Из за чего случается молния. Что такое молния и отчего возникает? Как образуется молния

Молния - это искровой разряд статического электричестве, аккумулированного в грозовых облаках. В отличие от разрядов, образующихся на производстве и в быту, электрические заряды, накапливаемые в облаках, несоизмеримо больше. Поэтому энергия искрового разряда - молния и возникающих при этом токов очень велика и представляет большую опасность для человека, животных, строений. Молния сопровождается звуковым импульсом - громом. Сочетание молнии и грома называют грозой.

Гроза - это исключительно красивое природное явление. Как правило, после грозы улучшается погода, воздух становится прозрачен, свеж и чист, насыщен ионами, образующимися при разрядах молнии. Несмотря на это нужно помнить, что гроза в определенных условиях может представлять большую опасность для человека. Каждый человек должен знать природу грозового явления, правила поведения во время грозы и методы защиты от молнии. Гроза - сложный атмосферный процесс и ее возникновение обусловлено образованием кучево-дождевых облаков. Сильная облачность является следствием значительной неустойчивости атмосферы. Для грозы характерны сильный ветер, часто интенсивный дождь «снег», иногда с градом. Перед грозой «за час, два» атмосферное давление начинает быстро падать, вплоть до внезапного усиления ветра, а затем начинает повышаться.

Грозы можно разделить на местные, фронтальные, ночные, в горах. Наиболее часто человек сталкивается с местными, или тепловыми грозами. Водяной пар в восходящем потоке теплого воздуха на высоте конденсируется, при этом выделяется много тепла, и восходящие потоки воздуха нагреваются, По сравнению с окружающим восходящий воздух теплее, он увеличивается н объеме, пока не превратится в грозовое облако. В больших по размеру грозовых облаках присутствуют кристаллики льда и капельки воды. В результате их дробления и трения между собой и о воздух образуются положительные и отрицательные заряды, под действием которых возникает сильное электростатическое поле «напряженность электростатического поля может достигать 100 ООО В/м». И разница потенциалов между отдельными частями облака, облаками или облаком и землей достигает громадных величин. При достижении критической электрической напряженности в воздухе возникает лавинообразная ионизация воздуха - искровой разряд молнии.

Фронтальная гроза возникает, когда массы холодного воздуха проникают в район, где преобладает теплая погода. Холодный воздух вытесняет теплый, при этом последний поднимается на высоту 5--7 км. Теплые слои воздуха вторгаются внутрь вихрей различной направленности, образуется шквал, сильное трение между слоями воздуха, что способствует накоплению электрических зарядов. Длина фронтальной грозы может достигать 100 км. В отличие от местных гроз после фронтальных обычно холодает. Ночная гроза связана с охлаждением земли ночью и образованием вихревых токов нисходящего воздуха.

Гроза в горах объясняется разницей в солнечной радиации, которой подвергаются южные и северные склоны гор. Ночные и горные грозы носильные и кратковременные. Грозовая активность в различных районах нашей планеты различна. Мировые очаги гроз: остров Ява - 220 грозовых иней в году; Экваториальная Африка - 150; Южная Мексика - 142; Панама 132; Центральная Бразилия - 106. Россия: Мурманск - 5; Архангельск - 10; Санкт-Петербург - 15; Москва - 20. Как правило, чем южнее «для северного полушария Земли» и севернее «для южного полушария Земли», тем выше грозовая активность. Грозы в Арктике и Антарктике очень редки. Пи Земле в год происходит 16 миллионов гроз. На каждый м2 поверхности земли приходится 2-3 удара молнии в год. В землю чаще всего ударяют молнии из отрицательно заряженных облаков.

