Что такое молния? Как образуется и откуда берется это природное явление. Линейные молнии, методы её исследования - Реферат
Ученые всего мира пытаются разгадать загадку вулкана Эйяфьяллайекюль (Eyjafjallajokull) на леднике Исландии, извержения которого начались в прошлом месяце. Многочисленные молнии, сопровождавшие извержения вулкана, заинтересовали ученую общественность мира в проявлении своей удивительной ярости природы.
Молния, является, прежде всего, просто электрическим разрядом. Электричество накапливается внутри облака и при достаточно большой разности потенциалов электрических потоков высвобождается из облака в виде молнии, проявляющейся яркой вспышкой света и сопровождающим её громом. Ток в разряде молнии достигает 10-20 тысяч ампер, поэтому мало кому из людей удается выжить после поражения их молнией.
Как известно, 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 заканчиваются) 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 км?. 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 энергии.
Средняя длина молнии 2,5 км, некоторые разряды простираются в атмосфере на расстояние до 20 км.
Рассмотрим принципы возникновения молний.
Наземный вид молний
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.
Исландские молнии
Многие ученые считают, что частицы льда в грозу трутся друг о друга, что в свою очередь создает статический разряд. Когда они накапливаются, облачная масса не может устоять электрическим потокам и в итоге освобождается от накопленных разрядов в виде молнии.
Электрические разряды, возникающие в пеплоидной массе исходящей из кратера вулкана, образуются из-за реакции между льдом, расплавленной лавой и горными породами, в свою очередь из-за эффекта трения, образуют «грязную грозу» – облако темного цвета с многочисленными разрядами молний.
Фото-факты с участием молний в извержении вулкана.
Помимо двух наиболее известных видов молнии - линейной и шаровой - существует множество малоизвестных и малоизученных - четочная , спрайт , токовые и голубые струи , сидящие разряды , огни святого Эльма . Каждый из этих видов молний отличается своеобразными характеристиками и представляет опасность для человека и зданий .
Шаровая молния
Шаровая молния напоминает светящийся шар диаметром в среднем от 12 до 25 сантиметров, способный перемещаться по воздуху в произвольном направлении. Средний срок жизни шаровой молнии оценивают в 3-5 секунд, однако, существуют свидетельства в пользу того, что срок существования шаровой молнии может достигать 30 секунд. С шаровыми молниями связан необычный феномен - металлические предметы небольшой массы, в непосредственной близости от разряда становятся невесомыми. Например, очевидцы не раз отмечали, что при встрече с шаровой молнией с их рук соскальзывали кольца.
Шаровые молнии пока ещё недостаточно изучены наукой. В настоящее время в специализированных лабораториях ведутся интенсивные эксперименты по получению искусственных шаровых молний.
Токовые струи
Токовые струи не обязательно возникают во время грозы - они могут появляться и в ясную погоду, при сильном ветре в виде трудноразличимых вспышек голубого цвета.
Огни святого Эльма
Огни святого Эльма поражают свой красотой. Чаще всего их можно наблюдать в виде специфического свечения вокруг шпилей башен и мачт кораблей. В старину этот феномен трактовали как божественное знамение. Согласно легенде, прихожане церкви святого Эльма однажды увидели необычное свечение вокруг креста на одной из башен. Так этот тип разряда получил свое современное называние. Однако, он наблюдался и ранее. Уже в древнегреческих текстах мы обнаруживаем свидетельства об «огнях Кастора и Поллукса», которые считались хорошим предзнаменованием.
Физический смысл явления довольно прозаичен. Свечение возникает в сухой и сильно наэлектризованной атмосфере, когда напряженность электромагнитного поля достигает планки в несколько десятков или сотен тысяч воль на метр. Свечение возникает, когда в воздухе есть частицы диэлектрика - снег, песок, пыль. Они трутся друг о друга, тем самым формируя увеличение напряженности электрического поля. В результате в воздухе возникает характерное свечение.
Спрайты
В середине 1990-х годов был открыт новый тип разряда молнии. Его зафиксировали на высоте 60 км над уровнем моря в виде коротких оптических вспышек. Их называли спрайтами. Цвет и форма спрайтов могут сильно варьировать. Ученые пока ещё немного знают об этом явлении. Известно только, что их возникновение связано с разрядами, пробегающими между ионосферой и грозовыми тучами. Трудность изучения спрайтов состоит в том, что они появляются на высоте, на которой возникают трудности их фиксации как при помощи зондов и ракет, так и при помощи спутников.
Считается, что спрайты возникают только над сильными грозами и провоцируются сверхсильными разрядами между землей и облаками.
Эльфы
Эльфы - это огромные вспышки конусовидной формы со слабым свечением. Их диаметр может достигать 400 километров. Эльфы появляются непосредственно над грозовым облаком и могут достигать высоту до 100 километров. Длительность разряда составляет до 5 миллисекунд.
Джеты
это разряды, по форме напоминающие трубки и конусы высотой до 70 километров, длительность существования джетов приблизило такое же, как у эльфов.
Молнии представляют собой искровой разряд между изолированными друг от друга частицами воздуха. Молнии бывают линейными, неточными и шаровыми. Среди линейных молний различают «наземные» (ударяющие в Землю) и внутриоблачные. Средняя длина молниевых разрядов достигает нескольких километров. Внутриоблачные молнии могут достигать 50 - 150 км. При наземных молниях импульсное значение тока может достигать от 20 до 500 кА. Внутриоблачные молнии сопровождаются разрядами с токами порядка 5 - 15 кА. При молниевых разрядах возникают значительные электромагнитные помехи в широком диапазоне частот.[ ...]
