Спрайты трудно различимы, но встречаются почти во всех грозах на высоте 55-130 км (высота «нормального» молниевого образования не превышает 16 км). Это тип молнии, которая бьет вверх из облаков. Впервые это явление было случайно зафиксировано в 1989 году. В настоящее время мало что известно о естественной природе спрайтов7.
Физика атмосферы: как, почему и откуда появляются молнии
Около 700 грозовых разрядов обрушивается в атмосферу Земли каждую секунду, и около 3 000 человек ежегодно погибают в результате удара молнии. Природная природа молнии не имеет четкого объяснения, и большинство людей имеют лишь приблизительное представление о том, что это такое. Некоторые виды эвакуации сталкиваются с облаками и другими объектами. Сегодня мы обратились к писателям-физикам, чтобы узнать больше о природе молнии. Как бьет молния, куда бьет молния и почему бьет молния. В этой статье вы найдете ответы на эти и многие другие вопросы.
Ежедневную рассылку с полезной информацией для студентов всех специальностей можно найти на канале Telegram.
Что такое молния
Молния — это электрический разряд в атмосфере.
Разряд — это процесс протекания электрического тока в среде, связанный со значительным увеличением ее электропроводности по сравнению с нормальными условиями. Существует несколько типов газовых разрядов, включая искровые, дуговые и разряды накаливания.
Искры разряжаются при атмосферном давлении и сопровождаются характерным скрипом. Искровые разряды представляют собой комбинацию исчезающих и чередующихся искровых нитей. Каналы Spark также называются стримерами. Искровые каналы заполнены ионизированным газом, т.е. плазмой. Молния — это огромная искра, а шаровая молния — это очень громкий скрипучий звук. Однако не все так просто.
Физическая природа молнии
Как объясняется происхождение молнии? Системы «облако — земля» или «облако — облако» являются одним из видов конденсаторов. Воздух действует как диэлектрик между облаками. Нижняя часть облака заряжена отрицательно. Если разность потенциалов между облаком и землей достаточна, создаются условия для возникновения молнии в природе.
Шаг лидера.
Перед ударом большой молнии можно наблюдать небольшое пятно, движущееся от облака к земле. Это так называемые ступенчатые лидеры. Электроны начинают двигаться к земле под воздействием разности потенциалов. При движении они сталкиваются с молекулами воздуха, ионизируя их. Создается своего рода ионизированный проводник от облака к земле. Ионизация воздуха свободными электронами значительно увеличивает электропроводность в области лидерной орбиты. Лидер перемещается от одного электрода (облако) к другому (земля), открывая путь для основной эвакуации. Поскольку ионизация происходит неравномерно, лидер может расходиться.
Подсветка.
По мере приближения лидера к земле напряжение в его конечностях увеличивается. Обратный ток (канал) выстреливается в сторону лидера с земли или с объектов, выступающих над поверхностью (деревья, крыши зданий). Это свойство молнии используется для защиты от нее путем установки молниеотводов. Почему молния ударяет в человека или дерево? Ему совершенно безразлично, куда он нанесет удар. В конце концов, молния ищет кратчайший путь между землей и небом. Вот почему нахождение на земле или в воде во время шторма опасно.
Когда лидер достигает земли, в созданном канале начинает течь ток. В этот момент наблюдается основная молния, сопровождаемая внезапным увеличением силы тока и выделением энергии. Вопрос в том, откуда берется молния? Интересно, что лидер распространяется от облаков к земле, в то время как подсветка, которую мы привыкли видеть, распространяется от земли к облакам. Правильнее сказать, что молния не летит с неба на землю, а проходит между ними.
Почему бьет молния?
Молния вызывается ударными волнами, возникающими в результате быстрого расширения ионизированных каналов. Почему вы сначала видите молнию, а потом слышите гром? Это связано с разницей в скорости между звуком (340,29 м/с) и светом (299 792 458 м/с). Подсчитав секунды между громом и молнией и умножив их на скорость звука, можно определить, на каком расстоянии ударила молния.