По виду молнии различаются на: линейные, жемчужные и шаровые. Жемчужные и шаровые молнии довольно редкое явление. Их характеристики: распространенная линейная молния, с которой многократно встречается любой человек, имеет вид разветвляющейся линии. Величина силы тока в канале линейной молнии составляет в среднем 60 - 170 кА, зарегистрирована молния с током 290 кА. Средняя молния имеет энергию Л0 кВт/час «900 МДж». Разряд развивается за несколько тысячных долей секунды; при столь высоких токах воздух в зоне канала молнии практически мгновенно разогревается до температуры 30000 - 33000°С. В результате резко попытается давление, воздух расширяется и возникает ударная волна, сопровождающаяся звуковым импульсом - громом. *Жемчужная молния - очень редкое и красивое явление. Появляется сразу после линейной молнии и исчезает постепенно. Чаще всего разряд жемчужной молнии следует по пути чиненной. Молния имеет вид 12 м друг от друга и напоминающих жемчуг, нанизанный на нитку. Жемчужная молния может сопровождаться исключительными звуковыми эффектами.

Шаровая молния также довольно редка. На тысячи обычных линейных молний приходится 2 -3 шаровых. Шаровая молния, как правило, появляется чаще к концу грозы, реже - после грозы. Может иметь форму шара, эллипсоида, груши, диска и даже цепи шаров. Цвет Молнии - красный, желтый, оранжево-красный. Иногда молния ослепительно белая с очень резкими очертаниями. Цвет определяется содержанием различных веществ в воздухе. Форма и цвет молнии могут меняться во время разряда. Измерить параметры шаровой молнии и смоделировать ее в лабораторных условиях не удалось. По всей видимости, многие наблюдаемые неопознанные летающие объекты «НЛО» по своей природе аналогичны или близки шаровой молнии.

Опасные факторы воздействия молнии: Линейная молния. В связи с тем, что молния характеризуется большими величинами токов, напряжений и температр разряда, воздействие ее на человека, как правило, приводит к их смерти. От удара молнии в мире в среднем ежегодно погибает около 3000 человек причем известны случаи одновременного поражения нескольких человек. Разряд молнии проходит по пути наименьшего электрического сопротивления: если расположить рядом две мачты - металлическую и бол со высокую деревянную, то молния, скорее всего, ударит в металлическую мачту, хотя она ниже, потому что электропроводность металла выше; молния также значительно чаще ударяет в глинистые и влажные участки, чем в сухие и песчаные, поскольку первые обладают большей электропроводностью; в лесу молния действует тоже избирательно, попадая, прежде всего, в такие лиственные деревья как дуб, тополь, верба, ясень, так как в них содержится много крахмала. Хвойные деревья -- ель, пихта, лиственница и такие лиственные деревья как липа, грецкий орех, бук содержат много масел, поэтому оказывают большое электрическое сопротивление, и в них молния ударяет реже.

Из 100 деревьев молнией поражается: 27 процентов тополей; 20 процентов груш; 12 процентов лип; 8 процентов елей и только 0,5 процент кедровых. Кроме поражения людей и животных линейная молния довольно часто является причиной возникновения лесных пожаров, а также жилых и производственных зданий, особенно в сельской местности. В связи с этим необходимо принимать специальные защиты от поражения линейной молнией. Шаровая молния. Если природа линейной молнии ясна, а, следовательно, и ее поведение предсказуемо, то природа шаровой молнии до сих пор не понятна. Опасность поражения человека шаровой молнией, прежде всего, связанна именно с отсутствием методов и правил защиты человека от нее.

В 1753 году русский физик Георг Вильгельм Рихман, коллега М.В. Ломоносова, был убит шаровой молнией во время грозы при исследовании искровых разрядов в атмосфере. Известны многие случаи гибели людей при встрече с шаровой молнией. Драматический случай произошел с группой из пяти советских альпинистов 17 августа 1978 года на Кавказе на высоте около 4000м, где они остановились в ясную, холодную ночь на ночлег. В палатку к альпинистам залетел светло-желтый шар величиной с теннисный мяч. Шар парил над спальными мешками, в которых находились альпинисты, и методично, по какому-то собственному плану, проник в спальные мешки. Каждый такой «визит» вызывал отчаянный нечеловеческий крик, люди чувствовали сильнейшую боль, как будто их жгли автогеном, и теряли сознание. Они не могли двигать ни руками, ни ногами. После того как шар «посетил» спальные мешки каждого альпиниста по несколько раз, он исчез. Все альпинисты получили множество тяжелых ран. Это были не ожоги, а именно рваные раны: мышцы были вырваны целыми кусками, до самых костей. Одного из альпинистов - Олега Коровина - шар убил. При этом шаровая молния не коснулась ни одного предмета в палатке, а только покалечила людей.

