Astro-nn.ru

Стройка и ремонт
2 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Почему возникает молния

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.

© paulprescott72/iStock

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.

Впоследствии профессор Георг Вильгельм Рихман, выдающийся ученый, родившийся в Эстонии и живший в , член Санкт-Петербургской Академии наук, много лет изучавший электрические явления, очевидно, вдохновленный экспериментом Далибара, решил также попробовать его провести. Как рассказывает Майкл Брайан в интереснейшей книге Draw the Lightning Down: Benjamin Franklin and Electrical Technology in the Age of Enlightenment («Как обезвредить молнию: Бенджамин Франклин и электротехника в эпоху Просвещения»), Рихман приладил железный прут к крыше своего дома и медной цепью соединил его с прибором для измерения электричества в своей лаборатории, расположенной на первом этаже.

Как нарочно — а может, это был знак судьбы, — в августе 1753 года во время заседания Академии наук разразилась сильнейшая гроза. Рихман бросился домой, захватив с собой художника, который должен был иллюстрировать его новую книгу. Пока Рихман наблюдал за оборудованием, ударила молния, прошла вниз по стержню и цепи, выпрыгнула в полуметре от головы ученого, ударила его током и отбросила через всю комнату; художник тоже получил сильный удар током и потерял сознание. В интернете можно найти несколько иллюстраций этой ужасной сцены, хотя точно неизвестно, был ли их автором художник, принимавший в ней непосредственное участие.

Читать еще:  7 лучших электрических краскопультов

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.

Как образуется молния

Молния. Эта яркая вспышка всегда восхищала, завораживала и одновременно устрашала людей. В древности ей поклонялись. Но и мы недалеко ушли от своих предков. Единственное – мы прекрасно понимаем, что молния по своей сути — электрический разряд. Однако защищаться от нее человечество научилось где-то с десяток лет назад.

Итак, молния – как образуется и что она собой представляет? На эти вопросы мы постараемся ответить далее.

Несколько слов о грозовых тучах

Большинству людей еще с детства известно, что молния возникает в кучевых дождевых облаках, которые представляют собой ничто иное, как большое скопление водяного пара. Под воздействием воздушных потоков, которые идут с земли, паровые частички пребывают в постоянном движении, сталкиваясь друг с другом.

В результате этого, крупные льдинки получают положительный заряд, а мелкие, наоборот, отрицательный. Под действием этого, грозовая туча постепенно заряжается и сверху приобретает положительный заряд, а снизу – отрицательный.

Как образуется молния

В следствие описанного выше процесса, электрополе становится все более напряженным. А теперь представьте, что две такие тучи сталкиваются друг с другом. Естественно, между ними проскочат определенные частицы – электроны и ионы. Такая реакция создает подсвеченный плазменный канал, который становится проходом для всех остальных частиц. Собственно, так и возникает молния.

А что же с громом

Такая реакция выделяет колоссальную энергию, которая доходит до миллиарда джоулей. При этом температура зашкаливает за 10 тысяч Кельвинов. Именно в связи с этим и возникает яркая вспышка.

Среда под воздействием столь огромной температуры начинается расширяться, и при этом создает настоящую ударную волну. Именно так и возникает гром. Кстати, теперь вы знаете, почему вначале следует молния, а гром возникает потом.

А как об этом узнали ученые

Первым, кто вплотную занялся изучением этого вопроса, был Бенджамин Франклин. Он соорудил специального воздушного змея, на конце которого была проволока и несколько медных ключей.

Запуская его в непогоду, он сумел доказать, что молния представляет собой заряд электрический частиц, которые скапливаются в облаках. Как молния тогда не ударила в самого ученого – остается загадкой.

Одновременно с ним Ломоносов соорудил свою знаменитую громовую машину, представляющую собой высокий шест с отведенным от него проводом к конденсатору, который таким образом заряжался электричеством из атмосферы.

Приближая к устройству руки, ученый мог таким образом извлекать искры, что тоже было довольно опасным занятием. Именно такие опыты дали первый толчок к изучению природы молнии, перед тем, как человечество получило возможность использовать спутниковые технологии для этих целей.

Что такое молния? Что такое гром?

