Гроза захватывающий спектакль природы. Если наблюдать её из укрытия, то сверкание молний и грохот грома, не менее увлекательны, чем грандиозный фейерверк.
История представлений о природе молнии
В древних культурах молния служит выразительным знаком силы, скорости, движения и является атрибутом бога-громовержца, царя богов. Молния и гром первоначально воспринимались людьми как проявление божьего гнева. У разных народов почитались боги-громовержцы – Зевс у древних греков, Юпитер у римлян, Индра у индусов, Тор у скандинавов, Перун у славян. Молния, соединяющая небо и землю, олицетворяет божественную волю, творческий импульс, который передается на землю и становится движущей силой людей и событий. В молниях видели знамения, посылаемые богами; места, в которые ударяла молния, считались священными, а люди, пораженные молнией, — отмеченными божеством.
Открытие электричества и электрической природы молнии
С давних времён человек пытался постичь природу молнии и грома, понять их естественные причины. Многие столетия, включая средние века, считалось, что молния – это «огненный пар», зажатый в водяных парах туч. Расширяясь, он как бы прорывает их в наиболее слабом месте, устремляется к земле.
В 1752 году американский учёный и государственный деятель Бенджамин Франклин экспериментально доказал, что молния – это сильный электрический разряд. Он выполнил знаменитый опыт с воздушным змеем, который был запущен в воздух при приближении грозы . На крестовине змея была укреплена заострённая проволока, к концу бечёвки привязаны ключ и шёлковая лента. «Как только грозовая туча окажется над змеем, – писал Франклин в письме к другу, – заострённая проволока станет извлекать из неё электрический огонь, и змей вместе с бечевой наэлектризуется. А когда дождь смочит бечеву, сделав их способными проводить электрический огонь, вы увидите, как он обильно стекает с ключа при приближении вашего пальца». Встречающееся здесь словосочетание «электрический огонь» мы сегодня переводим как «электрический заряд».
Одновременно с Франклином исследовали молнию и установили её электрическую природу российские учёные Михаил Ломоносов и Георгий Рихман. С середины XVIII века стало понятно, что молния представляет собой мощный электрический разряд, возникающий при достаточно сильной электризации облаков.
Исходя из электрической природы молнии, Франклин создал громоотвод, который правильнее было бы называть «молниеотводом». Это был длинный металлический стержень, который устанавливался вертикально и одним концом уходил в землю. Он предохранял постройки от поражения молнией.
Современные представления о природе молнии
Молния — гигантский электрический разряд в атмосфере, обычно наблюдаемый во время грозы. Проявляется яркой вспышкой света и сопровождается громом. Сила тока в разряде молнии достигает 10-300 тысяч ампер, напряжение — от десятков миллионов до миллиарда вольт.
Мощность разряда — от 1 до 1000 ГВт. И при всем этом, молния одно из самых неизученных природных явлений.
Виды распространенных тропосферных молний,
Линейная молния туча-земля
Ученые считают, что молнии образуются в результате распределения электронов в облаке, обычно позитивно заряжен верх облака, а негативно — низ. В результате получаем очень мощный конденсатор, который может время от времени разряжаться в результате скачкообразного преобразования обычного воздуха в плазму (это происходит из-за все более сильной ионизации атмосферных слоев, близких к грозовым тучам). Кстати, температура воздуха в месте прохождения заряда (молнии) достигает 30 тысяч градусов, а скорость распространения молнии — 200 тысяч километров в час.
Молния земля – облако
Образуются они в результате накапливающегося электростатического заряда на вершине самого высокого объекта на земле, что делает его весьма «привлекательным» для молнии. Такие молнии образуются в результате «пробивания» воздушной прослойки между вершиной заряженного объекта и нижней частью грозовой тучи.
Молния облако–облако
Поскольку верхняя часть облака заряжена позитивно, а нижняя — негативно, рядом стоящие грозовые облака могут простреливать электрическими зарядами друг друга.
