как возникает молния и насколько она опасна — T&P
Грозы случаются на нашей планете чаще 40 тысяч раз в день — около 100 вспышек молний каждую секунду. Но до сих пор это явление до конца не изучено. «Теории и практики» публикуют отрывок из книги Уолтера Левина и Уоррена Гольдштейна «Глазами физика. От края радуги к границе времени», которую издательство «МИФ» подготовило к выставке Non/fiction. Авторы объясняют, что такое молния и может ли от нее спасти громоотвод, автомобиль или кроссовки на резиновой подошве.
«Глазами физика. От края радуги к границе времени» Уолтер Левин, Уоррен Гольдштейн
Конечно, один из самых опасных видов тока — молния, которая также относится и к числу самых замечательных электрических явлений, мощных, не вполне предсказуемых, не до конца понятных и таинственных — в общем, настоящий коктейль. В мифах разных народов — от древних греков до индейцев майя — разряды молнии описываются либо как символы божеств, либо как орудие их возмездия. И это неудивительно.
В среднем на земле ежегодно проходит около 16 миллионов гроз (более 43 тысяч ежедневно и примерно 1800 ежечасно), которые ежесекундно производят около 100 вспышек молний, или более 8 миллионов молний в день. Это в масштабах всей планеты.
Молния — это следствие заряжения грозовых облаков. Обычно верхняя часть облака заряжается положительно, а нижняя — отрицательно. Почему именно так, ученые пока до конца не разобрались. Хотите верьте, хотите нет, но в физике атмосферы еще очень много вопросов, на которые предстоит ответить. А пока в целях простоты обсуждения давайте несколько упростим ситуацию, представив себе облако, отрицательно заряженное на той стороне, которая находится ближе к земле. Из-за индукции земля, ближе всего расположенная к облаку, заряжается положительно, и между нею и облаком возникнет электрическое поле.
С физической точки зрения разряд молнии довольно сложен, но, по существу, ее вспышка (электрический пробой) возникает, когда электрический потенциал между облаком и землей достигает десятков миллионов вольт.
И хотя мы нередко думаем о разряде молнии как о «стрельбе» с облака в землю, на самом деле движение идет и с облака на землю, и с земли на облако. Сила электрического тока во время разряда молнии средней интенсивности составляет около 50 тысяч ампер (хотя может достигать и нескольких сотен тысяч ампер), а максимальная мощность достигает около триллиона (1012) ватт, но продолжается это всего несколько десятков микросекунд. Тем не менее полная энергия, выделяющаяся в момент удара молнии, редко превышает несколько сотен миллионов джоулей, что эквивалентно энергии, потребляемой за месяц стоваттной лампочкой. Так что идея сбора энергии молнии совершенно непрактична и нецелесообразна.
Большинству из нас известно, что определить, как далеко от нас ударила молния, можно по времени, которое проходит между моментами, когда мы видим разряд и слышим гром. Причина, которой это объясняется, позволяет нам также получить кое-какое представление о мощных силах, задействованных в данном процессе. И она, кстати, не имеет ничего общего с объяснением, однажды услышанным мной от своего студента: что молния создает нечто вроде области низкого давления, куда устремляется воздух и сталкивается там с воздухом, поступающим с другой стороны, в результате чего получается гром.
На самом деле все происходит практически в точности до наоборот. Энергия разряда нагревает воздух примерно до 20 тысяч °С, то есть до температуры, более чем в три раза превышающей температуру поверхности Солнца. Затем этот суперразогретый воздух создает мощную волну давления, она сталкивается с холодным воздухом вокруг нее, создавая звуковые волны, которые распространяются в воздухе. Так как звуковые волны в воздухе перемещаются со скоростью около полутора километров за пять секунд, подсчитав секунды, вы можете довольно легко выяснить, насколько далеко от вас ударила молния.