Молния — это мощный электрический разряд. Он возникает при сильной электризации туч или земли. Поэтому разряды молнии могут происходить или внутри облака, или между соседними наэлектризованными облаками, или между наэлектризованным облаком и землей. Разряду молнии предшествует возникновение разности электрических потенциалов между соседними облаками или между облаком и землей.

Электризация, то есть образование сил притяжения электрической природы, всем хорошо знакома из повседневного опыта.

Что вызывает электризацию облаков? Ведь они не трутся друг о друга, как это происходит при образовании электростатического заряда на волосах и на расческе.

Грозовое облако — это огромное количество пара, часть которого сконденсирована 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. Каждое такое столкновение приводит к электризации. При этом 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, верх грозовой тучи заряжен положительно, а низ — отрицательно.

Электрическое поле тучи имеет огромную напряженность — около миллиона В/м. Когда большие противоположно заряженные области подходят достаточно близко друг к другу, некоторые электроны и ионы, пробегая между ними, создают светящийся плазменный канал, по которому за ними устремляются остальные заряженные частицы. Так происходит молниевый разряд.

Во время этого разряда выделяется огромная энергия — до миллиарда Дж. Температура канала достигает 10 000 К, что и рождает яркий свет, который мы наблюдаем при разряде молнии. Облака постоянно разряжаются по этим каналам, и мы видим внешние проявления данных атмосферных явлений в виде молний.

Раскаленная среда взрывообразно расширяется и вызывает ударную волну, воспринимаемую как гром.

Мы и сами можем смоделировать молнию, пусть миниатюрную. Опыт следует производить в темном помещении, иначе ничего не будет видно. Нам потребуется два продолговатых воздушных шарика. Надуем их и завяжем. Затем, следя, чтобы они не соприкасались, одновременно натрем их шерстяной тряпочкой. Воздух, наполняющий их, электризуется. Если шарики сблизить, оставив между ними минимальный зазор, то от одного к другому через тонкий слой воздуха начнут проскакивать искры, создавая световые вспышки. Одновременно мы услышим слабое потрескивание — миниатюрную копию грома при грозе.

Каждый, кто видел молнию, заметил, что это не ярко светящаяся прямая, 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.

Таким образом, молния — это пробой конденсатора, у которого диэлектриком является воздух, а обкладками — облака и земля. Емкость такого конденсатора невелика — примерно 0,15 мкФ, но запас энергии огромен, так как напряжение достигает миллиарда вольт.

Одна молния состоит обычно из нескольких разрядов, каждый из которых длится всего несколько десятков миллионных долей секунды.

Наиболее часто молния возникает в кучево-дождевых облаках. Молния бывает также при вулканических извержениях, торнадо и пылевых бурях.

Существует несколько видов молний по форме и по направлению разряда. Разряды могут происходить:

  • между грозовым облаком и землей,
  • между двумя облаками,
  • внутри облака,
  • уходить из облака в чистое небо.
Молния между облаком и землейГоризонтальная молния
Внутриоблачная молнияЛенточная молния

Большая часть молний и электрических разрядов (порядка 80%) происходит между грозовыми облаками и внутри грозового облака. Но мощность электрических разрядов между землей и облаками несопоставимо больше, так как намного выше разность потенциалов «между небом и землей».

Молнии могут иметь разветвленный рисунок или представлять собой единый столб (линейные молнии). Они могут быть линейными и разветвленными. Редкой и загадочной малоизученной формой молнии является шаровая молния.

Как появляется молния: причины и интересные факты

  • 27 Июля, 2018
  • Советы туристу
  • Р.И.М.

Молния – мощнейший электрический разряд, который может происходить внутри облаков, между соседними облаками или между облаком и землей. А как появляется молния и почему? Разряду молнии всегда предшествует образование разности электропотенциалов между облаками или между облаком и землей.

Читать еще:  Оригинальные идеи, как обустроить двухъярусную кровать: подборка фото

Электризация облаков

Разряды молний могут возникать внутри облака, между соседними электризованными облаками или же между наэлектризованным облаком и землей. Сам процесс электризации всем хорошо знаком. К примеру, если взять пластиковую расческу и расчесать ею сухие волосы, то они начнут к ней притягиваться, может возникать искра. После этого к расческе могут притягиваться другие предметы, такие как перья, мелкие кусочки бумаги. Это явление называется электризацией трением. А как появляется молния, ведь тучи не трутся друг об друга?