Горизонтальная молния
Горизонтальная молния. Эта молния не бьет в землю, она распространяется в горизонтальной плоскости по небу. Иногда такая молния может распространяться по чистому небу, исходя от одной грозовой тучи. Такие молнии очень мощные и очень опасные.
Ленточная молния
Ленточная молния — несколько одинаковых зигзагообразных разрядов от облаков к земле, параллельно смещённых относительно друг друга с небольшими промежутками или без них.
Четочная (пунктирная молния)
Редкая форма электрического разряда при грозе, в виде цепочки из светящихся точек. Время существования четочной молнии 1–2 секунды. Примечательно, что траектория четочной молнии нередко имеет волнообразный характер. В отличие от линейной молнии след четочной молнии не ветвится — это является отличительной особенностью этого вида.
Шторовая молния
Шторовая молния выглядит как широкая вертикальная полоса света, сопровождающаяся низким негромким гулом.
Объёмная молния
Объёмная молния – белая или красноватая вспышка при низкой полупрозрачной облачности,сильным звуком треска “отовсюду”. Чаще наблюдается перед основной фазой грозы.
Эльфы
Эльфы представляют собой огромные, но слабосветящиеся вспышки-конусы диаметром около 400
км, которые появляются непосредственно из верхней части грозового облака. Высота эльфов может достигать 100 км, длительность вспышек — до 5 мс (в среднем 3 мс).
Помимо знакомых многим зигзагообразной молнии и ее вариаций, имеющих место в тропосфере, существуют и более экзотические явления: джеты, спрайты, эльфы. Они обусловлены процессами в высоких слоях атмосферы, сопровождающими грозы.
Джеты
Джеты представляют собой трубки-конусы синего цвета. Высота джетов может достигать 40-70 км (нижняя граница ионосферы), живут джеты относительно дольше эльфов.
Спрайты
Спрайты — некое подобие молнии, бьющей из облака вверх. Впервые это явление было зафиксировано в 1989 году случайно. Сейчас о физической природе спрайтов известно крайне мало.
Шаровые молнии
Особенно странным видом молнии является шаровая молния. Явление это настолько редкое, что существует большое количество людей, считающих его выдумкой. Немалую роль в этом играет и то, что не ясны физические процессы, которые могли бы привести к образованию устойчивых в течение длительного времени объектов с характеристиками «шаровой молнии». Тем не менее, научным сообществом уже на протяжении десятилетий шаровая молния считается не мифом, а реальным явлением. Недавно удалось зафиксировать не только естественно сформировавшуюся шаровую молнию, но и записать ее спектральные характеристики [http://physics.aps.org/articles/v7/5].
Шаровая молния — светящийся плавающий в воздухе плазменный шар, уникально редкое природное явление. Единой физической теории возникновения и протекания этого явления к настоящему времени не представлено.
Некоторые люди утверждают, что шаровых молний не бывает. Другие размещают видео шаровых молний на YouTube и доказывают, что все это — реальность. В общем, ученые пока твердо не уверены в существовании шаровых молний.
Огни Святого Эльма
Огни Святого Эльма — разряд в форме светящихся пучков или кисточек (или коронный разряд), возникающий на острых концах высоких предметов (башни, мачты, одиноко стоящие деревья, острые вершины скал и т. п.) при большой напряжённости электрического поля в атмосфере. Они образуются в моменты, когда напряжённость электрического поля в атмосфере у острия достигает величины порядка 500 В/м и выше, что чаще всего бывает во время грозы или при её приближении, и зимой во время метелей.
Вулканические молнии
В возникновении молнии не обязательно участвуют облака. Так, встречается редкая вулканическая молния, возникающая внутри столба пепла извергающегося вулкана. По одному из многочисленных предположений ученых вулканические молнии возникают
вследствие того, что пузыри магмы, выбрасываемые вверх, либо вулканический пепел несут электрический заряд, и при их движении возникают разделенные области. Кроме этого, выдвигается предположение, что вулканические молнии могут быть вызваны наводящими заряд столкновения в вулканической пыли.