Тем фактом, что молния столь сильно нагревает воздух, объясняется и другое явление, с которым вы, возможно, сталкивались во время грозы. Вы когда-нибудь замечали, насколько свежий, особый запах стоит в воздухе после грозы, словно буря очистила его? Конечно, в большом городе это трудно почувствовать, потому что там воздух практически всегда пропитан выхлопными газами от автомобилей. Но даже если вам посчастливилось услышать этот замечательный аромат, вы вполне можете не знать, что это запах озона, молекулы кислорода, состоящей из трех атомов кислорода.
Как известно, нормальные молекулы кислорода — без какого-либо запаха — состоят из двух атомов кислорода, и мы записываем их как O2. Но потрясающий жар от молнии разбивает эти молекулы — не все, но достаточное количество, чтобы оказать определенный эффект. Получившиеся в результате отдельные атомы кислорода сами по себе нестабильны, поэтому прикрепляются к нормальным молекулам О2, создавая вещество О3 — озон.
Однако следует отметить, что озон приятно пахнет только в небольших количествах; в высоких концентрациях его запах не столь привлекателен. Его можно почувствовать, например, под высоковольтными проводами. Если вы слышите жужжащий звук, исходящий от проводов, это обычно означает, что там происходит искрение, называемое коронным разрядом, в результате которого и создаются молекулы озона. Когда нет сильного ветра, как правило, можно почувствовать довольно неприятный запах.
«Молния ударяет в самолеты в среднем более одного раза в год, но благодаря скин-эффекту они благополучно переживают эти удары»
А теперь вернемся к идее, что человека от последствий удара молнии могут спасти надетые на него кроссовки на резиновой подошве.
Разряд молнии в 50–100 тысяч ампер, способный разогреть воздух до температуры, более чем в три раза превышающей температуру поверхности Солнца, почти наверняка сожжет вас дотла, заставит биться в конвульсиях от сильнейшего поражения электрическим током или попросту взорвет вас, мгновенно превратив всю воду в вашем теле в сверхгорячий пар. Совершенно независимо от того, во что вы обуты. Именно это происходит с деревом, в которое ударила молния, — сок в нем взрывается и срывает с него всю кору. Сто миллионов джоулей энергии — эквивалент почти тридцати килограммов динамита, — это вам не фунт изюма.
А как насчет того, безопасно ли находиться внутри автомобиля, защищающего вас от удара молнии благодаря резиновым шинам? Автомобиль действительно может защитить вас в этой ситуации (однако никаких гарантий!), но по совершенно иной причине. Дело в том, что электрический ток течет по поверхностным слоям проводника (это явление называется скин-эффектом), и, сидя в автомобиле, вы оказываетесь внутри металлической коробки, а металл, как мы уже знаем, хороший проводник.
Вы даже можете прикоснуться к внутренней части панели воздуховода и не получить никакой травмы. Тем не менее я настоятельно призываю вас этого не делать, поскольку это крайне опасно, так как в большинстве современных автомобилей используются детали из стекловолокна, а в этом материале скин-эффект отсутствует. Иными словами, если молния ударяет в ваш автомобиль, вы — да и ваша машина — можете пережить не самые приятные секунды в жизни. Если интересно, посмотрите короткое видео, где показано, как молния поражает автомобиль. Думаю, вы сразу поймете, что с этим шутить не стоит!
На наше в вами счастье, с самолетами ситуация совершенно другая. Молния ударяет в них в среднем более одного раза в год, но благодаря все тому же скин-эффекту они благополучно переживают эти удары. Смотрите видео.
© paulprescott72/iStock
Есть еще один знаменитый эксперимент, связанный с молниями, авторство которого приписывают Бенджамину Франклину, но я настоятельно не рекомендую вам его проводить.
Речь идет о запуске во время грозы воздушного змея с привязанным к нему металлическим ключом. Предположительно Франклин так намеревался проверить гипотезу о том, что грозовые облака создают электрический огонь. Он рассуждал следующим образом: если молния действительно является источником электроэнергии, то как только бечевка змея намокнет от дождя, она станет хорошим проводником (хотя ученый не использовал этого слова) электричества и оно пройдет вниз, к ключу, привязанному к ее концу. Рассказывают также, что стоило Франклину поднести руку к ключу, как тут же появлялась яркая искра. Так вот, как и в случае с Ньютоном, который на закате своей жизни якобы утверждал, что на создание закона всемирного тяготения его вдохновило яблоко, упавшее на землю с дерева, никаких современных доказательств того, что Франклин когда-либо действительно проводил этот эксперимент, нет. Есть только отчет в письме, посланном им в Королевское научное общество в Англии, и еще один письменный документ, составленный пятнадцать лет спустя другом Франклина Джозефом Пристли (кстати, первооткрывателем кислорода).
