Lightning 1882
(c) Photographer: William N. Jennings, c. 1882

Электрическая природа молнии была раскрыта в исследованиях американского физика Б. Франклина , по идее которого был проведён опыт по извлечению электричества из грозового облака. Широко известен опыт Франклина по выяснению электрической природы молнии. В 1750 году им опубликована работа, в которой описан эксперимент с использованием воздушного змея, запущенного в грозу. Опыт Франклина был описан в работе Джозефа Пристли .

Физические свойства молнии

Средняя длина молнии 2,5 км, некоторые разряды простираются в атмосфере на расстояние до 20 км.

Формирование молнии

Наиболее часто молния возникает в кучево-дождевых облаках , тогда они называются грозовыми; иногда молния образуется в слоисто-дождевых облаках, а также при вулканических извержениях, торнадо и пылевых бурях.

Обычно наблюдаются линейные молнии, которые относятся к так называемым безэлектродным разрядам, так как они начинаются (и заканчиваются) в скоплениях заряженных частиц. Это определяет их некоторые до сих пор не объяснённые свойства, отличающие молнии от разрядов между электродами. Так, молнии не бывают короче нескольких сотен метров; они возникают в электрических полях значительно более слабых, чем поля при межэлектродных разрядах; сбор зарядов, переносимых молнией, происходит за тысячные доли секунды с миллиардов мелких, хорошо изолированных друг от друга частиц, расположенных в объёме нескольких км³. Наиболее изучен процесс развития молнии в грозовых облаках, при этом молнии могут проходить в самих облаках - внутриоблачные молнии , а могут ударять в землю - наземные молнии . Для возникновения молнии необходимо, чтобы в относительно малом (но не меньше некоторого критического) объёме облака образовалось электрическое поле (см. атмосферное электричество) с напряжённостью, достаточной для начала электрического разряда (~ 1 МВ/м), а в значительной части облака существовало бы поле со средней напряжённостью, достаточной для поддержания начавшегося разряда (~ 0,1-0,2 МВ/м). В молнии электрическая энергия облака превращается в тепловую, световую и звуковую.

Наземные молнии

Процесс развития наземной молнии состоит из нескольких стадий. На первой стадии, в зоне, где электрическое поле достигает критического значения, начинается ударная ионизация , создаваемая вначале свободными зарядами, всегда имеющимися в небольшом количестве в воздухе, которые под действием электрического поля приобретают значительные скорости по направлению к земле и, сталкиваясь с молекулами, составляющими воздух, ионизуют их.

По более современным представлениям, ионизация атмосферы для прохождения разряда происходит под влиянием высокоэнергетического космического излучения - частиц с энергиями 10 12 -10 15 эВ , формирующих широкий атмосферный ливень (ШАЛ) с понижением пробивного напряжения воздуха на порядок от такового при нормальных условиях.

По одной из гипотез, частицы запускают процесс, получивший название пробоя на убегающих электронах . 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 ~ 50 000 километров в секунду, после чего его движение приостанавливается на несколько десятков микросекунд, а свечение сильно ослабевает; затем в последующей стадии лидер снова продвигается на несколько десятков метров. Яркое свечение охватывает при этом все пройденные ступени; затем следуют снова остановка и ослабление свечения. Эти процессы повторяются при движении лидера до поверхности земли со средней скоростью 200 000 метров в секунду.

По мере продвижения лидера к земле напряжённость поля на его конце усиливается и под его действием из выступающих на поверхности Земли предметов выбрасывается ответный стример , соединяющийся с лидером. Эта особенность молнии используется для создания молниеотвода .

В заключительной стадии по ионизованному лидером каналу следует обратный (снизу вверх), или главный, разряд молнии , характеризующийся токами от десятков до сотен тысяч ампер, яркостью, заметно превышающей яркость лидера , и большой скоростью продвижения, вначале доходящей до ~ 100 000 километров в секунду, а в конце уменьшающейся до ~ 10 000 километров в секунду. Температура канала при главном разряде может превышать 2000-3000 °C. Длина канала молнии может быть от 1 до 10 км, диаметр - несколько сантиметров. После прохождения импульса тока ионизация канала и его свечение ослабевают. В финальной стадии ток молнии может длиться сотые и даже десятые доли секунды, достигая сотен и тысяч ампер. Такие молнии называют затяжными, они наиболее часто вызывают пожары. Но земля не является заряженой, поэтому принято считать что разряд молнии происходит от облака по направлению к земле(сверху вниз).

Главный разряд разряжает нередко только часть облака. Заряды, расположенные на больших высотах, могут дать начало новому (стреловидному) лидеру, движущемуся непрерывно со скоростью в тысячи километров в секунду. 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 сек. Смещение канала многократной молнии ветром создаёт так называемую ленточную молнию - светящуюся полосу.

Внутриоблачные молнии

Внутриоблачные молнии над Тулузой, Франция. 2006 год

Внутриоблачные молнии включают в себя обычно только лидерные стадии; их длина колеблется от 1 до 150 км. Доля внутриоблачных молний растет по мере смещения к экватору , меняясь от 0,5 в умеренных широтах до 0,9 в экваториальной полосе. Прохождение молнии сопровождается изменениями электрических и магнитных полей и радиоизлучением , так называемыми атмосфериками .

Полёт из Калькутты в Мумбаи.

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 громоотвода). Если в облаке существует электрическое поле, достаточное для поддержания разряда, но недостаточное для его возникновения, роль инициатора молнии может выполнить длинный металлический трос или самолёт - особенно, если он сильно электрически заряжен. Таким образом иногда «провоцируются» молнии в слоисто-дождевых и мощных кучевых облаках .

Молнии в верхней атмосфере

В 1989 году был обнаружен особый вид молний - эльфы, молнии в верхней атмосфере . В 1995 году был открыт другой вид молний в верхней атмосфере - джеты .

Эльфы

Джеты

Джеты представляют собой трубки-конусы синего цвета. Высота джетов может достигать 40-70 км (нижняя граница ионосферы), живут джеты относительно дольше эльфов .