Нужна работа по физике атмосферы? Для наших читателей сейчас действует скидка 10% на любую бумагу!
Газообразная масса уносит мелкие кристаллы льда вверх, постоянно сталкиваясь с крупными кристаллами при их движении. В результате мелкие кристаллы становятся положительно заряженными, а крупные — отрицательно.
Как появляется молния?
Молния возникает в сильно заряженных дождевых облаках, между облаками и землей или между соседними облаками. Электричество вырабатывается под действием гравитации, возникающей в результате трения концентрированных капель или хлопьев льда, образующих дождевые облака. Эти частицы находятся в постоянном движении в результате потока горячего воздуха, выходящего из нагретой поверхности Земли. Капли льда и воды сталкиваются и электризуют облака. Мелкие частицы, поднимающиеся вверх в воздухе, заряжены положительно, в то время как более крупные и тяжелые частицы в нижней части облака заряжены отрицательно.
Когда два противоположно заряженных облака приближаются друг к другу, между ними образуется плазменный канал, состоящий из ионов и электронов. Заряженные частицы проходят через этот канал, и возникают разряды молнии. Так же как молния образуется между различными облаками, она может быть между облаком и землей или внутри одного облака.
Теперь ученые нашли ответ на вопрос, что такое молния — это клон стримера, который собирается вместе, чтобы сформировать лидер, похожий на лестницу. Взаимность образуется по мере приближения лидеров к поверхности земли или другого облака, а когда они соприкасаются, возникает сильное свечение и разряд.
Как велика энергия одной молнии?
Напряжение молнии очень велико, и этой энергии достаточно, чтобы заставить лампочку мощностью 100 Вт светиться непрерывно в течение 90 дней. В среднем один разряд молнии развивает мощность до 20 000 мегаватт и имеет температуру 10 000 Кельвинов, что в пять раз выше температуры поверхности Солнца.
Известно, что при эвакуации между облаком и землей выделяется больше энергии, чем при эвакуации внутри облака или между двумя соседними облаками. Это происходит потому, что разность потенциалов между небом и землей намного больше, чем разность потенциалов между облаками.
Почему гремит гром?
Молния, насыщенная электричеством, всегда сопровождается громом. Это происходит из-за колебаний раскаленного воздуха в результате резкого повышения атмосферного давления. Звук такой же громкий, как удар молнии длиной в несколько километров, а эвакуация длится так долго, что достигает уха лишь на долю секунды. Искры и молнии возникают одновременно, но поскольку скорость звука медленнее скорости света, молния ударяет немного позже.
Хотя их трудно заметить, спрайты образуются группами при каждой сильной грозе через несколько секунд после сильного удара молнии. Средняя длина вспышки составляет 60 километров, диаметр — до 100 километров, а продолжительность — до 100 миллисекунд.
Физические свойства молнии
Средняя длина молнии составляет 2,5 км, но некоторые разряды могут уходить в атмосферу на расстояние до 20 км.
Образование молнии
Молния чаще всего возникает в кучево-дождевых облаках и называется грозой. Молнии могут возникать в стратиформных дождевых облаках, а также во время вулканических извержений, торнадо и пыльных бурь.
Обычно наблюдаются линейные молнии, которые относятся к так называемым безэлектродным разрядам, так как они начинаются (и заканчиваются) в скоплениях заряженных частиц. Это определяет их некоторые до сих пор не объяснённые свойства, отличающие молнии от разрядов между электродами. Так, молнии не бывают короче нескольких сотен метров; они возникают в электрических полях значительно более слабых, чем поля при межэлектродных разрядах; сбор зарядов, переносимых молнией, происходит за тысячные доли секунды с миллиардов мелких, хорошо изолированных друг от друга частиц, расположенных в объёме нескольких км³. Наиболее изучен процесс развития молнии в грозовых облаках, при этом молнии могут проходить в самих облаках — внутриоблачные молнии , а могут ударять в землю — наземные молнии. Для возникновения молнии необходимо, чтобы в относительно малом (но не меньше некоторого критического) объёме облака образовалось электрическое поле (см. атмосферное электричество) с напряжённостью, достаточной для начала электрического разряда (~ 1 МВ/м), а в значительной части облака существовало бы поле со средней напряжённостью, достаточной для поддержания начавшегося разряда (~ 0,1—0,2 МВ/м). В молнии электрическая энергия облака превращается в тепловую, световую и звуковую.