Линейная молния обычно сопровождается сильным раскатистым звуком, который называется громом. Гром возникает по следующей причине. Мы видели, что ток в канале молнии образуется в течение очень короткого промежутка времени. При этом в канале воздух очень быстро и сильно нагревается, а от нагревания он расширяется. Расширение протекает так быстро, что оно напоминает взрыв. Этот взрыв даёт сотрясение воздуха, которое сопровождается сильными звуками. После внезапного прекращения тока температура в канале молнии быстро падает, так как тепло уходит в атмосферу. Канал быстро охлаждается, и воздух в нём поэтому резко сжимается. Это также вызывает сотрясение воздуха, которое снова образует звук. Понятно, что многократные разряды молнии могут вызвать продолжительный грохот и шум. В свою очередь, звук отражается от туч, земли, домов и других предметов и, создавая многократные эхо, удлиняет гром. Поэтому и происходят раскаты грома.[ ...]
Види мый электрический разряд между облаками, отдельными частями одного облака или между облаком и земной поверхностью. Наиболее частый, типичный вид молнии - линейная М. - искровой разряд с разветвлениями, длиной в среднем 2-3 км, а иногда до 20 км и более; диаметр М. порядка десятков сантиметров. Особый характер имеют плоская, че-точная и шаровая М. (см.). Далее говорится о линейной М.[ ...]
Кроме линейной, бывают, правда гораздо реже, молнии других видов. Из них мы рассмотрим одну, наиболее интересную - шаровую молнию.[ ...]
Кроме линейной молнии в грозовых облаках наблюдаются плоские молнии. Наблюдатель видит, как кучево-дождевое облако вспыхивает изнутри в значительной толще. Плоская молния представляет собой суммарный эффект одновременного действия большого числа коронных разрядов во внутриоблачной массе. При этом значительная часть облака освещается изнутри, а вне облака исходит в виде вспышки красноватое свечение. Плоская молния не создает акустических эффектов. Плоскую молнию, освещающую облако изнутри, не следует путать с зарницами - отсветами других молний, иногда за горизонтом, освещающих облако снаружи, а также небосвод у горизонта.[ ...]
ПЛОСКАЯ МОЛНИЯ. Электрический разряд на поверхности облаков, не имеющий линейного характера и состоящий, по-видимому, из светящихся тихих разрядов, испускаемых отдельными капельками. Спектр П. М. полосатый, главным образом из полос азота. Не следует смешивать П. М. с зарницей, представляющей собой освещение отдаленных облаков линейными молниями.[ ...]
ШАРОВАЯ МОЛНИЯ. Явление, наблюдающееся иногда при грозе; представляет собой ярко светящийся шар различной окраски и величины (у земной поверхности обычно порядка десятков сантиметров). Ш. М. появляется после разряда линейной молнии; перемещается в воздухе медленно и бесшумно, может проникать внутрь зданий через щели, дымоходы, трубы, иногда разрывается с оглушительным треском. Явление может длиться от нескольких секунд до полминуты. Это еще мало изученный физико-химический процесс в воздухе, сопровождающийся электрическим разрядом.[ ...]
Если шаровая молния состоит из заряженных частиц, то в отсутствие притока энергии извне эти частицы должны рекомбинировать и быстро передать выделившееся при этом тепло окружающей атмосфере (время рекомбинации 10 10-10-11 с, а с учетом времени отвода энергии из объема - не больше 10-3 с). Так, после прекращения тока канал линейной молнии охлаждается и исчезает за время порядка нескольких миллисекунд.[ ...]
Итак, шаровая молния не всегда возникает в связи с разрядом линейной молнии, хотя, возможно, в большинстве случаев это и так. Можно предположить, что она возникает там, где накапливаются и не могут нейтрализоваться значительные электрические заряды. Медленное растекание этих зарядов приводит к коронированию или появлению огней святого Эльма, быстрое - к возникновению шаровой молнии. Это может происходить, например, в тех местах, где внезапно прерывается канал линейной молнии и значительный заряд выбрасывается в сравнительно небольшую область воздуха мощным коронным разрядом. Однако, вероятно, аналогичные ситуации могут возникать и без разряда линейной молнии.[ ...]
Далее, шаровая молния беззвучна. Ее движение совершенно бесшумно или сопровождается слабым шипением или потрескиванием. Хотя в редких случаях шаровая молния пролетает несколько десятков метров в секунду и образует короткую светящуюся полосу длиной несколько метров (это связано с неспособностью наших зрительных анализаторов различить события, отделенные интервалом времени меньше 0,1 с), тем не менее эту полосу нельзя спутать с каналом линейной молнии, образование которого сопровождается оглушительным громом. Последствия от взрыва шаровой молнии также, как правило, значительно слабее, чем от разряда линейной молнии. В частности, взрыв - чаще всего хлопок, в сильных случаях - винтовочный или пистолетный выстрел, в то время как гром от близкой линейной молнии скорее напоминает по силе грохот разорвавшегося снаряда.[ ...]
Поскольку шаровая молния чаще всего связана с молнией и грозами, для ранних исследователей было естественным попытаться использовать в лабораторных экспериментах атмосферную молнию. В работах первое научно зафиксированное исследование явления, похожего на шаровую молнию, связывается с именем профессора Рихмана из Петербурга. Считается, что разряд, похожий на шаровую молнию, случайно образовался во время грозы. Этот случай получил широкую известность в кругу исследователей явлений, связанных с линейной и шаровой молнией. Такая известность обусловлена не столько результатами самого эксперимента, сколько тем фактом, что шаровая молния, как сообщалось, ударила Рихмана в лоб, в результате чего он 6 августа 1753 г. скончался.[ ...]
