Молния ее природа. Базовые знания о молниезащите. Молниеотвод как основная защита от молний

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!

Эти короткие статьи для тех, кто знаком, по крайней мере со школьным курсом физики, работает в технике или строительстве, но никогда не встречался раньше с проблемой защиты от молнии. Наш читатель должен понимать, что познакомившись с этими страничками, он не спроектирует молниезащиту и не избежит обращения к специалистам, но сумеет сформулировать им свою задачу и отличит предложения действительно важных технических мероприятий от глубокомысленных заумствований, нацеленных на увеличение объема работ и выкачивание денег.
Приведенные численные оценки сознательно до предела упрощены. Четыре действия арифметики – это все, что в них используется. В любом случае итогом и целью оценки подразумевалось не строгое число, а понимание сути физического явления и его значимости для молниезащиты.
Мы рады увидеть Ваши вопросы и замечания. Они не останутся без внимания и будут использованы для дальнейшей корректировки текста. Надеемся, что ликбез, который затеян на этом сайте, в конце концов будет почти одинаково полезен и читателям, и составителям.

Этот вопрос задается специалистам едва ли не чаще других. Ответ вроде бы прост. Всем известно, что молния – гигантский электрический разряд в электрическом поле грозового облака. Продвигаясь к земле, канал молнии создает из непроводящего воздуха высоко проводящую плазму. Это происходит благодаря ионизации. При нормальных атмосферных условиях для ионизации воздуха требуется электрическое поле около 30000 В/см, или 3000 кВ/м. Казалось бы, чтобы найти напряжение, достаточно умножить эту цифру на среднюю длину канала молнии между облаком и землей – 3000 м в наших умеренных широтах. Получаем нечто несоразмерное – 9000000 кВ или, что тоже самое - 9 миллиардов вольт.
В реальности молнии нужно примерно в 100 раз меньше. Причина в том, что ее канал создается не одновременно по всей длине от облака до земли, а последовательно. Область сильного поля существует только на головке канала, а в уже созданной плазме за головкой оно несопоставимо слабее. По мере удлинения канала область сильного поля перемещается от облака к земле. Хорошей аналогией может послужить экскаватор, копающий дренажную канаву. Земной слой нарушается только в месте размещения ковша. Тем не менее, по всей трассе движения машины остается готовый канал. Он может протянуться хоть на десятки километров, если конечно грунт закреплен и не осыпается.
С зоной ионизации молнии картина аналогичная. Она продвигается от облака к поверхности земли очень быстро, со скоростью (2 – 3)´105 м/с, затрачивая на весь путь 10 – 15 мс. Но в масштабе ионизационных процессов миллисекунда – не малое время. Плазменный канал за головкой должен обязательно сохранять свою изначально высокую проводимость в течение всего времени развития. Для этого воздух в канале должен быть разогрет, как минимум, до 5000 – 60000. Поэтому холодных молний не бывает.
100 миллионов вольт – типичное напряжение, которое доставляет к земле канал молнии .

2. Заряд грозового облака и молнии
Ответ на вопрос о заряде Q дает знание электрического потенциала U . Они связаны между собой через электрическую емкость C , Q = CU . В нашем случае, речь должна идти о емкости грозового облака и канала молнии. Исследования показали, что облако заряжено неоднородно. В его объеме явно выделяются отдельные области с большим электрическим зарядом. Их называют грозовыми ячейками. Характерный радиус грозовой ячейки – 1 км . При известном радиусе r электрическая емкость ячейки примерно равна С » 4pe0r . Здесь e0 = (36p´109)-1 Ф/м - диэлектрическая проницаемость вакуума. Приближенную оценку можно сделать и проще, запомнив, что емкость тела в пикофарадах близка к его радиусу в сантиметрах. Значит, емкость грозовой ячейки радиусом 1 км (105 см) оценивается как 105 пФ или 0,1 мкФ. Умножением на 100 МВ получаем 10 Кл – вполне достоверная оценка для минимального заряда ячейки грозового облака.
Ячейки могут быть различного радиуса (вплоть до десятков километров) и нести потенциал, заметно превышающий 100 МВ. Поэтому заряд в 100 Кл тоже вполне реален.
Сам канал молнии, как любой проводник малого радиуса, имеет емкость около 10 пикофарад на метр длины. При длине 3000 м это дает примерно 0,03 мкФ для молнии в целом. Заряженная до потенциала 100 МВ молния опускает к земле заряд Q = CU = 0,03 ·10-6´108 = 3 Кл. И снова полученная цифра хорошо отвечает реальности.

Этот раздел не доставит удовольствия любителям ненаучной фантастики, которым по душе идея использовать молнию как средство дармовой электроэнергии. Энергии совсем немного. Ее величину дает произведение потенциала на заряд молнии, W = UQ » 108´3 = 3·108 Дж = 3·105 кДж. Современной квартире с нагрузкой 2 кВтч такого хватит примерно на 40 часов.
Остается напомнить, что вся эта энергия не доставляется молнией на землю, а более или менее равномерно распределена вдоль канала длиной в несколько километров.
Как источник энергии молния бесполезна.
«Только ломать - не делать, для крупных неприятностей энергии у молнии вполне достаточно.»

Когда канал молнии касается земли или наземного сооружения, он приобретает их нулевой потенциал. Для этого заряд канала должен стечь в землю. Быстрый процесс нейтрализации заряда называют главной стадией молнии.
Даже при идеальной проводимости канал не может потерять свой заряд мгновенно. По каналу распространяется волновой процесс, который характеризуется волновым сопротивлением Z . Параметр такого рода есть у любого длинного проводника, например, у телевизионного кабеля. Там волновое сопротивление равно 75 Ом. У канала молнии величина Z примерно в 7 –10 раз больше, около 500 Ом. Грубую оценку тока молнии дает закон Ома I M = U/ Z » 108/500 = 200 000 А.
У предельно сильных молний ток именно таков. Для многих других он заметно слабее из-за ограниченной проводимости плазменного канала и частичной потери напряжения каналом при движении от облака к земле. Прямые измерения показывают, что с вероятностью 50% ток молнии не меньше 30 кА, у 5% молний (сильные молнии) он превосходит 80 кА и у тех же 5% (слабые молнии) меньше 15 кА. Молний с током 100 кА фиксируется меньше 2%, а молнии с током 200 кА настолько редки, что их вероятность оценивается только очень приблизительно. Скорее – всего, она на уровне 0,1%.