Заземление молнии
Процесс генерации молнии состоит из нескольких этапов. На первом этапе начало ударной ионизации начинается в области, где электрическое поле достигло критического значения. Первоначально он образуется за счет свободного заряда, который всегда присутствует в небольших количествах в воздухе под действием электричества. Электрическое поле приобретает значительную скорость по отношению к земле и сталкивается с молекулами, составляющими воздух, ионизируя их.
Согласно последним представлениям, ионизация атмосферы для прохождения электрических разрядов происходит под воздействием высокоэнергетических космических лучей — частицы с энергией 10 12 -10 15 эВ разрушают воздух на порядок сильнее, чем в обычных условиях. 1
Согласно одной из гипотез, частицы вызывают процесс, называемый неконтролируемым электронным распадом2. Это вызывает серию разрядов, электронных лавин, которые превращаются в стримеры. Стримеры — это достаточно проводящие каналы, которые, сливаясь вместе, создают градиентные молниеотводы, представляющие собой яркие, высокопроводящие тепловые каналы.
Движение лидера к земной поверхности происходит ступенями в несколько десятков метров со скоростью ~ 50 000 километров в секунду, после чего его движение приостанавливается на несколько десятков микросекунд, а свечение сильно ослабевает; затем в последующей стадии лидер снова продвигается на несколько десятков метров. Яркое свечение охватывает при этом все пройденные ступени; затем следуют снова остановка и ослабление свечения. Эти процессы повторяются при движении лидера до поверхности земли со средней скоростью 200 000 метров в секунду.
Взаимодействие молнии с поверхностью земли и расположенными на ней объектами
По ранним оценкам, частота появления молний на Земле составляет 100 раз в секунду. Согласно последним данным со спутников, которые могут обнаруживать молнии в районах, не отслеживаемых на земле, эта частота составляет в среднем 44,5 раза в секунду, что соответствует примерно 1,4 миллиарда ударов молнии в год. 8 9 75% этих молний попадают между или внутри облаков, а 25% ударяют в землю. 10
Самые сильные удары молнии вызывают рождение камней-вспышек. 11
Молния.
Разряды молнии представляют собой электрические взрывы и в некотором смысле напоминают взрывы. Он производит опасные ударные волны в непосредственной близости. Ударные волны от достаточно сильных разрядов молнии могут причинить ущерб, сломать деревья, травмировать и заразить людей на расстоянии до нескольких метров без какого-либо непосредственного риска поражения электрическим током. Например, при токе 30 000 ампер на 0,1 миллисекунду и диаметре канала 10 см наблюдаются следующие давления волн12
- на расстоянии 5 см от центра (порог оптического канала молнии) — 0,93 МПа, и
- 0,5 м при -0,025 МПа (разрушение хрупких конструкций и травмирование людей)
- на расстоянии 5 м-0,002 МПа (разбитие окон и временное оглушающее воздействие на людей).
На больших расстояниях ударная волна вырождается в звуковую волну — молнию.
Люди и молнии
Молния представляет собой серьезную угрозу для жизни человека. Люди и животные часто поражаются молнией на открытой местности, потому что ток идет по кратчайшему пути между грозовым облаком и землей. Молния часто ударяет в деревья и трансформаторы на железнодорожных линиях и воспламеняет их. Невозможно поразить здание обычной линейной молнией, но считается, что так называемая шаровая молния способна проникнуть через открытое окно в небо. Обычные удары молнии опасны для телевизионных и радиоантенн и сетевого оборудования на крышах высотных зданий.