География гроз
Для развития гроз требуются три фактора: влага, нестабильность воздушных масс и поднимающее воздействие [http://www.sos.noaa.gov/Datasets/dataset.php?id=6]. Влага необходима для роста облаков. Атмосферная неустойчивость обусловлена подъемом более теплого воздуха. Поднимаясь, воздух охлаждается и содержащаяся в нем влага конденсируется. Примерами поднимающих воздействий, являющихся начальной движущей силой для подъема воздушных
масс, являются горы, блокирующие горизонтальные потоки воздуха, солнечный свет, нагревающий приповерхностный воздух, атмосферные фронты. В частности, по этой причине грозы над океанами сравнительно мало распространены: несмотря на обильный источник влаги, высокая отражательная способность воды и сравнительно гладкая ее поверхность не способствуют интенсивным вертикальным перемещениям воздушных масс.
Молния и человек
Воздействие на самолёт атмосферного электричества и молниезащита летательных аппаратов.
Молниезащита наземных и морских объектов основана на обеспечении предсказуемого места формирования канала молнии со стороны защищаемого объекта. В качестве молниеотводов широко используются заземленные заостренные штыри, на конце которых формируется коронный разряд, дающий начало стримеру молнии. Для защиты вытянутых областей используют штыри, соединенные подвешенными между ними проводом. Возможны и более экзотические способы управляемого отвода молнии: например, можно создавать длинный искусственный электропроводящий канал между землей и облаками с помощью мощного лазера.
В зависимости от задачи, размеры молниеотводов могут варьироваться в широких пределах. В частности, в грозоопасных районах (например, во Флориде) особое внимание уделяют молниезащите таких крупных сооружений, как стартовые столы на космодромах.
В то же время, молниеотводами дело не ограничивается и существует множество других средств защиты (различные автоматы защиты, разрядники и т. д.), использование которых особенно актуально, в частности, в антеннах и ЛЭП.
Молния представляет опасность и для летательных аппаратов. Особенно опасна при попадании в плохо проводящие элементы конструкции, которым практически всегда является носовой обтекатель (если бы он был хорошо проводящим, он стал бы непрозрачным для радиоволн, и тогда не смог бы работать установленный за ним радар). Тем не менее, молния способна наносить серьезные повреждения и металлическому корпусу.
Важную роль в формировании молнии, проходящей через летательный аппарат, играют коронные разряды на заостренных заряженных элементах его поверхности. Так, во многих случаях, непосредственно перед ударом молнии в ЛА пилоты наблюдали характерное свечение. Заряд ЛА обусловлен трением мелких частиц о корпус ЛА (особенно выражен этот процесс в двигателе, где с большой скоростью летят частицы сажи).
Для снижения заряда используют разрядники, но они не изменяют вероятность удара молнии, а предназначены для подавления помех, вызванных неконтролируемыми разрядами на антеннах. Обязательной мерой для снижения опасности последствий удара молнии в ЛА является широкое использование на поверхности ЛА материалов с высокой электропроводностью, причем отдельные элементы из таких материалов должны быть соединены низкоомными переходами. Это является одним из факторов, затрудняющих замену металлических сплавов на композиционные материалы в составе обшивки ЛА.
Огромная энергия, запасенная в грозе, сравнимая с энергией ядерного взрыва [http://www.nytimes.com/2007/12/09/magazine/09lightningfarm.html?_r=2], делает заманчивой идею использования молнии для выработки электроэнергии. К сожалению, через молниевые разряды выходит лишь незначительная часть этой энергии. Кроме того, чрезвычайно высокие мощности и малые времена молниевых разрядов, в сочетании с рядом других факторов, делают эту задачу чрезвычайно трудной и малоперспективной.
Бояться ли молнии?
«Боитесь ли вы молнии" – такая постановка вопроса по своей сути предполагает обреченность и безынициативность. Лучше уж обсуждать опасность молнии. Это слово подразумевает конкретные воздействия, которые следует знать и от которых следует защищаться. Знание всегда активно. Оно предполагает ответные действия.
