Отчего и как образуется молния?

И. Канавец

   Какая-нибудь суеверная старушка ответила бы, что это Илья-пророк на своей колеснице по небу едет. Громыхает по облакам, как по булыжникам, а из-под колес искры. Вот тебе и гром и молния.
   Однако не позавидуешь Илье-пророку, если бы это было правдой! Ведь на земном шаре непрестанно в самых разных местах происходят грозы. В одно и то же время их бывает ни много, ни мало около двух тысяч. Каждую секунду на нашей планете ударяет в землю сто молний.
   Как же образуется молния на самом деле? Придется заглянуть внутрь грозового облака. Ученые сделали это с помощью шаров-зондов, снабженных специальными приборами. Оказалось, что в разных частях облака скапливаются разные электрические заряды. В одной части – положительные, в другой – отрицательные. Эти заряды сосредоточены на водяных капельках, из которых состоит облако.
   Вот ударила первая молния.

Кажется, что она возникла мгновенно. Однако, фотографируя особыми камерами, удалось установить подробную картину ее постепенного развития. Сначала от тучи, из того места, где скопилось много отрицательных зарядов, к земле идет «вожак», или, как говорят физики, лидер. Собственно говоря, это лавина электронов. Они намечают дорогу, образуют канал, по которому затем устремится молния.
   Под ударами электронов, из которых состоит лидер, атомы воздуха на его пути начинают светиться. Мы-то этого свечения не видим, но на фотобумаге оно оставляет слабый след. По следу обнаружили, что лидер самой первой молнии движется ступеньками: проскочит пять метров книзу – остановится, подождет 50–90 микросекунд (миллионных долей секунды) и снова вниз на пять метров.
   Когда лидер дойдет до земли, положительные заряды земли, притянутые отрицательными зарядами облака, устремляются по проложенной лидером дороге вверх. Так образуется главный канал молнии. Его диаметр от 10 до 25 сантиметров. По нему протекает ток огромной силы, раскаляет воздух и заставляет его светиться. От сильного нагревания воздух вокруг канала мгновенно расширяется, и во все стороны идет ударная волна, как при взрыве.
   Когда положительные и отрицательные заряды встретились, они нейтрализовали друг друга, и молния погасла. Но теперь из остальных частей облака к этому месту начинают притекать отрицательные заряды. Снова к земле идет разведчик. Он идет по старому пути, не останавливаясь. Навстречу ему от высоких зданий, деревьев, громоотводов тоже растут светящиеся ветви. Они сливаются с лидером, и вот путь для молнии готов. Иногда это свечение видно простым глазом. В старину его называли «огнями святого Эльма», а теперь называют коронным разрядом, потому что святой Эльм тут ни при чем, так же как Илья-пророк.

• ← К разделу

Молния: что это такое, виды, как и почему возникает, фото и видео

Содержание:

Молния – зрелищное и известное каждому явление, сопровождающееся раскатами грома. Несмотря на невероятный научно-технический прогресс и человеческие возможности, природа молнии до сих пор мало изучена. Рассмотрим причины и процесс возникновения молнии, ее виды в сопровождении фото и видео.

Молния – что это?

Молния – это мощный электрический искровой разряд, который возникает в газовой оболочке нашей планеты, атмосфере. Как правило, молния возникает во время грозы. Она принимает облик ярких световых вспышек, сопровождающихся громом.

Молния

Интересный факт: молнии бывают не только на Земле, но и на других планетах – Уране, Венере, Сатурне, Юпитере и других.

Как и почему возникает молния

Молнии в большинстве случаев образуются в облаках кучево-дождевого типа, а иногда и в слоисто-дождевых тучах большого размера. Грозовые тучи отчетливо выделяются на фоне остальных за счет насыщенного темного цвета.

Темно-синий оттенок появляется из-за толщины облака. При этом нижний его край располагается на высоте около 1 км над поверхностью земли, а верхний достигает 6-7 км в высоту.

Как известно, облако состоит из водяного пара. На высоте капельки замерзают и превращаются в кристаллы льда. Из-за неравномерного распределения температуры нагретый воздух поднимается вверх и влечет за собой мелкие частицы льда. При этом вниз опускаются более крупные замерзшие льдины – частицы постоянно сталкиваются.

Образование молнии

При столкновении происходит электризация льдинок (такое же явление, как и во время трения разных предметов). Более мелкие частицы получают положительный заряд, а те, что крупнее – отрицательный. Соответственно заряжаются и разные части облака. Вверху грозовая туча со знаком «плюс», а внизу – со знаком минус.

