Почему появляется молния и какую опасность она представляет?

Что такое молния

Чаще всего молнии возникают в грозовых облаках, но могут наблюдаться при извержении вулканов, пылевых бурях и торнадо.

Как появляется молния

Всё дело в процессах, которые происходят в облаках. Каждое облако состоит из огромного количества капелек, а когда их концентрация повышается, мы можем наблюдать тучу. Внутри облака капельки часто замерзают и становятся льдинками, которые сталкиваясь друг с другом, получают положительный и отрицательный заряды. Положительно заряженные льдинки всегда скапливаются наверху облака, отрицательные — в нижней его части. Так и получается, что верхняя часть облака заряжается положительно, нижняя — отрицательно.

Чаще всего для возникновения молнии нужны два таких облака. Они должны подойти друг к другу: одно — положительной стороной, другое — отрицательной. До определённого момента два облака не контактируют из-за воздушной прослойки между ними, но со временем заряженные частицы начинают прорываться, ведь плюс и минус притягиваются.

Возникновение молнии

Именно за первыми заряженными частицами, которые преодолели воздушный барьер, следует вся накопленная энергия. В этот момент и возникает молния.

Виды молний

В зависимости от того, куда направлен разряд, можно выделить такие разновидности:

Молния внутри облака. Нередко разряд проходит внутри одного облака, ведь в нём есть и положительный, и отрицательный заряды.
Молния облако-облако. Наиболее распространённый тип, когда разряд происходит между двумя облаками. Для этого они должны быть грозовыми и подойти друг к другу противоположно заряженными сторонами.
Молния облако-земля. В этом случае вместо второго положительно заряженного облака выступает поверхность земли или какой-либо объект на ней. Область земли под облаком оказывается положительной из-за того, что при испарении лишилась отрицательных электронов. Таким образом, складываются условия, когда разряд проходит между отрицательной нижней частью облака и положительной поверхностью земли.

Почему молния не возникает зимой

Ледяные кристаллы в облаке приходят в движение из-за восходящего с земли тёплого потока воздуха. Зимой такой поток не очень сильный, поэтому большинство облаков не становятся грозовыми.

Почему слышен гром

Раскат грома — это ничто иное, как ударная волна от молнии. Когда возникает электрический разряд, воздух вокруг резко нагревается до запредельных температур и мгновенно расширяется, создавая звуковую волну. Свет от молнии распространяется быстрее, чем звук, поэтому мы сначала видим вспышку, а потом слышим гром.

Как возникает молния?

Внутри тучи

Грозовую тучу не спутаешь с обычным облаком. Ее мрачный, свинцовый цвет объясняется большой толщиной: нижний край такой тучи висит на расстоянии не более километра над землей, верхний же может достигать высоты 6-7 километров.

Что происходит внутри этой тучи? Водяной пар, из которого состоят облака, замерзает и существует в виде ледяных кристаллов. Восходящие потоки воздуха, идущие от нагретой земли, увлекают мелкие льдинки вверх, заставляя их все время сталкиваться с крупными, оседающими вниз.

В процессе столкновений льдинки электризуются, точно так же, как это происходит при трении различных предметов один о другой, — например, расчески о волосы.

Причем, мелкие льдинки приобретают заряд положительный, а крупные — отрицательный. По этой причине верхняя часть молниеобразующего облака приобретает положительный заряд, а нижняя — отрицательный. Возникает разность потенциалов в сотни тысяч вольт на каждом метре расстояния — как между облаком и землей, так и между частями облака.

Развитие молнии

Развитие молнии начинается с того, что в некотором месте облака возникает очаг с повышенной концентрацией ионов — молекул воды и, составляющих воздух, газов, от которых отняли или к которым добавили электроны.

По одним гипотезам, такой очаг ионизации получается из-за разгона в электрическом поле свободных электронов, всегда имеющихся в воздухе в небольших количествах, и соударением их с нейтральными молекулами, которые сразу же ионизируются.

Ионизированный газ служит неплохим проводником электричества, поэтому через ионизированные области начинает течь ток. Дальше — больше: проходящий ток нагревает область ионизации, вызывая всё новые высокоэнергетичные частицы, которые ионизируют близлежащие области, — канал молнии очень быстро распространяется.