Поведение шаровой молнии непредсказуемо. Она неожиданно появляется где угодно, в том числе в закрытых помещениях. Замечены случаи появления шаровой молнии из телефонной трубки, электрической бритвы, выключателя, розетки, репродуктора. Она достаточно часто проникает в здания через трубы, открытые окна и двери. Размеры шаровой молнии бывают от нескольких сантиметров до нескольких метров. Обычно она легко парит или катится над землей, иногда подскакивает. Она реагирует на ветер, сквозняк, восходящие и щи ходящие потоки воздуха. Однако отмечен случай, когда шаровая молния не реагировала на поток воздуха.

Шаровая молния может появиться, не нанеся вреда человеку или помещению, залететь в окно и исчезнуть из помещения через открытую дверь или дымовую трубу, пролетев мимо человека. Всякий контакт с ней приводит к тяжелым травмам, ожогам, а в большинстве случаев к смертельному исходу. Широкая молния может взорваться. Возникающая при этом воздушная волна способна травмировать человека или привести к разрушениям в здании. Известны случаи взрывов молний в печках, дымоходах, что приводило к разрушению последних. Собранные свидетельства о поведении шаровой миопии говорят, что в большинстве случаев взрывы не были опасны, тяжелые последствия возникали в 10 случаях из 100. Считается, что шаровая молния имеет температуру около 5000°С и может вызвать пожар.

`Правила поведения во время грозы:

Вспышку молнии мы видим практически мгновенно, та как свет распространяется со скоростью 300 000 км/с. Скорость распространения звука в воздухе равна примерно 344 м/с, то есть примерно за 3 секунды звук проходит 1 км. Молния опасна тогда, когда за вспышкой тут же следует раскат грома, значит, грозовое облако находится над Вами, и опасность удара молнии наиболее вероятна. Ваши действия перед грозой и во время нее должны быть зимующими: выходить из дома, закрыть окна, двери и дымоходы, позаботиться, чтобы не было сквозняка, который может привлечь шаровую молнию. Во время грозы не топить печку, так как дым, выходящий из трубы имеет высокую электропроводность, и вероятность удара молнии в возвышающуюся над крышей трубу возрастает; во время грозы подальше держаться от электропроводки, антенн, окон, дверей и всего остального, связанного с внешней средой. Не располагаться у стены, рядом с которой растет высокое дерево; радио и телевизоры отключать от сети, не пользоваться электроприборами и телефоном «особенно это важно для сельской местности»; «и время прогулки спрятаться в ближайшее здание. Особенно опасна гроза в поле. При поиске укрытия отдайте предпочтение металлической конструкции больших размеров или конструкции с металлической рамой, жилому дому или фугой постройке, защищенной молниеотводом; если нет возможности укрыться в здании, не надо прятаться в небольших сараях, под одинокими деревьями; не оставаться на возвышенностях и открытых незащищенных местах, вблизи металлических или сетчатых оград, крупных металлических объектов, влажных стен, заземления молниеотвода; при отсутствии укрытия лечь на землю, при этом предпочтение следует отдать сухому песчаному грунту, удаленному от водоема; если гроза застала Вас в лесу, необходимо рыться на участке с низкорослыми деревьями. Нельзя укрываться под высокими деревьями, особенно соснами, дубами, тополями. Лучше находиться ни расстоянии 30 м от отдельно высокого дерева. Обратите внимание - нет ли рядом деревьев, ранее пораженных грозой, расщепленных. Лучше держаться подальше от этого места. Обилие пораженных молнией деревьев свидетельствует, что грунт на данном участке имеет высокую электропроводность, и удар молнии в тин участок местности весьма вероятен во время грозы нельзя находиться на воде и у воды - купаться, ловить рыбу. Необходимо подальше отойти oт берет, и горах отойдите от горных гребней острых возвышающихся скип и вершин. При приближении в горах грозы нужно спуститься как можно ниже. Металлические предметы - альпинистски» крючья, ледорубы, кастрюли собрать в рюкзак и спустить на веревке на 20-30 м ниже по склону; во время грозы не занимайтесь спортом на открытом воздухе, не бегите, так как считается, что пот и быстрое движение «притягивает» молнию; если вы застигнуты грозой на велосипеде или мотоцикле, прекратите движение, оставьте их и переждите грозу на расстоянии примерно 30 м от них; если гроза застала вас в автомобиле, не нужно его покидать. Необходимо закрыть окна и опустить автомобильную антенну. Двигаться во время грозы на автомобиле не рекомендуется, поскольку гроза, как правило, сопровождается ливнем, ухудшающем видимость на дороге, а вспышка молнии может ослепить и вызвать испуг и, как следствие, аварии; при встрече с шаровой молнией не проявляйте по отношению к ней никакой активности, по возможности сохраняйте спокойствие и не двигайтесь. Не нужно приближаться к ней, касаться ее чем-либо, т.к. может произойти взрыв. Не следует убегать от шаровой молнии, потому что это может повлечь ее ш собой возникшим потоком воздуха.

