Грозы чаще всего происходят в тропических широтах над сушей, где воздух, скорее всего, быстро нагреется и образует сильные восходящие потоки.

Огромные облака, связанные с грозами, обычно начинаются как изолированные кучевые облака (облака, образованные конвекцией, как описано выше), которые вертикально развиваются в купола и башни.Если имеется достаточная нестабильность и влажность, а фоновый ветер благоприятен, тепло, выделяемое за счет конденсации, еще больше усилит плавучесть поднимающейся воздушной массы. Кучевые облака будут расти и сливаться с другими ячейками, образуя огромное кучевое облако, простирающееся еще выше в атмосферу (6000 метров [20 000 футов] или более над поверхностью). В конечном итоге образуется кучево-дождевое облако с его характерной верхней частью в форме наковальни, вздымающимися сторонами и темным основанием. Кучево-дождевые облака обычно производят большое количество осадков.

Что вызывает звук грома?

Ответ

Гром возникает из-за быстрого расширения воздуха, окружающего путь разряда молнии.

От облаков до ближайшего дерева или крыши молнии требуется всего несколько тысячных долей секунды, чтобы разлететься в воздухе.Обычно говорят, что громкий гром, который следует за разрядом молнии, исходит от самого молнии. Однако ворчание и рычание, которое мы слышим во время грозы, на самом деле происходят из-за быстрого расширения воздуха, окружающего молнию.

Когда молния соединяется с землей из облаков, второй удар молнии возвратится от земли к облакам по тому же каналу, что и первый удар. Тепло от электричества этого обратного хода повышает температуру окружающего воздуха примерно до 27 000 ° C (48 632 F °).Быстрое повышение температуры приводит к быстрому увеличению давления воздуха, которое в 10-100 раз превышает нормальное атмосферное давление. Под таким давлением нагретый воздух вырывается наружу из канала, сжимая окружающий воздух. Когда нагретый воздух расширяется, давление падает, воздух охлаждается и сжимается. Результатом является ударная волна с громким грохотом, разносящимся во всех направлениях.

Поскольку электричество проходит по кратчайшему пути, большинство разрядов молний близки к вертикали. Ударные волны, расположенные ближе к земле, сначала достигают вашего уха, а затем ударные волны падают сверху. Вертикальные молнии часто слышны в одном долгом грохоте. Однако, если молния раздваивается, звуки меняются. Ударные волны от разных ответвлений молний отражаются друг от друга, от низко нависающих облаков и близлежащих холмов, создавая серию более низких, непрерывных грохотов грома.

Интересные факты о громе

• Чтобы определить, насколько близко молния, посчитайте секунды между вспышкой и ударом грома. Каждая секунда соответствует примерно 300 м (984,25 фута).
• Гром слышен не только во время грозы. Нечасто, но не редко, слышать гром, когда идет снег.
• Молния не всегда создает гром.В апреле 1885 года пять молний ударили в памятник Вашингтону во время грозы, но грома не было слышно.

Опубликовано: 17.06.2021. Автор: Справочная секция по науке, Библиотека Конгресса

Что вызывает молнию?

Гром и молния. Когда дело доходит до сил природы, немногие вещи вызывают столько страха, благоговения или восхищения, не говоря уже о легендах, мифах и религиозных представлениях. Как и все в естественном мире, то, что изначально рассматривалось Богами как действие (или другие сверхъестественные причины), с тех пор стало признано естественным явлением.

Но, несмотря на все, что люди узнали на протяжении веков, когда дело доходит до молнии, остается некоторая загадка.Эксперименты проводились со времен Бенджамина Франклина; однако мы по-прежнему сильно полагаемся на теории о том, как ведет себя освещение.

Описание:

По определению, молния — это внезапный электростатический разряд во время грозы. Этот разряд позволяет заряженным областям в атмосфере временно уравновесить себя, когда они ударяются об объект на земле. Хотя молния всегда сопровождается звуком грома, далекие молнии можно увидеть, но они находятся слишком далеко, чтобы можно было услышать гром.

Типы:

Молния может принимать одну из трех форм, которые определяются тем, что находится на «конце» канала ответвления (т. Е. Молния). Например, существует внутриоблачное освещение (IC), которое происходит между электрически заряженными областями облака; освещение облака в облако (CC), когда оно возникает между одним функциональным грозовым облаком и другим; и молния облако-земля (CG), которая в основном возникает в грозовом облаке и заканчивается на поверхности Земли (но также может возникать в обратном направлении).

Внутриоблачная молния чаще всего возникает между верхней (или «наковальней») частью и нижней частью данной грозы. В таких случаях наблюдатель может видеть только вспышку света, не слыша грома. Здесь часто применяется термин «тепловая молния» из-за связи между ощущаемой на месте теплотой и удаленными вспышками молнии.

В случае молнии «облако-облако» заряд обычно исходит из-под наковальни или внутри нее и карабкается через верхние облачные слои во время грозы, обычно генерируя разряд молнии с множеством ответвлений.

Облако-земля (CG) — самый известный тип молнии, хотя он является третьим по распространенности — на него приходится примерно 25% случаев во всем мире. В этом случае молния принимает форму разряда между грозовым облаком и землей, обычно имеет отрицательную полярность и инициируется ступенчатой ​​ветвью, движущейся вниз от облака.

CG является наиболее известной, потому что, в отличие от других форм молнии, она заканчивается на физическом объекте (чаще всего на Земле) и, следовательно, поддается измерению с помощью инструментов.Кроме того, он представляет наибольшую угрозу для жизни и имущества, поэтому понимание его поведения рассматривается как необходимость.

Недвижимость:

Освещение возникает, когда в атмосфере возникают восходящие и нисходящие потоки ветра, создавая механизм зарядки, который разделяет электрические заряды в облаках, оставляя отрицательные заряды внизу и положительные вверху. Поскольку заряд в нижней части облака продолжает расти, разность потенциалов между облаком и землей, которая заряжена положительно, также растет.

Когда пробой в нижней части облака создает карман положительного заряда, образуется канал электростатического разряда, который начинает двигаться вниз с шагом в десятки метров в длину. В случае молнии IC или CC этот канал затем направляется в другие карманы областей положительных зарядов. В случае ударов КГ ступенчатый лидер притягивается к положительно заряженной земле.

Многие факторы влияют на частоту, распределение, силу и физические свойства «типичной» молнии в определенном регионе мира.К ним относятся высота земли, широта, преобладающие ветровые течения, относительная влажность, близость к теплым и холодным водоемам и т. Д. В определенной степени соотношение между IC, CC и CG молнией также может варьироваться в зависимости от сезона в средних широтах.

Около 70% молний происходит над сушей в тропиках, где атмосферная конвекция наиболее высока. Это происходит как из-за смеси более теплых и более холодных воздушных масс, так и из-за различий в концентрациях влаги, и обычно это происходит на границах между ними.В тропиках, где уровень замерзания, как правило, выше в атмосфере, только 10% вспышек молний являются компьютерными. На широте Норвегии (около 60 ° северной широты), где точка замерзания ниже, 50% молний приходится на КГ.

Эффекты:

В общем, молния оказывает на окружающую среду три измеримых воздействия. Во-первых, это прямое воздействие самого удара молнии, которое может привести к повреждению конструкции или даже физическому ущербу. Когда молния попадает в дерево, оно испаряет сок, что может привести к взрыву ствола или отрыву больших ветвей и падению на землю.

Когда молния ударяет в песок, почва, окружающая плазменный канал, может плавиться, образуя трубчатые структуры, называемые фульгуритами. Здания или высокие сооружения, пораженные молнией, могут быть повреждены, поскольку молния ищет непредусмотренные пути к земле. И хотя примерно 90% людей, пораженных молнией, выживают, люди или животные, пораженные молнией, могут получить серьезные травмы из-за повреждения внутренних органов и нервной системы.

Гром также является прямым результатом электростатического разряда. Поскольку плазменный канал перегревает воздух в непосредственной близости от него, газообразные молекулы подвергаются быстрому увеличению давления и, таким образом, расширяются наружу от молнии, создавая слышимую ударную волну (иначе.гром). Поскольку звуковые волны распространяются не от одного источника, а по длине пути молнии, различные расстояния до источника могут вызывать эффект качения или грохота.

Излучение высокой энергии также возникает в результате удара молнии. К ним относятся рентгеновские лучи и гамма-лучи, которые были подтверждены посредством наблюдений с использованием электрического поля и детекторов рентгеновского излучения, а также космических телескопов.

Исследования:

Первое систематическое и научное исследование молнии было проведено Бенджамином Франклином во второй половине 18 века.До этого ученые выяснили, как электричество можно разделить на положительные и отрицательные заряды и сохранить. Они также отметили связь между искрами, производимыми в лаборатории, и молнией.

Франклин предположил, что облака электрически заряжены, из чего следовало, что сама молния была электрической. Первоначально он предложил проверить эту теорию, поместив железный стержень рядом с заземленным проводом, который будет удерживаться на месте изолированной восковой свечой. Если бы облака были электрически заряжены, как он ожидал, то между железным стержнем и заземленным проводом прыгали искры.

В 1750 году он опубликовал предложение, согласно которому воздушный змей будет запускаться во время шторма для привлечения молнии. В 1752 году Томас Франсуа Д’Алибар успешно провел эксперимент во Франции, но использовал 12-метровый железный стержень вместо воздушного змея для образования искр. К лету 1752 года Франклин, как полагают, сам провел эксперимент во время сильного шторма, обрушившегося на Филадельфию.

Для своей усовершенствованной версии эксперимента Фрэнкинг атаковал ключ к воздушному змею, который был соединен влажной нитью с изолирующей шелковой лентой, обернутой вокруг суставов руки Франклина.Между тем тело Франклина обеспечивало проводящий путь для электрических токов к земле. Франклин не только показал, что грозы содержат электричество, но и сделал вывод о том, что нижняя часть грозы, как правило, также была отрицательно заряжена.

Незначительный прогресс был достигнут в понимании свойств молнии до конца 19 века, когда фотографии и спектроскопические инструменты стали доступны для исследования молний. В этот период многие ученые использовали фотографию с временным разрешением для идентификации отдельных ударов молнии, которые образуют разряд молнии на землю.

Исследования молний в наше время восходят к работе C.T.R. Уилсон (1869 — 1959), который первым применил измерения электрического поля для оценки структуры грозовых зарядов, участвующих в грозовых разрядах. Уилсон также получил Нобелевскую премию за изобретение Туманной камеры, детектора частиц, используемого для определения присутствия ионизированного излучения.

К 1960-м годам интерес вырос благодаря жесткой конкуренции, вызванной космической эрой. Когда космические корабли и спутники отправлялись на орбиту, были опасения, что молния может создать угрозу для аэрокосмических аппаратов и твердотельной электроники, используемой в их компьютерах и инструментах. Кроме того, улучшенные возможности измерений и наблюдений стали возможны благодаря усовершенствованию космических технологий.

В дополнение к наземному обнаружению молний, ​​на борту спутников было сконструировано несколько приборов для наблюдения за распределением молний.К ним относятся оптический детектор переходных процессов (OTD) на борту спутника OrbView-1, запущенного 3 апреля 1995 г., и последующий датчик изображения молнии (LIS) на борту TRMM, запущенный 28 ноября 1997 г.

Вулканическая молния:

Вулканическая активность может создавать благоприятные для молнии условия несколькими способами. Например, мощный выброс огромного количества материала и газов в атмосферу создает плотный шлейф из сильно заряженных частиц, который создает идеальные условия для молнии.Кроме того, плотность золы и постоянное движение в шлейфе постоянно вызывают электростатическую ионизацию. Это, в свою очередь, приводит к частым и мощным вспышкам, поскольку шлейф пытается нейтрализовать себя.

Этот тип грозы часто называют «грязной грозой» из-за высокого содержания твердого материала (золы). На протяжении всей истории было зарегистрировано несколько случаев вулканических молний. Например, во время извержения Везувия в 79 году нашей эры Плиний Младший заметил несколько мощных и частых вспышек, происходящих вокруг вулканического шлейфа.

Внеземная молния:

Молния наблюдалась в атмосферах других планет нашей Солнечной системы, таких как Венера, Юпитер и Сатурн. Что касается Венеры, то первые признаки того, что молнии могут присутствовать в верхних слоях атмосферы, были обнаружены советскими миссиями «Венера» и «Пионер» США в 1970-х и 1980-х годах.Радиоимпульсы, зарегистрированные космическим аппаратом Venus Express (в апреле 2006 г.), были подтверждены как происхождение от молнии на Венере.

Грозы, похожие на земные, наблюдались на Юпитере. Считается, что они являются результатом влажной конвекции в тропосфере Юпитера, где конвективные шлейфы переносят влажный воздух из глубин в верхние части атмосферы, где он затем конденсируется в облака размером около 1000 км.

Изображение ночного полушария Юпитера, полученное Галилеем в 1990 году и космическим кораблем Кассини в декабре 2000 года, показало, что штормы всегда связаны с молниями на Юпитере. Хотя удары молнии в среднем в несколько раз мощнее, чем на Земле, они, по-видимому, менее часты. Несколько вспышек были обнаружены в полярных регионах, что сделало Юпитер второй известной планетой после Земли, на которой наблюдаются полярные молнии.

Освещение также наблюдалось на Сатурне. Первый случай произошел в 2010 году, когда космический зонд «Кассини» обнаружил вспышки на ночной стороне планеты, что совпало с обнаружением мощных электростатических разрядов. В 2012 году изображения, сделанные зондом Кассини в 2011 году, показали, что массивный шторм, охвативший северное полушарие, также генерировал мощные вспышки молний.

• В результате удара молнии на песчаном участке образовался фульгерит.Кредит: blogs.discovermagazine.com
• Вулкан Колима (Volcán de Colima) на снимке 29 марта 2015 года с молнией. Предоставлено: Сезар Канту.
• Художественная концепция грозы Венеры. Предоставлено: НАСА.

Ссылка : Что вызывает молнию? (2015, 10 июля) получено 15 июля 2021 г. с https: // физ.org / news / 2015-07-lightning.html

Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, никакие часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в информационных целях.

Суровая погода 101: Основные сведения о молниях

Суровая погода 101

Основы Lightning

Что такое молния?

Молния — это гигантская электрическая искра в атмосфере между облаками, воздухом или землей.На ранних стадиях развития воздух действует как изолятор между положительными и отрицательными зарядами в облаке и между облаком и землей. Когда противоположные заряды накапливаются достаточно, эта изолирующая способность воздуха разрушается, и происходит быстрый разряд электричества, который мы называем молнией. Вспышка молнии временно выравнивает заряженные области в атмосфере до тех пор, пока противоположные заряды не накопятся снова.

Молния может возникать между противоположными зарядами в грозовом облаке (внутриоблачная молния) или между противоположными зарядами в облаке и на земле (молния облако-земля).

Молния — одно из старейших наблюдаемых природных явлений на Земле. Его можно увидеть в извержениях вулканов, чрезвычайно интенсивных лесных пожарах, ядерных взрывах на поверхности, сильных метелях, сильных ураганах и, очевидно, в грозах. .

Подробнее об исследовании молний NSSL читайте здесь.

Что вызывает гром?

Молния вызывает гром! Энергия из канала молнии нагревает воздух на короткое время примерно до 50 000 градусов по Фаренгейту, что намного горячее, чем поверхность Солнца.Это приводит к тому, что воздух взрывается наружу. Огромное давление в исходной ударной волне, направленной наружу, быстро уменьшается с увеличением расстояния и в пределах десяти ярдов или около того становится достаточно маленьким, чтобы восприниматься как звук, который мы называем громом.

Гром можно услышать на расстоянии до 25 миль от разряда молнии, но частота звука меняется с расстоянием от каналов молнии, которые его производят, потому что более высокие частоты быстрее поглощаются воздухом. Очень близко к молнии, первый гром, который вы слышите, исходит из ближайших каналов, которые производят рвущий звук, потому что этот гром содержит высокие частоты.Через несколько секунд вы слышите резкий щелчок или громкий треск из каналов молнии чуть дальше, а через несколько десятков секунд гром из самой отдаленной части вспышки стихает до низкочастотного грохота.

Поскольку свет распространяется по воздуху примерно в миллион раз быстрее, чем звук, вы можете использовать гром, чтобы оценить расстояние до молнии. Просто посчитайте количество секунд от момента появления вспышки до момента, когда вы услышите молнию. Звук распространяется примерно на одну пятую мили в секунду или одну треть километра в секунду, поэтому деление количества секунд на 5 дает количество миль до вспышки, а деление на 3 дает количество километров.

Куда бьет молния?

Большинство, если не все, вспышки молний, ​​вызванные штормами, начинаются внутри облака. Если вспышка молнии ударит по земле, канал будет направлен вниз к поверхности. Когда он проходит менее чем примерно в сотне ярдов от земли, такие объекты, как деревья, кусты и здания, начинают посылать искры, встречая его. Когда одна из искр соединяет развивающийся вниз канал, мощный электрический ток быстро проходит по каналу к объекту, который произвел искру.Высокие объекты, такие как деревья и небоскребы, с большей вероятностью, чем окружающая земля, произведут одну из соединяющих искр, и поэтому с большей вероятностью будут поражены молнией. Горы также являются хорошими целями. Однако это не всегда означает, что высокие предметы будут поражены. Молния может ударить по земле в открытом поле, даже если линия деревьев находится рядом.

Что вызывает молнию?

Создание молнии — сложный процесс. Обычно мы знаем, какие условия необходимы для возникновения молнии, но до сих пор ведутся споры о том, как именно облако накапливает электрические заряды и как образуется молния.Ученые считают, что первоначальный процесс создания областей заряда во время грозы включает в себя мелкие частицы града, называемые крупой, которые составляют примерно от четверти миллиметра до нескольких миллиметров в диаметре и растут за счет сбора еще более мелких капель переохлажденной жидкости. Когда эти частицы крупы сталкиваются и отскакивают от более мелких частиц льда, крупа приобретает один знак заряда, а более мелкая частица льда приобретает другой знак заряда. Поскольку более мелкие частицы льда поднимаются в восходящем потоке быстрее, чем частицы крупы, заряд на частицах льда отделяется от заряда на частицах крупы, и заряд на частицах льда накапливается над зарядом на частицах крупы.

