Молнии и космические лучи. Физика атмосферы: как, почему и откуда появляются молнии Почему молния гремит
Узнать: Что такое гром? Что такое молния?
Может ли быть гром без молнии и наоборот, молния без грома?
Может ли быть гроза в другое время года, например, зимой?
Как влияют гром и молния на психику человека?
Как соответствуют действительности народные приметы о грозе?
Цель статьи:
Выяснить происхождение грома и молнии и узнать, что страшнее и опаснее – гром или молния?
Проверить соответствие народных примет о грозе
Найти научную информацию о происхождении молнии и грома;
Найти народные приметы об этих явлениях природы;
Пронаблюдать: почему бывает гроза, как она проходит; ее влияние на состояние человека и животных; состояние природы после грозы;
Сделать свои выводы.
Гипотезы:
1. Если несколько дней стоит жаркая погода, то непременно будет гроза.
2. Приближение грозы чувствуют животные и птицы.
3. Молния – это очень большой электрический заряд, поэтому она опасна для жизни человека.
Продукт исследовательской деятельности:
Составить сборник народных примет и загадок о грозе.
Методы исследования:
Анализ литературы, наблюдения
Многим природным явлениям мы не придаем особого значения, воспринимая их как что-то само собой разумеющееся. А вот гроза, видимо, не оставляет равнодушным ни одного человека на земле.
Многие боятся грозы, особенно когда она проходит прямо над головой, когда все небо в молниях и грохочет гром.
Мне всегда бывает очень страшно, когда идет гроза.
Однажды, возвращаясь с юга на машине, мы попали под сильную грозу. Стоял жаркий июльский день. Было очень душно. Вдруг стали собираться тучи, послышался гром. Хлынул дождь. Было очень страшно. Мы продолжали ехать под проливным дождем. Я очень боялась грома. Как гром ударит – кажется земля раскололась. А почему он гремит? Отчего получается гром? Мне стало интересно узнать об этом.
О грозе в древней мифологии
Самый главный бог у древних греков – Зевс – был также богом молнии и грома. Его называли громовержцем, тучегонителем. Зевс хмурит брови – и сгущаются тучи. В гневе он поражает молнией, устрашает громом.
У римлян богом-громовержцем был Юпитер. Как у древних греков Зевс, так у римлян Юпитер считался главным богом. У индусов богом-громовержцем был бог Индра, у скандинавов – бог Тор, у славян – бог Перун.
Перун – бог грозовых туч, грома и молнии. Очень выразительный портрет Громовержца дал поэт Константин Бальмонт:
У Перуна мысли быстры,
Что захочет – так сейчас.
Сыплет искры, мечет искры
Из зрачков сверкнувших глаз.
Перун был вооружен палицей, луком со стрелами (молнии это стрелы, которые метал бог), и топором. Топор считался одним из главных символов бога.
Перун часто оказывается тесно связан помимо огня с культом воды, дерева и камня. Он считается родоначальником небесного огня, который нисходя на землю, дает жизнь. С наступлением весеннего тепла он оплодотворяет землю дождями и выводит из-за туч ясное солнце. Его усилиями мир всякий раз как бы рождается заново.
Славяне представляли Перуна в образе всадника, скачущего по небесам на коне или едущего на колеснице. Грохот от колесницы люди принимали за раскаты грома. А так же Перуна представляли себе в виде немолодого разгневаного мужчины с рыжей клубящейся бородой. Отмечают, что рыжая борода - непременная черта Бога грозы у самых разных народов. В частности, рыжебородым считали Громовержца Тора в скандинавском пантеоне. У Перуна точно известно что волосы были как грозовая туча - черно -серебряные. Колесница Перуна была запряжена крылатыми жеребцами, белыми и воронами.
Само имя Перуна очень древнее. В переводе на современный язык оно означает "Тот кто сильнее бьет", "разящий". Перуна считали учредителем нравственого закона и самым первым защитником Правды.
Люди верили что Перун, гуляя по белому свету охотно принимает облик лесного быка Тура, поэтому бык считался священным животным Перуна.
Святилища Перуна устраивались под открытым небом. Они имели форму цветка; в тех святилищах, что раскопаны археологами, "лепестков" обычно восемь, но в древнейшие времена, по мнению ученых, их было шесть. "Лепестки" представляли собой ямы, в которых горел неугасимые священные костры. Посередине ставилось скульптурное изображение Перуна. Перед изображением Бога помещался алтарь, обычно в виде каменного кольца. Туда складывались приношения и проливали жертвенную кровь: чаще всего животную.
