Как и почему возникает молния
Молнии в большинстве случаев образуются в облаках кучево-дождевого типа, а иногда и в слоисто-дождевых тучах большого размера. Грозовые тучи отчетливо выделяются на фоне остальных за счет насыщенного темного цвета.
Темно-синий оттенок появляется из-за толщины облака. При этом нижний его край располагается на высоте около 1 км над поверхностью земли, а верхний достигает 6-7 км в высоту.
Как известно, облако состоит из водяного пара. На высоте капельки замерзают и превращаются в кристаллы льда. Из-за неравномерного распределения температуры нагретый воздух поднимается вверх и влечет за собой мелкие частицы льда. При этом вниз опускаются более крупные замерзшие льдины – частицы постоянно сталкиваются.
Образование молнии
При столкновении происходит электризация льдинок (такое же явление, как и во время трения разных предметов). Более мелкие частицы получают положительный заряд, а те, что крупнее – отрицательный. Соответственно заряжаются и разные части облака. Вверху грозовая туча со знаком «плюс», а внизу – со знаком минус.
В результате возникает разница потенциалов. Причем она образуется как между разными частями облака, так и между тучей и землей. Эта разность измеряется в сотнях тысяч вольт.
Молния не возникает мгновенно из ничего, хоть и движется она достаточно быстро. Формирование молнии можно условно разделить на начальную, среднюю и финальную стадию.
Начальная стадия
Разряд появляется в определенной части облака, где присутствует большое количество ионов. Ион – это частица с электрическим зарядом. Она возникает, когда атом или молекула получают либо теряют электроны.
Так же происходит и с грозовым облаком. Ионы образуются за счет молекул воды и газов, из которых, собственно, и состоит туча. На этом этапе мнения ученых расходятся, поскольку досконально изучить природу молнии еще не удалось.
Схема развития наземной молнии
Одни специалисты считают, что высокая концентрация ионов получается по причине разгона свободных электронов. Они всегда присутствуют в воздухе, хоть и в небольшом объеме. Затем эти электроны сталкиваются с нейтрально заряженными молекулами, в результате чего происходит их ионизация.
Согласно другой гипотезе, все дело в космическом излучении. Оно тоже воздействует на атмосферу Земли постоянно. Именно таким образом ионизируется воздух. Ионизированный газ хорошо проводит электричество, поэтому через него в облаке проходит ток.
Средняя стадия
Далее запускается цепная реакция. Ток, проходящий под высоким напряжением, нагревает воздух в определенной области. Образуется все больше и больше энергетических частиц, которые превращают в ионы соседние области. Поэтому молния распространяется чрезвычайно быстро.
Этапы нисходящего удара молнии
В составе молнии есть главенствующая часть – наиболее мощный канал, от которого распространяются ответвления в разные стороны. Этим объясняется извилистая форма разрядов: с каждой новой вспышкой молния как будто скачками продвигается все дальше и дальше примерно на несколько десятков метров.
Интересный факт: иногда скорость «главной» молнии достигает 50 000 км в секунду.
В определенный момент наиболее мощный разряд достигает земной поверхности либо другой части тучи. Но и это еще не конец. Как только электрическим разрядом пробивается ионизированный канал толщиной несколько сантиметров, заряженные частицы на высокой скорости проходят по нему. Фактически это и есть молния, которую мы можем наблюдать.
Из-за высокого напряжения температура внутри данного канала измеряется в тысячах градусов. Поэтому мы видим молнию в виде очень яркой вспышки. Гром же является следствием резкого перепада температур и давления. Во время электрического разряда выделяется огромное количество энергии, несмотря на кратковременность явления.
Финальная стадия
Скорость перемещения зарядов по каналу быстро снижается. Однако напряжение и сила тока все равно остаются очень высокими. Как раз на конечной стадии молния обычно достигает земли, различных объектов.
Финальная стадия молнии
В случае нахождения поблизости людей молния становится очень опасной. Финальная стадия занимает даже не секунду, а ее десятые доли. Но и этого достаточно для нанесения ущерба, образования пожаров и т.д. Молния зачастую ударяет в одно и то же место несколько раз, если именно этот путь самый короткий и «удобный» для разряда.