Молниезащита:

Эффективным средством защиты от молнии является молниеотводы, Приоритет изобретения молниеотвода принадлежит американцу Бенджамину Франклину «1749 год». Несколько позднее в 1758 год, независимо от него, молниеотвод изобрел М.В. Ломоносов. Молниезащита путем установки молниеотводов основана на свойстве молнии, поражать наиболее высокие и хорошо заземленные металлические сооружения. Молниеотвод состоит из трех основных частей: молниеприемника, воспринимающего удар молнии; токовода, соединяющего молниеприемник с заземлителем, через который ток молнии стекает в землю. По типу монниеприемников наиболее распространены стержневые и тросовые. Молниеотводы разделяются на: одиночные, двойные и многократные.

Окрест молниеотвода образуется зона защиты, то есть пространство, и пределах которого обеспечивается защита строения или какого-либо другого объекта от прямого удара молнии. Степени защиты в указанных зонах составляют более 95 процентов. Это означает, что из 100 ударов молнии н защищенный объект возможно менее 5 случаев попадания, остальные удары будут восприняты молниеприемником. Зона защиты ограничивается образующими двух конусов, один из которых имеет высоту h, равную высоте молниеотвода, и радиус основания R = 0,75 h, а другой - высоту 0.8 h и радиус основания 1,5 h «при радиусе основания второго конуса R = h эффективность защиты обеспечивается на 99 процентов».

Молниеприемники стержневых молниеотводов изготавливают из стали любого профиля, как правило, круглого, сечением не менее 100мм2 и длиной не менее 200мм. Для защиты от коррозии ох окрашивают. Молниеприемники тросовых молниеотводов изготавливают из металлических тросов диаметром около 7мм. Тоководы должны выдерживать нагрев при протекании очень больших токов разряда молнии в течение короткого промежутка времени, поэтому их делают из металлов с небольшим сопротивлением. Сечение тоководов на воздухе не должно быть менее 48 мм2, а в земле - 160мм 2. заземлители являются важнейшим элементом молниезащиты. Их назначение обеспечивать достаточно малое сопротивление растеканию тока молнии в грунте. В качестве заземлителя можно использовать зарытые в землю на глубину 2 - 2,5м металлические трубы, плиты, мотки проволоки и сетки, куски (хищнической арматуры. Молниеотводы желательно устанавливать на возвышенностях, чтобы сократить путь молнии и увеличить размеры зоны защиты. Дымовые трубы, фронтоны, выступы на крыше, телевизионные антенны нужно заземлить с помощью тоководов. Металлические водосточные трубы и лестницы, ведущие на крышу, желательно соединить с тоководом или заземлить отдельно.

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.

Какие молнии считаются наиболее опасными?

Обычно за первым ударом грома и молнии следует второй. Это связано с тем, что электроны на первой вспышке создают возможность второму прохождению электронов. Поэтому последующие вспышки происходят одна за другой почти без временных промежутков, ударяя в одно и то же место.

