Физика атмосферы: как, почему и откуда появляются молнии
Каждую секунду в атмосфере Земли возникает примерно 700 молний, и каждый год около 3000 человек погибают из-за удара молнии. Физическая природа молнии не объяснена окончательно, а большинство людей имеют лишь приблизительное представление о том, что это такое. Какие-то разряды сталкиваются в облаках, или что-то в этом роде. Сегодня мы обратились к нашим авторам по физике, чтобы узнать о природе молнии больше. Как появляется молния, куда бьет молния, и почему гремит гром. Прочитав статью, вы будете знать ответ на эти и многие другие вопросы.
Ежедневная рассылка с полезной информацией для студентов всех направлений – на нашем телеграм-канале.
Что такое молния
Молния – искровой электрический разряд в атмосфере.
Электрический разряд – это процесс протекания тока в среде, связанный с существенным увеличением ее электропроводности относительно нормального состояния. Существуют разные виды электрических разрядов в газе: искровой, дуговой, тлеющий.
Искровой разряд происходит при атмосферном давлении и сопровождается характерным треском искры. Искровой разряд представляет собой совокупность исчезающих и сменяющих друг друга нитевидных искровых каналов. Искровые каналы также называют стримерами. Искровые каналы заполнены ионизированным газом, то есть плазмой. Молния – гигантская искра, а гром – очень громкий треск. Но не все так просто.
Физическая природа молнии
Как объясняют происхождение молнии? Система туча-земля или туча-туча представляет собой своеобразный конденсатор. Воздух играет роль диэлектрика между облаками. Нижняя часть облака имеет отрицательный заряд. При достаточной разности потенциалов между тучей и землей возникают условия, в которых происходит образование молнии в природе.
Ступенчатый лидер
Перед основной вспышкой молнии можно наблюдать небольшое пятно, движущееся от тучи к земле. Это так называемый ступенчатый лидер. Электроны под действием разности потенциалов, начинают двигаться к земле. Двигаясь, они сталкиваются с молекулами воздуха, ионизируя их. От тучи к земле прокладывается как бы ионизированный канал. Из-за ионизации воздуха свободными электронами электропроводность в зоне траектории лидера существенно возрастает. Лидер как бы прокладывает путь для основного разряда, двигаясь от одного электрода (тучи) к другому (земле). Ионизация происходит неравномерно, поэтому лидер может разветвляться.
Обратная вспышка
В момент, когда лидер приближается к земле, напряженность на его конце растет. Из земли или из предметов, выступающих над поверхностью (деревья, крыши зданий) навстречу лидеру выбрасывается ответный стример (канал). Это свойство молний используется для защиты от них путем установки громоотвода. Почему молния бьет в человека или в дерево? На самом деле ей все равно, куда бить. Ведь молния ищет наиболее короткий путь между землей и небом. Именно поэтому во время грозы опасно находиться на равнине или на поверхности воды.
Когда лидер достигает земли, по проложенному каналу начинает течь ток. Именно в этот момент и наблюдается основная вспышка молнии, сопровождаемая резким ростом силы тока и выделением энергии. Здесь уместен вопрос, откуда идет молния? Интересно, что лидер распространяется от тучи к земле, а вот обратная яркая вспышка, которую мы и привыкли наблюдать, распространяется от земли к туче. Правильнее говорить, что молния идет не от неба к земле, а происходит между ними.
Почему молния гремит?
Гром возникает в результате ударной волны, порождаемой быстрым расширением ионизированных каналов. Почему сначала мы видим молнию а потом слышим гром? Все дело в разности скоростей звука (340,29 м/с) и света (299 792 458 м/с). Посчитав секунды между громом и молнией и умножив их на скорость звука, можно узнать, на каком расстоянии от Вас ударила молния.
Нужна работа по физике атмосферы? Для наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы
Виды молний и факты о молниях
Молния между небом и землей – не самая распространенная молния. Чаще всего молнии возникают между облаками и не несут угрозы. Помимо наземных и внутриоблачных молний, существуют молнии, образующиеся в верхних слоях атмосферы. Какие есть разновидности молний в природе?
Последние три вида молний невозможно наблюдать без специальных приборов, так как они образуются на высоте от 40 километров и выше.