Появление шаровой молнии обычо связано с грозовой активностью. Статистика показывает, что 73% из 513 случаев согласно данным Мак Нзлли , 62% из 112 случаев согласно Рэйли и 70% из 1006 согласно Стаханову относятся к грозовой погоде. По данным Барри в 90% собранных им случаев шаровая молния наблюдалась во время грозы. При этом во многих работах сообщалось, что шаровая молния возникала непосредственно после удара линейной молнии.[ ...]
Заметим, что шаровая молния появилась не сразу, а через 3-4 с после разряда линейной молнии. Кроме того, автор письма привел слишком много подробностей события, так что вряд ли можно считать виденное им галлюцинацией. Подобные наблюдения не единичны.[ ...]
Образование шаровой молнии из канала линейной молнии с рассматриваемой точки зрения представляется следующим образом. Некоторое количество горячего диссоциированного воздуха, выброшенного ударной волной из канала линейной молнии, смешивается с окружающим холодным воздухом и охлаждается столь быстро, что небольшая доля атомарного кислорода в нем не успевает рекомбинировать. По изложенным выше соображениям этот кислород должен превратиться за 10 5 с в озон. Допустимая доля горячего воздуха в образовавшейся смеси сильно ограничена, так как температура смеси не должна превышать 400 К, в противном случае образовавшийся озон быстро разложится. Это ограничивает количество озона в смеси значением порядка 0,5-1 % . Для получения более высоких концентраций озона в рассмотрено возбуждение кислорода током молнии. Автор приходит к выводу, что это может привести к возникновению смеси, содержащей до 2,6 % озона. Таким образом, в данном случае разряд молнии действительно входит в предложенную схему как необходимая деталь картины. Это выгодно отличает рассматриваемую гипотезу от других химических гипотез, где собственно разряд не играет, на первый взгляд, никакой роли и остается непонятным, почему шаровая молния так тесно связана с грозой.[ ...]
Настоящая же шаровая молния появляется, как правило, во время грозы, нередко при сильном ветре. Канал линейной молнии возобновляется стреловидным лидером через каждые 30-40 мс, да и существует он не более 0,1 - 0,2 с.[ ...]
Возникновение шаровой молнии можно представить с этой точки зрения следующим образом. После удара линейной молнии остается небольшая часть ее канала, нагретая до высокой температуры. С окончанием разряда ток не прекращается. Теперь яркий искровой разряд сменяется темным, несветящимся разрядом, в котором ток течет вдоль погасшего канала линейной молнии. Воздух здесь содержит повышенное количество ионов, не успевших рекомбинировать. Проводимость этого столба воздуха, заполненного ионами, ширина которого предполагается значительно большей первоначального диаметра канала молнии, принимается порядка 10“3- -10 4 м 1 Ом 1. Движение шаровой молнии возникает от действия магнитного поля тока на тот же ток при нарушении цилиндрической симметрии. Взрыв рассматривается как схлопывание в результате прекращения тока. Впрочем, при резком и сильном возрастании тока может произойти взрыв в обычнохм смысле этого слова. Тихое погасание происходит при медленном прекращении тока.[ ...]
Известно, что разряд обычной линейной молнии имеет сложную, иногда весьма извилистую траекторию в атмосфере. Развитие разряда можно изучать с помощью фотосъемки, применяя высокоскоростные камеры. В камерах, используемых для съемки молний, пленка может быстро двигаться в горизонтальном или вертикальном направлении. Типичная скорость движения пленки составляет 500-1000 см/с. Такая скорость необходима потому, что скорость продвижения канала молнии достигает величины 5 108см/с.[ ...]
Принято считать, что четочная молния возникает из канала аномальной молнии между двумя тучами. Канал разряда обычной молнии распадается на ряд не связанных друг с другом светящихся фрагментов. Законченная форма четочной молнии состоит из большого числа частей, по-видимому, существующих одновременно, а не является кажущимся результатом движения одиночного светящегося объекта с периодически меняющейся яркостью. Наблюдателям она представляется в виде устойчивого свечения вдоль траектории обычной линейной молнии, которое существует довольно долгое время после вспышки последней. Согласно сообщениям, время жизни такой четочной молнии составляет 1-2 с.[ ...]
Согласно сообщениям, четочная молния обычно появляется между двумя тучами, образуя прерывистую линию светящихся «пятен», которая остается в течение некоторого времени после появления обычной линейной молнии Светящиеся «пятна» имеют такой же угловой размер, как и диаметр канала линейной молнии, и, по-видимому, обладают сферической формой. Каждое «пятно» отделено от соседнего несветящейся областью. Размер темного промежутка может составлять несколько диаметров светящихся частей.[ ...]
Наблюдалось появление шаровой молнии при ударе линейной молнии в воду. О нем сообщил нам И. А. Гулидов из Харькова.[ ...]