Появляющаяся из тучи молния своим электрическим разрядом способна причинить серьезный вред человеку и даже убить. И даже если ее удар не попадет прямо в человека, а придется рядом, последствия для здоровья могут быть очень плохими. Чтобы обезопасить себя, необходимо соблюдать некоторые правила: Так во время грозы ни в коем случае нельзя купаться в реке или море! Непременно нужно всегда находиться на суше.

При этом необходимо быть как можно ближе к поверхности земли. То есть не нужно забираться на дерево и уж тем более стоять под ним, особенно если оно одно посреди открытого места. Кроме того, нельзя пользоваться любыми мобильными устройствами (телефонами, планшетами и т.д.), потому что они могут притягивать к себе молнию.

Lightning 1882
(c) Photographer: William N. Jennings, c. 1882

Электрическая природа молнии была раскрыта в исследованиях американского физика Б. Франклина , по идее которого был проведён опыт по извлечению электричества из грозового облака. Широко известен опыт Франклина по выяснению электрической природы молнии. В 1750 году им опубликована работа, в которой описан эксперимент с использованием воздушного змея, запущенного в грозу. Опыт Франклина был описан в работе Джозефа Пристли .

Физические свойства молнии

Средняя длина молнии 2,5 км, некоторые разряды простираются в атмосфере на расстояние до 20 км.

Формирование молнии

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

Обычно наблюдаются линейные молнии, которые относятся к так называемым безэлектродным разрядам, так как они начинаются (и заканчиваются) в скоплениях заряженных частиц. Это определяет их некоторые до сих пор не объяснённые свойства, отличающие молнии от разрядов между электродами. Так, молнии не бывают короче нескольких сотен метров; они возникают в электрических полях значительно более слабых, чем поля при межэлектродных разрядах; сбор зарядов, переносимых молнией, происходит за тысячные доли секунды с миллиардов мелких, хорошо изолированных друг от друга частиц, расположенных в объёме нескольких км³. Наиболее изучен процесс развития молнии в грозовых облаках, при этом молнии могут проходить в самих облаках - внутриоблачные молнии , а могут ударять в землю - наземные молнии . Для возникновения молнии необходимо, чтобы в относительно малом (но не меньше некоторого критического) объёме облака образовалось электрическое поле (см. атмосферное электричество) с напряжённостью, достаточной для начала электрического разряда (~ 1 МВ/м), а в значительной части облака существовало бы поле со средней напряжённостью, достаточной для поддержания начавшегося разряда (~ 0,1-0,2 МВ/м). В молнии электрическая энергия облака превращается в тепловую, световую и звуковую.

Наземные молнии

Процесс развития наземной молнии состоит из нескольких стадий. На первой стадии, в зоне, где электрическое поле достигает критического значения, начинается ударная ионизация , создаваемая вначале свободными зарядами, всегда имеющимися в небольшом количестве в воздухе, которые под действием электрического поля приобретают значительные скорости по направлению к земле и, сталкиваясь с молекулами, составляющими воздух, ионизуют их.

По более современным представлениям, ионизация атмосферы для прохождения разряда происходит под влиянием высокоэнергетического космического излучения - частиц с энергиями 10 12 -10 15 эВ , формирующих широкий атмосферный ливень (ШАЛ) с понижением пробивного напряжения воздуха на порядок от такового при нормальных условиях.

По одной из гипотез, частицы запускают процесс, получивший название пробоя на убегающих электронах . Таким образом возникают электронные лавины, переходящие в нити электрических разрядов - стримеры , представляющие собой хорошо проводящие каналы, которые, сливаясь, дают начало яркому термоионизованному каналу с высокой проводимостью - ступенчатому лидеру молнии .

Движение лидера к земной поверхности происходит ступенями в несколько десятков метров со скоростью ~ 50 000 километров в секунду, после чего его движение приостанавливается на несколько десятков микросекунд, а свечение сильно ослабевает; затем в последующей стадии лидер снова продвигается на несколько десятков метров. Яркое свечение охватывает при этом все пройденные ступени; затем следуют снова остановка и ослабление свечения. Эти процессы повторяются при движении лидера до поверхности земли со средней скоростью 200 000 метров в секунду.