Грозовое облако представляет собой огромное количество пара, частично сконденсированного в виде мелких капелек воды или льдинок. Верхняя часть пара может находиться очень высоко – до семи километров от уровня земли, а нижняя – на высоте около 500 метров. Примерно на высоте три и более километров облако содержит льдинки: температура на этой высоте в облаках ниже нуля. Сами льдинки находятся в постоянном движении, возникающими из-за восходящих потоков теплого воздуха. Мелкие льдинки легкие и теплыми потоками воздуха возвышаются вверх. Во время движения вверх они постоянно сталкиваются с крупными льдинками. Каждое столкновение приводит к электризации. При этом крупные льдинки заряжаются отрицательно, а мелкие – положительно. Постепенно мелкие льдинки заполоняют всю верхнюю часть облака, а внизу остаются только тяжелые элементы, заряженные отрицательно.

Сила неба

Когда противоположно заряженные частицы приближаются близко друг к другу, возникает светящийся канал, по которому проходят другие заряженные частицы. Так появляется молния. Как только возникает подобное свечение, то стоит быть очень осторожным, так как напряженность разряда огромна – около миллиона в/м, а энергии в такой молнии содержится до миллиарда джоулей.

В самом канале температура достигает 10 000 К, из-за чего и возникает яркий свет, который видно с земли. По этим каналам облака разряжаются, позволяя увидеть красивое свечение в виде молний. Раскаленная среда расширяется, вызывая ударную волну, т. е. гром.

Зная, как появляется молния, можно самостоятельно сделать мини-молнию. Опыт проводится в темном помещении, в противном случае ничего не будет видно. Понадобится два овальных воздушных шарика. Их следует надуть и завязать. Шарики натираются шерстяной тканью. Во время этого процесса воздух, находящийся внутри шаров, начинает электризоваться.

Затем шарики устанавливают друг напротив друга, оставляя между ними зазор. Остается только наблюдать, как по нему между шариками будут проскакивать молнии. Вместе с ними будет слышно слабое потрескивание – своего рода миниатюрный гром.

Вид молнии

Каждый видел, что свечение представляет собой не прямую линию, а ломаную. Из-за чего молния появляется в таком виде? Процессу образования подобной ломаной способствует форма проводящего канала, представленная в виде ступенек. Каждая из подобных ступенек – это место, где движущиеся молекулы останавливаются из-за столкновения с воздухом и изменяют направление.

Молния – конденсатор, диэлектриком которого является воздух, а обкладки – земля и облака. Емкость подобного конденсатора мала, но зато напряжение в нем колоссальное и может достигать миллионов вольт. Причем во время свечения то, что мы видим с земли, – это не одна молния, а несколько разрядов, каждый из которых длится миллионные доли секунды.

Облако – дом для молнии

Откуда появляется молния, из каких облаков? Чаще всего это явление наблюдается в кучево-дождевых облаках. Однако подобное свечение наблюдается при торнадо, пылевых бурях, извержениях вулканов. Каждый вид имеет свои особенности, но то, как возникает молния, остается неизменным – всему виной трение.

Направление разряда

По направлению разряда молнии делят на следующие виды:

  • молнии, возникающие между землей и грозовым облаком;
  • молнии, сформированные между двумя облаками;
  • внутренние разряды, происходящие внутри облаков;
  • молнии, уходящие из облака в чистое небо.

Примерно 85 % всех разрядов происходит между грозовыми облаками как снаружи, так и внутри. Однако самая большая мощность у тех молний, который возникают между землей и небом. Каждый раз, как появляется молния и гром, видно красивый, разветвленный рисунок, реже разряд представлен линейным столбом. Самая редкая и необычная форма, которую пока еще не изучили, – шар (шаровые молнии).

Интересные факты

Загадочная природа возникновения молний не дает покоя ученым. И не зря.

