Физика атмосферы: как, почему и откуда появляются молнии. Молния (явление) Оптическое явление молния

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Молния как природное явление

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

Природа и причины возникновения молнии

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

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

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

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

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

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

Открытие шаровой молнии

молния разряд шаровой электрический

Как это нередко бывает, систематическое изучение шаровых молний началось с отрицания их существования: в начале XIX века все известные к тому времени разрозненные наблюдения были признаны либо мистикой, либо в лучшем случае оптической иллюзией.

Но уже в 1838 году в «Ежегоднике» французского бюро географических долгот был опубликован обзор, составленный знаменитым астрономом и физиком Домиником Франсуа Араго. Впоследствии он стал инициатором опытов Физо и Фуко по измерению скорости света, а также работ, приведших Леверье к открытию Нептуна. Основываясь на известных тогда описаниях шаровых молний, Араго пришел к выводу, что многие из этих наблюдений нельзя считать иллюзией. За 137 лет, прошедших с момента выхода в свет обзора Араго, появились новые свидетельства очевидцев, фотографии. Были созданы десятки теорий, экстравагантных, остроумных, таких, которые объясняли некоторые известные свойства шаровой молнии, и таких, которые не выдерживали элементарной критики. Фарадей, Кельвин, Аррениус, советские физики Я.И. Френкель и П.Л. Капица, многие известные химики, наконец, специалисты американской Национальной комиссии по астронавтике и аэронавтике NASA пытались исследовать и объяснить этот интересный и грозный феномен. А шаровая молния и поныне продолжает во многом оставаться загадкой.

Природа шаровой молнии

Какие же факты должны связать ученые единой теорией, чтобы объяснить природу возникновения шаровой молнии? Какие ограничения накладывают наблюдения на нашу фантазию?

В 1966 году NASA распространила среди двух тысяч человек анкету, в первой части которой были заданы два вопроса: «Видели ли вы шаровую молнию?» и «Видели ли вы в непосредственной близости удар линейной молнии?» Ответы дали возможность сравнить частоту наблюдения шаровой молнии с частотой наблюдения обычных молний. Результат оказался ошеломляющим: удар линейной молнии вблизи видели 409 человек из 2 тысяч, а шаровую молнию - два раза меньше. Нашелся даже счастливчик, встречавший шаровую молнию 8 раз, - еще одно косвенное доказательство того, что это совсем не такое редкое явление, как принято думать.

Анализ второй части анкеты подтвердил многие известные ранее факты: шаровая молния имеет в среднем диаметр около 20 см; светится не очень ярко; цвет чаще всего красный, оранжевый, белый. Интересно, что даже наблюдатели, видевшие шаровую молнию близко, часто не ощущали ее теплового излучения, хотя при непосредственном прикосновении она обжигает.

Существует такая молния от нескольких секунд до минуты; может проникать в помещения через маленькие отверстия, восстанавливая затем свою форму. Многие наблюдатели сообщают, что она выбрасывает какие-то искры и вращается. Обычно она парит на небольшом расстоянии от земли, хотя встречали ее и в облаках. Иногда шаровая молния спокойно исчезает, но иногда взрывается, вызывая заметные разрушения.

Шаровая молния несет большую энергию. В литературе, правда, часто встречаются заведомо завышенные оценки, но даже скромная реалистичная цифра - 105 джоулей - для молнии диаметром в 20 см весьма внушительна. Если бы такая энергия расходовалась только на световое излучение, она могла бы светиться много часов. Некоторые ученые считают, что молния постоянно получает энергию извне. Например, П.Л. Капица предположил, что она возникает при поглощении мощного пучка дециметровых радиоволн, которые могут излучаться во время грозы. Реально для образования ионизированного сгустка, каким является в этой гипотезе шаровая молния, необходимо существование стоячей волны электромагнитного излучения с очень большой напряженностью поля в пучностях. При взрыве шаровой молнии может развиться мощность в миллион киловатт, так как взрыв этот протекает очень быстро. Взрывы, правда, человек умеет устраивать и более мощные, но если сравнить со «спокойными» источниками энергии, то сравнение будет не в их пользу.

Почему светится шаровая молния

Остановимся еще на одной загадке шаровой молнии: если ее температура невелика (в кластерной теории считается, что температура шаровой молнии около 1000°К), то почему же тогда она светится? Оказывается, и это можно объяснить.