Как происходит удар молнии?
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.
Одной тайной меньше: Ученые решили загадку молний на Юпитере
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.
Виды молнии
Молнии делятся на множество видов. Основным критерием является характер образования разряда, ведь молнии могут возникать на разной высоте. Также они могут иметь разную форму, длину и прочие параметры.
Виды молнии в слоях атмосферы
Линейная (туча-земля)
Часто встречающийся вид, возникающий из-за разных зарядов верхней и нижней частей облака. Появляется и развивается линейная молния по принципу, описанному ранее – в результате активной ионизации воздуха. От основного канала-лидера ступенчато расходятся вспышки в разные стороны, на финальной стадии достигающие земли.
Линейная молния
Земля-облако
Объекты, расположенные на большой высоте, часто приманивают молнию, накапливая электростатический заряд. Разряды «земля-облако» возникают как следствие пробивания слоя атмосферы между нижней частью грозовой тучи и заряженной верхушкой.
Молния “земля-облако”
Облако-облако
Большинство молний возникают именно среди облаков. Вспышки образуются в результате того, что разные части туч имеют разные заряды. Поэтому облака, расположенные поблизости, пробивают друг друга электрическими разрядами.
Молния “облако-облако”
Интересный факт: в Венесуэле есть уникальное место, где река Кататумбо впадает в Озеро Маракайбо. Здесь круглый год появляется множество молний (обычно ночью), которые вспыхивают непрерывно длительное время. Частота разрядов – 250 на квадратный километр за год. Наибольший пик – май и октябрь.
Горизонтальная
Похожа на «облако-земля», но не достигает земной поверхности. Вспышки распространяются в разные стороны. Такая молния считается чрезвычайно мощной. Для ее образования достаточно одной грозовой тучи на чистом небе.
Горизонтальная молния
Ленточная
Интересную форму приобретает молния, в которой несколько одинаковых каналов устремляются вниз параллельно друг другу на небольшом расстоянии. Вероятно, причина кроется в сильном ветре, расширяющем данные каналы.
Ленточная молния
Четочная (пунктирная)
Редкий вид молнии, природа которого мало изучена. Разряд идет не сплошной линией, а с частыми мелкими промежутками – пунктирами. Возможно, некоторые участки молнии быстро остывают, придавая ей такую форму. Вспышка длится пару секунд, а сама молния бьет волной и только одним следом.
Четочная молния
Шторовая
Возникает над облаками, а не внутри или под ними, как предыдущие виды. Как именно образуется, неизвестно. Внешне это широкая светящаяся полоса, состоящая из большого количества разрядов. При этом можно услышать негромкий гул. Впервые такую молнию удалось запечатлеть лишь в 1994 году.
Шторовая молния
Спрайт
Если обычная молния возникает на высоте около 16 км, то спрайты появляются гораздо выше – 50-130 км. Они представляют собой электрические разряды холодной плазмы, бьющие из облаков вверх.
Спрайты
Рассмотреть их проблематично, но образуются спрайты группами при каждой сильной грозе через несколько секунд после мощной молнии. Средняя длина вспышек – 60 км, диаметр – до 100 км, длительность – до 100 миллисекунд.
Эльф
Масштабные конусообразные вспышки со слабым красным светом (диаметр примерно 400 км). Образуются в верхних слоях грозовых туч. В высоту достигают 100 км, а длятся около 3 миллисекунд.
Эльф
Джет
Молнии трубчато-конусной формы с синим свечением. В высоту достигают нижних слоев ионосферы (от 40 до 70 км). По продолжительности немного обгоняют эльфов.
Джеты
Вулканическая
Возникает при извержении вулкана. Вероятно, из-за того, что пепел и магма при выбросе несут электрический заряд. Кроме того, эти частицы постоянно сталкиваются, чем и вызывают разряды.
Вулканическая молния
Огни Святого Эльма
Фактически это не молния, а разряды, которые возникают на заостренных концах возвышающихся объектов. Сюда относятся вершины скал, деревья, мачты судов, башни и т.п. Образуются они из-за высокой напряженности электрического поля. Чаще всего это происходит во время грозы или метели зимой.