  1. Во время вспышки вырабатывается ток силой до 100 000 А.
  2. Молния имеет высокое напряжение – свыше миллиарда вольт.
  3. Во время разряда воздух разогревается до тридцати тысяч градусов, что в пять раз выше, чем на поверхности Солнца.
  4. Молния имеет огромную скорость. От неба до земли разряд доходит всего за 0,002 секунды со скоростью 1 млн м/с.
  5. Свечение проходит по очень узкому каналу: там, где проходит ток, канал толщиной всего в один сантиметр, а снаружи – 1 метр.

По оценкам ученых, вероятность быть убитым молнией не так уж и высока – примерно 1 шанс на 2 000 000: такие же шансы умереть, упав с кровати. А вот шансы увидеть шаровую молнию хотя бы раз в жизни намного меньше – примерно 1 из 10 тысяч.

Молнии очень длинные – несколько сотен километров. Если видны сначала разряды, а потом слышен гром, то молнии возникают в небе очень далеко, хотя возникновение разряда и сопровождается громом. Задержка звука происходит из-за того, что свет долетает быстрее, чем звук. Узнать более подробно о молнии, можно из видео, представленного в статье.

Молнии бывают не только на нашей планете. Также это явление наблюдается на других планетах: на Марсе, Венере и не только. Вспышки появляются неожиданно, длятся доли секунды и состоят из нескольких разрядов.

Несмотря на свою мощь и силу, самыми опасными считаются те молнии, которые возникают в облаках и не касаются земли. Также опасны шаровые молнии. О них мало что известно, но говорят, что рядом с ними нельзя двигаться, так как эти виды вспышек любят «погулять». Они могут даже в дом залететь, если будут открыты окна и двери во время грозы.

Самое красивое явление – это Огни Святого Эльма. Так называется свечение, возникающее после грозы на остроконечных фонарях, мачтах кораблей, зданиях.

Гром и молния: что об этом нужно знать

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.

Читать еще:  Как перевести амперы в киловатты: принципы перевода и практические примеры с пояснениями

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.

Автор: Матвеев К.В., методист ГМЦ ДО г. Москвы

Молния как физическое явление

Для формирования молнии необходимо возникновение и разделение положительных и отрицательных зарядов в грозовом облаке. При движении воздуха за счет конвекции различные воздушные потоки и облака в результате соприкосновения электризуются. Положительно заряженные капли воды и льдинки поднимаются, заряжая верхнюю часть грозового облака, а отрицательно заряженные оказываются внизу того же облака. Между двумя облаками, а также между облаками и землей возникает мощное электрическое поле. Рассмотрим последний случай.

Молния — это электрический разряд в атмосфере, сопровождающийся вспышкой света и последующим громом. Светящийся канал разряда напоминает разветвляющуюся реку или дерево. Ее возникновению предшествует образование проводящего канала для разряда молнии в виде ломаной линии, так называемого ступенчатого лидера. Длина каждой такой «ступеньки» — около 50 м. На таком отрезке электроны под действием сильного электрического поля между тучей и землей разгоняются до скоростей порядка 50 000 км/с! Ионизировав огромное количество атомов, первичные электроны теряют энергию и тормозятся. Зато вновь образовавшиеся электроны быстро разгоняются до столь же высоких скоростей, и возникает следующее звено лидера. И так продолжается до тех пор, пока он не достигнет земли.

Облако и земля оказываются соединенными проводящим каналом, содержащим громадное количество носителей заряда. Иными словами, это проводник электрического тока. Теперь электроны нижней части тучи могут свободно сигануть вниз, на землю. Происходит как бы короткое замыкание между тучей и поверхностью земли — мощный электрический разряд, то есть бьет молния. Когда весь отрицательный заряд этой части тучи сбегает по такому каналу вниз, молния исчезает. Вспышка длится десятые доли секунды. Но бывают случаи, когда после первой молнии по тому же каналу бежит новый лидер — происходят второй разряд и вспышка молнии. Интервалы между последовательными импульсами очень коротки, от 1/100 до 1/10 с. Число таких повторных вспышек может доходить до 40.