Прежде всего отметим, что шаровая молния далеко не всегда появляется после определенного разряда линейной молнии. Согласно нашим данным в 75 % случаев наблюдатель не может указать определенно, предшествовал ли удар линейной молнии появлению шаровой молнии. По-видимому, она может появиться в результате отдаленного разряда линейной молнии, который не фиксируется наблюдателем, например при разряде между облаками, а затем спуститься вниз к земле. Во многих случаях (приблизительно в 20-30 %) ее вообще не связывают с грозой. Согласно нашим данным это происходит приблизительо в 25 % случаев, примерно такую же цифру - 30 % - дает опрос в Великобритании . Однако даже в тех случаях, когда шаровая молния появляется вслед за определенным ударом линейной молнии, наблюдатель далеко не всегда видит вспышку, иногда он слышит только гром. Так было, например, со всеми четырьмя очевидцами, видевшими шаровую молнию в Кремле (см. № 1). Сторонники теории инерции изображения должны, таким образом, допустить, что по-слеобраз может возникать не только от вспышки молнии, но и от звука грома. Иногда вспышку молнии отделяет от появления шаровой молнии несколько секунд, которые требуются, чтобы шаровая молния попала в поле зрения наблюдателя или чтобы он обратил на нее внимание. Приведем несколько примеров из полученной корреспонденции.[ ...]
Если, как это часто считают, шаровая молния образуется при разряде линейной молнии, то можно значительно увеличить вероятность ее наблюдения. Для этого достаточно организовать регулярное наблюдение за теми объектами, которые часто поражает линейная молния (высотные шпили, телевизионные вышки, опоры линий электропередачи и др.). Так, частота попадания линейной молнии в Останкинскую башню составляет несколько десятков случаев в год. Если» вероятность появления шаровой молнии при разряде линейной молнии не меньше 0,1-0,01, то имеется много шансов обнаружить шаровую молнию в течение одного сезона. При этом, конечно, необходимо допустить, что попадание молнии в башню не исключает по тем или иным причинам появление шаровой молнии. Кроме того, нужно применять соответствующую аппаратуру, поскольку, если учесть большую высоту башни, угловой размер шаровой молнии (при наблюдении с земли) будет очень мал, а яркость ее ничтожна по сравнению с яркостью канала линейной молнии.[ ...]
Капля расплавленного металла, попав в канал линейной молнии, также может образовать светящуюся сферу, движение которой, однако, будет существенно отличаться от движения шаровой молнии. В связи с большим удельным весом такие капли будут неизбежно стекать вниз или быстро падать, в то время как шаровая молния может парить, двигаться горизонтально или подниматься. Даже если предположить, что расплавленная капля металла приобретает в момент образования значительный импульс, ее движение из-за большой инерции мало будет напоминать движения, которые обычно приписывают шаровой молнии. Наконец, речь может идти в данном случае лишь о шаровых молниях небольшого размера, диаметр которых составляет несколько сантиметров, в то время как подавляющее большинство молний имеет значительно большие размеры (10-20 см, а иногда и больше).[ ...]
Только немногие очевидцы, наблюдавшие шаровую молнию, видят также и момент ее зарождения. Из 1500 ответов на первую анкету определенный ответ на вопрос о том, как возникает шаровая молния, дали лишь 150 человек. В ответах на вторую анкету мы получили подробное описание почти всех этих событий.[ ...]
Не вызывает сомнения, что происхождение шаровой молнии в большинстве случаев тесно связано с разрядом линейной молнии. Относительно первого вопроса практически нет сомнения в том, что по крайней мере в тех случаях, когда рождение шаровой молнии сопровождается разрядом линейной молнии, энергия подводится к ней через канал линейной молнии, а затем согласно кластерной гипотезе запасается в форме энергии ионизации кластерных ионов. Полагая, что разность потенциалов между облаком и землей может достигать 108 В, а заряд, переносимый разрядом молнии, 20-30 К , находим, что энергия, выделяемая в разряде линейной молнии, составляет (2ч-3) 109 Дж. При средней длине канала 3-5 км энергия на единицу длины составляет около 5-105 Дж/м. Во время заряда эта энергия распределяется вдоль канала и может положить начало возникновению шаровой молнии. В некоторых случаях она может быть передана по проводникам на значительное расстояние от места удара линейной молнии.[ ...]
Наиболее вероятным местом возникновения шаровой молнии является, по нашему мнению, корона разряда линейной молнии. Как и всякий проводник, находящийся под высоким потенциалом, канал линейной молнии окружен коронным разрядом, занимающим широкую область (порядка 1 м в диаметре), в которой во время разряда образуется большое количество ионов. Температура этой области во много раз ниже температуры канала молнии и едва ли превышает, особенно в ее периферических частях, несколько сотен градусов. В таких условиях: ионы легко могут покрыться гидратными оболочками, превратившись в ионные гидраты или другие кластерные ионы. Мы видим, что как размеры, так и температурные условия, существующие в короне, значительно лучше подходят для образования шаровой молнии, чем условия, характерные для токонесущего канала разряда.[ ...]
В письме В. В. Мошарова сообщается о том, что шаровая молния возникла после удара линейной молнии в антенну телевизора.[ ...]
Итак, разрядные токи, появившиеся при взрыве шаровой молнии, текли и на значительном расстоянии от места взрыва. Свалить эти последствия на разряд линейной молнии в данном случае совершенно невозможно, так как гроза в это время уже кончилась. Появление сильных импульсов тока может приводить и к оплавлению металлов, следовательно, эти токи могут, хотя бы частично, быть ответственны за оплавления, вызываемые шаровой молнией. Конечно, энергия, потраченная на плавление, не заключена в самой шаровой молнии, и это может объяснить большой разброс тепловыделения.[ ...]
Заметим, что согласно последнему наблюдению шаровая молния возникла хотя и вблизи дерева, в которое ударила линейная молния, но все же несколько в стороне, в двух метрах от него.[ ...]
