При написании статьи использовались, в основном, материалы источников [2-3]. Рисунок скопирован с сайта
1. Термины, аббревиатуры, сокращения
атмосферик – радиосигнал, порождаемый молниевым разрядом,
АЭП – атмосферное электрическое поле.
громобоина – шрам на дереве от молнии.
мо;лния — гигантский электрический искровой разряд в атмосфере, обычно происходящий во время грозы и проявляющийся яркой вспышкой света и громом.
линейная молния – имеет форму ломаной или зигзагообразной ярко светящейся линии, представляющей собой путь электронов.
наземная молния – линейная молния, ударяющая в Землю.
фульгурит – спёкшийся от удара молнии песок, кварц, кремнезём или оплавленные тем же способом поверхности любых горных пород [1].
ШАЛ – широкий атмосферный ливень.
1. География гроз
На земном шаре одновременно "гремит" (1000 - 2000) гроз. Среднее время электрической активности одного грозового облака около 20 -30 минут.
Глобальная частота ударов молний – 44 ± 5 раз в секунду, что соответствует примерно 1,4 миллиарда молний в год. 75 % этих молний ударяет между облаками или внутри облаков, а 25 % — в землю. Самые мощные молнии вызывают рождение фульгуритов.
По всему земному шару грозовые облака распределены неравномерно.
Основная их часть (~ 75%) наблюдается в диапазоне широт между 30° S и 30° N, где они образуются в течение всего года. На более высоких широтах такие облака наблюдаются, в основном, в летнее время. Наиболее часто грозовые облака появляются в районах гор. Грозовая активность усиливается во время извержений вулканов и землетрясений. Обнаружено усиление грозовой активности в районах расположения атомных электростанций и в районах, где в атмосфере присутствуют радиоактивные облака.
Ежедневное количество гроз в целом, и их распределение по поверхности Земли значительно изменяется. Это говорит о том, что мирового центра гроз не существует. Наибольшая интенсивность гроз на земном шаре наблюдается в трех секторах: в Индонезийском (или Азиатском), Африканском (Африка и Европа) и Американском (Центральная Америка и северная часть Южной Америки). Грозовая активность в двух последних секторах наиболее интенсивна.
3. Связь грозовой активности с космическими лучами
Грозовая активность изменяется в противофазе с уровнем солнечной активности в 11-летнем солнечном цикле, т.е. в фазе с изменениями потока космических лучей. В периоды минимума солнечной активности поток космических лучей в атмосфере максимален и грозовая активность максимальна, а в периоды максимума солнечной активности наоборот.
4. Механизмы образования грозовых облаков
Грозовые облака не появляются в районах пустынь, где воздух сухой, они не появляются в тех районах, где воздух холодный, а появляются там, где воздух теплый и влажный. В тропиках воздух теплый всегда, а на более высоких широтах он теплый в летнее время. Физическая причина указанных
закономерностей заключается в том, что для образования грозового облака требуется много влаги. Как известно, при одной и той же относительной влажности теплый воздух содержит значительно больше влаги, чем холодный. Обычно грозовые облака появляются в области развитой конвекции, где скорость восходящих движений воздуха максимальна и может достигать нескольких метров в секунду
Грозовое облако представляет собой локализованную область резко выраженной конвективной и электрической активности и состоит из одной или нескольких ячеек. Средний радиус основания одной грозовой ячейки 2 км. В средних широтах вершина типичной ячейки расположена на высотах 8 - 12 км, в фульгиритах же достигает и 20 км. Время жизни ячейки от момента ее зарождения до распада – около 1 часа.
Известно несколько механизмов образования грозовых облаков: «ледяная фаза», конвективный механизм, индукционный механизм.
«Ледяная фаза» пространственное разделение электрических зарядов и появление сильного электрического поля в облаке связано с наличием в нём ледяной фазы и выпадением осадков.
Конвективный механизм – заряды поставляются в облако молниями и с острий, находящихся на поверхности Земли.
У всех известных механизмов образования грозовых облаков два главных недостатка: отсутствует источник энергии, обеспечивающий развитие грозового облака и не объясняется механизм образовании молниевых разрядов.
5. Стадии развития грозового облака
Молнии в облаках появляются при напряженностях электрического поля Е не более чем ~ 3 кВ/см, хотя пробивное напряжение воздуха на высотах образования грозовых облаков требует 10 – 30 кВ/см.
Стадия зарождения характеризуется наличием достаточно мощных восходящих потоков теплого влажного воздуха и появлением первых молний (Рис.1, а). С воздухом из приземного слоя атмосферы на высоту в несколько километров за время менее 1 часа поднимается большое количество воды – до (2 - 4)10**5 тонн.