«Сто миллионов джоулей энергии — эквивалент почти тридцати килограммов динамита, — это вам не фунт изюма»
Но проводил ли Франклин этот эксперимент или нет — что было бы фантастически опасно и с очень высокой вероятностью привело бы к гибели великого изобретателя, — описание другого эксперимента он опубликовал точно. В данном случае задача была — увести молнию в землю, для чего ученый установил на верхушке башни длинный железный стержень. Несколько лет спустя француз Томас-Франсуа Далибар, который встретился с Франклином и перевел его идеи на французский язык, провел этот эксперимент в несколько иной версии и стал свидетелем поистине невероятного явления. Далибар установил железный стержень длиной больше 10 метров и, направив его в небо, увидел у его не заземленного основания искры.
Впоследствии профессор Георг Вильгельм Рихман, выдающийся ученый, родившийся в Эстонии и живший в Санкт-Петербурге, член Санкт-Петербургской Академии наук, много лет изучавший электрические явления, очевидно, вдохновленный экспериментом Далибара, решил также попробовать его провести.
Как рассказывает Майкл Брайан в интереснейшей книге Draw the Lightning Down: Benjamin Franklin and Electrical Technology in the Age of Enlightenment («Как обезвредить молнию: Бенджамин Франклин и электротехника в эпоху Просвещения»), Рихман приладил железный прут к крыше своего дома и медной цепью соединил его с прибором для измерения электричества в своей лаборатории, расположенной на первом этаже.
Как нарочно — а может, это был знак судьбы, — в августе 1753 года во время заседания Академии наук разразилась сильнейшая гроза. Рихман бросился домой, захватив с собой художника, который должен был иллюстрировать его новую книгу. Пока Рихман наблюдал за оборудованием, ударила молния, прошла вниз по стержню и цепи, выпрыгнула в полуметре от головы ученого, ударила его током и отбросила через всю комнату; художник тоже получил сильный удар током и потерял сознание. В интернете можно найти несколько иллюстраций этой ужасной сцены, хотя точно неизвестно, был ли их автором художник, принимавший в ней непосредственное участие.
Франклин изобрел подобную штуковину, но его детище было заземлено; сегодня оно известно под названием громоотвод. Устройство отлично заземляет удары молнии, однако не по той причине, которую предполагал Франклин. Он считал, что громоотвод будет вызывать между заряженным облаком и зданием непрерывный разряд, тем самым сохраняя разность потенциалов на низком уровне и, следовательно, снижая опасность удара молнии. Ученый был настолько уверен в своей правоте, что посоветовал королю Георгу II установить громоотводы на крыше королевского дворца и на складах с боеприпасами. Оппоненты Франклина утверждали, что громоотводы будут только притягивать молнии и что эффект разряда, снижая разность электрических потенциалов между зданием и грозовыми облаками, будет совсем незначительным. Но король, как гласит история, доверился Франклину и установил громоотводы.
Вскоре после этого молния ударила прямо в один из складов боеприпасов, но повреждения оказались минимальными. То есть стержень сработал, но по совершенно иным причинам.
Критики Франклина были абсолютно правы: громоотводы действительно притягивают молнии и разрядка стержня действительно ничтожна по сравнению с огромным зарядом грозовой тучи. Но громоотвод все же дает желаемый эффект — потому что когда стержень достаточно толстый, чтобы справиться с 10–100 тысячами ампер, ток будет оставаться в стержне и заряд уйдет в землю. Получается, Франклин был не только блестящим ученым — ему еще и здорово везло!