Огни Святого Эльма
Шаровая
Молния в виде сгустка плазмы шарообразной формы, плавающего прямо в воздухе. Как и почему образуется такой разряд, учеными до сих пор не установлено. Можно наверняка утверждать лишь то, что такая молния ведет себе непредсказуемо. Многие до сих пор сомневаются в ее существовании.
Шаровая молния, гравюра XIX века
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.
Многое из этого вы точно не знали: Интересные и малоизвестные факты о молниях
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.
Цвет молнии
Молния может иметь разные оттенки: голубоватый, белый, желтый, оранжевый, красный. Цвет зависит от состава атмосферы. Канал молнии разогревается в 5 раз сильнее Солнца. При такой температуре воздуху свойственны голубые, фиолетовые тона. Поэтому разряды, видимые неподалеку в чистой атмосфере, приобретают синеватое свечение.
Голубоватое свечение молнии – наиболее распространенное
На более значительном расстоянии вспышки становятся белыми, еще дальше – желтеют. Так происходит из-за того, что голубые тона рассеиваются в воздухе. Если в атмосфере много пыли, вспышки приобретают оранжевый цвет.
Капли воды «окрашивают» молнию в красные оттенки. Наиболее редкое явление – создание сложных оптических эффектов за счет высокой концентрации мелких частиц льда в воздухе.
Развитие молнии
Развитие молнии начинается с того, что в некотором месте облака возникает очаг с повышенной концентрацией ионов — молекул воды и, составляющих воздух, газов, от которых отняли или к которым добавили электроны.
По одним гипотезам, такой очаг ионизации получается из-за разгона в электрическом поле свободных электронов, всегда имеющихся в воздухе в небольших количествах, и соударением их с нейтральными молекулами, которые сразу же ионизируются.
По другой гипотезе, начальный толчок вызывается космическими лучами, которые все время пронизывают нашу атмосферу, ионизируя молекулы воздуха.
Ионизированный газ служит неплохим проводником электричества, поэтому через ионизированные области начинает течь ток. Дальше — больше: проходящий ток нагревает область ионизации, вызывая всё новые высокоэнергетичные частицы, которые ионизируют близлежащие области, — канал молнии очень быстро распространяется.
Скорость и длина молнии
В среднем молнии перемещаются на скорости около 56 тысяч км/сек. При этом грозовое атмосферное явление движется со скоростью 40 км/час. Средняя длина электрического разряда – 9,5 км.
Интересно: Интересные факты о снеге, фото и видео
Старое фото молнии в Бостоне
Интересный факт: самая длинная молния в мире зафиксирована в американском штате Оклахома – 321 км. А наиболее длительный разряд по времени наблюдали в Альпах – на протяжении 7,74 сек.
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.
Частота молнии
Ранние исследования показывали, что молния ударяет примерно 100 раз в секунду на территории нашей планеты. Но спутники позволяют наблюдать за самыми удаленными или труднодоступными местами на Земле.
Частота молнии (на квадратный километр за год)
Новые данные указывают на 44 плюс-минус 5 ударов молнии в секунду. Это значит, что за год случается около 1,4 миллиарда электрических разрядов. Из них примерно 25% ударяют в землю, а остальные 75% вспыхивают среди облаков.
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.
Как определить расстояние до молнии по грому?
Установить расстояние до грозы по грому можно приблизительно. Для этого засекается, сколько секунд проходит между звуком грома и вспышкой молнии. Необходимо учитывать скорость звука – около 300 метров в секунду. Так, 3 секунды – это примерно 1 км до грозы.
Расстояние до молнии
Выполнение нескольких замеров позволяет узнать, приближается или удаляется гроза по отношению к наблюдателю. Важно помнить о том, что молния растягивается на несколько километров. Если при отсутствии грома видны разряды молнии, значит, гроза находится на расстоянии более 20 км.
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.
А Вы боитесь грозы??
Последствия молнии
Молния оставляет за собой большое количество разных следов, в зависимости от места, куда ударяет разряд, а также его мощности. Рассмотрим следующие проявления молнии:
- образование фульгуритов;
- попадание в землю;
- попадание в деревья, дома и прочие объекты;
- попадание в автомобили;
- попадание в человека.