Она определяется тем зарядом, который молния доставляет к земле. Для умеренных широт, в т.ч. и практически для всей территории России, примерно 90% молний отрицательные. Цифры, представленные в предыдущем разделе, характеризуют именно их токи. Остальные 10% молний средней полосы положительные. Сегодня не вполне понятно, почему они более мощные. С вероятностью не менее 5% их ток превосходит 250 кА. Средний ток положительных молний отличается не столь сильно. Вероятности 50% здесь отвечает ток 35 кА, тогда как для отрицательных молний эта величина равна 30 кА.

Канал молнии часто кажется мерцающим. Это не дефект зрения, а вполне объективный эффект. Часто по одному и тому же следу идет несколько разрядов с интервалами вплоть до 0,1 с. Столь большие паузы уже различаются глазом. Молнии с несколькими последовательными разрядами называют многокомпонентными. У отрицательных молний в среднем 3 – 4 компонента. У положительных молний последующих компонентов нет.
Последующие компоненты наблюдают примерно у 65% молний. Ток последующих компонентов в среднем примерно в 2 раза меньше, чем у первого, параметры которого приведены в разделе 4.

Скорость роста импульса тока молнии очень важный параметр. Он определяет ЭДС магнитной индукции в электрических цепях пораженного молнией сооружения. Не менее важна и длительность импульса тока молнии. С ней связаны термические и электромеханические воздействия. Средняя длительность фронта первого компонента отрицательной молнии близка к 5 мкс, а средняя длительность импульса (по уровню 0,5) составляет около 75 мкс. У последующих компонентов импульс тока примерно вдвое короче, зато он может нарастать очень быстро, в среднем - менее чем за 1 мкс, а иногда на порядок быстрее.
Наибольший по длительности ток имеют положительные молнии, вплоть до 1000 - 2000 мкс. Их же отличают наиболее пологие фронты – до 100 мкс.

Этот параметр наиболее значим для практической молниезащиты. В нормативные документах всех стран включены карты интенсивности грозовой деятельности. По ним можно определить среднее за год числа ударов молнии в единицу поверхности земли для данного региона. Жаль только, что на таких картах трудно различить детали. В лучшем случае можно оценивать область страны в среднем. В заполярных регионах России грозовая деятельность во внимание не принимается. На основной части территории наблюдается 2 – 4 удара молнии в год на 1 км2 поверхности земли. В наиболее грозоносных районах Кавказа удельное число ударов приближается к 10.
Многие развитые страны охвачены системой дистанционной пеленгации грозовых разрядов, которая работает в режиме on line. Такая система предоставляет коммерческие услуги, в частности, можно заказать выборки по частоте поражения конкретного участка поверхности земли за нужный срок наблюдения. Погрешность привязки мест удара молнии не превышает 200 – 500 м. Территория России не входит полностью в сферу наблюдения подобных систем.

По опыту эксплуатации чем выше сооружение, тем больше молний оно на себя собирает. Последнее слово поставлено не случайно. Возвышающиеся объекты действительно стягивают на себя молнии. Это происходит следующим образом. Электрический заряд приближающейся к земле молнии усиливает электрическое поле у поверхности земли и у вершины наземного сооружения. Если молния удалена в радиальном направлении не слишком далеко, усиленное поле оказывается достаточным не только для ионизации воздуха у вершины сооружения, но и для развития от нее плазменного канала. Это так называемый встречный лидер. Он движется навстречу каналу молнии. Встреча каналов завершает процесс.
Чем выше объект, тем сильнее электрическое поле у его вершины, тем раньше стартует встречный лидер и тем эффективнее продвигается он навстречу молнии. Значит, встреча каналов может произойти на большем расстоянии от объекта. Вот почему высота объекта непосредственно определяет радиус стягивания молний . Для оценочных расчетов из опыта эксплуатации принимается, что радиус стягивания R мол приблизительно равен утроенной высоте объекта.

Используя радиус стягивания, легко оценить ожидаемое число ударов молнии в объект высотой h . В плане очертите внешний периметр объекта линией, отстоящей от него на R мол = 3h . Линия ограничит площадь стягивания молний. Вычислите ее (можно весьма приближенно) любым доступным способом и, соблюдая размерность, умножьте на удельное число ударов молнии для данного региона. Получите среднее ожидаемое число прямых ударов молнии за год эксплуатации. Пусть, например, речь идет о вышке высотой h = 100 м. Тогда площадь стягивания ограничена окружностью радиусом R мол = 3h = 300 м и занимает площадь S мол = pR мол2 = 282600 м2 » 0,282 км2. Для района, где плотность ударов молнии равна n мол = 2 удара на км2 в год, нужно ожидать N = n молS мол » 0,56 ударов молнии за год, т.е. немного чаще, чем 1 удар за каждые 2 года эксплуатации.
Еще пример. Индивидуальный жилой дом 6 х 10 м2 и высотой h = 6 м. Если не обращать внимания на скругления в углах, площадь стягивания с некоторым завышением можно оценить в 42х46 = 1932 м2 » 0,02 км2. При той же плотности ударов молнии n мол = 2 удара на км2 в год это дает 0,04 удара молнии в год или 1 удар за 25 лет эксплуатации здания.
Расчет по площади стягивания дает хорошие результаты для открытой плоской местности. В районе сплошной застройки, например в городе, реальное число ударов может быть заметно меньше оцененного, поскольку близко расположенные здания взаимно экранируют друг друга (их площади стягивания перекрываются). Напротив, в холмистой или горной местности, когда к истинной высоте здания добавляется высота земной неровности, реальное число ударов может превысить расчетное. В таких условиях нужно обращаться к специалистам и пользоваться расчетными программами.

