Молния как физическое явление: Молния как физическое явление

Молния как физическое явление

Механизм образования молнии

Для формирования молнии необходимо возникновение и разделение положительных и отрицательных зарядов в грозовом облаке. При движении воздуха за счет конвекции различные воздушные потоки и облака в результате соприкосновения электризуются. Положительно заряженные капли воды и льдинки поднимаются, заряжая верхнюю часть грозового облака, а отрицательно заряженные оказываются внизу того же облака. Между двумя облаками, а также между облаками и землей возникает мощное электрическое поле. Рассмотрим последний случай.

Молния между облаком и землей

Молния — это электрический разряд в атмосфере, сопровождающийся вспышкой света и последующим громом. Светящийся канал разряда напоминает разветвляющуюся реку или дерево. Ее возникновению предшествует образование проводящего канала для разряда молнии в виде ломаной линии, так называемого ступенчатого лидера. Длина каждой такой «ступеньки» — около 50 м.

На таком отрезке электроны под действием сильного электрического поля между тучей и землей разгоняются до скоростей порядка 50 000 км/с! Ионизировав огромное количество атомов, первичные электроны теряют энергию и тормозятся. Зато вновь образовавшиеся электроны быстро разгоняются до столь же высоких скоростей, и возникает следующее звено лидера. И так продолжается до тех пор, пока он не достигнет земли.

Облако и земля оказываются соединенными проводящим каналом, содержащим громадное количество носителей заряда. Иными словами, это проводник электрического тока. Теперь электроны нижней части тучи могут свободно сигануть вниз, на землю. Происходит как бы короткое замыкание между тучей и поверхностью земли — мощный электрический разряд, то есть бьет молния. Когда весь отрицательный заряд этой части тучи сбегает по такому каналу вниз, молния исчезает. Вспышка длится десятые доли секунды. Но бывают случаи, когда после первой молнии по тому же каналу бежит новый лидер — происходят второй разряд и вспышка молнии.

Интервалы между последовательными импульсами очень коротки, от 1/100 до 1/10 с. Число таких повторных вспышек может доходить до 40.

Молния между облаками

Готовим молнию

Мы и сами можем смоделировать молнию, пусть и миниатюрную. Опыт следует проводить в темном помещении, иначе ничего не будет видно. Нам потребуется два продолговатых воздушных шарика. Надуем их и завяжем. Затем, следя, чтобы шарики не соприкасались, одновременно натрем их шерстяной тряпочкой. Воздух, наполняющий их, наэлектризуется. Если шарики сблизить, оставив между ними минимальный зазор, то от одного к другому через тонкий слой воздуха начнут проскакивать искры, создавая световые вспышки. Одновременно мы услышим слабое потрескивание — миниатюрную копию грома при грозе.

Мы проводники!

Человеческое тело является хорошим проводником. Его мускулы и кровеносные сосуды в значительной степени состоят из воды, а нервы способны переносить электрические сигналы. Интересно, что 86% жертв молний — мужчины.

То ли у них физиология особенная, то ли они бывают на свежем воздухе чаще женщин, проводящих большую часть жизни дома.

Человек имеет значительные шансы выжить при ударе молнии в него. Конечно, температура во время разряда очень высока, но длится он обычно недолго и не всегда приводит к серьезным ожогам. Основной ток молнии часто проходит по поверхности тела, поэтому большинство пораженных молнией людей не умирают.

Интересные факты о молниях

• Средняя длина молнии — 2,5 км. Некоторые разряды простираются в атмосфере на расстояние до 20 км.
• Молнии также были зафиксированы на Венере, Юпитере, Сатурне и Уране. Молнии Сатурна в 1 млн раз сильнее земных.
• Воздух в зоне канала молнии практически мгновенно разогревается до температуры 25 000—30 000°С.
• От удара молнии в мире в среднем погибает около 3000 человек ежегодно.
• Из деревьев молнией чаще всего поражаются тополя (27%), груши (20%), липы (12%), ели (8%), а кедровые составляют только 0,5%.

Поделиться ссылкой

МОЛНИЯ (явление) – это… Что такое МОЛНИЯ (явление)?

МО́ЛНИЯ, гигантский электрический искровой разряд в атмосфере, сопровождающийся обычно яркой вспышкой света и громом (см. ГРОМ). Чаще всего наблюдаются линейные молнии — разряды между грозовыми облаками ( см. ОБЛАКА) (внутриоблачные) или между облаками и земной поверхностью (наземные).Процесс развития наземной молнии состоит из несколько стадий. На первой стадии в зоне, где электрическое поле достигает критического значения, начинается ударная ионизация, создаваемая вначале свободными электронами, всегда имеющимися в небольшом количестве в воздухе, которые под действием электрического поля приобретают значительные скорости по направлению к земле и, сталкиваясь с атомами воздуха, ионизуют их. Таким образом, возникают электронные лавины, переходящие в нити электрических разрядов — стримеры, представляющие собой хорошо проводящие каналы, которые, сливаясь, дают начало яркому термоионизованному каналу с высокой проводимостью — ступенчатому лидеру молнии.

Движение лидера к земной поверхности происходит ступенями в несколько десятков метров со скоростью около 5·10⁷ м/с, после чего его движение приостанавливается на несколько десятков мкс, 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 2·10 ⁵ м/с. По мере продвижения лидера к земле напряженность поля на его конце усиливается и под его действием из выступающих на поверхности Земли предметов выбрасывается ответный стример, соединяющийся с лидером. Эта особенность молний используется для создания молниеотвода (см. МОЛНИЕОТВОД). В заключительной стадии по ионизованному лидером каналу следует обратный, или главный, разряд молнии, характеризующийся токами от десятков до сотен тысяч А, яркостью, заметно превышающей яркость лидера, и большой скоростью продвижения, вначале доходящей до 10⁸ м/с, а в конце уменьшающейся до 10⁷ м/с. Температура канала при главном разряде может превышать 25 000 °С. Длина канала наземной молнии 1—10 км, диаметр — несколько см. После прохождения импульса тока ионизация канала и его свечение ослабевают. В финальной стадии ток молнии может длиться сотые и даже десятые доли секунд, достигая сотен и тысяч А. Такие молнии называют затяжными, они наиболее часто вызывают пожары.
Главный разряд разряжает нередко только часть облака. Заряды, расположенные на больших высотах, могут дать начало новому (стреловидному) лидеру, движущемуся непрерывно со средней скоростью 10⁶ м/с. Яркость его свечения близка к яркости ступенчатого лидера. Когда стреловидный лидер доходит до поверхности земли, следует второй главный удар, подобный первому. Обычно молния включает несколько повторных разрядов, но их число может доходить и до нескольких десятков. Длительность многократной молнии может превышать 1 секунду. Смещение канала многократной молнии ветром создает «ленточную» молнию — светящуюся полосу.
Внутриоблачные молнии включают в себя обычно только лидерные стадии; их длина от 1 до 150 км. Доля внутриоблачных молний растет по мере смещения к экватору, меняясь от 50% в умеренных широтах до 90% в экваториальной полосе. Прохождение молний сопровождается изменениями электрических и магнитных полей и радиоизлучением — атмосфериками ( см. АТМОСФЕРИКИ). Вероятность поражения молнией наземного объекта растет по мере увеличения его высоты и с увеличением электропроводности почвы на поверхности или на некоторой глубине (на этих факторах основано действие молниеотвода). Если в облаке существует электрическое поле, достаточное для поддержания разряда, но недостаточное для его возникновения, роль инициатора молнии может выполнить длинный металлический трос или самолет — особенно, если он сильно электрически заряжен. Таким образом иногда «провоцируются» молнии в слоисто-дождевых и мощных кучевых облаках.
Особый вид молний — шаровая молния (см. ШАРОВАЯ МОЛНИЯ), светящийся сфероид, обладающий большой удельной энергией, образующийся нередко вслед за ударом линейной молнии.

физика атмосферы, в результате чего

Такое явление, как гроза, одновременно пугает и завораживает. Вспышки молний, расчерчивающих потемневшее небо, и страшные раскаты грома… В древности люди думали, что так боги проявляют свой гнев на жителей Земли. В настоящее время наука может дать точное описание и объяснение этому природному явлению.

Как появляется молния и гром: краткое описание явления

Искровой разряд

Молния — это гигантский электрический разряд, всегда сопровождающийся яркой вспышкой и звуковыми раскатами —

громом. Вспышка молнии редко бывает одиночной, обычно они бывают от 2-3 до нескольких десятков разрядов. Образование этого явления возможно в кучево-дождевых облаках или слоисто-дождевых тучах огромных размеров (до 7 км в высоту). Такие облака и тучи легко выделить среди других по насыщенному темно-синему цвету. 

Источник: yandex. by

Молнии могут образовываться:

1. Внутри одной тучи.
2. Между соседними наэлектризованными облаками.
3. Между тучами и поверхностью земли. 

Грозовые облака состоят из пара, который в верхних слоях тучи из-за низкой температуры конденсирован в виде кристалликов льда. Для того чтобы туча стала грозовой, ледяные кристаллы внутри нее должны начать активно двигаться. Этому способствуют потоки теплого воздуха, поднимающиеся с нагретой поверхности. Теплые массы воздуха влекут за собой вверх более мелкие кристаллики льда, которые наталкиваются на более крупные. В результате этого процесса маленькие кристаллы оказываются положительно заряженными, крупные — отрицательно заряженными.

При этом маленькие кристаллики льда концентрируются в верхней части тучи, которая становится положительно заряженной, а большие — в нижней, отрицательно заряженной. Напряженность электрического поля в таком облаке достигает огромных значений: 1 миллион вольт на 1 метр. При соприкосновении противоположно заряженных слоев в местах столкновения ионы и электроны образуют канал, все заряженные частицы устремляются по нему вниз, и образуется мощный электрический разряд — молния. 

Полученный канал раскаляется до 30000 градусов Цельсия и образует яркий свет, который видно доли секунды. После того, как канал образован, грозовая туча начинает разряжаться: за первым ударом молнии следуют два и более разрядов. 

Звук разряда

Через несколько секунд после вспышки молнии возникает гром. Гром — это взрывоподобные колебания воздуха, которые происходят из-за резкого повышения давления вдоль канала, чему способствует разогрев атмосферы до 30000 градусов Цельсия. 

Удар молнии — это своего рода взрыв, который вызывает ударную волну, очень опасную для человека или животного, оказавшегося поблизости. Находясь на отдаленном расстоянии от эпицентра грозы, мы не можем ощутить ударную волну электрического разряда, но хорошо слышим звуковую, которую и называем громом или громовыми раскатами.

Сколько молний возникает ежедневно

Благодаря данным со спутников ученые узнали, что в каждую секунду на Земле происходит 44 ± 5 ударов молнии. То есть за сутки случается более 3,5 миллионов разрядов, а их количество в год составляет порядка 1,4 миллиарда. При этом около 25% ударяют в землю и примерно 75% вспыхивают среди облаков.

Природа молнии в физике

Молния не образуется мгновенно из ничего, хоть все и происходит очень быстро. Один электрический разряд можно разделить на 2 стадии:

1. Ступенчатый лидер.
2. Обратная вспышка.

Ступенчатый лидер

Перед вспышкой молнии в небе можно увидеть небольшое пятно, которое движется от облака к поверхности земли. Это пятно называют «ступенчатым лидером», оно является тем самым каналом, по которому чуть позже будет произведен электрический разряд. Лидер может разветвляться, как и последующий удар молнии по этому каналу. Происходит это из-за неравномерной ионизации воздуха. 

Обратная вспышка

Когда ступенчатый лидер достигает поверхности земли, по проложенному им каналу начинает течь ток. В этот момент и можно видеть основную вспышку молнии, которая сопровождается огромным выделением энергии и высокими показателями силы тока. При этом лидер всегда распространяется от тучи к земле, а яркая вспышка, которую мы называем молнией, наоборот, от земли к туче.