В результате возникает разница потенциалов. Причем она образуется как между разными частями облака, так и между тучей и землей. Эта разность измеряется в сотнях тысяч вольт.

Молния не возникает мгновенно из ничего, хоть и движется она достаточно быстро. Формирование молнии можно условно разделить на начальную, среднюю и финальную стадию.

Начальная стадия

Разряд появляется в определенной части облака, где присутствует большое количество ионов. Ион – это частица с электрическим зарядом. Она возникает, когда атом или молекула получают либо теряют электроны.

Так же происходит и с грозовым облаком. Ионы образуются за счет молекул воды и газов, из которых, собственно, и состоит туча. На этом этапе мнения ученых расходятся, поскольку досконально изучить природу молнии еще не удалось.

Схема развития наземной молнии

Одни специалисты считают, что высокая концентрация ионов получается по причине разгона свободных электронов. Они всегда присутствуют в воздухе, хоть и в небольшом объеме. Затем эти электроны сталкиваются с нейтрально заряженными молекулами, в результате чего происходит их ионизация.

Согласно другой гипотезе, все дело в космическом излучении. Оно тоже воздействует на атмосферу Земли постоянно. Именно таким образом ионизируется воздух. Ионизированный газ хорошо проводит электричество, поэтому через него в облаке проходит ток.

Средняя стадия

Далее запускается цепная реакция. Ток, проходящий под высоким напряжением, нагревает воздух в определенной области. Образуется все больше и больше энергетических частиц, которые превращают в ионы соседние области. Поэтому молния распространяется чрезвычайно быстро.

Этапы нисходящего удара молнии

В составе молнии есть главенствующая часть – наиболее мощный канал, от которого распространяются ответвления в разные стороны. Этим объясняется извилистая форма разрядов: с каждой новой вспышкой молния как будто скачками продвигается все дальше и дальше примерно на несколько десятков метров.

Интересный факт: иногда скорость «главной» молнии достигает 50 000 км в секунду.

В определенный момент наиболее мощный разряд достигает земной поверхности либо другой части тучи. Но и это еще не конец. Как только электрическим разрядом пробивается ионизированный канал толщиной несколько сантиметров, заряженные частицы на высокой скорости проходят по нему. Фактически это и есть молния, которую мы можем наблюдать.

Из-за высокого напряжения температура внутри данного канала измеряется в тысячах градусов. Поэтому мы видим молнию в виде очень яркой вспышки. Гром же является следствием резкого перепада температур и давления. Во время электрического разряда выделяется огромное количество энергии, несмотря на кратковременность явления.

Финальная стадия

Скорость перемещения зарядов по каналу быстро снижается. Однако напряжение и сила тока все равно остаются очень высокими. Как раз на конечной стадии молния обычно достигает земли, различных объектов.

Финальная стадия молнии

В случае нахождения поблизости людей молния становится очень опасной. Финальная стадия занимает даже не секунду, а ее десятые доли. Но и этого достаточно для нанесения ущерба, образования пожаров и т.д. Молния зачастую ударяет в одно и то же место несколько раз, если именно этот путь самый короткий и «удобный» для разряда.

Виды молнии

Молнии делятся на множество видов. Основным критерием является характер образования разряда, ведь молнии могут возникать на разной высоте. Также они могут иметь разную форму, длину и прочие параметры.

Виды молнии в слоях атмосферы

Линейная (туча-земля)

Часто встречающийся вид, возникающий из-за разных зарядов верхней и нижней частей облака. Появляется и развивается линейная молния по принципу, описанному ранее – в результате активной ионизации воздуха. От основного канала-лидера ступенчато расходятся вспышки в разные стороны, на финальной стадии достигающие земли.

Линейная молния

Земля-облако

Объекты, расположенные на большой высоте, часто приманивают молнию, накапливая электростатический заряд. Разряды «земля-облако» возникают как следствие пробивания слоя атмосферы между нижней частью грозовой тучи и заряженной верхушкой.

Молния “земля-облако”

Облако-облако

Большинство молний возникают именно среди облаков. Вспышки образуются в результате того, что разные части туч имеют разные заряды. Поэтому облака, расположенные поблизости, пробивают друг друга электрическими разрядами.