В названии спрятана серьезная ошибка. Сооружения высотой более 200 м в равнинной местности не столько принимают на себя удары молнии, сколько посылают их в грозовое облако. Это так называемые восходящие молнии. В отличие от обычных, нисходящих, они стартуют от вершины высотного объекта и движутся в направлении грозового облака. Движущей силой снова является электрическое поле атмосферы. В грозовой обстановке его напряженность у поверхности земли лежит в пределах 20 кВ/м. Скажем, вдоль Останкинской телебашни на длине 500 м набирается 20х500 = 10 000 кВ = 10 МВ. Это поле вытесняется из металла башни к ее вершине, где и возбуждается восходящая молния. Исследования показали, что в качестве запала здесь выступают не очень далекие обычные нисходящие молнии. Сами по себе они не попадают в высотное сооружение, но способствуют старту восходящего разряда. Поэтому методику счета числа ударов молний можно не менять и снова воспользоваться понятием площади стягивания . В конце концов безразлично, ударит ли в объект сама нисходящая молния или его поразит спровоцированная ею восходящая. Результат расчета получается вполне достоверным. Например, Останкинская телебашня высотой h = 540 м имеет радиус стягивания R мол = 3h = 1,62 км, который ограничивает площадь стягивания S мол = pR мол2 = 8,2 км2. При удельной плотности грозовых разрядов в Москве n мол = 3 это дает около 25 ударов молнии в год, что очень близко к результатам многолетних наблюдений (в совокупности 27 – 28 молний за год, из которых только около 10% “настоящие” нисходящие).

11. Термическое воздействие молнии
Температура в канале молнии может подниматься до 30000 К. Отсюда ее способность поджигать и прожигать.
Молния - достаточно специфический поджигатель, потому что продукты горения уносит прочь сильная ударная волна. Тем не менее, пожар от молнии возможен. У многокомпонентных молний между компонентами и после последнего из них в течение десятых долей секунды по каналу проходит ток в 100 – 200 А. Такой слабый ток ударной волны не создает, но температура в канале удерживается им в пределах 6000 – 7000 К. По поджигающей способности это сопоставимо с дугой сварочного аппарата.
Гигантский масштаб молнии нацеливает увидеть какие-то совершенно циклопические повреждения из-за проплавлений и прожогов металлический поверхностей. На деле они более чем скромные. Когда с вершины телебашни в Москве сняли несколько лет простоявший там металлический наконечник флагштока, на нем увидели следы расплавленного металла, каждый диаметром не больше сантиметра.

Энергия, выделяемая из всего канала молнии, бесцельно греет воздух, а металл нагревается только тем, что испускается в месте контакта плазмы с металлической поверхностью. Как правило, “полезно” расходуется не более 2000 Дж. Испытания показали, что металлическая стенка толщиной 4 мм и более ни при каких обстоятельствах не может быть прожжена молнией. Поэтому правила устройства молниезащиты во всех странах разрешают не устанавливать молниеотводов у объектов с металлической оболочкой такой толщины.
Кровельное железо или металлическое покрытие из металлочерепицы молния может прожечь. В расплав уходит примерно 2 г металла, а характерный радиус отверстия в большинстве случаев не превышает 1 см. Внутрь образовавшейся дыры канал молнии не проникает.
Большую неприятность составляют переходные контакты в местах соединения токопроводов, по которым проходит ток молнии. Ток молнии величиной I M при усредненной длительности импульса Dt выделяет в сопротивлении контакта R кон энергию
W кон = R конI M2Dt . Для мощной молнии с током 100 кА при Dt = 100 мкс в контакте с R кон = 0,01 Ом (очень качественное соединение) выделяется 10 кДж. Этого достаточно для нагрева проводника массой 0,1 кг на 2100. Остается заметить, что из-за малой длительности действия тока молнии от контакта практически не отводится тепло.
При необходимости контакты все-таки используют, но делать их надо с максимальной тщательностью. Площадь контакта должна быть большой, а нажимное усилие предельно сильным. Тогда переходное сопротивление контакта окажется низким, а выделившееся тепло распределится по большой массе металла и не поднимет температуру до опасной черты.

12. Электрогидравлический эффект
На лесных опушках или полянах можно встретить странно поврежденные деревья. Впечатление такое, как будто гигантский зверь широкой когтистой лапой вырвал полосу коры шириной в несколько сантиметров от макушки почти до корня. Так работала молния. Живая древесина наполнена влагой и способна проводить электрический ток. Наибольшая часть тока идет по внешней части ствола, примыкающей к коре. Выделяющаяся там энергия бурно испаряет влагу. Почти мгновенно образованный пар резко повышает давление и рвет кору.
Подобное явление свойственно многим газогенерирующим материалам, которые широко используются в технике. Например, разрушение подземных кабелей часто связано с испарением их пластиковой оболочки или битумной пропитки. Не меньше эффект и от испарения материалов, содержащих эпоксидный компаунд. Композиционные и сотовые стеклопластиковые материалы также страдают от электрогидравлического воздействия. Ударная волна возникает и в воздухе. Ее рождает очень быстрое расширение плазменного канала с сильным током (отсюда и гром). Резкий перепад давления происходит в любой полости, в том числе и в двигателе самолета. Когда молния совсем рядом, ударная волна может сорвать пламя и остановить реактивный двигатель. Такое явление в авиации известно как помпаж двигателя. К счастью, это происходит редко, а у пассажирского авиалайнера с несколькими двигателями - совсем редко. К тому же, остановившийся двигатель можно запустить прямо в воздухе.

13. Механическое воздействие тока молнии
Непосредственное механическое воздействие тока молнии редко приводит к серьезным разрушениям. Протекая по полой трубке, ток молнии может сжать ее, изменить угол наклона проводников, деформировать антенну и т.п. Обычно речь идет о каких-то относительно слабых технологических элементах на внешних обстройках объекта. Повредить конструкции, ответственные за механическую прочность здания, молнии не под силу. Меры защиты от механических воздействий обычно применяют лишь в том случае, когда поврежденная деталь является датчиком какой-либо измерительной системы и потому сохранение ее геометрии важно для обеспечения требуемой аппаратурной погрешности.