Молния — это явление, которое идет не от тучи к земле, а происходит между ними.

Почему возникает гром

Удар молнии всегда сопровождается звуками грома. Объясним, как возникает гром.

При вспышке молнии происходит резкий скачок температуры окружающего воздуха до огромных значений, что приводит к расширению нагретого воздуха по типу взрыва, вызывающему ударную волну или раскат грома. Почти всегда громкость звука увеличивается к концу раската из-за отражения звука от облаков и поверхности земли. Чем большее число молний прошло по каналу, тем продолжительнее будет сотрясение воздуха. При значительной длине электрического разряда звук с разных его участков доходит в разное время и образуются громовые раскаты.

Скорость света и скорость звука

Из-за того, что скорость звука (330 метров в секунду) гораздо меньше скорости света (299 792 458 метров в секунду), гром всегда появляется немного позже молнии. 

По времени задержки грома от молнии можно рассчитать расстояние до того места, куда ударил разряд. Для этого нужно посчитать, сколько секунд прошло между вспышкой и звуками грома. 3 секунды будут примерно равны расстоянию в 1 километр.

Разновидности молний

На Земле существует несколько разновидностей молний. 

1. Наземные (составляют всего около 25% от общего количества).
2. Внутриоблачные (самое распространенное явление).
3. Молнии, образующиеся в высших слоях атмосферы, которые можно увидеть только при помощи специальных приборов.
4. Вулканические.
5. Огни святого Эльма.
6. Шаровые.

К наземным относятся:

Линейная. Частый вид, образование которого мы как раз и приводили выше, описывая разряд между небом и землей. Молния представляет собой изогнутую линию с ответвлениями, один конец которой находится в небе, другой — на поверхности земли. 

Источник: pxhere.com

Молния «земля-облако» образуется, когда разряд попадает в объект, расположенный на большой высоте. Высокие предметы накапливают электростатический заряд и тем самым приманивают молнии.

Источник: yandex.uz

Ленточная. Интересный редкий вид молнии, который представляет собой ряд одинаковых каналов, находящихся на небольшом расстоянии и параллельных друг другу. Ученые считают, что причиной данного явления выступает сильный ветер, который значительно расширяет каналы.

Источник: popmech. ru

Пунктирная или жемчужная. Очень редкий вид, который представляет собой не сплошной разряд, а линию, состоящую из частых промежутков, похожих на пунктиры. Ученые предполагают, что такой эффект возможен по причине быстрого остывания некоторых участков молнии. 

Источник: tainaprirody.ru

Шторовая. В отличие от других видов возникает над облаками. Внешне выглядит эффектно — как сеть разрядов. При ней можно слышать негромкий гул. Такую молнию впервые сфотографировали только в 1994 году.

Источник: rusdialog.ru

Внутриоблачные или межоблачные электрические разряды бывают 2-х видов:

«Облако-облако». Самый распространенный вид молний, когда оба концы электрического разряда находятся в небе. Это происходит потому, что соседние облака имеют разные заряды и пробивают друга друга. Такой вид молнии не опасен для человека, так как не достигает поверхности земли.

Источник: wallhere.com

Горизонтальная. Напоминает собой молнию «облако-земля», но при этом не достигает земли. Вспышки по небу распространяются в разные стороны, выглядит такой разряд очень эффектно и считается чрезвычайно мощным. 

Источник: agrometeo.od.ua

Вспышки, которые образуются на высоте 40 км и выше от поверхности земли, делятся на:

Спрайты. Привычные нам электрические разряды образуются на высоте порядка 16 км. Спрайты же возникают гораздо выше, от 50 до 130 км над землей. Это вспышки холодной плазмы, которые бьют из облаков вверх. Они образуются группами при сильной грозе и появляются спустя несколько секунд после мощной молнии. Обладают следующими параметрами: средняя длина вспышки составляет 60 км, длительность — до 100 миллисекунд, диаметр — до 100 км.

Источник: mirkosmosa.ru

Эльфы. Представляют собой масштабные разряды в виде конусов со слабым красным светом. Их диаметр около 400 км. Возникают в верхних частях грозовых облаков. Их высота составляет 100 км, длительность — 3 миллисекунды.

Источник: interplanetaryfest.org

Джеты. Вспышки с синим свечением и трубчато-конусной формой. В высоту достигают 40-70 км. Длятся чуть дольше эльфов.

Источник: twitter.com

Необычными видами электрических разрядов считаются:

Вулканическая. Такой вид образуется при извержении вулкана. Связано это со столкновением электрических зарядов, которые несут в себе пепел и магма.

Источник: emosurf.com

Огни Святого Эльма. Это разряды, возникающие на острых концах высоких объектов (вершины скал, мачты судов, деревья, башни и т.п.). Возникают по причине высокой напряженности электрического поля во время грозы летом или метели зимой.

Источник: knowhow.pp.ua

Шаровая. Этот вид электрического разряда представляет собой шарообразный сгусток плазмы диаметром 10-20 см, который свободно перемещается по воздуху, имеет непредсказуемую траекторию движения и способен взрываться. С уверенностью можно говорить о том, что это самый интересный и малоизученный вид молний.

Источник: www.yapfiles.ru

Интересные факты о молниях в небе

1. Самая длинная молния на Земле зафиксирована в 2007 году в Оклахоме, США. Ее длина составила 321 км.
2. Самая долгая молния — наблюдалась в течение 7,74 секунды — зафиксирована в Альпах.
3. Похожие природные явления образуются и на других планетах. Ученым удалось зафиксировать вспышки на Венере, Уране, Сатурне, Юпитере и выяснить, что на Сатурне они гораздо мощнее, чем на Земле.
4. Значения характеристик тока в молнии очень высоки: сила тока порой достигает сотен тысяч Ампер, напряжение равно миллиарду Вольт.
5. Температура канала молнии достигает рекордных 30000 градусов Цельсия, что почти в 5-6 раз больше температуры на Солнце, а ширина канала, по которому проходит ток, — всего 1 сантиметр в диаметре.
6. Скорость молнии составляет в среднем около 56000 км в секунду, при том что гроза движется со скоростью около 40 км/час. Средняя длина электрического разряда равна 9,5 километрам.
7. Обычная вспышка длится 0,2-0,3 секунды и состоит из 3-4 электрических разрядов.
8. В Венесуэле, в устье реки Кататумбо, круглый год ночью можно наблюдать множество молний, которые возникают без перерыв в течение длительного времени. Пик необычного явления приходится на май и октябрь.
9. При попадании электрического разряда в песок или горную породу образуются фульгуриты. Фульгуриты представляют собой стеклянные, полые внутри трубочки разнообразных форм и размеров.
10. Молния попадает в самолеты один раз за 5-10 тысяч летных часов.
11. Вероятность увидеть шаровой сгусток плазмы — 1 к 10 000.
12. Вероятность умереть от удара молнии довольно низкая: 1 к 2000000.
13. При попадании электрического разряда непосредственно в землю или человека оставляет витиеватые следы, которые внешне напоминают молнию по форме.
14. Молния всегда ищет самый короткий путь для удара между землей и небом. Поэтому чаще всего бьет в высокие объекты, возвышающиеся над поверхностью земли. Именно по этой причине во время грозы очень опасно находиться на равнине или на поверхности воды, так как человек в этом случае превращается в самый высокий объект.
15. Громоотводы были придуманы в качестве ловушки для молний, но стопроцентной гарантии они не дают. По наблюдениям ученых 3 заряда из 10 приходят мимо.

Если в вашей учебе наметилась непогода, срочно обращайтесь за помощью к образовательному сервису Феникс.Хелп. Как надежный громоотвод, мы возьмем всю вашу учебную нагрузку на себя.

описание, интересные факты, виды (фото)

Древние люди далеко не всегда считали грозу и молнию, а также сопровождающий их раскат грома проявлением гнева богов. Например, для эллинов гром и молния являлись символами верховной власти, тогда как этруски считали их знамениями: если вспышка молнии была замечена с восточной стороны, это означало, что всё будет хорошо, а если сверкала на западе или северо-западе – наоборот.

Идею этрусков переняли римляне, которые были убеждены, что удар молнии с правой стороны является достаточным основанием, чтобы отложить все планы на сутки. Интересная трактовка небесных искр была у японцев. Две ваджры (молнии) считались символами Айдзен-мео, бога сострадания: одна искра находилась на голове божества, другую он держал в руках, подавляя нею все негативные желания человечества.

Небесные искры

Молния – это огромных размеров электрический разряд, который всегда сопровождается вспышкой и громовыми раскатами (в атмосфере чётко просматривается сияющий канал разряда, напоминающий дерево). При этом вспышка молнии почти никогда не бывает одна, за ней обычно следует две, три, нередко доходит и до нескольких десятков искр.

Эти разряды почти всегда образуются в кучево-дождевых облаках, иногда – в слоисто-дождевых тучах больших размеров: верхняя граница нередко достигает семи километров над поверхностью планеты, тогда как нижняя часть может почти касаться земли, пребывая не выше пятисот метров. Молнии могут образовываться как в одной туче, так и между находящимися рядом наэлектризованными облаками, а также между облаком и землей.

Секреты самых необычных природных явлений88164.334

Состоит грозовая туча из большого количества пара, сконденсированного в виде льдинок (на высоте, превышающей три километра это практически всегда ледяные кристаллы, поскольку температурные показатели здесь не поднимаются выше нуля). Перед тем как туча становится грозовой, внутри неё начинают активное движение ледяные кристаллы, при этом двигаться им помогают восходящие с нагретой поверхности потоки тёплого воздуха.

Воздушные массы увлекают за собой вверх более мелкие льдинки, которые во время движения постоянно наталкиваются на более крупные кристаллы. В результате кристаллики меньших размеров оказываются заряженными положительно, более крупные – отрицательно.

После того как маленькие ледяные кристаллики собираются наверху, а большие – снизу, верхняя часть облака оказывается положительно заряженной, нижняя – отрицательно. Таким образом, напряжённость электрического поля в туче достигает чрезвычайно высоких показателей: миллион вольт на один метр.

Когда эти противоположно заряженные области сталкиваются друг с другом, в местах соприкосновения ионы и электроны образовывают канал, по которому вниз устремляются все заряженные элементы и образуется электрический разряд – молния. В это время выделяется настолько мощная энергия, что её силы вполне хватило бы на то, чтобы на протяжении 90 дней питать лампочку мощностью в 100 Вт.

Канал раскаляется почти до 30 тыс. градусов Цельсия, что в пять раз превышает температурные показатели Солнца, образуя яркий свет (вспышка обычно длится лишь три четверти секунды). После образования канала грозовое облако начинает разряжаться: за первым разрядом следуют две, три, четыре и больше искр.

Удар молнии напоминает взрыв и вызывает образование ударной волны, чрезвычайно опасной для любого живого существа, оказавшегося возле канала. Ударная волна сильнейшего электрического разряда в нескольких метрах от себя вполне способна сломать деревья, травмировать или контузить даже без прямого поражения электричеством:

• На расстоянии до 0,5 м до канала молния способна разрушить слабые конструкции и травмировать человека;
• На расстоянии до 5 метров постройки остаются целыми, но может выбить окна и оглушить человека;
• На больших расстояниях ударная волна негативных последствий не несёт и переходит в звуковую волну, известную как громовые раскаты.

Раскаты грома

Через несколько секунд после того как был зафиксирован удар молнии, из-за резкого повышения давления вдоль канала, атмосфера раскаляется до 30 тыс. градусов Цельсия. В результате этого возникают взрывообразные колебания воздуха и возникает гром. Гром и молния тесно взаимосвязаны друг с другом: длина разряда нередко составляет около восьми километров, поэтому звук с разных его участков доходит в разное время, образуя громовые раскаты.

Интересно, что измеряя время, которое прошло между громом и молнией, можно узнать, насколько далеко находится эпицентр грозы от наблюдателя.