Фульгурит – это вещество, которое образуется при попадании электрического разряда в песок или любую горную породу. По сути, определенное количество песка просто плавится и застывает под кратковременным воздействием высокой температуры.
Фульгурит
Обнаружить фульгуриты непросто. Обычно они встречаются на горных вершинах или в областях, где грозы считаются частым явлением. Попадая в залежи песка, молния образует из него трубочки произвольных форм, полые внутри. Фактически они получаются стеклянными.
Между песчаными частицами всегда есть влага и воздух. Мощный удар их быстро нагревает до высоких температур, расширяет, в результате чего и появляются эти трубочки всевозможных размеров и форм. Затем они моментально охлаждаются.
Очень редко разряды молнии попадают именно в землю, поскольку для них предпочтительнее максимально короткий и доступный путь. Но в случае попадания на поверхности остается углубление, от которого в разные стороны уходят витиеватые линии, напоминающие молнию по форме.
След от молнии на земле
Возвышаясь над другими объектами, деревья чаще всего привлекают к себе молнию. В большинстве случаев они сгорают, причем моментально. Если же в дерево попадает шаровая молния, она поджигает его изнутри. При попадании в здание молния зачастую повреждает кровельную часть и тоже может вызвать возгорание.
Молния ударила в дерево
Если разряд угодит в закрытое транспортное средство, например, автомобиль, то быстро распространится по металлическому корпусу и уйдет в земную поверхность. Считается, что авто – безопасное место, в котором можно переждать непогоду, так как молния не попадает внутрь салона. Однако последствия прямого попадания все равно серьезные.
Молния ударила в авто
Попадание разряда молнии в человека непредсказуемо. Оно сравнимо удару электрическим током, но напряжение при этом в разы выше. Чаще всего молния поражает грудную клетку или голову.
Фигуры Лихтенберга
На теле остаются особенные следы, которые напоминают молнию по форме – их называют фигурами Лихтенберга. Такой след остается в результате повреждения кровеносных сосудов. Удар молнией крайне опасен, поэтому в случае грозы следует принять все необходимые меры безопасности.
Вслед за лидером
На практике процесс развития молнии происходит в несколько стадий. Сначала передний край проводящего канала, называемый «лидером», продвигается скачками по нескольку десятков метров, каждый раз, немного меняя направление (от этого молния получается извилистой). Причем скорость продвижения «лидера» может, в отдельные моменты, достигать 50 тысяч километров за одну-единственную секунду.
В конце концов, «лидер» достигает земли или другой части облака, но это еще не главная стадия дальнейшего развития молнии. После того, как ионизированный канал, толщина которого может достигать нескольких сантиметров, оказывается «пробит», по нему с огромной скоростью — до 100 тысяч километров всего за одну секунду — устремляются заряженные частицы, это и есть сама молния.
Ток в канале составляет сотни и тысячи ампер, а температура внутри канала, при этом, достигает 25 тысяч градусов — потому молния и дает столь яркую вспышку, видимую за десятки километров. А мгновенные перепады температур, в тысячи градусов, создают сильнейшие перепады давления воздуха, распространяющиеся в виде звуковой волны — грома. Этот этап длится очень недолго — тысячные доли секунды, но энергия, которая при этом выделяется, огромна.
Можно ли использовать энергию молнии?
Существует специальный термин – грозовая энергетика. Это способ, при помощи которого энергия молнии «собирается» и направляется в электрические сети. Эта энергия принадлежит к числу альтернативных возобновляемых источников.
Электросети
Потенциал использования энергии молнии огромен. Ее запас бесконечный – он решит проблему дорогостоящего электричества и снизит ущерб, который сейчас наносится экологии планеты. В настоящее время ведутся разработки экспериментальных установок для захвата молнии, изучается грозовая активность.
Но есть у данного способа энергопотребления и свои минусы. Сложно предсказать, где и когда будет гроза. Кроме того, вспышка длится доли секунды, поэтому требуется мощное дорогое оборудование.
Снеговая гроза
Зимняя гроза – редчайшее явление, при котором вместо дождя идет снег или ледяная крупка. Возникновение грозы во время снегопада обусловлено сырой и ветреной погодой. Во время зимней стихии может выпасть 5 – 10 см твердых осадков за час.
