Что известно человечеству о молниях, открытия ученых относительно грозы
2.8к 0
Елена Сотникова
Если учесть все достижения современных учёных, то может показаться, что рассчитать энергию, которая выделяется во время удара молнии, проще простого. Однако, все эти расчёты примерные, точно все рассчитать довольно сложно, а иногда невозможно.
Молния всегда очень сильно пугала людей. В древние времена её считали главным оружием богов. Именно молнией боги по поверьям поражали грешников. Но после того, как Бенджамин Франклин изобрёл громоотвод, человечеству удалось укротить эту свирепую стихи. Наука шагает вперёд семимильными шагами, только силу удара молнии учёные не могут рассчитать до сих пор. Точного метода измерения пока изобрести не удалось, как и способа использования стихии на пользу человечества.
Единственное, что могут сделать современные учёные — это рассчитать напряжение, которое возникает между линиями электропередач при ударе молнии.
В этом ученым помогает закон Ома. Для этого нужно разделить напряжение на сопротивление, ничего сложно, банальные расчёты. Отсюда следует, что если известна продолжительность разрядов молнии, то можно вычислить и их энергию, однако, не все так просто.
В разных уголках нашей планеты ежедневно бушует около двух тысяч гроз, и каждые две секунды следует удар молнии, это примерно 50 ударов каждые 24 часа. Люди изучают это явление природы с древних времен, но несколько десятилетий назад Бенджамин Франклин, великий учёный из Соединенных Штатов Америки, сумел доказать, что молния — это своеобразное скопление зарядов, отрицательно заряженных. В наше время фотосъёмка помогла ученым выяснить, что молния включает в себя небольшие разряды, длительность которых составляет доли секунды.
Возникновение молнии
Молния “зарождается” в дождевых наэлектризованных облаках, которые находятся между небом и землей. Главной причиной этого является притяжение, получаемое из-за трения льдинок или капель, из которых состоит туча.
А все потому, что эти маленькие частички постоянно движутся, их движения провоцирует поток тёплого воздуха, который поднимается от поверхности земли. Капли воды и льдинки сталкиваются между собой, и туча электризуется. Стоит отметить тот факт, что мелкие частички, которые увлекает за собой воздух, всегда имеют положительный заряд, а крупные, располагающиеся в нижних слоях тучи, отрицательный.
В тот момент, когда противоположные заряды касаются друг друга, между ними образовывается канал, состоящий из электронов и ионов. И заряженные частицы начинают свое движение по этому каналу, так и получается электрический разряд, именно его и называют молнией.
Современным ученым удалось выяснить, что молния состоит из заряженных электричеством нитей, которые при слиянии образуют ступенчатый лидер. Приближаясь к грозовому облаку или к земле, он образует свою копию. Как только лидер и его точная копия встречаются, возникает электрический разряд и слепящая вспышка.
Сколько энергии в одной молнии?
Напряжение молнии довольно велико, её энергии хватит для того, чтобы лампочка в сто ватт непрерывно светила на протяжении трех месяцев.
Молния несёт в себе около двадцати тысяч мегаватт, а его температура десять тысяч градусов по Кельвину.
Это в 5 раз выше, чем на поверхности Солнца.
Научно доказано, что разряд, возникший между землей и тучей, несёт в себе больше энергии, в отличие от разряда, который “зарождается” между тучами находящимися по соседству. А все потому, что разность потенциалов между облаками намного ниже, чем между землёй и небом.
Что такое гром?
Молнию всегда сопровождает сильный громовой раскат. Гром образуют вибрации, вызванные раскаленным воздухом, на который действует резко возросшее давление в атмосфере. Из-за того, что длина молнии составляет несколько километров, звук получается довольно раскатистым и громким. Длительность разряда составляет несколько секунд, а гром и вспышка происходят одновременно, раскаты слышатся с запозданием, ведь скорость света в разы выше скорости звука.
Виды молнии
Учёные выяснили что в природе существует несколько видов молнии.