Готовим молнию

Мы и сами можем смоделировать молнию, пусть и миниатюрную. Опыт следует проводить в темном помещении, иначе ничего не будет видно. Нам потребуется два продолговатых воздушных шарика. Надуем их и завяжем. Затем, следя, чтобы шарики не соприкасались, одновременно натрем их шерстяной тряпочкой. Воздух, наполняющий их, наэлектризуется. Если шарики сблизить, оставив между ними минимальный зазор, то от одного к другому через тонкий слой воздуха начнут проскакивать искры, создавая световые вспышки. Одновременно мы услышим слабое потрескивание — миниатюрную копию грома при грозе.

Мы проводники!

Человеческое тело является хорошим проводником. Его мускулы и кровеносные сосуды в значительной степени состоят из воды, а нервы способны переносить электрические сигналы. Интересно, что 86% жертв молний — мужчины. То ли у них физиология особенная, то ли они бывают на свежем воздухе чаще женщин, проводящих большую часть жизни дома.

Человек имеет значительные шансы выжить при ударе молнии в него. Конечно, температура во время разряда очень высока, но длится он обычно недолго и не всегда приводит к серьезным ожогам. Основной ток молнии часто проходит по поверхности тела, поэтому большинство пораженных молнией людей не умирают.

Как появляется молния

  • Как появляется молния
  • Шаровая молния: как это выглядит
  • Как определить, на каком расстоянии от вас ударила молния

По сути, молния – это просто очень мощный электрический разряд. Он подобен тем, какие иногда возникают, если активно расчесать чистые сухие волосы пластмассовой расческой или потереть шерстяной тканью эбонитовую палочку. И в том, и в другом случае накапливается статическое электричество, которое разряжается в виде яркой искры и треска. Только в случае с грозовым облаком вместо слабого треска раздается удар грома.

Молния возникает при электризации грозовых туч, при которой внутри облака образуется мощное электрическое поле. Но может возникнуть закономерный вопрос: почему вообще происходит электризация облаков? Ведь в них нет никаких твердых предметов, который могли бы тереться и сталкиваться друг с другом и таким образом создавать электрическое напряжение.

В действительности все не так сложно, как кажется. Грозовая туча – это просто огромное количество пара, верхняя часть которого находится на высоте 6-7 км, а нижняя не превышает 0,5-1 км над землей. Но на высоте более 3 км от поверхности температура воздуха всегда ниже нуля, поэтому пар внутри тучи превращается в небольшие льдинки. И эти льдинки находятся в постоянном движении из-за воздушных потоков внутри облака. Чем меньше льдинки, тем они легче, и, попадая в восходящие потоки нагретого воздуха, поднимающегося от поверхности земли, они тоже перемещаются в верхние слои облака.

На своем пути вверх эти маленькие льдинки сталкиваются с более крупными, и каждое такое столкновение вызывает электризацию. При этом мелкие льдинки заряжаются положительно, а крупные – отрицательно. В результате подобных перемещений в верхней части грозового облака скапливается большое количество положительно заряженных льдинок, а большие, тяжелые и отрицательно заряженные льдинки остаются в нижнем слое. Иначе говоря, верхний край грозовой тучи оказывается заряженным положительно, а нижний – отрицательно.

И когда крупные противоположно заряженные области оказываются довольно близко друг к другу, между ними возникает светящийся плазменный канал, по которому устремляются заряженные частицы. В результате происходит молниевый разряд, который можно наблюдать виде яркого светового зигзага. Электрическое поле тучи имеет огромную напряженность и во время молниевого разряда выделяется огромная энергия порядка миллиарда джоулей.

Молниевый разряд может возникнуть внутри самой грозовой тучи, между двумя соседними облаками или между облаком и земной поверхностью. В последнем случае мощность электрических разрядов между землей и облаками несопоставимо больше, а сила электрической энергии, проходящей через атмосферу, может создавать ток мощностью до 10 000 ампер. Для сравнения стоит вспомнить, что сила тока в обычной домашней электропроводке не превышает 6 ампер.

Молнии обычно имеют форму зигзага, потому, что летящие к земле заряженные частицы сталкиваются с частицами воздуха и меняют направление своего движения. Также молнии могут быть линейными или разветвленными. Одной из самых редких и малоизученных форм молнии является шаровая молния, которая имеет форму светящегося шара и может двигаться параллельно к поверхности земли.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector