Скорость выделения энергии при ударе молнии

Молния: больше вопросов, чем ответов

Константин Богданов,
доктор биологических наук, кандидат физико-математических наук
«Наука и жизнь» №2, 2007

В каждый момент времени в разных точках Земли сверкают молнии более 2000 гроз. В каждую секунду около 50 молний ударяются в поверхность земли, и в среднем каждый ее квадратный километр молния поражает шесть раз за год. Еще Бенджамин Франклин (1706–1790) показал, что молнии, бьющие по земле из грозовых облаков, — это электрические разряды, переносящие на нее отрицательный заряд величиной несколько десятков кулон, а амплитуда тока при ударе молнии составляет от 20 до 100 кА. Скоростная фотосъемка показала, что разряд молнии длится несколько десятых долей секунды и состоит из нескольких еще более коротких разрядов. Молнии издавна интересуют ученых, но и в наше время об их природе мы знаем лишь немного больше, чем 250 лет тому назад, хотя смогли их обнаружить даже на других планетах.

Молния — вечный источник подзарядки электрического поля Земли

В начале XX века с помощью атмосферных зондов измерили электрическое поле Земли. Его напряженность у поверхности оказалась равной примерно 100 В/м, что соответствует суммарному заряду планеты около 400 000 Кл. Переносчиком зарядов в атмосфере Земли служат ионы, концентрация которых увеличивается с высотой и достигает максимума на высоте 50 км, где под действием космического излучения образовался электропроводящий слой — ионосфера. Поэтому электрическое поле Земли — это поле сферического конденсатора с приложенным напряжением около 400 кВ. Под действием этого напряжения из верхних слоев в нижние всё время течет ток силой 2–4 кА, плотность которого составляет 1–2 × 10^–12 А/м², и выделяется энергия до 1,5 ГВт. И это электрическое поле исчезло бы, если бы не было молний! Поэтому в хорошую погоду электрический конденсатор — Земля — разряжается, а при грозе заряжается.

Человек не чувствует электрического поля Земли, так как его тело — хороший проводник. Поэтому заряд Земли находится и на поверхности тела человека, локально искажая электрическое поле. Под грозовым облаком плотность наведенных на земле положительных зарядов может значительно возрастать, а напряженность электрического поля — превышать 100 кВ/м, в 1000 раз больше ее значения в хорошую погоду. В результате во столько же раз увеличивается положительный заряд каждого волоска на голове человека, стоящего под грозовой тучей, и они, отталкиваясь друг от друга, встают дыбом.

Электризация — удаление «заряженной» пыли

Чтобы понять, как облако разделяет электрические заряды, вспомним, что такое электризация. Легче всего зарядить тело, потерев его о другое. Электризация трением — самый старый способ получения электрических зарядов. Само слово «электрон» в переводе с греческого на русский означает янтарь, так как янтарь всегда заряжался отрицательно при трении о шерсть или шелк. Величина заряда и его знак зависят от материалов трущихся тел.

Считается, что тело, до того как его стали тереть о другое, электронейтрально. Действительно, если оставить заряженное тело в воздухе, то к нему начнут прилипать противоположно заряженные частицы пыли и ионы. Таким образом, на поверхности любого тела находится слой «заряженной» пыли, нейтрализующий заряд тела. Поэтому электризация трением — это процесс частичного снятия «заряженной» пыли с обоих тел. При этом результат будет зависеть от того, на сколько лучше или хуже снимается «заряженная» пыль с трущихся тел.

Облако — фабрика по производству электрических зарядов

Трудно представить, что в облаке находится пара материалов из перечисленных в таблице. Однако на телах может оказаться различная «заряженная» пыль, даже если они сделаны из одного того же материала, — достаточно, чтобы микроструктура поверхности отличалась. Например, при трении гладкого тела о шероховатое оба будут электризоваться.

Грозовое облако — это огромное количество пара, часть которого конденсировалось в виде мельчайших капелек или льдинок. Верх грозового облака может находиться на высоте 6–7 км, а низ нависать над землей на высоте 0,5–1 км. Выше 3–4 км облака состоят из льдинок разного размера, так как температура там всегда ниже нуля. Эти льдинки находятся в постоянном движении, вызванном восходящими потоками теплого воздуха от нагретой поверхности земли. Мелкие льдинки легче, чем крупные, увлекаются восходящими потоками воздуха. Поэтому «шустрые» мелкие льдинки, двигаясь в верхнюю часть облака, всё время сталкиваются с крупными. При каждом таком столкновении происходит электризация, при которой крупные льдинки заряжаются отрицательно, а мелкие — положительно. Со временем положительно заряженные мелкие льдинки оказываются в верхней части облака, а отрицательно заряженные крупные — внизу. Другими словами, верхушка грозы заряжена положительно, а низ — отрицательно. Всё готово для разряда молнии, при котором происходит пробой воздуха и отрицательный заряд с нижней части грозовой тучи перетекает на Землю.

Молния — привет из космоса и источник рентгеновского излучения

Однако само облако не в состоянии так наэлектризовать себя, чтобы вызвать разряд между своей нижней частью и землей. Напряженность электрического поля в грозовом облаке никогда не превышает 400 кВ/м, а электрический пробой в воздухе происходит при напряженности больше 2500 кВ/м. Поэтому для возникновения молнии необходимо что-то еще кроме электрического поля. В 1992 году российский ученый Александр Викторович Гуревич из Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) предположил, что своеобразным зажиганием для молнии могут быть космические лучи — частицы высоких энергий, обрушивающиеся на Землю из космоса с околосветовыми скоростями. Тысячи таких частиц каждую секунду бомбардируют каждый квадратный метр земной атмосферы.

Согласно теории Гуревича, частица космического излучения, сталкиваясь с молекулой воздуха, ионизирует ее, в результате чего образуется огромное число электронов, обладающих высокой энергией. Попав в электрическое поле между облаком и землей, электроны ускоряются до околосветовых скоростей, ионизируя путь своего движения и, таким образом, вызывая лавину электронов, движущихся вместе с ними к земле. Ионизированный канал, созданный этой лавиной электронов, используется молнией для разряда (см. «Наука и жизнь» №7, 1993 г.).

Каждый, кто видел молнию, заметил, что это не ярко светящаяся прямая, соединяющая облако и землю, а ломаная линия. Поэтому процесс образования проводящего канала для разряда молнии называют ее «ступенчатым лидером». Каждая из таких «ступенек» — это место, где разогнавшиеся до околосветовых скоростей электроны остановились из-за столкновений с молекулами воздуха и изменили направление движения. Доказательство для такой интерпретации ступенчатого характера молнии — вспышки рентгеновского излучения, совпадающие с моментами, когда молния, как бы спотыкаясь, изменяет свою траекторию. Недавние исследования показали, что молния служит довольно мощным источником рентгеновского излучения, интенсивность которого может составлять до 250 000 электронвольт, что примерно в два раза превышает ту, которую используют при рентгене грудной клетки.

Как вызвать разряд молнии?

Изучать то, что произойдет непонятно где и когда, очень сложно. А именно так в течение долгих лет работали ученые, исследующие природу молний. Считается, что грозой на небе руководит Илья-пророк и нам не дано знать его планы. Однако ученые очень давно пытались заменить Илью-пророка, создавая проводящий канал между грозовой тучей и землей. Бенджамин Франклин для этого во время грозы запускал воздушный змей, оканчивающийся проволокой и связкой металлических ключей. Этим он вызывал слабые разряды, стекающие вниз по проволоке, и первым доказал, что молния — это отрицательный электрический разряд, стекающий с облаков на землю. Опыты Франклина были чрезвычайно опасными, и один из тех, кто их пытался повторить, — российский академик Георг Вильгельм Рихман — в 1753 году погиб от удара молнии.

В 1990-е годы исследователи научились вызывать молнии, не подвергая опасности свою жизнь. Один из способов вызвать молнию — запустить с земли небольшую ракету прямо в грозовую тучу. Вдоль всей траектории ракета ионизирует воздух и создает таким образом проводящий канал между тучей и землей. И если отрицательный заряд низа тучи достаточно велик, то вдоль созданного канала происходит разряд молнии, все параметры которого регистрируют приборы, расположенные рядом со стартовой площадкой ракеты. Чтобы создать еще лучшие условия для разряда молнии, к ракете присоединяют металлический провод, соединяющий ее с землей.

Молния: подарившая жизнь и двигатель эволюции

В 1953 году биохимики Стэнли Миллер (Stanley Miller) и Гарольд Юри (Harold Urey) показали, что одни из «кирпичиков» жизни — аминокислоты — могут быть получены путем пропускания электрического разряда через воду, в которой растворены газы «первобытной» атмосферы Земли (метан, аммиак и водород). Спустя 50 лет другие исследователи повторили эти опыты и получили те же результаты. Таким образом, научная теория зарождения жизни на Земле отводит удару молнии основополагающую роль.

При пропускании коротких импульсов тока через бактерии в их оболочке (мембране) появляются поры, через которые внутрь могут проходить фрагменты ДНК других бактерий, запуская один из механизмов эволюции.

Почему зимой грозы очень редки?

Ф.И. Тютчев, написав «Люблю грозу в начале мая, когда весенний первый гром...», знал, что зимой гроз почти не бывает. Чтобы образовалось грозовое облако, необходимы восходящие потоки влажного воздуха. Концентрация насыщенных паров растет с повышением температуры и максимальна летом. Разница температур, от которой зависят восходящие потоки воздуха, тем больше, чем выше его температура у поверхности земли, так как на высоте нескольких километров его температура не зависит от времени года. Значит, интенсивность восходящих потоков максимальна тоже летом. Поэтому и грозы у нас чаще всего летом, а на севере, где и летом холодно, грозы довольно редки.

Почему грозы чаще над сушей, чем над морем?

Чтобы облако разрядилось, в воздухе под ним должно быть достаточное число ионов. Воздух, состоящий только из молекул азота и кислорода, не содержит ионов, и его очень тяжело ионизировать даже в электрическом поле. А вот если в воздухе много инородных частиц, например пыли, то и ионов тоже много. Ионы образуются при движении частиц в воздухе аналогично тому, как электризуются при трении друг о друга различные материалы.

Очевидно, что пыли в воздухе гораздо больше над сушей, чем над океанами. Поэтому-то грозы и гремят над сушей чаще. Замечено также, что прежде всего молнии бьют по тем местам, где в воздухе особенно велика концентрация аэрозолей — дымов и выбросов предприятий нефтеперерабатывающей промышленности.

Как Франклин отклонил молнию

К счастью, большинство разрядов молнии происходят между облаками и поэтому угрозы не представляют. Однако считается, что каждый год молнии убивают более тысячи людей по всему миру. По крайней мере, в США, где ведется такая статистика, каждый год от удара молнии страдают около 1000 человек и более ста из них погибают. Ученые давно пытались защитить людей от этой «кары божьей». Например, изобретатель первого электрического конденсатора (лейденской банки) Питер ван Мушенбрук (1692–1761) в статье об электричестве, написанной для знаменитой французской Энциклопедии, защищал традиционные способы предотвращения молнии — колокольный звон и стрельбу из пушек, которые, как он считал, оказываются довольно эффективными.

Бенджамин Франклин, пытаясь защитить Капитолий столицы штата Мериленд, в 1775 году прикрепил к зданию толстый железный стержень, который возвышался над куполом на несколько метров и был соединен с землей. Ученый отказался патентовать свое изобретение, желая, чтобы оно как можно скорее начало служить людям.