Давай, разберём какие именно. Существуют такие виды разрядов как:
- шаровой;
- ленточный;
- вулканический;
- плоский или горизонтальный;
- линейный;
- шторовый;
- чотковый или бисерный;
- объёмный.
Стоит отметить, что учёные называют молниями и такие явления природы, как огни Святого Эльма, джеты, эльфы и спрайты. Каждый вид вышеперечисленных разрядов имеет свои отличительные особенности.
Какую опасность таит гроза?
Молния — это заряд электричества огромной мощности, который вызывает разрушения и возгорания. Если разряд такого рода попадает в человека, то наносит серьёзные увечья или убивает. Может произойти остановка сердца, разрушается нервная система и поражается головной мозг. Если верить статистике, то молния попадает в человека только в одном проценте случаев, однако, это довольно опасно.
Ударная волна одного разряда в щепки ломает дерево, оглушает, вызывает серьёзные ожоги и прочее.
Эта природная стихия беспощадна.
Какова сила тока в молнии?
Молния содержит в себе около ста тысяч ампер, а напряжение в ней равно нескольким миллионам, а то и миллиардам вольт. Температура молниевого канала составляет двадцать пять тысяч градусов по Цельсию. Если молния ударяет в песок, то превращает его в стекло. Именно так возникла новая порода, которую учёные назвали фульгурит. Фульгурит — это полая трубка, которая при застывании отражает путь электрического разряда. Толщина данной породы может быть равна толщине человеческой руки или толщине указательного пальца, все зависит от силы удара молнии. Длина разряда может колебаться от восьми до ста километров.
Правила поведения во время грозы
Вот уже несколько сотен лет существуют негласные правила, которые нужно выполнять во время грозы.
- Избавься от всех металлических предметов, в том числе и от зонта, железо притягивает электрические разряды.
- Купаться в водоемах и открытых бассейнах во время грозы.
Вода прекрасно проводит электричество, поэтому если внезапно началась гроза, поспеши выбраться на берег. Однако, разряды молнии довольно часто бьют по береговой линии, отсюда следует что ловить рыбу в грозу нельзя. Поспеши как можно дальше удалиться от водоёма. - Открытую местность тоже следует избегать, так как молния имеет свойство бить в самую высокую точку на земной поверхности. Если гроза застала тебя в поле, постарайся стать как можно ниже или спрятаться в канаву. Если таковых нет, ляг на землю и передвигайся по-пластунски.
- Не прячься от грозы под высокими деревьями. Если во время грозы ты находишься в лесу, постарайся отойти от высоких деревьев, найди кустарник и присядь там на корточки.
- Последнее правило появилось после того, как человек изобрёл сотовый телефон. Избегай разговоров по мобильному во время грозы. Волны, которые излучает телефон, притягивают молнию.
- Если во время грозы ты находишься в автомобиле, то не трогай ручки, дверей или крышу авто, как уже ранее, сказано металл притягивает к себе электрические разряды.
- Если во период грозы ты находишься дома, то плотно закрой все двери и окна, чтобы не было сквозняка. Именно сквозняк притягивает к себе шаровую молнию. Также в грозу не следует приближаться к электроприборам, подоконникам и батареям, так как шаровая молния чаще всего о них разряжается. Отключи из сети всю бытовую технику и радиоприборы.
- Если молния застала тебя во время катания на мотоцикле, мопеде или велосипеде, спешивайся и, уложив свой транспорт на бок, отойди от него подальше. Не раскрывай зонт, не прячься под кроной деревьев, об этом уже говорилось ранее.
Вода прекрасно проводит электричество, поэтому если внезапно началась гроза, поспеши выбраться на берег. Однако, разряды молнии довольно часто бьют по береговой линии, отсюда следует что ловить рыбу в грозу нельзя. Поспеши как можно дальше удалиться от водоёма.
Любопытные факты
С этим природным явлением связано много интересных, а порою даже шокирующих фактов.
- Одна из самых продолжительных молний длилась 7.74 секунды.
- Ежегодно по всему миру молния убивает около трех тысяч человек.
- До земли доходит только четверть электрических разрядов.
- Молния провоцирует около десяти тысяч лесных пожаров каждый год.