Научное объяснение происхождения грома и молнии
Гром получается от молний. Это из-за них весь шум и треск. А молнии получаются из-за столкновения туч. Влажный воздух поднимается вверх, получаются дождевые облака. Так как вверху холодно, то капельки превращаются в кристаллы льда. Кристаллы в облаках трутся друг о друга, образуется электричество, и получается вспышка – это молния. Небо освещается молнией, воздух на ее пути нагревается и быстро расширяется. Возникает взрывная волна, и мы слышим гром. Об этом даже есть стихотворение:
Говорила туча туче:
Прочь с дороги, пар летучий!
Ты не видишь – я спешу.
Налечу и сокрушу!
Отвечала туча туче:
Ты сама сверни-ка лучше.
Не уйдешь с дороги прочь –я
Разнесу тебя на клочья.
Раскатился смех в ответ:
Уступить дорогу? Нет!
Гряну саблей громовой –
И простишься с головой!
Не пугай, на этот случай
У меня заряд гремучий.
Буду биться я с тобой
Электрической стрелой.
Почернели обе тучи,
Лбы - что каменные кручи.
И, как в поле два быка,
Сшиблись в небе облака.
Вмиг вокруг все потемнело,
В страхе мир закрыл глаза.
Обе тучи то и дело
Мечут огненные стрелы,
Насмерть саблями разя.
Покатил по небу гром,
Сотрясая все кругом,
Тут сверкает, блещет там –
Трах! – и небо пополам!
И дрожат леса, поля:
Вдруг расколется земля?!
Бывает ли гром без молний? При грозе гром и молния возникают одновременно, но мы видим сначала молнию, а потом слышим гром. Гром – это всего лишь звук грозового разряда, который вызывает молнию.
Что правильно: громоотводы или молниеотводы?
Что страшнее: гром или молния?
От настоящего грома нет никакого вреда. Опасаться надо молнии, которая его породила. Молния – это огромная электрическая искра. В считанные доли секунды она пролетает несколько километров. Воздух на ее пути мгновенно раскаляется. Происходит взрыв. Звук от него – гром. С молнией шутки плохи.
Ударит в копну сена – подожжет, пожар устроит. Поэтому жилые дома, заводские трубы защищают молниеотводами. Это такой металлический стержень. Один его конец возвышается над постройками, другой закопан в землю. Молния сразу находит короткую дорожку и, не причинив никому и ничему вреда, уходит в землю. По привычке люди говорят - громоотводы. Но это неправильно. Правильно – молниеотводы.
Мои наблюдения и выводы
Летом я вела наблюдения, по каким признакам можно ожидать наступление грозы, постаралась соотнести их с народными приметами.
Я проанализировала результаты и сделала выводы:
1. Гроза чаще всего ожидается после продолжительной жары.
2. Перед грозой: С утра жарко и душно. «Парит! Будет гроза», - говорят люди.
К вечеру надвигается на небосвод огромная черная туча. Она ширится, растет на глазах и вот уже зловеще нависает над головой. Порывы сильного ветра поднимают с земли столбы пыли, обломанные ветки, срывают листья. Сгущаются сумерки. Ярко вспыхивает молния, ослепляя мгновенным светом. Оглушительно гремит гром. И вот сверху обрушиваются потоки воды.
3. Во время грозы. Проливной дождь идет. Кругом ничего не видно. На земле образуются лужи, заполняются водой все ямки и углубления. Они переполняются водой и потекли ручьи. Постепенно светлеет. Дождь стихает. Появляется ласковое солнышко.
4. После грозы.
Свежесть в воздухе. Чувство облегчения. Радость в душе. Щебет птиц. Хочется сказать грозе: «Спасибо! Как стало свежо! Уже совсем не страшно!». Она, как-будто, услышав благодарные слова, посылает нам чудесную радугу.
Я проверила некоторые народные приметы. Действительно:
1. Комары кусаются сильнее перед дождем.
2. Ласточки низко летают – к дождю.
3. Лягушки прыгают на суше – перед дождем.
4. Птицы приумолкли – перед грозой, ждут грома.
Гром и молнию можно сравнить с работой электросварщика. При сварке тоже вспыхивает искра – молния. А треск от нее – это как бы гром. От удара такой молнии сварщика защищают брезентовые рукавицы, от ослепительного света – черные очки. Я тоже видела летом как работают сварщики.
Однажды у мамы перегорел утюг – засверкало и затрещало.
В неисправленной розетке при включении электроприбора тоже засверкало и послышался треск. Папа сказал, что это тоже молния и гром, только маленькие, но точно также опасны как и настоящие.