Приведем факты о молниях:
- Протяженность самой длинной зафиксированной молнии на Земле составила 321 км. Эта молния была замечена в штате Оклахома, 2007 г.
- Самая долгая молния длилась 7,74 секунды и была зафиксирована в Альпах.
- Молнии образуются не только на Земле. Точно известно о молниях на Венере, Юпитере, Сатурне и Уране. Молнии Сатурна в миллионы раз мощнее земных.
- Сила тока в молнии может достигать сотен тысяч Ампер, а напряжение – миллиарда Вольт.
- Температура канала молнии может достигать 30000 градусов Цельсия – это в 6 раз больше температуры поверхности Солнца.
Шаровая молния
Шаровая молния – отдельный вид молнии, природа которого остается загадкой. Такая молния представляет собой движущийся в воздухе светящийся объект в форме шара. По немногочисленным свидетельствам шаровая молния может двигаться по непредсказуемой траектории, разделяться на более мелкие молнии, может взорваться, а может просто неожиданно исчезнуть. Существует множество гипотез о происхождении шаровой молнии, но ни одна не может быть признана достоверной. Факт — никто не знает, как появляется шаровая молния. Часть гипотез сводят наблюдение этого явления к галлюцинациям. Шаровую молнию ни разу не удалось наблюдать в лабораторных условиях. Все, чем могут довольствоваться ученые – это свидетельства очевидцев.
Напоследок предлагаем Вам посмотреть видео и напоминаем: если курсовая или контрольная свалилась на голову как молния в солнечный день, не нужно отчаиваться. Специалиста студенческого сервиса выручают студентов с 2000 года. Обращайтесь за квалифицированной помощью в любое время. 24 часа в сутки, 7 дней в неделю мы готовы помочь вам.
Гнев небесный: Почему молния бьет в людей и можно ли ею управлять
Молния – одно из самых пугающих и удивительных природных явлений. Физики раскрыли природу молнии, но изучение этого явления продолжается. Как молния выбирает, куда ударить? Почему она бьет в людей? Как от молнии защищают самолеты и высочайшие небоскребы? Удалось ли кому-нибудь научиться управлять молнией? На эти и другие вопросы ответили эксперты программы «Знаете ли вы, что?» с Алексеем Иванченко на РЕН ТВ.
Почему молния бьет в людей и что оставляет на память
13 марта. Индия. Во время грозы четверо сотрудников парка решили спрятаться от дождя под деревом. Они не ожидали, что именно их укрытие для мощного удара выберет молния. К счастью, они остались живы, но сильно пострадали. Один в коме. Трое как после контузии. Случаи удара молнии в людей хорошо известны и в России. Лето 2020 года. Во время тренировки молния настигла юного футболиста Ивана Заборовского. Футболка вспыхнула как факел, бутсы обуглились. Но спортсмен выжил.
Фото: Скриншот видео
«Молния бьёт примерно с силой 30-50 тысяч ампер. Для сравнения, вы должны понимать, что смертельная доза для человека – это примерно 1/10 ампера», — рассказывает физик Игорь Шепель.
У многих выживших счастливчиков в память о молнии на теле остаются особые отметины. Их называют фигурами Лихтенберга.
«Фигура Лихтенберга – это кожное проявление сосудистого рисунка, при попадании электрического разряда в кожу происходит древовидного такого характера рисунок, то есть ,по ходу сосудов, артерий и вен», — объясняет кандидат медицинских наук Елена Андриевская.
По статистике, шансы умереть от удара молнии и от падения с кровати примерно равны. На каждые 2 миллиона человек 1 случай. Но почему молния выбирает человека в качестве мишени?
«Молния видит в человеке, так скажем, ниточку, за которую можно потянуть и намного быстрее добраться до этой самой земли, ведь мы достаточно хорошие проводники электрического тока, а воздух, наоборот, нет, в нём не так много заряженных частиц, а ведь именно они проводят это самое электричество. А в нас этих заряженных частиц очень-очень много, а электричество всегда побежит туда, где сопротивления намного-намного меньше», — объясняет физик Игорь Шепель.
Фото:Объёмные фигуры Лихтенберга в акриловом кубе.Wikipedia
Люди-громоотводы
В большинстве случаев после удара молнии люди выживают. Погибают чаще всего те, у кого слабое сердце или сосуды. Они просто не выдерживают напряжения. Остальных молния оглушает, обжигает, калечит, но не убивает.