Весть о громоотводе Франклина быстро разнеслась по Европе, и его выбрали во все академии, включая и Российскую. Однако в некоторых странах набожное население встретило это изобретение с возмущением. Сама мысль, что человек так легко и просто может укротить главное оружие «божьего гнева», казалась кощунственной. Поэтому в разных местах люди из благочестивых соображений ломали громоотводы. Любопытный случай произошел в 1780 году в небольшом городке Сент-Омер на севере Франции, где горожане потребовали снести железную мачту громоотвода, и дело дошло до судебного разбирательства. Молодой адвокат, защищавший громоотвод от нападок мракобесов, построил защиту на том, что и разум человека, и его способность покорять силы природы имеют божественное происхождение. Всё, что помогает спасти жизнь, во благо — доказывал молодой адвокат. Он выиграл процесс и снискал большую известность. Адвоката звали Максимилиан Робеспьер. Ну а сейчас портрет изобретателя громоотвода — самая желанная репродукция в мире, ведь она украшает известную всем стодолларовую купюру.

Как можно защититься от молнии с помощью водяной струи и лазера

Недавно был предложен принципиально новый способ борьбы с молниями. Громоотвод создадут из... струи жидкости, которой будут стрелять с земли непосредственно в грозовые облака. Громоотводная жидкость представляет собой солевой раствор, в который добавлены жидкие полимеры: соль предназначена для увеличения электропроводности, а полимер препятствует «распаду» струи на отдельные капельки. Диаметр струи составит около сантиметра, а максимальная высота – 300 метров. Когда жидкий громоотвод доработают, им оснастят спортивные и детские площадки, где фонтан включится автоматически, когда напряженность электрического поля станет достаточно высокой, а вероятность удара молнии — максимальной. По струе жидкости с грозового облака будет стекать заряд, делая молнию безопасной для окружающих. Аналогичную защиту от разряда молнии можно сделать и с помощью лазера, луч которого, ионизируя воздух, создаст канал для электрического разряда вдали от скопления людей.

Может ли молния сбить нас с пути?

Да, если вы пользуетесь компасом. В известном романе Германа Мелвила «Моби Дик» описан именно такой случай, когда разряд молнии, создавший сильное магнитное поле, перемагнитил стрелку компаса. Однако капитан судна взял швейную иглу, ударил по ней, чтобы намагнитить, и поставил ее вместо испорченной стрелки компаса.

Может ли вас поразить молния внутри дома или самолета?

К сожалению, да! Ток грозового разряда может войти в дом по телефонному проводу от рядом стоящего столба. Поэтому при грозе старайтесь не пользоваться обычным телефоном. Считается, что говорить по радиотелефону или по мобильному безопасней. Не следует во время грозы касаться труб центрального отопления и водопровода, которые соединяют дом с землей. Из этих же соображений специалисты советуют при грозе выключать все электрические приборы, в том числе компьютеры и телевизоры.

Что касается самолетов, то, вообще говоря, они стараются облетать районы с грозовой активностью. И всё-таки в среднем раз в год в один из самолетов попадает молния. Ее ток поразить пассажиров не может, он стекает по внешней поверхности самолета, но способен вывести из строя радиосвязь, навигационное оборудование и электронику.

Фульгурит — окаменевшая молния

При разряде молнии выделяется 10⁹–10¹⁰ джоулей энергии. Большая ее часть тратится на создание ударной волны (гром), нагрев воздуха, световую вспышку и другие электромагнитные волны, и только маленькая часть выделяется в том месте, где молния входит в землю. Однако и этой «маленькой» части вполне достаточно, чтобы вызвать пожар, убить человека и разрушить здание. Молния может разогреть канал, по которому она движется, до 30 000°С, в пять раз выше температуры на поверхности Солнца. Температура внутри молнии гораздо больше температуры плавления песка (1600–2000°C), но расплавится песок или нет, зависит еще и от длительности молнии, которая может составлять от десятков микросекунд до десятых долей секунды. Амплитуда импульса тока молнии обычно равна нескольким десяткам килоампер, но иногда может превышать и 100 кА. Самые мощные молнии и вызывают рождение фульгуритов — полых цилиндров из оплавленного песка.

Слово «фульгурит» происходит от латинского fulgur, что означает молния. Самые длинные из раскопанных фульгуритов уходили под землю на глубину более пяти метров. Фульгуритами также называют оплавленности твердых горных пород, образованные ударом молнии; они иногда в большом количестве встречаются на скалистых вершинах гор. Фульгуриты, состоящие из переплавленного кремнезема, обыкновенно представляют собой конусообразные трубочки толщиной с карандаш или с палец. Их внутренняя поверхность гладкая и оплавленная, а наружная образована приставшими к оплавленной массе песчинками. Цвет фульгуритов зависит от примесей минералов в песчаной почве. Большинство из них имеют рыжевато-коричневый, серый или черный цвет, однако встречаются зеленоватые, белые или даже полупрозрачные фульгуриты.

По-видимому, первое описание фульгуритов и их связи с ударами молнии было сделано в 1706 году пастором Д. Германом (David Hermann). Впоследствии многие находили фульгуриты вблизи людей, пораженных разрядом молнии. Чарльз Дарвин во время кругосветного путешествия на корабле «Бигль» обнаружил на песчаном берегу вблизи Мальдонадо (Уругвай) несколько стеклянных трубочек, уходящих в песок вертикально вниз более чем на метр. Он описал их размеры и связал их образование с разрядами молний. Известный американский физик Роберт Вуд получил «автограф» молнии, которая чуть не убила его:

«Прошла сильная гроза, и небо над нами уже прояснилось. Я пошел через поле, которое отделяет наш дом от дома моей свояченицы. Я прошел ярдов десять по тропинке, как вдруг меня позвала моя дочь Маргарет. Я остановился секунд на десять и едва лишь двинулся дальше, как вдруг небо прорезала яркая голубая линия, с грохотом двенадцатидюймового орудия ударив в тропинку в двадцати шагах передо мной и подняв огромный столб пара. Я пошел дальше, чтобы посмотреть, какой след оставила молния. В том месте, где ударила молния, было пятно обожженного клевера дюймов в пять диаметром, с дырой посередине в полдюйма.... Я возвратился в лабораторию, расплавил восемь фунтов олова и залил в отверстие... То, что я выкопал, когда олово затвердело, было похоже на огромный, слегка изогнутый собачий арапник, тяжелый, как и полагается, в рукоятке и постепенно сходящийся к концу. Он был немного длиннее трех футов» (цитируется по В. Сибрук. Роберт Вуд. — М.: Наука, 1985, с. 285).

Появление стеклянной трубочки в песке при разряде молнии связано с тем, что между песчинками всегда находятся воздух и влага. Электрический ток молнии за доли секунд раскаляет воздух и водяные пары до огромных температур, вызывая взрывообразный рост давления воздуха между песчинками и его расширение, что слышал и видел Вуд, чудом не ставший жертвой молнии. Расширяющийся воздух образует цилиндрическую полость внутри расплавленного песка. Последующее быстрое охлаждение фиксирует фульгурит — стеклянную трубочку в песке.

Часто аккуратно выкопанный из песка фульгурит по форме напоминает корень дерева или ветвь с многочисленными отростками. Такие ветвистые фульгуриты образуются, когда разряд молнии попадает во влажный песок, который, как известно, имеет бo'льшую электропроводность, чем сухой. В этих случаях ток молнии, входя в почву, сразу начинает растекаться в стороны, образуя структуру, похожую на корень дерева, а рождающийся при этом фульгурит лишь повторяет эту форму. Фульгурит очень хрупок, и попытки очистить от прилипшего песка нередко приводят к его разрушению. Особенно это относится к ветвистым фульгуритам, образовавшимся во влажном песке.

Расчёт энергии молнии

Огромные сполохи природной энергии – молнии, давно привлекают внимание людей. После того, как была установлена электрическая природа молний, люди стали подробнее изучать это явление. Естественно, рассматривался вопрос о практическом использовании энергии молний. Для этого, прежде всего, необходимо определить запас энергии молнии.

Максимальная разница потенциалов молнии достигает 50 миллионов вольт, а ток до 100 тысяч ампер. Для расчётов энергии молнии возьмем цифры ближе к средним для большинства молний, а именно: напряжение 20 миллионов вольт и ток 20 тысяч ампер.

При грозовом разряде, электрический потенциал уменьшается до нуля. Поэтому для того, чтобы правильно определить среднюю мощность грозового разряда, в расчётах надо брать половину первоначального напряжения.

Тогда мы имеем мощность электрического разряда:

Получается, что мощность грозового разряда молнии 200 миллионов киловатт. Длительность молнии составляет около тысячной доли секунды, а в каждом часе 3600 секунд. По этим данным можно определить общее количество энергии, которую даёт разряд молнии.

При цене электрической энергии 3 рубля за 1 кВт.ч., стоимость энергии, при условии полного использования всей энергии молнии, составит 166,67 рубля.

На большей части России частота ударов молнии в пределах 2 – 4 в год на квадратный километр, в горных районах до 10 ударов молнии. Из всех видов молний, как источник энергии нас может интересовать только разряд между землёй и электрически заряженными облаками. Для покрытия квадратного километра нужно большое количество молниеотводов. Технически возможно собрать небольшую часть электричества от молнии в высоковольтных конденсаторах. Понадобятся также преобразователи с функцией стабилизации напряжения. Но, как показывает расчёт энергоёмкости конденсаторов, для хранения даже небольшого количества электрической энергии, нужны конденсаторы огромной ёмкости и размеров. Стоимость такого оборудования будет на много порядков дороже стоимости полученной электрической энергии, даже при регулярном, например, ежегодном пополнении энергии разрядами молнии.

Подобные расчёты энергии молнии приводились в технической литературе. Реально получить и использовать, например, на нагрев воды, можно только небольшую часть этой энергии. Основная часть энергии молнии расходуется при искровом разряде на нагрев атмосферы и даже теоретически потребители могут использовать меньшую часть энергии молнии.

Для примера рассчитаем, сколько энергии потребляет на нагрев, например, такое устройство, как громоотвод. Электрическое сопротивление воздушного промежутка, молниеотвода и заземления, которое преодолевает молния при усредненных характеристиках разряда составит:

R = U/I = 20 000 000 В : 20 000 А = 1000 Ом

Расчёт сопротивления проводника громоотвода можно сделать по известной методике, если известны материал, его удельное сопротивление, длина и толщина провода. Но, для нашего примера, будем считать сопротивление проводника равным одному 1 Ом, а сопротивление заземления 4 Ома.

Если сопротивление молниеотвода в тысячу раз меньше, общего сопротивления для молнии, то по закону Ома для участка цепи падение напряжения на участке цепи (громоотводе), прямо пропорционально сопротивлению. А значит мощность, которая выделяется в виде тепла на молниеотводе, будет в тысячу раз меньше общей мощности или количеству энергии, которое выделяется на молниеотводе. В нашем примере это количество энергии будет равно 55,556 Вт.ч., что очень незначительно. Зная теплоёмкость материала молниеотвода и его массу, можно определить, на сколько градусов повысится температура молниеотвода.

Для повышения мощности потребителя, необходимо повысить электрическое сопротивление потребителя. Оптимальным вариантом для источника и потребителя электрической энергии является согласований сопротивлений, когда эти сопротивления равны. Нужно иметь в виду, что при увеличении общего сопротивления токопроводящей цепи уменьшится величина тока, а разность потенциалов останется прежней. Это приведёт к уменьшению общей энергии молнии и снизит без того небольшую вероятность грозового разряда.