При рекомбинации кластеров выделившееся тепло быстро распределяется между более холодными молекулами. Но на какой-то момент температура «объемчика» вблизи рекомбинировавших частиц может превышать среднюю температуру вещества молнии более чем в 10 раз. Вот этот «объемчик» и светится как газ, нагретый до 10 000-15 000 градусов. Таких «горячих точек» сравнительно мало, поэтому вещество шаровой молнии остается полупрозрачным. Цвет шаровой молнии определяется не только энергией сольватных оболочек и температурой горячих «объемчиков», но и химическим составом ее вещества. Известно, что если при попадании линейной молнии в медные провода появляется шаровая молния, то она часто бывает окрашена в голубой или зеленый цвет - обычные «цвета» ионов меди. Остаточный электрический заряд позволяет объяснить такие интересные свойства шаровой молнии, как ее способность двигаться против ветра, притягиваться к предметам и висеть над высокими местами.

Причина возникновения шаровой молнии

Для объяснения условий возникновения и свойств шаровой молнии исследователи предложили множество разнообразных гипотез. Одной из неординарных гипотез является инопланетная теория, которая исходит из предположения, что шаровая молния - не что иное, как разновидность НЛО. У такого предположения есть основание, поскольку множество очевидцев утверждают, что шаровая молния вела себя, как живое разумное существо. Чаще всего, она выглядит как шар, именно поэтому в прежние времена ее именовали огненным шаром. Однако это не всегда так: варианты шаровых молний также встречаются. Это может быть форма гриба, медузы, бублика, капли, плоского диска, элипсоида. Расцветка молнии чаще всего желтая, оранжевая или красная, реже встречается белый, голубой, зеленый, черный окрас. Появление шаровых молний не зависит от погоды. Они могут возникнуть в разную погоду и совершенно независимо от линий электропередач. Встреча с человеком либо животным также может проходить по-разному: таинственные шары либо мирно парят на некотором расстоянии, либо с яростью нападают, вызывая ожоги или даже убивая. После этого они могут тихо исчезнуть или громко взрываются. Нужно отметить, что количество убитых и травмированных от огненных объектов составляет примерно 9% от общего числа свидетелей. В случае поражения человека шаровой молнией на теле во многих случаях не остается следов, а тело убитого молнией по необъяснимой причине долгое время не разлагается. В связи с данным обстоятельством появилась теория о том, что молния способна влиять на ход индивидуального вре­мени организма.

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Использование последних технологий съёмки, чтобы замедлить течение времени, делая невидимое видимым. Передающие башни, порождающие огромные молнии, которые бьют вверх в облака. Применение сверхвысокоскоростных камер для рассмотрения воды в действии.

реферат , добавлен 12.11.2012


Изучение сущности биоценоза - совокупности растений, животных, грибов и микроорганизмов, совместно населяющих участок земной поверхности. Характеристика видового состава, структуры, отношений между организмами. Зооценозы Чернобыльской зоны отчуждения.

реферат , добавлен 10.11.2010


Понятие и биологическое значение мембран в клетках организма, функции: структурные и барьерные. Их значение во взаимодействия между клетками. Десмосома как один из типов контакта клеток, обеспечивающие их взаимодействие и прочное соединение между собой.

реферат , добавлен 03.06.2014


Значение корреляции между нейронными сигналами и длиной волны света, падающего на сетчатку. Конвергенция сигналов и пути цветного зрения. Интеграция и горизонтальные связи зрительной информации. Процесс объединения правого и левого зрительных полей.

реферат , добавлен 31.10.2009


Изучение понятий магнитного поля Земли, ионизации земной атмосферы, полярного сияния и изменения электрического потенциала. Исследование Чижевским (основоположником гелиобиологии) влияния солнечной активности на динамику сердечно-сосудистых заболеваний.

реферат , добавлен 30.09.2010


Изучение физических различий между спиральными, эллиптическими и неправильными галактиками. Рассмотрение содержания закона Хаббла. Описание эволюции науки как перехода между научными картинами мира. Характеристика основных гипотез происхождения живого.

контрольная работа , добавлен 28.03.2010


Гидросфера как прерывистая водная оболочка Земли, располагающаяся между атмосферой и твердой земной корой и представляющая собой совокупность океанов, морей и поверхностных вод суши. Понятие атмосферы, ее происхождение и роль, структура и содержание.

реферат , добавлен 13.10.2011


Исследование механизма возникновения и основных фаз потенциала действия. Законы раздражения и возбуждения. Распространение потенциала действия по нервному волокну. Характеристика роли локальных потенциалов. Передача сигналов между нервными клетками.

контрольная работа , добавлен 22.03.2014


Несимметричное распределение ролей между симметричными парными полушариями головного мозга. Виды взаимодействий между полушариями. Характеристика распределения психических функций между левым и правым полушариями. Последовательная обработка информации.

презентация , добавлен 15.09.2017


Исследование составляющих нервной системы и мозга человека. Характеристика принципа передачи электрических импульсов между нейронами. Изучение методов построения, действия и основных областей применения биологических и искусственных нейронных сетей.

Тучи раскинули крылья и солнце от нас закрыли…

Почему иногда во время дождя мы слышим гром и видим молнию? Откуда берутся эти вспышки? Вот сейчас мы подробно об этом и расскажем.