Спрайты

Спрайты трудно различимы, но они появляются почти в любую грозу на высоте от 55 до 130 километров (высота образования «обычных» молний - не более 16 километров). Это некое подобие молнии, бьющей из облака вверх. Впервые это явление было зафиксировано в 1989 году случайно. Сейчас о физической природе спрайтов известно крайне мало .

Взаимодействие молнии с поверхностью земли и расположенными на ней объектами

Глобальная частота ударов молний (шкала показывает число ударов в год на квадратный километр)

Согласно ранним оценкам, частота ударов молний на Земле составляет 100 раз в секунду. По современным данным, полученным с помощью спутников, которые могут обнаруживать молнии в местах, где не ведётся наземное наблюдение, эта частота составляет в среднем 44 ± 5 раз в секунду, что соответствует примерно 1,4 миллиарда молний в год. 75 % этих молний ударяет между облаками или внутри облаков, а 25 % - в землю.

Самые мощные молнии вызывают рождение фульгуритов .

Ударная волна от молнии

Разряд молнии является электрическим взрывом и в некоторых аспектах похож на детонацию . Он вызывает появление ударной волны, опасной в непосредственной близости. Ударная волна от достаточно мощного грозового разряда на расстояниях до нескольких метров может наносить разрушения, ломать деревья, травмировать и контузить людей даже без непосредственного поражения электрическим током. Например, при скорости нарастания тока 30 тысяч ампер за 0,1 миллисекунду и диаметре канала 10 см могут наблюдаться следующие давления ударной волны :

• на расстоянии от центра 5 см (граница светящегося канала молнии) - 0,93 МПа,
• на расстоянии 0,5 м - 0,025 МПа (разрушение непрочных строительных конструкций и травмы человека),
• на расстоянии 5 м - 0,002 МПа (выбивание стёкол и временное оглушение человека).

На бо́льших расстояниях ударная волна вырождается в звуковую волну - гром .

Люди и молния

Молнии - серьёзная угроза для жизни людей. Поражение человека или животного молнией часто происходит на открытых пространствах, так как электрический ток идёт по кратчайшему пути «грозовое облако-земля». Часто молния попадает в деревья и трансформаторные установки на железной дороге, вызывая их возгорание. Поражение обычной линейной молнией внутри здания невозможно, однако бытует мнение, что так называемая шаровая молния может проникать через щели и открытые окна. Обычный грозовой разряд опасен для телевизионных и радиоантенн, расположенных на крышах высотных зданий, а также для сетевого оборудования.

В организме пострадавших отмечаются такие же патологические изменения, как при поражении электротоком. Жертва теряет сознание , падает, могут отмечаться судороги , часто останавливается дыхание и сердцебиение . На теле обычно можно обнаружить «метки тока», места входа и выхода электричества. В случае смертельного исхода причиной прекращения основных жизненных функций является внезапная остановка дыхания и сердцебиения, от прямого действия молнии на дыхательный и сосудодвигательный центры продолговатого мозга. На коже часто остаются так называемые знаки молнии, древовидные светло-розовые или красные полосы, исчезающие при надавливании пальцами (сохраняются в течение 1 - 2 суток после смерти). Они - результат расширения капилляров в зоне контакта молнии с телом.

Молния проходит в стволе дерева по пути наименьшего электрического сопротивления , с выделением большого количества тепла, превращая воду в пар, который раскалывает ствол дерева или чаще отрывает от него участки коры, показывая путь молнии. В следующие сезоны деревья обычно восстанавливают повреждённые ткани и могут закрывать рану целиком, оставив только вертикальный шрам. Если ущерб является слишком серьёзным, ветер и вредители в конечном итоге убивают дерево. Деревья являются естественными громоотводами , и, как известно, обеспечивают защиту от удара молнии для близлежащих зданий. Посаженные возле здания, высокие деревья улавливают молнии, а высокая биомасса корневой системы помогает заземлять разряд молнии.

По этой причине нельзя прятаться от дождя под деревьями во время грозы, особенно под высокими или одиночными на открытой местности.

Из деревьев, поражённых молнией, делают музыкальные инструменты, приписывая им уникальные свойства.

Молния и электроустановки

Разряды молний представляют большую опасность для электрического и электронного оборудования. При прямом попадании молнии в провода в линии возникает перенапряжение , вызывающее разрушение изоляции электрооборудования, а большие токи обуславливают термические повреждения проводников. Для защиты от грозовых перенапряжений электрические подстанции и распределительные сети оборудуются различными видами защитного оборудования таким как разрядниками , нелинейными ограничителями перенапряжения, длинноискровыми разрядниками. Для защиты от прямого попадания молнии используются молниеотводы и грозозащитные тросы. Для электронных устройств представляет опасность также и электромагнитный импульс , создаваемый молнией.

Молния и авиация

Атмосферное электричество вообще и молнии в частности представляют значительную угрозу для авиации. Попадание молнии в летательный аппарат вызывает растекание тока большой величины по его конструкционным элементам, что может вызвать их разрушение, пожар в топливных баках, отказы оборудования, гибель людей. Для снижения риска металлические элементы наружной обшивки летательных аппаратов тщательно электрически соединяются друг с другом, а неметаллические элементы металлизируются. Таким образом, обеспечивается низкое электрическое сопротивление корпуса. Для стекания тока молнии и другого атмосферного электричества с корпуса, летательные аппараты оборудуются разрядниками.

Ввиду того, что электрическая емкость самолёта, находящегося в воздухе невелика, разряд «облако-самолёт» обладает существенно меньшей энергией по сравнению с разрядом «облако-земля». Наиболее опасна молния для низколетящего самолёта или вертолёта, так как в этом случае летательный аппарат может сыграть роль проводника тока молнии из облака в землю. Известно, что самолёты на больших высотах сравнительно часто поражаются молнией и тем не менее, случаи катастроф по этой причине единичны. В то же время известно очень много случаев поражения самолётов молнией на взлете и посадке, а также на стоянке, которые закончились катастрофами или уничтожением летательного аппарата.

