Интересное о молниях. Природа молний (Ч-III).

molniya

Молния

Наука не стоит на месте, и благодаря нелегкому труду исследователей удалось со временем доказать, что в явлении грозы и молнии нет ничего сверхъестественного. Изучением природы молний занимались многие ученые - Бенджамин Франклин, Томас Франсуа Далибар, Камиль Фламмарион, Михаил Васильевич Ломоносов, Георг Вильгельм Рихман.

В 1753 г., исследуя атмосферное электричество, Рихман и сам умер от удара молнии. Природа молнии давно интересовала ученых, но, несмотря на длительный срок  изучения, о ней мы знаем далеко не все.

Продвинуться в изучении молний удалось после изобретения электростатической машины, которая представляет собой простейший конденсатор. Грозовая молния ведет себя аналогично искре, создаваемой этим прибором.

В свое время Бенджамин Франклин установил, что молнии, которые бьют из грозовых туч по земле, это не что иное, как электронные разряды, которые переносят отрицательный заряд. Величина такого заряда составляет несколько десятков Кл (кулон), а амплитуда силы тока при ударе молнии колеблется от 20 до 100 кА (килоампер). Для проведения своих опытов во время грозы Франклин запускал воздушного змея, хвост которого состоял из проволоки и заканчивался связкой железных ключей. Проволока служила проводником для слабеньких разрядов, стекающих вниз. Это помогло исследователю обосновать, что молния - это отрицательный электронный разряд. Естественно такие опыты были очень опасными, и к большому сожалению для русского академика Г. В. Рихмана, который пробовал их повторить, закончились трагически.

В 1990-х годах ученые научились исследовать природу молний, не подвергая свою жизнь угрозе. Один из безопасных методов заключался в том, чтобы вызвать молнию, запустив с земли небольшую ракету в грозовую тучу. Двигаясь по определенной траектории, ракета ионизирует воздух, создавая проводящий канал между тучей и землей. И если в нижней части грозового облака отрицательный заряд довольно велик, то вдоль искусственно созданного канала происходит разряд в виде молнии. Чтобы улучшить условия для разряда молнии, к ракете может быть присоединен железный провод. Все характеристики разряда регистрируются приборами, расположенными рядом со стартовой площадкой ракеты.

Современная высокоскоростная фотосъемка позволяет фиксировать то, что незаметно для человеческого глаза. Благодаря этому удалось установить, что разряд молнии имеет продолжительность несколько десятых секунды и состоит из маленьких разрядов.

Известно, что молния является нескончаемым источником для подзарядки электронного поля Земли. Сначала XX века при помощи атмосферных зондов ученые измерили электронное поле Земли. В ходе исследований выяснилось - напряженность у поверхности  равна приблизительно 100 - 130 В/м (вольт на метр), разность потенциалов (разность уровней электрических зарядов) между поверхностью земли и верхним слоем атмосферы равна почти 400 000 В.

Именно ионы являются переносчиками зарядов в атмосфере Земли. С высотой их концентрация возрастает и достигает максимума на высоте 50 км. Здесь под действием галактического излучения образуется электропроводящий слой – ионосфера. Можно сказать, что электронное поле Земли представляет собой огромный сферический конденсатор –  устройство для накопления энергии с напряжением около 400 кВ (киловольт). Под действием напряжения из верхних слоев атмосферы в нижние всегда течет ток силой 2 – 4 кА (килоампер). При этом выделяется энергия мощностью до 1,5 ГВт (гигаватт). И это электронное поле Земли постоянно поддерживается молниями. В хорошую погоду земной электронный конденсатор –  разряжается, а во время грозы происходит его зарядка.

Тело человека является проводником, поэтому мы не ощущаем электронное поле Земли. Заряд Земли находится и на коже человека.

Под грозовым облаком плотность положительных зарядов Земли существенно возрастает, а напряженность электронного поля - может превосходить 100 кВ/м, что в тысячу раз больше ее значения при хорошей погоде. Во столько же раз возрастает положительный заряд волос на голове человека, находящегося под грозовой тучей. Именно поэтому возникает ощущение, что волосы на голове шевелятся.

Чтобы лучше понять, как при скоплении происходит деление электронных зарядов, вспомним, что собой представляет электризация.

В переводе с греческого слово "электрон" - означает янтарь. С физики нам известно, что электроном называют негативно заряженную элементарную частицу. Дело в том, что янтарь при трении о шерсть либо шелк всегда заряжается негативно.