Молния “облако-облако”

Интересный факт: в Венесуэле есть уникальное место, где река Кататумбо впадает в Озеро Маракайбо. Здесь круглый год появляется множество молний (обычно ночью), которые вспыхивают непрерывно длительное время. Частота разрядов – 250 на квадратный километр за год. Наибольший пик – май и октябрь.

Горизонтальная

Похожа на «облако-земля», но не достигает земной поверхности. Вспышки распространяются в разные стороны. Такая молния считается чрезвычайно мощной. Для ее образования достаточно одной грозовой тучи на чистом небе.

Горизонтальная молния

Ленточная

Интересную форму приобретает молния, в которой несколько одинаковых каналов устремляются вниз параллельно друг другу на небольшом расстоянии. Вероятно, причина кроется в сильном ветре, расширяющем данные каналы.

Ленточная молния

Четочная (пунктирная)

Редкий вид молнии, природа которого мало изучена. Разряд идет не сплошной линией, а с частыми мелкими промежутками – пунктирами. Возможно, некоторые участки молнии быстро остывают, придавая ей такую форму. Вспышка длится пару секунд, а сама молния бьет волной и только одним следом.

Четочная молния

Шторовая

Возникает над облаками, а не внутри или под ними, как предыдущие виды. Как именно образуется, неизвестно. Внешне это широкая светящаяся полоса, состоящая из большого количества разрядов. При этом можно услышать негромкий гул. Впервые такую молнию удалось запечатлеть лишь в 1994 году.

Шторовая молния

Спрайт

Если обычная молния возникает на высоте около 16 км, то спрайты появляются гораздо выше – 50-130 км. Они представляют собой электрические разряды холодной плазмы, бьющие из облаков вверх.

Спрайты

Рассмотреть их проблематично, но образуются спрайты группами при каждой сильной грозе через несколько секунд после мощной молнии. Средняя длина вспышек – 60 км, диаметр – до 100 км, длительность – до 100 миллисекунд.

Эльф

Масштабные конусообразные вспышки со слабым красным светом (диаметр примерно 400 км). Образуются в верхних слоях грозовых туч. В высоту достигают 100 км, а длятся около 3 миллисекунд.

Эльф

Джет

Молнии трубчато-конусной формы с синим свечением. В высоту достигают нижних слоев ионосферы (от 40 до 70 км). По продолжительности немного обгоняют эльфов.

Джеты

Вулканическая

Возникает при извержении вулкана. Вероятно, из-за того, что пепел и магма при выбросе несут электрический заряд. Кроме того, эти частицы постоянно сталкиваются, чем и вызывают разряды.

Вулканическая молния

Огни Святого Эльма

Фактически это не молния, а разряды, которые возникают на заостренных концах возвышающихся объектов. Сюда относятся вершины скал, деревья, мачты судов, башни и т.п. Образуются они из-за высокой напряженности электрического поля. Чаще всего это происходит во время грозы или метели зимой.

Огни Святого Эльма

Шаровая

Молния в виде сгустка плазмы шарообразной формы, плавающего прямо в воздухе. Как и почему образуется такой разряд, учеными до сих пор не установлено. Можно наверняка утверждать лишь то, что такая молния ведет себе непредсказуемо. Многие до сих пор сомневаются в ее существовании.

Шаровая молния, гравюра XIX века

Какие виды молнии опасны для человека?

Для человека угрозу представляют все виды молнии, которые могут достигнуть земной поверхности. Неопасны разряды, которые возникают и бьют только среди облаков или над ними. Также безопасны огни Святого Эльма.

Цвет молнии

Молния может иметь разные оттенки: голубоватый, белый, желтый, оранжевый, красный. Цвет зависит от состава атмосферы. Канал молнии разогревается в 5 раз сильнее Солнца. При такой температуре воздуху свойственны голубые, фиолетовые тона. Поэтому разряды, видимые неподалеку в чистой атмосфере, приобретают синеватое свечение.

Голубоватое свечение молнии – наиболее распространенное

На более значительном расстоянии вспышки становятся белыми, еще дальше – желтеют. Так происходит из-за того, что голубые тона рассеиваются в воздухе. Если в атмосфере много пыли, вспышки приобретают оранжевый цвет.

Капли воды «окрашивают» молнию в красные оттенки. Наиболее редкое явление – создание сложных оптических эффектов за счет высокой концентрации мелких частиц льда в воздухе.