Разве это не удивительно, что, поняв природу тихого потрескивания, раздающегося, когда мы снимаем полиэстеровый свитер зимой, мы можем также постичь суть жуткой грозы с молниями, освещающими ночное небо, и разобраться в происхождении одного из самых громких и устрашающих звуков в природе?
В некотором смысле мы все — современные версии Бенджамина Франклина, пытающиеся выяснить и постичь в этом грозном явлении то, что пока еще находится за пределами нашего понимания. В конце 1980-х годов ученые впервые сфотографировали разные формы молний, сверкающих высоко-высоко в облаках.
Одна из разновидностей называется красными призраками и состоит из красновато-оранжевых электрических разрядов, происходящих в 50–90 километрах над землей. А есть еще синие струи — они гораздо больше, иногда длиной до 70 километров, и возникают в верхних слоях атмосферы. Но мы знаем о них всего лишь немногим более двадцати лет, и нам еще очень мало известно о причинах этого потрясающего природного явления. Даже несмотря на то, что люди изучили электричество уже весьма детально, грозы по-прежнему покрыты завесой тайны — а ведь они случаются на нашей планете около 45 тысяч раз в день.
Интересные факты о молнии | Компания WATSON-ENERGO®
Единственный
официальный
представитель
в Украине
Ua Ru
+38 (050) 332-92-09
Назад
#Все
- Типичная молния длится около четверти секунды и состоит из 3-4 разрядов.
- Молнии путешествуют со скоростью 56000 км в секунду и имеют силу тока в 10-40 тысяч ампер.
- Молния часто несколько раз подряд ударяет в одно место: как и любой электрический разряд, она устремляется по пути наименьшего сопротивления.
- В мире каждую минуту сверкает 6000 молний.
- Средняя молния имеет длину 9,5 км.
- Температура молнии может достигать 27771 градусов по Цельсию. Это почти в 5 раз горячее, чем поверхность Солнца!
- Средняя гроза путешествует со скоростью 40 км в час.
- Прямо сейчас в мире гремят 1800 гроз.
- Каждый год молнии убивают в Украине, по некоторым оцинками, до 30 человек, в США – близько 200.
- Древние греки верили, что жемчуг образуется, когда молния ударяет в море.
- Примерно 25% тех, в кого попала молния, погибают. Смертельные случаи – обычно результат остановки сердца. После удара молнии в электрических системах организма происходит короткое замыкание и те, кто выжил, получают серьезные нарушения здоровья, не говоря уже о психической травме: потери памяти и чувствительности, нарушения сна, ослабление слуха, постоянные боли.
- В гаданиях этрусков молния на востоке была благоприятным знаком, на западе – неблагоприятным, на северо-востоке – неплохим, на северо-западе – вестником несчастья.
- Если одежда мокрая, удар молнии повредит вам меньше.
- По британским верованиям, от молнии можно защититься лавровым листом.
- По статистике, мужчин молния убивает чаще, чем женщин (в 6 раз), вероятно, потому, что мужчины больше времени проводят на открытом воздухе.
- В американский Эмпайр-стейт-билдинг молния ударяет в среднем 23 раза в год.
- Молнии наблюдаются также на Венере, Юпитере, Сатурне и Уране. Молнии Сатурна в миллион раз сильнее земных.
- Чаще, чем в другие деревья, молнии попадают в дубы. Этому есть мифологическое объяснение: у древних греков дуб был деревом Зевса, бога-громовержца.
- Ударяя в песчаную почву, молния способствует образованию стекла. После грозы в песке можно найти полоски стекла.
- В Средние века считалось, что церковные колокола изгоняют злых духов. Гром и молния считались дьявольскими происками, и потому во время грозы старались непрерывно бить в колокола. В результате жертвами молний очень часто становились звонари.
- В самолёты молния попадает в среднем один раз на каждые 5-10 тысяч лётных часов.
- У ацтеков молния, считалось, сопровождает умерших: она расщепляет землю и облегчает путь в её глубины.