Вслед за лидером

На практике процесс развития молнии происходит в несколько стадий. Сначала передний край проводящего канала, называемый «лидером», продвигается скачками по нескольку десятков метров, каждый раз, немного меняя направление (от этого молния получается извилистой). Причем скорость продвижения «лидера» может, в отдельные моменты, достигать 50 тысяч километров за одну-единственную секунду.

После того, как ионизированный канал, толщина которого может достигать нескольких сантиметров, оказывается «пробит», по нему с огромной скоростью — до 100 тысяч километров всего за одну секунду — устремляются заряженные частицы, это и есть сама молния.

Ток в канале составляет сотни и тысячи ампер, а температура внутри канала, при этом, достигает 25 тысяч градусов — потому молния и дает столь яркую вспышку, видимую за десятки километров. А мгновенные перепады температур, в тысячи градусов, создают сильнейшие перепады давления воздуха, распространяющиеся в виде звуковой волны — грома. Этот этап длится очень недолго — тысячные доли секунды, но энергия, которая при этом выделяется, огромна.

Конечная стадия

На конечной стадии скорость и интенсивность движения зарядов в канале снижается, но, все равно, остаются достаточно большими. Именно этот момент наиболее опасен: конечная стадия может длиться только десятые (и даже меньше) доли секунды. Такое, достаточно длительное, воздействие на предметы на земле (например, на сухие деревья) часто приводит к пожарам и разрушениям.

Причем, как правило, одним разрядом дело не ограничивается — по проторенному пути могут двинуться новые «лидеры», вызывая в том же самом месте повторные разряды, по количеству доходящих до нескольких десятков.

Оборудование для защиты

В первую очередь в защите нуждаются самолеты. Корпус каждого из них покрыт специальной экранирующей металлической сеткой, она проводит электричество, но не позволяет ему попасть внутрь, навредить оборудованию и людям. Есть и дополнительная защита, она установлена на каждом приборе и является гарантией того, что он не выйдет из строя. При попадании пассажиры на борту могут услышать громкий звук, но иногда его не слышно. Перед тем, как сдать самолет в использование, его всячески испытывают, один из тестов — симуляция разных видов молнии.

На домах и оборудовании устанавливают грозозащиту. Она не может уберечь от удара, ее назначение — в сохранении оборудования от статического электричества и напряжения. Когда появляется разница в напряжении, срабатывает защитный диод, благодаря этому провода заземляются.

Люди научились противостоять молниям, но так и не могут объяснить во всех деталях природу их появления. Но наука сделала большой прорыв. Знание основывалось на наблюдениях. Еще в древности, когда люди относили молнию к божьей каре, они подметили, что бьет она преимущественно в высокие объекты. О связи с электричеством стало известно только в 17 веке. На тот момент наиболее достоверную гипотезу выдвинул Б.Франклин. Его научный труд датирован 1750 годом, в нем описывается эксперимент, в ходе которого в грозу запускали воздушного змея с металлическим стержнем. Именно так была доказана электрическая природа. В 20 веке ученые уже знали, почему появляется молния, а также открыли их необычные разновидности. Сейчас изучение проводится через спутники.

Теория Капицы

Одна из ключевых теорий в подтверждение существования шаровых молний была выдвинута физиком Петром Леонидовичем Капицей. Он предполагал, что явление образуется вследствие газового разряда между облаками и землей. Тогда шаровая молния оказывается «нанизана» на линии электромагнитной волны и двигается вдоль проводящих поверхностей. Другими словами, шаровая молния возникает в результате коротковолновых электромагнитных колебаний в пространстве между облаком и землей. Однако природу появления этих колебаний академик объяснить не смог.

Фото NOAA, unsplash

«Не существует единого мнения о том, что представляет собой шаровая молния, ее состав и процессы, происходящие внутри. Мне близка теория Капицы. Когда идет гроза, бьют молнии — разряд между облаком и землей. На облаке накапливается один заряд, на земле — другой. Между ними есть напряженность электрического поля, и когда эта напряженность достигает определенной величины, происходит пробой и появляется молния. В это время в том пути, по которому проходит молния, могут образоваться разные состояния атмосферы. Может получится так, что в одном месте, где проходит молния, образуются разряды разных полярностей — молекулы разбиваются на атомы, атомы образуют ионы. Какое-то количество этих ионов образуют такую конфигурацию, что она сама себя поддерживает. То есть не разваливается в стороны и не разряжается, а просто поддерживает себя. Это сгусток разряженных частиц с каким-то количеством энергии, когда два противоположных заряда соединяются, энергия между ними выделяется в виде кванта света, поэтому молния и светится. А поскольку этот сгусток энергии плазмы находится в таком шарообразном состоянии, то этот светящийся шарик движется в пространстве, пока в нем не кончится вся энергия», — объясняет эксперт.