14. Поражения молнией людей и животных
Ток в 0,1 А, проходящий через тело человека в течение 1 с, безусловно смертелен. Ток молнии на 4 – 5 порядков больше. И хотя время его воздействия измеряется десятками микросекунд, у человека мало шансов уцелеть при прямом ударе молнии. К счастью, прямой удар – очень редкое событие. Человек ростом в 2 м на открытой местности стягивает на себя молнии с площади, ограниченной радиусом всего в 6 м. Площадь стягивания при этом близка к 100 м2. При удельной плотности молний, равной 3 ударам в год на квадратный километр, нужно рассчитывать примерно на 0,0003 молний в год, что эквивалентно одному удару за 3300 лет жизни. Если прямые удары молнии в человека все-таки случаются, то это из-за чрезвычайно большой численности населения Земли.
Намного вероятнее непрямое воздействие молнии. Какое бы сооружение она не поразила, ее ток в конечном итоге попадет в грунт и растекается там. Дальше все зависит от удельного сопротивления грунта r. Оно варьирует в очень широких пределах. У пресной воды r = 20 – 40 Ом м, у чернозема r » 100 Ом м, у влажных песков и суглинков 200 – 400 Ом м, у горных пород 1000 – 10000 Ом м (а иногда и много больше). Сопротивление и ток определяют электрическое поле в грунте. Его напряженность равна E = rJ , а плотность тока J может быть оценена из предположения, что ток молнии I мол растекается от точки удара симметрично в полусферическом объеме. На расстоянии r плотность тока будет равна
,
а напряженность соответственно

На длине шага Dd поле создает шаговое напряжение
,
которое воздействует на человека. Если, например, I мол = 100 кА, то в грунте умеренной проводимости (r = 200 Ом м) на расстоянии 20 м от точки удара на длине шага 0,7 м набирается примерно 5500 В, что никак нельзя считать безопасным.
Вот почему не рекомендуется находиться в грозу у высоких деревьев, особенно отдельно стоящих или на опушке леса. Высота дерева в 10 раз больше, чем человека, и поэтому молния ударяет в него в 100 раз чаще. Растекание тока по корневой системе и дальше по земле становятся причиной опасных шаговых напряжений.
Поскольку действующее напряжение пропорционально длине шага, а вернее, расстоянию между точками контакта тела с грунтом, опаснее сидеть или лежать в грозу, чем стоять со сжатыми ногами (по стойке смирно). По той же причине шаговые напряжения опаснее для крупных четвероногих, чем для человека.
Молния может воздействовать на человека и своим электромагнитном полем. Об этом можно прочитать в соответствующем разделе ниже.

Ваш отзыв очень важен для нас! Пожалуйста, оцените данную статью.

Многие люди боятся страшного явления природы - грозы. Это обычно происходит, когда солнце закрывается мрачными тучами, гремит жуткий гром и идет сильный дождь.

Конечно, бояться молнии следует, ведь она может даже убить или стать Это известно давно, поэтому и придумали различные средства для защиты от молний и грома (например, металлические шесты).

Что же происходит там наверху и откуда берется гром? И молния как возникает?

Грозовые тучи

Обычно огромные. По высоте они достигают нескольких километров. Визуально не видно, как внутри этих гремучих туч все бурлит и кипит. Это бурные потоки воздуха, включающие в себя капельки воды, с большой скоростью перемещаются снизу вверх и наоборот.

Самая верхняя часть этих туч по температуре достигает -40 градусов, и капли воды, попадающие в эту часть тучи, замерзают.

О происхождении грозовых туч

Прежде чем мы узнаем, откуда берется гром и молния как возникает, вкратце опишем, как формируются грозовые тучи.

Большая часть этих явлений происходит не над водной гладью планеты, а над континентами. Кроме того, грозовые облака интенсивно формируются над континентами тропических широт, где у поверхности земли воздух (в отличие от воздуха над водной поверхностью) сильно прогревается и поднимается быстро вверх.

Обычно на склонах разных возвышенностей образуется подобный восходящий поток прогретого воздуха, который втягивает в себя влажный воздух с обширных площадей земной поверхности и поднимает его вверх.

Таким образом и образуются так называемые кучевые облака, превращающиеся в грозовые облака, описанные чуть выше.

А теперь проясним, что же такое молния, откуда берется она?

Молния и гром

Из тех самых замерзших капель образуются кусочки льда, которые также перемещаются в облаках с огромной скоростью, сталкиваясь, разрушаясь и заряжаясь электричеством. Те льдинки, которые легче и меньше, остаются наверху, а те, что крупнее, - тают, спускаясь вниз, вновь превращаясь в капельки воды.

Таким образом, в грозовой туче возникают два электрических заряда. В верхней части отрицательный, в нижней - положительный. При встрече разных зарядов возникает мощный электрический разряд и происходит молния. Откуда берется она, стало понятно. А дальше что происходит? Вспышка молнии мгновенно разогревает и расширяет вокруг себя воздух. Последний нагревается так сильно, что происходит эффект взрыва. Это и есть гром, пугающий все живое на земле.

Выходит, что все это - проявления Тогда возникает следующий вопрос о том, последнее откуда берётся, причем в таких больших количествах. И куда оно девается?

Ионосфера

Что такое молния, откуда берется она, выяснили. Теперь немного о процессах, сохраняющих заряд Земли.

Ученые выяснили, что заряд Земли в общем невелик и составляет всего лишь 500 000 кулонов (как у 2 автомобильных аккумуляторов). Тогда куда исчезает тот отрицательный заряд, которые переносится молниями ближе к поверхности Земли?

Обычно в ясную погоду Земля потихоньку разряжается (постоянно между ионосферой и поверхностью Земли проходит слабый ток через всю атмосферу). Хоть и воздух считается изолятором, в нем есть небольшая доля ионов, которая позволяет существовать току в объёме всей атмосферы. Благодаря этому, хоть и медленно, но отрицательный заряд переносится с земной поверхности на высоту. Поэтому и объем суммарного заряда Земли всегда сохраняется неизменным.

На сегодня самым распространенным мнением является то, что молния шаровая представляет собой особый вид заряда в форме шара, причем существующий довольно продолжительное время и перемещающийся по непредсказуемой траектории.

Единой теории возникновения этого явления на сегодня нет. Существует много гипотез, но пока ни одна не получила признания в среде ученых.

Обычно, как свидетельствуют очевидцы, возникает в грозу или в шторм. Но имеются и случаи её возникновения и в солнечную погоду. Чаще она порождается обычной молнией, иногда возникает и спускается с облаков, а реже появляется неожиданно в воздухе или даже может выйти из какого-то предмета (столб, дерево).

Некоторые интересные факты

Откуда берется гроза и молния, мы выяснили. Теперь немного о любопытных фактах, касающихся вышеописанных природных явлений.

1. Ежегодно Земля испытывает приблизительно 25 миллионов вспышек молний.

2. Молния имеет среднюю длину приблизительно в 2,5 км. Есть и разряды, простирающиеся в атмосфере на 20 км.