Когда пугают молнией, в первую очередь называют напряжение на ее канале относительно земли. Сто миллионов вольт звучат очень впечатляюще, особенно для человека, который ненароком сунул пальцы в розетку с напряжением всего в 220 В. Не пытайтесь сопоставить эти два напряжения, чтобы оценить силу молнии. Такое сравнение не даст честного результата. Прямой контакт с электрической сетью 220 В заставит вас в полной мере 220 В и почувствовать. А при ударе молнии в человека напряжение распределится прямо пропорционально по сопротивлениям молниевого канала и человеческого тела. Специалисты по технике безопасности ориентируются на сопротивление человека в 1000 Ом. Сколько у молнии? Пока молниевый канал прорастает к земле, его проводимость не слишком велика. Сопротивление канала вполне может составлять 100 Ом на метр длины. При длине в 5000 м (это вполне средняя цифра для молнии) получается в 500 раз больше, чем у человека. Значит человек попадет не под 100 000 000 В, а всего под 200 000 В.
200 киловольт – это уже вполне земная цифра. В современной высоковольтной лаборатории есть источники с напряжением в десятки раз более высоким. Случалось ли их близкое "знакомство" с персоналом лабораторий? К сожалению, ответ положительный. Последствия? Самые печальные, хотя необязательно фатальные. Пример: Электротехник неосторожно приблизился к мощной батареи конденсаторов, заряженной едва ли не до 100 кВ. и уцелел. В современной высоковольтных лабораториях после контакта с источниками сверхвысокого напряжения, никто не стал экстрасенсом, не приобрел способностей видеть сквозь одежду и не получил никаких других чудодейственных свойств, о которых так любят говорить люди.
Авиаторы с уважением относятся к молнии, хотя она практически очень редко прожигает дюралевую обшивку самолета. Обшивка эта совсем не толстая, ей далеко до тех 4 мм, которые не по зубам даже мощнейшему разряду. Причина в том, что поток воздуха сдувает точку контакта
раскаленного канала с обшивкой. Действие молниевого тока оказывается распределенным по достаточно заметной длине и металл не успевает плавиться.
Кроме повреждений датчиков и антенн пилоты обязательно вспомнят про помпаж двигателя.
Молния рождает очень сильную ударную волну. Проникнув в воздухозаборник реактивного двигателя, мощный поток воздуха полностью сдувает и выносит прочь все продукты горения. Двигатель глохнет. Это и есть помпаж. Повторный запуск двигателя в полете требует от
пилота большого мужества и удачи. Помпаж не грозит современным авиалайнерам с двигателями на пилонах крыльев. Молнии туда не добраться.
Еще сильнее ударная волна в плотных средах, например в воде. Развита целая отрасль промышленности, использующая электрогидравлический эффект для дробления твердых материалов электроискровыми разрядами в жидкости.
Видели когда-нибудь содранную полосу коры с верхушки дерева едва ли не до комля? Это работа электрогидравлического воздействия. После удара в дерево ток молнии распространялся по наиболее проводящей части ствола, между древесиной и корой. Почти мгновенное испарение влаги повысило там давление, отщепив кору. Примерно по той же причине опасен контакт молнии с современными композитными материалами, если их компоненты генерируют газ при нагреве. Расколотая металлочерепица в месте удара молнии как раз из этой серии. Специалисты с
тревогой наблюдают за массовым внедрением композитов в конструкцию летательных аппаратов. Здесь далеко не все ясно. Нужны дополнительные исследования.
Все перечисленное выше, непосредственно связано с прямым контактом объекта с каналом молнии. Поэтому выбор средств защиты особой проблемы здесь не представляет. Достаточно, например, поставить молниеотвод на крыше дома, чтобы сохранить его кровлю.