Термин снеговая или зимняя гроза чаще всего используется в иностранной литературе, а в России метеорологи говорят о грозе со снегом.
Молния зимой — довольно редкое явление:
Гроза – привычное, но непредсказуемое и опасное явление. Частота ее повторяемости в теплый период с каждым годом возрастает, что связано с глобальными климатическими преобразованиями. Синоптики по довольно четким атмосферным признакам определяют наступление грозы, но вычислить, куда ударят молнии, невозможно. Поэтому ежегодно в новостях доводится слышать о жертвах стихии.
Что делать во время грозы?
Если гроза застала на улице необходимо следовать таким правилам:
- Нельзя прятаться под деревьями и другими высокими объектами, стоять рядом со столбами, дорожными знаками, в которые чаще всего бьет молния. Следует отойти от них подальше, так как от центра удара напряжение расходится в разные стороны.
- На открытой местности нужно присесть и прижать голову к коленям, занять максимально низкорасположенное место.
- Убрать подальше от себя зонт, все металлические и длинные предметы – они притягивают молнию.
- Выключить телефон, прочие устройства.
- При возможности укрыться в машине.
- Не подходить к водоему, тем более не купаться.
Что делать во время грозы
Находясь в помещении, следует также выключить телефон, электроприборы, подачу газа. Рекомендуется закрыть все окна. Существует версия, что даже луч лазерной указки, направленный в небо, может привлечь разряд.
Интересный факт: существует понятие шагового напряжения. Оно возникает между двумя точками поверхности, и чем больше расстояние между этими точками, тем выше сила тока. Например, в большей опасности находится крупный рогатый скот, лошади, потому что передние и задние ноги у них расположены далеко.
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?
- Наземные молнии;
- Внутриоблачные молнии;
- Шаровые молнии;
- «Эльфы»;
- Джеты;
- Спрайты.
Последние три вида молний невозможно наблюдать без специальных приборов, так как они образуются на высоте от 40 километров и выше.
Приведем факты о молниях:
- Протяженность самой длинной зафиксированной молнии на Земле составила 321 км. Эта молния была замечена в штате Оклахома, 2007 г.
- Самая долгая молния длилась 7,74 секунды и была зафиксирована в Альпах.
- Молнии образуются не только на Земле. Точно известно о молниях на Венере, Юпитере, Сатурне и Уране. Молнии Сатурна в миллионы раз мощнее земных.
- Сила тока в молнии может достигать сотен тысяч Ампер, а напряжение – миллиарда Вольт.
- Температура канала молнии может достигать 30000 градусов Цельсия – это в 6 раз больше температуры поверхности Солнца.
Как защищают самолеты от молнии?
Весь корпус самолета защищен специальной оболочкой, внутри которой содержится экранирующая сетка из металла. Таким образом, при ударе молнией оболочка проводит ток, но предотвращает проникновение электрического разряда внутрь самолета. Находящиеся внутри люди и оборудование остаются в безопасности.
Разрядники на крыле самолета
Также все техническое оснащение самолета оборудовано дополнительной защитой от электрических разрядов. Попадание молнии приходится на нос самолета, разряд продвигается к крыльям и хвосту. Пассажиры и экипаж могут во время удара услышать громкий звук, но так происходит не всегда.
Интересный факт: перед тем, как самолет сдается в эксплуатацию, он проходит тщательную проверку. Один из ее этапов – симуляция попадания молнии.
Откуда берутся гром и молния?
Все знают, что такое гроза — это сверкание молнии и грохот грома. Многие люди (особенно дети) даже очень ее боятся. Но откуда же берутся гром и молния? И вообще, что это за явление такое?
Гроза — это и впрямь довольно неприятное и даже жутковатое природное явление, когда мрачные, тяжелые тучи закрывают собой солнце, сверкает молния, грохочет гром, а с неба потоками льет дождь…
А звук, возникающий при этом, — не что иное, как волна, вызванная сильными колебаниями воздуха. В большинстве случаев громкость увеличивается к концу раската. Это происходит из-за отражения звука от облаков. Вот это и есть гром.