Физическое понятие молнии и грозы

Для развития грозы необходимо возникновение в атмосфере особых условий, приводящих к образованию характерной грозовой облачности. Атмосфера нашей планеты насыщена водяными парами, скапливающимися в ней в результате испарения воды с поверхности морей, озер, рек, земли, растущих на ней деревьев и т.п. Чем теплее поверхность, с которой испаряется вода, тем сильнее испарение и тем больше водяных паров попадает в атмосферу. Поднимаясь на большую высоту и охлаждаясь в более низкой температуре верхних слоев атмосферы, водяные пары превращаются в капельки воды или кристаллы льда, образующие облака. Облака растут приобретая форму кучевых облаков и постепенно удаляясь от земли попадают в более холодные слои атмосферы, где под воздействием холода капли воды укрупняются и выпадают из облаков на землю в виде дождя. Очень бурное каплеобразование превращает дождь в ливень.

Падая на землю, капли дождя соприкасаются с поднимающимся потоком воздуха, что приводит к появлению на них электрического заряда.

Кроме того, одной из важнейших причин образования электрического заряда в облаках является разбрызгивание больших капель на мелкие. Разрушаясь под воздействием ветра, большая часть капли сохраняет положительный заряд, а мелкие брызги заряжаются отрицательно. Чем сильнее ветер, тем быстрее облако заряжается. Часть его получает положительный заряд, другая часть — отрицательный.

Электрические заряды противоположных знаков стремятся соединиться друг с другом. При этом отдельные части облака, а также облако и земля начинают взаимодействовать друг с другом. Создается электрическое поле, под воздействием которого свободные электроны, находящиеся в воздухе, приобретают значительную скорость и устремляются к земле. Сталкиваясь на своем пути с атомами воздуха, электроны, в свою очередь, разбивают их на положительные ионы и электроны.

Освободившиеся электроны устремляются также по направлению к земле и, снова сталкиваясь с атомами воздуха, расщепляют их. Возникает электронная лавина. За ней следует другая, третья. Их движение создает электрический ток, который, нагревая воздух, увеличивает его проводимость. Через сотые доли секунды электронные лавины достигают земли и образуется канал для разряда молнии, по которому начинает интенсивно протекать электрический ток. Происходит соединение отрицательного электрического заряда, скопившегося в облаке, через канал молнии, с положительным электрическим зарядом земной поверхности.

Возникает электрический разряд огромной мощности — молния. Такая молния именуется линейной. Путь молнии не всегда прямолинейный, а чаще ветвистый. Это объясняется различными свойствами участков воздуха на пути молнии и она выбирает более легкий путь. Когда разряд приближается к земной поверхности, на его дальнейший путь начинает оказывать влияние заряд земли.

Чаще всего разряд устремляется к возвышенным местам земной поверхности или к высоким предметам, где заряды особенно велики (трубы, мачты, холмы, деревья, дома и т.д.). Предпочтительным объектом для разряда молнии всегда является тот, который хорошо проводит электричество. В этом случае даже более высокий объект (предмет) с плохой проводимостью может оказаться нетронутым. На избирательность разряда оказывает влияние также проводимость почвы. Наблюдаются случаи прямого разряда молнии в дно глубокого оврага, где почва влажная, хорошо проводящая электричество, или в растущие в долине деревья, хотя высокие песчаные откосы оврага или возвышения вокруг долины остаются непораженными. Всякий электрический разряд, как правило, сопровождается треском. Линейная молния, представляющая собой электрический разряд огромной мощности, сопровождается сильным раскатистым треском — громом. Таким образом, гром — это озвученная молния. При развитии молнии канал ее заполнен одноименно заряженными частицами, которые, отталкиваясь одна от другой, сильно расширяют стенки канала. В момент разряда молнии, под воздействием возникающей высокой температуры в несколько тысяч градусов, воздух в канале стремится расшириться еще больше. В результате этого внутри канала молнии создается давление в несколько тысяч атмосфер, мгновенно пропадающее после исчезновения молнии. Образуются взрывные волны, подобные обыкновенной звуковой волне, воспринимаемые нами как гром. Характер и сила грома зависят от расстояния до места разряда молнии. Молния и гром возникают одновременно, но мы слышим раскаты грома позднее, чем видим светящийся разряд. Это объясняется тем, что свет молнии распространяется в атмосфере почти мгновенно, а звук — лишь со скоростью 330 м/сек. Чем ближе разряд к нам, тем раньше мы услышим раскат грома. Непосредственный разряд молнии на дом или постройку считается прямым ударом молнии. Он производит сильные механические разрушения и пожары. В связи с тем, что в городах молниезащита зданий и сооружений производится довольно часто, а местами, в зависимости от защищаемых зданий и сооружений, их ценности, высоты, материала и т.п. — обязательно, разрушительное влияние молнии значительно снижено. В сельской местности — наоборот, разряды молнии приносят огромные убытки, особенно связанные с последующими пожарами. Нормативная база по молниезащите ориентирована на сохранение важных государственных объектов. О молниезащите десятков миллионов индивидуальных жилых домов говорится лишь вскользь, в то время как поражение молнией индивидуального дома для большинства сельского населения страны во все времена даже без человеческих жертв являлось огромной трагедией. Широкое развитие садовых товариществ с их скученностью и легкой воспламеняемостью помещений сезонного проживания подчас приводит к массовому выгоранию целых массивов, что также наносит непоправимый материальный ущерб не только садоводам, но и национальному достоянию страны. Прямыми ударами молнии люди и животные поражаются сравнительно редко.
Чаще всего люди и животные при грозовых разрядах подвергаются шаговому напряжению и напряжению прикосновения, возникающими в момент прямого разряда молнии. Если человек во время разряда молнии проходит вблизи дерева,
опоры линии электропередачи, молниеотвода или другого предмета, через который был прямой разряд молнии, то электрический ток молнии, растекаясь по земле, проходит и через ноги человека и замыкается снова на землю. Чем шире шаг человека, тем больше разность напряжений между точками соприкосновения каждой ноги с землей, тем больше ток, проходящий через тело человека (см. рис. 1). Напряжение, образуемое на поверхности почвы током, который растекается от места разряда молнии, называется шаговым. Оно определяется длиной шага человека или животного. Если ж ступни ног плотно сдвинуты, то шаговое напряжение и его воздействие на тело практически отсутствует, так как ток через тело человека не проходит.

Животные более чувствительны к воздействию электрического тока (особенно крупный рогатый скот, лошади, козы и др.), так как их шаг имеет большую длину, и поэтому они могут оказаться под большим шаговым напряжением, а следовательно и большим током. Опасность шагового напряжения становится незначительной на расстоянии 8 — 10 м от места разряда молнии.

Воздействию шагового напряжения подвергаются также люди и животные, находящиеся вблизи заземленного молниеотвода, в момент разряда молнии. Еще более опасно прикосновение человека к токоотводу при разряде молнии. В этом случае человек попадает под разность потенциалов, вызванных током молнии и сопротивлением токоотвода на участке от места прикосновения до земли. Разность потенциалов в этот момент может достигать десятков и даже сотен тысяч вольт.

Мощность, развиваемая в момент молнии, очень велика — она может достигать нескольких сотен миллионов киловатт. Однако из- за чрезвычайно малой длительности разряда работа, полученная при разряде молнии средней интенсивности, сравнительно невелика. Расчеты показывают, что если бы всю энергию, выделенную при разряде молнии, использовать на подогрев 1 т воды, то удалось бы повысить ее температуру лишь на 10 — 15°.

Кроме линейных, можно иногда наблюдать и другие виды молний. Наиболее часто из них встречается шаровая молния. Этот вид молнии изучен недостаточно и поэтому она представляет значительную опасность, несмотря на редкое проявление. Появляется она в месте разряда линейной молнии и имеет вид светящегося (огненного) шара, иногда вытянутого в форме капли, груши и т.п. диаметром 10 — 20 см (наблюдались шары от 1 до 100 см). Цвет может быть разный: красный, оранжевый, желтый и белый, свечение не очень яркое, однако четко различимое при дневном свете. Длительность шаровой молнии от доли секунды до нескольких минут. Затем она либо тихо исчезает, либо издает слабый треск, а иногда оглушительный звук, подобный взрыву. Шаровая молния способна перемещаться под действием ветра, сквозняка, обычно по извилистому пути. При этом слышен свистящий или шипящий звук, сопровождающий ее до исчезновения или разряда. Наблюдаются случаи, когда шаровая молния как бы катится вблизи поверхности земли, подпрыгивая на неровностях, иногда притягивается к проводам или проволочным ограждениям и катится вдоль них. Шаровая молния оседает на заземленных предметах либо двигается вдоль них, при этом эти предметы сильно разогреваются. В случае прикосновения или разряда на человека она причиняет сильные ожоги, следствием которых является смертельный исход. Шаровая молния может незаметно проникнуть в помещение через открытые окна, двери, печные дымоходы, небольшие щели. После нескольких причудливых необъяснимых перемещений она может незаметно уйти, не оставив после себя никакого следа. В результате разряда шаровой молнии в помещении чаще всего повреждается электропроводка, металлические предметы. Но часто она взрываясь приводит к пожару или производит серьезные разрушения. В месте взрыва наблюдаются обрывы проводов, отверстия, оплавление поверхностей и т.п.

В связи с тем, что до сих пор не удается объяснить проявления шаровой молнии, невозможно рекомендовать надежные способы защиты от нее. Защита, применяемая от линейных молний, не дает должного эффекта при шаровой молнии. Поэтому, чтобы как-то оградить себя от возможного поражения шаровой молнией, необходимо придерживаться некоторых простых рекомендаций. Трубы на крыше могут служить хорошим путем для проникновения шаровых молний в дом, поэтому они могут появляться из печей. Покружив по помещению, шаровая молния часто уходит по тому же пути обратно. В помещении во время грозы необходимо держать закрытыми окна, двери, форточки, задвижки дымоходов, а вентиляционные отверстия необходимо снабдить заземленными металлическими сетками с отверстиями 3 — 4 см и диаметром проволоки 2 — 2,5 мм. Это особенно важно соблюдать, если известно, что в данной местности наблюдались случаи возникновения шаровой молнии.

Учитывая, что движение шаровой молнии происходит по потоку воздуха, в случае встречи с ней необходимо «замереть» на месте, чтобы не привлечь ее к себе. Не исключено, что она может оставаться в покое в течение некоторого времени.

Считается, что шаровая молния очень редко встречающееся явление, однако автору известен случай, когда в один сезон на садовом участке наблюдалась шаровая молния дважды. Оба раза после разряда линейной молнии в кровлю садового домика по кровле покатился шарик и разрядился на рядом растущее дерево. В другом случае — на соседний участок с другой стороны. В такой ситуации необходимо четко следить за тем, чтобы молния не вошла в дом, а дом естественно должен иметь надежную молниезащиту. Кроме того, во время грозы не рекомендуется выходить из помещения.

От админа: Автор данной статьи В.Н. ХАРЕЧКО, «РЕКОМЕНДАЦИИ ПО МОЛНИЕЗАЩИТЕ ИНДИВИДУАЛЬНЫХ ЖИЛЫХ ДОМОВ, КОТТЕДЖЕЙ, ДАЧНЫХ (САДОВЫХ) ДОМОВ И ДРУГИХ ЧАСТНЫХ СООРУЖЕНИЙ». Изд. МОСКВА, ЭНЕРГОСЕРВИС, 2002. Картинки вставлены в текст админом сайта.

ГРОМкое дело: как молния выбирает жертву?

ГРОМкое дело: как молния выбирает жертву?

Баченина:

- Гром и молния! Мы сегодня будем говорить о громе, о молнии. Конечно, о молнии. В моем сознании молнии без грома не бывает. Я сейчас все выясню. И мы пригласили для этого в студию кандидата физико-математических наук, заместителя директора Московского института электроники и математики ВШЭ Александра Костинского.

Констинский:

- Здравствуйте! Спасибо, что пригласили.