Считается, что тело, до того как его стали тереть, электронейтрально. По сути электризация - это нарушение электрической нейтральности тела. Чтобы зарядить тело, достаточно потереть его о другое. Электризация трением - это самый простой метод получения электронных зарядов. Величина заряда и его знак зависят от микроструктуры материалов в составе трущихся тел. Заряженное тело в воздухе притягивает к себе противоположно ионы и заряженные частички пыли. Поэтому, на поверхности любого тела находится слой так называемой "заряженной" пыли, нейтрализующий его заряд, и можно считать, что электризация трением - это процесс частичного удаления "заряженной" пыли с обоих тел.

Существует также электризация - через влияние. В физике это явление называют электростатической индукцией, когда происходит пространственное разделение зарядов, т. е. на разных участках тела располагаются заряды с различными знаками, а в целом суммарный заряд остается равным нулю.

Явление электростатической индукции наблюдается во время грозы.

В составе грозового облака находится неограниченное количество пара, часть которого конденсируется в виде мелких капелек либо льдинок. Это настоящая фабрика по производству электронных зарядов.

Надо сказать, что типичное грозовое облако отличается от обычного прежде всего своими размерами. Оно имеет вертикальную протяженность (толщину) 8 - 12 км, а горизонтальную около 5 км. Толщина же обычных облаков в среднем не превышает 1 км. Верхняя часть грозового облака обычно находится на высоте 6 - 8 км, в зоне низких температур, а его нижняя часть может висеть над землей на высоте 0,5-1 км.

Уже выше 3-4 км температура воздуха всегда ниже нуля, и поэтому облака состоят в основном из различного размера льдинок, которые находятся в постоянном движении. Это движение вызвано восходящими потоками теплого воздуха от нагретой поверхности земли. Естественно, чем меньше льдинки, тем они легче. И поэтому, подхватываясь восходящими потоками воздуха, маленькие льдинки, постоянно перемещаясь в более высокую часть облака, всегда сталкиваются с большими. При каждом таком столкновении происходит электризация. Крупные льдинки заряжаются негативно, а маленькие - положительно. С течением времени положительно заряженные маленькие льдинки оказываются в высшей части облака, а негативно заряженные большие - внизу. Другими словами, вершина грозового облака заряжена положительно, а  нижняя его часть - негативно. В свою очередь отрицательно заряженная часть грозовой тучи способствует формированию на поверхности Земли зарядов с противоположным знаком (так проявляется электростатическая индукция). Образуется гигантский природный конденсатор. Если напряжения в нем достаточно для пробоя воздушного пространства, то происходит разряд. Во время разряда молнии, отрицательный заряд с нижней части грозовой тучи перетекает на Землю.

Ученые считают молнию источником рентгеновского излучения. Ведь известно, что оно возникает при сильном ускорении заряженных частиц. Само скопление заряженных частиц не в состоянии так наэлектризоваться, чтобы вызвать разряд. Например, напряженность электронного поля в грозовом облаке никогда не превосходит 400 кВ/м, а электронный разряд в воздухе происходит при напряженности больше 2500 кВ/м. Кроме того в результате лабораторных исследований учеными было установлено, что скорость движения заряженных электронов значительно меньше скорости распространения самой молнии. Получается, что для появления молнии нужно что-то еще, не считая электронного поля.

В 1992 году русский ученый физик Александр Викторович Гуревич представил, что типичным зажиганием для молнии могут служить галактические лучи - частички больших энергий, которые обрушиваются на Землю из космоса. Тысячи таких частиц (в основном протонов) ежесекундно бомбят каждый квадратный метр земной атмосферы. Согласно теории Гуревича, каждая частичка галактического излучения, сталкиваясь с молекулой воздуха, ионизирует ее, в итоге чего появляется огромное число электронов, владеющих высокой энергией. Рождаются так называемые атмосферные ливни. Попав в электронное поле между облаком и землей, электроны ускоряются до сверхсветовых скоростей, ионизируя путь собственного движения и, таким образом, вызывают лавину электронов, передвигающихся совместно с ними к земле. Сформированный этой лавиной электронов ионизированный канал, используется молнией для разряда. Все мы не раз видели, что молния  представляет собой ступенчатый канал в виде ломаной линии. Такие "ступеньки" образуются, когда разогнавшиеся электроны из-за столкновений с молекулами воздуха меняют направление движения. Рентгеновское излучение ведет себя аналогично. Исследования ученых подтверждают, что молния служит достаточно массивным источником рентгеновского излучения, интенсивность которого может составлять до 250 килоэлектронвольт (1 килоэлектронвольт = 1000 электронвольт).