Электрические и структурные повреждения

Скульптура, поврежденная молнией в Веллингтоне, Новая Зеландия

Эйфелева башня является колоссальным громоотводом. (Фотография сделана 1902-06-03 21:02)

Телефоны , модемы , компьютеры и другие электронные устройства могут быть повреждены молнией, поскольку чрезмерный ток может достигнуть их через телефонную розетку , кабель Ethernet или электрическую розетку . Близкие удары также могут генерировать ЭМИ, особенно во время разрядов молнии.

Токи молнии имеют очень быстрое время нарастания , порядка 40 кА за микросекунду. Следовательно, проводники таких токов проявляют заметный скин-эффект , заставляя большинство токов протекать через внешнюю поверхность проводника.

Помимо повреждения электропроводки, следует учитывать и другие типы возможных повреждений, включая структурный, пожарный и имущественный ущерб.

ВСЛЕД ЗА ЛИДЕРОМ

В конце концов, «лидер» достигает земли или другой части облака, но это еще не главная стадия дальнейшего развития молнии. После того, как ионизированный канал, толщина которого может достигать нескольких сантиметров, оказывается «пробит», по нему с огромной скоростью — до 100 тысяч километров всего за одну секунду — устремляются заряженные частицы, это и есть сама молния.

Из-за чего бьет молния и как она появляется

Мы часто говорим на нашем сайте о погоде, ураганах, грозах, и прочих погодных явлениях, которые могут быть интересны с точки зрения науки и могут нанести ущерб хозяйственной деятельности человека или его жизни и здоровью. Очень часто такие явления способствуют появлению в атмосфере молний. Это тоже очень интересное и не до конца изученное явление, которое возникает из-за появления в воздухе заряженных частиц. По сути это чем-то напоминает статический разряд от шерстяного свитера, вот только масштабы более крупные. Тем не менее, при образовании молний должно сложиться множество факторов, о которых мы сегодня и поговорим. Тем более, мы уже рассказывали об интересных фактах, связанных с этим явлением. Теперь надо разобраться с природой появления “стрел Зевса”.

Молния может напугать, если не знать откуда она берется.

Что такое молния?

Согласно науке, можно сказать, что молния является искровым разрядом, возникающим в атмосфере. В числе основных проявлений можно назвать яркую вспышку света и громкий звук, который принято называть громом. Кроме Земли, молнии можно встретить на других планетах, например, Венере, Юпитере, Сатурне, Уране и других, где есть какая-то газовая среда.

Во время удара молнии высвобождается огромное количество энергии. В результате ее температура в несколько раз превышает температуру поверхности Солнца. Сила тока в разряде молнии на Земле достигает 500 ампер, а напряжение доходит до нескольких миллионов вольт.

Как раз из-за большого количества энергии, молния редко длится дольше долей секунд. Как правило значение доходит до четверти секунды (0,25), но бывают и исключения. Так, самая продолжительная молния зафиксирована на отметке почти восьми секунд (7,74).

Такая красота и почти восемь секунд.

Определение молнии согласно словарю Ожегова: МОЛНИЯ, -и, ж. 1. Мгновенный искровой разряд в воздухе скопившегося атмосферного электричества. Бывает линейная, зигзагообразная, шаровая и сухая.

Сейчас мы не будем останавливаться на определении молнии, как пометке для срочной новости или печатного издания, хотя суть понятна, и именно из-за скоротечности или, если хотите, молниеносности события они так и называются.

