Как образуется молния?boeffblog.ru | boeffblog.ru
Что такое гроза?Гроза – это атмосферное явление, которое сопровождается светомузыкальными эффектами под названиями молния и гром. Еще при грозе частенько бушует ветер и льется дождь. В общем-то каждый и сам все видел и все это знает. С дождем и ветром более менее понятно, но возникает вопрос откуда берутся молния и гром? Обычно люди, которые знают, что электричество живет в розетке, делают серьезное лицо и выдают ответ: “Это облака сталкиваются, поэтому сверкает.” Неплохой ответ конечно, но давайте ответим на этот вопрос с физической точки зрения.
Что такое молния?Молния – это электрический разряд. Но откуда же он берется? А все начинается с облаков. С поверхности земли испаряется влага, которая поднимается вверх в виде капелек. “Стая” таких капелек собирается на определенной высоте и становится видна с земли в виде облака (в одном облаке просто невероятное количество капель).
К облакам постоянно присоединяются новые капли, а старые могут отрываться от них. Если их присоединяется больше, чем отрывается, то облако растет. Размер облака по вертикали может достигать нескольких километров (расстояние от земли до нижней части облака примерно 0.5 – 2 км). В облаках температура может быть ниже нуля градусов по Цельсию, поэтому капельки замерзают и становятся льдинками. Эти льдинки находятся в постоянном движении, поэтому очень часто сталкиваются друг с другом. В результате этих столкновений одни капли/льдинки заряжаются положительно (они более легкие, поэтому поднимаются вверх), а другие отрицательно (они более тяжелые, поэтому скапливаются в нижней части облака).
При этом процессе нижняя часть облака заряжается отрицательно, а верхняя – положительно. При этом такое облако уже имеет большие размеры и становится грозовым. Нужно понимать, что не каждое облако становиться грозовым, так как этот процесс занимает длительное время, и нужно, чтобы сложились благоприятные условия (чтобы облако не распалось раньше, чем оно накопит достаточный заряд и наберет достаточную массу).
Теперь вернемся к молнии. Если два таких грозовых облака подходят на достаточно близкое расстояние (да еще одно подходит отрицательной стороной, а другое – положительной), заряженные частицы (электроны и ионы) начинают проскакивать через воздушную прослойку между двумя облаками (ведь плюс и минус, как мы знаем, должны притягиваться). Даже воздушная прослойка не может их остановить, настолько большие заряды у облаков!
Обычно первые частицы являются “полководцами”, так как они прокладывают канал между облаками, по которому сразу же устремляются миллиарды других заряженных частиц.
В этот момент мы и видим молнию!
Часто случается такое, что молния бьет прямо в землю. В этом случае сама земля выступает в качестве скопления положительного заряда, а остальное происходит как описано выше.
Почему молния имеет изломы?
Когда заряженные частицы летят через воздушную прослойку между облаками, они могут сталкиваться с молекулами воздуха или каплями (льдинками) воды.
От этих столкновений меняется направление движения заряженных частиц, но в целом они продолжают двигаться в сторону второго облака, чтобы замкнуться на нем.
Почему мы слышим гром?
Гром – это звуковое сопровождение молнии, без которого невозможно достигнуть необходимого порога страха. Именно грома человек боится больше, чем светящейся полоски на небе.
При прохождении электрического разряда (молнии) происходит резкое повышение температуры окружающего воздуха до нескольких тысяч или даже миллионов градусов. Этот температурный скачок приводит к локальному расширению нагретого воздуха (взрыв), которое вызывает ударную волну (раскат грома). Если молния имеет много изломов, то мы слышим несколько раскатов грома при каждой резкой смене направления возникает новый “взрыв“.
Так как скорость звука в воздухе меньше скорости света, мы слышим гром немного позже самой вспышки.
По времени задержки грома можно примерно посчитать расстояние до того места, где появилась молния. Для этого нужно посчитать: через сколько секунд слышится гром после вспышки. Каждые 3 секунды примерно равны расстоянию в 1 километр.
То есть, если после вспышки прошло 9 секунд до того как прогремел гром, то молния сверкнула на расстоянии 3 км.
А Вы боитесь грозы??
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.
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
NWS JetStream — Как создается молния
Условия, необходимые для возникновения молнии, известны уже давно. Однако то, как именно формируется молния, никогда не было подтверждено, поэтому есть место для споров.
Ведущие теории сосредоточены на разделении электрического заряда и генерации электрического поля во время грозы. Недавние исследования также показывают, что лед, град и полузамерзшие капли воды, известные как крупа, необходимы для развития молнии. Штормы, которые не производят большого количества льда, обычно не производят молнии.
Предсказать, когда и где ударит молния, пока невозможно и, скорее всего, никогда не будет. Но узнав о молнии и изучив некоторые основные правила безопасности, вы, ваша семья и ваши друзья сможете избежать ненужного воздействия опасностей одной из самых капризных и непредсказуемых сил природы.