Молния и надводные корабли

Молния также представляет очень большую угрозу для надводных кораблей в виду того, что последние приподняты над поверхностью моря и имеют много острых элементов (мачты, антенны), являющихся концентраторами напряженности электрического поля. Во времена деревянных парусников, обладающих высоким удельным сопротивлением корпуса, удар молнии практически всегда заканчивался для корабля трагически: корабль сгорал или разрушался, от поражения электрическим током гибли люди. Клёпаные стальные суда также были уязвимы для молнии. Высокое удельное сопротивление заклёпочных швов вызывало значительное локальное тепловыделение, что приводило к возникновению электрической дуги, пожарам, разрушению заклёпок и появлению водотечности корпуса.

Сварной корпус современных судов обладает низким удельным сопротивлением и обеспечивает безопасное растекание тока молнии. Выступающие элементы надстройки современных судов надежно электрически соединяются с корпусом и также обеспечивают безопасное растекание тока молнии.

Деятельность человека, вызывающая молнию

При наземном ядерном взрыве за доли секунды до прихода границы огненной полусферы в нескольких сотнях метров (~400-700 м при сравнении со взрывом 10,4 Мт) от центра дошедшее гамма-излучение продуцирует электромагнитный импульс с напряжённостью на уровне ~100-1000 кВ/м, вызвающий разряды молний, бьющих от земли вверх перед приходом границы огненной полусферы.

См. также

Примечания

1. Ермаков В.И., Стожков Ю.И. Физика грозовых облаков // Физический институт им. П.Н. Лебедева, РАН, М.2004 г. :37
2. В возникновении молний обвинили космические лучи Lenta.Ru , 09.02.2009
3. Красные Эльфы и Синие Джеты
4. ELVES, a primer: Ionospheric Heating By the Electromagnetic Pulses from Lightning
5. Fractal Models of Blue Jets, Blue Starters Show Similarity, Differences to Red Sprites
6. V.P. Pasko, M.A. Stanley, J.D. Matthews, U.S. Inan, and T.G. Wood (March 14, 2002) "Electrical discharge from a thundercloud top to the lower ionosphere, " Nature , vol. 416, pages 152-154.
7. Появление НЛО объяснили спрайтами . lenta.ru (24.02.2009). Архивировано из первоисточника 23 августа 2011. Проверено 16 января 2010.
8. John E. Oliver Encyclopedia of World Climatology . - National Oceanic and Atmospheric Administration, 2005. - ISBN 978-1-4020-3264-6
9. . National Oceanic and Atmospheric Administration. Архивировано
10. . NASA Science. Science News. (December 5, 2001). Архивировано из первоисточника 23 августа 2011. Проверено 15 апреля 2011.
11. К. БОГДАНОВ «МОЛНИЯ: БОЛЬШЕ ВОПРОСОВ, ЧЕМ ОТВЕТОВ». «Наука и жизнь» № 2, 2007
12. Живлюк Ю.Н., Мандельштам С.Л. О температуре молнии и силе грома // ЖЭТФ. 1961. Т. 40, вып. 2. С. 483-487.
13. Н. А. Кун «Легенды и мифы Древней Греции» ООО «Издательство АСТ» 2005-538,с. ISBN 5-17-005305-3 Стр.35-36.
14. Editors: Mariko Namba Walter,Eva Jane Neumann Fridman Shamanism: an encyclopedia of world beliefs, practices, and culture. - ABC-CLIO, 2004. - Т. 2. - С. 442. -

Опасность. Молниевой разряд характеризуется большими токами, а его температура доходит до 300000 градусов. Дерево при ударе молнии расщепляется и даже может загореться. Расщепление дерева происходит вследствие внутреннего взрыва из-за мгновенного испарения внутренней влаги древесины.

Прямое попадание молнии для человека обычно заканчивается смертельным исходом. Ежегодно в мире от молнии погибает около 3000 человек.

Предупредительные мероприятия перед грозой

Перед поездкой на природу уточните прогноз погоды. Если предсказывается гроза, то перенесите поездку на другой день. Если Вы заметили грозовой фронт, то в первую очередь определите примерное расстояние до него по времени задержки первого раската грома, первой вспышки молнии, а также оцените, приближается или удаляется фронт.

Поскольку скорость света огромна (300 000 км/с), то вспышку молнии мы наблюдаем мгновенно. Следовательно задержка звука будет определяться расстоянием и скоростью звука (около 340 м/с). Мы должны время в секундах от вспышки молнии до первого раската умножить на 340 - и получим расстояние в метрах до грозового фронта.

Пример: если после вспышки до грома прошло 5 с, то расстояние до грозового фронта равно 340 м/с х 5с = 1700 метров. Если с течением времени запаздывание звука растет, то грозовой фронт удаляется, а если запаздывание звука сокращается, а гром перестает быть раскатистым и напоминает сухой треск, то грозовой фронт приближается. Чем раскатистее гром на ровной местности - тем дальше гроза.

Как действовать во время грозы

Если Вы находитесь в сельской местности: закройте окна, двери, дымоходы и вентиляционные отверстия. Не растапливайте печь, поскольку высокотемпературные газы, выходящие из печной трубы, имеют низкое сопротивление. Не разговаривайте по телефону: молния иногда попадает в натянутые между столбами провода.

Во время ударов молнии не подходите близко к электропроводке, молниеотводу, водостокам с крыш, антенне, не стойте рядом с окном, по возможности выключите телевизор, радио и другие электробытовые приборы.

Если Вы находитесь в лесу, то укройтесь на низкорослом участке леса. Не укрывайтесь вблизи высоких деревьев, особенно сосен, дубов и тополей.

Не находитесь в водоеме или на его берегу. Отойдите от берега, спуститесь с возвышенного места в низину.

В степи, поле или при отсутствии укрытия (здания) не ложитесь на землю, подставляя электрическому току все свое тело, а сядьте на корточки в ложбине, овраге или другом естественном углублении, обхватив ноги руками.

Если грозовой фронт настиг Вас во время занятий спортом, то немедленно прекратите их. Металлические предметы (мотоцикл, велосипед, ледоруб и т.д.) положите в сторону, отойдите от них на 20-30 м.

Если гроза застала Вас в автомобиле, не покидайте его, при этом закройте окна и опустите антенну радиоприемника. Если в автомобиле сухо, он сможет выдержать удар молнии, защитив Вас.