Лабораторные исследования показывают, что крупа приобретает положительный заряд при температурах немного ниже 32 градусов по Фаренгейту, но получает отрицательный заряд при более низких температурах, немного выше во время шторма. Ученые считают, что две области с наибольшим зарядом в большинстве штормов вызваны в основном крупой, несущей отрицательный заряд в середине шторма, и частицами льда, несущими положительный заряд в верхней части шторма. Однако небольшая область положительного заряда часто находится ниже области основного отрицательного заряда из-за того, что крупа набирает положительный заряд на более низких, более теплых высотах.Небольшие частицы льда, которые столкнулись с отрицательной крупой в нижней части, могут внести положительный заряд в середину шторма.

Концептуальная модель, разработанная NSSL и университетскими учеными, показывает распределение электрического заряда внутри глубокой конвекции (грозы). В основном восходящем потоке (внутри и над красной стрелкой) есть четыре области основных зарядов. В конвективной области, но за пределами вытяжки (внутри и над синей стрелкой) имеется более четырех областей заряда.

Вы можете узнать больше о молниях в онлайн-школе погоды JetStream Национальной службы погоды.

Как электрический заряд распространяется во время грозы?

Распределение заряда в грозовых облаках [+]

Концептуальная модель, разработанная NSSL и университетскими учеными, показывает распределение электрического заряда внутри глубокой конвекции (грозы). В основном восходящем потоке (внутри и над красной стрелкой) есть четыре области основных зарядов.В конвективной области, но за пределами вытяжки (внутри и над синей стрелкой) имеется более четырех областей заряда.

Исследователи NSSL используют трехмерную облачную модель для исследования полного жизненного цикла гроз. Модель показала, как крупа или другие капли могут помочь сформировать области с более низким зарядом во время шторма.

NSSL запускает инструментальный метеозонд для изучения молний в северной Флориде. [+]

Исследователи NSSL были пионерами в области запуска метеозонд с инструментами во время грозы.Эта возможность позволила NSSL собирать данные о погоде в непосредственной близости от торнадо и сухих линий, а также во время грозы, собирая критически необходимые наблюдения в условиях, близких к грозам. Кроме того, эти мобильные лаборатории и системы воздухоплавания предоставили первые вертикальные профили электрических полей внутри грозы, что привело к новой концептуальной модели электрических структур в конвективных бурях.

Один из способов проверки своих теорий исследователями — это измерения сильных гроз в полевых условиях и последующий анализ результатов.Крупномасштабные полевые эксперименты с участием многих инструментов, в первую очередь сосредоточенных на атмосферном электричестве, включают в себя эксперимент по глубоким конвективным облакам и химии (DC3), исследование электрификации MCS и поляриметрического радара, исследование сильной грозовой электрификации и осадков и эксперимент по электрификации грозы и молниям.

Более суровая погода 101:

: Lightning

Пожалуй, самым известным и мощным проявлением электростатики в природе является гроза.Грозы неизбежны от внимания человечества. Их никогда не приглашали, никогда не планировали и никогда не оставляли незамеченными. Ярость удара молнии разбудит человека посреди ночи. Они отправляют детей вбегать в родительские спальни, требуя уверенности в том, что все будет в безопасности. Ярость удара молнии способна прервать полуденные разговоры и дела. Они — частая причина отмены игр с мячом и прогулок в гольф. Дети и взрослые одинаково толпятся у окон, чтобы наблюдать за появлением молний в небе, трепещущие перед мощью статических разрядов.Действительно, гроза — это самое яркое проявление электростатики в природе.

В этой части Урока 4 мы обсудим два вопроса:

• Какова причина и механизм поражения молнии?
• Как громоотводы служат для защиты зданий от разрушительного воздействия удара молнии?

Научное сообщество давно размышляет о причинах ударов молнии.Даже сегодня это предмет многочисленных научных исследований и теоретизирования. Детали того, как облако становится статически заряженным, не совсем понятны (на момент написания этой статьи). Тем не менее, есть несколько теорий, которые имеют большой смысл и демонстрируют многие концепции, ранее обсуждавшиеся в этом разделе Физического класса.

Предвестником любого удара молнии является поляризация положительных и отрицательных зарядов внутри грозового облака. Известно, что вершины грозовых облаков приобретают избыток положительного заряда, а низы грозовых облаков приобретают избыток отрицательного заряда.Два механизма кажутся важными для процесса поляризации. Один из механизмов включает разделение заряда посредством процесса, который напоминает зарядку трением. Известно, что облака содержат бесчисленные миллионы взвешенных капель воды и частиц льда, которые движутся и кружатся в турбулентном режиме. Дополнительная вода из земли испаряется, поднимается вверх и образует скопления капель по мере приближения к облаку. Эта поднимающаяся вверх влага сталкивается с каплями воды в облаках. При столкновении электроны отрываются от поднимающихся капель, вызывая отделение отрицательных электронов от положительно заряженной капли воды или кластера капель.

Второй механизм, который способствует поляризации грозового облака, связан с процессом замораживания. Повышение влажности сопровождается более низкими температурами на больших высотах. Эти более низкие температуры вызывают замерзание скопления капель воды. Замороженные частицы имеют тенденцию более плотно сгруппироваться и образуют центральные области кластера капель. Замороженная часть скопления поднимающейся влаги становится отрицательно заряженной, а внешние капли приобретают положительный заряд.Воздушные потоки внутри облаков могут оторвать внешние части скоплений и унести их вверх, к вершине облаков. Замороженная часть капель с их отрицательным зарядом имеет тенденцию тяготеть к нижней части грозовых облаков. Таким образом, облака становятся еще более поляризованными.

Считается, что эти два механизма являются основными причинами поляризации грозовых облаков. В конце концов, грозовое облако становится поляризованным: положительные заряды переносятся в верхние части облаков, а отрицательные части тяготеют к нижней части облаков.Не менее важное влияние на поверхность Земли оказывает поляризация облаков. Электрическое поле облака распространяется через окружающее его пространство и вызывает движение электронов на Земле. Электроны на внешней поверхности Земли отталкиваются нижней поверхностью отрицательно заряженного облака. Это создает противоположный заряд на поверхности Земли. Здания, деревья и даже люди могут испытывать накопление статического заряда, поскольку электроны отталкиваются дном облака. С облаком, поляризованным на противоположности, и с положительным зарядом, индуцированным на поверхности Земли, все готово для второго акта драмы удара молнии.

По мере увеличения накопления статического заряда в грозовом облаке электрическое поле, окружающее облако, становится сильнее. Обычно воздух, окружающий облако, был бы достаточно хорошим изолятором, чтобы предотвратить разряд электронов на Землю. Тем не менее, сильные электрические поля, окружающие облако, способны ионизировать окружающий воздух и делать его более проводящим.Ионизация заключается в отрыве электронов от внешних оболочек молекул газа. Таким образом, молекулы газа, из которых состоит воздух, превращаются в суп из положительных ионов и свободных электронов. Изолирующий воздух превращается в проводящую плазму . Способность электрических полей грозового облака преобразовывать воздух в проводник делает возможной передачу заряда (в виде молнии) от облака к земле (или даже к другим облакам).

Удар молнии начинается с разработки шагового лидера .Избыточные электроны на дне облака начинают путешествие через проводящий воздух к земле со скоростью до 60 миль в секунду. Эти электроны движутся зигзагообразными путями к земле, разветвляясь в разных местах. Переменные, которые влияют на детали фактического пути, малоизвестны. Считается, что присутствие примесей или частиц пыли в различных частях воздуха может создавать области между облаками и землей, которые обладают большей проводимостью, чем другие области. По мере роста ступенчатого лидера он может освещаться пурпурным свечением, характерным для молекул ионизированного воздуха.Тем не менее, лидер — это не настоящий удар молнии; он просто обеспечивает дорогу между облаком и Землей, по которой в конечном итоге будет перемещаться молния.

Когда электроны ступенчатого лидера приближаются к Земле, происходит дополнительное отталкивание электронов вниз от поверхности Земли. Количество положительного заряда, находящегося на поверхности Земли, становится еще больше. Этот заряд начинает мигрировать вверх через здания, деревья и людей в воздух.Этот восходящий восходящий положительный заряд — известный как стример — приближается к ступенчатому лидеру в воздухе над поверхностью Земли. Лента может встретиться с лидером на высоте, эквивалентной длине футбольного поля. После установления контакта между косой и лидером намечается полный проводящий путь и начинается молния. Точка контакта между наземным зарядом и облачным зарядом быстро поднимается вверх со скоростью до 50 000 миль в секунду. Целый миллиард триллионов электронов могут пройти этот путь менее чем за миллисекунду.За этим начальным ударом следует несколько последовательных вторичных ударов или скачков заряда. Эти вторичные выбросы разнесены во времени так близко, что могут выглядеть как один удар. Огромный и быстрый поток заряда по этому пути между облаком и Землей нагревает окружающий воздух, заставляя его сильно расширяться. Расширение воздуха создает ударную волну, которую мы наблюдаем как гром.

Высокие здания, фермерские дома и другие строения, восприимчивые к ударам молнии, часто оснащены громоотводами .Крепление заземленного громоотвода к зданию — это защитная мера, которая предпринимается для защиты здания в случае удара молнии. Первоначально концепция громоотвода была разработана Беном Франклином. Франклин предположил, что молниеотводы должны состоять из заостренного металлического столба, который поднимается вверх над зданием, которое он предназначен для защиты. Франклин предположил, что громоотвод защищает здание одним из двух способов. Во-первых, стержень служит для предотвращения разряда молнии заряженным облаком.Во-вторых, громоотвод служит для безопасного отвода молнии на землю в том случае, если облако действительно разряжает свою молнию с помощью болта. Теории Франклина о работе громоотводов существуют уже несколько столетий. И только в последние десятилетия научные исследования предоставили доказательства, подтверждающие, как они действуют для защиты зданий от повреждений молнией.

Первую из двух предложенных Франклином теорий часто называют теорией рассеяния молнии .Согласно теории, использование громоотвода на здании защищает здание, предотвращая удар молнии. Идея основана на том принципе, что напряженность электрического поля вокруг заостренного объекта велика. Сильные электрические поля, окружающие заостренный предмет, служат для ионизации окружающего воздуха, тем самым повышая его проводящую способность. Теория диссипации утверждает, что по мере приближения грозового облака между статически заряженным облаком и громоотводом устанавливается проводящий путь.Согласно теории, статические заряды постепенно перемещаются по этому пути к земле, что снижает вероятность внезапного и взрывного разряда. Сторонники теории рассеяния молнии утверждают, что основная роль молниеотвода — разрядить облако в течение более длительного периода времени, предотвращая, таким образом, чрезмерное накопление заряда, характерное для удара молнии.

Вторая из предложенных Франклином теорий о работе громоотвода является основой теории отведения молнии .Теория отвода молнии утверждает, что молниеотвод защищает здание, обеспечивая проводящий путь заряда к Земле. Громоотвод обычно прикрепляют толстым медным кабелем к заземляющему стержню, который закапывают в землю внизу. Внезапный разряд из облака будет направлен к поднятому громоотводу, но безопасно направлен на Землю, что предотвратит повреждение здания. Громоотвод, присоединенный к нему кабель и заземляющий полюс обеспечивают путь с низким сопротивлением от области над зданием к земле под ним.Отводя заряд через систему молниезащиты, здание избавляется от повреждений, связанных с прохождением через него большого количества электрического заряда.

Исследователи молний в настоящее время в целом убеждены, что теория рассеяния молнии дает неточную модель того, как работают громоотводы. Действительно, кончик громоотвода способен ионизировать окружающий воздух и делать его более проводящим. Однако этот эффект распространяется только на несколько метров над кончиком громоотвода.Несколько метров повышенной проводимости над кончиком стержня не способны разряжать большое облако, простирающееся на несколько километров. К сожалению, в настоящее время нет научно проверенных методов предотвращения молний. Более того, недавние полевые исследования показали, что кончик молниеотвода не нужно резко заострять, как предлагал Бен Франклин. Было обнаружено, что громоотводы с тупым концом более восприимчивы к ударам молнии и, таким образом, обеспечивают более вероятный путь разряда заряженного облака.При установке молниеотвода на здание в качестве меры молниезащиты обязательно, чтобы стержень был приподнят над зданием и соединен проводом с низким сопротивлением с землей.

Используйте свое понимание, чтобы ответить на следующие вопросы. По завершении нажмите кнопку, чтобы просмотреть ответы.

1. ИСТИНА или ЛОЖЬ:

Наличие громоотводов на крыше зданий не позволяет облаку со статическим зарядом передать свой заряд в здание.

2. ИСТИНА или ЛОЖЬ:

Если вы поместите громоотвод на крышу своего дома, но не заземлите его, то ваш дом все равно будет в безопасности в маловероятном случае удара молнии.

Статическое электричество 4: Статическое электричество и молния

Фото: Clipart.ком

Назначение

Чтобы помочь учащимся понять концепции, связанные со статическим электричеством, на единственном примере: молния.

---

Контекст

Этот урок является первым из серии из четырех частей, посвященных статическому электричеству. Эти уроки призваны помочь учащимся понять, что статическое электричество — это явление, связанное с положительными и отрицательными зарядами.

Понимание статического электричества должно начинаться с концепции, что вся материя состоит из атомов, а все атомы состоят из субатомных частиц, среди которых есть заряженные частицы, известные как электроны и протоны.Протоны несут положительный заряд (+), а электроны — отрицательный заряд (-). Число электронов в атоме — от одного до примерно 100 — совпадает с числом заряженных частиц или протонов в ядре и определяет, как атом будет связываться с другими атомами, образуя молекулы. Электрически нейтральные частицы (нейтроны) в ядре увеличивают его массу, но не влияют на количество электронов и поэтому почти не влияют на связи атома с другими атомами (его химическое поведение).

Чтобы лучше понять статическое электричество, вы должны помочь своим ученикам установить связь между их повседневным опытом работы со статическим электричеством, например, молнией, получением сотрясений после перетасовки по ковру, снятием с себя одежды, которая цепляется друг за друга. фен, причесывание волос зимой — со статическими упражнениями, проводимыми в классе.Попросите их попытаться описать и объяснить свой повседневный опыт работы со статикой в ​​терминах, которые они изучают: отталкивание, притяжение, статический заряд, перенос электронов. Важно, чтобы учащиеся усвоили концепцию, согласно которой противоположно заряженные объекты притягиваются друг к другу, а одноименные заряженные объекты отталкиваются. Менее важно то, что они могут вспомнить, какие материалы имеют тенденцию к накоплению отрицательного или положительного заряда.

Когда два разных материала вступают в тесный контакт, например, войлок трется о воздушный шар или две воздушные массы в грозовом облаке, электроны могут переходить от одного материала к другому.Когда это происходит, в одном материале оказывается избыток электронов, и он становится отрицательно заряженным, в то время как другой в конечном итоге испытывает недостаток электронов и становится положительно заряженным. Это накопление несбалансированных зарядов на объектах приводит к явлениям, которые мы обычно называем статическим электричеством.

Когда учащиеся только начинают понимать атомы, они не могут уверенно проводить различие между атомами и молекулами. Студенты часто приходят к мысли, что атомы каким-то образом просто заполняют материю, а не к правильному представлению о том, что атомы являются материей.У учеников средней школы также есть проблемы с представлением о том, что атомы находятся в постоянном движении. Принятие этих концепций необходимо студентам, чтобы понять атомную теорию и ее объяснительную силу. («Контрольные показатели научной грамотности», стр. 75.)

В курсе «Статическое электричество 1: знакомство с атомами» учащихся просят просмотреть веб-сайты, чтобы узнать об основной структуре атома, а также о положительных и отрицательных зарядах его субчастиц. Этот урок закладывает основу для дальнейшего изучения статического и текущего электричества, сосредоточив внимание на идее положительных и отрицательных зарядов на атомном уровне.Из-за количества и сложности информации, связанной с этой темой, учащиеся со временем получат понимание этих концепций. Важно, чтобы они исследовали эту тему в различных контекстах.

Статическое электричество 2: Знакомство со статическим электричеством помогает расширить представления учащихся об атомах и их отношении к статическому электричеству. На этом уроке учащиеся проводят несколько простых экспериментов, создавая статическое электричество, чтобы продемонстрировать, как противоположные заряды притягиваются друг к другу, а подобные заряды отталкиваются.Затем студенты изучают веб-сайт, который более подробно объясняет эти концепции.

Статическое электричество 3: Подробнее о статическом электричестве помогает расширить представления учащихся об атомах и их отношении к статическому электричеству. На этом уроке студенты изучают веб-сайт, чтобы изучить концепции, связанные со статическим электричеством. Затем ученики проводят эксперименты, в которых они создают статическое электричество и демонстрируют, как противоположные заряды притягиваются друг к другу, а подобные заряды отталкиваются.

Статическое электричество 4: Статическое электричество и молния знакомит учащихся с концепциями молнии и их отношением к статическому электричеству.На этом уроке учащиеся изучают различные веб-сайты, чтобы узнать о молнии, а затем объяснить своими словами, что вызывает молнию и как это связано со статическим электричеством.

---

Мотивация

Прежде чем попросить учащихся изучить веб-сайты, посвященные молниям и статическому электричеству, обсудите с ними их текущие знания по этой теме.

Раздайте пакет активности «Статическое электричество и молния». Студенты должны заполнить Часть 1 пакета в это время.Попросите учащихся записать свои ответы своими словами. Сообщите им, что они вернутся к этим ответам позже на уроке, после того, как завершат веб-квест. Обсудите со студентами, как они ответили на вопросы из Части 1 своего практического пакета.