- Как правило, разряд молния сопровождается громом. Гром появляется от сильного колебания воздуха от разряда молнии. Молния и гром происходят в один момент. Но почему же мы наблюдаем молнию и слышим гром в разное время? Все потому, что скорость света намного выше скорости звука. Можно сказать, что молнию мы видим в тот же момент, когда она ударяет, а гром слышим с запозданием. Исходя из этого, мы можем с легкостью определить примерное расстояние, на котором находиться гроза. Скорость звука составляет 350 метров в секунду, а значит можно умножить время между ударом молнии и звуком грома, и получить примерное место грозы.
- В середине XVIII века некоторые европейские дамы носили на своих шляпках молниеотводы, а заземляющая проволока волочилась следом.
- Вероятность быть убитым молнией составляет 1 к 2000000. Такие же шансы у каждого из нас умереть от падения с кровати.
- В Киевськой Руси повелителем грома и молний считался Илья-пророк, который раскатывал по небу на громыхающей колеснице. Святой Илья жил в IX веке и единственный из пророков был живым взят в Царство Небесное. Как обычно, в образе этого святого смешались языческие и христианские верования: прототип Ильи – грозный славянский бог Перун.
- По примете, в грозу нельзя стоять возле коров, так как они притягивают молнию. Многочисленные случаи гибели пастухов тому подтверждение.
- В разных мифологиях молнию представляли как руку бога или даже как ослепительный свет
божественных глаз.
- Молнии расчищают небо для полётов космических кораблей. В радиационных поясах Земли существует промежуток, в котором почти нет заряженных частиц благодаря тому, что радиоволны от земных молний отбирают энергию у заряженных частиц и расталкивают их. В результате космические корабли на средней орбите не подвергаются вредному воздействию радиации.
- Три молнии на изображении римского Юпитера символизируют случай, судьбу и предусмотрительность – силы, которые формируют будущее.
- Вероятность увидеть шаровую молнию хотя бы раз в жизни составляет 1 к 10000.
- Люди, в которых попала молния, считались отмеченными богом. А если они погибали, то якобы попадали прямо на небеса. В древности жертв молнии хоронили на месте гибели. А вот как расценивать то, что молния сбила крест с купола собора Смольного монастыря (это случилось в июле 2001 года)? Что его обитатели нагрешили так, что вызвали божественное негодование или, наоборот, особо прославились богоугодными делами?
- В большинстве случаев, молния попадает в людей не в самый разгар грозы. Согласно данным национальной метеорологической службы США (НМС), молния может ударить с расстояния в 15 км от того места, где идет дождь, поэтому если вы слышите гром – значит вы в зоне угрозы попадания молнии.
- Энергии, содержащейся в одном ударе молнии, может хватить на горение 100Вт лампочки в течение 90 дней.
- Известно, что океаны занимают более 70% площади нашей планеты. Поэтому считалось, что молнии поражают в основном водную поверхность. Однако спутники зафиксировали иное: в 8 случаях из 10 молнии ударяют не в воду, а в землю. Учёные объясняют этот неожиданный факт тем, что летом температура суши выше, чем океана, и над континентами возникают мощные конвекционные воздушные потоки, поднимающие в верхние слои атмосферы пары воды, частицы которой в процессе этого электризуются. Превращаясь там в капли и кристаллики льда, они образуют облака, на которых скапливается электрический заряд, в основном над континентальной частью Земли.
Гром и молния считались дьявольскими происками, и потому во время грозы старались непрерывно бить в колокола. В результате жертвами молний очень часто становились звонари.
Согласно данным национальной метеорологической службы США (НМС), молния может ударить с расстояния в 15 км от того места, где идет дождь, поэтому если вы слышите гром – значит вы в зоне угрозы попадания молнии.07 Мая 2020
Оставить заявку и получить консультацию
Читайте также:
Насколько сильна молния?