От себя разъясняю больше. При движении грозового фронта от трения воздуха между землей и облаками образуется огромная разность потенциалов. Явление чем-то похоже на гигантский природный конденсатор, накапливающий энергию.

Поэтому метеочувствительным людям может стать плохо перед грозой, даже если она прошла рядом, в работе тонких электроприборов могут наблюдаться электрические помехи, а радиосигнал может не проходить сквозь грозовой фронт.

Разряд статического электричества обычно проходит по пути наименьшего электрического сопротивления - по ионизированному каналу, проложенному "бегущим лидером" (как по проводу). Так как между самым высоким предметом, среди аналогичных, и кучевым облаком расстояние меньшее, значит меньше и электрическое сопротивление. Следовательно, молния поразит в первую очередь высокий предмет (мачту, дерево и т.п.).

Большая часть молний и электрических разрядов происходит между грозовыми облаками и внутри грозового облака - порядка 80%. Но мощность электрических разрядов между землей и облаками несопоставимо больше, так как намного выше разность потенциалов "между небом и землей".

После накопления критического статического заряда из грозового облака стекает небольшой заряд (микро-шаровая молния) - так называемый "бегущий лидер" и движется к земле со скоростью порядка 20 м/с. По пути он образует ионизированный канал, может расщепляться и делиться - тогда молния ветвится.

Как только он достигает земли или высокого предмета, имеющего статический заряд электричества, с земли в грозовое облако по проложенному ионизированному каналу происходит мгновенный многократный электрический разряд. Его мы видим как единую очень яркую "цельную" молнию, но на расстоянии мы слышим раскаты грома, так как мгновенных последовательных разрядов молнии по одному каналу производится от 10-15 до 80 и даже 100 в чрезвычайно редких случаях. Можете посчитать количество раскатов грома на отдалении 2 км от молнии.

"Бегущий лидер" - это ионизированный заряд электричества, стекающий с грозового облака. На фото вверху страницы очень хорошо видно, как с грозового фронта стекают вниз "бегущие лидеры", оставляя за собой слабосветящийся ветвистый канал. И очень хорошо заметен яркий мощный канал "от земли до неба" со вспышкой на облаке, по которому происходит непосредственный разряд молнии. Все такие активные каналы при входе в грозовое облако очень ярко подсвечены, а сам по себе выход "бегущего лидера" из облака - еще нет.

На четвертой слева молнии очень хорошо видно, что мощный разряд бьет вдоль канала из земли и еще не достиг развилки. А крайний справа вверху "слабый" разряд - это движение "бегущего лидера" из облака. На конце крайней левой развилки третьей слева молнии даже виден очень яркий "бегущий лидер" в виде точечного маленького шара.

Тем, кто считает, что разряд молнии бьет из облака в землю, и широко распространяет эти неверные сведения в интернете, настоятельно советую почитать высшую физику - в XX веке с активным приходом фотографии в нашу жизнь явление молнии было очень хорошо описано.

От себя могу высказать предположение о природе шаровой молнии: таинственная шаровая молния может оказаться очень крупным "бегущим лидером", который способен увидеть невооруженный глаз человека (а не только зафиксировать специальная фотография), за которым полностью закрылся ионизированный канал, и поэтому полноценный разряд молнии стал невозможным.

Если "бегущий лидер" оказался "слабеньким" и разрушился до того, как он полностью сформировал ионизированный канал, разряда молнии не происходит. Большинство выходов "бегущих лидеров" не заканчивается разрядом молнии. "Бегущий лидер", формирующий привычную нам молнию "между небом и землей", живет порядка 50-80 секунд, так как ему необходимо время для достижения поверхности.

"Бегущий лидер", за которым непосредственно следует электрический разряд и молния, на специальных фотографиях напоминает небольшую яркую искру и представляет собой сгусток ионизированного газа (сгусток низкотемпературной плазмы). Именно путем фотографирования молнии и того, что происходит непосредственно перед разрядом, в XX веке было сделано открытие, корректно описывающее явление молнии.

Если же "бегущий лидер" оказался очень большим по размеру, он начинает встречать более существенное сопротивление окружающей среды, скорость его движения резко замедляется, ионизированный канал за ним успевает полностью или частично закрыться. Поэтому полноценного разряда молнии не происходит, и мы можем наблюдать явление шаровой молнии (например, в зоне смерча и торнадо, как на фото). Стремясь занять наименьший объем, вещество в состоянии плазмы принимает шарообразную форму (площадь внешней поверхности шара минимальна среди прочих тел при фиксированном объеме).

Фактически, наблюдается три фазовых состояния, описывающих различное поведение математической модели "бегущего лидера" - формирование "бегущего лидера", который не закончился никаким разрядом (более 99%), "бегущий лидер", которому "повезло" и которому удалось полностью сформировать ионизированный канал, движение которого закончилось разрядом молнии (менее 1%), и "переросток", за которым частично или полностью закрылся ионизированный канал, и он сформировал видимую невооруженным глазом шаровую молнию (чрезвычайно редко).

Если рассматривать явление разряда молнии с точки зрения модной сегодня теории катастроф, то именно разряд молнии необходимо рассматривать как фазовое изменение состояния системы "природных конденсаторов". Только разряд молнии и "бегущий лидер", которому "повезло", вызывает скачкообразное изменение состояния электрических потенциалов грозовых облаков и поверхности земли и соответственно может рассматриваться как "катастрофа". Моментом начала скачкообразного изменение состояния системы является момент достижения "бегущим лидером" другого облака или поверхности земли (а также дерева, молниеотвода и т.п.).

Сам момент скачкообразного изменения состояния системы (то есть разряд молнии) может быть описан набором аппроксимированных дельта-функций по числу мгновенных электрических разрядов, аргументом является время.

Ни "бесплодный" "бегущий лидер", который не закончился разрядом молнии, ни тем более "переросток"-шаровая молния с точки зрения современной теории катастроф не вызывают скачкообразное изменения состояния "природных конденсаторов" - грозовых облаков и поверхности земли. Именно поэтому шаровая молния не может рассматриваться как явление, вызывающее скачкообразное изменение состояния системы вцелом, ведь она не влечет за собой полноценного разряда молнии со сформированным по всей длинне ионизированным каналом.