Для защиты воздушных линий от повреждения прямым ударом молнии применяют линейные трубчатые разрядники, устанавливаемые на опорах на период грозового сезона. Разрядники осматривают при каждом очередном обходе линий, а особо тщательно после грозы.[ ...]
Второй аргумент заключается в том, что образование шаровой молнии занимает интервал времени в несколько секунд. Хотя шаровая молния и появляется вслед за разрядом линейной молнии, однако, судя по показаниям очевидцев, требуется некоторое время, чтобы она «разгорелась» или выросла в диаметре до стационарного размера или сформировалась в самостоятельное сферическое тело. Это время (1-2 с) приблизительно на порядок превосходит полную длительность существования канала линейной молнии (0,1-0,2 с) и более чем на два порядка больше времени распада канала (10 мс).[ ...]
Выше мы описывали главным образом случаи появления шаровой молнии из проводников во время близкого удара линейной молнии или, по крайней мере, когда возможность такого удара не исключалась. Возникает вопрос - может ли шаровая молния возникнуть и без предшествующего разряда линейной молнии. На основе -анализа ряда случаев можно с полной определенностью ответить на этот вопрос положительно. В качестве одного из примеров можно напомнить случай (№ 47), описанный в начале § 2.6, когда„шаровая молния появилась на клеммах аккумуляторной батареи. Приведем еще несколько примеров, в которых подробно описано возникновение шаровой молнии.[ ...]
Вернемся снова к вопросу об объективной частоте появлений шаровой молнии. Естественным масштабом для сравнения является частота появления линейных молний. В предварительный опрос, проведенный ЫАБА, были включены также вопросы о наблюдении четочной молнии и о месте попадания линейной молнии. В последнем вопросе имеют в виду наблюдение области диаметром около 3 м, расположенной там, где канал линейной молнии уходит в землю или в предметы, находящиеся на ней. Утвердительный ответ на этот вопрос означал, что наблюдатель видел это место достаточно отчетливо, чтобы иметь возможность заметить небольшой слабо светящийся шар около земли.[ ...]
Для этого класса фотографий характерно наличие вблизи следа обычной линейной молнии отдельного небольшого светящегося участка, явно образованного молнией и оставшегося как нечто, отделенное от основного разряда.[ ...]
И. П. Стаханов специально проводил анализ описания наблюдений шаровой молнии с точки зрения их возникновения. Им отобраны 67 случаев, когда был зафиксирован момент появления шаровой молнии. Из них в 31 случае шаровая молния возникла в непосредственной близости от канала линейной молнии, в 29 случаях она появлялась из металлических предметов и устройств - розеток, радиоприемников, антенн, телефонных аппаратов и т. д., в 7 случаях она загоралась в воздухе «из ничего».[ ...]
Молниевый канал, т.е. путь, по которому проскакивает искровой разряд, судя по фотографиям молний, сделанных специальными камерами, имеет диаметр от 0,1 до 0,4 м. Продолжительность разряда оценивается микросекундами. Наблюдения молнии, развивающейся за столь короткое время, не противоречат теории видимости в атмосфере, где время, необходимое для наблюдения, как было рассмотрено ранее, должно превышать 0,5 с. За микросекунды развития молнии очень яркая область молниевого канала оказывает столь сильное воздействие на зрительный аппарат человека, что за время, необходимое для реадаптации зрения, он успевает осмыслить происшедшее. Аналогичен этому зрительный эффект ослепления, скажем, фотовспышкой. По этой же причине линейная молния воспринимается нами как единый искровой разряд, реже - два, хотя, по данным специальных фотосъемок, она практически всегда состоит из 2-3 импульсов и более, до десятков.[ ...]
Проведенные исследования позволяют однозначно ответить на вопрос, существует ли вообще шаровая молния как физическое явление. В свое время была выдвинута гипотеза о том, что шаровая молния является оптической иллюзией. Эта гипотеза существует и в настоящее время (см., например, ). Суть этой гипотезы состоит в том, что сильная вспышка линейной молнии в результате фотохимических процессов может оставить след на сетчатке глаза наблюдателя, который сохраняется на ней в виде пятна в течение 2-10 с; это пятно и воспринимается как шаровая молния. Такое утверждение отвергается всеми авторами обзоров и монографий, посвященных шаровой молнии, которые предварительно обработали большое число наблюдений. Делается это по двум причинам. Во-первых, каждое из многочисленных наблюдений, используемых как довод в пользу существования шаровой молнии, в процессе ее наблюдения включает в себя много деталей, которые не могли возникнуть в мозгу наблюдателя в качестве последействия вспышки шаровой молнии. Во-вторых, имеется ряд надежных фотографий шаровой молнии, и это объективно доказывает ее существование. Таким образом, на основе совокупности данных по наблюдению шаровой молнии и их анализу можно с полной уверенностью утверждать, что шаровая молния - это реальное явление.[ ...]
При постановке своих экспериментов Андрианов и Синицын исходили из предположения, что шаровая молния возникает как вторичный эффект линейной молнии из испарившегося после ее действия материала. Для моделирования такого явления авторы использовали так называемый эррозиопный разряд - импульсный разряд, который создает плазму из испаряющегося материала. Запасенная энергия в условиях эксперимента составляла 5 кДж, разность потенциалов 12 кВ, емкость разряжаемого конденсатора 80 мкФ. Разряд направлялся на диэлектрический материал, максимальный разрядный ток составлял 12 кА. Область разряда вначале отделялась от нормальной атмосферы тонкой мембраной, которая разрывалась при включении разряда, так что эрро-зионная плазма выбрасывалась в атмосферу. Движущаяся светящаяся область принимала сферическую или тороидальную форму, причем видимое излучение плазмы наблюдалось в течение времени порядка 0,01 с, а вообще свечение плазмы фиксировалось не более 0,4 с. Эти эксперименты лишний раз показывают, что время жизни плазменных образований в атмосферном воздухе существенно меньше наблюдаемого времени жизпи шаровой молнии.[ ...]