Правила безопасного поведения во время грозы
Как вести себя во время грозы?
Я читала рассказ Льва Николаевича Толстого «Как меня в лесу застала гроза» В этом рассказе автор рассказывает случай из своего детства. Как он ходил в лес за грибами и попал под грозу. Он спрятался под большой дуб, а в него попала молния и разбила дуб в щепки. Мальчик упал и лежал до тех пор, пока не закончилась гроза. А потом он взял грибы и побежал домой.
Вывод: нельзя прятаться во время грозы под деревьями!
Я составила правила безопасного поведения во время грозы:
1. Если гроза застала тебя в открытом месте, ложись на землю, спрячься в яму или ложбинку, беги в укрытие – машину или здание. Ведь молния всегда ударяет в возвышенные места.
2. Если гроза застала тебя в воде, незамедлительно выходи на берег.
При попадании молнии в водоем, можно сильно пострадать.
3. Во время грозы нельзя прятаться под отдельно стоящими деревьями. Не стоит прятаться под высокими деревьями. В них чаще всего попадает молния.
4. Лучше всего переждать грозу в кустарнике. Туда молния не попадет.
Еще мне очень понравилось стихотворение по правилам безопасности во время грозы:
Люблю грозу в начале мая,
Когда весенний первый гром,
Как будто ласково играя,
Как бахнет издали ведром.
Но знает вся моя деревня,
И знают все мои друзья,
Что под высокие деревья
От молний прятаться нельзя.
Пусть далеко идти до дома,
Но нам, друзья, не ведом страх,
И я бегу из водоема
И прячусь от грозы в кустах.
Люблю грозу в начале мая.
Пусть гром гремит и дождь идет,
И ярко молния сверкает
В меня она не попадет!
Сборник загадок, народных примет о грозе
1. Подходила – грохотала, стрелы на поле метала.
Нам казалось - шла бедой, оказалось шла с водой.
Подошла и пролилась. Вдоволь пашня напилась. (Туча).
2. Сперва – блеск, за блеском – треск, за треском – плеск. (Гроза).
3. Громко стучит,
Звонко кричит,
А что говорит,
Никому не понять
И мудрецам не узнать. (Гром).
4. Раскаленная стрела
Дуб свалила у села. (Молния).
5. Сверкнет, громыхнет,
Мигнет, всех напугает. (Гром и молния).
7. Конь бежит, земля дрожит. (Гром).
8. На небе стукнет, на земле слышно. (Гром).
9. От небесного стука земля дрожит. (Гром).
10. Летит орлица по синему небу,
Крылья распластала,
Солнышко застлала. (Туча).
11. Ног нет, а идет,
Глаз нет, а плачет. (Туча).
12. Огнем сыплет, водой брызжет. (Грозовая туча).
13. Меня никто не видит, но всякий слышит, а верную спутницу мою всякий может видеть, но никто не слышит. (Гром и молния).
14. Летит птица орел, несет в зубах огонь, посередине его – человечья смерть. (Молния).
15. Заревел медведь на все горы, на все моря. (Гром).
16. Конь бежит, земля дрожит. (Гром).
17. Каркнул ворон
На сто городов,
На тысячу озер. (Гром).
18. Трах – тарарах! – едет баба на горах, батогом стучит, на весь свет ворчит. (Туча грозовая).
19. Без огня горит, без крыл летит, без ног бежит. (Туча грозовая).
20. Летит птица без крыла,
Бьет охотник без ружья,
Повар жарит без огня,
Баран ест безо рта. (Туча, гром, солнце и земля).
Народные приметы:
1. Птицы приумолкли – жди грома.
2. Утки надрывно кричат, хлопают крыльями, ныряют – грозу кличут.
3. Ласточки низко летают – к дождю, к грозе.
4. Жаворонки нахохлились – быть грозе.
5. Комары кусаются сильнее обычного обычно к грозе.
6. Муравьи прячутся в свои домики – к грозе.
7. Если ночью звезды сильно мерцают, а с утра небо покрыто тучами, то в полдень будет гроза.
8. Лягушки расквакались перед дождем.
9. Лягушки на суше прыгают – к дождю.
10. Утром слышен гром – вечером дождь.
11. Молния на западе – дождь следом.
12. Гром гремит долго и не резко – к ненастью; если же отрывисто и непродолжительно – будет ясно.
13. Если же гром гремит беспрерывно – будет град.
14. Если летом при холодной дождливой погоде гремит гром, следует ожидать длительной прохладной погоды, часто с дальнейшим понижением температуры.