Для этого нужно умножить время между молнией и громом на скорость звука, который составляет от 300 до 360 м/с (например, если промежуток времени составляет две секунды, эпицентр грозы находится немногим более чем в 600 метрах от наблюдателя, а если три – на расстоянии километра). Это поможет определить, удаляется или приближается гроза.

Удивительный огненный шар

Одним из наименее изученных, а потому наиболее таинственных явлений природы считается шаровая молния – передвигающийся по воздуху святящийся плазменный шар.  Загадочен он потому, что принцип формирования шаровой молнии неизвестен и поныне: несмотря на то, что существует большое число гипотез, объясняющих причины появления этого удивительного явления природы, на каждую из них нашлись возражения. Учёным так и не удалось опытным путём добиться образования шаровой молнии.

Шарообразная молния способна существовать длительное время и перемещаться по непрогнозируемой траектории. Например, она вполне способна зависать несколько секунд в воздухе, после чего метнуться в сторону.

В отличие от простого разряда, плазменный шар всегда бывает один: пока не было одновременно зафиксировано двух и больше огненных молний . Размеры шаровой молнии колеблются от 10 до 20 см. Для шаровой молнии характерны белый, оранжевый или голубой тона, хотя нередко встречаются и другие цвета, вплоть до чёрного.

Ученые еще не определили температурные показатели шаровой молнии: несмотря на то, что она по их подсчётам должна колебаться от ста до тысячи градусов Цельсия, люди, находившиеся недалеко от этого феномена, не ощущали исходившей от шаровой молнии теплоты.

Основная трудность при изучении этого феномена состоит в том, что зафиксировать его появление учёным удаётся редко, а показания очевидцев часто ставят под сомнение тот факт, что наблюдаемое ими явление действительно являлось шаровой молнией. Прежде всего, расходятся показания относительно того, в каких условиях она появилась: в основном её видели во время грозы.

Существуют также показания, что шаровая молния может появляться и в погожий день: спуститься с облаков, возникнуть в воздухе или появиться из-за какого-нибудь предмета (дерева или столба).

Ещё одной характерной особенностью шаровой молнии является её проникновение в закрытые комнаты, была замечена даже в кабинах пилотов (огненный шар может проникать через окна, спускаться по вентиляционным каналам и даже вылетать из розеток или телевизора).  Также были неоднократно задокументированы ситуации, когда плазменный шар закреплялся на одном месте и постоянно там появлялся.

Нередко появление шаровой молнии не вызывает неприятностей (она спокойно движется в воздушных потоках и через какое-то время улетает или исчезает). Но, были замечены и печальные последствия, когда она взрывалась, моментально испаряя находящуюся неподалёку жидкость, плавя стекло и металл.

Возможные опасности

Поскольку появление шаровой молнии всегда неожиданно, увидев возле себя этот уникальный феномен, главное, не впадать в панику, резко не двигаться и никуда не бежать: огненная молния очень восприимчива к колебаниям воздуха. Необходимо тихо уйти с траектории движения шара и постараться держаться от неё как можно дальше. Если человек находится в помещении, нужно потихоньку дойти до оконного проёма и открыть форточку: известно немало историй, когда опасный шар покидал квартиру.

В плазменный шар ничего нельзя бросать: он вполне способен взорваться, а это чревато не только ожогами или потерей сознания, но остановкой сердца. Если же случилось так, что электрический шар зацепил человека, нужно перенести его в проветриваемую комнату, теплее укутать, сделать массаж сердца, искусственное дыхание и сразу же вызвать врача.

Тайны Бермудского треугольника88164.3993

Что делать в грозу

Когда начинается гроза и вы видите приближение молнии, нужно найти укрытие и спрятаться от непогоды: удар молнии нередко смертелен, а если люди и выживают, то часто остаются инвалидами.

Если же никаких построек поблизости нет, а человек в это время в поле, он должен учитывать, что от грозы лучше спрятаться в пещере. А вот высоких деревьев желательно избегать: молния обычно метит в самое большое растение, а если деревья имеют одинаковую высоту, то попадает в то, что лучше проводит электричество.

Чтобы защитить отдельно стоящее строение или конструкцию от молнии, возле них обычно устанавливают высокую мачту, наверху которой закреплён заострённый металлический стержень, надёжно соединённый с толстым проводом, на другом конце находится закопанный глубоко в землю металлический предмет. Схема работы проста: стержень от грозовой тучи всегда заряжается противоположным облаку зарядом, который, стекая по проводу под землю, нейтрализует заряд тучи. Это устройство называется громоотвод и устанавливается на всех зданиях городов и других людских поселений.

С чего начинается молния – Огонек № 18 (5514) от 21.05.2018

За красными гоблинами, эльфами и голубыми струями теперь будут наблюдать с МКС. Но даже с земли ученым многое видно: от встречных лидеров до сталкеров. В науке о молниях — сезон открытий

На МКС доставлен комплекс приборов ASIM, задача которого приоткрыть тайны переходных световых явлений, сообщили информагентства. За скучной формулировкой — научный детектив: в конце 1980-х ученые обнаружили в верхних слоях атмосферы во время гроз нечто странное. Как оказалось, там имеют место особые световые явления, или TLE (от англ. Transient Luminous Events). Говорят, их наблюдали и раньше, в частности пилоты самолетов, но фундаментальная наука занимается этой загадкой лишь пару десятилетий. Эти феномены даже окрестили необычно — спрайтами (они же красные призраки или гоблины — короткие вспышки, которые наблюдают в основном в ночное время), эльфами (самые высотные и кольцеобразные) и голубыми струями. С чем столкнулась наука, «Огонек» выяснил в Лаборатории физики молний Института прикладной физики РАН.

— Все грозовые разряды делятся на три типа: облако — земля (это те самые молнии, которые мы видим), внутриоблачные разряды и разряды облако — ионосфера. Так вот TLE — это и есть разряды над грозовыми облаками,— поясняет «Огоньку» сотрудник Лаборатории Мария Шаталина.— Для того чтобы образовался такой разряд, должна быть мощная облачность, что в наших широтах редкость, поэтому их чаще наблюдают в Европе и Америке. Однако у нас в Лаборатории недавно запустили экспериментальную установку, с помощью которой мы моделируем такие разряды.

В чем научная значимость проекта по изучению TLE из космоса? Специалисты, опрошенные «Огоньком», единодушны: с ними, как и с молниями в целом, остается много загадок. А в Лаборатории физики молний поясняют: известно, что TLE возникают, когда при мощных грозовых событиях создается разница потенциалов между грозовым облаком и ионосферой и разряд может пойти вверх. Но есть ли еще какие-то условия для их возникновения? Вопрос открыт. Как открыт и другой: как влияют эти световые явления на состав верхних слоев атмосферы? Известно, что во время грозы внизу, под облаками, выделяется озон. Но что происходит наверху, ведь в электрическом поле химические реакции протекают по-другому? Тут и пригодится комплекс ASIM.

— Можно сказать, что новый феномен, который ASIM будет изучать,— это окно во внутренние процессы, происходящие в молнии,— подчеркивает в одном из интервью ведущий исследователь проекта, физик из Дании Торстен Нейберт.

Проект только начался, но перспективы у него самые радужные, ведь в последние годы наука семимильными шагами продвигается в изучении молний. Судите сами. Как отмечает Мария Шаталина из Лаборатории физики молний, только недавно были открыты так называемые компактные внутриоблачные разряды — очень мощные и редкие, их приходится изучать со спутников. А вот другое открытие: благодаря высокочувствительным скоростным инфракрасным камерам российскими учеными из Высоковольтного научно-исследовательского центра ВЭИ обнаружен новый тип зарядов — так называемые сталкеры.

— Они идут перед лидерным разрядом и показывают, как он будет развиваться,— уточняет Шаталина.— Одно из важных направлений в науке о молниях — это попытка их предсказать, выяснить условия возникновения, вероятность, мощность и направление разряда… Так вот, изучение сталкеров помогает прояснить эти вопросы.

Впрочем, человек давно мечтает не просто предсказывать молнии, но и «управлять» ими.

Американские ученые из Флориды экспериментируют с так называемыми триггерными молниями (запускают в грозовое облако ракеты с заземленной проволокой, пытаясь спровоцировать появление разряда).

Это не просто научное любопытство: возможно, когда-нибудь с помощью подобных технологий мы научимся «разряжать» надвигающиеся грозы… А, к примеру, подмосковные специалисты исследуют, при каких условиях заряд может попасть в самолет, пролетающий через грозовое облако: эксперименты проводятся на моделях, причем моделируют и облако, и самолет.

Наука о молниях не только открывает новые горизонты, но и пересматривает имеющиеся взгляды. Еще одно открытие, буквально переворачивающее наши представления о молниях, связано с явлением, которое названо «встречный лидер». Речь вот о чем: ранее считалось, что молния бьет сверху вниз, из облака в землю. Однако благодаря современным высокоскоростным съемкам выяснилось: когда сверху, из облака, стартует лидер (так называют первую стадию образования грозового разряда), ему навстречу, с земли, идет встречный разряд, а соединяются они на высоте в несколько десятков метров над поверхностью земли. То есть, когда молния бьет в дерево (или, не дай бог, в человека), она бьет не сверху, а снизу! Это очень быстрый процесс, незаметный глазу,— несколько сотен миллисекунд, но его открытие, по сути, — маленькая революция.

Впрочем, загадок, связанных с молниями и грозами, на наш век хватит: до сих пор не очень понятно, как устроена шаровая молния и почему возникает. Как нет эффективных инструментов, скажем, по прогнозированию гроз.

— Грозы происходят в атмосфере, а это многофазная, сильно дисперсная система: там есть лед, вода, газы, ионы, все это взаимодействует, и просчитать все факторы пока не представляется возможным,— объясняет Мария Шаталина.— Вероятность возникновения грозы, конечно, частично коррелирует с многолетним опытом наблюдений, но мы хотим точно знать, будет ли гроза, как долго она продлится и почему возникает именно в этом регионе. Или еще вопрос: при каких условиях бывают положительные, а при каких отрицательные вспышки? Известно, допустим, что положительно заряженные, очень мощные вспышки возникают там, где в атмосферу попадают продукты вулканической деятельности и природных пожаров. Но как именно это происходит? Все это до сих пор требует исследований.

Ученые, подчеркивает Шаталина, прежде всего хотят понять, как вся эта глобальная атмосферная электрическая цепь влияет на климат и жизнь на Земле, на человека. Хотя вопрос легко можно и переформулировать: а как человек может повлиять на нее?

Экспертиза

Атмосфера загадок

Дмитрий Зыков, директор фонда «Наука, культура и жизнь», доцент МГИМО

Когда я учился в школе, казалось, что про молнию уже все известно. Нам уверенно рассказывали, что у земли и облака есть разноименные заряды: когда они сближаются на критическое расстояние, происходит разряд — его-то и видно, и слышно с земли. Однако с развитием измерительных приборов и накоплением научных данных оказалось, что это лишь часть правды. Ну, например, выяснилось, что молнии могут быть не только между землей и облаком, но и между разноименно заряженными облаками. Или что бывает молния, сопровождающаяся дождем, и та, что дождем не сопровождается. Или что молнии часто сопровождают торнадо, только их природа совершенно иная (так называемые наведенные заряды образуются из-за того, как именно работает торнадо,— это чистая электростатика). В результате сегодня мы многое знаем о молниях, но чем больше наука узнает, тем больше возникает вопросов, открываются все новые детали, которые надо уточнять. Вот, скажем, у теоретического отдела Физического института Академии наук есть площадка на Алтае: там наблюдают за молниями. Еще лет 10 назад на этой площадке в день фиксировалось по 15–20 разрядов, а сейчас это месячный показатель. Почему он упал? Вопрос. Возможно, что-то случилось с электрическим полем атмосферы (в атмосфере электрически заряжено все, от осадков до пыли.— «О»). Но с чем это связано? С климатом? Тогда как именно действует эта связь?