---

Разработка

На этом уроке учащиеся будут использовать свою электронную таблицу «Статическое электричество и молния», чтобы пройти веб-квест, изучая следующие веб-сайты, чтобы больше узнать о молниях и статическом электричестве:

Предложите учащимся работать в парах или небольших группах, чтобы они могли помочь друг другу понять факты и концепции, используемые при исследовании Интернета.

После того, как учащиеся завершат часть 2 пакета заданий, проведите обсуждение, чтобы помочь им осмыслить идеи. Ниже приведены вопросы из пакета с предлагаемыми ответами.

Статическое электричество и молния

• Объясните, что вызывает молнию. Как принцип притяжения противоположных зарядов способствует возникновению молнии? (Воздух, капли воды и даже кристаллы льда сильно трутся друг о друга внутри грозовой тучи, создавая два противоположных вида электрического заряда: отрицательный и положительный.Когда притяжение между зарядами настолько велико, что они толкают воздух навстречу друг другу, у вас есть молния.)
• Нарисуйте схему, чтобы проиллюстрировать, что происходит с электронами в облаках и на земле во время грозы.
• Как проще всего определить, как далеко от вас находится молния? (Свет распространяется быстрее звука. Если вы видите вспышку молнии, считайте секунды, пока не услышите гром. Разделите полученное число на пять, и это скажет вам, на сколько миль находится молния.)

Основы статического электричества

• Опишите влияние статического электричества на материю. Используйте несколько примеров из своей повседневной жизни. (Статическое электричество может привести к слипанию или слипанию материалов. Например, вы можете наблюдать «статическое прилипание» к одежде, исходящей из сушилки. Это может привести к тому, что материалы отталкиваются или расходятся. Вы можете увидеть, как ваши волосы отталкиваются друг от друга после расчесывания. сухой день. Он может создавать искры, летящие от одного объекта к другому.Например, после того, как вы прошли по ковру, вы можете наблюдать искру от вашего пальца прямо перед тем, как коснуться дверной ручки. Вы также можете увидеть очень большие искры, когда увидите молнию во время грозы.)
• Опишите, как работает электроскоп для обнаружения статического электричества. (При наличии статического электричества заряды спускаются вниз по стержню электроскопа и накапливаются на фольгах. Поскольку каждая фольга собирает одинаковый тип заряда, они разделяются или отталкиваются друг от друга.)
• Почему лучше не использовать металлы для создания статического электричества? (Хотя трение о металлические предметы может вызвать некоторое статическое электричество, на самом деле это не работает.Это связано с тем, что электричество обычно проходит через металл, а не накапливается на поверхности, как это происходит с материалом, который не проводит электричество, например, пластиком.)
• Опишите, как Бен Франклин доказал, что молния является статическим электричеством. (Бен Франклин доказал, что молния является статическим электричеством, запустив воздушного змея во время шторма и обнаружив статическое электричество, увидев, как волоски на веревке воздушного змея встают дыбом и создают искру на металлическом кайте, прикрепленном к воздушному змею.)
• Как статическое электричество может повредить компьютер? (Если вы прикоснетесь к печатной плате компьютера, что вызовет искру статического электричества, это может серьезно повредить схему. Внезапный выброс электронов может легко разрушить микрочипы в компьютере.)

Искры статического электричества

• Опишите причину искры. (Искра — это внезапный выброс электронов по воздуху от одного проводника к другому, нагревая воздух до тех пор, пока он не станет раскаленным добела.По мере того как количество электрических зарядов у поверхности материалов увеличивается, притяжение между положительными и отрицательными зарядами становится больше. Если притяжение достаточно велико, некоторые электроны покинут свой материал и полетят к другому объекту. Электроны, движущиеся в воздухе, вызывают его нагрев. По мере того, как воздух нагревается, все больше и больше электронов начинают прыгать на другую сторону, вызывая еще больше тепла, пока он не станет раскаленным добела. Это искра, которую вы видите и чувствуете.)
• Чем молния отличается от искры? (Молния работает так же, как искра, за исключением того, что она случается в больших масштабах. Молния возникает, когда капли воды вращаются в грозовой туче. Они собирают положительные или отрицательные электрические заряды, так что вскоре одно облако может быть положительным и другое облако может быть отрицательным. Возникающее электрическое давление должно быть чрезвычайно высоким, чтобы молния могла начаться. Молния может переходить от облака к облаку или от земли к облаку.)
• Что вызывает гром? (Гром возникает из-за того, что воздух очень быстро расширяется и сжимается.)

Использование статического электричества

• Назовите несколько полезных способов использования статического электричества. (Использование статического электричества включает борьбу с загрязнением, копировальные аппараты и покраску.)
• Опишите, как статическое электричество можно использовать для борьбы с загрязнением воздуха. (Заводы используют статическое электричество, чтобы уменьшить загрязнение, придавая дыму электрический заряд.Когда он проходит мимо электрода с противоположным зарядом, большая часть частиц дыма прилипает к электроду. Это предотвращает попадание загрязняющих веществ в атмосферу.)

---

Оценка

После того, как учащиеся завершили веб-квест и ответили на вопросы в Части 2 пакета упражнений, попросите их уточнить определение статического электричества и молнии, которое они разработали в разделе «Мотивация».

В Части 3 студенты должны объяснить, какие изменения они внесли и почему они внесли их.Попросите учащихся перечислить любые доказательства, которые они нашли в веб-квесте, которые побудили их изменить свое определение.

Кроме того, попросите учащихся объяснить, как статическое электричество, молния и искры являются взаимосвязанными явлениями. Затем нарисуйте диаграмму, показывающую отрицательные и положительные заряды, возникающие во время грозы.

---

Расширения

Следующие Интернет-ресурсы можно использовать для дальнейшего изучения тем, связанных с молнией и статическим электричеством:

• Lightning На сайте NOVA Online есть мероприятие по освещению в помещении, в котором даются инструкции по проведению эксперимента с участием молний и искр.
• Static Electricity рассматривает статическое электричество с точки зрения потенциальных эффектов электростатического разряда, включая предотвращение электростатического разряда в производстве электроники, материалы для электростатических растворов и уменьшение вредного воздействия электростатического разряда.
На веб-сайте «Театра электричества
• » Бостонского музея науки есть множество тем, связанных с молниями, в том числе история, воздушный змей Франклина, викторина по безопасности и ресурсы для учителей с экспериментами.

---

Отправьте нам отзыв об этом уроке>

(PDF) Молния, электрическое явление в природе

Молния, электрическое явление в природе.

История

Исторически, изучение молний можно проследить со времен Бенджамина Франклина (1706 —

1790). Франклин пришел к выводу, что облака электрически заряжены. В эксперименте, где

он стоял на электрическом стенде, держа железный стержень, чтобы получить электрический разряд между

другой рукой и землей, пришел к выводу, что если бы облака были электрически заряжены, то между железом прыгало бы

искр. стержень и заземленный провод.Этому эксперименту способствовал

, проведенный Томасом Франсуа Далибаром (1709 — 1799) в мае 1752 года, в котором

искры выпрыгивали из железного стержня во время грозы. G.W. Рихманн (1711 — 1753)

погиб от удара молнии, когда доказал, что грозовые облака имеют электрический заряд.

По словам Лукаша Сташевского из Технологического университета, Польша, Бенджамин

Франклин попытался проверить теорию искр, имеющих некоторое сходство с молнией, используя

шпиль, который возводился в Филадельфии.В ожидании завершения строительства шпиля ему

пришла в голову идея использовать летающий объект, например, воздушный змей. В июне 1752 года сообщалось, что он поднял воздушного змея

. Ключ был прикреплен к его концу веревки, и он привязал его к столбу шелковой нитью. По прошествии времени

, свободные волокна на струне растягивались, затем он поднес руку к ключу

, и в промежутке проскочила искра. Дождь пропитал линию и сделал ее проводящей.

Хотя этот эксперимент показал, что молния была разрядом статического электричества,

мало улучшил теоретическое понимание за более чем 150 лет.

Определение

По определению, молния — это напряжение между облаками и Землей, которое становится настолько высоким, что паразитные электроны в воздухе ускоряются до кинетической энергии, достаточной для того, чтобы выбить

электронов из атомов воздуха ( Дуглас К. Джанколи, 2005). Согласно Мартину А. Уману

(1984), молнию можно определить как кратковременный сильноточный электрический разряд, длина пути которого

обычно измеряется в километрах.Это также может быть определено как электрический разряд в

форме искры в облаке заряженного.

Процесс формирования молнии

Молнию можно сформировать в четырех типах процессов: разделение заряда,

формирование лидера, разряд и повторный удар. Процесс разделения зарядов все еще является предметом

исследований с одной гипотезой, механизм поляризации, который состоит из двух компонентов.

Во-первых, падающие капли дождя становятся электрически поляризованными, когда они падают через естественное электрическое поле атмосферы

.Во-вторых, сталкивающиеся частицы льда заряжаются электростатической индукцией

. Кроме того, есть несколько других гипотез для этого процесса, например,

разделение зарядов запускается ионизацией молекулы воздуха входящим космическим лучом.

как, почему и откуда появляются молнии. Что делать в грозу

«»физическое явление»»

Гигантский электрический искровой разряд в атмосфере, проявляющийся обычно яркой вспышкой света и сопровождающим её громом. Электрическая природа молнии была раскрыта в исследованиях американского физика Б. Франклина, по идее которого был проведён опыт по извлечению электричества из грозового облака.

Наиболее часто молния возникает в кучево-дождевых облаках, тогда они называются грозовыми; иногда молния образуются в слоисто-дождевых облаках, а также при вулканических извержениях, торнадо и пылевых бурях.

Процесс развития наземной молнии состоит из несколько стадий. На первой стадии в зоне, где электрическое поле достигает критического значения, начинается ударная ионизация, создаваемая вначале свободными электронами, всегда имеющимися в небольшом количестве в воздухе, которые под действием электрического поля приобретают значительные скорости по направлению к земле и, сталкиваясь с атомами воздуха, ионизуют их. Т. о. возникают электронные лавины, переходящие в нити электрических разрядов — стримеры, представляющие собой хорошо проводящие каналы, которые, сливаясь, дают начало яркому термоионизованному каналу с высокой проводимостью — ступенчатому лидеру.

Движение лидера к земной поверхности происходит ступенями в несколько десятков м со скоростью ~ 5*10000000 м/сек, после чего его движение приостанавливается на несколько десятков мксек, а свечение сильно ослабевает; затем в последующей стадии лидер снова продвигается на несколько десятков м. Яркое свечение охватывает при этом все пройденные ступени; затем следуют снова остановка и ослабление свечения. Эти процессы повторяются при движении лидера до поверхности земли со средней скоростью 2*100000 м/сек. По мере продвижения лидера к земле напряжённость поля на его конце усиливается и под его действием из выступающих на поверхности Земли предметов выбрасывается ответный стример, соединяющийся с лидером.

Формы молний

Линейная молния

Разряд линейной молнии происходит между облаками, внутри облака или между облаком и землёй, и обычно имеет длину около 2-3 км, но бывают молнии длиной и до 20-30 км.

Выглядит как ломаная линия, зачастую с многочисленными ответвлениями. Цвет молнии — белый, жёлтый, голубой или красноватый

Чаще всего диаметр нити такой молнии достигает пару десятков сантиметров. Этот вид самый распространенный; мы видим его чаще всего. Линейная молния появляется при напряжении электрического поля атмосферы до 50 кВ/м, разность потенциалов на ее пути может достичь сотни миллионов вольт. Сила тока молнии такого рода — порядка 10 тысяч ампер. Грозовое облако, которое дает разряд линейной молнии каждые 20 секунд, имеет электрическую энергию в 20 млн. кВт. Потенциальная электрическая энергия, запасенная таким облаком,равна энергие мегатонной бомбы.

Это наиболее часто встречающаяся форма молнии.

Плоская молния

Плоская молния имеет вид рассеянной вспышки света на поверхности облаков. Грозы, сопровождаемые только плоскими молниями, относятся к разряду слабых, и наблюдаются они обычно лишь ранней весной или поздней осенью.

Ленточная молния

Ленточная молния — несколько одинаковых зигзагообразных разрядов от облаков к земле, параллельно смещённых относительно друг друга с небольшими промежутками или без них.

Четочная молния

Редкая форма электрического разряда при грозе, в виде цепочки из светящихся точек. Время существования четочной молнии 1–2 секунды. Примечательно, что траектория четочной молнии нередко имеет волнообразный характер. В отличие от линейной молнии след четочной молнии не ветвится — это является отличительной особенностью этого вид.

Ракетообразная молния

Ракетообразная молния представляет собой медленно развивающийся разряд, продолжительностью 1–1.5 секунды. Ракетообразная молния наблюдается очень редко.

Шаровая молния

Шаровая молния — яркий светящийся электрический заряд различный по окраске и величине. Вблизи земли он чаще всего выглядит как шар диаметром около 10 см, реже имеет форму эллипсоида, капли, диска, кольца и даже цепи соединённых шаров. Длительность существования шаровой молнии — от нескольких секунд до нескольких минут, цвет свечения — белый, жёлтый, светло-голубой, красный или оранжевый. Обычно этот вид молнии медленно перемещается, почти бесшумно, в сопровождении лишь легкого треска, свиста, жужжания или шипения. Шаровая молния может проникать в закрытые помещения через щели, трубы, окна.

Редкая форма молнии, по статистике на тысячу обычных молний приходится 2-3 шаровых.

Природа шаровой молнии изучена не до конца. Существует множество гипотез о происхождении шаровой молнии, от научных до фантастических.

Шторовая молния

Шторовая молния выглядит как широкая вертикальная полоса света, сопровождающаяся низким негромким гулом.

Объёмная молния

Объёмная молния – белая или красноватая вспышка при низкой полупрозрачной облачности, с сильным звуком треска “отовсюду”. Чаще наблюдается перед основной фазой грозы.

Полосовая молния

Полосовая молния — сильно напоминает полярное сияние, “положенное на бок” — горизонтальные полосы света (3-4 полосы) группируются друг над другом.

Эльфы, джеты и спрайты

Эльфы (англ. Elves; Emissions of Light and Very Low Frequency Perturbations from Electromagnetic Pulse Sources) представляют собой огромные, но слабосветящиеся вспышки-конусы диаметром около 400 км, которые появляются непосредственно из верхней части грозового облака.

Джеты представляют собой трубки-конусы синего цвета.

Спрайты — некое подобие молнии, бьющей из облака вверх. Впервые это явление было зафиксировано в 1989 году случайно. Сейчас о физической природе спрайтов известно крайне мало.

Джеты и Эльфы образуются, начиная от верхушек облаков до нижнего края ионосферы (90 километров над поверхностью Земли). Продолжительность этих сияний составляет доли секунды. Чтобы сфотографировать такие короткоживущие явления необходимы приборы для высокоскоростной съемки. Только в 1994 году, пролетая в самолете над большой грозой, ученым удалось заснять это потрясающее зрелище.

Другие явления

Сполохи

Сполохи – белые или голубые беззвучные вспышки света, наблюдаемые ночью в малооблачную или ясную погоду. Сполохи обычно бывают во второй половине лета.

Зарницы

Зарницы – отблески далёких высоких гроз, ночью видны на расстоянии до 150 – 200 км. Звука грома при зарницах не слышно, небо малооблачно.

Вулканическая молния

Существует два типа вулканических молний. Один возникает у кратера вулкана, а другой, как видно на этом снимке вулкана Пуйеуэ в Чили, электризует дым вулкана. Вода и замерзшие частицы пепла в дыме трутся друг о друга, и это вызывает статические разряды и появляется вулканическая молния.

Молнии Кататумбо

Молнии Кататумбо — удивительный феномен, который наблюдается лишь в одном месте на нашей планете — в месте впадения реки Кататумбо в озеро Маракайбо (Южная Америка). Самое удивительное в этом виде молнии, что разряды ее длятся около 10 часов и появляются ночью 140–160 раз в год. Молнии Кататумбо хорошо видно на достаточно большое расстояние — 400 километров. Молнии такого рода часто использовали как компас, от чего место их наблюдения люди даже прозвали — «Маяк Маракайбо».

Большинство говорят,что молнии Кататумбо — крупнейший одиночный генератор озона на Земле, т.к. ветры, приходящие со стороны Анд, вызывают грозы. Метан, которым богата атмосфера этих заболоченных мест, поднимается к облакам, подпитывая разряды молнни.

Шаровая молния — уникальное природное явление: природа возникновения; физические свойства; характеристика

На сегодняшний день единственной и основной проблемой в исследовании данного феномена является отсутствие возможности воссоздать такую молнию в условиях научных лабораторий.

Поэтому большинство предположений по поводу физической природы шарообразного электрического сгустка в атмосфере так и остаются теоретическими.

Первым, кто предположил природу шаровой молнии был русский учёный-физик Пётр Леонидович Капица. Согласно его учениям, такой вид молний возникает во время разряда между грозовыми облаками и землёй на электромагнитной оси, по которой она дрейфует.

Помимо Капицы, рядом физиков были выдвинуты теории, о ядровом и каркасном строении разряда или об ионном происхождении шаровой молнии.

Многие скептики утверждали, что это всего лишь зрительный обман или же кратковременные галлюцинации, а самого такого явления природы не существует. В настоящее время современное оборудование и аппаратура пока ещё не зафиксировала радиоволны необходимой для создания молнии.

Как образуется шаровая молния

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

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

По описаниям очевидцев этого феномена выделяют два вида молний:

Характеристики

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

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

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

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

Чем опасна шаровая молния

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

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

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

Видео: 10 Фактов о шаровой молнии

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

Древние люди далеко не всегда считали грозу и молнию, а также сопровождающий их раскат грома проявлением гнева богов. Например, для эллинов гром и молния являлись символами верховной власти, тогда как этруски считали их знамениями: если вспышка молнии была замечена с восточной стороны, это означало, что всё будет хорошо, а если сверкала на западе или северо-западе – наоборот.