Молния — это очень мощный электрической разряд энергии. Она возникает в результате сильной электризации туч или земной поверхности. Электрические разряды происходят либо в самих облаках, либо между двумя соседними облачками, или же между облаком или землей. Процесс возникновения молнии разделяют на первый удар и все последующие за ним. Причина в том, что самый первый удар молнии создает путь для электорического разряда. В нижней части тучи накапливается отрицательный электрический разряд. А земная поверхность обладает положительным зарядом. Поэтому электроны (отрицательно заряженные частицы, одни из основных единиц вещества), расположенные в туче, как магнитом притягиваются к земле и устремляются вниз. Как только первые электроны достигают поверхности земли, создается свободный для пропуска электрических разрядов канал (своеобразный проход), по которому оставшиеся электроны устремляются вниз. Электроны возле земли первыми уходят из канала. На их место спешат попасть другие. В результате, создается условие, при котором весь отрицательный разряд энергии выходит из тучи, создавая мощный поток электричества, направленный в землю.
Именно в такой момент и происходит вспышка молнии, которая сопровождается раскатами грома. Наэлектризованные облака создают молнию. Но далеко не в каждом облаке содержится достаточная мощность, для того, чтобы пробить атмосферный слой. Для проявления силы, стихии необходимы определенные обстоятельства.
Грозовым может считаться облако, высота которого достигает нескольких тысяч метров. Низ тучи располагается у земной поверхности, температурный режим там выше, чем в верхней части облака, где капли воды способны замерзать. Массы воздуха находятся в постоянном движении.Теплый воздух уходит вверх, а холодный – опускается. При движении частиц они электризуются,то есть напитываются электричеством. В разных частях облака накапливается неодинаковый запас энергии. Когда ее становится слишком много, происходит вспышка, которую сопровождают раскаты грома. Это и есть гроза Какие бывают молнии? Кто-то может подумать, что молнии все одинаковые, мол гроза и есть гроза. Однако, существует несколько видов молний, которые очень отличаются друг от друга. Линейная молния – это наиболее часто встречающаяся разновидность. Она выглядит как перевернутое разросшееся дерево. От главного канала (ствола) отходит несколько более тонких и коротких «отростков».
Длина такой молнии может достигать до 20 километров, а сила тока — 20 000 ампер. Скорость ее движения составляет 150 километров в секунду. Температура плазмы, наполняющей канал молнии, доходит до 10 000 градусов. Внутриоблачная молния — возникновение этого вида сопровождается изменением электрических и магнитных полей, и излучением радиоволн.Такую молнию с наибольшей вероятностью можно встретить ближе к экватору. В умеренном климате она появляется крайне редко. Если в облаке находится молния, то заставить ее выбраться наружу может и посторонний объект, нарушающий целостность оболочки, например наэлектризованный самолет. Ее длина может колебаться от 1 до 150 километров. Наземная молния — Это самый продолжительный по времени вид молнии, поэтому последствия от нее могут быть разрушительными.
Поскольку на ее пути встречаются преграды, чтобы их обойти, молния вынуждена менять свое направление. Поэтому земли она достигает в виде небольшой лестницы. Скорость ее движения составляет примерно 50 тысяч километров в секунду. После того как молния пройдет свой путь, она на несколько десятков микросекунд, заканчивает движение, при этом ее свет ослабевает. Затем начинается следующая стадия: повторение пройденного пути.
Самый последний разряд превосходит по яркости все предыдущие, а сила тока в нем может достигать сотен тысяч ампер. Температура же внутри молнии колеблется в районе 25 000 градусов. Спрайт-молния. Эта разновидность была открыта учеными относительно недавно — в 1989 году. Данная молния очень редкая и была обнаружена совершенно случайно.Тем более, что длится она всего лишь какие-то десятые доли 1-й секунды. От других электрических разрядов Спрайт отличается высотой, на которой она появляется – примерно 50-130 километров, в то время как другие виды не преодолевают 15-километровый рубеж.Кроме того, спрайт-молния отличается огромным диаметром, который может достигать 100 км. Выглядит такая молния как вертикальный столб света и вспыхивает не по одиночке, а группами. Ее цвет может быть разным, и зависит от состава воздуха: ближе к земле, где больше кислорода, она зеленая, желтая или белая.А под влиянием азота, на высоте более 70 км, она приобретает ярко-красный оттенок.