Что же такое – молния?

Что такое молния ? Это удивительное и очень загадочное явление природы. Она почти всегда бывает во время грозы. Кого-то изумляет, кого-то пугает. Пишут о молнии поэты, изучают это явление ученые. Но многое осталось неразгаданным.

Одно известно точно – это гигантская искра. Словно взорвался миллиард электрических лампочек! Длина ее огромна – несколько сотен километров! И от нас она очень далеко. Вот почему сначала мы видим ее, а только потом – слышим. Гром – это «голос» молнии. Ведь свет долетает до нас быстрей, чем звук.

А еще молнии бывают на других планетах. Например, на Марсе или Венере. Обычная молния длится всего долю секунды. Состоит она при этом из нескольких разрядов. Появляется молния иногда совсем неожиданно.

Как образуется молния?

Рождается молния обычно в грозовом облаке, высоко над землей. Грозовые облака появляются, когда воздух начинает сильно нагреваться. Вот почему после сильной жары бывают потрясающие грозы. Миллиарды заряженных частичек буквально слетаются в то место, где она зарождается. И когда их собирается очень-очень много, они вспыхивают. Вот откуда берется молния – из грозовой тучи. Она может ударить в землю. Земля притягивает ее. Но может разорваться и в самом облаке. Все зависит от того, какая это молния.

Какие бывают молнии?

Виды молний бывают разные. И знать об этом нужно. Это не только «ленточка» на небе. Все эти «ленточки» отличаются друг от друга.

Молния – это всегда удар, это всегда разряд между чем-то. Их насчитывают более десяти! Назовем пока только самые основные, прилагая к ним картинки молнии:

• Между грозовой тучей и землей. Это те самые «ленточки», к которым мы привыкли.

Между высоким деревом и тучей. Та же самая «ленточка», но удар направлен в другую сторону.

Ленточная молния – когда не одна «ленточка», а несколько параллельно.

• Между облаком и облаком, или просто «разыграется» в одном облаке. Такой вид молнии часто можно увидеть во время грозы. Просто нужно быть внимательным.

• Бывают и горизонтальные молнии, которые земли вообще не касаются. Они наделены колоссальной силой и считаются самыми опасными

• А о шаровых молниях слышали все! Мало только, кто их видел. Еще меньше тех, кто желал бы их увидеть. А есть и такие люди, которые в их существование не верят. Но шаровые молнии существуют! Сфотографировать такую молнию сложно. Взрывается она быстро, хотя может и «погулять», а вот человеку рядом с ней лучше не двигаться – опасно. Так что – не до фотоаппарата тут.

• Вид молнии с очень красивым названием – «Огни Святого Эльма». Но это не совсем молния. Это сияние, которое появляется в конце грозы на остроконечных зданиях, фонарях, корабельных мачтах. Тоже искра, только не затухающая и не опасная. Огни Святого Эльма – это очень красиво.

• Вулканические молнии возникают при извержении вулкана. Сам вулкан уже имеет заряд. Это, вероятно, и является причиной возникновения молнии.

• Спрайтовые молнии – это такие, которые с Земли не увидишь. Они возникают над облаками и их изучением пока мало кто занимается. Молнии эти похожи на медуз.

• Пунктирная молния почти не изучена. Наблюдать ее можно крайне редко. Визуально она действительно похожа на пунктир – будто молния-ленточка тает.

Вот такие вот бывают молнии разные. Только закон для них один – электрический разряд.

Заключение.

Еще в древности молния считалась и знамением, и яростью Богов. Она была загадкой раньше и остается ею сейчас. Как бы ни раскладывали ее на мельчайшие атомы и молекулы! И всегда это – безумно красиво!

Мы часто думаем, что электричество - это нечто такое, что вырабатывается только на электростанциях, а уж никак не в волокнистых массах водяных облаков, которые настолько разрежены, что в них спокойно можно просунуть руку. Тем не менее, в облаках есть электричество, как есть даже в человеческом теле.

Природа электричества

Все тела состоят из атомов - от облаков и деревьев до человеческого организма. У каждого атома есть ядро, несущее положительно заряженные протоны и нейтральные нейтроны. Исключением является простейший атом водорода, в ядре которого нет нейтрона, а есть только один протон.

Вокруг ядра обращаются отрицательно заряженные электроны. Положительные и отрицательные заряды взаимно притягиваются, поэтому электроны вращаются вокруг ядра атома, как пчелы около сладкого пирога. Притяжение между протонами и электронами обусловлено электромагнитными силами. Поэтому электричество присутствует везде, куда бы мы ни посмотрели. Как мы видим, оно содержится и в атомах.