Идею этрусков переняли римляне, которые были убеждены, что удар молнии с правой стороны является достаточным основанием, чтобы отложить все планы на сутки. Интересная трактовка небесных искр была у японцев. Две ваджры (молнии) считались символами Айдзен-мео, бога сострадания: одна искра находилась на голове божества, другую он держал в руках, подавляя нею все негативные желания человечества.

Молния – это огромных размеров электрический разряд, который всегда сопровождается вспышкой и громовыми раскатами (в атмосфере чётко просматривается сияющий канал разряда, напоминающий дерево). При этом вспышка молнии почти никогда не бывает одна, за ней обычно следует две, три, нередко доходит и до нескольких десятков искр.

Эти разряды почти всегда образуются в кучево-дождевых облаках, иногда – в слоисто-дождевых тучах больших размеров: верхняя граница нередко достигает семи километров над поверхностью планеты, тогда как нижняя часть может почти касаться земли, пребывая не выше пятисот метров. Молнии могут образовываться как в одной туче, так и между находящимися рядом наэлектризованными облаками, а также между облаком и землей.

Состоит грозовая туча из большого количества пара, сконденсированного в виде льдинок (на высоте, превышающей три километра это практически всегда ледяные кристаллы, поскольку температурные показатели здесь не поднимаются выше нуля). Перед тем как туча становится грозовой, внутри неё начинают активное движение ледяные кристаллы, при этом двигаться им помогают восходящие с нагретой поверхности потоки тёплого воздуха.

Воздушные массы увлекают за собой вверх более мелкие льдинки, которые во время движения постоянно наталкиваются на более крупные кристаллы. В результате кристаллики меньших размеров оказываются заряженными положительно, более крупные – отрицательно.

После того как маленькие ледяные кристаллики собираются наверху, а большие – снизу, верхняя часть облака оказывается положительно заряженной, нижняя – отрицательно. Таким образом, напряжённость электрического поля в туче достигает чрезвычайно высоких показателей: миллион вольт на один метр.

Когда эти противоположно заряженные области сталкиваются друг с другом, в местах соприкосновения ионы и электроны образовывают канал, по которому вниз устремляются все заряженные элементы и образуется электрический разряд – молния. В это время выделяется настолько мощная энергия, что её силы вполне хватило бы на то, чтобы на протяжении 90 дней питать лампочку мощностью в 100 Вт.

Канал раскаляется почти до 30 тыс. градусов Цельсия, что в пять раз превышает температурные показатели Солнца, образуя яркий свет (вспышка обычно длится лишь три четверти секунды). После образования канала грозовое облако начинает разряжаться: за первым разрядом следуют две, три, четыре и больше искр.

Удар молнии напоминает взрыв и вызывает образование ударной волны, чрезвычайно опасной для любого живого существа, оказавшегося возле канала. Ударная волна сильнейшего электрического разряда в нескольких метрах от себя вполне способна сломать деревья, травмировать или контузить даже без прямого поражения электричеством:

• На расстоянии до 0,5 м до канала молния способна разрушить слабые конструкции и травмировать человека;
• На расстоянии до 5 метров постройки остаются целыми, но может выбить окна и оглушить человека;
• На больших расстояниях ударная волна негативных последствий не несёт и переходит в звуковую волну, известную как громовые раскаты.

Раскаты грома

Через несколько секунд после того как был зафиксирован удар молнии, из-за резкого повышения давления вдоль канала, атмосфера раскаляется до 30 тыс. градусов Цельсия. В результате этого возникают взрывообразные колебания воздуха и возникает гром. Гром и молния тесно взаимосвязаны друг с другом: длина разряда нередко составляет около восьми километров, поэтому звук с разных его участков доходит в разное время, образуя громовые раскаты.

Интересно, что измеряя время, которое прошло между громом и молнией, можно узнать, насколько далеко находится эпицентр грозы от наблюдателя.

Для этого нужно умножить время между молнией и громом на скорость звука, который составляет от 300 до 360 м/с (например, если промежуток времени составляет две секунды, эпицентр грозы находится немногим более чем в 600 метрах от наблюдателя, а если три – на расстоянии километра). Это поможет определить, удаляется или приближается гроза.

Удивительный огненный шар

Одним из наименее изученных, а потому наиболее таинственных явлений природы считается шаровая молния – передвигающийся по воздуху святящийся плазменный шар. Загадочен он потому, что принцип формирования шаровой молнии неизвестен и поныне: несмотря на то, что существует большое число гипотез, объясняющих причины появления этого удивительного явления природы, на каждую из них нашлись возражения. Учёным так и не удалось опытным путём добиться образования шаровой молнии.

Шарообразная молния способна существовать длительное время и перемещаться по непрогнозируемой траектории. Например, она вполне способна зависать несколько секунд в воздухе, после чего метнуться в сторону.

В отличие от простого разряда, плазменный шар всегда бывает один: пока не было одновременно зафиксировано двух и больше огненных молний. Размеры шаровой молнии колеблются от 10 до 20 см. Для шаровой молнии характерны белый, оранжевый или голубой тона, хотя нередко встречаются и другие цвета, вплоть до чёрного.

Ученые еще не определили температурные показатели шаровой молнии: несмотря на то, что она по их подсчётам должна колебаться от ста до тысячи градусов Цельсия, люди, находившиеся недалеко от этого феномена, не ощущали исходившей от шаровой молнии теплоты.

Основная трудность при изучении этого феномена состоит в том, что зафиксировать его появление учёным удаётся редко, а показания очевидцев часто ставят под сомнение тот факт, что наблюдаемое ими явление действительно являлось шаровой молнией. Прежде всего, расходятся показания относительно того, в каких условиях она появилась: в основном её видели во время грозы.

Существуют также показания, что шаровая молния может появляться и в погожий день: спуститься с облаков, возникнуть в воздухе или появиться из-за какого-нибудь предмета (дерева или столба).

Ещё одной характерной особенностью шаровой молнии является её проникновение в закрытые комнаты, была замечена даже в кабинах пилотов (огненный шар может проникать через окна, спускаться по вентиляционным каналам и даже вылетать из розеток или телевизора). Также были неоднократно задокументированы ситуации, когда плазменный шар закреплялся на одном месте и постоянно там появлялся.

Нередко появление шаровой молнии не вызывает неприятностей (она спокойно движется в воздушных потоках и через какое-то время улетает или исчезает). Но, были замечены и печальные последствия, когда она взрывалась, моментально испаряя находящуюся неподалёку жидкость, плавя стекло и металл.

Возможные опасности

Поскольку появление шаровой молнии всегда неожиданно, увидев возле себя этот уникальный феномен, главное, не впадать в панику, резко не двигаться и никуда не бежать: огненная молния очень восприимчива к колебаниям воздуха. Необходимо тихо уйти с траектории движения шара и постараться держаться от неё как можно дальше. Если человек находится в помещении, нужно потихоньку дойти до оконного проёма и открыть форточку: известно немало историй, когда опасный шар покидал квартиру.

В плазменный шар ничего нельзя бросать: он вполне способен взорваться, а это чревато не только ожогами или потерей сознания, но остановкой сердца. Если же случилось так, что электрический шар зацепил человека, нужно перенести его в проветриваемую комнату, теплее укутать, сделать массаж сердца, искусственное дыхание и сразу же вызвать врача.

Что делать в грозу

Когда начинается гроза и вы видите приближение молнии, нужно найти укрытие и спрятаться от непогоды: удар молнии нередко смертелен, а если люди и выживают, то часто остаются инвалидами.

Если же никаких построек поблизости нет, а человек в это время в поле, он должен учитывать, что от грозы лучше спрятаться в пещере. А вот высоких деревьев желательно избегать: молния обычно метит в самое большое растение, а если деревья имеют одинаковую высоту, то попадает в то, что лучше проводит электричество.

Чтобы защитить отдельно стоящее строение или конструкцию от молнии, возле них обычно устанавливают высокую мачту, наверху которой закреплён заострённый металлический стержень, надёжно соединённый с толстым проводом, на другом конце находится закопанный глубоко в землю металлический предмет. Схема работы проста: стержень от грозовой тучи всегда заряжается противоположным облаку зарядом, который, стекая по проводу под землю, нейтрализует заряд тучи. Это устройство называется громоотвод и устанавливается на всех зданиях городов и других людских поселений.

I. Вступительное слово.

II. Как образуется дождь? Обсуждение ситуации.

III. Изложение теоретического материала.

IV. Заключительное слово.

I. Вступительное слово

II. Как образуется дождь? Обсуждение ситуации.

Образование дождя происходит благодаря процессу круговорота воды в природе. В науке он называется «гидрологическим циклом». В чем его суть? Солнце нагревает поверхность Земли достаточно сильно, чтобы начался процесс испарения воды отовсюду, где она есть, — с луж, рек, озер, морей, океанов и т. д.

III. Изложение теоретического материала.

Благодаря испарению молекулы воды поднимаются высоко в воздух, образуя облака и тучи. Ветер уносит их в небе на много километров в сторону. Молекулы воды объединяются, постепенно образуя все более и более тяжелые структуры. В конце концов формируется капля, которая уже достаточно тяжела. Из-за этого капля летит вниз. Когда этих капель много, возникает дождь. Он может быть легким, немного накрапывающим, а может быть и сильным ливнем.

Очень важная особенность круговорота воды в природе заключается в том, что в результате испарения моря и океаны теряют больше воды, нежели чем получают во время осадков. На суше же все наоборот — количество полученной воды намного больше во время осадков, нежели ее потери во время испарения. Этот природный механизм позволяет поддерживать строго определенный баланс между соотношением количества воды в морях и на суше, что важно для непрерывного процесса круговорота воды и равного количества осадков по всему земному шару.

Вот таким образом и происходит круговорот воды в природе, который необходим для развития жизни на Земле. А дождь — это один из этапов круговорота воды

Радуга – одно из тех необычных оптических явлений, которыми природа порой радует человека. С давних пор люди пытались объяснить возникновение радуги. Наука в значительной мере приблизилась к пониманию процесса возникновения явления, когда в середине XVII века чешский ученый Марк Марци обнаружил, что световой луч неоднороден по своей структуре. Несколько позже Исаак Ньютон изучил и объяснил явление дисперсии световых волн. Как теперь известно, световой луч преломляется на границе двух прозрачных сред, имеющих различную плотность.

Инструкция

Как установил Ньютон, белый световой луч получается в результате взаимодействия лучей разного цвета: красного, оранжевого, желтого, зеленого, голубого, синего, фиолетового. Каждый цвет характеризуется определенной длиной волны и частотой колебаний. На границе прозрачных сред скорость и длина световых волн изменяются, частота колебаний остается прежней. Каждый цвет имеет свой собственный коэффициент преломления. Меньше всего от прежнего направления откланяется луч красного цвета, чуть больше оранжевый, затем желтый и т. д. Наибольший коэффициент преломления имеет фиолетовый луч. Если на пути светового луча установить стеклянную призму, то он не только отклонится, но и распадется на несколько лучей разного цвета.

А теперь о радуге. В природе роль стеклянной призмы выполняют дождевые капли, с которыми сталкиваются солнечные лучи при прохождении через атмосферу. Поскольку плотность воды больше плотности воздуха, световой луч на границе двух сред преломляется и разлагается на составляющие. Далее цветовые лучи движутся уже внутри капли до столкновения с ее противоположной стенкой, которая также является границей двух сред, и, к тому же, обладает зеркальными свойствами. Большая часть светового потока после вторичного преломления будет продолжать движение в воздушной среде за каплями дождя. Некоторая же его часть отразится от задней стенки капли и выйдет в воздушную среду после вторичного преломления на передней ее поверхности.

Процесс этот происходит сразу во множестве капель. Чтобы увидеть радугу, наблюдатель должен стоять спиной к Солнцу и лицом к стене дождя. Спектральные лучи выходят из дождевых капель под разными углами. От каждой капли в глаз наблюдателя попадает только один луч. Лучи, выходящие из соседних капель сливаются, образуя цветную дугу. Таким образом, от самых верхних капель в глаз наблюдателя попадают лучи красного цвета, от тех, что ниже – оранжевого и т. д. Сильнее всего откланяются фиолетовые лучи. Фиолетовая полоска будет нижней. Радугу в форме полукруга можно видеть, когда Солнце находится под углом не более чем 42° относительно горизонта. Чем выше поднимается Солнце, тем меньше размеры радуги.

Вообще-то, описанный процесс несколько сложнее. Световой луч внутри капли отражается многократно. При этом может наблюдаться не одна цветовая дуга, а две – радуга первого и второго порядка. Внешняя дуга радуги первого порядка окрашена в красный цвет, внутренняя – в фиолетовый. У радуги второго порядка наоборот. Выглядит она обычно на много бледнее первой, поскольку при многократных отражениях интенсивность светового потока уменьшается.

Молния как физическое явление

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

Для начала необходимо выяснить особенности «поведения» этого природного явления. Как известно, молния – это электрический разряд, который устремляется с неба на землю. Встречая на своем пути какие — либо препятствия, молния сталкивается с ними. Таким образом, очень часто удар молнии поражает высокие деревья, телеграфные столбы, высотные здания, не защищенные громоотводом. Поэтому, если вы находитесь в пределах города, даже и не пытайтесь спрятаться под кронами деревьев и не прислоняйтесь к стенам высоких зданий. То есть нужно запомнить главное правило: молния ударяет в то, что находится выше всего.

Телевизионные антенны, которые в большом количестве располагаются на крышах жилых домов, отлично «притягивают» молнию. Поэтому, если вы находитесь в доме, не включайте никакие электроприборы, в том числе и телевизор. Свет желательно также отключить, так как электропроводка не меньше подвержена ударам молнии .

Если же молния застала вас в лесу или поле, то необходимо помнить о первом правиле и не прислоняться к деревьям или столбам. Желательно вообще приникнуть к земле и не подниматься до окончания грозы . Конечно, если вы находитесь в поле, где вы являетесь самым высоким предметом, риск наиболее вероятен. Поэтому нелишним будет отыскать овраг или просто низину, которые и будут вашим убежищем.

Так можно сделать вывод, что если, находясь в собственной квартире, вы услышите угрожающие раскаты грома и почувствуете приближение грозы – не испытывайте судьбу, не выходите на улицу и переждите это природное явление дома

ПРИЧИНЫ появления молнии

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).

Гром — звуковое явление в атмосфере, сопровождающее разряд молнии. Гром представляет собой колебания воздуха под влиянием очень быстрого повышения давления на пути молнии, вследствие нагревания приблизительно до 30 000 °C. Раскаты грома возникают из-за того, что молния имеет значительную длину, и звук от разных её участков доходит до уха наблюдателя не одновременно. Возникновению раскатов способствуют также отражение звука от облаков и рефракция звуковых волн, распространяющихся по различным путям. Кроме этого, сам разряд происходит не мгновенно, а продолжается некоторое время.

Громкость раскатов грома может достигать 120 децибел.

Расстояние до грозы

Измеряя время, прошедшее между вспышкой молнии и ударом грома, можно приблизительно определить расстояние, на котором находится гроза. Скорость света на несколько порядков выше скорости звука; ею можно пренебречь и учитывать лишь скорость звука, которая составляет 300-360 метров в секунду при температуре воздуха от −50 °C до + 50 °C. Умножив время между вспышкой молнии и ударом грома в секундах на эту величину, можно судить о близости грозы. Три секунды времени между вспышкой и звуком соответствуют примерно одному километру расстояния. Сопоставляя несколько подобных измерений, можно судить о том, приближается ли гроза к наблюдателю (интервал между молнией и громом сокращается) или удаляется (интервал увеличивается). Следует учитывать, что молния имеет значительную протяжённость (до нескольких километров), и, отмечая первые услышанные звуки грома, мы определяем расстояние до ближайшей точки молнии. Как правило, гром слышен на расстоянии до 15-20 километров, таким образом, если наблюдатель видит молнию, но не слышит грома, то гроза находится на расстоянии более 20 километров.

IV. Заключительное слово.

Ребята, надеюсь что теперь будете знать о дожде, радуге, молнии и громе не только как о природных явлениях, но и физических. А о других физических явлениях: полярное сияние, эхо, волны на море, вулканы и гейзеры, землетрясения, мы поговорим в последующих классных часах.

Муниципальное общеобразовательное учреждение

Гимназия «Лаборатория Салахова»

Творческая работа по физике

на тему: Электрические явления в природе: молния

История

Электрическая природа молнии была раскрыта в исследованиях американского физика Б. Франклина, по идее которого был проведён опыт по извлечению электричества из грозового облака. Широко известен опыт Франклина по выяснению электрической природы молнии. В 1750 им опубликована работа, в которой описан эксперимент с использованием воздушного змея, запущенного в грозу. Опыт Франклина был описан в работе Джозефа Пристли.

Физические свойства молнии

Средняя длина молнии 2,5 км, некоторые разряды простираются в атмосфере на расстояние до 20 км.

Формирование молнии

Наиболее часто молния возникает в кучево-дождевых облаках, тогда они называются грозовыми; иногда молния образуется в слоисто-дождевых облаках, а также при вулканических извержениях, торнадо и пылевых бурях.

Обычно наблюдаются линейные молнии, которые относятся к так называемым безэлектродным разрядам, так как они начинаются (и кончаются) в скоплениях заряженных частиц. Это определяет их некоторые до сих пор не объяснённые свойства, отличающие молнии от разрядов между электродами. Так, молнии не бывают короче нескольких сотен метров; они возникают в электрических полях значительно более слабых, чем поля при межэлектродных разрядах; сбор зарядов, переносимых молнией, происходит за тысячные доли секунды с миллиардов мелких, хорошо изолированных друг от друга частиц, расположенных в объёме несколько км³. Наиболее изучен процесс развития молнии в грозовых облаках, при этом молнии могут проходить в самих облаках — внутриоблачные молнии, а могут ударять в землю — наземные молнии. Для возникновения молнии необходимо, чтобы в относительно малом (но не меньше некоторого критического) объёме облака образовалось электрическое поле с напряжённостью, достаточной для начала электрического разряда (~ 1 МВ/м), а в значительной части облака существовало бы поле со средней напряжённостью, достаточной для поддержания начавшегося разряда (~ 0,1-0,2 МВ/м). В молнии электрическая энергия облака превращается в тепловую и световую.