3. Есть поверье, что молния не может дважды ударить в одно место. В действительности это не так. Результаты анализа (по географической карте) мест ударов молний за предшествующие несколько лет показывают, что молния и несколько раз может ударить в одно и то же место.

Вот и выяснили что такое молния, откуда берется она.

Грозы образуются как следствие сложнейших атмосферных явлений планетарного масштаба.

Каждую секунду на планете Земля происходит примерно 50 вспышек молниий.

Доктор биологических наук, кандидат физико-математических наук К. БОГДАНОВ.

В каждый момент времени в разных точках Земли сверкают молнии более 2000 гроз. В каждую секунду около 50 молний ударяются в поверхность земли, и в среднем каждый ее квадратный километр молния поражает шесть раз за год. Еще Б. Франклин показал, что молнии, бьющие по земле из грозовых облаков, - это электрические разряды, переносящие на нее отрицательный заряд величиной несколько десятков кулон, а амплитуда тока при ударе молнии составляет от 20 до 100 кА. Скоростная фотосъемка показала, что разряд молнии длится несколько десятых долей секунды и состоит из нескольких еще более коротких разрядов. 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.

Способность электризации трением различных материалов. Материал из трущейся пары, находящийся выше в таблице, заряжается положительно, а ниже - отрицательно.

Отрицательно заряженный низ облака поляризует поверхность Земли под собой так, что она заряжается положительно, и, кода появляются условия для электрического пробоя, возникает разряд молнии.

Распределение частоты гроз по поверхности суши и океанов. Самые темные места на карте соответствуют частотам не более 0,1 грозы в год на квадратный километр, а самые светлые - более 50.

Зонт с громоотводом. Модель продавалась в XIX веке и пользовалась спросом.

Выстрел жидкостью или лазером по грозовой туче, нависшей над стадионом, уводит разряд молнии в сторону.

Несколько разрядов молний, вызванных пуском ракеты в грозовую тучу. Левая вертикальная прямая - след ракеты.

Крупный «ветвистый» фульгурит весом 7,3 кг, найденный автором на окраине Москвы.

Полые цилиндрические фрагменты фульгурита, образованные из оплавленного песка.

Белый фульгурит из Техаса.

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 1-2 . 10 -12 А/м 2 , 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.

Человек не чувствует электрического поля Земли, так как его тело - хороший проводник. Поэтому заряд Земли находится и на поверхности тела человека, локально искажая электрическое поле. Под грозовым облаком плотность наведенных на земле положительных зарядов может значительно возрастать, а напряженность электрического поля - превышать 100 кВ/м, в 1000 раз больше ее значения в хорошую погоду. В результате во столько же раз увеличивается положительный заряд каждого волоска на голове человека, стоящего под грозовой тучей, и они, отталкиваясь друг от друга, встают дыбом.

Электризация - удаление "заряженной" пыли. Чтобы понять, как облако разделяет электрические заряды, вспомним, что такое электризация. Легче всего зарядить тело, потерев его о другое. Электризация трением - самый старый способ получения электрических зарядов. Само слово "электрон" в переводе с греческого на русский означает янтарь, так как янтарь всегда заряжался отрицательно при трении о шерсть или шелк. Величина заряда и его знак зависят от материалов трущихся тел.

Считается, что тело, до того как его стали тереть о другое, электронейтрально. Действительно, если оставить заряженное тело в воздухе, то к нему начнут прилипать противоположно заряженные частицы пыли и ионы. Таким образом, на поверхности любого тела находится слой "заряженной" пыли, нейтрализующий заряд тела. Поэтому электризация трением - это процесс частичного снятия "заряженной" пыли с обоих тел. При этом результат будет зависеть от того, на сколько лучше или хуже снимается "заряженная" пыль с трущихся тел.

Облако - фабрика по производству электрических зарядов. Трудно представить, что в облаке находится пара материалов из перечисленных в таблице. 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 (см. "Наука и жизнь" № 7, 1993 г.).

Каждый, кто видел молнию, заметил, что это не ярко светящаяся прямая, соединяющая облако и землю, а ломаная линия. Поэтому процесс образования проводящего канала для разряда молнии называют ее "ступенчатым лидером". Каждая из таких "ступенек" - это место, где разогнавшиеся до околосветовых скоростей электроны остановились из-за столкновений с молекулами воздуха и изменили направление движения. Доказательство для такой интерпретации ступенчатого характера молнии - вспышки рентгеновского излучения, совпадающие с моментами, когда молния, как бы спотыкаясь, изменяет свою траекторию. 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.

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 очень 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.

Молния: подарившая жизнь и двигатель эволюции . В 1953 году биохимики С. Миллер (Stanley Miller) и Г. Юри (Harold Urey) показали, что одни из "кирпичиков" жизни - аминокислоты могут быть получены путем пропускания электрического разряда через воду, в которой растворены газы "первобытной" атмосферы Земли (метан, аммиак и водород). Спустя 50 лет другие исследователи повторили эти опыты и получили те же результаты. Таким образом, научная теория зарождения жизни на Земле отводит удару молнии основополагающую роль.

При пропускании коротких импульсов тока через бактерии в их оболочке (мембране) появляются поры, через которые внутрь могут проходить фрагменты ДНК других бактерий, запуская один из механизмов эволюции.

Почему зимой грозы очень редки? Ф. И. Тютчев, написав "Люблю грозу в начале мая, когда весенний первый гром…", знал, что зимой гроз почти не бывает. Чтобы образовалось грозовое облако, необходимы восходящие потоки влажного воздуха. Концентрация насыщенных паров растет с повышением температуры и максимальна летом. Разница температур, от которой зависят восходящие потоки воздуха, тем больше, чем выше его температура у поверхности земли, так как на высоте нескольких километров его температура не зависит от времени года. Значит, интенсивность восходящих потоков максимальна тоже летом. Поэтому и грозы у нас чаще всего летом, а на севере, где и летом холодно, грозы довольно редки.