15. Вода темнеет в реках перед грозой.
16. Лучи солнца темнеют – к сильной грозе.
17. Гром ранней весной – перед холодом.
18. Первый гром при северном ветре – холодная весна, при восточном – сухая и теплая, при южном – теплая, при западном – мокрая.
19. Гром в сентябре – теплая осень.
Бояться грозы не надо, но соблюдать осторожность во время грозы необходимо. Разряды атмосферного электричества могут нанести большой ущерб народному хозяйству и оказаться опасным для жизни, если своевременно не принять мер предосторожности. Опасаться надо молнии, а не грома. Известный американский специалист по грозам доктор К. В. Макихрон сказал, что, если вы услышите гром, молния вас уже не ударит; если вы увидели молнию, она уже не попадет в вас, а если она в вас ударит, вы об этом не узнаете.
Так я узнала, как получается гром и молния и что из них страшнее?
Теперь я не боюсь грома, а чтобы защититься от молнии, буду соблюдать правила. Я сделала вывод: бояться грома не надо, опасна молния.
Мои гипотезы подтвердились
Российские физики вплотную приблизились к разгадке механизма возникновения молний при грозе. Предположение о том, как это может происходить высказал еще в 1992 году отечественный ученый Александр Гуревич. Но только недавно появилась возможность для экспериментальной проверки его гипотезы. Сейчас изучается самая первая стадия формирования молнии.
Так в лаборатории проблем новых ускорителей ФИАН заработала экспериментальная установка, позволяющая исследовать процессы образования длинной искры в воздухе — наиболее близкого аналога хорошо известной молнии, возникающей во время грозы. Эксперименты на новой установке проводятся в соответствии с положениями "Теории пробоя на убегающих электронах", разрабатываемой академиком Александром Гуревичем.
Несмотря на то что молния не является редким явлением (ее видели, наверное, все жители нашей планеты хотя бы один раз в жизни), до сих пор механизм возникновения этого грозного и красивого явления природы практически не изучен.
Более того, те знания, которыми обладают ученые, говорят о том, что во время грозы молния не может возникнуть, поскольку, согласно имеющимся данным, электрические поля вблизи грозовых облаков существенно меньше, чем необходимо для возникновения электрических разрядов. Однако они, тем не менее, возникают, и иногда даже по несколько штук за минуту.
Еще в 1992 году, пытаясь как-то решить данный парадокс, отечественный физик Александр Гуревич сформулировал так называемую "Теорию пробоя на убегающих электронах". Вкратце суть ее такова.
Многочисленные наблюдения и расчеты показали, что в воздухе большинство электронов имеют среднюю длину свободного пробега (то есть расстояние, которое частица преодолевает между двумя столкновениями с окружающими молекулами, атомами и частицами) около одного сантиметра.
Однако там имеются так называемые быстрые электроны, которые двигаются со скоростью, близкой к скорости света. Соответственно, они имеют длину свободного пробега в 100 раз больше, то есть около метра.
Гуревич предположил, что если эти быстрые электроны (их-то и называют убегающими), несясь на огромной скорости, столкнутся с молекулами воздуха, то в результате из последних будет высвобождено еще несколько таких же быстрых электронов. Таким образом, несколько "первопроходцев" стимулируют появление орды вторичных убегающих электронов. Они, в свою очередь, также ускоряются полем.
В результате появляется экспоненциально нарастающая лавина убегающих электронов, вместе с которыми растет и число медленных (тепловых) электронов. Они также вышибаются в результате столкновений быстрых электронов с молекулами. Данная ситуация напоминает падение линии, составленной из костяшек для игры в домино, разница лишь в том, что в данном случае некоторые фишки падают медленно и не задевают другие, а некоторые — быстро, роняя своих соседей.
Предполагается, что все это должно приводить к быстрому росту электропроводности среды (которая, как мы знаем, растет вместе с увеличением концентрации свободных носителей заряда). В результате возникает явление, которое физики называют "электрический пробой".
Кстати, подобное явление знакомо каждому автолюбителю — именно наличие такого пробоя бензовоздушной смеси на свече в двигателе внутреннего сгорания позволяет завести двигатель (в этой ситуации его обычно называют "искра"). Во время пробоя носитель заряда на длине свободного пробега приобретает энергию, достаточную для ионизации молекул кристаллической решетки или газа.
Данная ионизация происходит, когда частицы вырывают у них электроны, без которых молекулы превращаются в положительно заряженные ионы. Вырванные же электроны, в свою очередь, тоже становятся свободными носителями заряда, которые вносят основной вклад в общий ток.