Баченина:

- Я, когда готовилась, первый вопрос, который возник, неужели так важно изучать молнию? Вот вы недавно на конференцию в Японию аж летали! Заголовки: «Самая большая загадка науки» и так далее. Что в ней такого, что мы вокруг нее пляшем? Точнее, вы, ученые.

Констинский:

- У вас два вопроса. Про загадки. И первый, почему важно. Важность молний осознают все, потому что это просто защита твоей дачи, дома, самолета и жизни. Молния – это самое частое опасное явление в мире, как ни странно. Обычно про молнии рассказывают, когда есть какая-то уж очень страшная история. Но вот мы с вами разговариваем, а каждую секунду сто раз на земле происходят молнии. Приблизительно шесть раз на расстоянии километра бьет молния в среднем в наших широтах. А это означает, что все здания и сооружения потенциально, особенно высокие, подвержены опасности.

Опасность какая? Для человека и животных прямое попадание молнии – это смерть. Известны случаи, когда погибало до сотни животных от одной вспышки молний. Это в основном овцы, потому что они стадные животные. Они во время грозы сбиваются вокруг вожака. Животные, как и люди, хотят спрятаться под деревьями. И часто в поле одинокое дерево. И был случай, когда ударила молния, довольно мощный разряд. И погибло стол животных за один раз.

Баченина:

- Для меня молния – это точечно ювелирно бьющее во что-то одно. Тонко и звонко. А тут отара овец!

Констинский:

- Молния – это очень высоковольтный, то есть, напряжение молнии оценивается 50-100 мегавольт. Миллионов вольт. Токи молнии во время главного удара – это от 30 до 300 килоампер. И если еще земля имеет большое сопротивление, то ток не уходит сразу в землю, он растекается.

Баченина:

- В нашей обычной с вами розетке, друзья мои, 4 с половиной ампера. И сравните. И 220 вольт.

Констинский:

- Которые тоже могут убить. И совать туда пальцы не нужно.

Баченина:

- Всю жизнь меня бьет током.

Констинский:

- Слава богу, не молния.

Баченина:

- Меня било так!

Констинский:

- То же самое для людей. Ток растекается, потенциал большой. Если грунт имеет большое сопротивление, ток не может сразу уйти..

Баченина:

- Каменная почва?

Констинский:

- Специально для этого заземления глубоко делают. Это специальное дело. Нельзя сказать, что это очень сложно, но это сложно. И лучше, чтобы это делали ученые.

Баченина:

- На дачах лучше к специалистам, да?

Констинский:

- Конечно. Если вы неправильно сделаете заземление, то вы просто заведете молнию к себе домой.

Баченина:

- Я завела однажды. Поставила машинку стиральную без заземления. Старинная квартира. То ли денег у меня не было, не помню. И однажды я зашла, внимание, между ванной, самым корытом и машинкой. Как меня трясло, друзья! Я как вспомню! Вот вам без заземления.

Констинский:

- К этому надо относиться очень серьезно. Очень многие люди этого не понимают, потому что это событие, чтобы дом сгорел от молнии, это довольно редкое событие. И люди всегда полагаются на авось. Если вы дорожите своим домом, не ставьте над ним большую антенну, если у вас нет защиты. Потому что ровно эта антенна и будет место, куда поднимется разряд. Ведь как поражаются большие сооружения? Например, Останкинская башня. Грозовое облако подходит к высотному сооружению. И своим электрическим зарядом наводит очень большой потенциал, достаточный для того, чтобы с Останкинской башни родилась восходящая вверх маленькая молния, которая, попав в грозовое облако, порождает уже настоящую молнию.

Баченина:

- Подходит, значит, облако. Напитывает вот эту нашу иглу. Игла впитывает, потом уже некуда. И как стрельнет! А ей в ответ: на! И вот понеслось.

Констинский:

- Можно и так сказать. И понеслось! И так несется примерно 30 раз в году.

Баченина:

- А самолеты?

Констинский:

- Это более опасно. Если вы в здании находитесь, то вы защищены более или менее во время дождя. Этот ток, скорее всего, растечется. Может, и подожжет здание, но вы можете убежать. А если авария в самолете… Были такие крупные аварии в начале, когда молния поджигала бензобаки. И гибли все люди. Научились защищать это.

Вообще, если взять пассажирский самолет, который в среднем летает три тысячи часов в год, то в него один раз в год бьет молния. Не точно, что в него бьет, потому что самолет, как и высотная башня, порождает молнию сам. Средний самолет 40-50 метров в длину, а башня 500 метров. Почему так? Дело в том, что башня далеко от облака, а самолет прямо к облаку подлетает. И на него наводится такой же большой потенциал, который может порождать, как говорят ученые, тот самый «лидер», который порождает молнию.

Баченина:

- Почему машина защищена от молнии? Говорят, во время грозы сидите, не высовывайтесь. А самолет нет.

Констинский:

- Если вы внутри самолета, когда в него бьет молния, ничего не происходит. Потому что там нет разности потенциала. Он получает большой потенциал от молнии, разность потенциалов есть, вообще, но она небольшая. А внутри самолета почти нет. Так же, как и внутри автомобиля. Это своеобразная клетка Фарадея, которая защищает. Но приборы на самолете, стекла или, не дай бог, попадет в двигатель или в бензобак, вот они не защищены. И этот ток может породить аварию. Более того, каждый удар молнии, если он зафиксирован экипажем, самолет должен останавливаться внизу. Его должны осматривать, что не причинены какие-то, какой-то большой вред самолету.

Баченина:

- А где взять второй потенциал? Просто вы говорите, что машина с одним потенциалом, в розетке два. Это знает каждый, даже если не понимает о чем речь. Поэтому ток и бегает между двумя разницами. А у нас в самолете один, в машине один. А где взять второй?

Констинский:

- Нет. Когда у вас та же молния, мы же говорили, что она поражала животных, то когда у вас растекается ток, то у него есть сопротивление.

Баченина:

- Земля, например.

Констинский:

- Да. И разность потенциалов, если у вас большое сопротивление, она возникает из-за того, что именно она толкает ток. Поэтому если между вашими двумя ногами уже будет разность потенциалов. Потому что вы не металл. И эта разность будет… Почему говорят: шаговое напряжение? Почему в грозу, если вы попали в поле, ни в коем случае не надо прятаться под деревом?

Баченина:

- Если во время грозы вы находитесь в поле, ни машины, ни квартиры, ни дачи, то что надо сделать? Поле гладкое. Ты как Останкинская телебашня.

Констинский:

- Не совсем. Наведенный заряд зависит от высоты. Останкинская башня 500 метров, а мы всего не больше двух. Поэтому это не так страшно. А вот страшно прятаться под высокими деревьями, потому что если на поле есть дерево, то так же, как и на Останкинской башне, приближающийся разряд молнии заставит именно с высотного сооружения или с дерева в данном случае подняться восходящему «лидеру» - такому маленькому разряду, маленькой молнии. Есть очень высокая вероятность, что он перехватит молнию. И разряд ударит сюда. Поэтому вам лучше вымокнуть, свернуться калачиком и полежать, но вы останетесь живой. И боже упаси купаться в море в грозу.

Баченина:

- Был же ужас и кошмар. Подростка убило. Он не хотел выходить из воды. Ведь в д

Вопрос . Электрические характеристики молний и классификация молний. Опасные воздействия молнии на ОРУ

Молния представляет собой гигантский электрический искровой разряд между облаками и земной поверхностью, или между облаками, или между разными частями облака.

- Длина линейной молнии составляет несколько километров, но может достигать 20 км и более.

- Основной канал молнии имеет несколько ответвлений длиной 2-3 км.

- Диаметр канала молнии составляет от 10 до 45 см.

- Длительность существования молнии составляет десятые доли секунды. Средняя скорость движения молнии 150 км/с.

- Сила тока внутри канала молнии доходит до 200000 А.

- Температура плазмы в молнии превышает 10000°С.

- Напряженность электрического поля внутри грозового облака составляет от 100 до 300 вольт/см, но перед разрядом молнии в отдельных небольших объемах она может доходить до 1600 вольт/см.

- Средний заряд грозового облака составляет 30-50 кулонов.

- В каждом разряде молнии переносится от 1 до 10 кулонов электричества.

Важнейшей характеристикой является максимальное значение (амплитуда) тока молнии /_м, часто называемое просто током молнии. При максимальном значении тока молнии создаются наибольшие падения напряжения на активных сопротивлениях -волновых сопротивлениях проводов и сопротивлениях заземления. Амплитуды токов первых компонентов отрицательных молний, соответствующих 50 % вероятности в статистических функциях их распределения, составляют U) кА, а последующих компонентов - только 13 кА. При положительных разрядах токи молнии бывают больше, чем при отрицательных. Максимальные токи молнии составляют 200-300 кА, однако крайне редко могут быть и в 2-3 раза больше.

Крутизна фронта тока молнии di_M I dt определяет индуктивные падения напряжения в проводниках и индуктированные напряжения в магнитно-связанных цепях. В практических расчетах обычно пользуются средней крутизной а_м=I_м/tф. Это не вносит большой ошибки при способе определения продолжительности фронта, показанном на рис. 1.10. Для первых компонентов отрицательных молний 50%-ное значение максимальной крутизны фронта тока молнии в статистических функциях их распределения составляет 15 кА/мкс, а для последующих компонентов - 40 кА/мкс, максимальные значения до 1000 кА/мкс. Между амплитудой и крутизной фронта тока молнии имеется слабая положительная корреляционная связь: чем больше ток, тем больше крутизна. Однако данных пока недостаточно, поэтому принято считать I_Ми а_м независимыми случайными величинами.

Длительность импульса,е величина определяет длительность поражающего воздействия и разрядное напряжение изоляции оборудования в соответствии с ее волть- амперной характеристикой .Длительности импульсов тока для 50%-ой вероятности,состовляют:для первого импульса отрицательной молнии (54-80 мкс),для повторного импульса отрицательной молнии 30мкс,для импульса положительной молнии-230мкс.

Наряду с наиболее распространенной линейной молнией иногда встречаются ракетообразная, четочная и шаровая молнии.

Ракетообразная молния наблюдается очень редко. Она длится 1-1,5 сек и представляет собой медленно развивающийся между облаками разряд.

К весьма редким видам молнии следует отнести и четочную. Она имеет общую длительность 0,5 сек и представляется глазу на фоне облаков в виде светящихся четок диаметром около 7 см.

Шаровая молния в большинстве случаев представляет собой сферическое образование диаметром у земной поверхности 10-20 см, а на высоте облаков до 10 м.

На Земле ежесекундно наблюдается в среднем около 100 разрядов линейной молнии, средняя мощность, которая затрачивается в масштабе всей Земли на образование гроз равняется 1018 эрг/сек.

Интересно отметить, что энергия конденсации, выделяющаяся в грозовом облаке средних размеров с площадью основания около 30 км2 при дожде средней интенсивности, составляет около 1021 эрг. То есть, энергия, выделяющаяся при выпадении осадков из грозового облака, значительно превышает его электрическую энергию.

Классификация линейных молний

Из предшествующих параграфов следует, что линейные молнии между облаком и землей могут быть отрицательные (их большинство) или положительные в зависимости от знака заряда облака. Из самой структуры грозового облака следует, что в некоторых случаях они могут быть биполярными, например, в начальной части на землю проходит отрицательный ток (переносятся отрицательные заряды), а потом его полярность меняется на положительную.

В зависимости от направления развития лидера (от облака к земле или наоборот) молнии разделяются на нисходящие (направленные вниз) и на восходящие (направленные вверх). Последние наблюдаются при поражениях высоких объектов и в горах. Вероятность возникновения восходящих молний возрастает с увеличением высоты объекта. При поражениях конструкций высотой около 100 м только в 10 % случаев молнии бывают направленными вверх, в то время как при высоте конструкций более 400 м восходящие молнии составляют 95 %.