- Шанс погибнуть от удара молнии равен 1 к 2 миллионам.
- Самая распространённая причина удара молнии в человека — это разговор по сотовому во время грозы.
- В 2007 году ученые смогли зафиксировать самый длинный разряд, его протяжённость была 321 километр.
- Грозу можно увидеть не только в пределах земной атмосферы. Очень часто она возникает на Венере, Юпитере, Уране и Сатурне.
- Из 100 процентов людей, поражённых молнией, умирает только 30 процентов, остальные 70 остаются в живых. Жителя Америки Роя Селливана молния поразила семь раз подряд, но он остался в живых.
- Шаровая молния “живёт” только десять секунд, а вероятность её увидеть равна 1:10000.
Теперь ты знаешь, что такое молния и прекрасно понимаешь, что относиться к ней с пренебрежением не следует. Она очень опасна для жизни и здоровья человека, именно поэтому нужно соблюдать правила поведения во время грозы. Если эта стихия застала тебя врасплох, то не паникуй, найди укрытие и отключи сотовый телефон.
преимущества и перспективы использования энергии молний
Дата публикации: 27 сентября 2019
Содержание
- Теоретическое обоснование возможности использования энергии молний
- Интересные эксперименты по применению энергии молний
- Проблемы и перспективы
Огромные молнии через все небо, пугающие наших предков и удивляющие ученых XXI века, не раз навевали мысли о практическом использовании пропадающих впустую киловаттов энергии. Но, несмотря на отдельные попытки реализовать задуманное, грозовая энергетика пока носит больше теоретический, чем практический характер. Тем не менее ряд стран выделяет немало средств на изучение данного направления и решение отдельных сложностей, связанных с «отловом» молний и их перенаправлением в централизованную сеть электроснабжения с помощью высоковольтных систем оборудования.
Теоретическое обоснование возможности использования энергии молний
Яркая вспышка в небе во время ненастья – результат сразу нескольких физико-химических процессов.
Интересные эксперименты по применению энергии молний
Первым ученым, приблизившимся к изучению характера грозовых разрядов, стал Бенджамин Франклин. Во время грозы в рамках своих физических опытов он запускал в небо воздушных змеев. «Собранный» ими электрический заряд позволил предположить возможность его накопления и применения в отдаленном будущем, когда человечество сумеет сконструировать мощное улавливающее оборудование и научится управлять грозным атмосферным явлением без вреда для себя и окружающей среды.
Более поздние эксперименты помогли ученым узнать, сколько энергии в молнии. Говоря научным языком, энергия молнии в джоулях составляет 5 млрд, что аналогично ее объему от сгорания 145 литров бензина. Специалисты из США, где сегодня ведутся масштабные работы в рамках изучения грозовой энергетики, подсчитали: одного разряда достаточно, чтобы снабдить население страны электричеством на 20 минут. Учитывая климатические особенности Штатов и их «удачное» географическое расположение между двумя океанами, становится понятной стремление местных ученых изучить процесс и наладить его практическое применение в промышленных объемах. А если науке удастся преодолеть расстояние, то тысячи молний, ежедневно наблюдаемых в разных частях света, смогут полностью решить энергетическую проблему в рамках планеты.
Конструкция, позволяющая улавливать молнию и преобразовывать ее под параметры энергосетей, была впервые сконструирована в 2006 году и представлена научной аудитории в виде небольшого макета.
Заслуга принадлежит компании Alternative Energy Holdings, заложившей первый камень в основание грозовой энергетики будущего. Согласно проведенным расчетам, оборудование окупится за 5-7 лет, бесперебойно производя электричество стоимостью не более 0,005 долларов. Однако масштабные эксперименты в практических условиях не подтвердили работоспособность предложенной схемы, и проект был свернут.
В 2013 году в университете Саутгемптона удалось смоделировать искусственный разряд, полностью повторяющий разряд молнии по уровню напряжения. С помощью несложной системы оборудования удалось уловить его и направить на зарядку смартфона, аккумулятор которого был пополнен до 100% за две минуты.