Что же касается антенн и датчиков летательных аппаратов, то разумный конструктор сумеет разместить их в недоступных для молнии местах. Совсем иная ситуация с электромагнитным полем молнии. По закону Фарадея в любом контуре это поле наводит ЭДС магнитной индукции, будь то провода линии электропередачи, что идут к вашему дому, кабель телевизионной антенны или соединительные проводники компьютера. Современная микропроцессорная техника очень чувствительна к наводкам. Много ли надо, чтобы повредить электронный блок с рабочим напряжением 3 – 5 В! Хорошо еще если это бытовая техника. Конечно, она стоит дорого, но при повреждении будут потеряны только деньги. В промышленности ситуация несопоставимо тяжелее. Представьте себе отказ автоматической системы управления производством. Счет потерь наверняка пойдет на миллионы. Известен случай, когда один единственный удар молнии из-за повреждения релейной защиты отключил 8 абсолютно здоровых и не в нем неповинных линий электропередачи напряжением 110 кВ. Без электроэнергии был оставлен район с миллионным населением.
Поведение во время грозы: правила личной безопасности
За несколько последних лет от ударов молнии умерло более ста человек. В большинстве случаев беды можно было бы избежать, но незнание элементарных правил безопасности сыграло свою ужасную роль. А знаешь ли ты, как вести себя во время грозы? Сможешь ли ты противостоять силам природы и сохранить собственное здоровье и жизнь?
Во время грозы ты дома
Гроза застала тебя в помещении? Не спеши вздыхать с облегчением, ведь даже толстые стены дома не являются 100% гарантом твоей безопасности. Лучше обрати внимание на то, каким
должно быть твое поведение:
– выключи из сети все электроприборы, а еще лучше отключи электропитание во всем доме или квартире;
– закрой форточки, окна, дымоходы, балконные двери и шторы;
– отойди от окон на достаточно большое расстояние;
– откажись от растапливания печи либо камина; дым, выходящий из дымохода, имеет хорошую электропроводность, а это повышает вероятность удара молнии в крышу;
Как правильно себя вести? Держись подальше от антенн, проводки, входных дверей, стен, у
которых растут высокие деревья, и прочих объектов, связанных с внешней средой;
старайся не выходить из дома, если в том нет крайней необходимости.
Во время грозы у водоема
Лето – время рыбалки, купания, катаний на лодках и сильных гроз. Если во время грозы ты оказалась у водоема, помни о том, что это место является одним из самых опасных. Как уберечь себя от удара грома и молнии?
– Если ты купаешься, срочно покинь водоем и отойди от воды как можно дальше;
– Катаешься на лодке или катамаране? Максимально быстро греби к ближайшему берегу, стараясь пригнуться как можно ниже ко дну.
Гроза на открытом пространстве
Как вести себя на открытом пространстве, если вот-вот начнется гроза? В идеале нужно спрятаться в ближайшей постройке. Если же ее рядом не оказалось, действуй согласно инструкции:
– отключи все электроприборы, которые находятся рядом с тобой;
– сними с себя все длинные либо заостренные предметы со сколь-нибудь существенной
электропроводностью, особенно – металлические.
проверь, нет ли поблизости кустарников, деревьев и линий электропередач;
– отыщи какое-нибудь углубление, ямку или овраг. Земля должна быть сухой и желательно песчаной;
– сядь на корточки, опусти голову между колен и обхвати ноги руками;
– помни, ложиться на землю очень опасно;
– во время грозы на открытом пространстве категорически запрещено прятаться вблизи одиноких деревьев, металлических конструкций, крупных металлических объектов, сетчатых оград и влажных стен.
Несколько советов напоследок
Во время грозы мелочей не бывает. Еще раз оцени свое положение с точки зрения безопасности.
Риск поражения молнией повышают:
- Высокие деревья;
- Возвышенности;
- Конструкции из металла;
- Включенные электроприборы;
- Глинистый грунт;
- Близость костров и водоемов;
Интернет-ресурсы:
zefirka.net›2015/06/29/osnovnye-vidy-molnij/
ZandZ.ru› biblioteka/molniezashchita_dlya…boyatsya
vlboat.ru›articles/raznoe…vo-vremya-grozi.htm
ZandZ.ru›biblioteka…dlya…boyatsya_li_molnii.html