«Если мы будем вспоминать про такие случаи, как неоднократное даже попадание молнии… Был американский егерь Рой Салливан, который семикратно смог выжить после попадания молнии», — рассказывает кандидат медицинских наук Елена Андриевская.
Американец Рой Салливан вошел в книгу рекордов Гиннеса как человек–громоотвод. 7 зарегистрированных поражений меньше чем за 30 лет. Каждая встреча с природным явлением оставляла на теле мужчины увечья. Но не убивала. Феномен ученые объясняют тем, что Рой Салливан жил в грозоопасной местности, к тому же работал смотрителем национального парка и часто бывал на открытой местности или рядом с деревьями во время грозы. Такое стечение обстоятельств превратило скромного егеря в настоящую легенду.
Фото: Рой Салливан.Derelampagos
Как молния выбирает цель
Что такое молния? Вообще-то каждый из нас может её создать в домашних условиях. Если долго и упорно тереть пластиковой расчёской о волосы, то рано или поздно можно услышать потрескивание, а волосы наэлектризуются. Мы называем это статическим электричеством. Чтобы оно появилось, нужно что-то обо что-то потереть. Именно так и рождаются молнии. В грозовых тучах скапливается очень много воды. Эти мельчайшие капельки воды трутся друг о друга и в результате возникает статическое напряжение.
Фото: Depositphotos
Вопреки известной поговорке, молния часто бьёт в одно и то же место дважды, а то и трижды. Но куда бьет молния? Она может попадать в самые разные места: деревья, металлические вышки, здания, самолеты, воду, даже в человека. Чем выше электропроводимость предмета, тем больше вероятность удара молнии. К примеру, взять два рядом стоящих столба: деревянный и металлический. С большей вероятностью удар придется на металл. Вода тоже проводит ток лучше песка. Поэтому болота молния поражает чаще, чем песчаные поверхности. Если на футбольном поле плохой дренаж, то это то же болото. И оно будет притягивать молнии.
Как защищают самолеты и небоскребы
Очень часто молнии попадают в самолёты, но пассажиры лайнеров этого даже не замечают. Хотите знать почему? В самолётах предусмотрена специальная защитная капсула. Молния бьёт в корпус, но особый металлический каркас отводит электричество. Видео, где молния попадает в самолёт, всегда вызывает оживлённый интерес. Выглядит зловеще, но совершенно безопасно. Потому что у самолёта несколько степеней защиты от внезапного разряда электричества.
«У каждого самолета есть так называемые стекатели для статического электричества. Это чтобы самолет не привлекал к тебе молнию. Потому что потенциально это может быть искра, где эта искра выскочит, заранее сказать нельзя. В том числе она может выскочить где-нибудь там в районе топливной системы или гидравлической системы, то есть, где находятся пожароопасные жидкости. Потенциально это источник опасности», — рассказывает инженер-авиаконструктор Петр Савин.
Фото: Скриншот видео
Многоступенчатая пассивная защита от молний есть и у небоскребов. Мало кто знает, что их снабжают так называемыми токоотводами и особым образом заземляют.
«Прежде всего, начинается с самого шпиля, который больше ста метров, и дальше это всё постепенно расходится по токоотводам через колонны, которые идут по периметру башни. И доходит до фундамента через специальную сетку, переходит в сваи, ну и дальше уже непосредственно соприкасается с землёй. То есть это вот такая ступенчатая, скажем так, структура», — рассказывает главный инженер небоскрёба «Лахта-центр» Сергей Никифоров.
Один из самых ярких небоскрёбов Санкт-Петербурга «Лахта-Центр» и вовсе прозвали громоотводом северной столицы. Если над городом гроза – молния всегда бьёт в самую высокую точку здания, токоотводы гасят электрический разряд и уводят в землю.
«Длительная молния может вызвать пожар. Поэтому все здания необходимо ограждать. В последнее время придумали новые способы защиты. Одним из таких ноу-хау является лазерная пушка, которая стреляет по грозовой туче. В это время, когда лазерный луч большой мощности пронзает атмосферу, то молекулы воздуха ионизуются. Молния идёт по этому каналу. То есть, она обходит здания», — объясняет кандидат физико-математических наук Александр Борцов.