В нормальных условиях положительные и отрицательные заряды каждого атома уравновешивают друг друга, поэтому тела, состоящие из атомов, обычно не несут никакого суммарного заряда - ни положительного, ни отрицательного. В результате соприкосновение с другими предметами не вызывает электрического разряда. Но иногда равновесие электрических зарядов в телах может нарушиться. Возможно, вы это испытываете на себе, находясь дома в холодный зимний день. В доме очень сухо и жарко. Вы, шаркая босыми ногами, ходите по паласу. Незаметно для вас часть электронов с ваших подошв перешла к атомам ковра.

Материалы по теме:

Немного о погоде

Вот теперь вы несете электрический заряд, так как количество протонов и электронов в ваших атомах уже не сбалансировано. Попробуйте теперь взяться за металлическую ручку двери. Между вами и ею проскочит искра, и вы почувствуете электрический удар. Произошло вот что - ваше тело, которому не хватает электронов для достижения электрического равновесия, стремится за счет сил электромагнитного притяжения восстановить равновесие. И оно восстанавливается. Между рукой и дверной ручкой возникает поток электронов, направленный к руке. Если бы в комнате было темно, то вы увидели бы искры. Свет виден потому, что электроны при перескакивании испускают кванты света. Если в комнате тихо, вы услышите легкое потрескивание.

Электричество окружает нас повсюду и содержится во всех телах. Облака в этом смысле - не исключение. На фоне голубого неба они выглядят очень безобидными. Но так же, как вы в комнате, они могут нести электрический заряд. Если это так - берегитесь! Когда облако восстанавливает электрическое равновесие внутри себя - вспыхивает целый фейерверк.

Материалы по теме:

Почему молнии разного цвета?

Как появляется молния?

Вот что при этом происходит: в темном огромном грозовом облаке постоянно циркулируют мощные воздушные потоки, которые сталкивают между собой разнообразные частицы - крупинки океанической соли, пыль и так далее. Точно так же, как ваши подошвы при трении о ковер освобождаются от электронов, и частицы в облаке при столкновении освобождаются от электронов, которые перескакивают на другие частицы. Так возникает перераспределение зарядов. На одних частицах, которые потеряли свои электроны, имеется положительный заряд, на других, которые приняли на себя лишние электроны, теперь отрицательный заряд.

По причинам, которые не вполне ясны, более тяжелые частицы заряжаются отрицательно, а более легкие - положительно. Таким образом, более тяжелая нижняя часть облака заряжается отрицательно. Отрицательно заряженная нижняя часть облака отталкивает в сторону земли электроны, так как одноименные заряды отталкиваются. Таким образом, под облаком формируется положительно заряженная часть земной поверхности. Затем точно по такому же принципу, по которому между вами и дверной ручкой проскакивает искра, между облаком и землей проскочит такая же искра, только очень большая и мощная это и есть молния. Электроны гигантским зигзагом летят к земле, находя там свои протоны. Вместо едва слышного потрескивания раздается сильный удар грома.

Молния - газовый разряд в природных условиях

Введение 3

1.Исторические воззрения на молнии 4

2. Молнии 6

Виды молний 9

Физика линейной молнии 9

Загадка шаровой молнии ……………………………………………...13

3. Разряды 26

Виды разрядов 26

Искровой разряд 2 6

4. Молниезащита 33

Заключение 3 7

Список использ ованной литературы 39

Введение

Выбор темы моего реферата обусловлен не только личным интересом, но и актуальностью. Природа молнии таит немало загадок. При описании этого редкостного феномена ученые вынуждены полагаться лишь на разрозненные свидетельства очевидцев. Эти скупые рассказы, да горстка фотографий - вот все, чем располагает наука. Как заявил один из ученых, мы знаем о молнии не больше, чем древние египтяне ведали о природе звезд.

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. Целью данного реферата является рассмотрение причин возникновения молнии, изучение различных видов электрических зарядов. Также в реферате рассмотрен вопрос молниезащиты. Люди давным-давно поняли, какой вред может принести удар молнии, и придумали от нее защиту.

Молнии издавна интересуют ученых, но и в наше время об их природе мы знаем лишь немного больше, чем 250 лет тому назад, хотя смогли их обнаружить даже на других планетах.

2. Исторические воззрения на молнии

Молния и гром первоначально воспринимались людьми как выражение воли богов и, в частности, как проявление божьего гнева. Вместе с тем пытливый человеческий ум с давних времен пытался постичь природу молний и грома, понять их естественные причины. В древние века над этим размышлял Аристотель. Над природой молний задумывался Лукреций. Весьма наивно представляются 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 г Бенджамин Франклин (рис. 1) экспериментально доказал, что молния - это сильный электрический разряд. Ученый выполнил знаменитый опыт с воздушным змеем, который был запущен в воздух при приближении грозы.