Наряду с завершенными разрядами, образующими канал облако-земля, могут быть и незавершенные разряды. В последнем случае лидерный канал прекращает свое развитие, не доходя до противоположного электрода - земли или облака. Причиной этому могут быть быстро меняющиеся условия в недостаточно зрелом грозовом облаке.

Молния: больше вопросов, чем ответов

В каждый момент времени в разных точках Земли сверкают молнии более 2000 гроз. В каждую секунду около 50 молний ударяются в поверхность земли, и в среднем каждый ее квадратный километр молния поражает шесть раз за год. Еще Б. Франклин показал, что молнии, бьющие по земле из грозовых облаков, - это электрические разряды, переносящие на нее отрицательный заряд величиной несколько десятков кулон, а амплитуда тока при ударе молнии составляет от 20 до 100 кА. Скоростная фотосъемка показала, что разряд молнии длится несколько десятых долей секунды и состоит из нескольких еще более коротких разрядов. Молнии издавна интересуют ученых, но и в наше время об их природе мы знаем лишь немного больше, чем 250 лет тому назад, хотя смогли их обнаружить даже на других планетах.

Наука и жизнь // Иллюстрации

Способность электризации трением различных материалов. Материал из трущейся пары, находящийся выше в таблице, заряжается положительно, а ниже — отрицательно.

Отрицательно заряженный низ облака поляризует поверхность Земли под собой так, что она заряжается положительно, и, кода появляются условия для электрического пробоя, возникает разряд молнии.

Распределение частоты гроз по поверхности суши и океанов. Самые темные места на карте соответствуют частотам не более 0,1 грозы в год на квадратный километр, а самые светлые — более 50.

Зонт с громоотводом. Модель продавалась в XIX веке и пользовалась спросом.

Выстрел жидкостью или лазером по грозовой туче, нависшей над стадионом, уводит разряд молнии в сторону.

Несколько разрядов молний, вызванных пуском ракеты в грозовую тучу. Левая вертикальная прямая — след ракеты.

Крупный «ветвистый» фульгурит весом 7,3 кг, найденный автором на окраине Москвы.

Полые цилиндрические фрагменты фульгурита, образованные из оплавленного песка.

Белый фульгурит из Техаса.

‹

›

Молния - вечный источник подзарядки электрического поля Земли. В начале XX века с помощью атмосферных зондов измерили электрическое поле Земли. Его напряженность у поверхности оказалась равной примерно 100 В/м, что соответствует суммарному заряду планеты около 400 000 Кл. Переносчиком зарядов в атмосфере Земли служат ионы, концентрация которых увеличивается с высотой и достигает максимума на высоте 50 км, где под действием космического излучения образовался электропроводящий слой - ионосфера. Поэтому электрическое поле Земли - это поле сферического конденсатора с приложенным напряжением около 400 кВ. Под действием этого напряжения из верхних слоев в нижние все время течет ток силой 2-4 кА, плотность которого составляет 1-2^.10^-12 А/м², и выделяется энергия до 1,5 ГВт. И это электрическое поле исчезло бы, если бы не было молний! Поэтому в хорошую погоду электрический конденсатор - Земля - разряжается, а при грозе заряжается.

Человек не чувствует электрического поля Земли, так как его тело - хороший проводник. Поэтому заряд Земли находится и на поверхности тела человека, локально искажая электрическое поле. Под грозовым облаком плотность наведенных на земле положительных зарядов может значительно возрастать, а напряженность электрического поля - превышать 100 кВ/м, в 1000 раз больше ее значения в хорошую погоду. В результате во столько же раз увеличивается положительный заряд каждого волоска на голове человека, стоящего под грозовой тучей, и они, отталкиваясь друг от друга, встают дыбом.

Электризация - удаление "заряженной" пыли. Чтобы понять, как облако разделяет электрические заряды, вспомним, что такое электризация. Легче всего зарядить тело, потерев его о другое. Электризация трением - самый старый способ получения электрических зарядов. Само слово "электрон" в переводе с греческого на русский означает янтарь, так как янтарь всегда заряжался отрицательно при трении о шерсть или шелк. Величина заряда и его знак зависят от материалов трущихся тел.

Считается, что тело, до того как его стали тереть о другое, электронейтрально. Действительно, если оставить заряженное тело в воздухе, то к нему начнут прилипать противоположно заряженные частицы пыли и ионы. Таким образом, на поверхности любого тела находится слой "заряженной" пыли, нейтрализующий заряд тела. Поэтому электризация трением - это процесс частичного снятия "заряженной" пыли с обоих тел. При этом результат будет зависеть от того, на сколько лучше или хуже снимается "заряженная" пыль с трущихся тел.

Облако - фабрика по производству электрических зарядов. Трудно представить, что в облаке находится пара материалов из перечисленных в таблице. Однако на телах может оказаться различная "заряженная" пыль, даже если они сделаны из одного того же материала, - достаточно, чтобы микроструктура поверхности отличалась. Например, при трении гладкого тела о шероховатое оба будут электризовываться.

Грозовое облако - это огромное количество пара, часть которого конденсировалось в виде мельчайших капелек или льдинок. Верх грозового облака может находиться на высоте 6-7 км, а низ нависать над землей на высоте 0,5-1 км. Выше 3-4 км облака состоят из льдинок разного размера, так как температура там всегда ниже нуля. Эти льдинки находятся в постоянном движении, вызванном восходящими потоками теплого воздуха от нагретой поверхности земли. Мелкие льдинки легче, чем крупные, увлекаются восходящими потоками воздуха. Поэтому "шустрые" мелкие льдинки, двигаясь в верхнюю часть облака, все время сталкиваются с крупными. При каждом таком столкновении происходит электризация, при которой крупные льдинки заряжаются отрицательно, а мелкие - положительно. Со временем положительно заряженные мелкие льдинки оказываются в верхней части облака, а отрицательно заряженные крупные - внизу. Другими словами, верхушка грозы заряжена положительно, а низ - отрицательно. Все готово для разряда молнии, при котором происходит пробой воздуха и отрицательный заряд с нижней части грозовой тучи перетекает на Землю.

Молния - привет из космоса и источник рентгеновского излучения. Однако само облако не в состоянии так наэлектризовать себя, чтобы вызвать разряд между своей нижней частью и землей. Напряженность электрического поля в грозовом облаке никогда не превышает 400 кВ/м, а электрический пробой в воздухе происходит при напряженности больше 2500 кВ/м. Поэтому для возникновения молнии необходимо что-то еще кроме электрического поля. В 1992 году российский ученый А. Гуревич из Физического института им. П. Н. Лебедева РАН (ФИАН) предположил, что своеобразным зажиганием для молнии могут быть космические лучи - частицы высоких энергий, обрушивающиеся на Землю из космоса с околосветовыми скоростями. Тысячи таких частиц каждую секунду бомбардируют каждый квадратный метр земной атмосферы.

Каждый, кто видел молнию, заметил, что это не ярко светящаяся прямая, соединяющая облако и землю, а ломаная линия. Поэтому процесс образования проводящего канала для разряда молнии называют ее "ступенчатым лидером". Каждая из таких "ступенек" - это место, где разогнавшиеся до околосветовых скоростей электроны остановились из-за столкновений с молекулами воздуха и изменили направление движения. Доказательство для такой интерпретации ступенчатого характера молнии - вспышки рентгеновского излучения, совпадающие с моментами, когда молния, как бы спотыкаясь, изменяет свою траекторию. Недавние исследования показали, что молния служит довольно мощным источником рентгеновского излучения, интенсивность которого может составлять до 250 000 электронвольт, что примерно в два раза превышает ту, которую используют при рентгене грудной клетки.

Как вызвать разряд молнии? Изучать то, что произойдет непонятно где и когда, очень сложно. А именно так в течение долгих лет работали ученые, исследующие природу молний. Считается, что грозой на небе руководит Илья-пророк и нам не дано знать его планы. Однако ученые очень давно пытались заменить Илью-пророка, создавая проводящий канал между грозовой тучей и землей. Б. Франклин для этого во время грозы запускал воздушный змей, оканчивающийся проволокой и связкой металлических ключей. Этим он вызывал слабые разряды, стекающие вниз по проволоке, и первым доказал, что молния - это отрицательный электрический разряд, стекающий с облаков на землю. Опыты Франклина были чрезвычайно опасными, и один из тех, кто их пытался повторить, - российский академик Г. В. Рихман - в 1753 году погиб от удара молнии.

В 1990-х годах исследователи научились вызывать молнии, не подвергая опасности свою жизнь. Один из способов вызвать молнию - запустить с земли небольшую ракету прямо в грозовую тучу. Вдоль всей траектории ракета ионизирует воздух и создает таким образом проводящий канал между тучей и землей. И если отрицательный заряд низа тучи достаточно велик, то вдоль созданного канала происходит разряд молнии, все параметры которого регистрируют приборы, расположенные рядом со стартовой площадкой ракеты. Чтобы создать еще лучшие условия для разряда молнии, к ракете присоединяют металлический провод, соединяющий ее с землей.

Молния: подарившая жизнь и двигатель эволюции. В 1953 году биохимики С. Миллер (Stanley Miller) и Г. Юри (Harold Urey) показали, что одни из "кирпичиков" жизни - аминокислоты могут быть получены путем пропускания электрического разряда через воду, в которой растворены газы "первобытной" атмосферы Земли (метан, аммиак и водород). Спустя 50 лет другие исследователи повторили эти опыты и получили те же результаты. Таким образом, научная теория зарождения жизни на Земле отводит удару молнии основополагающую роль.

Почему зимой грозы очень редки? Ф. И. Тютчев, написав "Люблю грозу в начале мая, когда весенний первый гром…", знал, что зимой гроз почти не бывает. Чтобы образовалось грозовое облако, необходимы восходящие потоки влажного воздуха. Концентрация насыщенных паров растет с повышением температуры и максимальна летом. Разница температур, от которой зависят восходящие потоки воздуха, тем больше, чем выше его температура у поверхности земли, так как на высоте нескольких километров его температура не зависит от времени года. Значит, интенсивность восходящих потоков максимальна тоже летом. Поэтому и грозы у нас чаще всего летом, а на севере, где и летом холодно, грозы довольно редки.

Почему грозы чаще над сушей, чем над морем? Чтобы облако разрядилось, в воздухе под ним должно быть достаточное число ионов. Воздух, состоящий только из молекул азота и кислорода, не содержит ионов, и его очень тяжело ионизировать даже в электрическом поле. А вот если в воздухе много инородных частиц, например пыли, то и ионов тоже много. Ионы образуются при движении частиц в воздухе аналогично тому, как электризуются при трении друг о друга различные материалы. Очевидно, что пыли в воздухе гораздо больше над сушей, чем над океанами. Поэтому-то грозы и гремят над сушей чаще. Замечено также, что прежде всего молнии бьют по тем местам, где в воздухе особенно велика концентрация аэрозолей - дымов и выбросов предприятий нефтеперерабатывающей промышленности.

Как Франклин отклонил молнию. К счастью, большинство разрядов молнии происходят между облаками и поэтому угрозы не представляют. Однако считается, что каждый год молнии убивают более тысячи людей по всему миру. По крайней мере, в США, где ведется такая статистика, каждый год от удара молнии страдают около 1000 человек и более ста из них погибают. Ученые давно пытались защитить людей от этой "кары божьей". Например, изобретатель первого электрического конденсатора (лейденской банки) Питер ван Мушенбрук (1692-1761) в статье об электричестве, написанной для знаменитой французской Энциклопедии, защищал традиционные способы предотвращения молнии - колокольный звон и стрельбу из пушек, которые, как он считал, оказываются довольно эффективными.