Впрочем, сам пробой — это еще не молния. Однако в результате этого явления образуется многокилометровый слой проводящей плазмы. А вот она уже способна создать тот самый грозовой разряд, который мы называем молнией.
Проведенные Гуревичем расчеты показали, что в атмосфере пробой может происходить при напряженности электрического поля, значительно меньшей, чем та, которая необходима для обычного пробоя (вроде того, что происходит на свечах автомобиля).
Так при давлении одна атмосфера пороговое поле для обычного пробоя составляет 23 кВ/см, а для пробоя на убегающих электронах — 2,16 кВ/см. Получается, что убегающие электроны вполне могут создать все условия, необходимые для возникновения этого явления.
Но откуда берутся самые первые убегающие электроны? Ученый предположил, что они появляются под действием космического излучения. В верхних слоях атмосферы оно ионизирует молекулы воздуха, высвобождая небольшое количество убегающих электронов, которые, попадая в область грозы, и вызывают пробой.
Кстати, при этом должны возникать мощные вспышки рентгеновского излучения. И, как показали данные, полученные при экспериментах, проводившихся на самолетах и шарах-зондах, подобное действительно имеет место быть (первую такую вспышку при грозе зафиксировали еще в 1960 году, однако тогда никто не смог объяснить, откуда она взялась).
Серия полевых экспериментов, проведенная в конце прошлого — начале нынешнего столетия на Тянь-Шаньской высокогорной научной станции ФИАН, вроде бы, подтвердила данную теорию. Однако теперь появилась возможность изучить этот механизм в лабораторных условиях.
Правда, ученые сразу же заявили, что искусственную молнию пока никто создавать не собирается. "Наша задача — смоделировать не молнию, так как это многостадийный процесс, а ее начальный, то есть предпробойный этап", — говорит старший научный сотрудник лаборатории проблем новых ускорителей ФИАН, кандидат физико-математических наук Александр Огинов. Однако и это представляется весьма интересным для ученых.
Экспериментальная установка для моделирования аналога высотного атмосферного разряда создана сотрудниками Физического института РАН и Института сильноточной электроники СО РАН (Томск) на базе электронного релятивистского генератора, включающего в себя генератор импульсных напряжений.
С ее помощью можно обнаружить наличие в воздухе убегающих электронов. Ученые же исследуют их поведение, выясняют основные характеристики и наблюдают их воздействие на молекулы окружающего воздуха.
"Сейчас идет этап накопления экспериментальных данных, но уже получено много новых интересных результатов. В планах — получить не статистический, а динамический эффект, то есть не ждать появления "затравочного" электрона, а научиться создавать его.
И тогда, инжектируя затравочный пучок электронов, надеюсь, мы однозначно обнаружим усиление. И тем самым подтвердим возможность осуществления пробоя на убегающих электронах в соответствии с выводами теории", — комментирует результаты экспериментов Александр Огинов.
Грозовые разряды (молнии ) - это наиболее распространенный источник мощных электромагнитных полей естественного происхождения. Молния представляет собой разновидность газового разряда при очень большой длине искры. Общая длина канала молнии достигает нескольких километров, причем значительная часть этого канала находится внутри грозового облака. молнии Причиной возникновения молний является образование большого объемного электрического заряда.
Обычным источником молний являются грозовые кучево-дождевые облака, несущие в себе скопление положительных и отрицательных электрических зарядов в верхней и нижней частях облака и образующие вокруг этого облака электрические поля возрастающей напряженности. Образование таких объемных зарядов различной полярности в облаке (поляризация облака) связано с конденсацией вследствие охлаждения водяных паров восходящих потоков теплого воздуха на положительных и отрицательных ионах (центрах конденсации) и разделением заряженных капелек влаги в облаке под действием интенсивных восходящих тепловых воздушных потоков. Из-за того, что в облаке образуется несколько изолированных друг от друга скоплений зарядов (в нижней части облака скапливаются преимущественно заряды отрицательной полярности).
Грозовые разряды по внешним признакам могут быть разделены на несколько типов. Обычный тип - линейная молния , с разновидностями: ленточная, ракетообразная, зигзагообразная и разветвленная. Наиболее редкий тип разрядов - шаровая молния. Известны разряды, носящие названия "Огни святого Эльма" и "Свечение Анд". Молния обычно бывает многократной, т.е. состоит из нескольких единичных разрядов, развивающихся по одному и тому же пути, причем каждый разряд, так же как и разряд, получаемый в лабораторных условиях, начинается лидерным и завершается обратным (главным) разрядом. Скорость опускания лидера первого единичного разряда примерно равна 1500 км/с, скорости лидеров последующих разрядов достигают 2000 км/с, а скорость обратного разряда изменяется в пределах 15000 -150000 км/с, т. е. от 0,05 до 0,5 скорости света. Канал лидера, как и канал всякого стримера, заполнен плазмой, следовательно, обладает определенной проводимостью.