Разделение зарядов
В грозах очень турбулентная среда. Сильные восходящие и нисходящие потоки происходят регулярно и в непосредственной близости друг от друга. Восходящие потоки переносят небольшие капли жидкой воды из нижних областей шторма на высоту от 35 000 до 70 000 футов, что в милях выше уровня замерзания.
Тем временем нисходящие потоки переносят град и лед из замерзших верхних областей шторма. Когда они сталкиваются, капли воды замерзают и выделяют тепло. Это тепло, в свою очередь, сохраняет поверхность града и льда немного теплее, чем окружающая среда, и образуется «мягкий град» или «каша».
Когда эта крупа сталкивается с дополнительными каплями воды и частицами льда, происходит критическое явление : электроны отрываются от восходящих частиц и собираются на нисходящих частицах. Поскольку электроны несут отрицательный заряд, в результате получается грозовое облако с отрицательно заряженным основанием и положительно заряженной вершиной.
Генерация поля
Электрическое поле в грозеВ мире электричества противоположности притягиваются, а изоляторы препятствуют. Когда внутри облака начинают разделяться положительные и отрицательные заряды, между его вершиной и основанием создается электрическое поле. Дальнейшее разделение этих зарядов на пулы положительных и отрицательных областей приводит к усилению электрического поля.
Однако атмосфера является очень хорошим изолятором, препятствующим прохождению электрического тока, поэтому для возникновения молнии должно накопиться ОГРОМНОЕ количество заряда. Когда этот порог заряда достигнут, сила электрического поля превосходит изоляционные свойства атмосферы, и возникает молния.
Электрическое поле бури не единственное, что развивается. Под отрицательно заряженным основанием шторма положительный заряд начинает накапливаться на поверхности земли (см. изображение справа).
Этот положительный заряд затеняет бурю, куда бы она ни пошла, и несет ответственность за молнии, падающие на землю.
Однако электрическое поле внутри грозы намного сильнее, чем поле между основанием грозы и поверхностью земли, поэтому большая часть молний (~ 75-80%) происходит внутри самой грозовой тучи.
Как возникает молния между облаком и землей
Канал молнии развиваетсяОтрицательно заряженная область в грозе испускает заряд.Гроза собирает еще один пул положительно заряженных частиц.Движущаяся гроза собирает на земле еще один пул положительно заряженных частиц, которые перемещаются вместе с грозой (изображение 1 ниже).
Поскольку разница в зарядах продолжает увеличиваться, положительно заряженные частицы поднимаются вверх по более высоким объектам, таким как деревья, дома и телефонные столбы.
Канал отрицательного заряда, называемый «ступенчатым лидером», спустится со дна шторма к земле (изображение 2 ниже).
Он невидим для человеческого глаза и падает на землю серией быстрых шагов, каждый из которых происходит за меньшее время, чем нужно, чтобы моргнуть глазом.
Этот положительный заряд «тянется» к приближающемуся отрицательному заряду по собственному каналу, называемому «стримером» (изображение 3 ниже).
Когда эти каналы соединяются, возникает электрическая передача, которую мы видим как молнию. После первоначального удара молнии, если осталось достаточно заряда, дополнительные удары молнии будут использовать тот же канал и придадут разряду мерцающий вид.
| Гроза собирает еще один пул положительно заряженных частиц. | Отрицательно заряженная область в шторме пошлет заряд. | Молниеносный канал развивается. |
Максимум! Процесс молнии: шаг за шагом
Высокие объекты, такие как деревья и небоскребы, обычно поражаются молнией. Горы также являются хорошими целями. Причина этого в том, что их вершины находятся ближе к основанию грозового облака.
Помните, что атмосфера является хорошим диэлектриком. Чем меньшее расстояние должна пройти молния, тем легче ей ударить.
Однако это не всегда означает, что будут поражены высокие предметы. Все зависит от того, где скапливаются заряды. Молния может ударить в землю в открытом поле, даже если линия деревьев находится поблизости.
Как работает молния — Canada.ca
В научном сообществе до сих пор ведутся споры о том, как происходит электризация облаков. Однако ученые согласны с тем, что положительные и отрицательные заряды должны разделиться внутри облака, чтобы молния могла произойти. Ученые также согласны с тем, что развивающийся шторм должен производить лед, чтобы образовались молнии.
Турбулентная ветровая среда во время грозы с ее восходящими и нисходящими потоками является идеальной средой для разделения электрических зарядов. Отрицательные заряды собираются у основания облака, а положительные заряды накапливаются в верхней части облака. Это позволяет формировать и увеличивать электрические поля между облаком и землей и внутри самого облака — все необходимые условия для возникновения молнии.