groza_v_pole

Гроза в поле

Мы знаем, что зимой грозы очень редки, практически их не бывает. Ведь чтобы образовалось грозовое скопление, нужны восходящие потоки влажного воздуха. Естественно с увеличением температуры концентрация насыщенных паров в атмосфере  вырастает и поэтому максимальна летом. Чем выше температура у поверхности земли, тем больше разница температур, от которой зависят восходящие потоки воздуха. А на высоте нескольких километров от поверхности земли температура уже не зависит от времени года. Потому-то грозы в большинстве случаев мы наблюдаем летом, а на севере, где и летом холодно, грозы достаточно редки.

Для того, чтобы произошел разряд, в атмосфере должно быть достаточное количество ионов. Воздух, состоящий только из азота и кислорода, очень тяжело ионизировать даже в электронном поле вследствие большой прочности их молекул. А вот если в нем присутствует много посторонних частиц, к примеру, пыли, то и ионов тоже много. Поэтому частота молний, наблюдаемая во время вулканической деятельности, намного выше, чем в грозовых облаках. Связано это с тем, что в пылевом облаке разделение зарядов происходит гораздо быстрее. По наблюдениям исследователей вулканический пепел заряжен положительно, а скорость его выброса раз в десять выше скорости движения капель в грозовых облаках.

Ионы образуются при движении частиц в воздухе аналогично тому, как электризуются при трении друг о друга разные материалы. Разумеется, что пыли в воздухе больше над сушей, чем над океанами. Поэтому грозы над сушей образуются чаще. Подмечено также, что чаще всего молнии бьют в тех местах, где в воздухе очень большая концентрация аэрозолей - дымов и выбросов компаний нефтеперерабатывающей индустрии.

Типы Молний

Учеными установлено, что молнии могут ударять в землю - наземные молнии, а могут образовываться в облаках – внутриоблачные молнии. Некоторые молнии могут разливаться по всему небу.

Более изученным является процесс образования молнии в грозовых облаках.

В целом ученые различают несколько видов молний:

– разряды происходят между грозовым облаком и землей;

– разряды образуются между двумя тучами;

– разряд образуется изнутри облака;

– разряд уходит непосредственно из облака в небо.

Молнии  могут быть разветвленными, а могут представлять собой единый столб. Они имеют самые различные формы. Самой редкой из них  является шаровая молния.

Наиболее часто формирование молнии происходит в кучево-дождевых облаках, представляющих собой плотные массы с темным основанием. Мы их называем грозовыми, а в науке их называют конвективными, так как процесс передачи тепла в таких облаках происходит потоками. Нижние слои разогреваются и поднимаются вверх, а верхние остывают и опускаются вниз, образуя вихри.

Молнии развиваются в слоисто-дождевых облаках, которые закрывают полностью все небо без просвета, а также при вулканических извержениях, пылевых бурях и торнадо.

Чаще всего наблюдаются линейные молнии, относящиеся к безэлектродным разрядам. Они начинаются (и кончаются) в скоплениях заряженных частиц. Как известно, безэлектродные разряды, в нашем случае - молнии, происходят при движении заряженных частиц в газовой среде при сильном переменном электрическом поле. Это определяет их некоторые необъяснимые свойства. Такие молнии имеют длину до нескольких сотен метров. Разветвленные линейные молнии могут достигать земли. Появляются они в электронных полях существенно более слабых, чем поля при электродных разрядах. Сбор и перенос заряда молниями, происходит мгновенно - за тысячные доли секунды.

Линейные молнии делятся в свою очередь на несколько видов:

- прорастающие

   нисходящие (от грозового облака к земле), которые имеют

   направление сверху вниз;

   восходящие  (от земли к облаку), которые ветвятся снизу вверх;

- внутриоблачные (внутри облака);

- межоблачные ( от одного облака к другому)

Молния может возникнуть, когда в относительно малом объёме облака образовалось электрическое поле с напряжённостью 1 милливольт на метр (мВ/м) - этого вполне достаточно для начала электронного разряда. А чтобы поддержать этот разряд, в более значимой части облака - поле должно иметь среднюю напряжённость 0,1 – 0, 2 мВ/м.   Молния является ярким примером того, как электронная энергия грозового облака преобразуется в термическую и световую.