В климатологии сегодня вообще больше вопросов, чем ответов. Откуда берутся землетрясения, провоцирующие цунами? От чего зависит вулканическая активность?

Да что там, мы даже не знаем, почему, к примеру, из части вулканов идет жидкая магма, а другие вулканы выбрасывают только камни и дым. Или вернемся к молниям: известно, что электромагнитное поле Земли и грозовая активность тесно связаны. Так вот сегодня нас пугают сменой магнитных полюсов Земли. Может ли это произойти? И если да, то в какую сторону будут изменения? Как это скажется на той же самой грозовой активности? Наблюдения за свечением в верхних слоях атмосферы могут дать ответ хотя бы на часть этих вопросов. К тому же такие исследования в некоторой степени экономически оправдывают существование дорогой игрушки вроде МКС: позволяют набрать статистику, опробовать новейшие приборные комплексы и, вполне возможно, использовать полученные данные для более точного предсказания погоды. А это уже совершенно конкретные деньги, причем немалые…

Как часто бывает с фундаментальной наукой, мы не способны предсказать практическую пользу, которую в итоге получим от нынешних исследований. Но можно не сомневаться, она будет. Напомню: исследование квантовых переходов вылилось в появление светодиодов, а лазеры, начинавшиеся как чистая наука, сегодня используются на производстве. Схожие перспективы может открыть и изучение TLE. К примеру, если это подскажет нам, как убрать помехи при передачи данных со спутников во время грозы, уже неплохо.

Брифинг

Александр Раевский, Московский физико-технический институт

Многие секреты молнии до сих пор не разгаданы. Облако не может так наэлектризовать себя, чтобы между ним и землей возник разряд. Напряженность электрического поля в грозовом облаке не превышает 400 киловольт на метр (кВ/м), а электрический пробой в воздухе происходит при напряженности свыше 2500 кВ/м. Значит, для возникновения молнии необходимо что-то еще. По мнению ученых из группы Александра Гуревича, процесс «запускают» космические лучи — частицы высоких энергий, обрушивающиеся на Землю из космоса.

Источник: «Вечерняя Москва»

Николай Калинин, завкафедрой метеорологии и охраны атмосферы географического факультета ПГНИУ

Существует несколько видов молний. Наиболее распространенная — линейная. Еще есть четочная молния — обычно появляется между двумя тучами, образуя прерывистую линию светящихся пятен. Еще один вид — плоская — электрический разряд на поверхности облаков, не имеющий линейного характера и состоящий, по-видимому, из светящихся разрядов. И шаровая — выглядит как светящееся и плавающее в воздухе образование. Ученый-физик Капица считал, что шаровая молния имеет радиоволновую природу, поэтому она проходит по проводам через стены и дымоходы.

Источник: «59.ру»

Александр Костинский, участник международной коллаборации «Молния и ее проявления»

— Откуда взялись такие сказочные названия, как эльфы, духи, спрайты?

— Эльфы — это сокращение от английского Emissions of Lightand Very Low Frequency Perturbations from Electromagnetic Pulse Sources (Elves), по звучанию оно напоминает название мифических эльфов. Спрайты — это танцующие воздушные сказочные создания. Когда открывали все новые по формам классы разрядов, то там были и carrots, морковки, и гномы, и медузы и т.д. Эти названия не просто шутки геофизиков, но и способ привлечь к изучению новых явлений внимание, а с ним и финансирование.

Источник: «Индикатор»

Молния-Гамма

Аппаратура «Фотон – гамма», предназначенная для регистрации оптических и гамма – вспышек в верхней атмосфере над районами с грозовой активностью и для установления наличия временных совпадений гамма – вспышек с импульсной оптической эмиссией над грозовыми облаками типа «Спрайт».

Параметры регистрации гамма – и оптического излучения:

• счет отдельных квантов гамма-излучения в диапазоне энергий (0,3 – 1,0) МэВ;

• селекция импульсов тормозных гамма – квантов, рождающихся на детекторе при его бомбардировке энергичными частицами радиационных поясов методом их выделения по схеме антисовпадений;

• контроль характерного пространственного размера явления 500×500 км;

• наличие совпадений цугов квантов гамма – излучения с импульсной оптической эмиссией от «Спрайтов» в спектральном диапазоне 0,65 – 0,75 мкм;

• счет грозовых разрядов в единицу времени.

Основные характеристики гамма – детектора.

Угол поля зрения МГД, угл. град ±60;

Рабочий диапазон детектора по энергии гамма-квантов, МэВ-0,3 .1,0;

Площадь монокристалла гамма-детектора, см  120;

Толщина монокристалла гамма-детектора, мм 25;

Детектор не имеет пространственного разрешения: охват поверхности Земли в поле зрения детектора, км 2 (2,0 .2,5)•105;

Детекторы работают в режиме счета отдельных квантов.

Постоянная времени отклика гамма-детектора, с ~ 1 •10-7;

Постоянная времени отклика электронного детектора, с ~ 1 •10-8 ;

Сигналы от гамма – и фотоэлектронного детекторов, совпадающие своими фронтами регистрируются, но из протокола выбрасываются как ненужные либо схемой антисовпадений, либо программой компьютера.

Ожидаемая частота сигналов фона, не более, Гц 700;

Частота оцифровки импульсов по каждому из двух каналов, кГц 8.

ГД собран из трех однотипных детекторов.

Ориентировочная масса каждого детектора, кг 3;

Габаритные размеры, мм 170×220;

Потребление электроэнергии , Вт, не более 20.

Изготовление и поставка НА «Фотон-гамма» осуществляется ИЗМИРАН и НИИ прикладных физических проблем им. Севченко Белгосуниверситета

Погоня за убегающими. Физики раскрывают тайны рождения молний.

“Молния подожгла здание Киево-Печерской лавры”, “удар молнии вывел из строя энергоподстанцию в Новгородской области”, “Ту-154” упал из-за грозы”, “молния испепелила музей Тютчева в Подмосковье” – список бесчинств стихии нескончаем. Каждый год четыре миллиона молний ударяют в поверхность Земли. За Полярным кругом грозы бывают не чаще одного раза в 10 лет, а в Индонезии – 320 дней в году!

Сила тока во время главного разряда может за несколько микросекунд достигать 200 тысяч ампер, а температура канала, по которому проходит ток, превышает 20 000 градусов! Велико искушение овладеть этой силищей. “Мы ухватим ее, мы будем пробивать молниями горы, варить камни! – восклицал без тени сомнения герой известного романа Даниила Гранина “Иду на грозу”. Более двух столетий ученые бьются над загадками молнии – этого гигантского электрического искрового разряда в атмосфере. Особый интерес вызывает его начальная стадия – электрический пробой.

Чаще всего молния возникает в кучево-дождевых облаках. При их образовании интенсивные восходящие потоки воздуха увлекают вверх и разбрызгивают встречающиеся на пути капли влаги, трение частиц приводит к их электризации. В зоне, где, как предполагали, электрическое поле достигает критического значения, начинается ударная ионизация – ее создают свободные электроны, которые всегда есть в воздухе. Под действием электрического поля они приобретают значительные скорости по направлению к земле и, сталкиваясь с атомами воздуха, ионизуют их. Возникают так называемые стримеры – хорошо проводящие каналы.

Сливаясь, стримеры дают начало лидеру – яркому термоионизованному каналу с высокой проводимостью. Он движется к земле ступенями в несколько десятков метров (именно поэтому движение молнии выглядит как ломаная линия). Пройдя первую, приостанавливается на несколько десятков микросекунд, опять делает рывок. И, когда до поверхности остается метров десять, навстречу ему выбрасывается встречный стример, он соединяется с лидером, в этот момент и возникает главный разряд молнии, который характеризуется токами от десятков до сотен тысяч ампер, чрезвычайной яркостью, скоростью, близкой к скорости света. Длина канала достигает 10 километров, а диаметр – всего 10-20 сантиметров. Ток, как по шнурку, стремительно стекает из облака на землю, канал с грохотом как бы взрывается, вещество, бывшее до пробоя диэлектриком (в нашем случае – атмосфера Земли) мгновенно, за 10-5-10-8 секунд, становится проводником тока – это и есть обычный электрический пробой.

Казалось бы, все ясно: в атмосфере накопилось электричество, при критических значениях оно пробивает канал, по нему стекает ток, который мы видим как молнию. Однако действительность оказалась гораздо сложнее этой общепринятой схемы. Кроме так называемого светлого электрического пробоя, который мы видим невооруженным глазом, есть еще и “темный”, который фиксируют только приборы. Его назвали пробоем на убегающих электронах (ПУЭ).

Появлению новой теории зарождения молнии способствовали эксперименты, которые проводились на самолетах и шарах-зондах. Было отмечено, что величина электрического поля в грозовых облаках всегда оставалась значительно ниже критического поля, необходимого для возникновения обычного пробоя. Это была первая загадка. А в конце 1990-х годов в грозовом облаке впервые зафиксировали резкую вспышку гамма-излучения с энергией фотонов до 100 Кэв. Но обычно такое излучение, создаваемое космическими лучами, в 1000 раз слабее! Что дает такую вспышку гамма-излучения – вторая загадка, не вписывающаяся в общепринятые схемы.

– Эти вопросы мы подробно обсуждали в 1991 году, когда я работал в США по приглашению Национальной лаборатории в Лос-Аламосе, – говорит автор теории ПУЭ, заведующий сектором взаимодействия радиоволн с плазмой Физического института РАН, академик Александр Гуревич (на верхнем снимке). – Но ответа не находилось. На обратном пути мне пришлось полтора часа провести в аэропорту Альбукерке в ожидании вылета. Я просто сидел и думал об этих загадках. И неожиданно мне стал понятен новый физический механизм электрического пробоя – того явления, которое теперь называется пробоем на убегающих электронах. Это совсем другой, не обычный электрический пробой. ПУЭ – новое физическое явление, новое – в глубинном смысле. В его основе лежит классический механизм взаимодействия быстрых частиц с веществом, замечательные особенности которого были открыты Резерфордом еще в начале прошлого столетия.

Что же такое пробой на убегающих электронах? Александр Викторович приводит пример из жизни. Вы бежите через толпу, она вас сдерживает, вы все равно рветесь вперед. При этом сила торможения (с которой вас сдерживают), уменьшается, а ваша – возрастает. В конце концов, вы вырвались из толпы, энергия, которую тратили на преодоление торможения, высвобождается, и вы бежите вперед с возросшей скоростью. То же происходит и с убегающими электронами.

– Убегающие электроны движутся с такой большой скоростью, что проникают внутрь атомов, так что всякая среда представляет для них лишь набор электронов и ядер, – рассказывает А.Гуревич. – Особенность взаимодействия быстрого электрона с медленными в том, что сила торможения быстрого электрона, открытая Резерфордом и теоретически разработанная Бете, падает с ростом его энергии. Освободившись от сил, препятствующих движению, электрон начинает ускоряться электрическим полем. И чем большую скорость приобретают электроны, тем меньшее сопротивление своему движению они испытывают и, следовательно, ускоряются еще больше.

Убегающий электрон (а фактически – ускоряющийся), сталкиваясь с электронами атомов, порождает целый каскад медленных свободных электронов. Но среди них появляется и быстрый электрон, который становится убегающим, то есть тоже ускоряется полем. Он порождает новый убегающий электрон, в результате появляется экспоненциально нарастающая лавина убегающих электронов. Вместе с ними растет и огромное число медленных (тепловых) электронов, что приводит к быстрому росту электропроводности среды, то есть к электрическому пробою.