Жемчужная молния. Эта молния, также, как и предыдущая, является редким природным явлением. Чаще всего она появляется после линейной и полностью повторяет ее траекторию. Она представляет собой шары, находящиеся на расстоянии друг от друга и напоминающие собой бусы. Шаровая молния. Это особая разновидность. Природное явление, когда молния имеет форму шара, светящего и плывущего по небу. В этом случае траектория ее полета становится непредсказуемой, что делает ее еще опаснее для человека.
В большинстве случаев, шаровая молния возникает в сочетании с другими видами. Однако известны случаи, когда она появлялась даже в солнечную погоду. Размер шара может быть от десяти до двадцати сантиметров.
Цвет ее бывает голубой, либо оранжевый или белый. А температура настолько велика, что при неожиданном разрыве шара окружающая его жидкость испаряется, а металлические или стеклянные предметы плавятся. Шар такой молнии способен существовать довольно длительное время. При перемещении он может неожиданно сменить свое направление, зависнуть в воздухе на несколько секунд, резко отклониться в одну из сторон. Она появляется в одном экземпляре, но всегда неожиданно. Шар может спуститься с туч, или внезапно появиться в воздухе из-за столба или дерева. И если обычная молния может лишь ударить во что-либо — дом, дерево и т.д, то шаровая молния способна проникать внутрь замкнутого пространства (например комнату) через розетку, или вклученные бытовые приборы — телевизор и т.д.
Как защищают оборудование от молнии?
Нужно понимать, что защиты от прямого попадания молнии в оборудование не существует. Речь идет о грозозащите – это специальное оснащение, которое позволяет обезопасить технику от повреждений, возникающих из-за грозы. Также оборудуют громоотводы и защищают оборудование от перенапряжения.
Грозозащита
Главная цель грозозащиты – защитить оборудование от статического электричества. У него имеется определенный показатель защиты, обозначаемый как ESD Protection. Этот показатель измеряется в киловольтах и указывается в виде числовой величины.
Стандарт грозозащиты – 15-20 кВ. Она представляет собой диодный мостик. При обнаружении в проводах разницы напряжения в 6 В и более, срабатывает защитный диод, который заземляет провода.
Происхождение молнии
Погода подготовила все условия, которые помогут появиться всем ее эффектам. Она создала тучи, откуда берутся гром и молния.
Заряженная отрицательным электричеством крыша притягивает к себе положительный заряд наиболее возвышенного предмета. Его отрицательное электричество уйдет в землю.
Обе эти противоположности стремятся притянуться друг к другу. Чем больше в туче электричества, тем больше его и в самом возвышенном предмете.
Накапливаясь в туче, электричество может прорвать слой воздуха, находящийся между ней и предметом, и появится сверкающая молния, прогремит гром.
История изучения
Наблюдать молнию люди могли еще с древних времен, но длительное время этому явлению не было объяснения. Изначально считалось, что вспышки в небе – результат деятельности богов. Еще древнегреческие философы подметили, что молния поражает высокие объекты.
Значимый вклад в изучение молнии сделали мореплаватели. В открытом море электрические разряды оказались еще мощнее. Связь между молнией и электричеством была выдвинута в 17-18 веках, в период развития физики.
Молния в море
Наиболее подробно такую гипотезу описал в своих исследованиях Бенджамин Франклин. В 1750 он представил научный труд, в котором был описан известный нынче эксперимент по определению электрической природы молнии.
Суть опыта состояла в запуске воздушного змея во время грозы. При этом к змею крепился стержень из меди, а к тросу – металлический ключ. Цель эксперимента – доказать электрическую природу молнии.
Опыт Бенджамина Франклина, иллюстрация
Для подтверждения гипотезы молния должна ударить в змея, пройти по тросу и оставить след на ключе. Опыт Франклин провел в июне, позаботившись о громоотводе. Стоит сказать, что он прошел успешно и подтвердил все догадки физика.
В 20-м веке ученые открыли необычные виды молнии (спрайты, джеты, эльфы), которые возникают в верхних слоях атмосферы. В настоящее время исследования молнии проводятся при помощи спутников.
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