На рис. 2.4 приведена фотография из , особенности изображения на которой близки к описанным характеристикам четочной молнии. Прерывистое свечение, как сообщалось, наблюдалось вместе с обычной линейной молнией. Как видно, след четочной молнии в отличие от обычных разрядов молнии не ветвится. Эта особенность, совершенно несвойственная следу обычной молнии, по наблюдениям очевидцев, является отличительной чертой четочной молнии. Однако происхождение этого особого следа на рис. 2.4 стоит под вопросом, поскольку в верхней части фотографии имеется часть следа, повторяющая только что описанный след (его форма явно совпадает с формой основного изображения четочной молнии). Невероятно, чтобы два или более разряда приобрели столь близкие формы под действием атмосферных электрических полей и далеко отстоящих друг от друга пространственных зарядов. Таким образом, фотография рис. 2.4 является сомнительной. Она связана, видимо, с движением камеры, а не представляет собой истинный след четочной молнии.[ ...]
Вблизи земли найти эту воду не представляет никакого труда. Она может содержаться в воздухе и на поверхности земли, на листьях в виде росы и на других предметах. За время разряда молнии (0,1-0,2 с) она испаряется и может заполнить значительный объем. В воздухе (в частности, в облаках) вода распределена в виде капель и паров. Поскольку вещество шаровой молнии обладает поверхностным натяжением, оно будет иметь тенденцию собираться в одном месте подобно растянутой упругой пленке. Поэтому можно думать, что ионы, из которых состоит шаровая молния, образуются и одеваются в гидратные оболочки в довольно большом объеме, во много раз превышающем объем самой шаровой молнии, и лишь после этого сжимаются и объединяются в одно тело. На это указывают и очевидцы (см. гл. 2). Напомним, что один из них, в частности, говорит, что после удара линейной молнии во вспаханное поле по его поверхности побежали «огоньки», которые собрались затем в один шар, оторвавшийся от земли и поплывший по воздуху (см. № 67).
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
ПЕТРОЗАВОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Линейная молния.
Её рождение и методы использования.
Петрозаводск 2009 год
Список исполнителей:
Егорова Елена,
1 курс, гр.21102
Лебедев Павел,
1 курс, гр.21112
Шелегина Ирина,
1 курс, гр.21102
Молния. Общие сведения…………………………………….4
История. Теории происхождения……………………………5
Формирование молнии……………………………………….6
Молния. Общие сведения
Молния - это искровой разряд статического электричества, аккумулированного в грозовых облаках.
Длина линейной молнии составляет несколько километров, но может достигать 20 км и более.
Форма молнии обычно похожа на разветвленные корни разросшегося в поднебесье дерева.
Основной канал молнии имеет несколько ответвлений длиной 2-3 км.
Диаметр канала молнии составляет от 10 до 45 см.
Длительность существования молнии составляет десятые доли секунды.
Средняя скорость движения молнии 150 км/с.
Сила тока внутри канала молнии доходит до 200000 А.
Температура плазмы в молнии превышает 10000°С.
Напряженность электрического поля внутри грозового облака составляет от 100 до 300 вольт/см, но перед разрядом молнии в отдельных небольших объемах она может доходить до 1600 вольт/см.
Средний заряд грозового облака составляет 30-50 кулонов. В каждом разряде молнии переносится от 1 до 10 кулонов электричества.
Наряду с наиболее распространенной линейной молнией иногда встречаются ракетообразная, четочная и шаровая молнии. Ракетообразная молния наблюдается очень редко. Она длится 1-1,5 сек и представляет собой медленно развивающийся между облаками разряд. К весьма редким видам молнии следует отнести и четочную. Она имеет общую длительность 0,5 сек и представляется глазу на фоне облаков в виде светящихся четок диаметром около 7 см. Шаровая молния в большинстве случаев представляет собой сферическое образование диаметром у земной поверхности 10-20 см, а на высоте облаков до 10 м.
На Земле ежесекундно наблюдается в среднем около 100 разрядов линейной молнии, средняя мощность, которая затрачивается в масштабе всей Земли на образование гроз равняется 1018 эрг/сек. То есть, энергия, выделяющаяся при выпадении осадков из грозового облака, значительно превышает его электрическую энергию.
2. История изучения природы молний и первоначальные «теории» обьяснения этого природного явления
Молния и гром первоначально воспринимались людьми как выражение воли богов и,
в частности, как проявление божьего гнева. Вместе с тем пытливый человеческий
ум с давних времен пытался постичь природу молний и грома, понять их
естественные причины. В древние века над этим размышлял Аристотель. Над
природой молний задумывался Лукреций. Весьма наивно представляются его
попытки объяснить гром как следствие того, что «тучи сшибаются там под
натиском ветров».
Многие столетия, включая и средние века, считалось, что молния – это огненный
пар, зажатый в водяных парах туч. Расширяясь, он прорывает их в наиболее
слабом месте и быстро устремляется в низ, к поверхности земли. В 1929 Дж.Симпсон предложил теорию, которая объясняет электризацию дроблением дождевых капель потоками воздуха. В результате дробления падающие более крупные капли заряжаются положительно, а остающиеся в верхней части облака более мелкие – отрицательно. В теории свободной ионизации Ч.Вильсона предполагается, что электризация возникает как результат избирательного накопления ионов находящимися в атмосфере капельками разных размеров. Возможно, что электризация грозовых облаков осуществляется совместным действием всех этих механизмов, а основным из них является падение достаточно крупных частиц, электризуемых трением об атмосферный воздух.