В крайнем случае, шаровая молния, получающая извне энергетическую подпитку (например, от мощного вращения торнадо, как на фото), влечет за собой локальные электрические микро-разряды в своей локализованной окрестности. Эти микро-молнии и электрические разряды проходят по локализованным в некоторой окрестности ионизированным каналам. Если же энергетический подпитки шаровой молнии извне не происходит и связь с источником полностью утеряна, то шаровая молния не формирует локальные электрические разряды вообще.

Но так или иначе, во время своего существования (с момента образования до момента разрушения) поведение шаровой молнии обусловлено исключительно локальными изменениями состояния системы и никак не влияют на ее глобальное состояние и поведение, в отличие от привычного разряда молнии.

Среди множества атмосферных явлений молния, несомненно, занимает особое место. Она чрезвычайно красива и зрелищна, а невероятная мощь ее ударов и сегодня приводит в ужас многих людей.

И это несмотря на то, что все они учились в школе и представляют, что такое электричество.

Древние представления о молнии

В древности молния вызывала у людей не менее сильные чувства. Ею восхищались и ее боялись, считая ее оружием богов. Не зря наиболее грозные и воинственные божества практически у всех народов были вооружены именно молниями: Зевс — у древних греков, Юпитер – у римлян, Перун – у славян.

В древнеиндийском пантеоне богов молнией были вооружены Шива-Разрушитель и Индра-Воин, у которого для метания молний даже имелось специальное оружие – ваджра.

В то же время молния нередко считалась символом пробуждения жизненных сил и энергии. Так, по верованиям древних китайцев, погодой управляла специальная небесная управа из четырех богов.

Молнией заведовала богиня Дянь-му, которая сближала и разводила небесные зеркала, начиная вспышкой молнии неуклонное движение жизни на полях и в сердцах людей. В христианстве молния символизирует Божественное откровение и Божественный суд.

Как образуется молния?

Сегодня всем известно, что молния – это мощный электрический разряд, возникающий между тучами. Но как именно он образуется, представляют далеко не все.


Грозовая туча – это облако водяного пара, имеющее размеры подчас в десятки километров. Его верхняя часть может находиться на высоте 6-7 км, в то время как нижняя – всего в полукилометре от земли.

На высоте 4 км всегда царит отрицательная температура, поэтому капельки пара там превращаются в льдинки. Хаотично перемещаясь, они постоянно трутся друг о друга, благодаря чему большинство из них приобретают электрический заряд: мелкие – положительный, крупные – отрицательный.

Под действием тяготения крупные льдинки опускаются в нижние слои тучи, скапливаясь там, а мелкие остаются наверху. Постепенно суммарная величина зарядов становится достаточно большой для того, чтобы возникшее между ними поле приобрело гигантскую напряженность.

Когда разнозаряженные части тучи сближаются, отдельные ионы и электроны, сорванные с места взаимным притяжением, устремляются навстречу друг другу, увлекая за собой соседей. Возникает плазменный канал разряда, распространяющийся по участкам тучи со скоростью в сотые доли секунды.


Иногда нижний край тучи нависает над землей достаточно низко, чтобы электрический пробой случился между тучей и поверхностью земли. Особенно «везет» в этом отношении отдельно стоящим пригоркам или деревьям, столбам и вышкам линий электропередач, которые становятся катализаторами разряда. Вот почему опасно в грозу оставаться под одиноким деревом на пригорке или электрическим столбом.

Температура внутри канала молнии достигает десяти тысяч градусов, а электрическое напряжение – нескольких сотен миллионов вольт. В то же время емкость облачного «конденсатора» совсем невелика – всего около 0,15 микрофарад. Раскаленная плазма выжигает воздух вокруг канала, который затем схлопывается, вызвав ударную волну, которую мы воспринимаем как гром.

Зарница

Молнии возникают не только в обычных облаках, состоящих из водяного пара. Для их образования необходимо, чтобы в воздухе находилась мелкодисперсная взвесь любого вещества, частицы которого будут тереться друг о друга и приобретать электрический заряд.

Так, в засушливое лето иногда можно увидеть «сухую грозу» — молнии, образованные в огромных тучах поднятой ветром пыли. Эти молнии называют зарницами.

Шаровая молния

Иногда во время грозы происходит образование шаровой молнии – шарообразного сгустка энергии небольшого размера. Это одно из наиболее малоизученных атмосферных явлений, повторить которое в лабораторных условиях, в отличие от обычной молнии, до сих пор не удалось.


Шарообразная молния может причинить вред человеку, которого она коснется, но немало и случаев, когда контакт с нею не приносил никаких неприятных ощущений.

Молния - это искровой разряд статического электричестве, аккумулированного в грозовых облаках. В отличие от разрядов, образующихся на производстве и в быту, электрические заряды, накапливаемые в облаках, несоизмеримо больше. Поэтому энергия искрового разряда - молния и возникающих при этом токов очень велика и представляет большую опасность для человека, животных, строений. Молния сопровождается звуковым импульсом - громом. Сочетание молнии и грома называют грозой.

Гроза - это исключительно красивое природное явление. Как правило, после грозы улучшается погода, воздух становится прозрачен, свеж и чист, насыщен ионами, образующимися при разрядах молнии. Несмотря на это нужно помнить, что гроза в определенных условиях может представлять большую опасность для человека. Каждый человек должен знать природу грозового явления, правила поведения во время грозы и методы защиты от молнии. Гроза - сложный атмосферный процесс и ее возникновение обусловлено образованием кучево-дождевых облаков. Сильная облачность является следствием значительной неустойчивости атмосферы. Для грозы характерны сильный ветер, часто интенсивный дождь «снег», иногда с градом. Перед грозой «за час, два» атмосферное давление начинает быстро падать, вплоть до внезапного усиления ветра, а затем начинает повышаться.