Опыт: На крестовине змея была укреплена заостренная проволочка, к концу веревки привязаны ключ и шелковая лента, которую он удерживал рукой. Как только грозовая туча оказалась над змеем, заостренная проволока стала извлекать из нее электрический заряд, и змей вместе с бечевой наэлектризуется. После того, как дождь смочит змея вместе с бечевкой, сделав их тем самым свободными проводить электрический заряд, можно наблюдать как электрический заряд будет «стекать» при приближении пальца.

Одновременно с Франклином исследованием электрической природы молнии занимались М.В. Ломоносов и Г.В. Рихман.

Благодаря их исследованиям в середине 18 века была доказана электрическая природа молнии. С этого времени стало ясно, что молния представляет собой мощный электрический разряд, возникающий при достаточно сильной электризации туч.

Молнии

Молния - вечный источник подзарядки электрического поля Земли. В начале XX века с помощью атмосферных зондов измерили электрическое поле Земли. Его напряженность у поверхности оказалась равной примерно 100 В/м, что соответствует суммарному заряду планеты около 400 000 Кл. Переносчиком зарядов в атмосфере Земли служат ионы, концентрация которых увеличивается с высотой и достигает максимума на высоте 50 км, где под действием космического излучения образовался электропроводящий слой - ионосфера. Поэтому электрическое поле Земли - это поле сферического конденсатора с приложенным напряжением около 400 кВ. Под действием этого напряжения из верхних слоев в нижние все время течет ток силой 2-4 кА, плотность которого составляет 1-12 А/м2, и выделяется энергия до 1,5 ГВт. И это электрическое поле исчезло бы, если бы не было молний! Поэтому в хорошую погоду электрический конденсатор - Земля - разряжается, а при грозе заряжается.

Молния - природный разряд больших скоплений электрического заряда в нижних слоях атмосферы. Одним из первых это установил американский государственный деятель и ученый Б.Франклин. В 1752 году он провел опыт с бумажным змеем, к шнуру которого был прикреплён металлический ключ, и получил от ключа искры во время грозы. С тех пор молния интенсивно изучалась как интересное явление природы, а также из-за серьезных повреждений линий электропередачи, домов и других строений, вызываемых прямым ударом молнии или наведенным ею напряжением.

Как вызвать разряд молнии? Изучать то, что произойдет непонятно где и когда, очень сложно. А именно так в течение долгих лет работали ученые, исследующие природу молний. Считается, что грозой на небе руководит Илья-пророк и нам не дано знать его планы. Однако ученые давно пытались заменить Илью-пророка, создавая проводящий канал между грозовой тучей и землей. Б. Франклин для этого во время грозы запускал воздушный змей, оканчивающийся проволокой и связкой металлических ключей. Этим он вызывал слабые разряды, стекающие вниз по проволоке, и первым доказал, что молния - это отрицательный электрический разряд, стекающий с облаков на землю. Опыты Франклина были чрезвычайно опасными, и один из тех, кто их пытался повторить, - российский академик Г. В. Рихман - в 1753 году погиб от удара молнии.

В 1990-х годах исследователи научились вызывать молнии, не подвергая опасности свою жизнь. Один из способов вызвать молнию - запустить с земли небольшую ракету прямо в грозовую тучу. Вдоль всей траектории ракета ионизирует воздух и создает таким образом проводящий канал между тучей и землей. И если отрицательный заряд низа тучи достаточно велик, то вдоль созданного канала происходит разряд молнии, все параметры которого регистрируют приборы, расположенные рядом со стартовой площадкой ракеты. Чтобы создать еще лучшие условия для разряда молнии, к ракете присоединяют металлический провод, соединяющий ее с землей.

Облако - фабрика по производству электрических зарядов. Однако на телах может оказаться различная «заряженная» пыль, даже если они сделаны из одного того же материала, - достаточно, чтобы микроструктура поверхности отличалась. Например, при трении гладкого тела о шероховатое оба будут электризовываться.

Грозовое облако - это огромное количество пара, часть которого конденсировалось в виде мельчайших капелек или льдинок. Верх грозового облака может находиться на высоте 6-7 км, а низ нависать над землей на высоте 0,5-1 км. Выше 3-4 км облака состоят из льдинок разного размера, так как температура там всегда ниже нуля. Эти льдинки находятся в постоянном движении, вызванном восходящими потоками теплого воздуха от нагретой поверхности земли. Мелкие льдинки легче, чем крупные, увлекаются восходящими потоками воздуха. Поэтому «шустрые» мелкие льдинки, двигаясь в верхнюю часть облака, все время сталкиваются с крупными. При каждом таком столкновении происходит электризация, при которой крупные льдинки заряжаются отрицательно, а мелкие - положительно. Со временем положительно заряженные мелкие льдинки оказываются в верхней части облака, а отрицательно заряженные крупные - внизу. Другими словами, верхушка грозы заряжена положительно, а низ - отрицательно. Все готово для разряда молнии, при котором происходит пробой воздуха и отрицательный заряд с нижней части грозовой тучи перетекает на Землю.

