Сложные процессы трения, ударов, расщепления капелек или ледяных кристалликов на части приводят к образованию в облаках электрических зарядов. При этом положительно заряженные капельки обычно относятся воздушным потоком в верхнюю часть облака. Превращаясь в ледяные кристаллики, они образуют шапку грозового облака.
Накопление в грозовом облаке больших зарядов приводит к мощным искровым разрядам как между отдельными частями облака, так и между двумя разными облаками или между облаком и поверхностью Земли. Эти разряды мы и наблюдаем в виде молний. Напряжение между облаками и землей оценивают в десятки и сотни миллионов вольт. Длина искры достигает 10 км. Молнии предшествует появление слабосветящегося канала, распространяющегося в направлении к земле. Когда канал достигнет земли, по нему устремляется главный разряд молнии со скоростью в десятки тысяч километров в секунду.
Таким образом, продолжительность молнии около 0,001c. Поэтому если вам когда-нибудь случится наблюдать движение пешеходов и автомашин ночью в грозу, при свете молнии, то вам представится поразительная картина. Движение как бы прекратилось, колеса неподвижны. Пешеходы как бы застыли в той позе, в какой их застал блеск молнии. Cлабосветящийся канал, предшествующий молнии, представляет собой скопление ионизованных частиц. В воздухе всегда имеется некоторое количество таких частиц.
Под влиянием сильного электрического поля между облаком и землей число частиц лавинообразно нарастает. При расщеплении молекул в процессе образования новых ионов возникает излучение, распространяющееся со скоростью света. Эти излучения вызывают новые расщепления и появление новых лавин.
Прежде образовавшиеся лавины нагоняют их и сливаются с ними в еле светящийся электропроводящий канал, по которому и устремляется мощный поток электронов — главный разряд молнии. Его скорость порядка десятков тысяч километров в секунду. Сила тока измеряется десятками и сотнями тысяч ампер. Температура молнии достигает 30 000 градусов. Она так сильно разогревает окружающий воздух, что он стремительно расширяется и с грохотом преодолевает звуковой барьер, подобно сверхзвуковому радиоактивному самолету. Грохот этот доходит до нас, и мы говорим: гремит гром.
Вспышка молнии распространяется в воздушной среде со скоростью света, так что мы видим ее практически в то же мгновение, когда происходит разряд, а грохот расширяющегося воздуха пролетает километр приблизительно за три секунды.
Молния и гром первоначально воспринимались людьми как выражение воли богов и, в частности, как проявления божьего гнева, Вместе с тем пытливый человеческий ум с давних времён пытался постичь природу молний и грома, понять их естественные причины.
В древние века над этим размышлял Аристотель. Над природой молний задумывался Лукреций. Весьма наивно предстовляются его попытки объяснить гром как следствие того, что «тучи сшибаются там под натиском ветров».
Многие столетия, включая и средние века, считалось, что молния — это огненный пар, зажатый в водяных парах туч. Расширяясь, он прорывает их в наиболее слабом месте и быстро устремляется в низ, к поверхности земли.
В 1752 году Бенджамин Франклин экспериментально доказал, что молния — это сильный электрический разряд. Одновременно с Франклиным исследованием электрической природы молнии занимались М.В. Ломоносов и Г.В.Рихман.
Благодаря их исследованиям в середине 18 века была доказана электрическая природа молнии. C этого времени стало ясно, что молния представляет собой мощный электрический разряд, возникающий при достаточно сильной электризации туч.
Большинство молний возникает между тучей и земной поверхностью, однако, есть молнии, возникающие между тучами. Все эти молнии принято называть линейными. Длина отдельной линейной молнии может измеряться километрами (линейную молнию можно получить искусственно — скользящий заряд). Еще одним видом молнии является ленточная молния. При этом следующая картина, как если бы возникли несколько почти одинаковых линейных молний, сдвинутых относительно друг друга.
Было замечено, что в некоторых случаях вспышка молнии распадается на отдельные светящиеся участки длиной в несколько десятков метров. Это явление получило название четочной молнии.
Но бывают и другие молнии: расплывчатые, шаровые. Расплывчатые молнии не сопровождаются громом. Их называют зарницами, хотя правильнее назвать зарницей отблеск, отражения от воздушных слоев очень отдаленных молний, гром которых до нас не доходит.
Линейная молния представляет собой несколько импульсов, быстро следующих друг за другом. Каждый импульс — это пробой воздушного промежутка между тучей и землей, происходящий в виде искрового разряда. В его развитии есть две стадии: сначала образуется канаал разряда между тучей и землей, а затем по образовавшемуся каналу быстро проходит импульс основного тока.
Самостоятельный электрический разряд между грозовым облаком и землей после нескольких ударов молний сам собой прекращающийся, так как большая часть избыточных электрических зарядов в грозовом облаке нейтрализуется электрическим током, протекающем по плазменному каналу молнии.
Импульс тока длится примерно 0,1 м/с. Сила тока в канале достигает значений порядка 10 000 — 20 000 А.
При увеличении силы тока в канале молнии происходит нагревание плазмы до температуры свыше 10 000 К. Именно в этот момент рождается тот необычайно яркий свет, который мы наблюдаем при разряде молнии.
Изменение давления в плазменном канале молнии при увеличении силы тока и прекращении разояда явление, называемое звуковым громом.
После того, как прошел импульс основного тока, наступает пауза длительностью от 10 до 50 мс. За это время канал практически гаснет, его температура падает примерно до 1000 К, степень ионизации канала существенно уменьшается.