Наземные молнии

Процесс развития наземной молнии состоит из нескольких стадий. На первой стадии, в зоне, где электрическое поле достигает критического значения, начинается ударная ионизация, создаваемая вначале свободными электронами, всегда имеющимися в небольшом количестве в воздухе, которые под действием электрического поля приобретают значительные скорости по направлению к земле и, сталкиваясь с молекулами, составляющими воздух, ионизуют их. По более современным представлениям, разряд инициируют высокоэнергетические космические лучи, которые запускают процесс, получивший название пробоя на убегающих электронах. Таким образом, возникают электронные лавины, переходящие в нити электрических разрядов — стримеры, представляющие собой хорошо проводящие каналы, которые, сливаясь, дают начало яркому термоионизованному каналу с высокой проводимостью — ступенчатому лидеру молнии.

Движение лидера к земной поверхности происходит ступенями в несколько десятков метров со скоростью ~ 50 000 километров в секунду, после чего его движение приостанавливается на несколько десятков микросекунд, а свечение сильно ослабевает; затем в последующей стадии лидер снова продвигается на несколько десятков метров. Яркое свечение охватывает при этом все пройденные ступени; затем следуют снова остановка и ослабление свечения. Эти процессы повторяются при движении лидера до поверхности земли со средней скоростью 200 000 метров в секунду.

По мере продвижения лидера к земле напряжённость поля на его конце усиливается и под его действием из выступающих на поверхности Земли предметов выбрасывается ответный стример, соединяющийся с лидером. Эта особенность молнии используется для создания молниеотвода.

В заключительной стадии по ионизованному лидером каналу следует обратный (снизу вверх), или главный, разряд молнии, характеризующийся токами от десятков до сотен тысяч ампер, яркостью, заметно превышающей яркость лидера, и большой скоростью продвижения, вначале доходящей до ~ 100 000 километров в секунду, а в конце уменьшающейся до ~ 10 000 километров в секунду. Температура канала при главном разряде может превышать 25 000 °C. Длина канала молнии может быть от 1 до 10 км, диаметр — несколько сантиметров. После прохождения импульса тока ионизация канала и его свечение ослабевают. В финальной стадии ток молнии может длиться сотые и даже десятые доли секунды, достигая сотен и тысяч ампер. Такие молнии называют затяжными, они наиболее часто вызывают пожары.

Главный разряд разряжает нередко только часть облака. Заряды, расположенные на больших высотах, могут дать начало новому (стреловидному) лидеру, движущемуся непрерывно со скоростью в тысячи километров в секунду. Яркость его свечения близка к яркости ступенчатого лидера. Когда стреловидный лидер доходит до поверхности земли, следует второй главный удар, подобный первому. Обычно молния включает несколько повторных разрядов, но их число может доходить и до нескольких десятков. Длительность многократной молнии может превышать 1 сек. Смещение канала многократной молнии ветром создаёт так называемую ленточную молнию — светящуюся полосу.

Внутриоблачные молнии

Внутриоблачные молнии включают в себя обычно только лидерные стадии; их длина колеблется от 1 до 150 км. Доля внутриоблачных молний растет по мере смещения к экватору, меняясь от 0,5 в умеренных широтах до 0,9 в экваториальной полосе. Прохождение молнии сопровождается изменениями электрических и магнитных полей и радиоизлучением, так называемыми атмосфериками. Вероятность поражения молнией наземного объекта растет по мере увеличения его высоты и с увеличением электропроводности почвы на поверхности или на некоторой глубине (на этих факторах основано действие громоотвода). Если в облаке существует электрическое поле, достаточное для поддержания разряда, но недостаточное для его возникновения, роль инициатора молнии может выполнить длинный металлический трос или самолёт — особенно, если он сильно электрически заряжен. Таким образом иногда «провоцируются» молнии в слоисто-дождевых и мощных кучевых облаках.

«В каждую секунду около 50 молний ударяются в поверхность земли, и в среднем каждый ее квадратный километр молния поражает шесть раз за год».

Самые мощные молнии вызывают рождение фульгуритов.

Люди и молния

Молнии — серьезная угроза для жизни людей. Поражение человека или животного молнией часто происходит на открытых пространствах т.к. электрический ток идет по кратчайшему пути «грозовое облако-земля». Часто молния попадает в деревья и трансформаторные установки на железной дороге,вызывая их возгорание. Поражение обычной линейной молнией внутри здания невозможно, однако бытует мнение что так называемая шаровая молния может проникать через щели и открытые окна. Обычный грозовой разряд опасен для телевизионных и радиоантенн расположенных на крышах высотных зданий, а также для сетевого оборудования.

В организме пострадавших отмечаются такие же патологические изменения, как при поражении электротоком. Жертва теряет сознание, падает, могут отмечаться судороги, часто останавливается дыхание и сердцебиение. На теле обычно можно обнаружить «метки тока», места входа и выхода электричества. В случае смертельного исхода причиной прекращения основных жизненных функций является внезапная остановка дыхания и сердцебиения, от прямого действия молнии на дыхательный и сосудодвигательный центры продолговатого мозга. На коже часто остаются так называемые знаки молнии, древовидные светло-розовые или красные полосы, исчезающие при надавливании пальцами (сохраняются в течение 1 — 2 суток после смерти). Они — результат расширения капилляров в зоне контакта молнии с телом.

При поражении молнией первая медицинская помощь должна быть неотложной. В тяжелых случаях (остановка дыхания и сердцебиения) необходима реанимация, её должен оказать, не ожидая медицинских работников, любой свидетель несчастья. Реанимация эффективна только в первые минуты после поражения молнией, начатая через 10 — 15 минут она, как правило, уже не эффективна. Экстренная госпитализация необходима во всех случаях.

Жертвы молний

1. В мифологии и литературе:

1. Асклепий, Эскулап — сын Аполлона — бог врачей и врачебного искусства, не только исцелял, но и оживлял мёртвых. Чтобы восстановить нарушенный мировой порядок Зевс поразил его своей молнией.

2. Фаэтон — сын бога Солнца Гелиоса — однажды взялся управлять солнечной колесницей своего отца, но не сдержал огнедышащих коней и едва не погубил в страшном пламени Землю. Разгневанный Зевс пронзил Фаэтона молниями.

2. Исторические личности:

1. Российский академик Г. В. Рихман — в 1753 году погиб от удара молнии.

2. Народный депутат Украины, экс-губернатор Ровенской области В. Червоний 4 Июля 2009 года погиб от удара молнии.

· Рой Салливан остался живым после семи ударов молнией.

· Американский майор Саммерфорд умер после продолжительной болезни (результат удара третьей молнией). Четвертая молния полностью разрушила его памятник на кладбище.

· У индейцев Анд удар молнией считается необходимым для достижения высших уровней шаманской инициации.

Деревья и молния

Ствол пораженного молнией тополя

Высокие деревья — частая мишень для молний. На реликтовых деревьях-долгожителях легко можно найти множественные шрамы от молний. Считается, что одиночно стоящее дерево чаще поражается молнией, хотя в некоторых лесных районах шрамы от молний можно увидеть почти на каждом дереве. Сухие деревья от удара молнии загораются. Чаще удары молнии бывают направлены в дуб, реже всего — в бук, что, по-видимому, зависит от различного количества жирных масел в них, представляющих большое сопротивление электричеству.

Молния проходит в стволе дерева по пути наименьшего электрического сопротивления, с выделением большого количества тепла, превращая воду в пар, который раскалывает ствол дерева или чаще отрывает от него участки коры, показывая путь молнии. В следующие сезоны деревья обычно восстанавливают поврежденные ткани и могут закрывать рану целиком, оставив только вертикальный шрам. Если ущерб является слишком серьезным, ветер и вредители в конечном итоге убивают дерево. Деревья являются естественными громоотводами, и, как известно, обеспечивают защиту от удара молнии для близлежащих зданий. Посаженные возле здания, высокие деревья улавливают молнии, а высокая биомасса корневой системы помогает заземлять разряд молнии.

Из деревьев, пораженных молнией, делают музыкальные инструменты, приписывая им уникальные свойства.

С чего начинается молния – Огонек № 18 (5514) от 21.05.2018

За красными гоблинами, эльфами и голубыми струями теперь будут наблюдать с МКС. Но даже с земли ученым многое видно: от встречных лидеров до сталкеров. В науке о молниях — сезон открытий

На МКС доставлен комплекс приборов ASIM, задача которого приоткрыть тайны переходных световых явлений, сообщили информагентства. За скучной формулировкой — научный детектив: в конце 1980-х ученые обнаружили в верхних слоях атмосферы во время гроз нечто странное. Как оказалось, там имеют место особые световые явления, или TLE (от англ. Transient Luminous Events). Говорят, их наблюдали и раньше, в частности пилоты самолетов, но фундаментальная наука занимается этой загадкой лишь пару десятилетий. Эти феномены даже окрестили необычно — спрайтами (они же красные призраки или гоблины — короткие вспышки, которые наблюдают в основном в ночное время), эльфами (самые высотные и кольцеобразные) и голубыми струями. С чем столкнулась наука, «Огонек» выяснил в Лаборатории физики молний Института прикладной физики РАН.

— Все грозовые разряды делятся на три типа: облако — земля (это те самые молнии, которые мы видим), внутриоблачные разряды и разряды облако — ионосфера. Так вот TLE — это и есть разряды над грозовыми облаками,— поясняет «Огоньку» сотрудник Лаборатории Мария Шаталина.— Для того чтобы образовался такой разряд, должна быть мощная облачность, что в наших широтах редкость, поэтому их чаще наблюдают в Европе и Америке. Однако у нас в Лаборатории недавно запустили экспериментальную установку, с помощью которой мы моделируем такие разряды.

В чем научная значимость проекта по изучению TLE из космоса? Специалисты, опрошенные «Огоньком», единодушны: с ними, как и с молниями в целом, остается много загадок. А в Лаборатории физики молний поясняют: известно, что TLE возникают, когда при мощных грозовых событиях создается разница потенциалов между грозовым облаком и ионосферой и разряд может пойти вверх. Но есть ли еще какие-то условия для их возникновения? Вопрос открыт. Как открыт и другой: как влияют эти световые явления на состав верхних слоев атмосферы? Известно, что во время грозы внизу, под облаками, выделяется озон. Но что происходит наверху, ведь в электрическом поле химические реакции протекают по-другому? Тут и пригодится комплекс ASIM.

— Можно сказать, что новый феномен, который ASIM будет изучать,— это окно во внутренние процессы, происходящие в молнии,— подчеркивает в одном из интервью ведущий исследователь проекта, физик из Дании Торстен Нейберт.

Проект только начался, но перспективы у него самые радужные, ведь в последние годы наука семимильными шагами продвигается в изучении молний. Судите сами. Как отмечает Мария Шаталина из Лаборатории физики молний, только недавно были открыты так называемые компактные внутриоблачные разряды — очень мощные и редкие, их приходится изучать со спутников. А вот другое открытие: благодаря высокочувствительным скоростным инфракрасным камерам российскими учеными из Высоковольтного научно-исследовательского центра ВЭИ обнаружен новый тип зарядов — так называемые сталкеры.

— Они идут перед лидерным разрядом и показывают, как он будет развиваться,— уточняет Шаталина.— Одно из важных направлений в науке о молниях — это попытка их предсказать, выяснить условия возникновения, вероятность, мощность и направление разряда… Так вот, изучение сталкеров помогает прояснить эти вопросы.

Впрочем, человек давно мечтает не просто предсказывать молнии, но и «управлять» ими.

Американские ученые из Флориды экспериментируют с так называемыми триггерными молниями (запускают в грозовое облако ракеты с заземленной проволокой, пытаясь спровоцировать появление разряда).

Это не просто научное любопытство: возможно, когда-нибудь с помощью подобных технологий мы научимся «разряжать» надвигающиеся грозы… А, к примеру, подмосковные специалисты исследуют, при каких условиях заряд может попасть в самолет, пролетающий через грозовое облако: эксперименты проводятся на моделях, причем моделируют и облако, и самолет.

Наука о молниях не только открывает новые горизонты, но и пересматривает имеющиеся взгляды. Еще одно открытие, буквально переворачивающее наши представления о молниях, связано с явлением, которое названо «встречный лидер». Речь вот о чем: ранее считалось, что молния бьет сверху вниз, из облака в землю. Однако благодаря современным высокоскоростным съемкам выяснилось: когда сверху, из облака, стартует лидер (так называют первую стадию образования грозового разряда), ему навстречу, с земли, идет встречный разряд, а соединяются они на высоте в несколько десятков метров над поверхностью земли. То есть, когда молния бьет в дерево (или, не дай бог, в человека), она бьет не сверху, а снизу! Это очень быстрый процесс, незаметный глазу,— несколько сотен миллисекунд, но его открытие, по сути, — маленькая революция.

Впрочем, загадок, связанных с молниями и грозами, на наш век хватит: до сих пор не очень понятно, как устроена шаровая молния и почему возникает. Как нет эффективных инструментов, скажем, по прогнозированию гроз.

— Грозы происходят в атмосфере, а это многофазная, сильно дисперсная система: там есть лед, вода, газы, ионы, все это взаимодействует, и просчитать все факторы пока не представляется возможным,— объясняет Мария Шаталина.— Вероятность возникновения грозы, конечно, частично коррелирует с многолетним опытом наблюдений, но мы хотим точно знать, будет ли гроза, как долго она продлится и почему возникает именно в этом регионе. Или еще вопрос: при каких условиях бывают положительные, а при каких отрицательные вспышки? Известно, допустим, что положительно заряженные, очень мощные вспышки возникают там, где в атмосферу попадают продукты вулканической деятельности и природных пожаров. Но как именно это происходит? Все это до сих пор требует исследований.

Ученые, подчеркивает Шаталина, прежде всего хотят понять, как вся эта глобальная атмосферная электрическая цепь влияет на климат и жизнь на Земле, на человека. Хотя вопрос легко можно и переформулировать: а как человек может повлиять на нее?

Экспертиза

Атмосфера загадок

Дмитрий Зыков, директор фонда «Наука, культура и жизнь», доцент МГИМО

Когда я учился в школе, казалось, что про молнию уже все известно. Нам уверенно рассказывали, что у земли и облака есть разноименные заряды: когда они сближаются на критическое расстояние, происходит разряд — его-то и видно, и слышно с земли. Однако с развитием измерительных приборов и накоплением научных данных оказалось, что это лишь часть правды. Ну, например, выяснилось, что молнии могут быть не только между землей и облаком, но и между разноименно заряженными облаками. Или что бывает молния, сопровождающаяся дождем, и та, что дождем не сопровождается. Или что молнии часто сопровождают торнадо, только их природа совершенно иная (так называемые наведенные заряды образуются из-за того, как именно работает торнадо,— это чистая электростатика). В результате сегодня мы многое знаем о молниях, но чем больше наука узнает, тем больше возникает вопросов, открываются все новые детали, которые надо уточнять. Вот, скажем, у теоретического отдела Физического института Академии наук есть площадка на Алтае: там наблюдают за молниями. Еще лет 10 назад на этой площадке в день фиксировалось по 15–20 разрядов, а сейчас это месячный показатель. Почему он упал? Вопрос. Возможно, что-то случилось с электрическим полем атмосферы (в атмосфере электрически заряжено все, от осадков до пыли.— «О»). Но с чем это связано? С климатом? Тогда как именно действует эта связь?

В климатологии сегодня вообще больше вопросов, чем ответов. Откуда берутся землетрясения, провоцирующие цунами? От чего зависит вулканическая активность?

Да что там, мы даже не знаем, почему, к примеру, из части вулканов идет жидкая магма, а другие вулканы выбрасывают только камни и дым. Или вернемся к молниям: известно, что электромагнитное поле Земли и грозовая активность тесно связаны. Так вот сегодня нас пугают сменой магнитных полюсов Земли. Может ли это произойти? И если да, то в какую сторону будут изменения? Как это скажется на той же самой грозовой активности? Наблюдения за свечением в верхних слоях атмосферы могут дать ответ хотя бы на часть этих вопросов. К тому же такие исследования в некоторой степени экономически оправдывают существование дорогой игрушки вроде МКС: позволяют набрать статистику, опробовать новейшие приборные комплексы и, вполне возможно, использовать полученные данные для более точного предсказания погоды. А это уже совершенно конкретные деньги, причем немалые…

Как часто бывает с фундаментальной наукой, мы не способны предсказать практическую пользу, которую в итоге получим от нынешних исследований. Но можно не сомневаться, она будет. Напомню: исследование квантовых переходов вылилось в появление светодиодов, а лазеры, начинавшиеся как чистая наука, сегодня используются на производстве. Схожие перспективы может открыть и изучение TLE. К примеру, если это подскажет нам, как убрать помехи при передачи данных со спутников во время грозы, уже неплохо.

Брифинг

Александр Раевский, Московский физико-технический институт

Многие секреты молнии до сих пор не разгаданы. Облако не может так наэлектризовать себя, чтобы между ним и землей возник разряд. Напряженность электрического поля в грозовом облаке не превышает 400 киловольт на метр (кВ/м), а электрический пробой в воздухе происходит при напряженности свыше 2500 кВ/м. Значит, для возникновения молнии необходимо что-то еще. По мнению ученых из группы Александра Гуревича, процесс «запускают» космические лучи — частицы высоких энергий, обрушивающиеся на Землю из космоса.

Источник: «Вечерняя Москва»

Николай Калинин, завкафедрой метеорологии и охраны атмосферы географического факультета ПГНИУ

Существует несколько видов молний. Наиболее распространенная — линейная. Еще есть четочная молния — обычно появляется между двумя тучами, образуя прерывистую линию светящихся пятен. Еще один вид — плоская — электрический разряд на поверхности облаков, не имеющий линейного характера и состоящий, по-видимому, из светящихся разрядов. И шаровая — выглядит как светящееся и плавающее в воздухе образование. Ученый-физик Капица считал, что шаровая молния имеет радиоволновую природу, поэтому она проходит по проводам через стены и дымоходы.