Молния - «привет» из космоса и источник рентгеновского излучения. Однако само облако не в состоянии так наэлектризовать себя, чтобы вызвать разряд между своей нижней частью и землей. Напряженность электрического поля в грозовом облаке никогда не превышает 400 кВ/м, а электрический пробой в воздухе происходит при напряженности больше 2500 кВ/м. Поэтому для возникновения молнии необходимо что-то еще кроме электрического поля. В 1992 году российский ученый А. Гуревич из Физического института им. П. Н. Лебедева РАН (ФИАН) предположил, что своеобразным зажиганием для молнии могут быть космические лучи - частицы высоких энергий, обрушивающиеся на Землю из космоса с околосветовыми скоростями. Тысячи таких частиц каждую секунду бомбардируют каждый квадратный метр земной атмосферы.

Согласно теории Гуревича, частица космического излучения, сталкиваясь с молекулой воздуха, ионизирует ее, в результате чего образуется огромное число электронов, обладающих высокой энергией. Попав в электрическое поле между облаком и землей, электроны ускоряются до околосветовых скоростей, ионизируя путь своего движения и, таким образом, вызывая лавину электронов, движущихся вместе с ними к земле. Ионизированный канал, созданный этой лавиной электронов, используется молнией для разряда.

Недавние исследования показали, что молния служит довольно мощным источником рентгеновского излучения, интенсивность которого может составлять до 250 000 электронвольт, что примерно в два раза превышает ту, которую используют при рентгене грудной клетки.

Виды молний

a) 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.

б) Еще одним видом молний является ленточная молния (рис. 2). При этом следующая картина, как если бы возникли несколько почти одинаковых линейных молний, сдвинутых относительно друг друга.

в) Было замечено, что в некоторых случаях вспышка молний распадается на отдельные святящиеся участки длиной в несколько десятков метров. Это явление получило название четочной молнии. Согласно Малану (1961) такой вид молний объясняется на основе затяжного разряда, после свечения которого казалось бы более ярким в том месте, где канал изгибается в направлении наблюдателя, наблюдающего его концом к себе. А Юман (1962) считал, что это явление стоит рассматривать как пример «пинг-эффекта», который заключается в периодическом изменении радиуса разрядного столба с периодом в несколько микросекунд.

г) Шаровая молния, которая является наиболее загадочным природным явлением.

Физика линейной молнии

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. Вначале рассмотрим первый импульс. В его развитии есть две стадии: сначала образуется канал разряда между тучей и землей, а затем по образовавшемуся каналу быстро проходит импульс основного тока.

Первая стадия - образование канала разряда. Все начинается с того, что в нижней части тучи формируется электрическое поле очень большой напряженности - 105...106 В/м.

Свободные электроны получают в таком поле огромные ускорения. Эти ускорения направлены вниз, поскольку нижняя часть тучи заряжена отрицательно, а поверхность земли положительно. На пути от первого столкновения до другого, электроны приобретают значительную кинетическую энергию. Поэтому, сталкиваясь с атомами или молекулами, они ионизируют их. В результате рождаются новые (вторичные) электроны, которые, в свою очередь, ускоряются в поле тучи и затем в столкновениях ионизуют новые атомы и молекулы. Возникают целые лавины быстрых электронов, образующие у самого «дна» тучи, плазменные «нити» - стример.

Сливаясь друг с другом, стримеры дают начало плазменному каналу, по которому впоследствии пройдет импульс основного тока.

Этот развивающийся от «дна» тучи к поверхности земли плазменный канал наполнен свободными электронами и ионами, и поэтому может хорошо проводить электрический ток. Его называют лидером или точнее ступенчатым лидером . Дело в том, что канал формируется не плавно, а скачками - «ступенями».

Почему в движении лидера наступают паузы и притом относительно регулярные - точно неизвестно. Существует несколько теорий ступенчатых лидеров.