Шаровая молния — сравнительно редкое явление. На тысячу линейных молний приходится примерно одна шаровая. Расказы «очевидцев» часто приукрашены. Но в литературе имеется описание нескольких сот достоверно зарегистрированных случаев шаровых молний. По-видимому, шаровая молния — это вторичное явление, сопровождающее, при соответствующих условиях, удар основной линейной молнии. Часто она появляется и исчезает бесследно, не причинив вреда, но были и трагические случаи при взрыве такой молнии.
Продолжительность жизни шаровой молнии — от нескольких секунд до нескольких минут. Шаровые молнии бывают красноватые или белые. По-видимому, наиболее безвредные красноватые. Движутся они со скоростью несколько метров в секунду. В помещениях появляются чаще у электрических проводов и металлических предметов.
Шаровая молния абсолютно не похожа на обычную (линейную) молнию и по своему виду, не потому, как она себя ведет. Обычная молния кратковременна; шаровая живет десятки секунд, минуты. Обычная молния сопровождается громом; шаровая совсем почти бесшумна, в поведении её много непредсказуемого.
Шаровая молния задает нам множество загадок, вопросов, на которые нет ясного ответа. В настоящее время можно лишь предполагать, делать гипотезы.
Единственным методом изучения шаровой молнии является систематизация и анализ случайных наблюдений.
Сформулируем основные выводы, которые можно сделать из анализа наблюдений.
· 1) Плотность вещества шаровой молнии практически совпадает с плотностью воздуха и обычно лишь немногим превосходит его, то есть составляет вероятно около ( 1-2 )х1/1000 г/куб. см. Недаром шаровая молния стремится опуститься вниз, разницу между силой тяжести и выталкивающей (архимедовой) силой компенсирует конвекционные воздушные потоки, а также сила, с какой действуют на молнию атмосферное и электрическое поле.
· 2) Число шаровых молний N (t), распавшихся за время t, определяется следующим выра-жением:
N (t) = N0 | 1 — a 1 exp(-t/i 1 ) — a 2 exp(-t/i 2 )|,
где a 1 + a 2 = 1; i 1 = 5-10с; i 2 <~50-80 c ; N0 — число молний в момент t = 0. Доли коротко-
живущих (a 1) и долгоживущих (a 2 ) молний меняются в различных статистических выборках. Для
наших данных они приблизительно одинаковы (a 1 = 0,57, a 2= 0,43).
· 3) Наиболее вероятный диаметр шаровой молнии равен 10 — 15 см, а средний диаметр 20 — 30 см.
· 4) Температура шаровой молнии (не считая момента «взрыва») лишь относительно ненамного превышает температуру окружающего воздуха, достигая, по-видимому, всего нескольких сотен градусов (предположительно 500 — 600К).
· 5) Вещество шаровой молнии является проводник ом с низкой работой выхода зарядов и поэтому обладает свойством легко рассеивать электрические заряды, накопившиеся в других проводниках.
·Контакт шаровой молнии с заряженными проводниками приводит к появлению кратковременных импульсов электрического тока, довольно значительных по силе и проявлению иногда на сравнительно большом расстоянии от места контакта. Это вызывает перегорание предохранителей, срабатывания реле, вывод из строя электроприборов и другие аналогичные явления. Электрические заряды стекают со значительной площади через вещество шаровой молнии и рассеиваются в атмосфере.
·Взрыв шаровой молнии во многих ( не исключено, что почти во всех ) случаях является следствием такого кратковременного электрического разряда. Поражения шаровой молнией людей и животных также, по-видимому, связаны с импульсами тока, которые она вызывает.
·Запас энергии шаровой молнии может составлять от нескольких килоджоулей до нескольких десятков килоджоулей, в некоторых случаях ( особенно при больших размерах молнии), возможно, до ста килоджоулей. Плотность энергии 1-10 Дж/см3. Однако эффекты взрыва могут определяться, по крайней мере в некоторых случаях, не энергией самой шаровой молнии, а энергией, накопленной во время грозы в заряженных проводниках и окружающих их электрических полях. Шаровая молния играет в этом случае роль тригггерного механизма, включающего процесс освобождения этой энергии.
·Вещество шаровой молнии образует обособленную фазу в воздухе, обладающую значительной поверхностной энергией (0,1:10) х10-7 Дж/см2 . на существование поверхностного натяжения указывают стабильность границы шаровой молнии, в том числе при перемещении ее в окружающем воздухе (иногда при сильном ветре), устойчивость сферической формы и восстановление ее иосле деформаций, возникающих от взаимодействия с окружающими телами. Необходимо отметить, что сферическая форма молнии восстанавливается и после больших деформаций, сопровождающихся распадом шаровой молнии на части.
·Кроме того, на поверхности шаровой молнии нередко наблюдаются поверхностные волны. При достаточной большой амплитуде эти волны приводят к выбрасыванию капель вещества с поверхности, аналогичных брызгами жидкости.
·Существование шаровой молнии не сферической формы: грушевидная, эллиптическая, могут быть обусловлены поляризацией в сильных магнитных полях.
·Шаровая молния может нести электрический заряд, который появляется, например, при поляризации в электрическом поле
( особенно если заряды разных знаков по-разному стекают с ее поверхности). Движение шаровой молнии в условиях безразличного равновесия, при котором сила тяжести уравновешена Архимедовой силой, определяется как электрическими полями, так и движением воздуха.