Скорость и длина молнии

В среднем молнии перемещаются на скорости около 56 тысяч км/сек. При этом грозовое атмосферное явление движется со скоростью 40 км/час. Средняя длина электрического разряда – 9,5 км.

Интересно:  Шаровая молния — что это, описание, когда появляется, опасности, виды, фото и видео

Старое фото молнии в Бостоне

Интересный факт: самая длинная молния в мире зафиксирована в американском штате Оклахома – 321 км. А наиболее длительный разряд по времени наблюдали в Альпах – на протяжении 7,74 сек.

Сила тока и напряжение молнии

Так как молния напрямую связана с электричеством, для нее существует две физических величины – сила тока и напряжение. В разряде молнии на нашей планете зафиксирована сила тока в пределах от 10 000 до 500 000 ампер. Напряжение также чрезвычайно высокое и измеряется в десятках миллионов и миллиардах вольт.

Мощная молния

Бывают ли молнии зимой?

Грозы и молнии зимой – очень редкое явление. В холодное время года поверхность земли прогревается меньше. Поэтому не возникают сильные восходящие потоки воздуха. Однако в последнее время, на фоне глобального потепления, зимы бывают достаточно теплыми, так что молнии вполне возможны.

Молния ударила зимой в Статую Свободы

Частота молнии

Ранние исследования показывали, что молния ударяет примерно 100 раз в секунду на территории нашей планеты. Но спутники позволяют наблюдать за самыми удаленными или труднодоступными местами на Земле.

Частота молнии (на квадратный километр за год)

Новые данные указывают на 44 плюс-минус 5 ударов молнии в секунду. Это значит, что за год случается около 1,4 миллиарда электрических разрядов. Из них примерно 25% ударяют в землю, а остальные 75% вспыхивают среди облаков.

Как определить расстояние до молнии по грому?

Установить расстояние до грозы по грому можно приблизительно. Для этого засекается, сколько секунд проходит между звуком грома и вспышкой молнии. Необходимо учитывать скорость звука – около 300 метров в секунду. Так, 3 секунды – это примерно 1 км до грозы.

Расстояние до молнии

Выполнение нескольких замеров позволяет узнать, приближается или удаляется гроза по отношению к наблюдателю. Важно помнить о том, что молния растягивается на несколько километров. Если при отсутствии грома видны разряды молнии, значит, гроза находится на расстоянии более 20 км.

Последствия молнии

Молния оставляет за собой большое количество разных следов, в зависимости от места, куда ударяет разряд, а также его мощности. Рассмотрим следующие проявления молнии:

• образование фульгуритов;
• попадание в землю;
• попадание в деревья, дома и прочие объекты;
• попадание в автомобили;
• попадание в человека.

Фульгурит – это вещество, которое образуется при попадании электрического разряда в песок или любую горную породу. По сути, определенное количество песка просто плавится и застывает под кратковременным воздействием высокой температуры.

Фульгурит

Обнаружить фульгуриты непросто. Обычно они встречаются на горных вершинах или в областях, где грозы считаются частым явлением. Попадая в залежи песка, молния образует из него трубочки произвольных форм, полые внутри. Фактически они получаются стеклянными.

Между песчаными частицами всегда есть влага и воздух. Мощный удар их быстро нагревает до высоких температур, расширяет, в результате чего и появляются эти трубочки всевозможных размеров и форм. Затем они моментально охлаждаются.

Очень редко разряды молнии попадают именно в землю, поскольку для них предпочтительнее максимально короткий и доступный путь. Но в случае попадания на поверхности остается углубление, от которого в разные стороны уходят витиеватые линии, напоминающие молнию по форме.

След от молнии на земле

Возвышаясь над другими объектами, деревья чаще всего привлекают к себе молнию. В большинстве случаев они сгорают, причем моментально. Если же в дерево попадает шаровая молния, она поджигает его изнутри. При попадании в здание молния зачастую повреждает кровельную часть и тоже может вызвать возгорание.

Молния ударила в дерево

Если разряд угодит в закрытое транспортное средство, например, автомобиль, то быстро распространится по металлическому корпусу и уйдет в земную поверхность. Считается, что авто – безопасное место, в котором можно переждать непогоду, так как молния не попадает внутрь салона. Однако последствия прямого попадания все равно серьезные.

Молния ударила в авто

Попадание разряда молнии в человека непредсказуемо. Оно сравнимо удару электрическим током, но напряжение при этом в разы выше. Чаще всего молния поражает грудную клетку или голову.