Проблемы и перспективы
Несмотря на первые неудачи, ученые настроены позитивно. В случае успеха человечество получит киловатты бесплатной, экологически чистой возобновляемой энергии, область применения которой ничем не ограничена. Но, чтобы открыть для себя столь заманчивые перспективы и научиться использовать энергию молнии, предстоит решить немало проблем:
- Предсказать район и время очередной грозы пока не удается. А монтаж тысяч ловушек пока достаточно накладен даже для экономически развитой страны.
- «Поймать» заряд требуется за доли секунд, что не в состоянии сделать самое быстродействующее оборудование. Мощные конденсаторы, способные справиться с этой задачей, пока не созданы, а их расчетная стоимость будет достаточно велика, что значительно повысит стоимость полученной энергии.
- В зависимости от локализации в верхней или нижней части облаков, молнии могут иметь положительный или отрицательный заряд. Для уловления заряда в первом случае потребуется дополнительная энергия, подачу которой на оборудование нужно обеспечить за доли секунд до появления грозового разряда.
- Мощность разрядов имеет диапазон от 5 до 200 кА. Любая величина требует адаптации столь значительного количества энергии к стандартной сети на 220В.
- Плотность заряженных ионов снижается по мере приближения разряда к земле. Поэтому улавливающее оборудование необходимо поднять на значительную высоту от поверхности планеты. Но здесь возникает другая проблема – самопроизвольное образование молнии, процесс формирования которой нужно научиться контролировать и предотвращать. В противном случае чувствительное оборудование выйдет из строя от перегрузки, и огромные финансовые затраты на создание технических устройств окажутся напрасными.
А монтаж тысяч ловушек пока достаточно накладен даже для экономически развитой страны.
Но здесь возникает другая проблема – самопроизвольное образование молнии, процесс формирования которой нужно научиться контролировать и предотвращать. В противном случае чувствительное оборудование выйдет из строя от перегрузки, и огромные финансовые затраты на создание технических устройств окажутся напрасными.Несмотря на преграды, мешающие запустить проекты практической реализации грозовой энергетики, работы по ее всестороннему исследованию продолжаются. Возможно, уже через десятки лет можно будет говорить о первых успехах, а спустя пару веков электричество от молнии станет столь же доступным, как энергия солнца или ветра.
Инженерная школа Массачусетского технологического института | » Есть ли способ использовать электричество от молнии?
Есть ли способ использовать электричество от молнии?
Конечно, это возможно. Но, возможно, это того не стоит…
Сара Дженсен
«Бенджамину Франклину очень повезло, что в его воздушного змея не ударила молния, — говорит Джеймс Киртли, профессор электротехники Массачусетского технологического института и специалист по электрическим машинам и энергетике.
системы. Средний удар молнии содержит около 1 миллиона джоулей, достаточно энергии, чтобы поджарить отца-основателя в его сапогах. «Типичный дом в США имеет ток 100 ампер или около 28 лошадиных сил, — говорит Киртли. К сожалению, полагаться на молнии для питания наших фенов, телевизоров и холодильников было бы далеко не рентабельно. Проблема в том, что энергия молнии содержится в очень коротком промежутке времени, всего в несколько микросекунд. Кроме того, чтобы получить этот 1 миллион джоулей, нужно было бы работать с напряжением в несколько миллионов вольт.
Поглощение молнии и преобразование ее в полезную энергию было бы чрезвычайно сложной задачей, объясняет Киртли. Для этого потребуются сложные устройства для улавливания и хранения, а также системы распределения, которые в конечном итоге вряд ли будут давать достаточно энергии, чтобы оправдать их затраты. Начнем с того, что для привлечения молнии потребуется гораздо более сложное оборудование, чем железный ключ на конце шелковой нити.
Высокие металлические стержни, возвышающиеся над землей, сделают свое дело, собирая любые электрические заряды в атмосфере и направляя их в объект. Но также необходимо будет построить надежные и надежные механизмы безопасности, чтобы немедленно сдержать огромный всплеск энергии и не допустить, чтобы весь объект разлетелся на куски.