Возможно ли управлять молнией?
В наши дни учёные пытаются научиться искусственно создавать молнии и даже ловить их с помощью специальных ферм. В грозоопасных местностях одна из американских компаний уже построила несколько ловушек для природных электрических разрядов. Металлические конструкции притягивают молнии и накапливают электричество. Хотя технология сырая и требует доработки, это огромный прорыв. Впрочем, учёные по-прежнему считают, что управлять молниями практически невозможно. По легенде, за всю историю это удалось единственному человеку. Правда, Никола Тесла унёс свой секрет в могилу.
Инсайты инженерной мысли, история, научная аналитика и тайны нашей планеты – об этом и многом другом смотрите в выпусках программы «Знаете ли вы, что?» с Алексеем Иванченко! Каждый вторник в 23:30 на РЕН ТВ!
Телефон притягивает грозу? Физик рассказал, куда бьёт молния и как спастись
Разрушительные ураганы с грозами прошли в нескольких регионах России. Последствиями стихии стали сломанные здания, вырванные деревья и погибшие люди. Помимо реальных случаев смерти в сети распространяется информация о гибели людей из-за использования смартфона. Притягивает ли мобильный телефон молнии? Можно ли пользоваться телефоном в грозу? Способен ли разряд вызвать поломку электроприборов в доме? На эти и другие вопросы сайту perm.aif.ru ответил заведующий кафедрой общей физики ПНИПУ Анатолий Перминов.
Опасно ли в грозу пользоваться мобильным телефоном?
По словам специалиста, сам по себе гаджет молнии не притягивает. Телефон, как любой электроприбор, может среагировать на возмущения электромагнитного поля, которые возникают при разряде молнии, и испортиться. Разряды атмосферного электричества (молний) опасны для самого устройства, например, могут привести к некорректности работы приложений.
«Можно ли получить разряд, если вы во время грозы пользуетесь телефоном, который стоит на зарядке? Такая вероятность есть, — пояснил Анатолий Перминов. — Если молния ударила в электрические провода, подведённые к дому, любое устройство, в том числе и мобильный телефон, подключённое к бытовой электрической сети (электрической розетке) может быть опасно. В большинстве случаев такая ситуация приведёт просто к выходу электроприбора из строя».
Почему нужно выключать электроприборы в грозу?
Во время сильной грозы, которая проходит в непосредственной близости от дома, электроприборы действительно стоит выключить. В противном случае скачки напряжения в электросети могут привести к порче бытовых приборов. Возможны также помехи в работе Интернета и телевидения.
«Появление помех обусловлено тем, что оборудование, которое обеспечивает подачу сигнала, может отреагировать на изменение электрических и магнитных полей. Если идёт сильное внешнее электромагнитное воздействие, то оно может получить повреждение или даже выйти из строя»? — пояснил специалист.
Если телевизор подключен к антенне, которая выводится на крышу, то такая антенна может сработать как громоотвод, т.е. притянуть к себе молнию. При ударе молнии избыточный электрический разряд пойдёт к электроприбору и это может закончиться его поломкой.
Как понять, что гроза и молния рядом?
Физик упомянул, что электроприборы стоит выключить, если гроза находится в непосредственной близости от дома. Но как это понять?
«Если между разрядом молнии, и через одну-две секунды вы услышали гром. Это значит, что очаг грозы рядом. Если дольше, то это означает, что гроза довольно далеко», — пояснил Анатолий Перминов.
Может ли молния ударить в одно место?
По совам специалиста, ударить дважды в одно и то же места молния может. С точки зрения физики, это вполне возможно. Как практически, так и теоретически. Однако, вероятность такого события мала.
Опасно ли в грозу находиться в самолёте?
Многие пассажиры самолётов сталкивались с тем, что воздушное судно попалов грозовой фронт. Бывает, что непогода застала самолёт на взлёте. Может ли молния ударить в борт? По словам Анатолия Перминова, в современных самолётах есть защита от молнии.
«Насколько знаю, современные самолёты выдерживают прямое попадание разрядов. Могут временно отключиться приборы, молнии могут оказать влияние на навигационное оборудование, но все неполадки быстро устраняются. Ну и, кроме того, пилоты стараются обходить грозовые фронты», — пояснил физик.