·Наблюдаются коррелякция времени жизни и размера молнии. Долгоживущие молнии ( 2 50с ) оказываются в основном больших размеров ( по данным они составляют 80% среди молний диаметром больше 30 см. и только 20% среди молний диаметром меньше 10 см.). Наоборот, короткоживущие молнии ( 1 10с ) имеют малый диаметр (80% молний диаметром меньше 10 см. и 20% — больше 30 см).
·Анализируя наблюдения, можно предположить, что шаровая молния появляется там, где накапливается значительный электрический заряд, при мощной, но кратковременной эмиссии этого заряда в воздух.
·Исчезает шаровая молния в результате взрыва, развития неустойчивостей или из-за постепенного расходования запаса ее энергии и вещества (тихое погасание). Природа взрыва шаровой молнии не вполне ясна.
·Большая часть молний – около 60% — испускает видимый свет, относящийся к красному концу спектра (красный, оранжевый или желтый). Около 15% испускает свет в коротковолновой части спектра (голубой, реже – синий, фиолетовый, зеленый), наконец, приблизительно в 25% случаев молния имеет белый цвет. Мощность излучаемого светапорядка нескольких ватт. Поскольку температура молнии невелика, ее видимое излучение имеет неравновесную природу. Возможно, молнияизлучает также некоторое количество ультрафиолетового излучения, поглощением которого в воздухе можно объяснить голубой ореол вокруг нее.
·Теплообмен шаровой молнии с окружающей средой происходит через испускание значительного количества инфракрасного излучения. Если шаровой молнии действительно можно приписать температуру 500-600 К, то мощность равновесного излучения испускаемого молнией среднего диаметра ( 20 см), порядка 0,5 – 1 кВт и максимум излучения лежит в области длин волн 5-10 мкм.
·Кроме инфракрасного и видимого излучений шаровая молния может испускать довольно сильное неравновесное радиоизлучение.
Все гипотезы, касающиеся физической природы шаровой молнии можно разделить на две группы. В одну группу входят гипотезы, согласно которым шаровая молния непрерывно получает энергию извне. пРедполагая, что молния каким-то образом получает энергию, накапливающуюся в облаках и тучах, причем тепловыделение в самом канале оказывается незначительным, так что вся передоваемая энергия сосредотачивается в объеме шаровой молнии, вызывая его свечение. К другой группе относятся гипотезы, согласно которым шаровая молния становится самостоятельно существующим оббъектом. Этот объект состоит из некоего вещества, внутри которого происходят процессы, приводящие к выделению энергии.
Среди гипотез первой группы отметим гипотезу, предложенную в 1965 году академиком Капицей. Он подсчитал, что собственных запасов энергии шаровой молнии должно хватить на ее существование в течение сотых долей секунды. В природе, как известно, она существует гораздо дольше и нередко заканчивает свое существование взрывом. Возникает вопрос, откуда энергия?
Поиск решения привел Капицу к выводу, что „если в природе не существует источников энергии, еще нам неизвестных, то на основании закона сохранения энергии приходится принять, что во время свечения к шаровой молнии непрерывно подводится энергия, и мы вынуждены искать источник вне объема шаровой молнии“. Академик теоретически показал, что шаровая молния представляет собой высокитемпературную плазму, существующуюдовольно длительное время за счет резонансного поглащения или интенсивного поступления энергии в виде радиоволнового излучения.
Он высказал мысль, что искуственная шаровая молния может быть создана с помощью мощного потока радиоволн, сфокусированного в ограниченную область пространства (если молния – шар диаметром порядка 35 – 70 см.)
= 3,65 D: где — длина волны, D – радиус шаровой молнии.
Но несмотря на многие привлекательные стороны данной гипотезы, она все же представляет несостоятельной: не объясняет характера перемещения шаровой молнии, зависимости ее поведения от воздушных потоков; в рамках данной гипотезы трудно объяснить хорошо наблюдаемую четкую поверхность молнии; взрыв такой шаровой молнии не должен сопровождаться выделением энергии и напоминает громкий хлопок. Несколько лет назад в одной из лаборатории НИИ механики МГУ под руководством А.М. Хазена была создана еще одна теория огненного шара.
Согласно ей, в грозу под действием разности потенциалов начинается направленный дрейф электронов из облаков к земле. Попутно электроны, разумеется, сталкиваются, с молекулами газов, из которых состоит воздух, причем вопреки здравому смыслу – тем реже, чем выше скорость электрона. В итоге отдельные атомы, достигшие некоей критической скорости, скатываются вниз, будто с горки. Такой “эффект горки” перестраивает войско заряженных частиц. Они начинают скатываться не беспорядочной толпой, а шеренгами, подобно тому, как накатываются волны морского прибоя. Только “прибой” этот обладает колоссальной скоростью – 1000 км/с! энергии таких волн, как показывают расчеты Хазена, вполне достаточно, чтобы, настигая плазменный шар, подпитывать его своим электростатическим полем и некоторое время поддерживать в нем электромагнитные колебания. Теория Хазена ответила на некоторые вопросы: почему шаровая молния часто движется над землей, будто копируя рельеф местности? Объяснение следующее: с одной стороны, светящаяся сфера, обладая более высокой температурой по отношению к окружающей среде, стремится выплыть наверх под действием Архимедовой силы; с другой стороны, под действием электростатических сил шар притягивается шар притягивается к влажной проводящей поверхности почвы. На какой – то высоте обе силы уравновешивают друг друга и шар словно катится по невидимым рельсам.