Грозы можно разделить на местные, фронтальные, ночные, в горах. Наиболее часто человек сталкивается с местными, или тепловыми грозами. Водяной пар в восходящем потоке теплого воздуха на высоте конденсируется, при этом выделяется много тепла, и восходящие потоки воздуха нагреваются, По сравнению с окружающим восходящий воздух теплее, он увеличивается н объеме, пока не превратится в грозовое облако. В больших по размеру грозовых облаках присутствуют кристаллики льда и капельки воды. В результате их дробления и трения между собой и о воздух образуются положительные и отрицательные заряды, под действием которых возникает сильное электростатическое поле «напряженность электростатического поля может достигать 100 ООО В/м». И разница потенциалов между отдельными частями облака, облаками или облаком и землей достигает громадных величин. При достижении критической электрической напряженности в воздухе возникает лавинообразная ионизация воздуха - искровой разряд молнии.

Фронтальная гроза возникает, когда массы холодного воздуха проникают в район, где преобладает теплая погода. Холодный воздух вытесняет теплый, при этом последний поднимается на высоту 5--7 км. Теплые слои воздуха вторгаются внутрь вихрей различной направленности, образуется шквал, сильное трение между слоями воздуха, что способствует накоплению электрических зарядов. Длина фронтальной грозы может достигать 100 км. В отличие от местных гроз после фронтальных обычно холодает. Ночная гроза связана с охлаждением земли ночью и образованием вихревых токов нисходящего воздуха.

Гроза в горах объясняется разницей в солнечной радиации, которой подвергаются южные и северные склоны гор. Ночные и горные грозы носильные и кратковременные. Грозовая активность в различных районах нашей планеты различна. Мировые очаги гроз: остров Ява - 220 грозовых иней в году; Экваториальная Африка - 150; Южная Мексика - 142; Панама 132; Центральная Бразилия - 106. Россия: Мурманск - 5; Архангельск - 10; Санкт-Петербург - 15; Москва - 20. Как правило, чем южнее «для северного полушария Земли» и севернее «для южного полушария Земли», тем выше грозовая активность. Грозы в Арктике и Антарктике очень редки. Пи Земле в год происходит 16 миллионов гроз. На каждый м2 поверхности земли приходится 2-3 удара молнии в год. В землю чаще всего ударяют молнии из отрицательно заряженных облаков.

По виду молнии различаются на: линейные, жемчужные и шаровые. Жемчужные и шаровые молнии довольно редкое явление. Их характеристики: распространенная линейная молния, с которой многократно встречается любой человек, имеет вид разветвляющейся линии. Величина силы тока в канале линейной молнии составляет в среднем 60 - 170 кА, зарегистрирована молния с током 290 кА. Средняя молния имеет энергию Л0 кВт/час «900 МДж». Разряд развивается за несколько тысячных долей секунды; при столь высоких токах воздух в зоне канала молнии практически мгновенно разогревается до температуры 30000 - 33000°С. В результате резко попытается давление, воздух расширяется и возникает ударная волна, сопровождающаяся звуковым импульсом - громом. *Жемчужная молния - очень редкое и красивое явление. Появляется сразу после линейной молнии и исчезает постепенно. Чаще всего разряд жемчужной молнии следует по пути чиненной. Молния имеет вид 12 м друг от друга и напоминающих жемчуг, нанизанный на нитку. Жемчужная молния может сопровождаться исключительными звуковыми эффектами.

Шаровая молния также довольно редка. На тысячи обычных линейных молний приходится 2 -3 шаровых. Шаровая молния, как правило, появляется чаще к концу грозы, реже - после грозы. Может иметь форму шара, эллипсоида, груши, диска и даже цепи шаров. Цвет Молнии - красный, желтый, оранжево-красный. Иногда молния ослепительно белая с очень резкими очертаниями. Цвет определяется содержанием различных веществ в воздухе. Форма и цвет молнии могут меняться во время разряда. Измерить параметры шаровой молнии и смоделировать ее в лабораторных условиях не удалось. По всей видимости, многие наблюдаемые неопознанные летающие объекты «НЛО» по своей природе аналогичны или близки шаровой молнии.

Опасные факторы воздействия молнии: Линейная молния. В связи с тем, что молния характеризуется большими величинами токов, напряжений и температр разряда, воздействие ее на человека, как правило, приводит к их смерти. От удара молнии в мире в среднем ежегодно погибает около 3000 человек причем известны случаи одновременного поражения нескольких человек. Разряд молнии проходит по пути наименьшего электрического сопротивления: если расположить рядом две мачты - металлическую и бол со высокую деревянную, то молния, скорее всего, ударит в металлическую мачту, хотя она ниже, потому что электропроводность металла выше; молния также значительно чаще ударяет в глинистые и влажные участки, чем в сухие и песчаные, поскольку первые обладают большей электропроводностью; в лесу молния действует тоже избирательно, попадая, прежде всего, в такие лиственные деревья как дуб, тополь, верба, ясень, так как в них содержится много крахмала. Хвойные деревья -- ель, пихта, лиственница и такие лиственные деревья как липа, грецкий орех, бук содержат много масел, поэтому оказывают большое электрическое сопротивление, и в них молния ударяет реже.

Из 100 деревьев молнией поражается: 27 процентов тополей; 20 процентов груш; 12 процентов лип; 8 процентов елей и только 0,5 процент кедровых. Кроме поражения людей и животных линейная молния довольно часто является причиной возникновения лесных пожаров, а также жилых и производственных зданий, особенно в сельской местности. В связи с этим необходимо принимать специальные защиты от поражения линейной молнией. Шаровая молния. Если природа линейной молнии ясна, а, следовательно, и ее поведение предсказуемо, то природа шаровой молнии до сих пор не понятна. Опасность поражения человека шаровой молнией, прежде всего, связанна именно с отсутствием методов и правил защиты человека от нее.