Источник: «59.ру»

Александр Костинский, участник международной коллаборации «Молния и ее проявления»

— Откуда взялись такие сказочные названия, как эльфы, духи, спрайты?

— Эльфы — это сокращение от английского Emissions of Lightand Very Low Frequency Perturbations from Electromagnetic Pulse Sources (Elves), по звучанию оно напоминает название мифических эльфов. Спрайты — это танцующие воздушные сказочные создания. Когда открывали все новые по формам классы разрядов, то там были и carrots, морковки, и гномы, и медузы и т.д. Эти названия не просто шутки геофизиков, но и способ привлечь к изучению новых явлений внимание, а с ним и финансирование.

Источник: «Индикатор»

Над грозой: космическая охота за молниями

8 апреля 2018

Автор фото, ESA/NASA

Международная космическая станция предоставляет уникальные возможности слежения за погодными явлениями Земли

Грозы — одно из самых впечатляющих явлений в природе. Но то, что мы видим с поверхности планеты, — это лишь «верхушка айсберга», пишет корреспондент BBC News по вопросам науки Мэри Холтон.

В верхних слоях земной атмосферы с молниями происходят вообще причудливые события, и новая научная миссия стремится исследовать их.

Для этого на Международной космической станции (МКС) будет действовать специальный комплекс наблюдения за взаимодействием космоса и атмосферы — Atmosphere-Space Interactions Monitor (ASIM).

Уже к концу апреля он начнет следить за странными электрическими феноменами, которые происходят над грозами.

Небесная лаборатория

Для просмотра этого контента вам надо включить JavaScript или использовать другой браузер

Молнии на планете Земля: таймлапс с МКС

Находясь на 400-километровой орбите, МКС имеет идеальный обзор всех турбулентных погодных систем на Земле.

Электрические разряды штормов все время видны с космической станции.

И когда молния ударяет в землю, над облаками происходит нечто совершенно отличное.

Этот необычный феномен, известный как «переходные световые явления» (Transient Luminous Events, TLE) ученые обнаружили случайно в 1989 году.

Как-то американский профессор из Университета Миннесоты Джон Рэндольф Уинклер накануне старта ракеты проверял работу телекамеры. Неожиданно ученый обратил внимание на то, что на двух кадрах зафиксировались яркие столбы света над дальними штормовыми облаками.

Тогда это открытие шокировало ученых.

Автор фото, OTD/LIS, NASA Marshall Space Flight Center

Удары молний сосредотачиваются над материками — больше всего их в Африке и Южной Америке

Среди исследователей, решивших заняться феноменом, был и нынешний ведущий исследователь команды ASIM Торстен Нойберт — физик из Датского технического университета.

«Это всех нас очень удивило. Как это возможно, что такое существует, а мы об этом до сих пор не знали? Похоже, это явление известно пилотам — есть несколько рассказов очевидцев (подобных процессов — Ред.)», — прокомментировал Нойберт.

Добрую половину века до снимков Уинклера те, кто замечал подобные вспышки (переходные люминесцентные явления (TLE), обычно описывали их как восходящие лучи, или «молнии наоборот» — направленные не вниз, к Земле, а вверх.

Из-за их быстротечной природы и загадочности эти явления назвали «спрайтами» и «эльфами».

• Название «спрайт» произошло от английского sprite, то есть «фея», «эльф». С точки зрения физики, это вид электрических разрядов холодной плазмы, бьющей в мезосфере и термосфере. В русскоязычной литературе их иногда также называют «призраками» и «красными призраками» — Ред.

Однако, несмотря на уменьшительно-ласкательное название, которым прозвали феномен, на самом деле вспышки эти совсем не маленькие: они простираются в атмосфере на десятки километров.

Красные призраки, эльфы и голубые струи

Автор фото, Jason Ahrns

Спрайты, или красные призраки, могут длиться несколько миллисекунд

Итак, как же образуются эти явления?

«Они несколько отличаются от молний, — рассказывает Би-би-си физик Торстен Нойберт. — Это пульсация электрического поля, движущаяся вверх. В месте, где атмосфера становится тонкой, в поле может образоваться электрический разряд. В таком случае мы говорим о спрайте».

Спрайты, или красные призраки, возникают через миллисекунды после мощного удара молнии.

Эльфы, в свою очередь, образуются вследствие уже не электрической, а электромагнитной пульсации, вызванной ударом молнии. Мгновенный, подобный ауре, ареол эльфа невозможно заметить невооруженным глазом. Возникая в ионосфере, он длится менее одной миллисекунды.

Но, несмотря на свою неуловимость, природу эльфов удалось на удивление хорошо изучить, считает Мартин Фуллекруг из Университета Бата в Великобритании.

Это наиболее распространённые вспышки TLE, возникающие, по мнению ученых, вдвое чаще, чем спрайты.

«Джеты не слишком хорошо изучены, поскольку они едва заметны. Чаще всего они голубого цвета. Кроме того, они не всегда связаны с молнией. Они появляются неожиданно и очень загадочны», — уточняет Фуллекруг.

Эльфов обычно замечают над теплыми водами океанов, красные призраки (или спрайты) чаще появляются над сушей.

Лучше всего их наблюдать из Северной Америки, Демократической Республики Конго и Южной Африки.

Но их можно видеть и из других мест.

Обычная летняя гроза в Великобритании, как правило, простирается над территорией протяженностью около 10 километров. Красные призраки возникают над мезомасштабными конвективными системами (МКС) — штормовыми облаками, покрывающими в 10 раз большее расстояние.

• Мезомасштабными конвективными системами (или комплексами) метеорологи называют большие скопления кучеряво-дождевых облаков с почти круговой формой, возникающие в тропиках и в умеренных широтах.— Ред.

«В Британии время от времени тоже случаются такие грозы, — уточняет доктор Фуллекруг. — Сейчас мы исследуем одну из них, произошедшую в мае прошлого года. Во время нее образовалась прекрасная череда спрайтов» [над графством Корнуолл на юго-западе Англии — Ред.].

Тогда красных призраков удалось запечатлеть наблюдателям метеоритов, камеры которых были настроены таким образом, чтобы можно было видеть след падающих звезд.

Космические охотники за грозами

Автор фото, Science Photo Library

Спрайты возникают над вершинами облаков

Главная задача ASIM — изучить физику переходных люминесцентных явлений (TLE) и свойства гроз, которые их порождают.

В составе спецоборудования — две камеры, способные делать 12 фотографий в секунду, рентген и детектор гамма-излучений.

Эта техника позволит международной команде ученых, для многих из которых это исследование является кульминацией десятков лет работы, определить, где именно в облаках возникают красные призраки и голубые стрелы.

Благодаря помощи Европейского космического агентства, миссия ASIM запланирована как минимум на два года.

За это время ученые надеются исследовать по одной вспышке TLE в день, хотя в мире они происходят, по существующим оценкам, ежеминутно.

Для физика Нойберта это время будет невероятно захватывающим.

«Мы ведь толком не знаем, как устроена молния. Она возникает так быстро, и так опасна… Добраться до физических процессов, которые происходят внутри нее, довольно сложно», — говорит ученый.

В тонких верхних слоях атмосферы вспышки TLE шире, и лучше поддаются исследованиям.

При этом сам Нойберт признается: «Для меня это окно, позволяющее заглянуть внутрь молнии».

Полярное сияние | Международный атлас облаков

Определение: Полярное сияние: световое явление в виде дуг, полос, штор или занавесей в верхней атмосфере.

Полярное сияние возникает в результате взаимодействия солнечного ветра с магнитным полем Земли. Солнечный ветер обычно усиливается при максимальной солнечной активности, которая циклически наблюдается каждые 10–12 лет. На стадии роста солнечной активности пятна на Солнце обозначают зоны магнитной солнечной активности, связанные с солнечными вспышками и коронарными массовыми выбросами. На стадии снижения возрастающая скорость солнечного ветра часто связана с коронарными дырами, которые позволяют заряженным частицам улетать вдоль линий магнитного поля.

Полярное сияние вызвано электрически заряженными частицами, излучаемыми Солнцем (солнечный ветер), воздействующими на разреженные газы в верхней атмосфере. Эти частицы, в основном электроны и протоны, захватываются магнитным полем Земли и сталкиваются с атомами и молекулами газов в верхней атмосфере (термосфере и экзосфере). В результате столкновений электроны атомов азота и кислорода на время переходят в «возбужденное» энергетическое состояние. После их возвращения в нормальное энергетическое состояние некоторая часть высвобожденной энергии излучается в виде фотонов света с разной длиной волны. Полярное сияние чаще всего наблюдается в дугах вокруг магнитных полюсов («авроральных овалах»).

Коронарные массовые выбросы или солнечные вспышки могут на время усиливать солнечный ветер, достигающий магнитосферы Земли, иногда вызывая геомагнитные бури. В это время авроральные овалы на время увеличиваются, и полярное сияние можно наблюдать в более низких широтах. В Северном полушарии полярное сияние обысно называется «северное сияние» (aurora borealis). В Южном полушарии оно называется «южное сияние» (aurora australis). Полярное сияние в основном наблюдается на высотах от примерно 90 км до 150 км, но иногда опускается до 60 км, а в некоторых случаях поднимается до 1000 км и более.

странных, загадочных, озадачивающих и смертоносных

Примеры шаровой молнии — светящиеся электрические шары в небе — очаровывали и загадывали нас на протяжении веков. Причудливое явление, также известное как глобусная молния, обычно появляется во время грозы в виде парящей сферы, цвет которой может варьироваться от синего до оранжевого и желтого, и исчезает в течение нескольких секунд. Иногда это сопровождается шипением и резким запахом.

Молния — это электрический разряд, вызванный положительным и отрицательным дисбалансом внутри самих облаков или между грозовыми облаками и землей.Вспышка молнии может нагреть воздух вокруг себя до температуры, в пять раз превышающей температуру поверхности солнца. Тепло заставляет окружающий воздух быстро расширяться и вибрировать, что создает гром.

Одно из первых зарегистрированных наблюдений за шаровой молнией произошло в 1638 году, когда «большой огненный шар» прошел через окно английской церкви. Этот и другие ранние отчеты предполагают, что шаровая молния может быть смертельной.

По крайней мере, в одном исследовании была высказана теория, что около половины всех наблюдений шаровых молний — это галлюцинации, вызванные магнитными полями во время штормов.Тем не менее, ученые, похоже, согласны с тем, что шаровая молния реальна, даже если они еще не до конца понимают, что ее вызывает.

Исследователи из Ланьчжоу, Северо-Западного педагогического университета Китая, случайно зафиксировали событие шаровой молнии во время изучения грозы 2012 года с помощью видеокамер и спектрометров. Мяч появился сразу после удара молнии и пролетел горизонтально около 10 метров (33 фута). Спектрометр обнаружил в шаре кремний, железо и кальций, которые также присутствовали в местной почве.

Съемка рождения молнии

Используя одну из самых быстрых камер в мире, исследователь National Geographic пытается запечатлеть рождение молнии. ПРИМЕЧАНИЕ РЕДАКТОРА: вместе со своим сыном Полом и охотником за штормами Карлом Янгом — его давними соратниками — исследователь National Geographic и охотник за штормами Тим Самарас погиб во время торнадо в Эль-Рино, штат Оклахома, 31 мая 2013 года.

Статья исследователей из Ланьчжоу поддерживает теорию о том, что шаровая молния возникает в результате удара о землю, который вызывает реакцию между кислородом и испаренными элементами из почвы.Этот ионизированный воздух или плазма — это то же состояние, при котором возникает огонь Святого Эльма, стационарное свечение, которое иногда путают с шаровой молнией.

Согласно другой теории, опубликованной в 2012 году, присутствие стекла может генерировать шаровую молнию. Атмосферные ионы могут накапливаться на поверхности окна, создавая электрическое поле на другой стороне, достаточное для генерации разряда. Другое исследование, опубликованное в 2016 году, предполагает, что микроволновое излучение, возникающее при ударе молнии о землю, может заключаться в плазменном пузыре, что приводит к возникновению шаровой молнии.

Шаровая молния также связана с землетрясениями. Редкие вспышки света, которые иногда наблюдаются во время землетрясений, могут принимать разные формы: голубоватое пламя, которое, кажется, исходит из земли на уровне лодыжки; быстрые вспышки яркого света, напоминающие обычные удары молнии, за исключением того, что они исходят от земли, а не с неба; и парящие шары, известные как шаровые молнии. В исследовании источников света при землетрясениях в 2014 году исследователи пришли к выводу, что некоторые породы имеют тенденцию выделять электрические заряды при ударе сейсмической волны, вызывая красочные световые эффекты.

Стремясь понять, как происходит шаровая молния, ученые попытались ее воссоздать. В 2006 году исследователи из израильского университета Тель-Авива создали лабораторную версию шаровой молнии с использованием микроволнового луча. В 2018 году квантовые физики продемонстрировали синтетическое узловое магнитное поле, которое отражает и, возможно, помогает объяснить шаровую молнию.

Но, несмотря на все эти исследования и лабораторные эксперименты, шаровая молния по-прежнему не может быть прижата. Ученые говорят, что им нужно многое узнать об этом загадочном явлении.

Гром и молния | Центр естественнонаучного образования UCAR

Кредит: UCAR

Молния — самый впечатляющий элемент грозы. Собственно, так и получили свое название грозы. Погодите, какое отношение гром имеет к молнии? Ну а молния вызывает гром .

Молния — разряд электричества. Один удар молнии может нагреть воздух вокруг себя до 30 000 ° C (54 000 ° F)! Этот экстремальный нагрев приводит к взрывному расширению воздуха.Расширение создает ударную волну, которая превращается в гулкую звуковую волну, известную как гром .

Что происходит в облаке?

Когда кристаллы льда высоко внутри грозового облака движутся вверх и вниз в турбулентном воздухе, они врезаются друг в друга. Маленькие отрицательно заряженные частицы, называемые электронами, отталкиваются от одного льда и добавляются к другому льду, когда они сталкиваются друг с другом. Это разделяет положительный (+) и отрицательный (-) заряды облака. Верхняя часть облака становится положительно заряженной, а основание облака — отрицательно заряженной.

Как образуется молния?

Поскольку противоположности притягиваются, отрицательный заряд внизу грозового облака хочет соединиться с положительным зарядом земли. Как только отрицательный заряд внизу облака становится достаточно большим, поток отрицательного заряда, называемый ступенчатым лидером, устремляется к Земле. Положительные заряды на земле притягиваются к ступенчатому лидеру, поэтому положительный заряд течет вверх от земли. Когда ступенчатый лидер и положительный заряд встречаются, сильный электрический ток переносит положительный заряд вверх в облако.Этот электрический ток известен как обратный ход. Мы видим это как яркую вспышку молнии.

Гром и молния возникают примерно в одно и то же время, хотя вы видите вспышку молнии раньше, чем слышите гром. Это потому, что свет распространяется намного быстрее звука.

Что дает молнии такой удар?

Молния возникает, когда отрицательные заряды (электроны) в нижней части облака притягиваются к положительным зарядам (протонам) в земле.

Накопление электрических зарядов должно быть достаточно большим, чтобы преодолеть изоляционные свойства воздуха. Когда это происходит, поток отрицательных зарядов льется вниз к высокой точке, где скопились положительные заряды из-за притяжения грозового разряда.

Соединение установлено, и протоны устремляются вверх, чтобы встретиться с электронами. Именно в этот момент мы видим молнию и слышим гром. Молния нагревает воздух на своем пути, заставляя его быстро расширяться.Гром — это звук, вызываемый быстро расширяющимся воздухом.

Электрические явления — обзор

16.4.1 Пьезоэлектрический метод

Наблюдение пьезоэлектрического эффекта в горных породах является примером электрического метода, основанного на электрическом явлении, отличном от описанного в уравнениях Максвелла, как мы имеем так часто говорилось о них в основной части этой книги ³ . Как вы помните, уравнения Максвелла использовались для включения набора законов наблюдения в основу общей теории электрических и магнитных эффектов.Эти законы включают наблюдение Ома о том, что в нормальном проводящем материале напряженность электрического поля и плотность тока пропорциональны друг другу, наблюдение Ампера о том, что предсказуемое магнитное поле сопровождает поток тока, и наблюдение Фарадея о том, что изменяющееся во времени магнитное поле создает электрическое поле. поле.

На самом деле существует множество явлений, помимо индуцированных изменяющихся во времени магнитных полей, которые могут генерировать электрические поля в земле. Некоторые из них представляют собой термически возбужденные эффекты, такие как эффект Зеебека, эффект Пельтье и эффект Томпсона, признанные в первой половине XIX века.В каждом из них тепловой градиент возбуждает электрическое поле. В эффекте Холла комбинированное электрическое и магнитное поля в соответствующих направлениях вызовет появление подчиненной компоненты электрического поля в направлении, ортогональном первичному электрическому и магнитному полям (см. Главу 10). Электрокинетический эффект вызывает появление градиента напряжения, когда вода протекает через полупроницаемый материал, такой как скала. Сегнетоэлектрический эффект состоит из спонтанного выравнивания электрических диполей в материале за счет взаимного взаимодействия; встречается довольно редко.Пьезоэлектрический эффект возникает, когда твердый материал деформируется таким образом, что распределение элементарных зарядов искажается, вызывая развитие электрического поля. Возможно, любой из этих эффектов можно использовать, чтобы узнать что-нибудь о Земле.

Пархоменко (1971) подробно описал пьезоэлектрические свойства горных пород. Наиболее сильно пьезоэлектрический эффект проявляется в породах, содержащих кварц, нефелин, турмалин и некоторые другие редкие минералы.Эти минералы принимают неслучайную ориентацию в поликристаллической породе по той или иной причине, так что возникает чистый пьезоэлектрический эффект. Эффект может служить средством определения наличия кварцсодержащих жил (Воларович, Соболев, 1969).