Иногда, правда, шаровая молния делает и резкие скачки. Их причиной может послужить либо сильный порыв ветра, либо изменение в направлении движения электронной лавины.
Нашлось объяснение и еще одному факту: шаровая молния стремится попасть внутрь построек. Любое строение, особенно каменное, поднимает в данном месте уровень грунтовых вод, а значит, возрастает электропроводность почвы, что и привлекает плазменный шар.
И наконец, почему шаровая молния по-разному заканчивает свое существование, иногда бесшумно, а чаще – взрывом? Здесь тоже виноват электронный дрейф. Если к шаровому “сосуду” подводится слишком много энергии, он в конце концов лопается от перегрева или, попав в область повышенной электропроводности разряжается, подобно обычной линейной молнии. Если же электронный дрейф по каким-либо причинам затухает, шаровая молния тихо угасает, рассеивая свой заряд в окружающем пространстве.
А.М. Хазен создал интересную теорию одного из самых загадочных явлений природы и предложил схему ее создания: “Возьмем проводник, проходящий через центр антенны передатчика сверхвысоких частот (СВЧ). Вдоль проводника, как по волноводу, будет распространятся электромагнитная волна. Причем проводник надо взять достаточно длинный, чтобы антенна электростатически не влияла на свободный конец. Подключим этот проводник к импульсному генератору высокого напряжения и, включив генератор, подадим на него короткий импульс напряжения, достаточный для того, чтобы на свободном конце мог возникнуть коронный разряд. Импульс надо сформировать так, чтобы возле его заднего фронта напряжение на проводнике не падало до нуля, а сохранялось на каком-то уровне, недостаточном для создания короны, то-есть постоянно постоянно светящего заряда на проводнике. Если менять амплитуду и время импульса постоянного напряжения, варьировать частоту амплитуду поля СВЧ, то в конце концов на свободном конце провода даже после выключения переменного поля должен остаться и, возможно, отделиться от проводника светящийся плазменный сгусток”.
Необходимость большого количества энергии мешает реализовать данный эксперимент. И все же большинство ученых отдают предпочтение гипотезам второй группы.
Одна из них предполагает химическую природу шаровой молнии. Первым ее предложил Доминик Араго. А в середине 70 – х годов ее детально разрабатывал Б.М.Смирнов. предполагается, что шаровая молния состоит из обычного воздуха (имеющего температуру примерно на 1000выше температуры окружающей атмосферы), небольшой примеси озона О3 и оксидов азота NО и NО2. Принципиально важную роль здесь играет озон, образующийся при разряде обычной молнии; его концентрация около 3%. Внутри шаровой молнии происходят химические реакции.
Они сопровождаются выделением энергии. При этом в объеме диаметром 20 см выделяется примерно 1 кДж энергии. Это мало, подсчетам, запас энергии шаровой молнии таких размеров должен составляет примерно 1000 кДж. Недостатком рассматриваемой физической модели является также невозможность объяснения устойчивой формы шаровой молнии, существование поверхностного натяжения.
В поисках ответа была разработана новая физическая теория. Согласно этой гипотезы шаровая молния состоит из положительных и отрицательных ионов. Ионы образуются за счет энергии разряда обычной линейной молнии. Затраченная на их образование энергия и определяет запас энергии шаровой молнии. Она высвобождается при рекомендации ионов. Благодаря электростатическим
(кулоновским) силам, действующим между ионами, объем, заполненный заполненный ионами, будет обладать поверхностным натяжением, что и определяет устойчивую шаровую форму молнии. Дело в том, что если положительные и отрицательные ионы будут “перемешаны” по объему молнии, от они будут очень быстро рекомбинировать – за время порядка всего 109 с. следовательно, такая шаровая молния не может существовать в течение секунды, ни говоря уж о минутах. Таким образом необходимо существенно затормозить (задержать) процесс рекомбинации ионов. Как это сделать?
Ответ дает кластерная гипотеза, предложенная в 1976 году И.П. Стахановым. Стаханов, как и многие другие физики, исходил из того, что молния состоит из вещества, находящегося в состоянии плазмы.
Плазма похожа на газообразное состояние с единственной разницей: молекулы вещества в плазме ионизированы, то есть потеряли (или наоборот приобрели лишние) электроны и перестали быть нейтральными. Это значит, что молекулы могут взаимодействовать не только как частицы газа – при столкновениях,, но и на расстоянии с помощью электрических сил.
Разноименно заряженные частицы притягиваются. Поэтому в плазме молекулы стремятся вернуть себе потерянный заряд путем рекомбинации с оторванными электронами. Но после рекомбинации плазма превратится в обычный газ. Поддерживать жизнь плазмы можно только до тех пор, пока рекомбинации что-то мешает, — как правило, очень высокая температура.
Если шаровая молния – это плазменный шар, то она обязана быть горячей. Так рассуждали сторонники плазменных моделей до Стаханова. А он заметил, что существует и другая возможность. Ионы, то есть молекулы, потерявшие или захватившие лишний электрон, могут притянуть к себе обыкновенные нейтральные молекулы воды и окружить себя прочной “водяной” оболочкой, запирающей лишние электроны внутри и не дающий им воссоединятся со своими хозяевами. Такое возможно потому, что молекула воды имеет два полюса: отрицательный и положительный, за один из которых “хватается” ион в зависимости от своего заряда, чтобы притянуть молекулу к себе. Таким образом, сверхвысокие температуры больше не нужны, плазма может оставаться и “холодной”, не горячее 200-300 градусов. Ион, окруженный водяной оболочкой, называется кластером, поэтому гипотеза профессора Стаханова получила имя кластерной.