В 1753 году русский физик Георг Вильгельм Рихман, коллега М.В. Ломоносова, был убит шаровой молнией во время грозы при исследовании искровых разрядов в атмосфере. Известны многие случаи гибели людей при встрече с шаровой молнией. Драматический случай произошел с группой из пяти советских альпинистов 17 августа 1978 года на Кавказе на высоте около 4000м, где они остановились в ясную, холодную ночь на ночлег. В палатку к альпинистам залетел светло-желтый шар величиной с теннисный мяч. Шар парил над спальными мешками, в которых находились альпинисты, и методично, по какому-то собственному плану, проник в спальные мешки. Каждый такой «визит» вызывал отчаянный нечеловеческий крик, люди чувствовали сильнейшую боль, как будто их жгли автогеном, и теряли сознание. Они не могли двигать ни руками, ни ногами. После того как шар «посетил» спальные мешки каждого альпиниста по несколько раз, он исчез. Все альпинисты получили множество тяжелых ран. Это были не ожоги, а именно рваные раны: мышцы были вырваны целыми кусками, до самых костей. Одного из альпинистов - Олега Коровина - шар убил. При этом шаровая молния не коснулась ни одного предмета в палатке, а только покалечила людей.

Поведение шаровой молнии непредсказуемо. Она неожиданно появляется где угодно, в том числе в закрытых помещениях. Замечены случаи появления шаровой молнии из телефонной трубки, электрической бритвы, выключателя, розетки, репродуктора. Она достаточно часто проникает в здания через трубы, открытые окна и двери. Размеры шаровой молнии бывают от нескольких сантиметров до нескольких метров. Обычно она легко парит или катится над землей, иногда подскакивает. Она реагирует на ветер, сквозняк, восходящие и щи ходящие потоки воздуха. Однако отмечен случай, когда шаровая молния не реагировала на поток воздуха.

Шаровая молния может появиться, не нанеся вреда человеку или помещению, залететь в окно и исчезнуть из помещения через открытую дверь или дымовую трубу, пролетев мимо человека. Всякий контакт с ней приводит к тяжелым травмам, ожогам, а в большинстве случаев к смертельному исходу. Широкая молния может взорваться. Возникающая при этом воздушная волна способна травмировать человека или привести к разрушениям в здании. Известны случаи взрывов молний в печках, дымоходах, что приводило к разрушению последних. Собранные свидетельства о поведении шаровой миопии говорят, что в большинстве случаев взрывы не были опасны, тяжелые последствия возникали в 10 случаях из 100. Считается, что шаровая молния имеет температуру около 5000°С и может вызвать пожар.

`Правила поведения во время грозы:

Вспышку молнии мы видим практически мгновенно, та как свет распространяется со скоростью 300 000 км/с. Скорость распространения звука в воздухе равна примерно 344 м/с, то есть примерно за 3 секунды звук проходит 1 км. Молния опасна тогда, когда за вспышкой тут же следует раскат грома, значит, грозовое облако находится над Вами, и опасность удара молнии наиболее вероятна. Ваши действия перед грозой и во время нее должны быть зимующими: выходить из дома, закрыть окна, двери и дымоходы, позаботиться, чтобы не было сквозняка, который может привлечь шаровую молнию. Во время грозы не топить печку, так как дым, выходящий из трубы имеет высокую электропроводность, и вероятность удара молнии в возвышающуюся над крышей трубу возрастает; во время грозы подальше держаться от электропроводки, антенн, окон, дверей и всего остального, связанного с внешней средой. Не располагаться у стены, рядом с которой растет высокое дерево; радио и телевизоры отключать от сети, не пользоваться электроприборами и телефоном «особенно это важно для сельской местности»; «и время прогулки спрятаться в ближайшее здание. Особенно опасна гроза в поле. При поиске укрытия отдайте предпочтение металлической конструкции больших размеров или конструкции с металлической рамой, жилому дому или фугой постройке, защищенной молниеотводом; если нет возможности укрыться в здании, не надо прятаться в небольших сараях, под одинокими деревьями; не оставаться на возвышенностях и открытых незащищенных местах, вблизи металлических или сетчатых оград, крупных металлических объектов, влажных стен, заземления молниеотвода; при отсутствии укрытия лечь на землю, при этом предпочтение следует отдать сухому песчаному грунту, удаленному от водоема; если гроза застала Вас в лесу, необходимо рыться на участке с низкорослыми деревьями. Нельзя укрываться под высокими деревьями, особенно соснами, дубами, тополями. Лучше находиться ни расстоянии 30 м от отдельно высокого дерева. Обратите внимание - нет ли рядом деревьев, ранее пораженных грозой, расщепленных. Лучше держаться подальше от этого места. Обилие пораженных молнией деревьев свидетельствует, что грунт на данном участке имеет высокую электропроводность, и удар молнии в тин участок местности весьма вероятен во время грозы нельзя находиться на воде и у воды - купаться, ловить рыбу. Необходимо подальше отойти oт берет, и горах отойдите от горных гребней острых возвышающихся скип и вершин. При приближении в горах грозы нужно спуститься как можно ниже. Металлические предметы - альпинистски» крючья, ледорубы, кастрюли собрать в рюкзак и спустить на веревке на 20-30 м ниже по склону; во время грозы не занимайтесь спортом на открытом воздухе, не бегите, так как считается, что пот и быстрое движение «притягивает» молнию; если вы застигнуты грозой на велосипеде или мотоцикле, прекратите движение, оставьте их и переждите грозу на расстоянии примерно 30 м от них; если гроза застала вас в автомобиле, не нужно его покидать. Необходимо закрыть окна и опустить автомобильную антенну. Двигаться во время грозы на автомобиле не рекомендуется, поскольку гроза, как правило, сопровождается ливнем, ухудшающем видимость на дороге, а вспышка молнии может ослепить и вызвать испуг и, как следствие, аварии; при встрече с шаровой молнией не проявляйте по отношению к ней никакой активности, по возможности сохраняйте спокойствие и не двигайтесь. Не нужно приближаться к ней, касаться ее чем-либо, т.к. может произойти взрыв. Не следует убегать от шаровой молнии, потому что это может повлечь ее ш собой возникшим потоком воздуха.

Молниезащита:

Эффективным средством защиты от молнии является молниеотводы, Приоритет изобретения молниеотвода принадлежит американцу Бенджамину Франклину «1749 год». Несколько позднее в 1758 год, независимо от него, молниеотвод изобрел М.В. Ломоносов. Молниезащита путем установки молниеотводов основана на свойстве молнии, поражать наиболее высокие и хорошо заземленные металлические сооружения. Молниеотвод состоит из трех основных частей: молниеприемника, воспринимающего удар молнии; токовода, соединяющего молниеприемник с заземлителем, через который ток молнии стекает в землю. По типу монниеприемников наиболее распространены стержневые и тросовые. Молниеотводы разделяются на: одиночные, двойные и многократные.