Главную роль в этом пробое играет размножение убегающих электронов. Поэтому его и называют пробоем на убегающих электронах. Критическое поле для ПУЭ в несколько раз ниже критического поля для обычного пробоя. Как раз такое поле и наблюдается в грозовых облаках. К тому же быстрые электроны эффективно генерируют гамма-излучение. Таким образом, свойства ПУЭ позволяют объяснить обе загадки молнии. Кроме того, для возбуждения ПУЭ необходимы так называемые затравочные быстрые электроны. Такие электроны в атмосфере есть – они генерируются космическими лучами. Тем самым устанавливается связь космического излучения с грозовыми процессами.

Предсказание ПУЭ ученый мир воспринял как нить Ариадны, с помощью которой можно разгадать тайну возникновения молнии. Над построением теории ПУЭ начали работу в ФИАН А.Гуревич и К.Зыбин. Объемные численные расчеты провели ученые из Сарова, Лос-Аламоса и университета Лос-Анджелеса. В течение шести лет, в нелегкие для науки 1990-е годы, разрабатывались элементарная и кинетическая теории ПУЭ, определялись условия его возникновения. Вслед за теорией появились и новые важные результаты наблюдений. В частности, с помощью космических аппаратов были открыты мощные вспышки гамма-излучения, рожденного в атмосфере высотными молниями.

Началась подготовка крупного наземного эксперимента.

– В лабораторных условиях провести такой эксперимент невозможно, ведь длина свободного пробега убегающего электрона минимум 50 метров – расстояние, необходимое для того, чтобы можно было зафиксировать явление ПУЭ, а для каскада электронов установка должна быть уже километровой, – рассказывает заместитель руководителя отделения ядерной физики и астрофизики ФИАН Владимир Рябов. – Решили проводить эксперимент в природных условиях, наблюдая за грозами. Выбор пал на Тянь-Шанскую высокогорную научную станцию космических лучей (ТШВНС) в горах Заилийского Алатау близ Алма-Аты. (Эту станцию правительство Казахстана на 49 лет передало в аренду ФИАН). Для исследования физики грозового разряда там уникальные природные условия – грозы гремят с мая по ноябрь, а горизонтально расположенный пик Турист высотой около 4 тысяч метров позволяет разместить детекторы в несколько ярусов и как раз на таком расстоянии, которое дает возможность наблюдать весь пробег и электрона, и каскада электронов.

В 2002 году начались эксперименты по проверке теории ПУЭ. В настоящее время на различных установках ТШВНС ведется непрерывный мониторинг широких атмосферных ливней (ШАЛ), регистрируются радио- и гамма-излучения в широком диапазоне частот. В грозовой период все детекторы работают непрерывно в автоматическом режиме, чтобы не пропустить ни одного события.

По предположению академика Гуревича, спусковым крючком для пробоя на убегающих электронах могут служить высокоэнергичные космические частицы, достигающие Земли, – они регистрируются в широких атмосферных ливнях. Поэтому физики задействовали и то оборудование, которое в советские времена использовалось для исследования ­ШАЛов. Во время гроз детекторы оказываются непосредственно в эпицентре события. Старший научный сотрудник лаборатории космических лучей Александр Чубенко проработал на станции уже несколько сезонов и знает о работе в экстремальных условиях не понаслышке.

– Оборудование находится в экспериментальных домиках (на нижнем снимке – С.К.) – их больше 50 на разных высотах, – рассказывает он. – Детекторы объединены в единую сеть. Когда параметры атмосферы достигают критических значений, система должна сработать строго синхронно, чтобы потом все сигналы можно было связать в единое событие и скоррелировать показатели. В отдельном домике находится компьютер, куда стекается вся информация о событии. На самом гребне стоят пять детекторных пунктов, последний оборудовали на высоте 4 тысячи метров год назад.

Однажды гроза застала нас, когда мы тянули кабель на самый пик. Кто побывал в подобной переделке – знает, что это такое. Когда молнии бьют вокруг, хочется зарыться в землю. Жуткое состояние! Зато ни у кого в мире нет таких данных, ведь мы находимся буквально внутри грозы. Правда, приходится часто чинить кабельную систему: молнии прожигают в ней дырки. Несмотря на такие ЧП, нам удалось полностью зафиксировать уже 10 событий. При анализе мы увидели те самые всплески гамма-излучения, которые свидетельствуют, что во время прохождения ШАЛа появились пробои на убегающих электронах.

Комплексная установка “Гроза” на ТШВНС уникальна, она позволяет исследовать все виды излучения во время грозы, имеет большой технический потенциал и постоянно модернизируется. Ученые полагают, что нужно еще примерно пять благополучных грозовых сезонов, чтобы экспериментально подтвердить теорию Гуревича.

Объяснение молнии – Science Learning Hub

Молния – это крупномасштабный естественный искровой разряд, который возникает в атмосфере или между атмосферой и поверхностью Земли. При разряде в воздухе создается плазменный канал с высокой электропроводностью, и когда в этом канале протекает ток, он быстро нагревает воздух примерно до 25000 ° C. Канал молний – это пример действия земной плазмы.

Видеть молнию

Молния видна как вспышка сине-белого света.Создаваемые чрезвычайно высокие температуры нагревают молекулы воздуха до состояния накала (раскаленный добела), так что они излучают яркий белый свет. В то же время газообразный азот (доминирующий газ в атмосфере) стимулируется к люминесценции, давая яркий сине-белый цвет. Комбинация света люминесценции и накаливания придает молнии характерный цвет.

Партнер молнии

Температура в узком канале молнии достигает примерно 25 000 ° C.Окружающий воздух быстро нагревается, заставляя его резко расширяться со скоростью, превышающей скорость звука, подобно звуковому удару. Примерно в 10 м от канала он становится обычной звуковой волной, называемой громом.

Гром эффективно взрывает воздух, и когда его слышно вблизи канала молнии, он состоит из одного большого удара. Примерно на расстоянии 1 км он слышен как грохот с несколькими громкими хлопками. Далекий гром имеет характерный низкий рокочущий звук. Однако за пределами 16 км гром слышен редко.

Условия, необходимые для возникновения молнии

Именно образование и разделение положительных и отрицательных электрических зарядов в атмосфере создает очень интенсивное электрическое поле, необходимое для поддержания этого естественного искрового разряда, которым является молния.

Образование электрических зарядов в атмосфере происходит в основном за счет ионизации молекул воздуха космическими лучами. Космические лучи – это частицы высокой энергии, такие как протоны, которые исходят извне Солнечной системы.При столкновении с молекулами воздуха они производят ливень из более легких частиц, некоторые из которых заряжены.

Внутри грозовой тучи быстрое движение вверх и вниз водяных капель и кристаллов льда может разделять и концентрировать эти заряды. Отрицательные заряды накапливаются в нижней части облака, а положительные – вверх.

Производство молний

По мере того, как область отрицательного заряда у основания грозового облака увеличивается, это вызывает образование области положительного заряда на земле ниже.В результате этого в промежутке между облаком и землей создается разность потенциалов или напряжение. Как только напряжение достигает определенной силы, воздух между основанием облака и землей приобретает электрическую проводимость. Сначала формируется канал, известный как ступенчатый лидер. Хотя это невидимо невооруженным глазом, это позволяет электронам перемещаться из облака на землю.

Его называют ступенчатым поводком, потому что он перемещается на землю отрезками от 50 до 100 м с небольшой остановкой между ними.Когда он приближается к земле, положительно заряженная коса выстреливает вверх от земли, чтобы соединиться с ней. Стримеры чаще всего запускаются с высоких предметов на земле.

После подключения электроны из облака могут течь к земле, а положительные заряды могут течь от земли к облаку. Именно этот поток заряда и является видимым ударом молнии.

После первого разряда по каналу может сформироваться другой лидер. И снова видим видимый разряд молнии.Это может произойти 3–4 раза подряд. Все это происходит за временной интервал около 200 миллисекунд.

Мониторинг молний

Всемирная сеть определения местоположения молний (WWLLN, произносится как «шерстяная») была основана в Новой Зеландии в 2003 году. Работая в сотрудничестве с учеными со всего мира, сеть определяет места разряда молний через несколько секунд после их возникновения.

Во всем мире происходит около 45 вспышек молний в секунду. Помимо генерации характерного сине-белого света, также производятся радиоволновые импульсы, известные как сферики.Частые потрескивания, которые слышны при настройке на AM-радиостанцию ​​во время грозы, связаны с разрядами молний.

Эти сферики регистрируются на 60 приемных станциях WWLLN по всему миру и предоставляют набор данных почти в реальном времени. Эта информация предоставляется ученым через высокоскоростное Интернет-соединение, предоставляемое REANNZ (Исследовательская и образовательная сеть Новой Зеландии).

Красные спрайты

Высоко над грозовыми облаками на высоте 50–90 км могут происходить крупномасштабные электрические разряды.Они вызываются грозовой тучей на земле. Они выглядят как мимолетные светящиеся красно-оранжевые вспышки и принимают самые разные формы. В отличие от молний «горячей плазмы», они представляют собой формы холодной плазмы, в чем-то похожие на разряды, возникающие в люминесцентной лампе.

Термин «спрайт» был использован из-за их мимолетного характера, длящегося в основном всего миллисекунды и призрачного вида.

Природа науки

Рассказ о столетней охоте на красных духов – это рассказ о том, как работает наука.Это история, иллюстрирующая, что наука, вместо того, чтобы знать все, что нужно знать, едва стоит на пороге еще большего числа открытий, касающихся нашей сложной и увлекательной вселенной. Им доверяли немногим больше, чем наблюдениям НЛО, до 1989 года, когда университетские исследователи случайно сняли красный спрайт на видеокамеру при слабом освещении.

Пожар Святого Эльма

В области между грозовой тучей и землей может быть создано очень сильное электрическое поле. Между отрицательной базой облака и положительной землей установлена ​​огромная разность потенциалов (напряжение).Когда эта разность потенциалов достигает определенного значения, заостренные наземные объекты начинают светиться, часто с шипящим звуком.

Поскольку это связанное с погодой явление иногда появлялось на кораблях в море во время грозы, ему было присвоено название «пожар Святого Эльма». Святой Эльмо ​​- покровитель моряков, и в прошлом моряки считали такое событие предзнаменованием невезения и ненастной погоды.

Огонь Святого Эльмо ​​имеет ярко-синее или фиолетовое свечение из-за образования светящейся плазмы.В некоторых случаях это похоже на огонь, исходящий от остроконечных объектов, таких как мачты, шпили, громоотводы и даже от крыльев самолета.

Что вызывает молнию?

Гроза в сельской местности. Кредит: noaanews.noaa.gov

Гром и молния. Когда дело доходит до сил природы, немногие вещи вызывают столько страха, благоговения или восхищения, не говоря уже о легендах, мифах и религиозных представлениях.Как и все в естественном мире, то, что изначально рассматривалось как действие Богов (или других сверхъестественных причин), с тех пор стало признано естественным явлением.

Но, несмотря на все, что люди узнали на протяжении веков, когда дело доходит до молнии, остается некоторая загадка. Эксперименты проводились со времен Бенджамина Франклина; однако мы по-прежнему сильно полагаемся на теории о том, как ведет себя освещение.

Описание:

По определению, молния – это внезапный электростатический разряд во время грозы. Этот разряд позволяет заряженным областям в атмосфере временно уравновесить себя, когда они ударяются об объект на земле. Хотя молния всегда сопровождается звуком грома, далекие молнии можно увидеть, но они находятся слишком далеко, чтобы можно было услышать гром.

Типы:

Lightning может принимать одну из трех форм, которые определяются тем, что находится в «конце» канала ответвления (т.е. удар молнии). Например, существует внутриоблачное освещение (IC), которое происходит между электрически заряженными областями облака; освещение облака в облако (CC), когда оно происходит между одним функциональным грозовым облаком и другим; и молния облако-земля (CG), которая в основном возникает в грозовом облаке и заканчивается на поверхности Земли (но может также возникать в обратном направлении).