Самым важным достоинством кластерной гипотезы стало то, что она продолжает не просто жить в науке, но и обогащаться новым содержанием. Группа исследователей из Института общей физики РАН, в которую входит профессора Сергей Яковленко, недавно получила поразительные новые результаты.
Выяснилось, что сама по себе водяная оболочка не может получиться столь плотной, чтобы помешать ионам рекомбинировать. Но рекомбинация приводит к возрастанию энтропии шаровой молнии, то есть меры ее беспорядка. Действительно, в плазме положительно и отрицательно заряженные молекулы отличаются друг от друга по особому взаимодействуют, а после рекомбинации они перемешиваются и становятся неразличимыми. До сих пор считалось, что в предоставленной самой себе системе беспорядок самопроизвольно возрастает то есть в случае шаровой молнии рекомбинация произойдет сама собой если ей как-то не помешать. Из результатов компьютерного моделирования и теоретических выкладок, проведенных в институте общей физики, следует совершенно иной вывод: беспорядок вносится в систему из вне, например при хаотичных столкновениях молекул на границе шаровой молнии и воздуха, в котором она движется. Пока беспорядок не “накопится”, рекомбинации не будет, даже несмотря на то, что молекулы стремятся к этому. Характер их движения внутри шаровой молнии таков, что при сближении разноименно заряженные молекулы будут пролетать друг мимо друга, не успевая обменятся зарядом.
Итак, согласно кластерной гипотезе шаровая молния представляет собой самостоятельно существующее тело (без непрерывного подвода энергии от внешних источников), состоящих из тяжелых положительных и отрицательных ионов, рекомбинация которых сильно заторможена вследствие гидратации ионов.
В отличие от многих других гипотез, данная выдерживает сравнение с результатами нескольких тысяч известных сейчас наблюдений и удовлетворительно объясняется многие из них.
Заключение:
Число различных гипотез о природе шаровой молнии значительно превосходит сотню, но мы разобрали только несколько. Ни одна из существующих в настоящее время гипотез не является совершенной, каждая имеет множество недостатков.
Поэтому, хотя принципиальные закономерности природы шаровой молнии проняты, данную проблему нельзя считать решенной – осталось множество тайн и загадок, а также нет конкретных способов создания ее в лабораторных условиях.
По данным наблюдений шаровые молнии часто вращаются в воздухе или катятся по предметам. При опускании на рыхлую землю или торф шаровые молнии способны вырыть ямы или разбросать землю. На быстрое движение частиц в шаровой молнии указывает и то обстоятельство, что в некоторых случаях контакта с ней люди получали ожоги как от электрического тока, а предметы нагревались или оплавлялись. Согласно предлагаемой нами модели физическая природа шаровой молнии такая же, как и у обычной молнии.
1. М.Б.Буркнблит Е.Г.Гаоглева. “Электричество в живых организмах”.
2. Энциклопедия для детей “Аванта +” том 2: Биология.
3. Л.Элиот, У.Уилкокс “Физика”.
4. Г.Р.Иваницкий “Мир глазами биофизики”
5. Е.Кнорре “Живое в прожекторах науки”
6. Барии Дж. Шаровая молнияи четочная молния. М.: Мир, 1983 – 288 с.
7. Смирнов Б.М. Проблема шаровой молнии. М.: Наука, 1988 – 208с.
8. Сингер С. Природа шаровой молнии. М.: Мир, 1973 –239 с.
9. Стаханов И.П. О физической природе шаровой молнии. М.: Энергоатомиздат, 1985 – 209 с.
10. Капица П.Л. Свободный плазменный шнур в высокочастотном поле при высоком давлении // ЖЭТФ. 1969. Т.57, вып.6. С. 180 l v 1866.
11. Зверев Е.А., Кринберг И.А. Нагрев токового шнура и образование перетяжек в импульсном вакуумном разряде // Письма в ЖТФ. 1998. Т. 24.№ 18. С. 50 v 56.
12. Брагинский С.И. “ О поведении полностью ионизированной плазмы в магнитном поле // ЖЭТФ.1957.Т.33. Вып. 3. С 654-654.
13. Дмитриев М.Т. “Природа шаровой молнии” — “Природа. 1967.N6. С.98v.106.
14. Федосин С.Г. “Физика и философия подобия от преонов до метагаллактик. Пермь. Стиль-МГ, 1999 г. – 544 с.
www.ronl.ru
М ОЛНИЯ.
Молния представляет большой интерес не только как своеобразное явление природы. Она дает возможность наблюдать электрический разряд в газовой среде при напряжении в несколько сотен миллионов вольт и расстоянии между электродами в несколько километров.
В 1750 Б.Франклин предложил Лондонскому королевскому обществу поставить опыт с железной штангой, укрепленной на изолирующем основании и установленной на высокой башне. Он ожидал, что при приближении грозового облака к башне на верхнем конце первоначально нейтральной штанги сосредоточится заряд противоположного знака, а на нижнем – заряд того же знака, что у основания облака. Если напряженность электрического поля при разряде молнии возрастет достаточно сильно, заряд с верхнего конца штанги будет частично стекать в воздух, а штанга приобретет заряд того же знака, что и основание облака.