Фигуры Лихтенберга

На теле остаются особенные следы, которые напоминают молнию по форме – их называют фигурами Лихтенберга. Такой след остается в результате повреждения кровеносных сосудов. Удар молнией крайне опасен, поэтому в случае грозы следует принять все необходимые меры безопасности.

Есть ли польза от молнии?

Электрические разряды очищают воздух от мелких частиц пыли, различных загрязнений. Это ощущается даже физически, так как после грозы воздух более свежий. Молния преобразует тяжелые вещества в полезные. Способствует накоплению больших объемов азота, которые попадают в почву и благотворно влияют на рост и развитие растений.

Образование озона

Можно ли использовать энергию молнии?

Существует специальный термин – грозовая энергетика. Это способ, при помощи которого энергия молнии «собирается» и направляется в электрические сети. Эта энергия принадлежит к числу альтернативных возобновляемых источников.

Электросети

Потенциал использования энергии молнии огромен. Ее запас бесконечный – он решит проблему дорогостоящего электричества и снизит ущерб, который сейчас наносится экологии планеты. В настоящее время ведутся разработки экспериментальных установок для захвата молнии, изучается грозовая активность.

Но есть у данного способа энергопотребления и свои минусы. Сложно предсказать, где и когда будет гроза. Кроме того, вспышка длится доли секунды, поэтому требуется мощное дорогое оборудование.

Что делать во время грозы?

Если гроза застала на улице необходимо следовать таким правилам:

1. Нельзя прятаться под деревьями и другими высокими объектами, стоять рядом со столбами, дорожными знаками, в которые чаще всего бьет молния. Следует отойти от них подальше, так как от центра удара напряжение расходится в разные стороны.
2. На открытой местности нужно присесть и прижать голову к коленям, занять максимально низкорасположенное место.
3. Убрать подальше от себя зонт, все металлические и длинные предметы – они притягивают молнию.
4. Выключить телефон, прочие устройства.
5. При возможности укрыться в машине.
6. Не подходить к водоему, тем более не купаться.

Что делать во время грозы

Находясь в помещении, следует также выключить телефон, электроприборы, подачу газа. Рекомендуется закрыть все окна.

Существует версия, что даже луч лазерной указки, направленный в небо, может привлечь разряд.

Интересный факт: существует понятие шагового напряжения. Оно возникает между двумя точками поверхности, и чем больше расстояние между этими точками, тем выше сила тока. Например, в большей опасности находится крупный рогатый скот, лошади, потому что передние и задние ноги у них расположены далеко.

Как защищают самолеты от молнии?

Весь корпус самолета защищен специальной оболочкой, внутри которой содержится экранирующая сетка из металла. Таким образом, при ударе молнией оболочка проводит ток, но предотвращает проникновение электрического разряда внутрь самолета. Находящиеся внутри люди и оборудование остаются в безопасности.

Разрядники на крыле самолета

Также все техническое оснащение самолета оборудовано дополнительной защитой от электрических разрядов. Попадание молнии приходится на нос самолета, разряд продвигается к крыльям и хвосту. Пассажиры и экипаж могут во время удара услышать громкий звук, но так происходит не всегда.

Интересный факт: перед тем, как самолет сдается в эксплуатацию, он проходит тщательную проверку. Один из ее этапов – симуляция попадания молнии.

Как защищают оборудование от молнии?

Нужно понимать, что защиты от прямого попадания молнии в оборудование не существует. Речь идет о грозозащите – это специальное оснащение, которое позволяет обезопасить технику от повреждений, возникающих из-за грозы. Также оборудуют громоотводы и защищают оборудование от перенапряжения.

Грозозащита

Главная цель грозозащиты – защитить оборудование от статического электричества. У него имеется определенный показатель защиты, обозначаемый как ESD Protection. Этот показатель измеряется в киловольтах и указывается в виде числовой величины.

Стандарт грозозащиты – 15-20 кВ. Она представляет собой диодный мостик. При обнаружении в проводах разницы напряжения в 6 В и более, срабатывает защитный диод, который заземляет провода.

История изучения

Наблюдать молнию люди могли еще с древних времен, но длительное время этому явлению не было объяснения. Изначально считалось, что вспышки в небе – результат деятельности богов. Еще древнегреческие философы подметили, что молния поражает высокие объекты.