Пьезоэлектрическая разведка основана на преобразовании энергии акустической волны в электромагнитную энергию при падении упругой волны на пьезоэлектрический массив горной породы, такой как кварцевая жила. Полевая система требует использования источника акустических волн, обычно детонации небольшого заряда взрывчатого вещества, и датчиков для обнаружения как электромагнитных, так и акустических полей.Электроды или индукционные петли могут использоваться для обнаружения электромагнитных сигналов, генерируемых, когда акустические волны ударяются о пьезоэлектрическое тело.

Подход к измерениям пьезоэлектрического поля в шахте показан на рисунке 16.19. Акустические волны создаются при детонации небольшого заряда, примерно 0,2–0,4 кг, в точке выстрела ( SP -1). Когда излучаемые акустические волны ударяются о пьезоэлектрическое тело, такое как кварцевая жила, генерируются электромагнитные волны. Это вторичное поле наблюдается детекторами вдоль приемной решетки ( R ₁ , R ₂ ,…).Расстояние до пьезоэлектрического элемента оценивается с помощью уравнения времени пробега:

Рисунок 16.19. Схема размещения оборудования для пьезоэлектрической съемки в подземных выработках. Точки выстрела указаны от 5 до 20. Электроды для обнаружения электрического поля расположены в точках с 12 по 16. Геофон находится в точке 17. Система регистрации находится в точке 11.

(16,89) d = vΔt,

, где d — расстояние от точка взрыва для пьезоэлектрической массы, Δ t — это время задержки между моментом взрыва дроби и приемом электромагнитного поля, а v — скорость акустической волны для породы между точкой взрыва и пьезоэлектрической массой .Мы предполагаем, что однажды сгенерированная электромагнитная волна мгновенно распространяется от источника к приемникам.

Гром и молния. Когда дело доходит до сил природы, мало что вызывает столько страха, благоговения или восхищения, не говоря уже о легендах, мифах и религиозных представлениях.Как и все в естественном мире, то, что первоначально рассматривалось как действие богов (или других сверхъестественных причин), с тех пор стало признано естественным явлением.

Но, несмотря на все, что люди узнали на протяжении веков, когда дело доходит до молнии, остается некоторая загадка. Эксперименты проводились со времен Бенджамина Франклина; однако мы по-прежнему сильно полагаемся на теории о том, как ведет себя освещение.

Описание:

По определению, молния — это внезапный электростатический разряд во время грозы. Этот разряд позволяет заряженным областям в атмосфере временно уравновесить себя, когда они ударяются об объект на земле. Хотя молния всегда сопровождается звуком грома, далекие молнии можно увидеть, но они находятся слишком далеко, чтобы можно было услышать гром.

Типы:

Lightning может принимать одну из трех форм, которые определяются тем, что находится в «конце» канала ответвления (т.е.е. удар молнии). Например, существует внутриоблачное освещение (IC), которое происходит между электрически заряженными областями облака; освещение облака в облако (CC), когда оно происходит между одним функциональным грозовым облаком и другим; и молния облако-земля (CG), которая в основном возникает в грозовом облаке и заканчивается на поверхности Земли (но также может возникать в обратном направлении).

Внутриоблачная молния чаще всего возникает между верхней (или «наковальней») частью и нижней частью данной грозы.В таких случаях наблюдатель может видеть только вспышку света, не слыша грома. Термин «тепловая молния» здесь часто применяется из-за связи между ощущаемой на месте теплотой и удаленными вспышками молнии.

В случае молнии «облако-облако» заряд обычно исходит из-под наковальни или внутри нее и карабкается через верхние слои облаков во время грозы, обычно генерируя разряд молнии с множеством ответвлений.

Облако-земля (CG) — самый известный тип молнии, хотя он является третьим по распространенности — на него приходится примерно 25% случаев во всем мире.В этом случае молния принимает форму разряда между грозовым облаком и землей, обычно имеет отрицательную полярность и инициируется ступенчатой ​​ветвью, движущейся вниз от облака.

CG является наиболее известной, потому что, в отличие от других форм молнии, она заканчивается на физическом объекте (чаще всего на Земле) и, следовательно, поддается измерению с помощью инструментов.Кроме того, он представляет наибольшую угрозу для жизни и имущества, поэтому понимание его поведения рассматривается как необходимость.

Недвижимость:

Освещение возникает, когда в атмосфере возникают восходящие и нисходящие потоки ветра, создавая механизм зарядки, который разделяет электрические заряды в облаках, оставляя отрицательные заряды внизу и положительные вверху. По мере того как заряд в нижней части облака продолжает расти, разность потенциалов между облаком и землей, которая заряжена положительно, также увеличивается.

Когда пробой на дне облака создает карман положительного заряда, образуется канал электростатического разряда, который начинает двигаться вниз с шагом в десятки метров в длину. В случае молнии IC или CC этот канал затем направляется в другие карманы областей положительных зарядов. В случае ударов КГ ступенчатый лидер притягивается к положительно заряженной земле.

Многие факторы влияют на частоту, распределение, силу и физические свойства «типичной» молнии в определенном регионе мира.К ним относятся высота земли, широта, преобладающие ветровые течения, относительная влажность, близость к теплым и холодным водоемам и т. Д. В определенной степени соотношение между IC, CC и CG молнией также может варьироваться в зависимости от сезона в средних широтах.

Около 70% молний происходит над сушей в тропиках, где атмосферная конвекция наиболее высока. Это происходит как из-за смеси более теплых и более холодных воздушных масс, так и из-за различий в концентрациях влаги, и обычно это происходит на границах между ними.В тропиках, где уровень замерзания, как правило, выше в атмосфере, только 10% вспышек молний являются компьютерными. На широте Норвегии (около 60 ° северной широты), где точка замерзания ниже, 50% молний приходится на КГ.

Эффекты:

В общем, молния оказывает на окружающую среду три измеримых воздействия. Во-первых, это прямое воздействие самого удара молнии, которое может привести к повреждению конструкции или даже физическому ущербу. Когда молния поражает дерево, оно испаряет сок, что может привести к взрыву ствола или к отрыву больших ветвей и их падению на землю.

Когда молния ударяет в песок, почва, окружающая плазменный канал, может плавиться, образуя трубчатые структуры, называемые фульгуритами. Здания или высокие сооружения, пораженные молнией, могут быть повреждены, поскольку молния ищет непредусмотренные пути к земле. И хотя примерно 90% людей, пораженных молнией, выживают, люди или животные, пораженные молнией, могут получить серьезные травмы из-за повреждения внутренних органов и нервной системы.

Гром также является прямым результатом электростатического разряда. Поскольку плазменный канал перегревает воздух в непосредственной близости от него, газообразные молекулы подвергаются быстрому увеличению давления и, таким образом, расширяются наружу от молнии, создавая слышимую ударную волну (иначе.гром). Поскольку звуковые волны распространяются не от одного источника, а по длине пути молнии, различные расстояния до источника могут вызывать эффект качения или грохота.

Излучение высокой энергии также возникает в результате удара молнии. К ним относятся рентгеновские лучи и гамма-лучи, которые были подтверждены посредством наблюдений с использованием электрического поля и детекторов рентгеновского излучения, а также космических телескопов.

Исследования:

Первое систематическое и научное исследование молнии было проведено Бенджамином Франклином во второй половине 18 века.До этого ученые разобрались, как электричество можно разделить на положительные и отрицательные заряды и сохранить. Они также отметили связь между искрами, производимыми в лаборатории, и молнией.

Франклин предположил, что облака электрически заряжены, из чего следовало, что сама молния была электрической. Первоначально он предложил проверить эту теорию, поместив железный стержень рядом с заземленным проводом, который будет удерживаться на месте изолированной восковой свечой. Если бы облака были электрически заряжены, как он ожидал, то между железным стержнем и заземленным проводом прыгали искры.

В 1750 году он опубликовал предложение, согласно которому воздушный змей будет запускаться во время шторма для привлечения молнии. В 1752 году Томас Франсуа Д’Алибар успешно провел эксперимент во Франции, но использовал 12-метровый железный стержень вместо воздушного змея для образования искр. К лету 1752 года Франклин, как полагают, сам проводил эксперимент во время сильного шторма, обрушившегося на Филадельфию.

Для своей усовершенствованной версии эксперимента Фрэнкинг атаковал ключ к воздушному змею, который был соединен влажной нитью с изолирующей шелковой лентой, обернутой вокруг суставов руки Франклина.Между тем тело Франклина обеспечивало проводящий путь для электрических токов к земле. Франклин не только показал, что грозы содержат электричество, но и сделал вывод, что нижняя часть грозы, как правило, также была отрицательно заряжена.

Незначительный прогресс был достигнут в понимании свойств молнии до конца 19 века, когда фотографии и спектроскопические инструменты стали доступны для исследования молний. В этот период многие ученые использовали фотографию с временным разрешением для идентификации отдельных ударов молнии, которые образуют разряд молнии на землю.

Исследования молний в наше время восходят к работе C.T.R. Уилсон (1869 — 1959), который первым применил измерения электрического поля для оценки структуры грозовых зарядов, участвующих в грозовых разрядах. Уилсон также получил Нобелевскую премию за изобретение Туманной камеры, детектора частиц, используемого для определения присутствия ионизированного излучения.

К 1960-м годам интерес вырос благодаря жесткой конкуренции, вызванной космической эрой. Когда космические корабли и спутники отправлялись на орбиту, были опасения, что молния может создать угрозу для аэрокосмических аппаратов и твердотельной электроники, используемой в их компьютерах и инструментах. Кроме того, улучшенные возможности измерений и наблюдений стали возможны благодаря усовершенствованию космических технологий.

В дополнение к наземному обнаружению молний, ​​на борту спутников было сконструировано несколько приборов для наблюдения за распределением молний.К ним относятся оптический детектор переходных процессов (OTD) на борту спутника OrbView-1, запущенного 3 апреля 1995 г., и последующий датчик изображения молнии (LIS) на борту TRMM, запущенный 28 ноября 1997 г.

Вулканическая молния:

Вулканическая активность может создавать благоприятные для молнии условия несколькими способами. Например, мощный выброс огромного количества материала и газов в атмосферу создает плотный шлейф из сильно заряженных частиц, который создает идеальные условия для молнии.Кроме того, плотность золы и постоянное движение в шлейфе постоянно вызывают электростатическую ионизацию. Это, в свою очередь, приводит к частым и мощным вспышкам, поскольку шлейф пытается нейтрализовать себя.

Этот тип грозы часто называют «грязной грозой» из-за высокого содержания твердого материала (золы). На протяжении всей истории было зарегистрировано несколько случаев вулканических молний. Например, во время извержения Везувия в 79 году нашей эры Плиний Младший заметил несколько мощных и частых вспышек, происходящих вокруг вулканического шлейфа.

Внеземная молния:

Молния наблюдалась в атмосферах других планет нашей Солнечной системы, таких как Венера, Юпитер и Сатурн. В случае Венеры первые признаки того, что в верхних слоях атмосферы могут присутствовать молнии, были обнаружены советскими миссиями «Венера» и США «Пионер» в 1970-х и 1980-х.Радиоимпульсы, зарегистрированные космическим аппаратом Venus Express (в апреле 2006 г.), были подтверждены как происхождение от молнии на Венере.

Грозы, похожие на земные, наблюдались на Юпитере. Считается, что они являются результатом влажной конвекции в тропосфере Юпитера, где конвективные шлейфы переносят влажный воздух из глубин в верхние части атмосферы, где он затем конденсируется в облака размером около 1000 км.

Изображение ночного полушария Юпитера, полученное Галилеем в 1990 году и космическим кораблем Кассини в декабре 2000 года, показало, что штормы всегда связаны с молниями на Юпитере. Хотя удары молнии в среднем в несколько раз мощнее, чем на Земле, они, по-видимому, менее часты. Несколько вспышек были обнаружены в полярных регионах, что сделало Юпитер второй известной планетой после Земли, на которой наблюдаются полярные молнии.

Освещение также наблюдалось на Сатурне. Первый случай произошел в 2010 году, когда космический зонд «Кассини» обнаружил вспышки на ночной стороне планеты, что совпало с обнаружением мощных электростатических разрядов. В 2012 году изображения, сделанные зондом «Кассини» в 2011 году, показали, что массивный шторм, охвативший северное полушарие, также генерировал мощные вспышки молний.

• В результате удара молнии на песчаном участке образовался фульгерит.Кредит: blogs.discovermagazine.com
• Вулкан Колима (Volcán de Colima) на снимке 29 марта 2015 года с молнией. Предоставлено: Сезар Канту.
• Художественная концепция грозы Венеры. Предоставлено: НАСА.

Ссылка : Что вызывает молнию? (2015, 10 июля) получено 29 июля 2021 г. с https: // физ.org / news / 2015-07-lightning.html

Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, никакие часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в информационных целях.

Грозы: электричество в воздухе

Грозы состоят из облаков, которые называются кучево-дождевыми.Комбинация явлений (восходящий поток влажного и теплого воздуха, конденсация, испарение, нисходящие потоки холодного воздуха) вызывает интенсивные осадки, порывы ветра, молнии и гром , , которые могут произвести впечатление своей силой. Давайте подробнее рассмотрим, что управляет этими явлениями и их последствиями.

1. Что такое гроза?

Рис. 1. Фотография кучево-дождевых облаков, показывающая конвективную ячейку с восходящей колонной в центре и наковальней вверху.[© Sfortis, июнь 2009] Простейшая гроза состоит из ячейки, называемой конвективной ячейкой , в которой частицы воздуха поднимаются (в центре), а другие опускаются (на периферии). Это приводит к образованию облака под названием кучево-дождевые , которое простирается вертикально до верхней части тропосферы примерно на 10-15 км (см. Атмосфера Земли и газовая оболочка) и имеет форму гриба, показанную на рисунке 1. Подножие горы гриб состоит из центральной колонны, по которой поднимается воздух, а шляпка гриба состоит из наковальни, по которой воздух распространяется вбок на уровне тропопаузы.Кучево-дождевые облака, состоящие из одной ячейки (рис. 1), имеют довольно умеренные горизонтальные размеры, при этом размер наковальни обычно составляет десять километров. Кучево-дождевые облака также могут быть организованы в многоклеточные кластеры с несколькими восходящими и нисходящими потоками. В этом случае их горизонтальные размеры могут превышать 100 км, но динамика и эволюция каждого элемента ансамбля остаются управляемыми одними и теми же механизмами.

Рис. 2. Линия зерен. Наковальня, общая для этих различных ядер, очень большая: а) фотография линии зерна [© NOAA, июнь 2012 г.], б) радиолокационное изображение линии зерна над Техасом и Мексикой [© NOAA, март 2012 г.].Цветовая шкала на Рисунке 2b представляет коэффициент отражения радара, который измеряет интенсивность дождя, более интенсивного в желтом и красном цветах. Это случай, например, линий шквала , образованных несколькими выровненными конвективными ядрами [1] (Рисунок 2). Существуют и другие примеры конвективных организаций. Например, в циклонах (см. Тропические циклоны: развитие и организация) энергия исходит от теплой поверхности океана, а структура контролируется циркуляцией воздуха.В любом случае, все эти системы становятся видимыми благодаря конденсации воды в их облачных массах.

2. Как работает гроза?

В нижних слоях атмосферы воздух смешанный. Воздушные посылки перемещаются вверх и вниз с турбулентностью. Давление частиц воздуха, которые поднимаются в кучево-дождевых облаках, постепенно уменьшается по мере того, как давление окружающей среды становится все ниже и ниже (см. Статью Атмосфера и газовая оболочка Земли). Поскольку они мало обмениваются теплом с окружающей средой, их снижение давления равно адиабатическому (ссылка на статью «Термодинамика и энтропия»), что приводит к охлаждению.Затем они могут достичь условий температуры и давления, вызывающих конденсацию воды . Однако это изменение состояния требует присутствия микробов (уже образовавшихся аэрозолей или микрокапель), вокруг которых объединяются молекулы воды, первоначально распределенные между молекулами азота и кислорода, которые являются основными компонентами сухого воздуха. Так образуется облако, обычно в пределах первых нескольких сотен метров восходящего движения. На больших высотах, когда температура опускается ниже 0 ° C, конденсация может происходить непосредственно в виде кристаллов льда .Однако капли могут оставаться в жидком состоянии, в состоянии переохлаждения , до температур -40 ° C.

Конденсация выделяет скрытое тепло (в отличие от испарения, которое вызывает охлаждение). Таким образом, в то время как падение температуры в тропосфере (см. Атмосфера Земли и газовая оболочка) составляет в среднем около 6,5 ° C на километр, при подъеме кучево-дождевых облаков оно может составлять всего 5 ° C на километр. Это помогает сделать поднимающийся воздух теплее и легче окружающей среды.Под влиянием силы плавучести Архимеда этот воздух продолжает подниматься до высоты, на которой кучево-дождевые воздушные частицы столь же плотны, как и их окружение. Этим объясняется большое вертикальное распространение кучево-дождевых облаков до высот 10 или 15 км, то есть до верхней границы тропосферы. Когда они достигают стратосферы, поднимающиеся частицы сталкиваются с более высокими температурами и, следовательно, с более легким воздухом, что приводит к отрицательной плавучести и останавливает вертикальное развитие облака.Поскольку снизу продолжается восходящее движение, облако распространяется горизонтально, образуя наковальню , видимую на рисунке 1. Темный аспект кучево-дождевых облаков [2] заключается в том, что это толстое облако отражает и поглощает солнечный свет, что уменьшает количество солнечной радиации, достигающей уровня поверхности (см. Цвета неба).