У пострадавших наблюдаются те же патологические изменения, что и при поражении электрическим током. Жертвы часто теряют сознание, падают, испытывают судороги, у них останавливается дыхание и сердцебиение. На теле могут появиться «настоящие знаки», которые обычно являются точками входа и выхода электричества из тела. В случае смертельного несчастного случая внезапное прекращение дыхания и сердцебиения вследствие прямого воздействия молнии на дыхательные и вазомоторные центры в продолговатом мозге может привести к прекращению основных жизненно важных функций. На коже часто появляются так называемые молниеносные отметины — древовидные бледно-розовые или красные полосы, исчезающие при надавливании пальцем (они остаются в течение 1-2 дней после смерти). Это результат расширения капилляров в области контакта молнии с телом.
При поражении молнией первая помощь должна быть неотложной. В тяжелых случаях (остановка дыхания и сердца) реанимация необходима и должна проводиться свидетелями происшествия, не дожидаясь медицинского персонала. Омоложение эффективно только в первые несколько минут после удара молнии. Обычно он перестает действовать через 10-15 минут. В обоих случаях требуется срочная госпитализация.
Изначально молния представляет собой светящуюся сферу (форма может немного отличаться), температура которой, по оценкам, составляет 500-1000 градусов Цельсия, путешествует в пространстве, проходит сквозь стекло и взрывается через несколько минут после своего появления. Пока больше ничего не известно.
Скорость и длина молнии
В среднем молния движется со скоростью около 56 000 км/с. Атмосферные молнии движутся со скоростью 40 км/ч. Средняя длина разряда составляет 9,5 км.
Старые фотографии молний в Бостоне.
Интересный факт: Самый большой удар молнии в мире был зафиксирован в Оклахоме — 321 км. А самый длинный разряд наблюдался в Альпах — 7,74 секунды.
Сила тока и напряжение молнии
Молния напрямую связана с электричеством и поэтому имеет две физические величины: ток и напряжение. При разрядах молнии на нашей планете сила тока была зарегистрирована в диапазоне от 10 000 до 500 000 ампер. Напряжение также очень высокое, измеряется десятками миллионов и миллиардами вольт.
Зимние грозы и молнии бывают очень редко. В холодное время года на поверхности земли меньше тепла. Таким образом, сильные восходящие воздушные потоки не возникают. Однако в последнее время, в связи с глобальным потеплением, зимы стали достаточно теплыми, чтобы могли возникать грозы.
Молния ударяет в статую Свободы зимой
Частота молнии
По данным прошлых исследований, молния возникает примерно 100 раз в секунду во всем мире. Однако спутники можно использовать для наблюдения за самыми отдаленными и недоступными частями Земли.
Частота молний (на квадратный километр в год)
Новые данные показывают 44 плюс-минус пять молний. Это означает, что за год происходит примерно 1,4 миллиарда электрических эвакуаций. Из них около 25% падают на землю, а остальные 75% взрываются между облаками.
Ученые пока не определили температуру огненной сферы. По их оценкам, температура должна быть в пределах 100-1000 градусов Цельсия, но люди, находившиеся рядом с феноменом, не почувствовали никакого жара от огненной сферы.
Что делать в грозу
Когда начинается гроза и видны молнии, необходимо найти укрытие и время от времени укрываться: грозовые разряды часто смертельно опасны, а если люди выживают, то часто остаются инвалидами.
Если поблизости нет зданий, а человек в это время находится в поле, ему лучше спрятаться от пещерной бури. Однако рекомендуется избегать высоких деревьев. Обычно молния поражает крупные растения, которые лучше всего подходят для электричества, если деревья имеют одинаковую высоту.
Для защиты отдельно стоящего здания или сооружения от молнии обычно устанавливают возле него высокий кусок ткани, к вершине которого прикреплен острый металлический стержень, соединенный с толстым кабелем, а на другом конце — металлический предмет, закопанный глубоко в землю. Система работы проста: стержни облака Lightning постоянно заряжаются противоположной нагрузкой облака, которая поступает в подземный кабель и нейтрализует нагрузку облака. Это устройство называется молниеотводом и устанавливается во всех зданиях в городах и других населенных пунктах.