Весть о громоотводе Франклина быстро разнеслась по Европе, и его выбрали во все академии, включая и Российскую. Однако в некоторых странах набожное население встретило это изобретение с возмущением. Сама мысль, что человек так легко и просто может укротить главное оружие "божьего гнева", казалась кощунственной. Поэтому в разных местах люди из благочестивых соображений ломали громоотводы. Любопытный случай произошел в 1780 году в небольшом городке Сент-Омер на севере Франции, где горожане потребовали снести железную мачту громоотвода, и дело дошло до судебного разбирательства. Молодой адвокат, защищавший громоотвод от нападок мракобесов, построил защиту на том, что и разум человека, и его способность покорять силы природы имеют божественное происхождение. Все, что помогает спасти жизнь, во благо - доказывал молодой адвокат. Он выиграл процесс и снискал большую известность. Адвоката звали Максимилиан Робеспьер. Ну а сейчас портрет изобретателя громоотвода - самая желанная репродукция в мире, ведь она украшает известную всем стодолларовую купюру.

Как можно защититься от молнии с помощью водяной струи и лазера. Недавно был предложен принципиально новый способ борьбы с молниями. Громоотвод создадут из... струи жидкости, которой будут стрелять с земли непосредственно в грозовые облака. Громоотводная жидкость представляет собой солевой раствор, в который добавлены жидкие полимеры: соль предназначена для увеличения электропроводности, а полимер препятствует "распаду" струи на отдельные капельки. Диаметр струи составит около сантиметра, а максимальная высота - 300 метров. Когда жидкий громоотвод доработают, им оснастят спортивные и детские площадки, где фонтан включится автоматически, когда напряженность электрического поля станет достаточно высокой, а вероятность удара молнии - максимальной. По струе жидкости с грозового облака будет стекать заряд, делая молнию безопасной для окружающих. Аналогичную защиту от разряда молнии можно сделать и с помощью лазера, луч которого, ионизируя воздух, создаст канал для электрического разряда вдали от скопления людей.

Может ли молния сбить нас с пути? Да, если вы пользуетесь компасом. В известном романе Г. Мелвила "Моби Дик" описан именно такой случай, когда разряд молнии, создавший сильное магнитное поле, перемагнитил стрелку компаса. Однако капитан судна взял швейную иглу, ударил по ней, чтобы намагнитить, и поставил ее вместо испорченной стрелки компаса.

Может ли вас поразить молния внутри дома или самолета? К сожалению, да! Ток грозового разряда может войти в дом по телефонному проводу от рядом стоящего столба. Поэтому при грозе старайтесь не пользоваться обычным телефоном. Считается, что говорить по радиотелефону или по мобильному безопасней. Не следует во время грозы касаться труб центрального отопления и водопровода, которые соединяют дом с землей. Из этих же соображений специалисты советуют при грозе выключать все электрические приборы, в том числе компьютеры и телевизоры.

Что касается самолетов, то, вообще говоря, они стараются облетать районы с грозовой активностью. И все-таки в среднем раз в год в один из самолетов попадает молния. Ее ток поразить пассажиров не может, он стекает по внешней поверхности самолета, но способен вывести из строя радиосвязь, навигационное оборудование и электронику.

Фульгурит - окаменевшая молния. При разряде молнии выделяется 10⁹-10¹⁰ джоулей энергии. Большая ее часть тратится на создание ударной волны (гром), нагрев воздуха, световую вспышку и другие электромагнитные волны, и только маленькая часть выделяется в том месте, где молния входит в землю. Однако и этой "маленькой" части вполне достаточно, чтобы вызвать пожар, убить человека и разрушить здание. Молния может разогреть канал, по которому она движется, до 30 000°С, в пять раз выше температуры на поверхности Солнца. Температура внутри молнии гораздо больше температуры плавления песка (1600-2000°C), но расплавится песок или нет, зависит еще и от длительности молнии, которая может составлять от десятков микросекунд до десятых долей секунды. Амплитуда импульса тока молнии обычно равна нескольким десяткам килоампер, но иногда может превышать и 100 кА. Самые мощные молнии и вызывают рождение фульгуритов - полых цилиндров из оплавленного песка.

Слово "фульгурит" происходит от латинского fulgur, что означает молния. Самые длинные из раскопанных фульгуритов уходили под землю на глубину более пяти метров. Фульгуритами также называют оплавленности твердых горных пород, образованные ударом молнии; они иногда в большом количестве встречаются на скалистых вершинах гор. Фульгуриты, состоящие из переплавленного кремнезема, обыкновенно представляют собой конусообразные трубочки толщиной с карандаш или с палец. Их внутренняя поверхность гладкая и оплавленная, а наружная образована приставшими к оплавленной массе песчинками. Цвет фульгуритов зависит от примесей минералов в песчаной почве. Большинство из них имеют рыжевато-коричневый, серый или черный цвет, однако встречаются зеленоватые, белые или даже полупрозрачные фульгуриты.

По-видимому, первое описание фульгуритов и их связи с ударами молнии было сделано в 1706 году пастором Д. Германом (David Hermann). Впоследствии многие находили фульгуриты вблизи людей, пораженных разрядом молнии. Чарльз Дарвин во время кругосветного путешествия на корабле "Бигль", обнаружил на песчаном берегу вблизи Мальдонадо (Уругвай) несколько стеклянных трубочек, уходящих в песок вертикально вниз более чем на метр. Он описал их размеры и связал их образование с разрядами молний. Известный американский физик Роберт Вуд получил "автограф" молнии, которая чуть не убила его:

"Прошла сильная гроза, и небо над нами уже прояснилось. Я пошел через поле, которое отделяет наш дом от дома моей свояченицы. Я прошел ярдов десять по тропинке, как вдруг меня позвала моя дочь Маргарет. Я остановился секунд на десять и едва лишь двинулся дальше, как вдруг небо прорезала яркая голубая линия, с грохотом двенадцатидюймового орудия ударив в тропинку в двадцати шагах передо мной и подняв огромный столб пара. Я пошел дальше, чтобы посмотреть, какой след оставила молния. В том месте, где ударила молния, было пятно обожженного клевера дюймов в пять диаметром, с дырой посередине в полдюйма…. Я возвратился в лабораторию, расплавил восемь фунтов олова и залил в отверстие… То, что я выкопал, когда олово затвердело, было похоже на огромный, слегка изогнутый собачий арапник, тяжелый, как и полагается, в рукоятке и постепенно сходящийся к концу. Он был немного длиннее трех футов" (цитируется по В. Сибрук. Роберт Вуд. - М.: Наука, 1985, с. 285).

Появление стеклянной трубочки в песке при разряде молнии связано с тем, что между песчинками всегда находятся воздух и влага. Электрический ток молнии за доли секунд раскаляет воздух и водяные пары до огромных температур, вызывая взрывообразный рост давления воздуха между песчинками и его расширение, что слышал и видел Вуд, чудом не ставший жертвой молнии. Расширяющийся воздух образует цилиндрическую полость внутри расплавленного песка. Последующее быстрое охлаждение фиксирует фульгурит - стеклянную трубочку в песке.

Study предлагает новый метод измерения энергии удара молнии

Когда молния ударяет в песок, он может образовывать цилиндрическую стеклянную трубку, называемую фульгуритом. Этот фульгурит имеет диаметр примерно 1,2 сантиметра. Предоставлено: д-р Мэтью Пасек / Университет Южной Флориды.

Флорида, которую часто называют «молниеносной столицей Соединенных Штатов», - отличное место для изучения количества энергии, выделяемой при ударе молнии.Просто спросите доцента Школы наук о Земле Университета Южной Флориды Мэтью Пасека и его коллегу Марка Херста из Independent Geological Sciences, Inc., которые разработали уникальный метод измерения количества энергии, израсходованной разрядом молнии между облаками и землей.

По словам Пасека, одна из самых сложных вещей для измерения - это количество энергии при ударе молнии.Хотя физики атмосферы могут приблизительно определить энергию молнии, измеряя электрический ток и температуру болтов по мере их возникновения, числа обычно являются приблизительными.

Команда Пасека и Херста первая исследовала энергию ударов молнии, используя геологические исследования «постфактум», а не измеряя энергию во время удара. Проведя эту «археологию» удара молнии, исследователи смогли измерить энергию молнии, поразившей песок Флориды тысячи лет назад.

Результаты их анализа были недавно опубликованы в журнале Scientific Reports .

«Когда молния ударяет в песок, она может образовывать цилиндрическую стеклянную трубку, называемую фульгуритом, - объяснил Пасек». Структура фульгурита, созданная энергией и теплом при ударе молнии, может многое рассказать нам о природе удар, особенно о количестве энергии в одной молнии ».

Команда собрала более 250 фульгуритов - как недавних, так и древних - в песчаных шахтах в округе Полк, штат Флорида., на месте, которое, как считается, было зарегистрировано тысячи лет ударов молний, что дает возможность измерить историю ударов молний в том, что сегодня называется коридором I-4, в районе недалеко от Тампы и Орландо. Они проанализировали свойства фульгуритов, уделяя особое внимание длине и окружности стеклянных цилиндров, потому что количество выделяемой энергии определяется этими размерами.

"Все знают, что в молнии много энергии, но сколько?" Пасек объяснил.«Наша первая попытка определить распределение энергии молнии по фульгуритам, а также первый набор данных для измерения доставки энергии молнии и ее потенциального повреждения твердой поверхности земли».

Это фульгуриты, собранные на полях в округе Полк, Флорида. Поверхностные различия, вероятно, являются результатом различных начальных физических условий (например, процентное содержание воды в песке). Предоставлено: д-р Мэтью Пасек / Университет Южной Флориды.

Согласно Пасеку, энергия, выделяемая молнией, измеряется в мегаджоулях, также выражаемых в МДж / м.

«Например, один мегаджоуль эквивалентен примерно 200 пищевым калориям или энергии, которую нужно оставить включенной на 20 минут для приготовления пищи», - объясняет он. «Это также можно сравнить с потреблением энергии 60-ваттной лампочкой, если оставить ее включенной примерно на четыре часа. Это также то же самое, что и кинетическая энергия, которую имеет автомобиль, движущийся со скоростью около 60 миль в час». Их исследование показало, что энергия, производимая ударом молнии, достигает максимума более 20 МДж / м.

Исследователи также нашли способ отделить «нормальные» удары молнии от «аномальных».«

«В то время как мы представили новый метод измерения с использованием окаменелых горных пород, мы также обнаружили - впервые - что удары молний следуют так называемой« логнормальной тенденции », - пояснил Пасек. «Логнормальный тренд показывает, что самые мощные удары молнии случаются чаще, чем можно было бы ожидать, если бы вы сделали колоколообразную кривую ударов. Это означает, что большие удары молнии действительно большие».

По словам Пасека, молния может переносить чрезвычайно высокое напряжение и нагревать воздух вокруг места удара до более 30 000 градусов по Кельвину - это более 53 000 градусов по Фаренгейту.Когда молния попадает в песок, почву, камень или глину, ток проходит через цель и нагревает материал до уровня, превышающего его уровень испарения. При быстром охлаждении образуется фульгурит.

По словам Пасека, который также является экспертом в астробиологии, геохимии и космохимии, молния ударяет по Земле примерно 45 раз в секунду, причем от 75 до 90 процентов ударов приходится на сушу.

«Около четверти этих ударов происходит от облака до земли, поэтому потенциал образования фульгурита велик, с образованием до 10 фульгуритов в секунду во всем мире», - сказал Пасек.

Их исследования служат не только для того, чтобы обеспечить способ измерить огромную энергию молнии, но и для повышения осведомленности об опасностях, исходящих от потенциально смертоносных зарядов.