По мере продвижения лидера к земле напряжённость поля на его конце усиливается и под его действием из выступающих на поверхности Земли предметов выбрасывается ответный стример , соединяющийся с лидером. Эта особенность молнии используется для создания молниеотвода .

В заключительной стадии по ионизованному лидером каналу следует обратный (снизу вверх), или главный, разряд молнии , характеризующийся токами от десятков до сотен тысяч ампер, яркостью, заметно превышающей яркость лидера , и большой скоростью продвижения, вначале доходящей до ~ 100 000 километров в секунду, а в конце уменьшающейся до ~ 10 000 километров в секунду. Температура канала при главном разряде может превышать 2000-3000 °C. Длина канала молнии может быть от 1 до 10 км, диаметр - несколько сантиметров. После прохождения импульса тока ионизация канала и его свечение ослабевают. В финальной стадии ток молнии может длиться сотые и даже десятые доли секунды, достигая сотен и тысяч ампер. Такие молнии называют затяжными, они наиболее часто вызывают пожары. Но земля не является заряженой, поэтому принято считать что разряд молнии происходит от облака по направлению к земле(сверху вниз).

Главный разряд разряжает нередко только часть облака. Заряды, расположенные на больших высотах, могут дать начало новому (стреловидному) лидеру, движущемуся непрерывно со скоростью в тысячи километров в секунду. Яркость его свечения близка к яркости ступенчатого лидера. Когда стреловидный лидер доходит до поверхности земли, следует второй главный удар, подобный первому. Обычно молния включает несколько повторных разрядов, но их число может доходить и до нескольких десятков. Длительность многократной молнии может превышать 1 сек. Смещение канала многократной молнии ветром создаёт так называемую ленточную молнию - светящуюся полосу.

Внутриоблачные молнии

Внутриоблачные молнии над Тулузой, Франция. 2006 год

Внутриоблачные молнии включают в себя обычно только лидерные стадии; их длина колеблется от 1 до 150 км. Доля внутриоблачных молний растет по мере смещения к экватору , меняясь от 0,5 в умеренных широтах до 0,9 в экваториальной полосе. Прохождение молнии сопровождается изменениями электрических и магнитных полей и радиоизлучением , так называемыми атмосфериками .

Полёт из Калькутты в Мумбаи.

Вероятность поражения молнией наземного объекта растет по мере увеличения его высоты и с увеличением электропроводности почвы на поверхности или на некоторой глубине (на этих факторах основано действие громоотвода). Если в облаке существует электрическое поле, достаточное для поддержания разряда, но недостаточное для его возникновения, роль инициатора молнии может выполнить длинный металлический трос или самолёт - особенно, если он сильно электрически заряжен. Таким образом иногда «провоцируются» молнии в слоисто-дождевых и мощных кучевых облаках .

Молнии в верхней атмосфере

В 1989 году был обнаружен особый вид молний - эльфы, молнии в верхней атмосфере . В 1995 году был открыт другой вид молний в верхней атмосфере - джеты .

Эльфы

Джеты

Джеты представляют собой трубки-конусы синего цвета. Высота джетов может достигать 40-70 км (нижняя граница ионосферы), живут джеты относительно дольше эльфов .

Спрайты

Спрайты трудно различимы, но они появляются почти в любую грозу на высоте от 55 до 130 километров (высота образования «обычных» молний - не более 16 километров). Это некое подобие молнии, бьющей из облака вверх. Впервые это явление было зафиксировано в 1989 году случайно. Сейчас о физической природе спрайтов известно крайне мало .

Взаимодействие молнии с поверхностью земли и расположенными на ней объектами

Глобальная частота ударов молний (шкала показывает число ударов в год на квадратный километр)

Согласно ранним оценкам, частота ударов молний на Земле составляет 100 раз в секунду. По современным данным, полученным с помощью спутников, которые могут обнаруживать молнии в местах, где не ведётся наземное наблюдение, эта частота составляет в среднем 44 ± 5 раз в секунду, что соответствует примерно 1,4 миллиарда молний в год. 75 % этих молний ударяет между облаками или внутри облаков, а 25 % - в землю.

Самые мощные молнии вызывают рождение фульгуритов .