Верхним концом лидерный канал соединен с одним из заряженных центров в облаке, поэтому часть зарядов этого центра стекает в канал лидера. Распределение заряда в канале должно быть неравномерным, возрастая к его концу. Однако некоторые косвенные измерения позволяют предположить, что абсолютная величина заряда на головке лидера невелика и в первом приближении канал можно считать равномерно заряженным с линейной плотностью зарядов S. Общий заряд в канале лидера в этом случае равен Q = S*l, где l - длина канала, причем обычно значение его составляет около 10% значения заряда, стекающего в землю во время единичного разряда молнии. В 70-80% всех случаев этот заряд имеет отрицательную полярность. По мере продвижения канала лидера под действием создаваемого им электрического поля в земле происходит смещение зарядов, причем заряды, противоположные по знаку зарядам лидера (обычно это положительные заряды), стремятся расположиться как можно ближе к головке лидерного канала. В случае однородного грунта эти заряды скапливаются непосредственно под лидерным каналом.
Если грунт неоднородный и основная его часть обладает большим удельным сопротивлением, заряды сосредоточиваются в участках с повышенной проводимостью (реки, грунтовые воды). При наличии заземленных возвышающихся объектов (молниеотводы, дымовые трубы, высокие здания, смоченные дождем деревья) заряды стягиваются к вершине объекта, создавая там значительную напряженность поля. На первых стадиях развития лидерного канала напряженность электрического поля на его головке определяется собственными зарядами лидера и находящимися под облаком скоплениями объемных зарядов. Траектория движения лидера не связана с земными объектами. По мере опускания лидера все большее влияние начинают оказывать скопления зарядов на земле и возвышающихся объектах. Начиная с определенной высоты головки лидера (высота ориентировки), напряженность поля по одному из направлений оказывается наибольшей, и происходит ориентирование лидера на один из наземных объектов. Естественно, что при этом преимущественно поражаются возвышающиеся объекты и участки земли с повышенной проводимостью (избирательная поражаемость). С очень высоких объектов навстречу лидеру развиваются встречные лидеры, наличие которых способствует ориентированию молнии на данный объект.
После того, как канал лидера достигнет земли или встречного лидера, начинается обратный разряд, во время которого канал лидера приобретает потенциал, практически равный потенциалу земли. На головке развивающегося вверх обратного разряда имеется область повышенной напряженности электрического поля, под действием которой происходит перестройка канала, сопровождающаяся увеличением плотности зарядов плазмы от 10^13 - 10^14 до 10^16 - 10^19 1/м3, благодаря чему проводимость канала увеличивается по крайней мере в 100 раз. Во время развития обратного разряда через место удара проходит ток iM = v, где v - скорость обратного разряда. Процесс, происходящий при переходе лидерного разряда в обратный разряд, во многом аналогичен процессу замыкания на землю вертикального заряженного провода.
Если заряженный провод замыкается на землю через сопротивление r, то ток в месте заземления равен: где z = волновое сопротивление провода. Таким образом, и при разряде молнии ток в месте удара будет равен v только при сопротивлении заземления, равном нулю. При сопротивлениях заземления, отличных от нуля, ток в месте удара уменьшается. Количественно определить это уменьшение довольно трудно, так как волновое сопротивление канала молнии можно оценить лишь грубо приближенно. Имеются основания предполагать, что волновое сопротивление канала молнии уменьшается при увеличении тока, причем среднее значение примерно равно 200 - 300 Ом. В таком случае при изменении сопротивления заземления объекта от 0 до 30 Ом ток в объекте изменяется всего на 10%. Такие объекты в дальнейшем мы будем называть хорошо заземленными и считать, что через них проходит полный ток молнии iM = v. Основные параметры молнии и интенсивность грозовой деятельности Молнии с большими токами возникают крайне редко. Так, молнии с токами 200 кА возникают в 0,7...1,0% случаев от общего числа наблюдавшихся разрядов.