1 погиб, 2 ранены в результате удара молнии на юго-западе Флориды

Предоставлено Университет Южной Флориды

Цитата : Исследование предлагает новый метод измерения энергии удара молнии (2016, 3 августа) получено 16 ноября 2020 с https: // физ.org / news / 2016-08-method-energy-lightning.html

Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, никакие часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в информационных целях.

Новый метод измерения энергии удара молнии - ScienceDaily

Флорида, которую часто называют «столицей молнии» Соединенных Штатов, является прекрасным местом для изучения количества энергии, выделяемой при ударе молнии. Просто спросите доцента Школы наук о Земле Университета Южной Флориды Мэтью Пасека и его коллегу Марка Херста из Independent Geological Sciences, Inc., которые разработали уникальный метод измерения количества энергии, израсходованной разрядом молнии между облаками и землей.

По словам Пасека, одной из самых сложных вещей для измерения является количество энергии удара молнии. Хотя физики атмосферы могут приблизительно определить энергию молнии, измеряя электрический ток и температуру болтов по мере их возникновения, числа обычно являются приблизительными.

Результаты их анализа были недавно опубликованы в журнале Scientific Reports .

«Когда молния ударяет в песок, она может образовывать цилиндрическую стеклянную трубку, называемую фульгуритом», - пояснил Пасек. «Структура фульгурита, созданная энергией и теплом при ударе молнии, может многое рассказать нам о природе удара, особенно о количестве энергии в одном разряде молнии».

Согласно Пасеку, энергия, выделяемая молнией, измеряется в мегаджоулях, также выражаемых в МДж / м.

«Например, один мегаджоуль эквивалентен примерно 200 калориям пищи или энергии, которую нужно оставить включенной на 20 минут для приготовления пищи», - объясняет он.«Это также можно сравнить с потреблением энергии 60-ваттной лампочкой, если оставить ее включенной примерно на четыре часа. Это также то же самое, что и кинетическая энергия, которую имеет автомобиль, движущийся со скоростью около 60 миль в час». Их исследование показало, что энергия, производимая ударом молнии, достигает максимума более 20 МДж / м.

Исследователи также нашли способ отделить «нормальные» удары молнии от «аномальных».

«В то время как мы представили новый метод измерения с использованием окаменелых горных пород, мы также обнаружили - впервые - что удары молнии следуют так называемой« логнормальной тенденции », - пояснил Пасек.«Логнормальный тренд показывает, что самые мощные удары молнии случаются чаще, чем можно было бы ожидать, если бы вы сделали колоколообразную кривую ударов. Это означает, что большие удары молнии действительно большие».

По словам Пасека, молния может переносить чрезвычайно высокое напряжение и нагревать воздух вокруг места удара до более 30 000 градусов по Кельвину - это более 53 000 градусов по Фаренгейту. Когда молния попадает в песок, почву, камень или глину, ток проходит через цель и нагревает материал до уровня, превышающего его уровень испарения.При быстром охлаждении образуется фульгурит.

«Около четверти этих ударов происходит от облака к земле, поэтому потенциал образования фульгурита велик: до 10 фульгуритов образуется в секунду во всем мире», - сказал Пасек.

NWS JetStream - Как создается Lightning

Условия, необходимые для возникновения молнии, были известны давно. Однако вопрос о том, как именно формируются молнии, никогда не проверялся, поэтому есть место для споров.

Ведущие теории сосредоточены на разделении электрического заряда и генерации электрического поля во время грозы. Недавние исследования также показывают, что лед, град и полузамороженные капли воды, известные как крупа, необходимы для развития молний. Штормы, которые не образуют большого количества льда, обычно не вызывают молний.

Прогнозировать, когда и где ударит молния, пока невозможно и, скорее всего, никогда не будет. Но, узнав о молниях и изучив некоторые основные правила безопасности, вы, ваша семья и ваши друзья сможете избежать ненужного воздействия опасностей одной из самых капризных и непредсказуемых сил природы.

Разделение зарядов во время грозы

Разделение зарядов

Грозы имеют очень неспокойную среду. Сильные восходящие и нисходящие потоки происходят регулярно и в непосредственной близости друг от друга.Восходящие потоки переносят маленькие жидкие капли воды из нижних областей шторма на высоту от 35 000 до 70 000 футов, что на несколько миль выше уровня замерзания.

Тем временем нисходящие потоки переносят град и лед из замерзших верхних областей шторма. Когда они сталкиваются, капли воды замерзают и выделяют тепло. Это тепло, в свою очередь, сохраняет поверхность града и льда немного теплее, чем их окружающая среда, и образуется «мягкий град» или «крупа».

Когда эта крупа сталкивается с дополнительными каплями воды и частицами льда, возникает критическое явление : электроны отрываются от восходящих частиц и собираются на нисходящих частицах.Поскольку электроны несут отрицательный заряд, в результате получается грозовое облако с отрицательно заряженной базой и положительно заряженной вершиной.

Полевое поколение

Электрическое поле во время грозы

В мире электричества противоположности притягиваются, а изоляторы препятствуют. Когда положительные и отрицательные заряды начинают разделяться внутри облака, между его вершиной и основанием возникает электрическое поле. Дальнейшее разделение этих зарядов на пулы положительных и отрицательных областей приводит к усилению электрического поля.

Однако атмосфера является очень хорошим изолятором, препятствующим прохождению электрического тока, поэтому необходимо накопить ОГРОМНОЕ количество заряда, прежде чем может произойти молния. Когда этот порог заряда достигнут, сила электрического поля превосходит изоляционные свойства атмосферы, и возникает молния.

Развивающееся электрическое поле во время шторма не единственное. Под отрицательно заряженной базой шторма положительный заряд начинает скапливаться на поверхности земли (см. Изображение справа).

Этот положительный заряд затеняет бурю, куда бы она ни шла, и отвечает за молнию между облаками и землей. Однако электрическое поле внутри бури намного сильнее, чем между основанием бури и земной поверхностью, поэтому большинство молний (~ 75-80%) происходит внутри самого грозового облака.

Как возникают молнии между облаком и землей

Развивается канал молний. Отрицательно заряженная область в шторме посылает заряд. Гроза собирает еще один пул положительно заряженных частиц.

Движущаяся гроза собирает еще одну лужу положительно заряженных частиц по земле, которые движутся вместе со штормом (изображение 1 ниже).

Поскольку разница в зарядах продолжает увеличиваться, положительно заряженные частицы поднимают более высокие объекты, такие как деревья, дома и телефонные столбы.

Канал отрицательного заряда, называемый «ступенчатым лидером», будет спускаться от дна бури к земле (изображение 2 ниже).

Он невидим для человеческого глаза и стреляет в землю серией быстрых шагов, каждый из которых занимает меньше времени, чем требуется, чтобы моргнуть глазом.Когда отрицательный лидер приближается к земле, положительный заряд собирается в земле и в объектах на земле.

Этот положительный заряд «достигает» приближающегося отрицательного заряда своим собственным каналом, называемым «стримером» (изображение 3 ниже).

Когда эти каналы соединяются, возникает электрическая передача, которую мы видим как молнию. После первого удара молнии, если осталось достаточно заряда, дополнительные удары молнии будут использовать тот же канал и придадут разряду мерцающий вид.

Гроза собирает еще один пул положительно заряженных частиц.

Отрицательно заряженная область во время шторма отправит заряд.

Развивается канал молнии.

Достигните максимума! Молниеносный процесс: шаг

Высокие объекты, такие как деревья и небоскребы, обычно поражаются молнией. Горы также являются хорошими целями. Причина в том, что их вершины находятся ближе к основанию грозовой тучи.

Помните, атмосфера - хороший электрический изолятор. Чем на меньшем расстоянии должна прожечь молния, тем легче ей ударить.

Однако это не всегда означает, что высокие предметы будут поражены. Все зависит от того, где накапливаются заряды. Молния может ударить по земле в открытом поле, даже если линия деревьев находится поблизости.

Можем ли мы собрать энергию молнии?

Одна молния содержит 5 миллиардов джоулей энергии, которых достаточно для питания семьи в течение месяца. Энергия грозы равна энергии атомной бомбы. Если мы уже генерируем энергию из неожиданных источников, таких как океанические течения, в нашем стремлении отучить себя от загрязняющих и ограниченных ископаемых видов топлива, почему бы не использовать электричество из воздуха, особенно когда все могут видеть, как оно освещает ночное небо?

Если вы задумались над этим вопросом, вы не первый.В 2007 году компания под названием Alternative Energy Holdings попыталась воплотить это в жизнь, разработав конструкцию, в которой использовались башня, заземляющие провода и конденсатор. Но генеральный директор Дональд Гиллиспи сказал New York Times:

Честно говоря, мы просто не могли заставить его работать ... Имея достаточно времени и денег, вы, вероятно, могли бы масштабировать эту вещь. Это не черная магия; это действительно математика и естествознание, и это могло случиться.

Логистические проблемы, связанные с его работой, значительны.Прежде всего, есть основной факт, что грозы бывают спорадическими, а удары молнии случайны; учитывая, что потребности в энергии стабильны, предпочтительны надежные источники энергии.

Во-вторых, не так-то просто уловить энергию, доставленную одним мощным взрывом за доли секунды. Его необходимо хранить и преобразовывать в переменный ток, не взрывая систему сбора одним сильным ударом.

В-третьих, энергия, содержащаяся в разряде молнии, рассеивается при движении вниз на Землю, так что башня может улавливать лишь небольшую часть потенциала разряда.В конце концов, не допуская разработки технологии, которая могла бы улавливать энергию молнии до того, как она ударит, вероятно, лучше сосредоточиться на других, более земных источниках энергии.

Как выжить при ударе молнии | Статистика молний

Есть клуб, открытый для людей со всего мира, но вы не захотите вступать в него: клуб предназначен исключительно для людей, переживших удар молнии.

От ударов молний ежегодно умирает около 24 000 человек во всем мире, и около 240 000 человек получают ранения от молнии и выживают.

Но даже спустя десятилетия после удара молнии выжившие могут продолжать испытывать разрушительные долгосрочные последствия.Поскольку зона удара молнии может переносить тысячи вольт электричества на квадратный фут, у выживших часто возникают серьезные повреждения нервов, которые часто сообщают о когнитивных проблемах, таких как потеря памяти, неспособность сосредоточиться и изменения личности. [Электрическая Земля: Потрясающие изображения молний]

«Многое из вашей рутины - куда вы положили ключи, как вы это записали, многозадачность - в ней отсутствуют части», - доктор Мэри Энн Купер, директор из программы исследования повреждений от молний в Университете Иллинойса в Чикаго, сказал NBC News в интервью 2009 года.

«Их друзья больше не приходят. [Они] не понимают шуток; они социально неприемлемы. Все эти фильтры вроде как исчезли», - сказал Купер.

Расс Чепмен шел по парковке в 1999 году в Литтлтоне, штат Колорадо, когда поблизости ударила молния, сбив его с дороги. С тех пор Чепмена уволили с работы, потому что он забыл пойти на работу, он часто не ест и страдает от проблем со здоровьем, включая сильные головные боли, проблемы со сном и эпилепсию.

«Я точно знаю, что люди думают, что я действительно странный», - сказал Чепмен NBC News.

Выжившие после удара молнии часто обращаются в Международную организацию выживших после удара молнии и электрошока - группу, которая предоставляет информацию и поддержку жертвам и их семьям.

Как выжить при ударе молнии

Лучший способ выжить, конечно же, - это избежать удара молнии. Федеральное агентство по чрезвычайным ситуациям (FEMA) рекомендует людям следовать правилу 30/30: если, увидев молнию, вы не можете сосчитать до 30, прежде чем услышите гром, немедленно войдите в здание (потому что гроза уже близко).И не выходите на улицу раньше, чем через 30 минут после последнего удара грома.