В 1938 году Шонланд выдвинул два возможных объяснения задержки, которая вызывает ступенчатый характер лидера. Согласно одному из них, должно происходить движение электронов вниз по каналу ведущего стримера (пил о та ). Однако часть электронов захватывается атомами и положительно заряженными ионами, так что требуется некоторое время для поступления новых продвигающихся электронов, прежде чем возникнет градиент потенциала, достаточный для того, чтобы ток продолжался. Согласно другой точке зрения, время требуется для того, чтобы положительно заряженные ионы скопились под головкой канала лидера и, таким образом, создали на ней достаточный градиент потенциала. А вот физические процессы, происходящие вблизи головки лидера, вполне понятны. Напряженность поля под тучей достаточно велика - она составляет<
B/м; в области пространства непосредственно перед головкой лидера она еще больше. В сильном электрическом поле вблизи головки лидера происходит интенсивная ионизация атомов и молекул воздуха. Она происходит за счет, во-первых, бомбардировки атомов и молекул быстрыми электронами, вылетающими из лидера (так называемая ударная ионизация ), и, во-вторых, поглощение атомами и молекулами фотонов ультрафиолетового излучения, испускаемого лидером (фотоионизация). Вследствие интенсивной ионизации встречающихся на пути лидера атомов и молекул воздуха плазменный канал растет, лидер движется к поверхности земли.>

С учетом остановок по пути лидеру, чтобы достигнуть земли, потребовалось 10…20 мс при расстоянии 1 км между тучей и земной поверхностью. Теперь тучу соединяет с землей плазменный канал, прекрасно проводящий ток. Канал ионизированного газа как бы замкнул тучу с землей накоротко. На этом первая стадия развития начального импульса заканчивается.

Вторая стадия протекает быстро и мощно. По проложенному лидером пути устремляется основной ток. Импульс тока длится примерно 0,1мс. Сила тока достигает значений порядка <
А. Выделяется значительное количество энергии (до
Дж). Температура газа в канале достигает
. Именно в этот момент рождается тот необычайно яркий свет, который мы наблюдаем при разряде молнии, и возникает гром, вызванный внезапным расширением внезапно нагретого газа.>

Существенно, что и свечение, и разогрев плазменного канала развиваются в направлении от земли к туче, т.е. снизу вверх . Для объяснения этого явления разобьем условно весь канал на несколько частей. Как только канал образовался (головка лидера достигла земли), вниз соскакивают прежде всего электроны, которые находились в самой нижней его части; поэтому нижняя часть канала первой начинает светиться и разогреваться. Затем к земле устремляются электроны из следующей (более высоко находящейся части канала); начинаются свечение и разогрев этой части. И так постепенно - от низа до верха - в движение к земле включаются все новые и новые электроны; в результате свечение и разогрев канала распространяются в направлении снизу вверх.

После того, как прошел импульс основного тока, наступает пауза

длительностью от 10 до 50мс. За это время канал практически гаснет, его температура падает примерно до <
, степень ионизации канала существенно уменьшается.>

Если между последующими ударами молнии пройдет больше времени, чем обычно, то степень ионизации может быть настолько низкой, особенно в нижней части канала, что возникает необходимость в новом пилоте для повторной ионизации воздуха. Это объясняет отдельные случаи образования ступеней на нижних концах лидеров, предшествующих не первому, а последующим главным ударам молнии.

Как говорилось выше, новый лидер идет по пути, который был проторен начальным лидером. Он без остановки (1мс) пробегает весь путь сверху до низу. И снова следует мощный импульс основного тока. После очередной паузы все повторяется. В итоге высвечиваются несколько мощных импульсов, которые мы естественно, воспринимаем как единый разряд молнии, как единую яркую вспышку (рис. 3).

Загадка шаровой молнии

Шаровая молния абсолютно не похожа на обычную (линейную) молнию ни по своему виду, ни по тому, как она себя ведет. Обычная молния кратковременна; шаровая живет десятки секунд, минуты. Обычная молния сопровождается громом; шаровая почти бесшумна, в поведении ее много непредсказуемого (рис. 4).

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.

Итоги обработки наблюдений

Приведем наиболее достоверные сведения о шаровой молнии (ШМ)

ШМ - это объект шарообразной формы диаметром 5 … 30 см. Форма ШМ незначительно изменяется, принимая грушеобразные или сплюснутые шарообразные очертания. Очень редко ШМ наблюдался в форме тора.

ШМ светится обычно оранжевым цветом, отмечены случаи фиолетовой окраски. Яркость и характер свечения схожи со свечением раскаленных древесных углей, иногда интенсивность свечения сравнивается со слабой электрической лампочкой. На фоне однородного излучения возникают и перемещаются более ярко светящиеся области (блики).

Время существования ШМ от нескольких секунд до десяти минут. Существование ШМ заканчивается ее исчезновением, сопровождаемым иногда взрывом или яркой вспышкой, способной вызвать пожар.

ШМ обычно наблюдается во время грозы с дождем, но есть отдельные свидетельства о наблюдении ШМ во время грозы без дождя. Отмечены случаи наблюдения ШМ над водоемами при значительном удалении от берега или каких-либо предметов.

ШМ плавает в воздухе и перемещается вместе с воздушными потоками, но при этом может совершать «странные» активные перемещения, которые явно не совпадают с движением воздуха.

При столкновении с окружающими предметами ШМ отскакивает как слабо накачанный воздушный шарик или заканчивает свое существование.