Число случаев ударов молний с величиной тока 20 кА составляет порядка 50%. Поэтому принято значения амплитуд токов молний представлять в виде кривых вероятностей (функций распределения), для которых по оси ординат откладывается вероятность появления токов молнии с максимальным значением. Основной количественной характеристикой молнии является ток, протекающий через пораженный объект, который характеризуется максимальным значением iM, средней крутизной фронта и длительностью импульса tи, которая равна времени уменьшения тока до половины максимального значения. В настоящее время наибольшее количество данных имеется по максимальным значениям тока молнии, измерение которой осуществляется простейшими измерительными приборами - магниторегистраторами, которые представляют собой цилиндрические стерженьки, изготовленные из стальных опилок или проволочек, запрессованных в пластмассу. Магниторегистраторы укрепляются вблизи возвышающихся объектов (молниеотводы, опоры линий передач) и располагаются вдоль силовых линий магнитного поля, которое возникает при прохождении тока молнии через объект. Так как для изготовления регистраторов применяются материалы, обладающие большой коэрцитивной силой, они сохраняют большую остаточную намагниченность.
Измеряя эту намагниченность, можно с помощью градуировочных кривых определить максимальное значение на магничивающего тока. Измерения магниторегистраторами не обеспечивают большой точности, однако этот недостаток частично компенсируется огромным количеством измерений, которые к настоящему времени исчисляются десятками тысяч. Располагая вблизи от поражаемого объекта рамку, замкнутую на индуктивную катушку, можно измерить крутизну тока молнии с помощью магниторегистратора, помещенного внутри катушки. Измерения показали, что токи молнии изменяются в широких пределах от нескольких килоампер до сотен килоампер, поэтому результаты измерения представляются в виде кривых вероятностей (функций распределения) токов молнии, на которых по оси абсцисс откладывается вероятность появления токов молнии с максимальным значением, превышающим значение, указываемое ординатой.
В Украине при расчетах грозозащиты используется кривая Для горных местностей ординаты кривой уменьшаются в 2 раза, так как при малых расстояниях от земли до облаков молния возникает при меньшей плотности зарядов в скоплениях, т. е. вероятность больших токов уменьшается. Значительно большие трудности представляет экспериментальное определение крутизны и длительности импульса тока молнии, поэтому количество экспериментальных данных по этим параметрам относительно невелико. Длительность импульса тока молнии в основном определяется временем распространения обратного разряда от земли до облака и в связи с этим изменяется в относительно узких пределах от 20 до 80-100 мкс. Средняя длительность импульса тока молнии близка к 50 мкс, что и определило выбор стандартного импульса.
Наиболее важными с точки зрения оценок грозовой стойкости РЭС являются: величина переносимого молнией заряда, ток в канале молнии, число повторных ударов по одному каналу и интенсивность грозовой деятельности. Все эти параметры определяются не однозначно и носят вероятностный характер. Заряд, переносимый молнией, колеблется в процессе разряда в пределах от долей кулона до нескольких десятков кулон. Средний заряд, опускаемый в землю многократной молнией, равен 15 - 25 Кл. Учитывая, что в среднем разряд молнии содержит три компоненты, следовательно, во время одной компоненты в землю переносится около 5 - 8 Кл. Из них в канал лидера стекает около 60% всего данного скопления зарядов, что составляет 3 - 5 Кл. Удар молнии в равнинные участки поверхности земли несет заряд 10 - 50 Кл (в среднем 25 Кл), при ударах молнии в горах - заряд 30 - 100 Кл (в среднем 60 Кл), при разрядах в телевизионные башни заряд достигает 160 Кл.
При разрядах молнии в землю в подавляющем большинстве (85 - 90%) в землю переносится отрицательный заряд. Заряд, стекающий в землю во время многократной молнии, изменяется в пределах от долей кулона до 100 Кл и более. Среднее значение этого заряда близко к 20 Кл. Заряд, спускаемый в землю во время гроз, по-видимому, играет существенную роль в поддержании отрицательного заряда земли. Интенсивность грозовой деятельности в различных климатических районах различается очень сильно. Как правило, количество гроз в течение года минимально в северных районах и постепенно увеличивается к югу, где повышенная влажность воздуха и высокая температура способствуют образованию грозовых облаков. Однако эта тенденция соблюдается не всегда. Существуют очаги грозовой деятельности и в средних широтах (например, в районе Киева), где создаются благоприятные условия для формирования местных гроз.