В 1752 г Бенджамин Франклин экспериментально доказал, что молния – это
сильный электрический разряд. Ученый выполнил знаменитый опыт с воздушным
змеем, который был запущен в воздух при приближении грозы.
Опыт: На крестовине змея была укреплена заостренная проволочка,
к концу веревки привязаны ключ и шелковая лента, которую он удерживал рукой.
Как только грозовая туча оказалась над змеем, заостренная проволока стала
извлекать из нее электрический заряд, и змей вместе с бечевой наэлектризуется.
После того, как дождь смочит змея вместе с бечевкой, сделав их тем самым
свободными проводить электрический заряд, можно наблюдать как электрический
заряд будет «стекать» при приближении пальца.
Одновременно с Франклином, исследованием электрической природы молнии
занимались М.В. Ломоносов и Г.В.Рихман. Благодаря их исследованиям в середине 18 века была доказана электрическая природа молнии. С этого времени стало ясно, что молния представляет собой мощный электрический разряд, возникающий при достаточно сильной электризации туч.
3. Формирование молнии
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.
Обычно наблюдаются линейные молнии, которые относятся к безэлектродным разрядам, так как они начинаются (и кончаются) в скоплениях заряженных частиц. Это определяет их некоторые, до сих пор необъяснённые 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 мириадов 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.
Разряды молний могут происходить между соседними наэлектризованными облаками или между наэлектризованным облаком и землей. Разряду предшествует возникновение значительной разности электрических потенциалов между соседними облаками или между облаком и землей вследствие разделения и накопления атмосферного электричества в результате таких природных процессов, как дождь, снегопад и т.д. Возникшая таким образом разность потенциалов может достигать миллиарда вольт, а последующий разряд накопленной электрической энергии через атмосферу может создавать кратковременные токи от 3 до 200 кА.
4.Основные фазы первого и последующих
компонентов молнии
Родство молнии с искровым разрядом доказано еще работами Бенджамина Франклина два с половиной века назад. Произнося подобную фразу сегодня, правильнее упоминать две эти формы электрического разряда в обратной последовательности, ибо наиболее важные структурные элементы искры первоначально наблюдались у молнии и только затем были обнаружены в лаборатории. Причина столь нестандартной последовательности событий проста: разряд молнии имеет существенно большую длину, его развитие занимает больше времени, а потому для оптических регистрации молнии не требуется аппаратуры с особо высокой пространственной и временной разрешающей способностью. Первые и до сих пор впечатляющие развертки во времени разрядов молнии были выполнены с помощью простых фотокамер с механическим взаимным перемещение мобъектива и пленки (камер Бойса) еще в 30~е годы. Они позволили выявить две основные фазы процесса: лидерную и главную стадии.
В течение лидерной стадии в промежутке облако-земля или между облаками прорастает проводящий плазменный канал - лидер. Он рождается в области сильного электрического поля, безусловно достаточного для ионизации воздуха электронным ударом, но основную часть пути лидеру приходится прокладывать там, где напряженность внешнего поля (от заряда грозовых облаков) не превышает нескольких сотен вольт на сантиметр. Тем не менее, длина лидерного канала увеличивается, а это значит, что у его головки идет интенсивная ионизация, превращающая нейтральный воздух в хорошо проводящую плазму. Такое возможно, потому что лидер сам несет свое сильное поле. Оно создается объемным зарядом, сконцентрированным в области головки канала, и перемещается вместе с ней. Функцию проводника, гальванически связывающего головку лидера с точкой старта молнии, выполняет плазменный канал лидера. Лидер растет достаточно долго, до 0,01 с - целая вечность в масштабе быстротечных явлений импульсного электрического разряда. Все это время плазма в канале должна сохранять высокую проводимость. Такое невозможно без разогрева газа до температур, приближающихся к температурам электрической дуги (свыше 5000-6000 К). Вопрос о балансе энергии в канале, которая требуется для
его разогрева и для компенсации потерь, - один из самых важных в теории лидера.
Лидер - необходимый элемент любой молнии. У многокомпонентной вспышки с лидерного процесса начинается не только первый, но и все последующие компоненты. В зависимости от полярности молнии, направления ее развития и номера компонента (первый или какой-либо из последующих) механизм лидера может меняться, но суть явления сохраняется. Она заключается в формировании высокопроводящего плазменного канала за счет локального усиления электрического поля в ближайшей окрестности лидерной головки.