Интересно, то что линейные молнии в направлении облако - земля образуются только над сушей. Так как водная поверхность является диэлектриком, то молнии образующиеся над морями и океанами относятся к внутриоблачным или межоблачным.

Наземные молнии.

В основе молнии лежит искровой разряд. Искровой разряд представляет собой импульс, состоящий из двух стадий: лидерной и главной. На лидерной стадии происходит формирование плазменного (ионизированного) канала. Лидер - это слабо светящийся предзаряд. За лидером следует яркая вспышка, которая свидетельствует о наступлении главной стадии. На главной стадии образуется импульсный ток, называемый обратным ударом.

В воздухе всегда имеются свободные электроны. На первой лидерной стадии, в зоне, где электронное поле достигает определенного критичного значения, в результате столкновении частиц начинается ударная ионизация. Под действием электронного поля они ускоряются по направлению к земле и, сталкиваясь с молекулами, входящими в состав воздуха, ионизуют их. Таким образом, появляются целые лавины электронных разрядов – стримеры. Они представляют собой заполненные плазмой узкие нитевидные каналы. Сливаясь между собой, стримеры дают начало образованию высоко проводящего термоионизованного канала в виде ломаной линии, который называют ступенчатым лидером. Движение электрических разрядов к земной поверхности происходит ступенями в несколько десятков метров. Скорость движения составляет 50 000 км/с. На определенном промежутке их движение приостанавливается на несколько десятков микросекунд. Свечение ослабевает, а на следующей стадии разряд опять продвигается на несколько десятков метров. Свечение охватывает все пройденные ступени, потом снова следует остановка и ослабление свечения. Эти процессы повторяются. По мере продвижения к земле напряжённость поля усиливается ,и под его действием из поверхности Земли выбрасывается ответный стример, соединяющийся с первичным. С момента встречи нисходящего и ответного лидеров начинается главная стадия. На этой заключительной стадии по проводящему ионизованному каналу следует обратный электрический импульс (снизу вверх). Эта стадии протекает очень быстро, при этом сила тока и температура канала резко возрастают. В результате мы наблюдаем свечение.

Именно эта особенность молнии была использована для изобретения молниеотвода.

После прохождения импульсного тока ионизация канала и его свечение начинают слабевать. На финишной стадии сила тока молнии достигаяет тысячи ампер, но длится это  буквально сотые доли секунды,  Такие молнии именуют затяжными, они нередко вызывают пожары. Главный разряд, как правило, разряжает только часть облака. Заряды, расположенные на огромных высотах, могут дать начало новому стреловидному разряду, беспрерывно передвигающемуся со скоростью в тысячи км/сек. Яркость свечения стреловидного разряда близка к яркости ступенчатого. После того, как стреловидный разряд достигает поверхности земли, за ним следует еще один удар, пожий на первый. Таким образом молния включает несколько повторных разрядов. Их число может доходить до нескольких десятков. Средняя продолжительность молнии чаще всего не превосходит 1 секунды, но в отдельных случаях может длится и несколько секунд. Смещение канала молнии ветром создаёт ленточную молнию  в виде светящейся полосы.

Внутриоблачные молнии.

Обычно внутриоблачные молнии содержат в себе только лидерные стадии. Длина их может колебаться от 1 до 150 км. Лидерная стадия длится от момента образования стримеров (узких нитевидных каналов) под действием высокого напряжения до завершения пробоя. При возникновении внутриоблачного разряда, облако начинает светиться в течение примерно от 0,2 до 0,5 секунды. Количество внутриоблачных молний возрастает по мере приближения к экватору. Прохождение молний сопровождается переменным электромагнитным полем и радиоизлучением. Средняя скорость распространения внутриоблачных молнии около 105 - 107 м/с.

По мере роста высоты наземного объекта, а также повышения электропроводности на поверхности земли, возможность поражения молнией вырастает. Если в облаке существует электронное поле, достаточное для поддержания разряда, но недостаточное для его проявления, спровоцировать появление молнии может даже самолёт.