Интенсивность грозовой деятельности принято характеризовать числом грозовых дней в году или общей годовой продолжительностью гроз в часах. Последняя характеристика более правильна, так как число ударов молнии в землю зависит не от числа гроз, а от их общей продолжительности. Число грозовых дней или часов в году определяется на основании многолетних наблюдений метеорологических станций, обобщение которых позволяет составить карты грозовой деятельности, на которые наносятся линии равной продолжительности гроз - изокеранические линии. Средняя продолжительность гроз за один грозовой день для территории европейской части России и Украины 1,5-2 ч.
Еще 250 лет назад знаменитый американский ученый и общественный деятель Бенджамин Франклин установил, что молния — это электрический разряд. Но до сих пор раскрыть до конца все тайны, которые хранит молния, не удается: изучать это природное явление сложно и опасно.
(20 фото молний + видео Молния в замедленной съёмке)
Внутри тучи
Грозовую тучу не спутаешь с обычным облаком. Ее мрачный, свинцовый цвет объясняется большой толщиной: нижний край такой тучи висит на расстоянии не более километра над землей, верхний же может достигать высоты 6-7 километров.
Что происходит внутри этой тучи? Водяной пар, из которого состоят облака, замерзает и существует в виде ледяных кристаллов. Восходящие потоки воздуха, идущие от нагретой земли, увлекают мелкие льдинки вверх, заставляя их все время сталкиваться с крупными, оседающими вниз.
Кстати, зимой земля нагревается меньше, и в это время года, практически, не образуется мощных восходящих потоков. Поэтому зимние грозы — крайне редкое явление.
В процессе столкновений льдинки электризуются, точно так же, как это происходит при трении различных предметов один о другой, — например, расчески о волосы. Причем, мелкие льдинки приобретают заряд положительный, а крупные — отрицательный. По этой причине верхняя часть молниеобразующего облака приобретает положительный заряд, а нижняя — отрицательный. Возникает разность потенциалов в сотни тысяч вольт на каждом метре расстояния — как между облаком и землей, так и между частями облака.
Развитие молнии
Развитие молнии начинается с того, что в некотором месте облака возникает очаг с повышенной концентрацией ионов — молекул воды и, составляющих воздух, газов, от которых отняли или к которым добавили электроны.
По одним гипотезам, такой очаг ионизации получается из-за разгона в электрическом поле свободных электронов, всегда имеющихся в воздухе в небольших количествах, и соударением их с нейтральными молекулами, которые сразу же ионизируются.
По другой гипотезе, начальный толчок вызывается космическими лучами, которые все время пронизывают нашу атмосферу, ионизируя молекулы воздуха.
Ионизированный газ служит неплохим проводником электричества, поэтому через ионизированные области начинает течь ток. Дальше — больше: проходящий ток нагревает область ионизации, вызывая всё новые высокоэнергетичные частицы, которые ионизируют близлежащие области, — канал молнии очень быстро распространяется.
Вслед за лидером
На практике процесс развития молнии происходит в несколько стадий. Сначала передний край проводящего канала, называемый «лидером», продвигается скачками по нескольку десятков метров, каждый раз, немного меняя направление (от этого молния получается извилистой). Причем скорость продвижения «лидера» может, в отдельные моменты, достигать 50 тысяч километров за одну-единственную секунду.
В конце концов, «лидер» достигает земли или другой части облака, но это еще не главная стадия дальнейшего развития молнии. После того, как ионизированный канал, толщина которого может достигать нескольких сантиметров, оказывается «пробит», по нему с огромной скоростью — до 100 тысяч километров всего за одну секунду — устремляются заряженные частицы, это и есть сама молния.
Ток в канале составляет сотни и тысячи ампер, а температура внутри канала, при этом, достигает 25 тысяч градусов — потому молния и дает столь яркую вспышку, видимую за десятки километров. А мгновенные перепады температур, в тысячи градусов, создают сильнейшие перепады давления воздуха, распространяющиеся в виде звуковой волны — грома. Этот этап длится очень недолго — тысячные доли секунды, но энергия, которая при этом выделяется, огромна.
Конечная стадия
На конечной стадии скорость и интенсивность движения зарядов в канале снижается, но, все равно, остаются достаточно большими. Именно этот момент наиболее опасен: конечная стадия может длиться только десятые (и даже меньше) доли секунды. Такое, достаточно длительное, воздействие на предметы на земле (например, на сухие деревья) часто приводит к пожарам и разрушениям.
Причем, как правило, одним разрядом дело не ограничивается — по проторенному пути могут двинуться новые «лидеры», вызывая в том же самом месте повторные разряды, по количеству доходящих до нескольких десятков.
Несмотря на то, что человечеству известна молния с момента появления самого человека на Земле, до настоящего времени она до конца еще не изучена.