Почему грозы чаще над сушей, чем над морем? Чтобы облако разрядилось, в воздухе под ним должно быть достаточное число ионов. Воздух, состоящий только из молекул азота и кислорода, не содержит ионов, и его очень тяжело ионизировать даже в электрическом поле. А вот если в воздухе много инородных частиц, например пыли, то и ионов тоже много. Ионы образуются при движении частиц в воздухе аналогично тому, как электризуются при трении друг о друга различные материалы. Очевидно, что пыли в воздухе гораздо больше над сушей, чем над океанами. Поэтому-то грозы и гремят над сушей чаще. Замечено также, что прежде всего молнии бьют по тем местам, где в воздухе особенно велика концентрация аэрозолей - дымов и выбросов предприятий нефтеперерабатывающей промышленности.

Как Франклин отклонил молнию. К счастью, большинство разрядов молнии происходят между облаками и поэтому угрозы не представляют. Однако считается, что каждый год молнии убивают более тысячи людей по всему миру. По крайней мере, в США, где ведется такая статистика, каждый год от удара молнии страдают около 1000 человек и более ста из них погибают. Ученые давно пытались защитить людей от этой "кары божьей". Например, изобретатель первого электрического конденсатора (лейденской банки) Питер ван Мушенбрук (1692-1761) в статье об электричестве, написанной для знаменитой французской Энциклопедии, защищал традиционные способы предотвращения молнии - колокольный звон и стрельбу из пушек, которые, как он считал, оказываются довольно эффективными.

Бенджамин Франклин, пытаясь защитить Капитолий столицы штата Мериленд, в 1775 году прикрепил к зданию толстый железный стержень, который возвышался над куполом на несколько метров и был соединен с землей. Ученый отказался патентовать свое изобретение, желая, чтобы оно как можно скорее начало служить людям.

Весть о громоотводе Франклина быстро разнеслась по Европе, и его выбрали во все академии, включая и Российскую. Однако в некоторых странах набожное население встретило это изобретение с возмущением. Сама мысль, что человек так легко и просто может укротить главное оружие "божьего гнева", казалась кощунственной. Поэтому в разных местах люди из благочестивых соображений ломали громоотводы. Любопытный случай произошел в 1780 году в небольшом городке Сент-Омер на севере Франции, где горожане потребовали снести железную мачту громоотвода, и дело дошло до судебного разбирательства. Молодой адвокат, защищавший громоотвод от нападок мракобесов, построил защиту на том, что и разум человека, и его способность покорять силы природы имеют божественное происхождение. Все, что помогает спасти жизнь, во благо - доказывал молодой адвокат. Он выиграл процесс и снискал большую известность. Адвоката звали Максимилиан Робеспьер. Ну а сейчас портрет изобретателя громоотвода - самая желанная репродукция в мире, ведь она украшает известную всем стодолларовую купюру.

Как можно защититься от молнии с помощью водяной струи и лазера . Недавно был предложен принципиально новый способ борьбы с молниями. Громоотвод создадут из... струи жидкости, которой будут стрелять с земли непосредственно в грозовые облака. Громоотводная жидкость представляет собой солевой раствор, в который добавлены жидкие полимеры: соль предназначена для увеличения электропроводности, а полимер препятствует "распаду" струи на отдельные капельки. Диаметр струи составит около сантиметра, а максимальная высота - 300 метров. Когда жидкий громоотвод доработают, им оснастят спортивные и детские площадки, где фонтан включится автоматически, когда напряженность электрического поля станет достаточно высокой, а вероятность удара молнии - максимальной. По струе жидкости с грозового облака будет стекать заряд, делая молнию безопасной для окружающих. Аналогичную защиту от разряда молнии можно сделать и с помощью лазера, луч которого, ионизируя воздух, создаст канал для электрического разряда вдали от скопления людей.

Может ли молния сбить нас с пути? Да, если вы пользуетесь компасом. В известном романе Г. Мелвила "Моби Дик" описан именно такой случай, когда разряд молнии, создавший сильное магнитное поле, перемагнитил стрелку компаса. Однако капитан судна взял швейную иглу, ударил по ней, чтобы намагнитить, и поставил ее вместо испорченной стрелки компаса.

Может ли вас поразить молния внутри дома или самолета? К сожалению, да! Ток грозового разряда может войти в дом по телефонному проводу от рядом стоящего столба. Поэтому при грозе старайтесь не пользоваться обычным телефоном. Считается, что говорить по радиотелефону или по мобильному безопасней. Не следует во время грозы касаться труб центрального отопления и водопровода, которые соединяют дом с землей. Из этих же соображений специалисты советуют при грозе выключать все электрические приборы, в том числе компьютеры и телевизоры.

Что касается самолетов, то, вообще говоря, они стараются облетать районы с грозовой активностью. И все-таки в среднем раз в год в один из самолетов попадает молния. Ее ток поразить пассажиров не может, он стекает по внешней поверхности самолета, но способен вывести из строя радиосвязь, навигационное оборудование и электронику.

Фульгурит - окаменевшая молния. При разряде молнии выделяется 10 9 -10 10 джоулей энергии. Большая ее часть тратится на создание ударной волны (гром), нагрев воздуха, световую вспышку и другие электромагнитные волны, и только маленькая часть выделяется в том месте, где молния входит в землю. Однако и этой "маленькой" части вполне достаточно, чтобы вызвать пожар, убить человека и разрушить здание. Молния может разогреть канал, по которому она движется, до 30 000° С, в пять раз выше температуры на поверхности Солнца. Температура внутри молнии гораздо больше температуры плавления песка (1600-2000°C), но расплавится песок или нет, зависит еще и от длительности молнии, которая может составлять от десятков микросекунд до десятых долей секунды. Амплитуда импульса тока молнии обычно равна нескольким десяткам килоампер, но иногда может превышать и 100 кА. Самые мощные молнии и вызывают рождение фульгуритов - полых цилиндров из оплавленного песка.

Слово "фульгурит" происходит от латинского fulgur, что означает молния. Самые длинные из раскопанных фульгуритов уходили под землю на глубину более пяти метров. Фульгуритами также называют оплавленности твердых горных пород, образованные ударом молнии; они иногда в большом количестве встречаются на скалистых вершинах гор. Фульгуриты, состоящие из переплавленного кремнезема, обыкновенно представляют собой конусообразные трубочки толщиной с карандаш или с палец. Их внутренняя поверхность гладкая и оплавленная, а наружная образована приставшими к оплавленной массе песчинками. Цвет фульгуритов зависит от примесей минералов в песчаной почве. Большинство из них имеют рыжевато-коричневый, серый или черный цвет, однако встречаются зеленоватые, белые или даже полупрозрачные фульгуриты.