Внутриоблачная молния чаще всего возникает между верхней (или «наковальней») частью и нижней частью данной грозы.В таких случаях наблюдатель может видеть только вспышку света, не слыша грома. Здесь часто применяется термин «тепловая молния» из-за связи между ощущаемой на месте теплотой и удаленными вспышками молнии.

В случае молнии «облако-облако» заряд обычно исходит из-под наковальни или внутри нее и карабкается через верхние облачные слои во время грозы, обычно генерируя разряд молнии с множеством ответвлений.

Облако-земля (CG) – самый известный тип молнии, хотя он является третьим по распространенности – на него приходится примерно 25% случаев во всем мире.В этом случае молния принимает форму разряда между грозовым облаком и землей, обычно имеет отрицательную полярность и инициируется ступенчатой ​​ветвью, движущейся вниз от облака.

Молния

CG наиболее известна, потому что, в отличие от других форм молнии, она заканчивается на физическом объекте (чаще всего на Земле) и, следовательно, поддается измерению с помощью инструментов.Кроме того, он представляет наибольшую угрозу для жизни и имущества, поэтому понимание его поведения рассматривается как необходимость.

Недвижимость:

Освещение возникает, когда в атмосфере возникают восходящие и нисходящие потоки ветра, создавая механизм зарядки, который разделяет электрические заряды в облаках, оставляя отрицательные заряды внизу и положительные вверху. По мере того, как заряд в нижней части облака продолжает расти, разность потенциалов между облаком и землей, которая заряжена положительно, также увеличивается.

Когда пробой в нижней части облака создает карман положительного заряда, образуется канал электростатического разряда, который начинает двигаться вниз с шагом в десятки метров в длину. В случае молнии IC или CC этот канал затем направляется в другие карманы областей положительных зарядов. В случае ударов КГ ступенчатый лидер притягивается к положительно заряженной земле.

Многие факторы влияют на частоту, распределение, силу и физические свойства «типичной» молнии в определенном регионе мира.К ним относятся высота земли, широта, преобладающие ветровые течения, относительная влажность, близость к теплым и холодным водоемам и т. Д. В определенной степени соотношение между IC, CC и CG молнией также может варьироваться в зависимости от сезона в средних широтах.

Около 70% молний происходит над сушей в тропиках, где атмосферная конвекция наиболее высока. Это происходит как из-за смеси более теплых и более холодных воздушных масс, так и из-за различий в концентрациях влаги, и обычно это происходит на границах между ними.В тропиках, где уровень замерзания, как правило, выше в атмосфере, только 10% вспышек молний являются компьютерными. На широте Норвегии (около 60 ° северной широты), где точка замерзания ниже, 50% молний приходится на КГ.

Эффекты:

В общем, молния оказывает на окружающую среду три измеримых воздействия. Во-первых, это прямое воздействие самого удара молнии, которое может привести к повреждению конструкции или даже физическому ущербу. Когда молния попадает в дерево, оно испаряет сок, что может привести к взрыву ствола или отрыву больших ветвей и падению на землю.

Когда молния ударяет в песок, почва, окружающая плазменный канал, может плавиться, образуя трубчатые структуры, называемые фульгуритами. Здания или высокие сооружения, пораженные молнией, могут быть повреждены, поскольку молния ищет непредусмотренные пути к земле. И хотя примерно 90% людей, пораженных молнией, выживают, люди или животные, пораженные молнией, могут получить серьезные травмы из-за повреждения внутренних органов и нервной системы.

Гром также является прямым результатом электростатического разряда. Поскольку плазменный канал перегревает воздух в непосредственной близости от него, газообразные молекулы подвергаются быстрому увеличению давления и, таким образом, расширяются наружу от молнии, создавая слышимую ударную волну (иначе.гром). Поскольку звуковые волны распространяются не от одного источника, а по длине пути молнии, различные расстояния до источника могут вызывать эффект качения или грохота.

Излучение высокой энергии также возникает в результате удара молнии. К ним относятся рентгеновские лучи и гамма-лучи, которые были подтверждены посредством наблюдений с использованием электрического поля и детекторов рентгеновского излучения, а также космических телескопов.

Исследования:

Первое систематическое и научное исследование молнии было проведено Бенджамином Франклином во второй половине 18 века.До этого ученые выяснили, как электричество можно разделить на положительные и отрицательные заряды и сохранить. Они также отметили связь между искрами, производимыми в лаборатории, и молнией.

Франклин предположил, что облака электрически заряжены, из чего следовало, что сама молния была электрической. Первоначально он предложил проверить эту теорию, поместив железный стержень рядом с заземленным проводом, который будет удерживаться на месте изолированной восковой свечой. Если бы облака были электрически заряжены, как он ожидал, то между железным стержнем и заземленным проводом прыгали искры.

В 1750 году он опубликовал предложение, согласно которому во время шторма запускался воздушный змей для привлечения молнии. В 1752 году Томас Франсуа Д’Алибар успешно провел эксперимент во Франции, но использовал 12-метровый железный стержень вместо воздушного змея для образования искр. К лету 1752 года Франклин, как полагают, сам проводил эксперимент во время сильного шторма, обрушившегося на Филадельфию.

Для своей усовершенствованной версии эксперимента Фрэнкинг атаковал ключ к воздушному змею, который был соединен влажной веревкой с изолирующей шелковой лентой, обернутой вокруг суставов руки Франклина.Между тем тело Франклина обеспечивало проводящий путь для электрических токов к земле. Франклин не только показал, что грозы содержат электричество, но и сделал вывод о том, что нижняя часть грозы, как правило, также была отрицательно заряжена.

Незначительный прогресс был достигнут в понимании свойств молнии до конца 19 века, когда фотографии и спектроскопические инструменты стали доступны для исследования молний. В этот период многие ученые использовали фотографию с временным разрешением для идентификации отдельных ударов молнии, которые образуют разряд молнии на землю.

Множественные пути молнии из облака в облако, Свифтс-Крик, Австралия. Кредит: fir0002 / flagstaffotos.com.au

Исследования молний в наше время восходят к работе C.T.R. Уилсон (1869 – 1959), который первым применил измерения электрического поля для оценки структуры грозовых зарядов, участвующих в грозовых разрядах. Уилсон также получил Нобелевскую премию за изобретение Туманной камеры, детектора частиц, используемого для определения присутствия ионизированного излучения.

К 1960-м годам интерес вырос благодаря жесткой конкуренции, вызванной космической эрой. Когда космические корабли и спутники отправлялись на орбиту, были опасения, что молния может создать угрозу для аэрокосмических аппаратов и твердотельной электроники, используемой в их компьютерах и инструментах. Кроме того, улучшенные возможности измерений и наблюдений стали возможны благодаря усовершенствованию космических технологий.

В дополнение к наземному обнаружению молний, ​​на борту спутников было сконструировано несколько приборов для наблюдения за распределением молний.К ним относятся оптический детектор переходных процессов (OTD) на борту спутника OrbView-1, запущенного 3 апреля 1995 года, и последующий датчик изображения молнии (LIS) на борту TRMM, запущенный 28 ноября 1997 года.

Вулканическая молния:

Вулканическая активность может создавать благоприятные для молнии условия несколькими способами. Например, мощный выброс огромного количества материала и газов в атмосферу создает плотный шлейф из сильно заряженных частиц, который создает идеальные условия для молнии.Кроме того, плотность золы и постоянное движение в шлейфе постоянно вызывают электростатическую ионизацию. Это, в свою очередь, приводит к частым и мощным вспышкам, поскольку шлейф пытается нейтрализовать себя.

Этот тип грозы часто называют «грязной грозой» из-за высокого содержания твердого вещества (золы). На протяжении всей истории было зарегистрировано несколько случаев вулканических молний. Например, во время извержения Везувия в 79 году нашей эры Плиний Младший заметил несколько мощных и частых вспышек, происходящих вокруг вулканического шлейфа.

Внеземная молния:

Частота ударов молний по всему миру, по данным НАСА. Предоставлено: Википедия / Citynoise.

Молния наблюдалась в атмосферах других планет нашей Солнечной системы, таких как Венера, Юпитер и Сатурн. В случае Венеры первые признаки того, что в верхних слоях атмосферы могут присутствовать молнии, были обнаружены советскими миссиями «Венера» и США «Пионер» в 1970-х и 1980-х годах.Радиоимпульсы, зарегистрированные космическим аппаратом Venus Express (в апреле 2006 г.), были подтверждены как происхождение от молнии на Венере.

Грозы, похожие на земные, наблюдались на Юпитере. Считается, что они являются результатом влажной конвекции в тропосфере Юпитера, где конвективные шлейфы переносят влажный воздух из глубин в верхние части атмосферы, где он затем конденсируется в облака размером около 1000 км.

Серия ударов молний, ​​снятая камерой Nightpod на борту МКС над Римом в 2012 году.Предоставлено: ESA / NASA / André Kuipers.

Изображение ночного полушария Юпитера, полученное Галилеем в 1990 году и космическим кораблем Кассини в декабре 2000 года, показало, что штормы всегда связаны с молниями на Юпитере. Хотя удары молнии в среднем в несколько раз мощнее, чем на Земле, они, по-видимому, менее часты. Несколько вспышек были обнаружены в полярных регионах, что сделало Юпитер второй известной планетой после Земли, на которой наблюдаются полярные молнии.

Освещение также наблюдалось на Сатурне. Первый случай произошел в 2010 году, когда космический зонд «Кассини» обнаружил вспышки на ночной стороне планеты, что совпало с обнаружением мощных электростатических разрядов. В 2012 году изображения, сделанные зондом «Кассини» в 2011 году, показали, что массивный шторм, охвативший северное полушарие, также генерировал мощные вспышки молний.

• В результате удара молнии на песчаном участке образовался фульгерит.Кредит: blogs.discovermagazine.com
• Вулкан Колима (Volcán de Colima) на снимке 29 марта 2015 года с молнией. Предоставлено: Сезар Канту.
• Художественная концепция грозы Венеры. Предоставлено: НАСА.

---

Ученый ищет новые идеи для изучения молнии

---

Ссылка : Что вызывает молнию? (2015, 10 июля) получено 8 июня 2021 г. с https: // физ.org / news / 2015-07-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.

Периодически слышу рассказы о шаровых молниях.Это явление действительно существует? Может ли плазменный шар оставаться стабильным в течение нескольких секунд, как утверждают некоторые исследователи?

Шаровая молния может быть более экзотической, чем искры микроволновых печей, но большинство ученых убеждены, что она не менее реальна. Мартин Анатольевич Умань, председатель кафедры электротехники в Университете Флориды в Гейнсвилле объясняет:

«Шаровая молния – это хорошо задокументированное явление в том смысле, что его видели и последовательно описывали люди из всех слоев общества со времен древних времен. Греки.Не существует общепринятой теории причин этого. Он не обязательно должен состоять из плазмы; например, шаровая молния может быть результатом хемилюминесцентный процесс. Литература изобилует размышлениями о физике шаровой молнии ».

Питер Х. Гендель в факультет физики и астрономии Университета Миссури в Сент-Луисе представил подробный обзор и предложил свою любимую модель шаровая молния:

“Согласно статистическим исследованиям, проведенным Дж.Р. МакНелли в 1960 г. (Дж. Р. МакНелли, «Предварительный отчет о Болле»). Молния »в Протоколах второго ежегодного собрания Отделения физики плазмы Американского физического общества , Гатлинбург, № 2AD5 [1960], Paper J-15, pp. 1AD25), шаровые молнии видели 5 процентов населения Земли. Этот процент примерно такой же как часть населения, которая видела обычный удар молнии с близкого расстояния, то есть достаточно близко, чтобы видеть прямую точку удар молнии.