Забастовки

Удары молнии могут травмировать людей несколькими способами:

Прямой
- Прямой удар — человек является частью флэш-канала. Огромное количество энергии проходит через тело очень быстро, что приводит к внутренним ожогам, повреждению органов, взрывам плоти и костей и повреждению нервной системы. В зависимости от силы вспышки и доступа к медицинским услугам она может привести к мгновенному смертельному исходу или вызвать необратимую травму или повреждение.
- Контактная травма — предмет (обычно проводник), к которому прикасается человек, электризуется от удара.
- Боковой всплеск — ветви токов, «выскакивающие» из канала первичной вспышки, электризуют человека.
- Взрывные травмы — быть брошенным и получить травму тупым предметом от ударной волны (если очень близко) и возможное от грома .
Косвенный
- Ток заземления или «ступенчатый потенциал» — заряды земной поверхности стремятся к каналу вспышки во время разряда. Поскольку земля имеет высокий импеданс, ток «выбирает» лучший проводник, часто ноги человека, проходя через тело. Почти мгновенная скорость разряда вызывает разность потенциалов на расстоянии, которая может составлять несколько тысяч вольт на погонный фут. Это явление (также ответственное за сообщения о массовой гибели оленей из-за грозы) приводит к большему количеству травм и смертей, чем три вышеперечисленных вместе взятых.
- ЭМИ — процесс разряда производит электромагнитный импульс ( ЭМИ ), который может повредить искусственный кардиостимулятор или иным образом повлиять на нормальные биологические процессы.
- Галлюцинации могут быть вызваны у людей, находящихся в пределах 200 м (650 футов) от сильной грозы.
Вторичный или результирующий
- Взрывы
- Пожары
- Несчастные случаи

Предупреждающие признаки приближающегося удара поблизости могут включать треск, ощущение статического электричества в волосах или коже, резкий запах озона или появление синей дымки вокруг людей или предметов ( огонь Святого Эльма ). Людям, оказавшимся в таких экстремальных ситуациях — не сумевшим сбежать в более безопасное, полностью закрытое пространство, — рекомендуется принять «молниеносное положение», которое включает «сидение или приседание, прижав колени и ступни друг к другу, чтобы создать только одну точку соприкосновения. с землей »(ноги должны быть оторваны от земли, если сидишь; если необходимо положение стоя, ступни должны соприкасаться).

Рассказ очевидца

Федор, 46

«В детстве я с родителями каждое лето отдыхал у бабушки в деревне в Беларуси. Это было начало 80-х годов прошлого века. Мы жили в большом бревенчатом доме. Однажды случилась очень сильная гроза. Я смотрел в окно на разгул стихии. В какой-то момент наступило затишье. И тут я увидел странный очень яркий огненный шар. Он плавно двигался на высоте около пятидесяти сантиметров над поверхностью земли. Вместе со мной за этим феноменом наблюдал мой отец. Шар медленно приблизился к линии электропередач, так же плавно поднялся вертикально вверх к проводам, и, коснувшись их, с негромким хлопком сильно вспыхнул и бесследно исчез. В доме выключилось электричество. Мой папа, кандидат физико-технических наук, объяснил мне, что мы стали свидетелями редчайшего природного феномена — шаровой молнии», — рассказывает мужчина.

Если ли польза?

Электрический ток очищает воздух от загрязнений, каждому знакомо ощущение чистоты после грозы. Другое полезное действие — стимул к накоплению азота, это естественное удобрение для растений.

Есть отдельная научная дисциплина — громовая энергетика. Специализирующиеся на ней ученые ищут способы применения громовой энергии. Она классифицируется как возобновляемый источник, поэтому необходимы способы направления ее в электрические сети. В большинстве стран электроснабжение обходится очень дорого, причем не только материально. Добывающие станции наносят огромный вред природе. Если использовать грозовую активность, то неиссякаемым источником станет сама природа. В данный момент проблема в том, что появление грозы и ее продолжительность невозможно предсказать с высокой точностью.

Какие бывают молнии?

Выделяют множество видов молний, главное отличие — тип формирования в зависимости от высоты. От этого параметра зависит, какой вид образуется:

линейная типа туча-земля. Распространенный тип, образуется от разницы между зарядом в верхней и нижней части тучи. Все происходит так, как было изложено в стадиях;
линейная земля-туча. Результат пробивания атмосферного слоя между заряженной верхушкой и низом;
туча-туча. Формируется в гуще туч, вспышка появляется в результате столкновения полярных разрядов. Так пробивают друг друга расположенные рядом облака;
горизонтальная, как первый тип, но не доходит до поверхности земли. Вспышки разлетаются в разные стороны. Чтобы появилась такая молния, достаточно одной тучи на ясном небе, и она будет очень мощной;
ленточная. Необычная форма обусловлена несколькими одинаковыми каналами, которые идут параллельно сверху вниз. Предположительно причина в ветре, который физически расширяет каналы;
пунктирная. Возникает редко, изучена слабо. Выглядит, как пунктирная линия. Вероятнее всего, причина в том, что некоторые зоны быстро остывают;
шторовая. Запечатлеть такую на фото удалось только в 1994 году. Ее появлению сопутствует тихий, но уловимый гул. Выглядит, как широкая полоса света. В отличие от других формируется не внутри облака или под ним, а сверху;
спрайт. Если обычные формируются на высоте примерно в 16 км, то спрайт гораздо выше — в 50-130 км над землей. Это заряженная холодная плазма, которая бьет из тучи вверх. Образуются при очень сильной грозе сразу по несколько штук, длится не более сотни миллисекунд, длина вспышек достигает 60 км, диаметр — 100 км;
эльф. Такое название дали вспышкам конусообразной формы, обладают красноватым оттенком. Появляются в верхних слоях, длятся три миллисекунды, в высоту достигают сотни километров;
джет. Синие молнии трубчато-конусной формы. Живут немного дольше относительно эльфов;
вулканическая. Формируются при извержении вулкана, скорей всего действие обусловлено электрическим зарядом в лаве и пепле;
Огни Святого Эльма. Формально это не молния, а разряд, созданных на заостренных вершинах: макушках деревьев, горах, башнях и других. Причина появления в большой напряженности электрического поля. Так бывает в грозу или во время метели;
шаровая. Это круглые сгустки плазмы, они плывут прямо по воздуху. Как именно формируется шаровая молния, ученые не знают. Известно лишь то, что ведут себя такие молнии очень непредсказуемое. Кстати, некоторые деятели науки до сих пор не верят в их существование.

Поведение шаровых молний

Поведение шаровой молнии не менее загадочное, чем само явление. Траекторию движения предсказать невозможно, как и скорость, с которой молния будет двигаться. Она может зависнуть на месте над землей или мчаться, развивая скорость до 30км/ч. Кроме того, существуют рассказы о том, что шаровая молния может просачиваться в щели стен и стекол, не оставляя ни малейшего следа, кружить в помещении, а потом возвращаться на улицу через те же щели.

Описаны и случаи столкновения такой молнии с людьми или животными: тут тоже все неоднозначно. В некоторых ситуациях шаровая молния не приближается к человеку и продолжает «плыть» в своем направлении, однако рассказывают и о случаях, когда молнии «нападали» на людей и животных и обжигали или даже убивали их.

Один из таких случаев описан гравером Георга Рихмана, члена Санкт-Петербургской Академии Наук. Он изобрел прибор для изучения атмосферного электричества и во время грозы включил его, чтобы зафиксировать явление. В этот момент из прибора образовался синеватый шарик и ударил профессора в лоб. Тот скончался, а в месте удара осталось бордовое пятно. Одежда ученого была разорвана и опалена, дверные косяки разлетелись в щепки, а сама дверь слетела с петель. Гравер не пострадал. Позже тело академика изучал Михаил Васильевич Ломоносов.

Изображение Wikipedia

Влияние на природу

Воздействие на растительность

Зеленое дерево, в которое ударила молния, взорвав ствол.

В это эвкалиптовое дерево ударила молния, а два соседних хвойных дерева остались нетронутыми, Дарвин, Северная территория , Австралия.

Ударенное молнией дерево на островах Торонто ясно показывает путь, по которому заряд проникал в землю.

Деревья — частые проводники молнии к земле. Поскольку сок является относительно плохим проводником, его электрическое сопротивление приводит к его взрывному нагреву до пара, который сдувает кору за пределы пути молнии. В следующие сезоны деревья зарастают поврежденный участок и могут полностью его закрыть, оставив только вертикальный рубец. Если повреждение серьезное, дерево может не восстановиться, и наступает гниение, в конечном итоге убивающее дерево.

В малонаселенных районах, таких как Дальний Восток и Сибирь , удары молнии являются одной из основных причин лесных пожаров . Дым и туман, исходящие от очень большого лесного пожара, могут вызвать электрические разряды, вызывая дополнительные пожары за много километров по ветру.

Разрушение скал

Когда вода в трещиноватой породе быстро нагревается от удара молнии, возникающий в результате паровой взрыв может вызвать разрушение породы и сдвиг валунов. Это может быть значительным фактором эрозии тропических и субтропических гор, которые никогда не покрывались льдом. Свидетельства ударов молнии включают неустойчивые магнитные поля.

Природа появление молнии и ее опасность