По-видимому, первое описание фульгуритов и их связи с ударами молнии было сделано в 1706 году пастором Д. Германом (David Hermann). Впоследствии многие находили фульгуриты вблизи людей, пораженных разрядом молнии. Чарльз Дарвин во время кругосветного путешествия на корабле "Бигль", обнаружил на песчаном берегу вблизи Мальдонадо (Уругвай) несколько стеклянных трубочек, уходящих в песок вертикально вниз более чем на метр. Он описал их размеры и связал их образование с разрядами молний. Известный американский физик Роберт Вуд получил "автограф" молнии, которая чуть не убила его:

"Прошла сильная гроза, и небо над нами уже прояснилось. Я пошел через поле, которое отделяет наш дом от дома моей свояченицы. Я прошел ярдов десять по тропинке, как вдруг меня позвала моя дочь Маргарет. Я остановился секунд на десять и едва лишь двинулся дальше, как вдруг небо прорезала яркая голубая линия, с грохотом двенадцатидюймового орудия ударив в тропинку в двадцати шагах передо мной и подняв огромный столб пара. Я пошел дальше, чтобы посмотреть, какой след оставила молния. В том месте, где ударила молния, было пятно обожженного клевера дюймов в пять диаметром, с дырой посередине в полдюйма…. Я возвратился в лабораторию, расплавил восемь фунтов олова и залил в отверстие… То, что я выкопал, когда олово затвердело, было похоже на огромный, слегка изогнутый собачий арапник, тяжелый, как и полагается, в рукоятке и постепенно сходящийся к концу. Он был немного длиннее трех футов" (цитируется по В. Сибрук. Роберт Вуд. - М.: Наука, 1985, с. 285).

Появление стеклянной трубочки в песке при разряде молнии связано с тем, что между песчинками всегда находятся воздух и влага. Электрический ток молнии за доли секунд раскаляет воздух и водяные пары до огромных температур, вызывая взрывообразный рост давления воздуха между песчинками и его расширение, что слышал и видел Вуд, чудом не ставший жертвой молнии. Расширяющийся воздух образует цилиндрическую полость внутри расплавленного песка. Последующее быстрое охлаждение фиксирует фульгурит - стеклянную трубочку в песке.

Часто аккуратно выкопанный из песка фульгурит по форме напоминает корень дерева или ветвь с многочисленными отростками. Такие ветвистые фульгуриты образуются, когда разряд молнии попадает во влажный песок, который, как известно, имеет бo"льшую электропроводность, чем сухой. В этих случаях ток молнии, входя в почву, сразу начинает растекаться в стороны, образуя структуру, похожую на корень дерева, а рождающийся при этом фульгурит лишь повторяет эту форму. Фульгурит очень хрупок, и попытки очистить от прилипшего песка нередко приводят к его разрушению. Особенно это относится к ветвистым фульгуритам, образовавшимся во влажном песке.

Молния - гигантская электрическая искра. Ударяя в строения, она вызывает пожары, расщепляет крупные деревья, поражает людей. В каждый момент времени в разных точках Земли сверкают молнии более 2000 гроз. В каждую секунду около 50 молний ударяются в поверхность земли, и в среднем каждый ее квадратный километр молния поражает шесть раз за год

Молния - гигантский электрический искровой разряд в атмосфере, обычно происходит во время грозы, проявляющийся яркой вспышкой света и сопровождающим её громом. Молнии также были зафиксированы на Венере, Юпитере, Сатурне и Уране. Ток в разряде молнии достигает 10-20 тысяч ампер, поэтому мало кому из людей удается выжить после поражения их молнией.

Поверхность земного шара является более электропроводной, чем воздух. Однако, с высотой электропроводность воздуха возрастает. Воздух обычно заряжен положительно, а Земля отрицательно. Водяные капли в грозовом облаке заряжены за счет поглощения находящихся в воздухе заряженных мельчайших частиц (ионов). Капля, падающая из облака, имеет в верхней части отрицательный заряд, а в нижней - положительный. падающие капли большей частью поглощают отрицательно заряженные частицы и приобретают отрицательный заряд. В процессе завихрения в облаке капельки воды разбрызгиваются, причем мелкие брызги летят с отрицательным зарядом, а крупные - с положительным. То же происходит с кристаллами льда в верхней части облака. При раскалывании их мелкие частицы льда приобретают положительный заряд и восходящими токами уносятся в верхнюю часть облака, а крупные, заряженные отрицательно, опускаются в нижнюю часть облака.В результате разделения зарядов в грозовом облаке и в окружающем пространстве создаются электрически поля. С накоплением в грозовом облаке больших объемных зарядов между отдельными частями облака или между облаком и земной поверхностью возникают искровые разряды (молнии). Разряды молнии по внешнему виду различны. Наиболее часто наблюдается линейная разветвленная молния, иногда шаровая молния и др.

Молнияпредставляет 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.

В 1750 Б.Франклин предложил Лондонскому королевскому обществу поставить опыт с железной штангой, укрепленной на изолирующем основании и установленной на высокой башне. Он ожидал, что при приближении грозового облака к башне на верхнем конце первоначально нейтральной штанги сосредоточится заряд противоположного знака, а на нижнем – заряд того же знака, что у основания облака. Если напряженность электрического поля при разряде молнии возрастет достаточно сильно, заряд с верхнего конца штанги будет частично стекать в воздух, а штанга приобретет заряд того же знака, что и основание облака.

Предложенный Франклином эксперимент не был осуществлен в Англии, однако его поставил в 1752 в Марли под Парижем французский физик Жан д"Аламбер. Он использовал вставленную в стеклянную бутылку (служившую изолятором) железную штангу длиной 12 м, но не помещал ее на башню. 10 мая его ассистент сообщил, что, когда грозовое облако находилось над штангой, при поднесении к ней заземленной проволоки возникали искры.

Сам Франклин, не зная об успешном опыте, реализованном во Франции, в июне того же года провел свой знаменитый эксперимент с воздушным змеем и наблюдал электрические искры на конце привязанной к нему проволоки. На следующий год, изучая заряды, собранные со штанги, Франклин установил, что основания грозовых облаков обычно заряжены отрицательно.