И поскольку вы никогда не знаете, будет ли предстоящий удар молнии нести положительный или отрицательный заряд, конденсаторы и выпрямители также потребуются для выравнивания токов входящих ударов. «Вам понадобится какой-то механизм, чтобы положительный заряд одного болта не компенсировал отрицательный заряд другого», — объясняет Киртли. Кроме того, определение наиболее практичных мест для объектов захвата может привести к огромному количеству проблем. По данным Национального управления океанических и атмосферных исследований, молния ударяет где-то на земле примерно 44 раза в секунду, но большинство этих ударов происходит в тропиках и отдаленных горных районах.
Строительство современного объекта преобразования и хранения энергии в таких условиях было бы чрезвычайно сложным. Распределение этой энергии в более густонаселенных районах добавит еще больше логистических и экономических проблем.
Киртли по-прежнему надеется, что проблемы захвата молнии — если не его экономическая осуществимость — однажды будут решены. «Тот факт, что мы не используем молнию сейчас, не означает, что какой-нибудь умный инженер однажды не поймет, как это сделать», — говорит он. Но даже при 1 миллионе джоулей типичный удар молнии содержит только около ¼ киловатт-часа мощности, чего недостаточно, чтобы сильно повлиять на наш счет за электроэнергию. «В настоящее время мы покупаем электроэнергию по цене около 20 центов за кВтч», — говорит он. «Количество энергии от молнии будет стоить всего около пятицентовой монеты».
Спасибо Дилану из Кейптауна, Южная Африка, за этот вопрос.
Опубликовано: 23 марта 2015 г.
Можем ли мы собрать молнию для энергосистемы?
Автор New Scientist, партнер Energy Realities
Ни у кого нет всех ответов на мировые энергетические вопросы, поэтому New Scientist объединился со Statoil для поиска решений среди аудитории New Scientist.
Был задан вопрос: сколько энергии содержится в молнии? Достаточно ли, и есть ли места, где молния ударяет достаточно часто, чтобы думать о воздушных змеях, чтобы передать эту энергию в сеть?
Согласитесь, это была бы довольно крутая работа — работать на «молниеносной ферме», расположенной, скажем, в устье реки Кантатумбо, Венесуэла, или Лайтнинг-Ридж, Новый Южный Уэльс, Австралия. Пережить драму сказочных электрических бурь и создать из них что-то полезное. И без выбросов углекислого газа.
Случится ли это когда-нибудь? Ответ, с которым согласилось большинство из 300 респондентов, — решительное нет. Причины изложены ниже, но давайте не будем воровать их славу.
Есть несколько посторонних записей. Франсуа Эсташ предлагает заменить воздушных змеев лазерными лучами. Идея состоит в том, чтобы посветить лазерным лучом в грозовые тучи, отрывая электроны от молекул в воздухе и создавая путь с низким электрическим сопротивлением, по которому может пройти молния.
В 2012 году французская группа показала, что это может работать, по крайней мере, при искусственном освещении. Если в будущем станет возможным направлять молнию в статические коллекторы, это может решить одну из самых больших проблем сбора молнии — знать, куда она ударит.
У Рэйсона Лорри из Рочестера, Миннесота, есть другой план. Он отказался от Земли в пользу Юпитера. «В 1997 году орбитальный аппарат «Галилео» заснял молнию на ночной стороне Юпитера, и это открытие неоднократно подтверждалось», — говорит он. «Прокладка электропроводящего кабеля от воздушного шара через огромную и сильно заряженную систему облаков Юпитера должна обеспечить большой ток». Он предполагает, что это может быть не так увлекательно, как работа с молнией. Интересно, почему полет на воздушном шаре над Юпитером не захватывающий?
Будущие технологии и другие миры в стороне, вот лучшие ответы, которые мы получили на вопрос этого месяца:
«Если бы можно было захватить всю ее энергию, средняя молния произвела бы около 5 миллиардов джоулей, что эквивалентно 0,85 барреля нефти.