Предложенный Франклином эксперимент не был осуществлен в Англии, однако его поставил в 1752 в Марли под Парижем французский физик Жан д'Аламбер. Он использовал вставленную в стеклянную бутылку (служившую изолятором) железную штангу длиной 12 м, но не помещал ее на башню. 10 мая его ассистент сообщил, что, когда грозовое облако находилось над штангой, при поднесении к ней заземленной проволоки возникали искры.
Сам Франклин, не зная об успешном опыте, реализованном во Франции, в июне того же года провел свой знаменитый эксперимент с воздушным змеем и наблюдал электрические искры на конце привязанной к нему проволоки. На следующий год, изучая заряды, собранные со штанги, Франклин установил, что основания грозовых облаков обычно заряжены отрицательно.
Более детальные исследования молний стали возможны в конце 19 в. благодаря совершенствованию методов фотографии, особенно после изобретения аппарата с вращающимися линзами, что позволило фиксировать быстро развивающиеся процессы. Такой фотоаппарат широко использовался при изучении искровых разрядов. Было установлено, что существует несколько типов молний, причем наиболее распространены линейные, плоские (внутриоблачные) и шаровые (воздушные разряды). Линейные молнии представляют собой искровой разряд между облаком и земной поверхностью, следующий по каналу с направленными вниз ответвлениями. Плоские молнии возникают внутри грозового облака и выглядят как вспышки рассеянного света. Воздушные разряды шаровых молний, начинающиеся от грозового облака, часто направлены горизонтально и не достигают земной поверхности.
Разряд молнии обычно состоит из трех или более повторных разрядов – импульсов, следующих по одному и тому же пути. Интервалы между последовательными импульсами очень коротки, от 1/100 до 1/10 с (этим обусловлено мерцание молнии). В целом вспышка длится около секунды или меньше. Типичный процесс развития молнии можно описать следующим образом. Сначала сверху к земной поверхности устремляется слабо светящийся разряд-лидер. Когда он ее достигнет, ярко светящийся обратный, или главный, разряд проходит от земли вверх по каналу, проложенному лидером.
Разряд-лидер, как правило, движется зигзагообразно. Скорость его распространения колеблется от ста до нескольких сотен километров в секунду. На своем пути он ионизирует молекулы воздуха, создавая канал с повышенной проводимостью, по которому обратный разряд движется вверх со скоростью приблизительно в сто раз большей, чем у разряда-лидера. Размер канала определить трудно, однако диаметр разряда-лидера оценивается в 1–10 м, а обратного разряда – в несколько сантиметров.
Разряды молнии создают радиопомехи, испуская радиоволны в широком диапазоне – от 30 кГц до сверхнизких частот. Наибольшее излучение радиоволн находится, вероятно, в диапазоне от 5 до 10 кГц. Такие низкочастотные радиопомехи «сосредоточены» в пространстве между нижней границей ионосферы и земной поверхностью и способны распространяться на расстояния в тысячи километров от источника.
www.ronl.ru
Муниципальное общеобразовательное учреждение
Гимназия «Лаборатория Салахова»
Творческая работа по физике
на тему: Электрические явления в природе: молния
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 им опубликована работа, в которой описан эксперимент с использованием воздушного змея, запущенного в грозу. Опыт Франклина был описан в работе Джозефа Пристли.
Средняя длина молнии 2,5 км, некоторые разряды простираются в атмосфере на расстояние до 20 км.
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 кончаются) 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 несколько 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 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 и световую.
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 электронами, 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, разряд инициируют высокоэнергетические космические лучи, которые 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 25 000 °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.
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 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. 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.
«В каждую секунду около 50 молний ударяются в поверхность земли, и в среднем каждый ее квадратный километр молния поражает шесть раз за год»[2].
Самые мощные молнии вызывают рождение фульгуритов.[2]
Молнии — серьезная угроза для жизни людей. Поражение человека или животного молнией часто происходит на открытых пространствах т.к. электрический ток идет 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.
При поражении молнией первая медицинская помощь должна быть неотложной. В тяжелых случаях (остановка дыхания и сердцебиения) необходима реанимация, её должен оказать, не ожидая медицинских работников, любой свидетель несчастья. Реанимация эффективна только в первые минуты после поражения молнией, начатая через 10 — 15 минут она, как правило, уже не эффективна. Экстренная госпитализация необходима во всех случаях.
1. В мифологии и литературе:
1. Асклепий, Эскулап — сын Аполлона — бог врачей и врачебного искусства, не только исцелял, но и оживлял мёртвых. Чтобы восстановить нарушенный мировой порядок Зевс поразил его своей молнией[3].
2. Фаэтон — сын бога Солнца Гелиоса — однажды взялся управлять солнечной колесницей своего отца, но не сдержал огнедышащих коней и едва не погубил в страшном пламени Землю. Разгневанный Зевс пронзил Фаэтона молниями.
2. Исторические личности:
1. Российский академик Г. В. Рихман — в 1753 году погиб от удара молнии.
2. Народный депутат Украины, экс-губернатор Ровенской области В. Червоний 4 Июля 2009 года погиб от удара молнии.
· Рой Салливан остался живым после семи ударов молнией.
· Американский майор Саммерфорд умер после продолжительной болезни (результат удара третьей молнией). Четвертая молния полностью разрушила его памятник на кладбище.
· У индейцев Анд удар молнией считается необходимым для достижения высших уровней шаманской инициации[4].