Значимый вклад в изучение молнии сделали мореплаватели. В открытом море электрические разряды оказались еще мощнее. Связь между молнией и электричеством была выдвинута в 17-18 веках, в период развития физики.

Молния в море

Наиболее подробно такую гипотезу описал в своих исследованиях Бенджамин Франклин. В 1750 он представил научный труд, в котором был описан известный нынче эксперимент по определению электрической природы молнии.

Суть опыта состояла в запуске воздушного змея во время грозы. При этом к змею крепился стержень из меди, а к тросу – металлический ключ. Цель эксперимента – доказать электрическую природу молнии.

Опыт Бенджамина Франклина, иллюстрация

Для подтверждения гипотезы молния должна ударить в змея, пройти по тросу и оставить след на ключе. Опыт Франклин провел в июне, позаботившись о громоотводе. Стоит сказать, что он прошел успешно и подтвердил все догадки физика.

В 20-м веке ученые открыли необычные виды молнии (спрайты, джеты, эльфы), которые возникают в верхних слоях атмосферы. В настоящее время исследования молнии проводятся при помощи спутников.

Молния, интересное видео

Линейная молния в Самаре

Горизонтальная молния над лесами Сибири

Ночная гроза в Томске

Разные виды молнии на ночном небе Томска

Молнии “туча-земля” на ночном небе Томска

Древовидная восходящая молния над вулканом Ауга в Гватемале

Молнии “облако-облако”

Горизонтальная молния

Молнии “облако-облако” и “облако-земля”

Молния, пронизывающая радугу

Линейные молнии на фоне городского пейзажа

Сильный канал линейной молнии

Мощный канал молнии крупным планом

Мощный разряд крупным планом

Мощнейшая молния достигает земли

Грузоподъемные краны привлекают электрические разряды

Мощнейшие линейные молнии

Горизонтальная молния в городе Несебр

Мощные линейные молнии в городе Пловдив

Мощные линейные молнии в городе Пловдив

Ночная гроза над Псковом

Большое грозовое облако с линейными и внутриоблачными молниями

Линейные молнии освещают ночное небо

Многочисленные молнии линейного типа с желтым свечением

Молнии и радуга ранним утром

Многочисленные линейные разряды высокой мощности

Если Вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Почему молния движется зигзагом? Наконец-то у нас есть ответ на загадку

Все видели молнию и дивились ее силе. Но, несмотря на свою частоту — около 8,6 миллионов ударов молнии в мире происходит каждый день — почему молния проходит через ряд шагов от грозового облака до земли внизу, остается загадкой.

Есть несколько учебников по молниям, но ни в одном из них не объясняется, как формируются эти «зигзаги» (называемые ступенями) и как молния может перемещаться на километры. Мое новое исследование дает объяснение.

Интенсивные электрические поля в грозовых облаках возбуждают электроны, чтобы получить достаточно энергии для создания так называемых «синглетных дельта-молекул кислорода». Эти молекулы и электроны образуют короткую высокопроводящую ступеньку, которая ярко светится на миллионную долю секунды.

В конце шага наступает пауза, так как снова происходит нарастание, за которым следует еще один яркий, мигающий прыжок. Процесс повторяется снова и снова.

Увеличение числа экстремальных погодных явлений означает, что защита от молнии становится все более важной. Зная, как инициируется удар молнии, мы можем понять, как лучше защитить здания, самолеты и людей. Кроме того, хотя использование экологически чистых композитных материалов в самолетах повышает эффективность использования топлива, эти материалы увеличивают риск повреждения молнией, поэтому нам необходимо подумать о дополнительной защите.

Увеличение атмосферной влаги и тепла вызывает более сильные штормы. Шаттерсток

Что приводит к удару молнии?

Удары молнии происходят, когда грозовые облака с электрическим потенциалом в миллионы вольт соединяются с землей. Между землей и небом течет ток в тысячи ампер с температурой в десятки тысяч градусов.

Фотографии молнии раскрывают множество деталей, невидимых невооруженным глазом. Обычно из облака исходят четыре или пять слабых «лидеров». Они разветвлены и зигзагообразны на неправильной траектории к земле.

Первый из этих лидеров, достигший земли, инициирует удар молнии. Остальные лидеры затем гаснут.

Пятьдесят лет назад высокоскоростная фотография показала еще большую сложность. Лидеры продвигаются вниз от облака «ступенями» длиной около 50 метров. Каждый шаг становится светлым на миллионную долю секунды, но потом наступает почти полная темнота. Еще через 50 миллионных долей секунды образуется еще одна ступенька в конце предыдущей ступени, но предыдущие ступени остаются темными.