Навесы, землянки, автобусные остановки и другие сооружения не обеспечивают реальной защиты и могут фактически стать целями для удара молнии. Вместо этого найдите солидное здание с проводкой и водопроводом, которые будут отводить электрический заряд от людей.

По данным FEMA, безопаснее находиться в автомобиле, чем на улице, при условии, что это автомобиль с жесткой крышей и закатанными окнами, а не кабриолет. Металлический каркас автомобиля обеспечивает некоторую защиту (если пассажиры не касаются металлических деталей).

Помните, что резиновые шины и обувь на резиновой подошве практически не защищают от молнии. Фактически, многие жертвы ударов молнии - это фермеры, работающие в открытых полях на тракторах с резиновыми шинами.

Если вас застали на открытом воздухе в лесу во время грозы, ищите укрытие в низине под густыми зарослями небольших деревьев. Избегайте высоких деревьев, так как молния обычно поражает самый высокий объект в области.

Если вы находитесь на открытой местности, идите в низину, например, в долину или овраг (но будьте осторожны во время внезапных наводнений).Если вы находитесь в лодке в открытой воде, как можно быстрее высадитесь на берег.

А если вы чувствуете, что волосы встают дыбом, значит, вот-вот ударит молния. В крайнем случае немедленно сядьте на корточки на подушечках стоп, закройте уши руками (чтобы минимизировать потерю слуха) и поместите голову между коленями.

Не лежите на земле - лучше всего свести к минимуму контакт с землей, так как электрический заряд будет проходить по земле.

Если в человека ударила молния, немедленно окажите помощь - пострадавшие не несут электрический заряд и не могут нанести удар током или причинить вред кому-либо.

Молния по номерам

По данным Национальной метеорологической службы, типичная молния содержит около 300 миллионов вольт электричества, или достаточно мощности, чтобы зажечь 100-ваттную компактную люминесцентную лампу в течение года.

По данным Национального управления по исследованию океанов и атмосферы (NOAA), в Соединенных Штатах от ударов молний ежегодно умирает около 100 человек и около 1000 получают ранения.

По оценкам FEMA, ваши шансы на поражение молнией сейчас составляют примерно 1 из 600 000.За последние 100 лет количество поражений людей значительно снизилось, так как теперь все меньше людей работают на открытом воздухе на фермах или ранчо.

Во Флориде значительно больше ударов молнии, смертей и травм, чем в любом другом штате; NOAA регистрировало в среднем 1,4 миллиона вспышек молний в год во Флориде.

Регион Новой Англии обычно получает относительно мало ударов молний, а Калифорния, несмотря на свои размеры, получает всего 85 000 ударов молний в среднем за год, в основном из-за мягкой прибрежной погоды.

И ни в одном другом регионе мира не бывает больше молний, чем в Центральной Африке: в один небольшой африканский городок - крошечную деревню Кифука в Демократической Республике Конго - молния падает примерно 158 раз в год.

Следуйте за Марком Лалланилла на Twitter и Google+ . Следуйте за нами @livescience , Facebook и Google+ . Оригинальная статья на LiveScience.com.

Самолеты с электрической зарядкой снизят риск поражения молнией. - ScienceDaily

По оценкам авиационных экспертов, каждый коммерческий самолет в мире поражается молнией не реже одного раза в год. Около 90 процентов этих ударов, вероятно, вызваны самим самолетом: в условиях грозы электропроводящая поверхность самолета может действовать как громоотвод, вызывая удар, который потенциально может повредить внешние конструкции самолета и поставить под угрозу его бортовую электронику.

Чтобы избежать ударов молнии, полеты обычно перенаправляются в штормовые районы неба. Теперь инженеры Массачусетского технологического института предлагают новый способ снизить риск удара молнии в самолете с помощью бортовой системы, которая могла бы защитить самолет, электрически заряжая его. Это предложение может показаться нелогичным, но команда обнаружила, что если бы самолет был заряжен до нужного уровня, вероятность его удара молнией значительно снизилась бы.

Идея проистекает из того факта, что, когда самолет пролетает через окружающее электрическое поле, его внешнее электрическое состояние, обычно сбалансированное, изменяется.Поскольку внешнее электрическое поле поляризует самолет, один конец самолета становится более положительно заряженным, а другой конец поворачивается в сторону более отрицательного заряда. По мере того, как самолет становится все более поляризованным, он может вызвать поток плазмы с высокой проводимостью, называемый положительным лидером - предшествующую стадию удара молнии.

В таком опасном сценарии исследователи предлагают временно зарядить самолет до отрицательного уровня, чтобы ослабить более заряженный положительный конец, тем самым не давая этому концу достичь критического уровня и инициируя удар молнии.

С помощью моделирования исследователи показали, что такой метод работает, по крайней мере, концептуально. Они сообщают о своих результатах в журнале Американского института аэронавтики и астронавтики .

Команда, в которую входят заслуженный профессор Мануэль Мартинес-Санчес и доцент Кармен Герра-Гарсия, планирует оснастить самолет автоматизированной системой управления, состоящей из датчиков и исполнительных механизмов, снабженных небольшими источниками питания. Датчики будут отслеживать окружающее электрическое поле на предмет признаков возможного формирования лидера, в ответ на это исполнительные механизмы будут излучать ток для зарядки самолета в соответствующем направлении.Исследователи говорят, что такая зарядка потребует более низкого уровня мощности, чем для стандартной лампочки.

«Мы пытаемся сделать самолет как можно более невидимым для молний», - говорит соавтор Хайме Перайр, глава факультета аэронавтики и астронавтики Массачусетского технологического института и профессор аэронавтики и астронавтики Х. Н. Слейтера. «Помимо этого технологического решения, мы работаем над моделированием физики, лежащей в основе этого процесса. Это область, в которой было мало понимания, и это действительно попытка создать некоторое понимание ударов молнии, вызванных самолетами, с нуля.«

Другой соавтор статьи - Нгок Куонг Нгуен, научный сотрудник отдела аэронавтики и космонавтики.

Молнии процветающие

Для ясности, молния сама по себе очень мало опасна для пассажиров в самолете, поскольку кабина самолета хорошо изолирована от любой внешней электрической активности. В большинстве случаев пассажиры могут увидеть только яркую вспышку или услышать громкий хлопок. Тем не менее, самолет, пораженный молнией, часто требует дополнительных проверок и проверок безопасности, которые могут задержать его следующий полет.Если самолет получит физическое повреждение, он может быть выведен из эксплуатации - чего авиакомпании предпочли бы избежать.

Более того, новые самолеты, изготовленные частично из неметаллических композитных структур, таких как углеродное волокно, могут быть более уязвимы для повреждений, связанных с молнией, по сравнению с их более старыми цельнометаллическими аналогами. Это связано с тем, что заряд может накапливаться на плохо проводящих панелях и создавать потенциальные различия от панели к панели, что может вызвать искрение в определенных областях панели.Стандартной защитной мерой является закрытие внешней части самолета легкой металлической сеткой.

«Современные самолеты примерно на 50 процентов состоят из композитных материалов, что очень сильно меняет картину», - говорит Герра-Гарсия. «Повреждения, связанные с молнией, очень разные, и ремонт композитных самолетов намного дороже, чем металлических. Вот почему сейчас процветают исследования ударов молний».

Вслед за лидером

Герра-Гарсия и ее коллеги изучали, снизит ли электрическая зарядка самолет риск удара молнии - идея, которая изначально была предложена им сотрудниками Boeing, спонсора исследования.

«Они очень хотят снизить количество таких вещей, отчасти из-за больших затрат, связанных с защитой от молний», - говорит Мартинес-Санчес.

Чтобы проверить, верна ли идея зарядки, команда MIT сначала разработала простую модель удара молнии, вызванного самолетом. Когда самолет пролетает через грозу или другую электрически заряженную среду, внешняя часть плоскости начинает поляризоваться, образуя «лидеры» или каналы высокопроводящей плазмы, текущие с противоположных концов плоскости и в конечном итоге в сторону противоположно заряженных областей атмосфера.

«Представьте себе два канала плазмы, распространяющиеся очень быстро, и когда они достигают облака и земли, они образуют цепь, и через нее течет ток», - говорит Герра-Гарсия.

«Эти лидеры обладают актуальными данными, но не очень», - добавляет Мартинес-Санчес. «Но в худшем случае, как только они установят цепь, вы можете получить 100 000 ампер, и тогда произойдет повреждение».

Исследователи разработали математическую модель для описания условий электрического поля, в которых будут развиваться лидеры, и того, как они будут развиваться, чтобы вызвать удар молнии.Они применили эту модель к типичной геометрии самолета и попытались выяснить, может ли изменение потенциала самолета (его отрицательная зарядка) предотвратить формирование лидеров и вызвать удар молнии.

Их результаты показывают, что при усреднении по направлениям и интенсивности поля заряженный сценарий требовал на 50% более высокого окружающего электрического поля для инициирования лидера по сравнению с незаряженным сценарием. Другими словами, если зарядить самолет до оптимального уровня, риск удара молнии значительно снизится.

«В числовом выражении можно увидеть, что если бы вы могли реализовать эту стратегию зарядки, вы бы значительно сократили количество ударов молнии», - говорит Мартинес-Санчес. «Есть большое если: сможешь ли ты его реализовать? И вот над чем мы сейчас работаем».

Аспирант Теодор Муратидис проводит предварительные эксперименты в аэродинамической трубе братьев Райт Массачусетского технологического института, проверяя возможность зарядки на простой металлической сфере. Исследователи также надеются проводить эксперименты в более реалистичных условиях, например, управляя дронами во время грозы.

Мартинес-Санчес говорит, что для того, чтобы сделать систему зарядки практичной, исследователям придется поработать над сокращением времени ее отклика. Основываясь на своем моделировании, он и его коллеги обнаружили, что такая система может заряжать и защищать самолет за доли секунды, но этого будет недостаточно для защиты от некоторых форм срабатывающих молний.

«Сценарий, о котором мы можем позаботиться, - это полет в область, где есть грозовые облака, и грозовые облака создают усиление электрического поля в атмосфере», - говорит Мартинес-Санчес.«Это можно ощутить и измерить на борту, и мы можем заявить, что для таких относительно медленно развивающихся событий вы можете зарядить самолет и адаптироваться в реальном времени. Это вполне возможно».

Скорость выделения энергии при ударе молнии

Молния: больше вопросов, чем ответов

Молния — вечный источник подзарядки электрического поля Земли

Электризация — удаление «заряженной» пыли

Облако — фабрика по производству электрических зарядов

Молния — привет из космоса и источник рентгеновского излучения

Как вызвать разряд молнии?

Молния: подарившая жизнь и двигатель эволюции

Почему зимой грозы очень редки?

Почему грозы чаще над сушей, чем над морем?

Как Франклин отклонил молнию

Как можно защититься от молнии с помощью водяной струи и лазера

Может ли молния сбить нас с пути?

Может ли вас поразить молния внутри дома или самолета?

Фульгурит — окаменевшая молния

Расчёт энергии молнии

Физическое понятие молнии и грозы

ГРОМкое дело: как молния выбирает жертву?

Вопрос . Электрические характеристики молний и классификация молний. Опасные воздействия молнии на ОРУ

Молния: больше вопросов, чем ответов

Study предлагает новый метод измерения энергии удара молнии

Новый метод измерения энергии удара молнии - ScienceDaily

NWS JetStream - Как создается Lightning

Разделение зарядов

Полевое поколение

Как возникают молнии между облаком и землей

Можем ли мы собрать энергию молнии?

Как выжить при ударе молнии | Статистика молний

Самолеты с электрической зарядкой снизят риск поражения молнией. - ScienceDaily

Смотрите также