Ствол пораженного молнией тополя
Высокие деревья — частая мишень для молний. На реликтовых деревьях-долгожителях легко можно найти множественные шрамы от молний. Считается, что одиночно стоящее дерево чаще поражается молнией, хотя в некоторых лесных районах шрамы от молний можно увидеть почти на каждом дереве. Сухие деревья от удара молнии загораются. Чаще удары молнии бывают направлены в дуб, реже всего — в бук, что, по-видимому, зависит от различного количества жирных масел в них, представляющих большое сопротивление электричеству.[5]
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 поврежденные ткани и могут закрывать рану целиком, оставив только вертикальный шрам. Если ущерб является слишком серьезным, 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.
Из деревьев, пораженных молнией, делают музыкальные инструменты, приписывая им уникальные свойства.[6]
www.ronl.ru
Муниципальное общеобразовательное учреждение
Гимназия «Лаборатория Салахова»
Творческая работа по физике
на тему: Электрические явления в природе: молния
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 им опубликована работа, в которой описан эксперимент с использованием воздушного змея, запущенного в грозу. Опыт Франклина был описан в работе Джозефа Пристли.
Средняя длина молнии 2,5 км, некоторые разряды простираются в атмосфере на расстояние до 20 км.
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 кончаются) 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 несколько 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 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 и световую.
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 электронами, 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, разряд инициируют высокоэнергетические космические лучи, которые 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 25 000 °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.
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 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. 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.
«В каждую секунду около 50 молний ударяются в поверхность земли, и в среднем каждый ее квадратный километр молния поражает шесть раз за год»[2].
Самые мощные молнии вызывают рождение фульгуритов.[2]
Молнии — серьезная угроза для жизни людей. Поражение человека или животного молнией часто происходит на открытых пространствах т.к. электрический ток идет 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.
При поражении молнией первая медицинская помощь должна быть неотложной. В тяжелых случаях (остановка дыхания и сердцебиения) необходима реанимация, её должен оказать, не ожидая медицинских работников, любой свидетель несчастья. Реанимация эффективна только в первые минуты после поражения молнией, начатая через 10 — 15 минут она, как правило, уже не эффективна. Экстренная госпитализация необходима во всех случаях.
1. В мифологии и литературе:
1. Асклепий, Эскулап — сын Аполлона — бог врачей и врачебного искусства, не только исцелял, но и оживлял мёртвых. Чтобы восстановить нарушенный мировой порядок Зевс поразил его своей молнией[3].
2. Фаэтон — сын бога Солнца Гелиоса — однажды взялся управлять солнечной колесницей своего отца, но не сдержал огнедышащих коней и едва не погубил в страшном пламени Землю. Разгневанный Зевс пронзил Фаэтона молниями.
2. Исторические личности:
1. Российский академик Г. В. Рихман — в 1753 году погиб от удара молнии.
2. Народный депутат Украины, экс-губернатор Ровенской области В. Червоний 4 Июля 2009 года погиб от удара молнии.
· Рой Салливан остался живым после семи ударов молнией.
· Американский майор Саммерфорд умер после продолжительной болезни (результат удара третьей молнией). Четвертая молния полностью разрушила его памятник на кладбище.
· У индейцев Анд удар молнией считается необходимым для достижения высших уровней шаманской инициации[4].
Ствол пораженного молнией тополя
Высокие деревья — частая мишень для молний. На реликтовых деревьях-долгожителях легко можно найти множественные шрамы от молний. Считается, что одиночно стоящее дерево чаще поражается молнией, хотя в некоторых лесных районах шрамы от молний можно увидеть почти на каждом дереве. Сухие деревья от удара молнии загораются. Чаще удары молнии бывают направлены в дуб, реже всего — в бук, что, по-видимому, зависит от различного количества жирных масел в них, представляющих большое сопротивление электричеству.[5]
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 поврежденные ткани и могут закрывать рану целиком, оставив только вертикальный шрам. Если ущерб является слишком серьезным, 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.
Из деревьев, пораженных молнией, делают музыкальные инструменты, приписывая им уникальные свойства.[6]
superbotanik.net
Муниципальное общеобразовательное учреждение
Гимназия «Лаборатория Салахова»
Творческая работа по физике
на тему: Электрические явления в природе: молния
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 им опубликована работа, в которой описан эксперимент с использованием воздушного змея, запущенного в грозу. Опыт Франклина был описан в работе Джозефа Пристли.
Средняя длина молнии 2,5 км, некоторые разряды простираются в атмосфере на расстояние до 20 км.
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 кончаются) 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 несколько 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 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 и световую.
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 электронами, 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, разряд инициируют высокоэнергетические космические лучи, которые 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 25 000 °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.
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 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. 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.
«В каждую секунду около 50 молний ударяются в поверхность земли, и в среднем каждый ее квадратный километр молния поражает шесть раз за год»[2].
Самые мощные молнии вызывают рождение фульгуритов.[2]
Молнии — серьезная угроза для жизни людей. Поражение человека или животного молнией часто происходит на открытых пространствах т.к. электрический ток идет 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.
При поражении молнией первая медицинская помощь должна быть неотложной. В тяжелых случаях (остановка дыхания и сердцебиения) необходима реанимация, её должен оказать, не ожидая медицинских работников, любой свидетель несчастья. Реанимация эффективна только в первые минуты после поражения молнией, начатая через 10 — 15 минут она, как правило, уже не эффективна. Экстренная госпитализация необходима во всех случаях.
1. В мифологии и литературе:
1. Асклепий, Эскулап — сын Аполлона — бог врачей и врачебного искусства, не только исцелял, но и оживлял мёртвых. Чтобы восстановить нарушенный мировой порядок Зевс поразил его своей молнией[3].