Окрест молниеотвода образуется зона защиты, то есть пространство, и пределах которого обеспечивается защита строения или какого-либо другого объекта от прямого удара молнии. Степени защиты в указанных зонах составляют более 95 процентов. Это означает, что из 100 ударов молнии н защищенный объект возможно менее 5 случаев попадания, остальные удары будут восприняты молниеприемником. Зона защиты ограничивается образующими двух конусов, один из которых имеет высоту h, равную высоте молниеотвода, и радиус основания R = 0,75 h, а другой - высоту 0.8 h и радиус основания 1,5 h «при радиусе основания второго конуса R = h эффективность защиты обеспечивается на 99 процентов».

Молниеприемники стержневых молниеотводов изготавливают из стали любого профиля, как правило, круглого, сечением не менее 100мм2 и длиной не менее 200мм. Для защиты от коррозии ох окрашивают. Молниеприемники тросовых молниеотводов изготавливают из металлических тросов диаметром около 7мм. Тоководы должны выдерживать нагрев при протекании очень больших токов разряда молнии в течение короткого промежутка времени, поэтому их делают из металлов с небольшим сопротивлением. Сечение тоководов на воздухе не должно быть менее 48 мм2, а в земле - 160мм 2. заземлители являются важнейшим элементом молниезащиты. Их назначение обеспечивать достаточно малое сопротивление растеканию тока молнии в грунте. В качестве заземлителя можно использовать зарытые в землю на глубину 2 - 2,5м металлические трубы, плиты, мотки проволоки и сетки, куски (хищнической арматуры. Молниеотводы желательно устанавливать на возвышенностях, чтобы сократить путь молнии и увеличить размеры зоны защиты. Дымовые трубы, фронтоны, выступы на крыше, телевизионные антенны нужно заземлить с помощью тоководов. Металлические водосточные трубы и лестницы, ведущие на крышу, желательно соединить с тоководом или заземлить отдельно.

Молния как природное явление

Молния - это гигантский электрический искровой разряд между облаками или между облаками и земной поверхностью длиной несколько километров, диаметром десятки сантиметров и длительностью десятые доли секунды. Молния сопровождается громом. Кроме линейной молнии, изредка наблюдается шаровая молния.

Природа и причины возникновения молнии

Гроза - сложный атмосферный процесс, и ее возникновение обусловлено образованием кучево-дождевых облаков. Сильная облачность является следствием значительной неустойчивости атмосферы. Для грозы характерен сильный ветер, часто интенсивный дождь (снег), иногда с градом. Перед грозой (за час, два до грозы) атмосферное давление начинает быстро падать вплоть до внезапного усиления ветра, а затем начинает повышаться.

Грозы можно разделить на местные, фронтальные, ночные, в горах. Наиболее часто человек сталкивается с местными или тепловыми грозами. Эти грозы возникают только в жаркое время при большой влажности атмосферного воздуха. Как правило, возникают летом в полуденное или послеполуденное время (12-16 часов). Водяной пар в восходящем потоке теплого воздуха на высоте конденсируется, при этом выделяется много тепла и восходящие потоки воздуха подогреваются. По сравнению с окружающим восходящий воздух теплее, он увеличивается в объеме, пока не превратится в грозовое облако. В больших по размеру грозовых облаках постоянно витают кристаллики льда и капельки воды. В результате их дробления и трения между собой и о воздух образуются положительные и отрицательные заряды, под действием которых возникает сильное электростатическое поле (напряженность электростатического поля может достигать 100 000 В/м). И разница потенциалов между отдельными частями облака, облаками или облаком и землей достигает громадных величин. При достижении критической напряженности электрического воздуха возникает лавинообразная ионизация воздуха - искровой разряд молнии.

Фронтальная гроза возникает, когда массы холодного воздуха проникают в район, где преобладает теплая погода. Холодный воздух вытесняет теплый, при этом последний поднимается на высоту 5-7 км. Теплые слои воздуха вторгаются внутрь вихрей различной направленности, образуется шквал, сильное трение между слоями воздуха, что способствует накоплению электрических зарядов. Длина фронтальной грозы может достигать 100 км. В отличие от местных гроз после фронтальных обычно холодает. Ночная гроза связана с охлаждением земли ночью и образованием вихревых токов восходящего воздуха. Гроза в горах объясняется разницей в солнечной радиации, которой подвергаются южные и северные склоны гор. Ночные и горные грозы несильные и непродолжительные.

Грозовая активность в различных района нашей планеты различна. Мировые очаги гроз: остров Ява - 220, Экваториальная Африка -150, Южная Мексика - 142, Панама - 132, Центральная Бразилия - 106 грозовых дней в году. Россия: Мурманск - 5, Архангельск - 10, Санкт-Петербург - 15, Москва - 20 грозовых дней в году.

По виду молнии делятся на линейные, жемчужные и шаровые. Жемчужные и шаровые молнии довольно редкое явление.

Разряд молнии развивается за несколько тысячных долей секунды; при столь высоких токах воздух в зоне канала молнии практически мгновенно разогревается до температуры 30 000-33 000° С. В результате резко повышается давление, воздух расширяется - возникает ударная волна, сопровождающаяся звуковым импульсом - громом. Из-за того, что на высоких заостренных предметах напряженность электрического поля, создаваемого статическим электрическим зарядом облака, особенно высока, возникает свечение; в результате начинается ионизация воздуха, возникает тлеющий разряд и появляются красноватые языки свечения, временами укорачивающиеся и опять удлиняющиеся. Не следует пытаться тушить эти огни, т.к. горения нет. При высокой напряженности электрического поля может появиться пучок светящихся нитей - коронный разряд, который сопровождается шипением. Линейная молния также изредка может возникнуть и при отсутствии грозовых облаков. Не случайно возникла поговорка - «гром среди ясного неба».