Более детальные исследования молний стали возможны в конце 19 в. благодаря совершенствованию методов фотографии, особенно после изобретения аппарата с вращающимися линзами, что позволило фиксировать быстро развивающиеся процессы. Такой фотоаппарат широко использовался при изучении искровых разрядов. Было установлено, что существует несколько типов молний, причем наиболее распространены линейные, плоские (внутриоблачные) и шаровые (воздушные разряды).

Линейная молния имеет длину 2-4 км и обладает большой силой тока. Она образуется, когда напряженность электрического поля достигает критического значения и возникает процесс ионизации. Последний в начале создается свободными электронами, всегда имеющимися в воздухе. Под действием электрического поля электроны приобретают большие скорости и на пути к Земле, сталкиваясь с атомами воздуха, расщепляют и ионизируют их. Ионизация происходит в узком канале, который становится проводящим. Воздух разогревается. Через канал нагретого воздуха заряд из облака со скоростью более 150 км/ч стекает к земной поверхности. Это первая стадия процесса. Когда заряд достигает поверхности Земли между облаком и землей, создается проводящий канал, через который навстречу друг другу движутся заряды: положительные заряды от поверхности Земли и отрицательные - скопившиеся в облаке.Линейная молния сопровождается сильным раскатистым звуком - громом, напоминающим взрыв. Звук появляется в результате быстрого нагревания и расширения воздуха в канале, а затем такого же быстрого его охлаждения и сжатия.

Плоские молнии возникают внутри грозового облака и выглядят как вспышки рассеянного света.

Шаровые молнии состоят из светящейся массы в форме шара, несколько меньше футбольного мяча, движущегося с небольшой скоростью в направлении ветра. Разрываются они с большим треском или исчезают бесследно. Появляется шаровая молния после линейной. Часто она через открытые двери и окна проникает в помещения. Природа шаровой молнии еще не известна.Воздушные разряды шаровых молний, начинающиеся от грозового облака, часто направлены горизонтально и не достигают земной поверхности.

Для защиты от молнии создаются молниеотводы, с помощью которых заряд молнии уводится в землю по специально подготовленному безопасному пути.

Разряд молнии обычно состоит из трех или более повторных разрядов – импульсов, следующих по одному и тому же пути. Интервалы между последовательными импульсами очень коротки, от 1/100 до 1/10 с (этим обусловлено мерцание молнии). В целом вспышка длится около секунды или меньше. Типичный процесс развития молнии можно описать следующим образом. Сначала сверху к земной поверхности устремляется слабо светящийся разряд-лидер. Когда он ее достигнет, ярко светящийся обратный, или главный, разряд проходит от земли вверх по каналу, проложенному лидером.

Разряд-лидер, как правило, движется зигзагообразно. Скорость его распространения колеблется от ста до нескольких сотен километров в секунду. На своем пути он ионизирует молекулы воздуха, создавая канал с повышенной проводимостью, по которому обратный разряд движется вверх со скоростью приблизительно в сто раз большей, чем у разряда-лидера. Размер канала определить трудно, однако диаметр разряда-лидера оценивается в 1–10 м, а обратного разряда – в несколько сантиметров.

Разряды молнии создают радиопомехи, испуская радиоволны в широком диапазоне – от 30 кГц до сверхнизких частот. Наибольшее излучение радиоволн находится, вероятно, в диапазоне от 5 до 10 кГц. Такие низкочастотные радиопомехи «сосредоточены» в пространстве между нижней границей ионосферы и земной поверхностью и способны распространяться на расстояния в тысячи километров от источника.

Молния: подарившая жизнь и двигатель эволюции. В 1953 году биохимики С. Миллер (Stanley Miller) и Г. Юри (Harold Urey) показали, что одни из "кирпичиков" жизни - аминокислоты могут быть получены путем пропускания электрического разряда через воду, в которой растворены газы "первобытной" атмосферы Земли (метан, аммиак и водород). Спустя 50 лет другие исследователи повторили эти опыты и получили те же результаты. Таким образом, научная теория зарождения жизни на Земле отводит удару молнии основополагающую роль. При пропускании коротких импульсов тока через бактерии в их оболочке (мембране) появляются поры, через которые внутрь могут проходить фрагменты ДНК других бактерий, запуская один из механизмов эволюции.

Как можно защититься от молнии с помощью водяной струи и лазера. Недавно был предложен принципиально новый способ борьбы с молниями. Громоотвод создадут из… струи жидкости, которой будут стрелять с земли непосредственно в грозовые облака. Громоотводная жидкость представляет собой солевой раствор, в который добавлены жидкие полимеры: соль предназначена для увеличения электропроводности, а полимер препятствует "распаду" струи на отдельные капельки. Диаметр струи составит около сантиметра, а максимальная высота - 300 метров. Когда жидкий громоотвод доработают, им оснастят спортивные и детские площадки, где фонтан включится автоматически, когда напряженность электрического поля станет достаточно высокой, а вероятность удара молнии - максимальной. По струе жидкости с грозового облака будет стекать заряд, делая молнию безопасной для окружающих. Аналогичную защиту от разряда молнии можно сделать и с помощью лазера, луч которого, ионизируя воздух, создаст канал для электрического разряда вдали от скопления людей.

Может ли молния сбить нас с пути? Да, если вы пользуетесь компасом. В известном романе Г. Мелвила "Моби Дик" описан именно такой случай, когда разряд молнии, создавший сильное магнитное поле, перемагнитил стрелку компаса. Однако капитан судна взял швейную иглу, ударил по ней, чтобы намагнитить, и поставил ее вместо испорченной стрелки компаса.

Может ли вас поразить молния внутри дома или самолета? К сожалению, да! Ток грозового разряда может войти в дом по телефонному проводу от рядом стоящего столба. Поэтому при грозе старайтесь не пользоваться обычным телефоном. Считается, что говорить по радиотелефону или по мобильному безопасней. Не следует во время грозы касаться труб центрального отопления и водопровода, которые соединяют дом с землей. Из этих же соображений специалисты советуют при грозе выключать все электрические приборы, в том числе компьютеры и телевизоры.

Что касается самолетов, то, вообще говоря, они стараются облетать районы с грозовой активностью. И все-таки в среднем раз в год в один из самолетов попадает молния. Ее ток поразить пассажиров не может, он стекает по внешней поверхности самолета, но способен вывести из строя радиосвязь, навигационное оборудование и электронику.