Ударная волна от молнии

Разряд молнии является электрическим взрывом и в некоторых аспектах похож на детонацию . Он вызывает появление ударной волны, опасной в непосредственной близости. Ударная волна от достаточно мощного грозового разряда на расстояниях до нескольких метров может наносить разрушения, ломать деревья, травмировать и контузить людей даже без непосредственного поражения электрическим током. Например, при скорости нарастания тока 30 тысяч ампер за 0,1 миллисекунду и диаметре канала 10 см могут наблюдаться следующие давления ударной волны :

• на расстоянии от центра 5 см (граница светящегося канала молнии) - 0,93 МПа,
• на расстоянии 0,5 м - 0,025 МПа (разрушение непрочных строительных конструкций и травмы человека),
• на расстоянии 5 м - 0,002 МПа (выбивание стёкол и временное оглушение человека).

На бо́льших расстояниях ударная волна вырождается в звуковую волну - гром .

Люди и молния

Молнии - серьёзная угроза для жизни людей. Поражение человека или животного молнией часто происходит на открытых пространствах, так как электрический ток идёт по кратчайшему пути «грозовое облако-земля». Часто молния попадает в деревья и трансформаторные установки на железной дороге, вызывая их возгорание. Поражение обычной линейной молнией внутри здания невозможно, однако бытует мнение, что так называемая шаровая молния может проникать через щели и открытые окна. Обычный грозовой разряд опасен для телевизионных и радиоантенн, расположенных на крышах высотных зданий, а также для сетевого оборудования.

В организме пострадавших отмечаются такие же патологические изменения, как при поражении электротоком. Жертва теряет сознание , падает, могут отмечаться судороги , часто останавливается дыхание и сердцебиение . На теле обычно можно обнаружить «метки тока», места входа и выхода электричества. В случае смертельного исхода причиной прекращения основных жизненных функций является внезапная остановка дыхания и сердцебиения, от прямого действия молнии на дыхательный и сосудодвигательный центры продолговатого мозга. На коже часто остаются так называемые знаки молнии, древовидные светло-розовые или красные полосы, исчезающие при надавливании пальцами (сохраняются в течение 1 - 2 суток после смерти). Они - результат расширения капилляров в зоне контакта молнии с телом.

Молния проходит в стволе дерева по пути наименьшего электрического сопротивления , с выделением большого количества тепла, превращая воду в пар, который раскалывает ствол дерева или чаще отрывает от него участки коры, показывая путь молнии. В следующие сезоны деревья обычно восстанавливают повреждённые ткани и могут закрывать рану целиком, оставив только вертикальный шрам. Если ущерб является слишком серьёзным, ветер и вредители в конечном итоге убивают дерево. Деревья являются естественными громоотводами , и, как известно, обеспечивают защиту от удара молнии для близлежащих зданий. Посаженные возле здания, высокие деревья улавливают молнии, а высокая биомасса корневой системы помогает заземлять разряд молнии.

По этой причине нельзя прятаться от дождя под деревьями во время грозы, особенно под высокими или одиночными на открытой местности.

Из деревьев, поражённых молнией, делают музыкальные инструменты, приписывая им уникальные свойства.

Молния и электроустановки

Разряды молний представляют большую опасность для электрического и электронного оборудования. При прямом попадании молнии в провода в линии возникает перенапряжение , вызывающее разрушение изоляции электрооборудования, а большие токи обуславливают термические повреждения проводников. Для защиты от грозовых перенапряжений электрические подстанции и распределительные сети оборудуются различными видами защитного оборудования таким как разрядниками , нелинейными ограничителями перенапряжения, длинноискровыми разрядниками. Для защиты от прямого попадания молнии используются молниеотводы и грозозащитные тросы. Для электронных устройств представляет опасность также и электромагнитный импульс , создаваемый молнией.

Молния и авиация

Атмосферное электричество вообще и молнии в частности представляют значительную угрозу для авиации. Попадание молнии в летательный аппарат вызывает растекание тока большой величины по его конструкционным элементам, что может вызвать их разрушение, пожар в топливных баках, отказы оборудования, гибель людей. Для снижения риска металлические элементы наружной обшивки летательных аппаратов тщательно электрически соединяются друг с другом, а неметаллические элементы металлизируются. Таким образом, обеспечивается низкое электрическое сопротивление корпуса. Для стекания тока молнии и другого атмосферного электричества с корпуса, летательные аппараты оборудуются разрядниками.