Зачем такие шаги? Что происходит в темные промежутки между шагами? Как шаги могут быть электрически подключены к облаку без видимой связи?

Ответы на эти вопросы лежат в понимании того, что происходит, когда энергичный электрон сталкивается с молекулой кислорода. Если у электрона достаточно энергии, он переводит молекулу в синглетное дельта-состояние. Это «метастабильное» состояние, что означает, что оно не является абсолютно стабильным, но обычно оно не переходит в более низкое энергетическое состояние в течение 45 минут или около того.

Кислород в этом синглетном дельта-состоянии отрывает электроны (необходимые для протекания электричества) от отрицательных ионов кислорода. Затем эти ионы почти сразу же заменяются электронами (несущими отрицательный заряд), снова присоединяющимися к молекулам кислорода. Когда более 1% кислорода в воздухе находится в метастабильном состоянии, воздух может проводить электричество.

Таким образом, молниеносные шаги происходят, когда создается достаточное количество метастабильных состояний для отрыва значительного числа электронов. Во время темной части шага плотность метастабильных состояний и электронов увеличивается. Через 50 миллионных долей секунды ступенька может проводить электричество — и электрический потенциал на вершине ступеньки увеличивается примерно до потенциала облака и создает следующую ступеньку.

Возбужденные молекулы, созданные на предыдущих шагах, образуют столбик на всем пути к облаку. В этом случае вся колонна является электропроводящей, не требует электрического поля и имеет небольшое излучение света.

Защита людей и имущества

Понимание образования молнии важно для проектирования защиты зданий, самолетов и людей. Хотя молнии редко поражают людей, в здания попадают много раз, особенно в высокие и изолированные.

Когда молния ударяет в дерево, сок внутри дерева закипает и образующийся пар создает давление, раскалывая ствол. Точно так же, когда молния попадает в угол здания, вода от дождя, просочившаяся в бетон, закипает. Давление сносит весь угол здания, создавая риск смертельного обрушения.

Заставляя воду внутри строений кипеть, удар молнии может разрушить деревья и здания. Шаттерсток

Громоотвод, изобретенный Бенджамином Франклином в 1752 году, представляет собой толстую проволоку для ограждения, прикрепленную к крыше здания и соединенную с землей. Он предназначен для притяжения молнии и заземления электрического заряда. Направляя поток по проволоке, он спасает здание от повреждений.

Эти стержни Франклина необходимы сегодня для высоких зданий и церквей, но неясным фактором является то, сколько стержней необходимо для каждой конструкции.

Кроме того, сотни строений не защищены, в том числе навесы в парках. Эти конструкции часто изготавливаются из оцинкованного железа с высокой проводимостью, которое само притягивает молнии, и поддерживаются деревянными столбами.

Новая версия Стандартов Австралии по молниезащите рекомендует заземлять такие укрытия.

Молния все еще остается загадкой | Как работает молния?

Когда вы покупаете по ссылкам на нашем сайте, мы можем получать партнерскую комиссию. Вот как это работает.

Множественные удары молнии от облака к облаку и от облака к земле во время ночной грозы. (Изображение предоставлено: Фотобиблиотека NOAA, Центральная библиотека NOAA; OAR/ERL/Национальная лаборатория сильных штормов (NSSL))

Ежедневно по всему миру бушует около 44 000 гроз, каждую секунду падающих на землю до 100 молний. Эти драматические, оглушающие вспышки электричества перезаряжают глобальную батарею, сохраняя отрицательный электрический заряд земли и поддерживая положительный заряд ионосферы. Молния превращает Землю в электрическую цепь, и, возможно, она даже произвела искру, из-за которой в первозданном бульоне зародилась жизнь.

Но, насколько нам известно, молния вполне может исходить от Зевса. Считая эксперимент Бена Франклина с воздушным змеем и ключом отправной точкой, 250 лет научных исследований так и не смогли понять, как работает молния.

У атмосферных ученых есть базовый набросок процесса. Положительные электрические заряды накапливаются в верхней части грозовых облаков, а отрицательные — внизу (за исключением вызывающих недоумение пятен положительных зарядов, часто обнаруживаемых в центре и внизу). Электрическое притяжение между этими противоположными зарядами, а также между отрицательными зарядами в нижней части облака и положительными зарядами, которые накапливаются на земле внизу, в конечном итоге становится достаточно сильным, чтобы преодолеть сопротивление воздуха электрическому потоку.