«Шаровую молнию видели и описывали с древних времен, часто группами людей, и регистрировали во многих местах. описывается как светящаяся сфера, чаще всего размером с голову маленького ребенка. Обычно появляется во время грозы, иногда в течение нескольких секунд. секунды молнии, но иногда без видимой связи с молнией. В некоторых случаях шаровая молния появляется после грозы – или даже до этого. Его время жизни варьируется от нескольких секунд до нескольких минут; средняя продолжительность – около 25 секунд.Время жизни шаровая молния имеет тенденцию увеличиваться с увеличением размера и уменьшаться с увеличением яркости. Шарики, которые выглядят отчетливо оранжевыми и синими, кажутся дольше, чем в среднем. Многие из этих общих характеристик основаны на работах А.И.Григорьева, проанализировавшего более 10 тысяч случаев шаровой молнии (А.И. Григорьев, «Статистический анализ свойств шаровой молнии», в Наука о шаровой молнии , под редакцией Я. Х. Оцуки, World Scientific Publishing Co., Сингапур, 1988 г., стр.88AD134).

«Шаровая молния обычно движется параллельно земле, но совершает вертикальные прыжки. Иногда спускается с облаков, а иногда внезапно материализуется в помещении или на улице или входит в комнату через закрытое или открытое окно, через тонкие неметаллические стенки или через дымоход. Проходя через закрытые окна, шар молнии повреждает их маленькими дырочками. примерно в одной трети случаев. Шары не обладают заметным эффектом плавучести. Все эти атрибуты привели великий русский физик Петр Капица в 1955 году. интерпретировать шаровую молнию как безэлектродный разряд, вызванный стоячими волнами УВЧ неизвестного происхождения, присутствующими между землей и землей. облако; более ранние версии этой идеи относятся к 1930-м годам.

«Ученые с тех пор уточнили предположение Капицы. Теория мазера-солитона, который я впервые описал в 1975 году (П. Х. Гендель, «Мазерная теория шаровой молнии» в бюллетене Американского физического общества , серия II, том 20, стр. [1975], № 26), является современной версией метода разряда УВЧ. Я руководил исследованиями теории мазеров-солитонов в Курчатовский научный центр в Москве с 1992 года. Согласно этой теории, наружная шаровая молния вызывается атмосферным мазером – аналогично. к лазеру, но работающий с гораздо меньшей энергией – имеющий объем порядка многих кубических километров.

“Технически мазер генерируется инверсией населенностей, индуцированной во вращательных энергетических уровнях молекул воды коротким импульсом поля, связанным с полосой молния. Большой объем воздуха, на который воздействует удар, затрудняет выход фотонов до того, как они вызовут микроволновое усиление. вынужденным излучением »(мазерный эффект). Если объем воздуха не очень велик или не заключен в проводящую полость (как в случае шаровой молнии в самолетах или подводных лодках и в определенной степени также в помещении), столкновения между молекулами будут поглощать всю энергию инверсия населения.Если объем большой, мазер может генерировать локализованное электрическое поле или солитон, который дает начало наблюдаемому шару. молния. Однако такой разряд в лаборатории еще не создан.

“Теория мазера-солитона подтверждается тремя хорошо известными факты. Во-первых, шаровая молния никогда не возникает на острых горных вершинах, высотных зданиях и других высоких точках, привлекающих молнии и используемых. для исследования молний специалистами по атмосферному электричеству.(Исследователь молний Карл Бергер сказал мне, что всю жизнь регистрировал и измерял сотни тысяч разрядов молний, ​​поражающих его лабораторию на вершине горы Сальваторе в Лугано, Италия, без единого следа шара. молнии.) Невозможность наблюдать шаровую молнию в таких условиях привела к повсеместному разочарованию и даже скептицизму по поводу реальности явление. Но на самом деле импульс поля молнии, поражающей высокие остроконечные объекты, локализован в узком конусе, который охватывает относительно небольшой объем.Согласно теории мазера-солитона, эта среда исключает мазерный эффект. С другой стороны, когда молния ударяет равнины, результирующий импульс поля огромен: около 10 километров в ширину и три километра в высоту. Таким образом, шаровая молния хранит свои секреты: она посещает фермер и избегает ученого!

«Во-вторых, шаровая молния безвредна внутри самолетов и подводных лодок или в домах с проводящим каркасом. Опять же, согласно теории мазера-солитона, энергия мазера в таких условиях ограничена примерно 10 джоулями (в отличие от предела в 10 ⁹ до 10 ¹⁰ джоулей на открытом воздухе), слишком мало, чтобы представлять опасность для жизни.

“И третья, шаровая молния под открытым небом часто. заканчивается сильным взрывом, иногда причиняющим значительный ущерб. Взрыв особенно странен, потому что он сильно смещает проводящие объекты в большей степени, чем диэлектрики. Например, электрические соединительные коробки иногда извлекают из стен домов с помощью уличная шаровая молния и брошенная посреди улицы. Теория мазера-солитона предсказывает, что такой всплеск произойдет, когда нагрузка внезапно исчезает.(Когда разряд, поглотивший генерируемые мазером фотоны, внезапно исчезает, эти фотоны становятся живыми. дольше и мгновенно размножаться, не ограничиваясь мазерным эффектом. Это распространение вызывает еще большую мгновенную лавину фотонов и практически мгновенный экспоненциальный рост электрического поля. Увеличение происходит слишком быстро, чтобы вызвать электрический пробой или нагрев, но может вызывать очень большие «пондеромоторные силы» – механические эффекты, которые могут разрывать составные объекты с различными диэлектрическими постоянными.)

«Новаторские эксперименты Оцуки и Офурутона с шаровой молнией УВЧ-разряда в Японии (Ю. Х. Оцуки и Х. Офурутон,« Плазма Огненные шары, образованные микроволновыми помехами в воздухе »в Nature Vol. 350 (1991), стр.139) и вышеупомянутые исследования в Курчатове. в Москве (В. А. Жильцов, C9. А. Маныкин, Е. А. Петренко; и А. А. Сковорода, Дж. Ф. Лейтнер, П. Х. Гендель, «Пространственно локализованные микроволновые печи. Разряд в атмосфере », ЖЭТФ Vol.81 [1995], стр. 1072-81) помогли решить загадку с шаровой молнией. Теперь, когда мы кажется, понимают истинную природу шаровой молнии, особенно прискорбно, что в США нет средств на исследования и исследования. контролируемое воспроизведение этого увлекательного явления.

«Центром исследований шаровых молний станет Пятый международный симпозиум. «Шаровая молния» 26-29 августа 1997 г., организованная Я. Х. Оцуки и Х. Офурутон из Токийского столичного колледжа воздухоплавания. Инжиниринг (для информации отправьте письмо по адресу ofuruton @ kouku-k.ac.jp). Я буду сша представитель шаровой молнии в Международном комитете; Со мной можно связаться по адресу [email protected] “

---

Научное сообщество все больше растет. убежден, что шаровая молния – реальное явление (хотя остаются некоторые скептики). С другой стороны, что может вызвать шаровую молнию, так это источник постоянных споров. Ранее мы выдвинули вышеупомянутую теорию. Джон Лоук, физик плазмы из Института промышленных технологий CSIRO, в Австралии, предлагает другую теорию об этом явлении:

“Хотя есть по крайней мере один учебник по молнии, который ставит под сомнение существование шаровой молнии, и я никогда не видел это явление лично, я чувствую, что нет никаких сомнений в том, что шаровая молния существует.Я говорил шести очевидцам этого явления и думают, что нет никаких оснований сомневаться в достоверности их наблюдений. Кроме того, отчеты все они удивительно похожи и имеют общие черты с сотнями наблюдений, которые появляются в литературе.

“Шаровая молния обычно описывается как светящийся шар диаметром от 1 до 25 сантиметров, имеющий интенсивность 20-ваттной лампы накаливания; феномен обычно возникает после удара молнии.Он почти всегда движется, имеет максимальную скорость около трех метров в секунду и плавает на высоте примерно одного метра над уровнем моря. земля. Движение может противоречить преобладающему ветру и может беспорядочно менять направление. Шаровая молния может длиться до 10 секунд, после чего мяч гаснет либо бесшумно, либо с треском. Было много наблюдений за шаровой молнией внутри домов и даже в самолеты. Также был проведен ряд наблюдений за шаровой молнией, проходящей через закрытые стеклянные окна, без видимых повреждений. стекло.Обычно заметного тепловыделения не наблюдается, хотя недавнее наблюдение показало, что деревянная доска обгорела. Несколько человек сообщили о запахе озона и оксидов азота, связанном с шаровой молнией, а также статическим электричеством в транзисторных радиоприемниках.

“Ученые имеют десятилетиями пытались сформулировать правдоподобное объяснение существования стабильного плазменного шара. Горячий шар плазмы должен подняться как горячий воздух воздушный шар, но наблюдения обычно не сообщают о таком поведении.Почему такой мяч движется, как правило, против ветра? Какой источник энергии поддерживает шар молнии, учитывая, что можно было бы ожидать, что такой шар будет быстро уменьшаться в интенсивности?

«Были сотни бумаг, и как минимум три книги, посвященные шаровой молнии. Большинство теорий поднимают больше вопросов, чем претендуют на то, чтобы их решить. Вероятно, самая известная теория была выдвинут российским лауреатом Нобелевской премии Петром Капицей, который утверждал, что шаровая молния вызывается стоячей волной электромагнитного излучения. радиация.Но почему должна быть стоячая волна электромагнитного излучения? Другие теории утверждают, что мяч имеет множество источников энергии. молния, включая атомную энергию, антивещество, горящий материал или электрическое поле облака.

«Общепринятой теории шаровая молния. У меня есть собственная теория, опубликованная в журнале Journal of Physics D: Applied Physics , («Теория шаровой молнии как электрического Разряд »в т. 29, № 5, стр. 1237-1244; май 1996 г.).Я предполагаю, что шаровая молния питается от электрического поля, связанного с рассеиванием заряды в земле после удара молнии. Движение мяча контролируется скоростью электрического заряда, когда он рассеивается в заземление после начального периода электрического «пробоя», произошедшего в момент удара. В своей статье я предполагаю, что этот разряд похож на к коронному разряду (как это происходит вокруг высоковольтных трансформаторов) и состоит из последовательности электрических импульсов, которые происходят на микросекундная шкала времени.

Как работает молния | HowStuffWorks

Lightning – одно из красивейших проявлений природы. Это также одно из самых смертоносных природных явлений, известных человеку. С температурой болта выше, чем поверхность солнца, и ударными волнами, излучающими во всех направлениях, молния – это урок физики и смирения.

Помимо своей могущественной красоты, молния представляет науке одну из величайших загадок местного значения: как она работает? Общеизвестно, что молния генерируется в электрически заряженных штормовых системах, но метод облачной зарядки все еще остается труднодостижимым.В этой статье мы рассмотрим молнию изнутри, чтобы вы могли понять это явление.

Молния начинается с менее загадочного процесса: круговорота воды. Чтобы полностью понять, как работает круговорот воды, мы должны сначала понять принципы испарения и конденсации.

Испарение – это процесс, при котором жидкость поглощает тепло и превращается в пар. Хороший пример – лужа после дождя. Почему высыхает лужа? Вода в луже поглощает тепло солнца и окружающей среды и улетучивается в виде пара.«Побег» – хороший термин для использования при обсуждении испарения. Когда жидкость подвергается воздействию тепла, ее молекулы движутся быстрее. Некоторые молекулы могут двигаться достаточно быстро, чтобы оторваться от поверхности жидкости и унести тепло в виде пара или газа. Освободившись от ограничений жидкости, пар начинает подниматься в атмосферу.

Конденсация – это процесс, при котором пар или газ теряют тепло и превращаются в жидкость. Когда тепло передается, оно переходит от более высокой температуры к более низкой.Холодильник использует эту концепцию для охлаждения еды и напитков. Он обеспечивает низкотемпературную среду, которая поглощает тепло от ваших напитков и пищевых продуктов и уносит это тепло в так называемом цикле охлаждения. В этом отношении атмосфера действует как огромный холодильник для газа и паров. Когда пары или газы поднимаются, температура в окружающем воздухе падает все ниже и ниже. Вскоре пар, унесший тепло от своей «материнской» жидкости, начинает отдавать тепло в атмосферу.Когда он поднимается на большую высоту и при более низких температурах, в конечном итоге теряется достаточно тепла, чтобы заставить пар конденсироваться и возвращаться в жидкое состояние

Давайте теперь применим эти две концепции к круговороту воды.