При соприкосновении со стальными предметами происходит разрушение ШМ, при этом наблюдается яркая, длящаяся несколько секунд, вспышка, сопровождаемая разлетающимися светящимися фрагментами, напоминающими сварку металлов. Стальные предметы при последующем осмотре оказываются слегка оплавленными.

ШМ иногда проникает в помещение через закрытые окна. Большинство свидетелей описывает процесс проникновения как переливание через небольшое отверстие, очень малая часть свидетелей утверждает, что ШМ проникает через неповрежденное оконное стекло, при этом практически не изменяя своей формы.

При кратком прикосновении ШМ к коже человека фиксируются незначительные ожоги. При контактах, закончившихся вспышкой или взрывом, зафиксированы сильные ожоги, и даже летальный исход.

Существенного изменения размеров ШМ и яркости свечения за время наблюдения не отмечается.

Существуют свидетельства о наблюдении процесса возникновения ШМ из электрических розеток или действующих электроприборов. При этом сначала возникает светящаяся точка, которая в течение нескольких секунд увеличивается до размера порядка 10 см. Во всех подобных случаях ШМ существует несколько секунд и разрушается с характерным хлопком без существенного вреда для присутствующих и окружающих предметов.

Как образуется шаровая молния

Она образуется, как правило, во время сильной грозы, однако, не раз её замечали и при солнечной погоде. Возникает шаровая молния внезапно и в единичном случае. Она может появиться из облаков, из-за деревьев или других предметов и строений. Шаровая молния с лёгкостью преодолевает преграды на своём пути, в том числе попадает в замкнутые пространства. Описаны случаи, когда такой вид молнии возникал из телевизора, кабины самолёта, розеток, в закрытых помещениях... При этом, она может миновать предметы на своём пути, проходя сквозь них.

Неоднократно возникновение электрического сгустка было зафиксировано в одних и тех же местах. Процесс движения или миграции молний происходит в основном горизонтально и на высоте около метра над землёй. Отмечается также и звуковое сопровождение в виде хруста, треска и писка, что приводит к помехам в радиоэфире.

По описаниям очевидцев этого феномена выделяют два вида молний:

Характеристики

До сих пор неизвестно происхождение такой молнии. Есть версии, что электрический разряд возникает или на поверхности молнии, или выходит из совокупного объёма.

Учёным пока не известен физико-химический состав, благодаря которому такое явление природы может без труда преодолевать дверные проёмы, окна, небольшие щели, и вновь приобретать исходные размеры и форму. В связи с этим были выдвинуты гипотетические предположения о строении из газа, но такой газ по законам физики должен был бы взлететь в воздух под воздействием внутреннего тепла.

• Размер шаровой молнии обычно составляет 10 – 20 сантиметров.
• Цвет свечения, как правило, может быть голубым, белым или оранжевым. Однако, свидетели этого явления сообщают, что постоянный цвет не наблюдался и он всегда менялся.
• Форма шаровой молнии в большинстве случаев сферическая.
• Длительность существования оценивалась не более 30 секунд.
• Температура окончательно не исследована, но по оценке специалистов она составляет до 1000 градусов по Цельсию.

Не зная природы происхождения этого природного явления, трудно делать предположения о том, каким образом перемещается шаровая молния. Согласно одной из теорий, перемещение такой формы электрического разряда может происходить благодаря силе ветра, действии электромагнитных колебаний или же силы притяжения.

Чем опасна шаровая молния

Несмотря на множество самых разных гипотез о природе возникновения и характеристиках этого явления природы, необходимо принимать во внимание, что взаимодействие с шаровой молнией крайне опасно, так как шар, заполненный большим разрядом, может не только нанести увечья, но и убить. Взрыв может привести к трагическим последствиям.

• Первое правило, которое нужно соблюдать при встрече с огненным шаром – это не паниковать, не бежать, не совершать быстрых и резких движений.
• Необходимо медленно уйти с траектории движения шара, при этом держась на расстоянии от него и не поворачиваться спиной.
• При появлении шаровой молнии в закрытом помещении, первое, что нужно сделать – это постараться аккуратно открыть окно в целях создания сквозняка.
• Помимо вышеуказанных правил строго запрещается бросать какие-либо предметы в плазменный шар, так как это может привести к взрыву со смертельным исходом.

Так в районе Луганска молния размером с мяч для гольфа убила водителя, а в Пятигорске мужчина, пытаясь отмахнуться от светящегося шара, получил сильные ожоги рук. В Бурятии молния опустилась сквозь крышу и взорвалась в доме. Взрыв был такой силы, что окна и двери были выбиты, стены повреждены, а хозяева домовладения травмированы и получили контузию.

Видео: 10 Фактов о шаровой молнии

В данном видеосюжете представлены Вашему вниманию факты о самом загадочном и удивительном природном явлении