В начале конвективного подъема микрокапли могут подниматься или оставаться в подвешенном состоянии до тех пор, пока их скорость падения меньше скорости восходящего потока воздуха. С другой стороны, самые большие и самые тяжелые капли, образовавшиеся в результате столкновений и слияния более мелких капель, падают и образуют дождь .Точно так же наиболее развитые кристаллы льда образуют снежинки , которые могут вернуться в жидкое состояние во время падения на высоте, где температура возвращается выше 0 ° C. Град образуется в результате обледенения в результате многократных столкновений частиц льда с каплями переохлажденной воды. Также примечательно, что град циркулирует несколько раз в конвективном контуре до верха тропосферы, где температура падает до менее -40 ° C, чередуя фазы агломерации кристаллов, замерзания и обледенения, а также частичного переплавления. что может привести к внутренней структуре концентрических слоев, подобной луковой шелухе.

Более сухой окружающий воздух средней тропосферы на высотах от 4 до 8 км взаимодействует с осадками, которые присутствуют на периферии этой облачной массы. Это приводит к частичному испарению падающих капель, которые охлаждают и утяжеляют окружающий воздух, образуя ненасыщенных спуска [3], т.е.е. холодные и тяжелые нисходящие потоки воздуха (рис. 3). Когда они достигают земли, эти течения распространяются горизонтально, создавая ветры, называемые токами плотности . Они могут генерировать сильные и внезапные порывы , которые являются предупреждающими знаками шторма. Как показано на Рисунке 3, эти холодные и тяжелые воздушные массы, в свою очередь, могут поднимать потенциально нестабильный воздух, изначально присутствующий на нижнем уровне, для формирования новых подъемов. Так распространяется гроза, вызывая новые подъемы вниз по течению от плотных течений.Когда интенсивность и направление окружающего ветра в значительной степени меняется с высотой, грозовая циркуляция может приобретать характерные вихревые характеристики, что приводит к возникновению торнадо (см. Торнадо, мощные разрушительные вихри).

3. Условия грозы

Поняв, как действует шторм, можно сделать вывод об условиях, способствующих его развитию. В нижних слоях процессы, которые способствуют поднятию воздушных посылок, такие как порывы ветра в плотных течениях или морской бриз и горы, способствуют возникновению гроз.

После того, как воздушный пакет был поднят, атмосфера все еще должна быть достаточно нестабильной, чтобы продолжать подниматься. Эта нестабильность происходит из-за того, что поднимающийся воздушный пакет более теплый и, следовательно, менее плотный, чем его окружающая среда. На практике атмосфера более нестабильна, когда воздух у поверхности земли нагревается, особенно солнечным светом. Поэтому на континентах солнечные летние дни благоприятны для развития штормов. Кроме того, чтобы поднимающийся воздух образовывал облако, он должен содержать достаточно влаги, чтобы выделять скрытое тепло за счет конденсации в каплях жидкости и кристаллах льда.

4. Молния и гром

Самая известная из световых сигнатур бури — это молнии . Это происходит в результате ионизации воздуха по сценарию, который можно резюмировать следующим образом [4]. Столкновения между различными частицами льда сопровождаются обменом электрическими зарядами, полярность которых зависит от температуры. Если температура ниже -15 ° C, самая маленькая частица (кристалл льда) несет положительный заряд, а самая большая (матовый агрегат или ледяная крупа) несет отрицательный заряд.Если температура выше -15 ° C, полярность меняется: маленький кристалл несет отрицательный заряд, а большая частица несет положительный заряд. Поскольку маленькие кристаллы переносятся на высоту восходящими потоками, а более крупные кристаллы падают на поверхность, постепенно происходит осаждение зарядов. Получающаяся в результате общая электрическая структура является по существу биполярной, с отрицательным зарядом в центральной части шторма, где температура составляет от -15 до -40 ° C, и положительным зарядом в верхней части, где температура ниже -40 ° C.Структура также может быть трехполюсной, с вторичным положительным зарядом по направлению к основанию облака, где температура выше -15 ° C.

Постепенное разделение электрических зарядов создает электрическое поле в облаке с нарастающей напряженностью до значений, превышающих 100 киловольт на метр (100 кВ / м). Поскольку электрическое поле почти не проникает в воду, оно обходит присутствующие в воздухе гидрометеоры (жидкие капли воды или частицы льда) и усиливается в непосредственной близости от них, подобно тому, как препятствие на полосе движения вызывает скопление транспортных средств.Таким образом, когда напряженность электрического поля превышает несколько сотен кВ / м, воздух становится локально проводящим, и на концах гидрометеоритов спонтанно возникают небольшие искры, несущие электрические заряды. Это эффект короны [5] или пиковый эффект , который также проявляется в St. Elmo Fires , небольших электрических разрядах, которые появляются на концах мачт кораблей или крыльев самолетов в штормовую погоду.

Эти маленькие искры сгруппированы в предшественников , длиной несколько метров, которые развиваются в облаке скачками в сто метров, которые покрываются за несколько микросекунд.По мере того, как они прогрессируют спорадически, они образуют характерную форму молнии с множеством ответвлений. Когда предшественники с зарядами противоположной полярности встречаются, в результате внезапной нейтрализации образуется мощный электрический ток, который течет через ионизированный канал и доводит его до температуры выше 10 000 ° C. Затем канал светится очень ярким светом, а также излучает сильное излучение в диапазоне радиоволн. Это сильное нагревание заставляет воздух расширяться быстрее, чем скорость звука, в результате чего возникает ударная волна , подобная удару самолета, пересекающего звуковой барьер.Затем эта энергия распространяется как звуковая волна, это гром . Поскольку скорость звука на уровне 340 м / с примерно в миллион раз меньше скорости света, разница во времени T между визуальным наблюдением молнии и слышимостью грома позволяет оценить расстояние D до D (км) ≈ Т (с) / 3.

Некоторые достаточно энергичные предвестники продолжают свое рывковое распространение из облака, вызывая увеличение электрического поля на их переднем конце за счет пикового эффекта.На поверхности усиленное поле может вызывать такие же искры и прекурсоры, которые развиваются вверх от различных заостренных структур (вершины деревьев или зданий, горные вершины, даже зонтики, клюшки для гольфа или ледорубы и т. Д.). Когда предшественник из облака встречается с предшественником, поднимающимся с поверхности, нейтрализация грозового электрического заряда по направлению к земле вызывает молнию облако-земля , такую ​​как те, которые часто видны на вершине Эйфелевой башни или на крестах размещен на высоких горных вершинах.Нейтрализация электрических зарядов внутри облака или между облаком и Землей редко бывает полной. Дальнейшие нейтрализации можно повторять до десяти раз подряд внутри образовавшегося ионизированного канала. Это дуги возврата , общая продолжительность которых меньше секунды, и которые можно визуально идентифицировать по захватывающему характеру множества вспышек.

Молнию можно представить как токопроводящий канал длиной от ста метров до десяти километров и шириной в несколько сантиметров.Разность потенциалов между его концами составляет несколько десятков миллионов вольт, а сила электрического тока, протекающего через него, превышает тысячу ампер. Мощность, выделяемая при мгновенной вспышке, составляет в среднем от 10 до 100 миллиардов ватт (гигаватт — ГВт), что больше, чем вырабатывается ядерным реактором. Но очень короткая продолжительность разрядов (несколько десятых секунды) и очень спорадический характер вспышек молний, ​​как в пространстве, так и во времени, делают иллюзорной мечту о решении наших энергетических проблем путем производства электричества из штормов.

Рис. 4. Иллюстрация кратковременных световых явлений, видимых в стратосфере и мезосфере во время шторма. Сверху вниз мы можем видеть эльфов или ореол в форме красных колец, лепреконов или красных сильфов, свисающих к Земле, восходящую синюю струю, направленную из тропопаузы в стратосферу, и, наконец, молнию в тропосфере, между облаками. и земля. [Источник: © NOAA] Грозы также порождают менее известные, впечатляющие, но эфемерные световые явления.Они возникают над облаками, поэтому их трудно увидеть с земли. Эти переходные световые явления [6] [7] (рис. 4), которые проявляются в стратосфере и мезосфере на высоте от 20 до 100 км над уровнем моря, изучались только около 20 лет, хотя более ранние наблюдения пилотов самолетов и космонавты упоминают их. Отвечая на поэтические имена эльфов, сильфов , спрайтов или синих струй , с красивыми красно-оранжевыми, сине-зелеными или индиго цветами и формами диска, ореола, медузы или луча, они возникают в результате ионизации из очень разреженных верхних слоев атмосферы за счет положительных разрядов, которые исходят из верхней части некоторых мощных гроз и распространяются вверх все более и более диффузным образом.Космическая миссия CNES Taranis [8], запуск которой запланирован на 2020 год, будет направлена ​​на детальное наблюдение в нескольких длинах волн за этими световыми явлениями, которые еще недостаточно изучены.

5. Взаимодействие шторма с атмосферными условиями

В некоторых регионах, таких как Зона межтропической конвергенции (ICTZ) (см. Атмосферная циркуляция и Ключевая роль пассатов), конвективные кучево-дождевые облака могут возникать на больших горизонтальных площадях (несколько сотен км).Вне облаков, где небо чистое, воздух, как и любое тело, излучает инфракрасное излучение (ссылка на статью Тепловое излучение). Таким образом, он теряет энергию, охлаждается и, таким образом, спускается со скоростью менее 1 см / с. Напротив, восходящие движения до 30 м / с сосредоточены в центральной части грозы [9] (Рисунок 5).

Существует также эффект усиления между штормами и крупномасштабной атмосферной циркуляцией, называемый положительной обратной связью [10]. Грозы предпочтительны в областях крупномасштабных поднятий, где сходится влага. В свою очередь, выделение скрытого тепла, которое они вызывают, помогает облегчить столб воздуха, тем самым снижая давление на поверхность и способствуя крупномасштабной конвергенции воздуха (рис. 5).Это усиление объясняет, почему конвекция обычно организована в больших масштабах в виде больших скоплений.

Грозы также играют фундаментальную роль в переносе энергии и водяного пара в атмосфере. Они нагревают воздух наверху, выделяя скрытое тепло, и охлаждают его в нижних слоях за счет частичного испарения дождя. Следовательно, они играют стабилизирующую роль в температурном профиле. В наковальне конвективной колонны водяной пар и некоторые кристаллы льда в поднимающемся воздухе выбрасываются из облака, увлажняя верхнюю тропосферу и нижнюю стратосферу.Влажность в стратосфере играет важную роль в парниковом эффекте и в балансе озонового слоя.

Примечания и ссылки

Фотография на обложке . [© Ален Эрро, Diverticimes (www.diverticimes.com)]

[1] Хузе РА. (1977). Структура и динамика системы тропических шквальных линий . Мой. Weather Rev.105: 15401567.

[2] Крейг Ф. Борен (1997). Les nuages ​​noirs , La Météorologie, 19: 49-51.

[3] Zipser, E.J. (1977). Мезомасштабные нисходящие потоки и нисходящие потоки конвективного масштаба как отдельные компоненты структуры линий шквала. Ежемесячный обзор погоды , 105 (12), 1568-1589.

[4] Roux, F. (1991). Грозы . Издания Payot.

[5] https://wikipedia.org/wiki/Effet_corona

[6] Сула, С. и ван дер Велде, О. (2009) Неустойчивые световые явления над штормами: условия наблюдения и производства . Метеорология, 64: 20-31.

[7] Соула, С., Huet, P., van der Velde, O., Montanya, J., Barthe, B. and Bór, J. (2012). Из и гигантских над изолированным штормом около острова Реюньон . Метеорология, 77: 30-40.

[8] https://taranis.cnes.fr/

[9] Эмануэль, К. А., Дэвид Нилин, Дж., И Бретертон, К. С. (1994). На крупномасштабные циркуляции в конвекционных атмосферах . Ежеквартальный журнал Королевского метеорологического общества, 120 (519), 1111-1143

[10] Риси, К.и Duvel, J.-P. (2014). О мэдден-Джулианская волна, основной режим внутрисезонной изменчивости в тропиках . Метеорология, 86: 57-65.

Экологическая энциклопедия окружающей среды Ассоциации энциклопедий окружающей среды и энергии (www.a3e.fr), по контракту связана с Университетом Гренобль-Альп и ИЯП Гренобля и спонсируется Французской академией наук .

Для цитирования: RISI Camille, ROUX Frank (2021), Грозы: электричество в воздухе, Энциклопедия окружающей среды, [ISSN в сети 2555-0950] URL: https: // www.encyclopedie-environnement.org/en/air-en/thunderstorms-electricity-in-the-air/.

Статьи в Энциклопедии окружающей среды доступны в соответствии с условиями лицензии Creative Commons BY-NC-SA, которая разрешает воспроизведение при условии: цитирования источника, не коммерческого использования их, использования идентичных исходных условий, воспроизведения в при каждом повторном использовании или распространении эта лицензия Creative Commons BY-NC-SA упоминается.

Что вызывает молнии и гром?

Зап! Вы только что коснулись металлической дверной ручки после того, как шаркали ногами на резиновой подошве по ковру.Ура! Вас ударила молния! Ну, не совсем, но идея та же.

Ваши туфли на резиновой подошве улавливают паразитные электроны с ковра. Эти электроны накапливаются на вашей обуви, создавая статический заряд. (Статический означает неподвижность.) Статические заряды всегда «ищут» первую возможность «сбежать» или разрядиться. Ваш контакт с металлической дверной ручкой — ручкой автомобиля или чем-либо, что проводит электричество — предоставляет такую ​​возможность, и лишние электроны прыгают на нее.

Что вызывает молнию?

Итак, есть ли у грозовых облаков резиновые башмаки? Не совсем так, но внутри облака происходит много перетасовки.

Молния возникает как статический заряд в дождевом облаке. Ветры внутри облака очень сильные. Капли воды в нижней части облака захватываются восходящими потоками и поднимаются на большую высоту, где их замораживает более холодная атмосфера. Тем временем нисходящие потоки в облаке толкают лед и падают с вершины облака.Там, где идущий вниз лед встречает поднимающуюся воду, электроны отрываются.

Это немного сложнее, но в результате получается облако с отрицательно заряженным дном и положительно заряженным верхом. Эти электрические поля становятся невероятно сильными, а атмосфера в облаке действует как изолятор между ними.

Когда сила заряда превосходит изоляционные свойства атмосферы, Z-Z-Z-ZAP! Происходит молния.

Как молния «знает», где разрядиться или ударить?

Электрическое поле «ищет» дверную ручку.Вроде, как бы, что-то вроде. Он ищет ближайший и самый простой путь для высвобождения заряда. Часто молнии возникают между облаками или внутри облака.

Но обычно мы больше всего заботимся о молнии, которая переходит от облаков к земле, потому что это мы!

Когда шторм движется по земле, сильный отрицательный заряд в облаке притягивает положительные заряды в земле. Эти положительные заряды проникают в самые высокие объекты, такие как деревья, телефонные столбы и дома. «Ступенчатый лидер» отрицательного заряда спускается из облака, ища путь к земле.Хотя эта фаза удара молнии слишком быстрая для человеческого глаза, это замедленное видео показывает, как это происходит.

Когда отрицательный заряд приближается к земле, положительный заряд, называемый стримером, достигает уровня, чтобы встретить отрицательный заряд. Каналы соединяются, и мы видим удар молнии. Мы можем увидеть несколько ударов по одному и тому же пути, придающих молнии мерцающий вид, прежде чем электрический разряд завершится.

Щелкните для увеличения анимированного изображения

Что вызывает гром?

За доли секунды молния нагревает воздух вокруг себя до невероятных температур — до 54 000 ° F (30 000 ° C). Это в пять раз горячее, чем поверхность Солнца!

Нагретый воздух взрывно расширяется, создавая ударную волну, поскольку окружающий воздух быстро сжимается. Затем воздух быстро сжимается при охлаждении. Это создает начальный звук ТРЕЩИН, за которым следует грохот, поскольку столб воздуха продолжает вибрировать.

Если мы смотрим в небо, мы видим молнию раньше, чем слышим гром.Это потому, что свет распространяется намного быстрее, чем звуковые волны. Мы можем оценить расстояние до молнии, посчитав, сколько секунд проходит, пока мы не услышим гром. Звук преодолевает 1 милю за 5 секунд. Если гром следует за молнией почти мгновенно, вы знаете, что молния слишком близко для комфорта!

Как выглядит молния из космоса?

Молния, наблюдаемая геостационарным картографом (GLM) GOES-16, освещает штормы, развивающиеся над юго-востоком Техаса утром 14 февраля 2017 года.

Молния — важная часть прогноза погоды. Инструмент Geostationary Lightning Mapper на спутниках серии GOES-R может обнаруживать грозовую активность почти во всем Западном полушарии.

Ученые используют данные со спутников серии GOES-R вместе с данными датчика изображения молний на спутнике НАСА по измерению тропических осадков для изучения молний. Эта полная картина молнии в любой момент времени улучшит «текущее распространение» опасных гроз, торнадо, града и внезапных наводнений.

Что вызывает молнию?

Вы когда-нибудь получали удар статическим электричеством? Или видел искры когда ты снимаешь джемпер? Когда молния сделана такой же такое случается, но в гораздо большем масштабе.

Как образуется молния?

Молния — это электрический ток. Чтобы сделать этот электрический ток, сначала вам нужно облако.

Когда земля горячая, она нагревает воздух над ней.Этот теплый воздух поднимается. Когда воздух поднимается, водяной пар охлаждается и образует облако. Когда воздух продолжает подниматься, облака становятся все больше и больше. в вершины облаков, температура ниже нуля и вода пар превращается в лед.

Теперь облако становится грозовой тучей. Много маленьких кусочков льда натыкаясь друг на друга при движении. Все эти столкновения вызвать накопление электрического заряда.

В конце концов, все облако наполняется электрическими зарядами.Более легкие, положительно заряженные частицы образуются в верхней части облака. Более тяжелые отрицательно заряженные частицы опускаются на дно облако.

Когда положительный и отрицательный заряды становятся достаточно большими, гигантская искра — молния — возникает между двумя зарядами внутри облако. Это похоже на искры статического электричества, которые вы видите, но больше.