А в машине?
Анатолий Перминов поясняет, что если грозовой фронт застал вас в движущемся автомобиле, и вы находитесь недалеко от эпицентра грозы, то лучше всего остановиться и отключить зажигание автомобиля, то есть обесточить все электроприборы.
«Грозу лучше пережидать в автомобиле, так как его металлический корпус и внутренняя пластиковая обшивки послужат хорошим экраном от электрического разряда. Попадание молнии рядом с автомобилем не повредит пассажирам, так как резиновые колеса не пропустят электричество внутрь машины, — говорит специалист. — Попадание молнии в автомобиль, скорее всего, закончится лишь некоторым повреждением лакокрасочного покрытия. А вот находится рядом с автомобилем, как и с любым другим металлическим предметом, в грозу не рекомендуется. Молния, попавшая в автомобиль, в металлическую опору или столб может поразить и человека».
Где опасно во время грозы?
Около одиночно стоящих деревьев, линии электропередачи (особенно высоковольтных, у которых металлические мачты). Также опасно находиться на берегах водоёмов. Вода не очень хороший проводник электричества, но если молния попадёт в водоём, то могут быть поражения довольно большими разрядами. Так что в грозу нужно постараться укрыться в помещении.
Эксперт объяснил, куда бьет молния и можно ли разговаривать по сотовому в грозу
В непогоду часто бывает гроза. Существует множество мифов, связанных с этим явлением. Эксперт объяснил, что из этого оправдано с точки зрения науки.
Действительно, есть вещи, которые ни в коем случае нельзя делать. В то же время распространены и мифы, которые не имеют научного обоснования. Например, о запрете на разговоры по сотовому телефону или о существовании шаровой молнии.
— С точки зрения физики молния представляет собой электрический разряд или электрическую искру. Чем выше напряжение, разность потенциалов, тем эти искры больше и длиннее, — объясняет Андрей Якимец, доцент, кандидат физико-математических наук, завкафедрой радиофизики ВолГУ.
При больших напряжениях свободные заряды воздуха за счет высокого напряжения разгоняются, ударяются об атомы кислорода, ионизируют их, и таким образом получается уже два бегущих заряда. То же самое происходит с атомами, возникает лавинный процесс, приводящий к увеличению количества заряженных частиц, проводящих ток. Видимый нами синий цвет — это атомы кислорода, которые ионизируются и светятся.
Молния обычно ударяет в самые высокие объекты — чем выше здание, сооружение, столб, дерево, тем больше вероятности, что именно туда ударит молния. Соответственно, в городах по поводу удара молнии особенно беспокоиться не стоит, поскольку рядом всегда присутствует высокое здание, в котором к тому же есть громоотвод. Другое дело, когда человек оказывается за городом, где очень мало высотных объектов.
Самое опасное — оказаться в этот момент купающимся в воде. В этом случае нужно бояться не столько удара молнии, сколько тока, который будет течь по воде и может нанести очень серьезную травму. Поэтому в грозу купаться в водоеме очень опасно.
При использовании мобильного телефона не стоит опасаться, что он может взорваться или притянуть молнию. Такие предположения возникали, когда устройства только появились, но впоследствии они не нашли своего подтверждения.
Стоять в грозу около окна тоже достаточно безопасно — верхняя точка дома — это крыша, и с большей вероятностью удар молнии будет направлен именно туда. А вот бытовые приборы лучше отключить, потому что разряд может ударить в столб или подстанцию, это спровоцирует резкое повышение напряжения и выведет их из строя.
По поводу шаровой молнии ситуация и вовсе неопределенная. Существует ли она на самом деле, еще неизвестно, потому что достоверных свидетельств этому явлению нет.
Очень долгое время в различных лабораториях пытались воспроизвести нечто подобное, но не получилось. То есть физически получить шаровую молнию никто не смог, документальных подтверждений ее существования тоже обнаружить не удалось.
Сейчас наиболее употребительная теория существования таких эффектов связана не с физическим, а с физиологическим аспектом. Сильные электрические поля оказывают воздействие на кору головного мозга, на нейроны. В результате возможно появление своего рода галлюцинаций. Это как снежный человек, которого кто‑то вроде видел и даже фотографировал, но его существование научно не подтверждено.