В приземном слое воздуха всегда присутствуют аэрозольные частицы, которые являются потенциальными ядрами конденсации водяного пара в облаке. Геометрические размеры этих частиц охватывают диапазон от 5•10**-7 до 10**-5 см. Концентрация аэрозольных частиц над континентами, как правило, во много раз больше, чем над океанами. Над сушей она может достигать значений до ~ 10**5 см**-3 , а над океанами не превышает нескольких сотен частиц в одном кубическом сантиметре.
Атмосфера всегда и на всех высотах ионизована, поэтому в восходящих потоках воздуха всегда присутствуют разноименно заряженные частицы
Отрицательно заряженные частицы концентрируются внизу облака, положительные – вверху. Образуется диполь и, при благоприятных условиях появляются внутри и междуоблачные молнии.
Стадия зрелости
С течением времени образовавшийся в облаке диполь (Рис.1, б) становится несимметричным по следующим причинам:
- к вершине облака из атмосферы течет ток легких отрицательных ионов, а к основанию облака – ток положительных ионов;
- вверх в атмосферу уходят положительные заряды, на которых не сконденсировался пар;
- возникают молниевые разряды.
Происходит непрерывный рост как незамерзших, так и замерзших капель, а затем начинаются осадки. Вместе с ними из нижней части облака уходит
отрицательный заряд, а на его место сверху приходит положительный заряд.
Стадия распада (Рис.1, в) начинается с момента изменения направления электрического поля между облаком и землёй. Это приводит к появлению восходящих молний, которые приносят в облако отрицательный заряд с поверхности Земли.
При выпадении осадков восходящие потоки влажного воздуха в облаке сильно ослабевают, а вместе с этим ослабевают и процессы генерации и разделения новых электрических зарядов. По этой причине восходящие молнии ликвидируют, главным образом, часть положительного объемного заряда, образовавшегося в верхней части облака. Оставшаяся часть заряда выпадает на поверхность Земли вместе с осадками или рассеивается в атмосфере.
В связи с тем, что положительный электрический заряд, находящийся в верхней части облака, невелик, количество восходящих молний мало – около
10 % от общего числа разрядов между облаком и Землей.
Во время гроз напряжённость АЭП уменьшается и даже меняет знак. Вклад грозовых разрядов в АЭП ничтожен и не превышает 0.1 %.
6. Внутриоблачные молнии
Для появления внутриоблачного разряда необходимо наличие сильно разветвленного «проводящего дерева», по ветвям которого из одной части облака в другую может быть сброшен значительный объемный заряд.
Появление такого «дерева» в облаке инициируют космические частицы сверхвысокой энергии (> 10**14 эВ), образующие в атмосфере ШАЛы. Продольная длина ливня может достигать 150 км. В поперечном направлении высокоэнергичные частицы ливня разлетаются на расстояния в сотни метров. Число высокоэнергичных частиц, рождаемых в ливне, превышает 10**5. Ливни, рождаемые частицами с энергиями Е > 10**15 эВ, достигают поверхности Земли. Как только Е достигнет значений порядка (2-З) кВ/см внутри облака появляются внутриоблачные разряды, проходящие по ионизованным следам ШАЛ.
Внутриоблачные молнии включают в себя обычно только лидерные стадии. Доля таких молний растет по мере смещения к экватору, меняясь от 0,5 в умеренных широтах до 0,9 в экваториальной полосе. Молнии сопровождаются атмосфериками.
7. Механизм формирования наземных молний
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. Процесс развития наземной молнии, несколько упрощённо, состоит из следующих стадий.
1. Широкий атмосферный ливень. Атмосфера ионизуется высокоэнергетическими частицами космических лучей, образуя ШАЛы. Пробивное напряжение воздуха в них уменьшается на порядок от такового при нормальных условиях.
2. Ступенчатый лидер молнии. Возникшие электронные лавины переходят в стримеры (нити электрических разрядов), представляющие собой хорошо проводящие каналы. Последние сливаются и дают начало яркому термоионизованному каналу с высокой проводимостью – ступенчатому лидеру молнии.
3. Движение лидера к земной поверхности происходит ступенями в несколько десятков метров со скоростью около 50 000 километров в секунду. После каждой ступени движение лидера приостанавливается на несколько десятков микросекунд, при этом его свечение сильно ослабевает; с началом очередной ступени
яркое свечение охватывает все пройденные ступени. Средняя скорость движения лидера – 200 км/сек.
4. Выбрасывание с поверхности земли ответного стримера происходит из выступающих на поверхности земли предметов – стримеры соединяются, образуя ионизированный канал.
5. Главный разряд молнии создаётся потоком электронов из недра Земли.
• Сбор зарядов, переносимых молнией, происходит за тысячные доли секунды с миллиардов мелких, хорошо изолированных друг от друга частиц, расположенных в объёме несколько км**3.
• Скорость продвижения: от 100 000 вначале до 10 000 км/сек в конце.