2. Фаэтон — сын бога Солнца Гелиоса — однажды взялся управлять солнечной колесницей своего отца, но не сдержал огнедышащих коней и едва не погубил в страшном пламени Землю. Разгневанный Зевс пронзил Фаэтона молниями.
2. Исторические личности:
1. Российский академик Г. В. Рихман — в 1753 году погиб от удара молнии.
2. Народный депутат Украины, экс-губернатор Ровенской области В. Червоний 4 Июля 2009 года погиб от удара молнии.
· Рой Салливан остался живым после семи ударов молнией.
· Американский майор Саммерфорд умер после продолжительной болезни (результат удара третьей молнией). Четвертая молния полностью разрушила его памятник на кладбище.
· У индейцев Анд удар молнией считается необходимым для достижения высших уровней шаманской инициации[4].
Ствол пораженного молнией тополя
Высокие деревья — частая мишень для молний. На реликтовых деревьях-долгожителях легко можно найти множественные шрамы от молний. Считается, что одиночно стоящее дерево чаще поражается молнией, хотя в некоторых лесных районах шрамы от молний можно увидеть почти на каждом дереве. Сухие деревья от удара молнии загораются. Чаще удары молнии бывают направлены в дуб, реже всего — в бук, что, по-видимому, зависит от различного количества жирных масел в них, представляющих большое сопротивление электричеству.[5]
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 поврежденные ткани и могут закрывать рану целиком, оставив только вертикальный шрам. Если ущерб является слишком серьезным, 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.
Из деревьев, пораженных молнией, делают музыкальные инструменты, приписывая им уникальные свойства.[6]
www.neuch.ru
ОЛНИЯ.
Молнияпредставляет большой интерес не только каксвоеобразное явление природы. Она дает возможность наблюдать электрический разрядв газовой среде при напряжении в несколько сотен миллионов вольт и расстоянии междуэлектродами в несколько километров.
В 1750 Б.Франклин предложил Лондонскому королевскому обществупоставить опыт с железной штангой, укрепленной на изолирующем основании и установленнойна высокой башне. Он ожидал, что при приближении грозового облака к башне на верхнемконце первоначально нейтральной штанги сосредоточится заряд противоположного знака,а на нижнем – заряд того же знака, что у основания облака. Если напряженность электрическогополя при разряде молнии возрастет достаточно сильно, заряд с верхнего конца штангибудет частично стекать в воздух, а штанга приобретет заряд того же знака, что иоснование облака.
Предложенный Франклином эксперимент не был осуществлен вАнглии, однако его поставил в 1752 в Марли под Парижем французский физик Жан д'Аламбер.Он использовал вставленную в стеклянную бутылку (служившую изолятором) железнуюштангу длиной 12 м, но не помещал ее на башню. 10 мая его ассистент сообщил, что,когда грозовое облако находилось над штангой, при поднесении к ней заземленной проволокивозникали искры.
Сам Франклин, не зная об успешном опыте, реализованном воФранции, в июне того же года провел свой знаменитый эксперимент с воздушным змееми наблюдал электрические искры на конце привязанной к нему проволоки. На следующийгод, изучая заряды, собранные со штанги, Франклин установил, что основания грозовыхоблаков обычно заряжены отрицательно.
Более детальные исследования молний стали возможны в конце19 в. благодаря совершенствованию методов фотографии, особенно после изобретенияаппарата с вращающимися линзами, что позволило фиксировать быстро развивающиесяпроцессы. Такой фотоаппарат широко использовался при изучении искровых разрядов.Было установлено, что существует несколько типов молний, причем наиболее распространенылинейные, плоские (внутриоблачные) и шаровые (воздушные разряды). Линейные молниипредставляют собой искровой разряд между облаком и земной поверхностью, следующийпо каналу с направленными вниз ответвлениями. Плоские молнии возникают внутри грозовогооблака и выглядят как вспышки рассеянного света. Воздушные разряды шаровых молний,начинающиеся от грозового облака, часто направлены горизонтально и не достигаютземной поверхности.
Разряд молнии обычно состоит из трех или более повторныхразрядов – импульсов, следующих по одному и тому же пути. Интервалы между последовательнымиимпульсами очень коротки, от 1/100 до 1/10 с (этим обусловлено мерцание молнии).В целом вспышка длится около секунды или меньше. Типичный процесс развития молнииможно описать следующим образом. Сначала сверху к земной поверхности устремляетсяслабо светящийся разряд-лидер. Когда он ее достигнет, ярко светящийся обратный,или главный, разряд проходит от земли вверх по каналу, проложенному лидером.
Разряд-лидер, как правило, движется зигзагообразно. Скоростьего распространения колеблется от ста до нескольких сотен километров в секунду.На своем пути он ионизирует молекулы воздуха, создавая канал с повышенной проводимостью,по которому обратный разряд движется вверх со скоростью приблизительно в сто разбольшей, чем у разряда-лидера. Размер канала определить трудно, однако диаметр разряда-лидераоценивается в 1–10 м, а обратного разряда – в несколько сантиметров.
Разряды молнии создают радиопомехи, испуская радиоволныв широком диапазоне – от 30 кГц до сверхнизких частот. Наибольшее излучение радиоволннаходится, вероятно, в диапазоне от 5 до 10 кГц. Такие низкочастотные радиопомехи«сосредоточены» в пространстве между нижней границей ионосферы и земной поверхностьюи способны распространяться на расстояния в тысячи километров от источника.
www.ronl.ru