- Местный
- Графический
- Авиационный
- Морской
- Реки и озера
- Ураганы
- Суровая погода
- Пожароопасная погода
- Солнце/Луна
- Долгосрочные прогнозы
- Прогноз климата
- Космическая погода
- Погода в прошлом
- Дни нагрева/охлаждения
- Месячные температуры
- Записи
- Астрономические данные
- Цунами
- Наводнения
- Береговые опасности
- Лесные пожары
- Холод
- Торнадо
- Качество воздуха
- Туман
- Жара
- Ураганы
- Молнии
- Безопасное катание на лодках
- Отбойные течения
- Грозы
- Космическая погода
- Солнце (ультрафиолетовое излучение)
- Кампании по безопасности
- Ветер
- Засуха
- Зимняя погода
- Беспроводные оповещения о чрезвычайных ситуациях
- Брошюры
- Weather-Ready Nation
- Совместные наблюдатели
- Ежедневный брифинг
- Статистика повреждений/смертей/травм
- Прогнозные модели
- Портал данных ГИС
- Погодное радио NOAA
- Публикации
- SKYWARN Storm Spotters
- StormReady
- TsunamiReady
- Уведомления об изменении службы
- Новости NWS
- События
- Социальные сети
- Паблики/брошюры/буклеты
- Контакты для СМИ NWS
- О NWS
- Организация
- Стратегический план
- Приверженность разнообразию
- Для сотрудников NWS
- Международный
- Национальные центры
- Карьера
- Свяжитесь с нами
- Глоссарий
Молния
Молния Термин «вспышка молнии» используется для описания всего разряда, который длится порядка 0,2 секунды.
| Index Lightning concepts Reference | ||
| Назад |
Но вспышка обычно состоит из нескольких более коротких разрядов, которые длятся менее миллисекунды и повторяются достаточно быстро, чтобы глаз не мог различить множество событий. Эти отдельные разряды называются инсультами. Иногда штрихи достаточно разнесены по времени, чтобы глаз мог их разглядеть, и кажется, что молния мерцает.
| Index Lightning concepts Reference | ||
| Назад |
Уильямс говорит, что типичная молния преодолевает разность потенциалов (напряжение) в несколько сотен миллионов вольт.
| Index Lightning concepts Reference | ||
| Назад |
Уильямс говорит, что типичная молния может передать 10 20 электронов за доли секунды, развивая пиковый ток до 10 килоампер. Согласно Уману, немецкий ученый Поккельс обнаружил, что базальтовая порода вблизи ударов молнии намагничивается, и в 1897 г. определил силу тока порядка 10 000 ампер. Закон Ампера позволяет определить силу тока в проводе по измерению магнитного поля. поле на некотором радиусе от провода. Предположительно, Поккельс измерил намагничивающие эффекты больших токов на базальте и смог масштабировать эти эксперименты для оценки тока, связанного с молнией. Можно было бы представить себе магнитный детектор, основанный как на законе Ампера, так и на законе Фарадея, который мог бы дать вам оценку тока молнии при условии, что у вас есть измерение расстояния от детектора до точки удара молнии. Если вы установите катушку с проводом в вертикальной плоскости, то скорость изменения магнитного поля через катушку будет генерировать напряжение. Если бы вы могли суммировать (интегрировать) ток, генерируемый этим напряжением, вы могли бы рассчитать заряд, переносимый при ударе молнии. Имея несколько таких детекторов в области, вы можете смоделировать местоположение, а также заряд, связанный с ударом. Чаще всего ток молнии прекращается примерно через миллисекунду для данного удара, но иногда после одного или нескольких разрядов сохраняется постоянный ток порядка 100 ампер. Это называется «горячая молния» и, по словам Умана, является причиной молниеносных пожаров. Температура молнии составляет 15 000-60 000 ° F как для «холодной», так и для «горячей» молнии – это постоянный ток, который вызывает около 10 000 пожаров в год в США, по оценке Умани.
| Индекс Lightning Concepts Список литературы Williams | ||||||||||||||
|
На основе этого принципа магнитные связи широко используются для измерения токов молнии. Большинство измерений находились в диапазоне от 5 000 до 20 000 ампер, но знаменитый удар произошел непосредственно перед запуском «Аполлона-15» в 1919 году.71 был измерен при 100 000 ампер с помощью магнитных звеньев, прикрепленных к пуповине. Сообщалось о токах более 200 000 ампер.