• Яркость заметно превышает яркость лидера.
• Температура канала при главном разряде может превысить 30000 °C.
• Ток в разряде молнии достигает 10-100 тысяч ампер, напряжение – 1 , а иногда и 50 млн вольт [3].
• Мощность разряда — от 1 до 1000 ГВт. Количество электричества, расходуемого молнией при разряде — от 2 до 10 кулон.
• Длина канала молнии: от 1 до 10 км, обычный диаметр – несколько сантиметров.
• Ударная волна от молнии на расстояниях до нескольких метров может наносить сильные разрушения, травмировать и контузить людей даже без непосредственного поражения электрическим током. При скорости нарастания тока 30 тысяч ампер за 0,1 миллисекунду и диаметре канала 10 см могут наблюдаться следующие давления ударной волны на расстоянии от центра:
5 см – 0,93 МПа, 0,5 м – 0,025 МПа (разрушение непрочных строительных конструкций и травмы человека), 5 м – 0,002 МПа (выбивание стёкол и временное оглушение человека). На бо;льших расстояниях ударная волна вырождается в гром.
Главный разряд нередко разряжает 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. Количество повторных разрядов достигает нескольких десятков. Длительность многократной молнии может превышать 1 сек. При ветре многократная молния создаёт светящуюся полосу – ленточную молнию
8. Объекты поражения молнией
Молнии и люди
В организме пострадавших отмечаются такие же патологические изменения, как и при поражении электротоком. Жертва теряет сознание, падает, могут отмечаться судороги, часто останавливается дыхание и сердцебиение. На теле обычно обнаруживаются «метки тока» – места входа и выхода электричества. На коже часто остаются знаки молнии – древовидные светло-розовые или красные полосы, исчезающие при надавливании пальцами. Это результат расширения капилляров в зоне контакта молнии с телом.
Пострадавший от удара молнией нуждается в госпитализации, так как возможны расстройства электрической активности сердца. До приезда квалифицированного медика ему, при необходимости, следует оказать первую помощь.
Молнии и деревья
Высокие деревья – частая мишень для молний. На реликтовых деревьях-долгожителях легко можно найти множественные громобоины. В некоторых лесных районах громобоины можно увидеть почти на каждом дереве. Молния проходит в стволе дерева с выделением большого количества тепла, превращая воду в пар, который раскалывает ствол дерева или отрывает от него участки коры, показывая путь молнии. Посаженные возле здания, высокие деревья улавливают молнии. Не прячьтесь от дождя под деревьями во время грозы, особенно под высокими или одиночными на открытой местности.
Молнии и электроустановки
При прямом попадании молнии в провода в линии возникает перенапряжение. В связи с этим аварии и пожары на сложном технологическом оборудовании могут возникать не мгновенно, а в период до восьми часов после попадания молнии. Для защиты от грозовых перенапряжений электрические подстанции и распределительные сети оборудуются различными видами защитного оборудования. Для защиты от прямого попадания молнии используются молниеотводы и грозозащитные тросы. Для электронных устройств представляет опасность также и электромагнитный импульс, создаваемый молнией.
Молния и летательные аппараты
Попадание молнии в летательный аппарат вызывает растекание тока большой величины по его конструкционным элементам, что может вызвать их разрушение, пожар в топливных баках и отказы оборудования. Для снижения риска металлические элементы наружной обшивки аппаратов тщательно электрически соединяются друг с другом, а неметаллические элементы металлизируются. Для стекания тока молнии и другого атмосферного электричества с корпуса летательные аппараты оборудуются разрядниками. Наиболее опасна молния для низколетящего самолёта или вертолёта, так как в этом случае летательный аппарат может сыграть роль проводника тока молнии из облака в землю. Самолёты на больших высотах сравнительно часто поражаются молнией, но случаи катастроф единичны. Чаще они случаются на взлете и посадке.
Молния и корабли
Для деревянных парусников удар молнии практически всегда заканчивался трагедией. Клёпаные стальные суда также были уязвимы для молнии. Высокое удельное сопротивление заклёпочных швов вызывало значительное локальное тепловыделение, что приводило к возникновению электрической дуги, пожарам, разрушению заклёпок и появлению течи в корпусе. Сварной корпус современных судов обеспечивает безопасное растекание тока молнии.
Молнии и ядерные взрывы
При мощных наземных ядерных взрывах недалеко от эпицентра под действием электромагнитного импульса могут появиться молнии. Только в отличие от грозовых разрядов эти молнии начинаются от земли и уходят вверх
Источники информации
1. Александр Пустовойтов. http://otvet.mail.ru/question/56342455.
2. В.И. Ермаков, Ю.И. Стожков, Физика грозовых облаков, ФИАН, М.: 2004.
3. Молнии. https://ru.wikipedia.org/wiki/