. Но есть проблемы со всем этим, не в последнюю очередь из-за того, что электрическая энергия поступает спорадически во времени и месте. Он также обеспечивает чрезвычайно высокую мощность, что делает улавливание энергии проблематичным, поскольку любые проводники должны быть способны передавать большую мощность без повреждений – например, плавления при высоких температурах.
Вторая проблема заключается в том, что когда молния ударяет в землю, большая часть энергии поступает не в виде электричества, а в виде тепла. Его нельзя собрать напрямую, так как электричество может повредить оборудование.
После захвата энергия должна храниться и высвобождаться по мере необходимости, как это делается с возобновляемыми источниками энергии, такими как энергия ветра и солнца. Это добавляет дополнительное планирование и затраты на упражнение, но это возможно. В меньших масштабах такое хранение достигается с помощью конденсаторов. В более крупных масштабах — например, на электростанциях — это делается с помощью больших перезаряжаемых батарей, сжижающих воздух или закачивающих воду в резервуары на вершине холма над гидроэлектростанциями.
Улавливание энергии молнии было достигнуто в небольших масштабах в лабораториях, хотя масштабы этой технологии не были успешно расширены. Основной исследуемый подход заключается в проведении электричества через стержни и башни. Хотя воздушный змей может функционировать аналогичным образом, он может не выдержать вес проводника. Другим подходом было бы использование энергии для нагрева воды и использования ее, в свою очередь, для выработки электроэнергии, но это было бы менее эффективно.
Что касается того, бьет ли молния где-либо достаточно постоянно, чтобы сделать ее жизнеспособным источником энергии, то лучшее место — на востоке Демократической Республики Конго, недалеко от Кифуки. Здесь каждый год происходит около 158 забастовок на квадратный километр. Если бы вся энергия от этих ударов была собрана со 100-процентной эффективностью на площади в 5 квадратных километров, она снабжала бы только 236 средних британских домов».
«В Эмпайр Стейт Билдинг в Нью-Йорке наносят удары примерно 23 раза в год.
Если бы всю эту энергию можно было собрать, она была бы эквивалентна примерно 20 баррелям нефти. Хотя это очень небольшое количество энергии, если бы все высокие здания могли получать такое же количество энергии, это могло бы внести полезный вклад в их собственные потребности в энергии, почти так же, как солнечные батареи и ветряные турбины».
Льюис О’Шонесси, Солсбери, Уилтшир, Великобритания
«Удар молнии выглядит впечатляюще, а мощность колоссальна – около 100 000 мегаватт во время сильного шторма. Однако продолжительность разряда молнии очень мала, порядка 100 миллионных долей секунды. Таким образом, задействованная энергия относительно невелика, порядка 108 джоулей, что эквивалентно примерно 30 киловатт-часам (кВтч). Типичное домохозяйство потребляет от 5 до 10 кВтч в день, поэтому один грозовой разряд будет снабжать дом электричеством всего на три-шесть дней. Добавьте к этому очень неустойчивый и случайный характер молнии и огромную, если не невозможную, инженерную проблему сбора и преобразования энергии в полезную форму, и ее использование просто не будет практичным или стоящим предприятием».
Рон Барнс, Кингс Линн, Норфолк, Великобритания
«Мы даже не должны допускать возникновения грозового разряда: подумайте, сколько энергии тратится впустую на нагрев и ионизацию воздуха. Гораздо разумнее было бы собрать заряд задолго до того, как произойдет пробой атмосферы. Возможно, большая антенная решетка из тонких проводников, размещенная на подходящей вершине холма или склоне, могла бы направлять заряд на батарею или конденсаторную батарею. Это кажется лучше, чем пытаться запустить маленького воздушного змея в шторм, который ограничивает область захвата и требует тяжелого проводника именно там, где вы не можете вынести его вес».
Эд Прайс, Чула-Виста, Калифорния, США
«Молния прекрасна и удивительна. Когда разразится гроза, мы должны призывать людей выключать в домах свет и телевизор и наблюдать за молнией. Это сэкономит гораздо больше энергии, чем вы сможете захватить с помощью воздушных змеев!»
Эрик Этвелл, Университет Лидса, Великобритания
Этот контент независимо редактируется New Scientist по заказу Statoil.