Вода или влага на земле поглощают тепло солнца и окружающей среды. Когда было поглощено достаточно тепла, некоторые молекулы жидкости могут иметь достаточно энергии, чтобы выйти из жидкости и начать подниматься в атмосферу в виде пара. По мере того, как пар поднимается все выше и выше, температура окружающего воздуха становится все ниже и ниже.В конце концов, пар отдает достаточно тепла окружающему воздуху, чтобы он снова превратился в жидкость. Гравитационное притяжение Земли затем заставляет жидкость «падать» обратно на землю, тем самым завершая цикл. Следует отметить, что если температура окружающего воздуха достаточно низкая, пар может конденсироваться, а затем замерзать и превращаться в снег или мокрый снег. И снова гравитация потребует замороженные формы, и они вернутся на землю.

В следующем разделе мы увидим, что вызывает электрические бури.

молния | Национальное географическое общество

Молния – это электрический заряд или ток. Он может исходить от облаков к земле, от облака к облаку или от земли к облаку.

Молния – продукт атмосферы планеты. Капли дождя очень высоко в небе превращаются в лед. Когда множество маленьких кусочков этих замороженных капель дождя сталкиваются друг с другом в грозовой туче, они создают электрический заряд. Через некоторое время все облако наполняется электрическим зарядом.Отрицательные заряды (электроны) концентрируются внизу облака. Положительные и нейтральные заряды (протоны и нейтроны) собираются в верхней части облака.

Отрицательный и положительный заряды притягиваются друг к другу. Грозовые облака полны электрических зарядов, соединяющихся друг с другом. Эти соединения видны как молния.

На земле под отрицательными зарядами облака накапливаются положительные заряды. Положительный заряд на земле концентрируется вокруг всего, что выступает или торчит – например, деревьев, телефонных столбов, травинок и даже людей.Положительные заряды от этих объектов поднимаются выше в небо. Отрицательные заряды в грозовой туче уменьшаются. В конце концов, они соприкасаются. Когда они касаются друг друга, между двумя зарядами возникает молния.

Это соединение также создает гром. Гром – это просто шум, который издает молния. Громкий гул вызван жаром молнии. Когда воздух становится очень, очень горячим, от тепла воздух взрывается. Поскольку свет распространяется намного, намного быстрее звука, вы увидите молнию раньше, чем услышите гром.Чтобы определить, насколько далеко гроза, начните отсчет секунд, как только увидите молнию. Остановитесь, когда услышите гром. Число, которое вы разделите на пять, приблизительно равно количеству миль от шторма. Например, если вы видите молнию и доходит до 10 до того, как услышите гром, гроза находится примерно в двух милях от вас.

Молниезащита

Все грозы и молнии опасны. Молния очень, очень горячая – горячее, чем поверхность солнца. Она может достигать 28 000 градусов по Цельсию (50 000 градусов по Фаренгейту).Молния любит поражать предметы, которые торчат над землей, в том числе людей. В США от молнии ежегодно умирает в среднем 58 человек. Это больше смертей, чем от торнадо и ураганов.

Если вы услышите гром или увидите молнию, вы можете подвергнуться опасности. Если вы слышите гром, значит буря поблизости. Зайдите в безопасное место. Держитесь подальше от открытых мест, таких как поля, и высоких предметов, таких как деревья или телефонные столбы. Держитесь подальше от любых металлических предметов, таких как сетчатые заборы, велосипеды и металлические укрытия.Поскольку вода является отличным проводником электричества, вам следует выйти из бассейна, если вы плаваете, и держитесь подальше от луж и любой другой воды. Если вы находитесь в месте, где нет укрытия, присядьте низко к земле, но не ложитесь плашмя. Если вы в группе, стойте на расстоянии не менее 5 метров (15 футов) от всех остальных.

Странный феномен «шаровой молнии» получил новое поразительное объяснение

Что касается загадок природы, шаровая молния – одна из самых загадочных. Кажется, что существует столько же потенциальных объяснений, сколько и наблюдений, но, несмотря на десятилетия интенсивного интереса, ни одно из них не является явным победителем.

Одна из самых странных гипотез утверждает, что эти светящиеся шары – не что иное, как свет, заключенный внутри сферы из разреженного воздуха. В новом документе к предложению добавлены новые детали, а также установлены физические параметры того, на что может быть похож такой световой пузырь.

На протяжении веков люди записывали сообщения о сферах света размером с виноградный плод, медленно движущихся на небольшом расстоянии над землей, часто во время грозы, сохраняющихся около 10 секунд, прежде чем тихо исчезнуть.

Иногда бывает один или два дополнительных эффекта. Говорят, что некоторые проходят через стеклянную панель закрытого окна. Другие могут с треском выйти наружу или даже оставить после себя запах серы, когда они исчезнут.

Более десяти лет назад Владимир Торчигин из Российской академии наук пришел к выводу, что атмосферное явление, которое мы называем шаровой молнией, вовсе не молния, а скорее фотоны, рикошетирующие внутри воздушного пузыря, созданного ими самими.

Однако, чем бы ни была шаровая молния, в истории хватает свидетельств очевидцев.

Однако отделить миф от фактов непросто, и в прошлом к ​​ним относились с большой долей скептицизма. Сегодня исследователи проявляют осторожный оптимизм в отношении того, что, вероятно, во множестве наблюдений что-то есть.

В 1970-х годах исследователь шаровых молний Стэнли Сингер предположил, что есть три важных особенности, которые должна учитывать любая успешная модель, объясняющая это явление; продолжительность шаровой молнии, ее плавающее движение и ее внезапное исчезновение.

Всего несколько лет назад предполагаемое событие, связанное с шаровой молнией в Китае, было случайно зафиксировано на спектрографе после удара молнии в землю, что позволило исследователям увидеть разбивку ее электромагнитного спектра.

Исследования подтверждают объяснение инженера Кентерберийского университета Джона Абрахамсона, который предположил, что светящийся воздух может быть результатом испарения материала земли, выталкиваемого ударной волной воздуха.

Другие предположения представляют облака ионов, отталкивающих заряды, которые собираются на изоляторе, таком как стеклянный лист, обеспечивая основу для длительного срока службы, а также для дрейфующих и «подпрыгивающих» движений.

Идея Торчигина настолько же проста, насколько и весьма умозрительна. Это не имеет ничего общего с заряженными ионами, а все связано с интенсивным потоком фотонов, излучаемым яркой вспышкой внутри нашей атмосферы.

Поскольку любая частица поглощает и испускает электромагнитное излучение, возникает отдача, называемая силой Абрахама-Лоренца. Теоретически, свет от удара молнии заставляет частицы воздуха дрожать, поскольку они поглощают и передают электромагнитное излучение.

Эта сила не так уж и впечатляет при большинстве обстоятельств, как признает даже Торчигин, заявляя: «Эти силы чрезвычайно малы для обычных интенсивностей света, и их действие справедливо игнорируется».

Но сильная вспышка удара молнии – это не обычная вспышка. Более того, эти оптические силы потенциально могут быть значительно увеличены при правильных условиях.

Эти «правильные условия», по словам Торчигина, включают образование тонкого слоя воздуха, который преломляет свет обратно на себя.

Тонкий слой воздуха, похожий на пленку пузырька, может эффективно фокусировать свет, как линза, усиливая свет достаточно, чтобы выталкивать частицы воздуха в границу и создавать долгоживущий пузырь, концентрируя фотоны на несколько секунд за раз .

Не все «зародыши» шаровой молнии будут успешными, мгновенно исчезают из-за недостатка света или достаточно закрытой оболочки. Но те, кто действительно торчал поблизости, выглядели бы эффектно, прокладывая захватывающий путь практически через любую прозрачную среду.

Эта идея обсуждалась Владимиром и его коллегой по Российской академии наук Александром Торчигиным в десятках статей на протяжении многих лет.

Последнее обсуждение Владимира этой темы сочетает в себе многочисленные предположения с физическими моделями, чтобы определить плотность света и давление воздуха, необходимые для получения подходящего показателя преломления.

Это может не объяснить некоторые из наиболее жестоких концовок шаровой молнии или спектроскопических наблюдений, подобных тем, что были сняты в Китае, или даже запаха серы.

Но он дает некоторые цифры, которые могут привести к необходимым экспериментам, которые либо исключают гипотезу, либо дают ей эмпирическую основу.

Вполне возможно, что идея Торчигина сама по себе, конечно, пустая болтовня. Но до тех пор, пока у нас не будет консенсуса относительно того, что может быть за этими жуткими светящимися сферами, он останется одним из наиболее интересных претендентов на теорию шаровой молнии.

Это исследование было опубликовано в Optik .

Иллюзия или реальность? – ScienceDaily

Шаровая молния – это редкое явление кругового света, возникающее во время гроз. Ученые долгое время были озадачены природой этих кажущихся огненных шаров. Физики из Университета Инсбрука подсчитали, что магнитное поле длинных ударов молнии может создавать в мозгу изображение светящихся форм, также известных как фосфены.Это открытие может дать объяснение многим наблюдениям за шаровой молнией.

Физики Йозеф Пер и Александр Кендл из Университета Инсбрука изучили электромагнитные поля различных типов ударов молний, ​​возникающих во время гроз. Их расчеты показывают, что магнитные поля определенного класса продолжительных повторяющихся разрядов молнии проявляют те же свойства, что и транскраниальная магнитная стимуляция (ТМС), метод, обычно используемый в клинической и психиатрической практике для стимуляции нейронной активности в человеческом мозге.Изменяющиеся во времени и достаточно сильные магнитные поля индуцируют электрические поля в головном мозге, в частности, в нейронах зрительной коры, которые могут вызывать фосфены. «При клиническом применении TMS сообщается и хорошо исследуется световое и очевидно реальное визуальное восприятие различных форм и цветов в поле зрения пациентов и испытуемых», – говорит Александр Кендл. Физики из Инсбрука подсчитали, что близкий к молнии удар долгой молнии может также вызвать эти светящиеся видения, которые, вероятно, будут выглядеть как шаровая молния.

Их результаты опубликованы в журнале Physics Letters A .

Тайна шаровой молнии решена?

Шаровая молния – явление довольно редкое. Большинство исследователей согласны с тем, что различные явления, вероятно, можно обобщить под собирательным термином «шаровая молния». Со временем были предложены различные теории и предположения о природе этих переживаний. Другие исследователи создали в лаборатории светящиеся огненные шары, которые внешне мало чем отличались от шаровых молний и могли объяснить некоторые из наблюдений, но в большинстве случаев были слишком недолговечными.Другими правдоподобными объяснениями некоторых наблюдений являются огонь Святого Эльма, светящиеся пылевые шары или маленькие расплавленные металлические шары. В каких же случаях молния может вызвать шарообразный фосфен? «

Удары молнии с повторяющимися разрядами, создающими стимулирующие магнитные поля в течение нескольких секунд, довольно редки и случаются примерно в одном из ста событий “, – сообщает физик Кендл.” Наблюдатель, находящийся в пределах нескольких сотен метров от длинного удара молнии, может испытать магнитный фосфен в форме светящегося пятна.«Также могут быть вызваны другие ощущения, такие как шум или запах. Поскольку термин« шаровая молния »хорошо известен из сообщений средств массовой информации, наблюдатели, вероятно, классифицируют молниевые фосфены как таковые. Гипотеза Александра Кендла о том, что на самом деле большинство шаровых молний Наблюдения за фосфенами убедительно подтверждаются его простотой: «В отличие от других теорий, описывающих плавающие огненные шары, никаких новых или иных предположений не требуется».