Сила тока молний может достигать сотни тысяч ампер. Образующийся электронный ток  за доли секунд, раскаляет воздух и водяные пары до больших температур, вызывая расширение и взрыв воздуха. При разряде молнии выделяется огромное количество энергии (около 1000 джоулей). Три четверти энергии грозового разряда тратится на разогрев канала, по которому проходит молния. Львиная ее доля энергии уходит на создание ударной волны (грома), нагревание воздуха, световую вспышку, и только малая часть выделяется в том месте, где непосредственно происходит удар молнии в землю. Но и этой небольшой части достаточно для того, чтобы вызвать пожар, повредить здание и уничтожить человека.

К счастью, большая часть разрядов молний происходят между тучами и потому опасности не представляют. Но, тем не менее, каждый год молнии убивают более тысячи людей по всему миру. По последним статистическим данным США каждый год жертвами молний в этой стране становятся около 1000 человек, из которых более 100 погибают.

grozovoy_razryad

Грозовой разряд

Понимая всю опасность грозного явления природы, ученые издавна пробовали защитить людей от удара молнии. К примеру, изобретатель первого электронного конденсатора (лейденской банки) голландский физик Питер ван Мушенбрук в своей статье об электричестве, написанной для известной французской Энциклопедии, всерьез считал, что колокольный звон и стрельба из пушек достаточно действенные способы защиты от грозы.

Благодаря стараниям ученых для защиты одиноко стоящих сооружений было изобретено устройство получившее название - молниеотвод (нередко именуемый громоотводом). Молниеотвод представляет собой очень простую конструкцию - это острый металлический стержень прикреплен к крыше здания. Стержень может составлять около

2 см. в диаметре. К нему прикрепляется  огромный кусок медной или алюминиевой проволоки, примерно такого же диаметра. Провод соединяется с проводящей сеткой  и зарывается в землю поблизости.

Поблизости  построек, опор линий электропередач и т. д. устанавливают мачту с заостренным железным стержнем, который отлично соединен (спаян, сварен) толстым проводом с закопанным глубоко в землю железным предметом.

Цель молниеотвода отвести образующийся электрический разряд. Механизм работы молниеотвода можно объяснить очень просто. Он служит своеобразным каналом, благодаря которому грозовое облако нейтрализует заряд. Облако, образуя электронное поле наводит в молниеотводе электронный заряд, у которого символ противоположен знаку заряда тучи. Этот заряд, стекая с острия молниеотвода. Ток молнии, проходя по элементам молниеотвода в землю создает падение напряжения Защищаемое молниеотводом место на поверхности Земли определяется высотой молниеотвода.

Роль молниеотводов часто понимается неправильно. А  многие даже считают, что такая конструкция способна привлечь молнию. Конечно, любой громоотвод не является панацеей от всех бед, связанных с грозой. Настоящая цель данной конструкции заключается в том, чтобы предоставить безопасный вариант для удара молнии, т. е. обеспечить ей путь с низким сопротивлением к заземлению, который может использоваться для проведения электрических токов.

Многие здания снабжены громоотводами, которые отводят атмосферное электричество в землю, спасая сооружение от попадания молний.

В 1775 году Бенджамин Франклин для защиты Капитолия в городе  Аннаполис - столице штата Мериленд, установил над куполом здания толстый металлический стержень, который возвышался на несколько метров и соединялся с землей. Ученый не стал патентовать свое изобретение, желая, чтобы оно как можно быстрее начало служить людям. Известие о громоотводе Франклина стремительно разнеслась по всей Европе, сделав ученого почетным членом академий многих стран, включая и Российскую. Но в некоторых странах набожное население встречало это изобретение с возмущением. Люди отказывались верить в то, что человек так просто может укротить главное орудие "божьего гнева". А в некоторых  местах жители из благочестивых побуждений даже пытались уничтожить громоотводы. В 1780 году на севере Франции, в небольшом городе Сент-Омер произошел интересный случай - горожане потребовали снести металлическую мачту громоотвода, и дело даже дошло до судебного разбирательства. Юный юрист очень убедительно защищал установку громоотвода от нападок недовольных жителей. Его защита была выстроена на том, что способность человека покорять силы природы, как и его разум имеют божественное происхождение, поэтому все, что помогает спасти жизнь людям, делается исключительно во благо. Он выиграл процесс и снискал огромную известность. Этого молодого адвоката звали - Максимилиан Робеспьер – один из идеологов Великой французской революции.

 

Если статья Вам понравилась и оказалась для вас полезной, то поделитесь ей с другими:

Хочу себе плагин с такими кнопками

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Анти-спам: выполните заданиеWordPress CAPTCHA