Поскольку объекты с одинаковым зарядом отталкиваются, а объекты с противоположным зарядом притягиваются, отрицательные заряды начинают распространяться у основания облака. В то же время под бурей начинают накапливаться положительные заряды. Эта область положительных зарядов перемещается под облаком почти как тень. Положительные заряды, как правило, концентрируются на высоких объектах, таких как деревья, столбы и здания. На изображении ниже положительные заряды показаны как красные символы плюса, а отрицательные заряды — как синие символы минуса.
Удар молнии из облака в землю начинается, когда канал отрицательных зарядов, называемый ступенчатым лидером, движется к земле. Ступенчатый лидер продолжает движение к земле серией шагов, каждая из которых имеет длину от 50 до 100 метров. Ступенчатый лидер может разветвляться во многих направлениях.
В ответ на разряд отрицательных зарядов, идущих от основания облака, от земли начинают двигаться вверх потоки положительных зарядов, называемые стримерами или восходящими лидерами, как правило, по возвышенным объектам.
Когда ступенчатый лидер и восходящий лидер встречаются, обычно на высоте от 30 до 100 метров над землей, отрицательные заряды начинают стекать вниз. Почти сразу к облаку устремляется гораздо более мощный и светящийся электрический ток, следуя по пути, пройденному ступенчатым лидером. Это называется обратным ударом, и это то, что мы видим в небе в виде молнии. Весь этот процесс происходит так быстро (менее чем за одну секунду), что кажется, что молния движется от облака к земле, хотя на самом деле все наоборот.
Замедленная съемка удара молнии
На видео выше вы можете увидеть много путей, по которым молния хочет пойти, но находит только один. Видео с нормальной скоростью длится менее одной секунды, быстрее, чем невооруженным глазом можно проследить все этапы.
Удар молнии или вспышка молнии обычно включает более одного удара молнии. После первоначального самого сильного удара могут последовать более слабые удары, которые обычно, но не всегда, следуют по тому же пути, что и начальный удар.
Когда молния следует по тому же пути, кажется, что она мерцает. Если он пойдет другим путем, может показаться, что он танцует. Обычно в среднем бывает от трех до четырех последовательных ударов, но их число может достигать двадцати.
На приведенном выше фото удара молнии в дерево ступенчатый лидер соединился с восходящим лидером, вышедшим из дерева. Если вы присмотритесь, вы также можете увидеть восходящий лидер, идущий от дерева, которое не соединилось (обозначено красной стрелкой). Также виден очень слабый восходящий лидер, идущий от телефонного столба слева от дерева (указано желтой стрелкой). Они происходят слишком быстро и часто слишком тусклые, чтобы наши глаза могли их увидеть, за исключением тех случаев, когда они запечатлены на пленке. На этом фото также ясно видно, почему не стоит укрываться под деревом во время грозы.
Молния, идущая от облака к земле, является самой опасной и разрушительной формой молнии. Несмотря на это, молния внутри облака или переход от облака к облаку является наиболее распространенным типом молнии.
Другой тип молнии возникает, когда некоторые разряды на самом деле исходят от земли в небо. В этом случае ступенчатый лидер движется от земли к облаку, как на фото ниже.
Фото: © Джеймс Сайм, 2014 г.Различные виды молнии
Молния может выглядеть очень по-разному. Например, вы можете распознать раздвоенную молнию по ее зубчатым или кривым линиям. Вы также можете часто видеть несколько ветвей, идущих от облака к земле, внутри облака, от одного облака к другому или даже от облака к воздуху.
Другие типы молнии:
- Листовая молния — вспышки, освещающие все облако, но при которых не виден сам разряд молнии
- Тепловая молния — удаленная молния, которую можно увидеть, но не услышать. В этом случае видимость обычно хорошая и небо над головой часто чистое
- «ул. Огонь Элмо» — все еще заряженные частицы, которые проявляются в виде голубого или зеленоватого свечения над остроконечными объектами, такими как деревья, мачты кораблей или носы самолетов.
Хотя это и не молния, иногда ее можно увидеть перед ударом молнии 90 100 - Молниям, которые видны на больших высотах и устремляются вверх из-за грозы, даются причудливые имена, такие как эльфы, спрайты и голубые струи
Хотя это и не молния, иногда ее можно увидеть перед ударом молнии 90 100Отрицательные и положительные удары молнии
Большинство ударов молнии представляют собой отрицательные удары молнии, что означает передачу отрицательных зарядов от облака к земле. Негативные удары составляют около 95 процентов ударов облака о землю.
Когда происходит чистая передача положительной энергии от облака к земле, удары молнии являются положительными. Эти удары исходят из областей облака с высоким положительным зарядом, таких как наковальня или вершина облака, или верхние части грозы.
Несмотря на то, что только около пяти процентов ударов молнии являются положительными, они имеют большое значение, поскольку несут более высокий заряд и длятся дольше, чем отрицательные разряды. Из-за этого они, как правило, наносят больший ущерб энергетической и электрической инфраструктуре и вызывают больше лесных пожаров, чем негативные удары.