю здания, то произойдет возгорание. При попадании обычной в закрытый автомобиль ничего страшного не произойдет, ток сразу же уйдет в землю, он не сможет проникнуть в салон. Людей чаще всего поражает в голову или в грудную клетку. От этого на коже остаются следы зигзагообразной формы. У них есть название — фигуры Лихтенберга. Попадание опасно для жизни и здоровья, поэтому его нужно всячески избегать.

Если ли польза?

Электрический ток очищает воздух от загрязнений, каждому знакомо ощущение чистоты после грозы. Другое полезное действие — стимул к накоплению азота, это естественное удобрение для растений.

Есть отдельная научная дисциплина — громовая энергетика. Специализирующиеся на ней ученые ищут способы применения громовой энергии. Она классифицируется как возобновляемый источник, поэтому необходимы способы направления ее в электрические сети. В большинстве стран электроснабжение обходится очень дорого, причем не только материально. Добывающие станции наносят огромный вред природе. Если использовать грозовую активность, то неиссякаемым источником станет сама природа. В данный момент проблема в том, что появление грозы и ее продолжительность невозможно предсказать с высокой точностью.

Правила безопасности во время грозы

При нахождении на улице во время грозы необходимо:

В помещении тоже нельзя считать себя в безопасности. Следует выключить телефон и все электроприборы, перекрыть газ, закрыть окна.

Оборудование для защиты

В первую очередь в защите нуждаются самолеты. Корпус каждого из них покрыт специальной экранирующей металлической сеткой, она проводит электричество, но не позволяет ему попасть внутрь, навредить оборудованию и людям. Есть и дополнительная защита, она установлена на каждом приборе и является гарантией того, что он не выйдет из строя. При попадании пассажиры на борту могут услышать громкий звук, но иногда его не слышно. Перед тем, как сдать самолет в использование, его всячески испытывают, один из тестов — симуляция разных видов молнии.

На домах и оборудовании устанавливают грозозащиту. Она не может уберечь от удара, ее назначение — в сохранении оборудования от статического электричества и напряжения. Когда появляется разница в напряжении, срабатывает защитный диод, благодаря этому провода заземляются.

Люди научились противостоять молниям, но так и не могут объяснить во всех деталях природу их появления. Но наука сделала большой прорыв. Знание основывалось на наблюдениях. Еще в древности, когда люди относили молнию к божьей каре, они подметили, что бьет она преимущественно в высокие объекты. О связи с электричеством стало известно только в 17 веке. На тот момент наиболее достоверную гипотезу выдвинул Б.Франклин. Его научный труд датирован 1750 годом, в нем описывается эксперимент, в ходе которого в грозу запускали воздушного змея с металлическим стержнем. Именно так была доказана электрическая природа. В 20 веке ученые уже знали, почему появляется молния, а также открыли их необычные разновидности. Сейчас изучение проводится через спутники.

Источник