Подобно стаду слонов, переходящих реку вброд, отрицательные заряды спускаются со дна облака в небо внизу и, спотыкаясь, движутся к земле, образуя невидимую проводящую тропу, называемую «лидером ступеней». Путь зарядов в конечном итоге соединяется с аналогичными «стримерами» положительных зарядов, поднимающихся от земли, замыкая электрическую цепь и позволяя отрицательным зарядам выливаться из облака на землю по цепи, которую они сформировали. Этот внезапный мощный электрический разряд и есть вспышка молнии.

Связанный: 7 простых вопросов без ответов

Но что касается того, как все это происходит — ну, это просто не имеет большого физического смысла. Есть три больших вопроса, требующих ответов, сказал Джо Двайер, ведущий физик молний из Технологического института Флориды. «Во-первых, как на самом деле зарядить грозовую тучу?» — сказал Дуайер. Смесь воды и льда необходима для получения атомов, которые могут приобретать заряд, а восходящие потоки необходимы для перемещения заряженных частиц. Остальные детали туманны.

Одна из теорий гласит, что высокоэнергетические космические лучи из космоса пронизывают облако, отрывая электроны от атомов на своем пути и притягивая эти отрицательно заряженные частицы к основанию облака, создавая дисбаланс заряда. Дуайер сказал, что, хотя этот процесс может играть определенную роль, он кажется недостаточным для объяснения огромного дисбаланса, наблюдаемого учеными.

Ученые пришли к единому мнению, сказал он журналу Life’s Little Mysteries, что разделение зарядов в основном достигается в процессе, который называется «механизм неиндуктивной зарядки».

«У вас есть смешанная фаза льда и воды выше 5 километров [3 миль] или около того, и они каким-то образом взаимодействуют друг с другом, и у вас есть какие-то осадки, и у вас есть восходящие потоки», — сказал он. «Лед и вода каким-то образом взаимодействуют и умудряются разделиться на противоположно заряженные частицы. Более легкие частицы приобретают положительный заряд и уносятся наверх, а более тяжелые — отрицательный и падают вниз».

Вышеупомянутое положительное пятно в нижней части облака до сих пор сбивает с толку. [Самые большие неразгаданные тайны физики]

Вторая путаница называется «проблема возникновения молнии». Измерения электрических полей внутри грозовых облаков постоянно давали пиковые значения, которые на порядок слабее, чем необходимо для нарушения изолирующих свойств воздуха. Искусственные свечи зажигания требуют гораздо большего электрического поля или разности потенциалов между одним электродом и другим, чтобы ток протекал через зазор. Таким образом, возникает вопрос: «Как получить искру внутри грозы? Электрические поля внутри грозы никогда не кажутся достаточно большими, чтобы вызвать искру. Так как же возникает эта искра? Это очень активная область исследований». «, — сказал Дуайер.

И как только зажжется искра, последний вопрос заключается в том, как она будет продолжаться. «После того, как вы начнете, как молния распространяется на десятки миль сквозь облака?» — сказал Дуайер. «Это удивительная вещь — как вы превращаете воздух из изолятора в проводник?»

Молнии мешают многим ученым понять основы физики. Но, по словам Дуайера, в последнее время прогресс ускорился. «У нас есть много способов измерения молний и штормов, которых не было несколько лет назад. Мы можем смотреть на исходящие от них радиосигналы. Мы можем запускать молнии, чтобы знать, куда направить наши камеры и инструменты. Десять лет назад мы поняли, что молния производит рентгеновское и гамма-излучение, что было неожиданно. Это дало нам новое понимание того, что происходит. Так что мы добились большого прогресса».

Похоже, гнев Зевса технически не исключен.

Следите за новостями Натали Волчовер в Твиттере по адресу nattyover или Life’s Little Mysteries @ llmysteries . Мы также на Facebook и Google+ .

Натали Волховер была штатным автором журнала Live Science с 2010 по 2012 год, а в настоящее время является старшим автором статей по физике и редактором журнала Quanta. Она имеет степень бакалавра физики Университета Тафтса и изучала физику в Калифорнийском университете в Беркли. Вместе с сотрудниками Quanta Волховер получила Пулитцеровскую премию 2022 года за пояснения к своей работе по строительству космического телескопа Джеймса Уэбба.