Ввиду того, что электрическая емкость самолёта, находящегося в воздухе невелика, разряд «облако-самолёт» обладает существенно меньшей энергией по сравнению с разрядом «облако-земля». Наиболее опасна молния для низколетящего самолёта или вертолёта, так как в этом случае летательный аппарат может сыграть роль проводника тока молнии из облака в землю. Известно, что самолёты на больших высотах сравнительно часто поражаются молнией и тем не менее, случаи катастроф по этой причине единичны. В то же время известно очень много случаев поражения самолётов молнией на взлете и посадке, а также на стоянке, которые закончились катастрофами или уничтожением летательного аппарата.

Молния и надводные корабли

Молния также представляет очень большую угрозу для надводных кораблей в виду того, что последние приподняты над поверхностью моря и имеют много острых элементов (мачты, антенны), являющихся концентраторами напряженности электрического поля. Во времена деревянных парусников, обладающих высоким удельным сопротивлением корпуса, удар молнии практически всегда заканчивался для корабля трагически: корабль сгорал или разрушался, от поражения электрическим током гибли люди. Клёпаные стальные суда также были уязвимы для молнии. Высокое удельное сопротивление заклёпочных швов вызывало значительное локальное тепловыделение, что приводило к возникновению электрической дуги, пожарам, разрушению заклёпок и появлению водотечности корпуса.

Сварной корпус современных судов обладает низким удельным сопротивлением и обеспечивает безопасное растекание тока молнии. Выступающие элементы надстройки современных судов надежно электрически соединяются с корпусом и также обеспечивают безопасное растекание тока молнии.

Деятельность человека, вызывающая молнию

При наземном ядерном взрыве за доли секунды до прихода границы огненной полусферы в нескольких сотнях метров (~400-700 м при сравнении со взрывом 10,4 Мт) от центра дошедшее гамма-излучение продуцирует электромагнитный импульс с напряжённостью на уровне ~100-1000 кВ/м, вызвающий разряды молний, бьющих от земли вверх перед приходом границы огненной полусферы.

См. также

Примечания

1. Ермаков В.И., Стожков Ю.И. Физика грозовых облаков // Физический институт им. П.Н. Лебедева, РАН, М.2004 г. :37
2. В возникновении молний обвинили космические лучи Lenta.Ru , 09.02.2009
3. Красные Эльфы и Синие Джеты
4. ELVES, a primer: Ionospheric Heating By the Electromagnetic Pulses from Lightning
5. Fractal Models of Blue Jets, Blue Starters Show Similarity, Differences to Red Sprites
6. V.P. Pasko, M.A. Stanley, J.D. Matthews, U.S. Inan, and T.G. Wood (March 14, 2002) "Electrical discharge from a thundercloud top to the lower ionosphere, " Nature , vol. 416, pages 152-154.
7. Появление НЛО объяснили спрайтами . lenta.ru (24.02.2009). Архивировано из первоисточника 23 августа 2011. Проверено 16 января 2010.
8. John E. Oliver Encyclopedia of World Climatology . - National Oceanic and Atmospheric Administration, 2005. - ISBN 978-1-4020-3264-6
9. . National Oceanic and Atmospheric Administration. Архивировано
10. . NASA Science. Science News. (December 5, 2001). Архивировано из первоисточника 23 августа 2011. Проверено 15 апреля 2011.
11. К. БОГДАНОВ «МОЛНИЯ: БОЛЬШЕ ВОПРОСОВ, ЧЕМ ОТВЕТОВ». «Наука и жизнь» № 2, 2007
12. Живлюк Ю.Н., Мандельштам С.Л. О температуре молнии и силе грома // ЖЭТФ. 1961. Т. 40, вып. 2. С. 483-487.
13. Н. А. Кун «Легенды и мифы Древней Греции» ООО «Издательство АСТ» 2005-538,с. ISBN 5-17-005305-3 Стр.35-36.

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.