Главная стадия молнии (return stroke) начинается с момента контакта лидера с поверхностью земли или заземленным объектом. Чаще всего,это не непосредственный контакт. От вершины объекта может возникать и двигаться навстречу лидеру молнии собственный лидерный канал, называемый встречным лидером. Их встреча кладет начало главной стадии. Во время движения в промежутке облако-земля головка лидера молнии несла высокий потенциал, сравнимый с потенциалом грозового
облака в точке старта молнии (они отличаются падением напряжения на канале). После контакта, головка лидера принимает потенциал земли, а ее заряд стекает в землю. Со временем то же случается и с другими
участками канала, обладающими высоком потенциалом. Эта «разгрузка» происходит путем распространения по каналу от земли к облаку волны нейтрализации заряда лидера. Скорость волны приближается к скорости света, до 108 м/с. Между фронтом волны и землей по каналу течет
сильный ток, уносящий к земле заряд с «разгружающихся» участков канала. Амплитуда тока зависит от первоначального распределения потенциала вдоль канала. В среднем она близка к 30 кА, а для наиболее
мощных молний достигает 200-250 кА. Перенос столь сильного тока сопровождается интенсивным выделением энергии. Благодаря этому газ в канале быстро нагревается и расширяется; возникает ударная волна. Раскат грома - одно из ее проявлений. В энергетическом отношении главная стадия наиболее мощная. Она же характеризуется наиболее быстрым изменением тока. Крутизна его нарастания может превысить 1011 А/с - отсюда чрезвычайно мощное электромагнитное излучение, сопровождающее разряд молнии. Вот почему работающий радиоприемник или телевизор реагируют на грозу интенсив-
ными помехами, и это происходит на расстояниях в десятки километров.
Импульсы тока главной стадии сопровождают не только первый, но и все последующие компоненты нисходящей молнии. Это значит, что лидер каждого очередного компонента заряжает движущийся к земле
канал, а во время главной стадии часть этого заряда нейтрализуется и перераспределяется. Длительные раскаты грома - результат наложения звуковых волн, возбужденных импульсами тока всей совокупности
последующих компонентов. У восходящей молнии картина несколько иная. Лидер первого компонента
стартует от точки с нулевым потенциалом. По мере роста канала потенциал головки меняется постепенно, пока лидерный процесс не затормозится где-то в глубине грозового облака. Никакими быстрыми изменениями заряда это не сопровождается, а потому у первого компонента восходящей молнии главная
стадия отсутствует. Она наблюдается только у последующих компонентов, которые стартуют уже от облака и движутся к земле, ничем не отличаясь от последующих компонентов нисходящих молний.
В научном плане большой интерес представляет главная стадия межоблачных молний. На то что она существует, указывают раскаты грома, не менее громкие, чем при разрядах в землю. Ясно, что лидер межоблачной молнии стартует где-то в объеме одной заряженной области грозового облака (грозовой ячейке) и движется в направлении другой, противоположного знака. Заряженные области в облаке никак нельзя представлять в виде каких-то проводящих тел, подобных пластинам высоковольтного конденсатора, ибо заряды там распределены по объему радиусом в сотни метров и располагаются на малых каплях воды и кристалликах льда (гидрометеорах), не контактирующих друг с другом. Возникновение же главной стадии по своей физической сути необходимо предполагает контакт лидера молнии с высокопроводящим телом большой электрической емкости, сопоставимой или большей емкости лидера. Надо полагать при межоблачном разряде молнии в роли такого тела выступает одновременно возникший какой-либо другой плазменный канал, контактирующий затем с первым.
В измерениях у поверхности земли импульс тока главной стадии снижается по половины амплитудного значения в среднем примерно за 10 -4 с. Разброс этого параметра очень велик - отклонения от среднего в каждую сторону достигают почти порядка величины. Импульсы тока положительных молний, как правило, длительнее отрицательных, а импульсы первых компонентов длятся дольше последующих.
После главной стадии по каналу молнии в течение сотых, а иногда и десятых долей секунды может протекать слабо меняющийся ток порядка 100 А. В этой финальной стадии непрерывного тока канал молнии сохраняет свое проводящее состояние, а его температура удерживается на уровне дуговых. Стадия непрерывного тока может следовать за каждым компонентом молнии, в том числе и за первым компонентом восходящей молнии, у которой нет главной стадии. Иногда на фоне непрерывного тока
наблюдаются всплески тока длительностью порядка 10 -3 с и амплитудой до 1 кА. Они сопровождаются увеличением яркости свечения канала.
5. Линейные молнии
Распространенная линейная молния, с которой многократно встречается любой человек, имеет вид разветвляющейся линии. величина силы тока в канале линейной молнии составляет в среднем 60 - 170 кА, зарегистрирована молния с током 290 кА. средняя молния несет энергию 250 кВт/час (900 Мдж). энергия, в основном, реализуется в виде световой, тепловой и звуковой энергий.
Разряд развивается за несколько тысячных долей секунды; при столь высоких токах воздух в зоне канала молнии практически мгновенно разогревается до температуры 30 000-33 000° С. в результате резко повышается давление, воздух расширяется - возникает ударная волна, сопровождающаяся звуковым импульсом - громом.
Перед и во время грозы изредка в темное время на вершинах высоких заостренных объектов (макушках деревьев, мачтах, вершинах острых скал в горах, крестах церквей, молниеотводах, иногда в горах у людей на голове, поднятой руке или у животных) можно наблюдать свечение, получившее название «огни святого Эльма». Это название дано в древности моряками, наблюдавшими свечение на вершинах мачт парусников. Свечение возникает из-за того, что на высоких заостренных предметах напряженность электрического поля, создаваемого статическим электрическим зарядом облака, особенно высока; в результате начинается ионизация воздуха, возникает тлеющий разряд и появляются красноватые языки свечения, временами укорачивающиеся и опять удлиняющиеся. не следует пытаться тушить эти огни, т.к. горения нет. при высокой напряженности электрического поля может появиться пучок светящихся нитей - коронный разряд, который сопровождается шипением. линейная молния также изредка может возникнуть и при отсутствии грозовых облаков. не случайно возникла поговорка - «гром среди ясного неба».
Линейные молнии
6.Физические процессы при разряде молний.
Молнии стартуют не только от облака к земле, или от заземленного объекта к облаку, но и от изолированных от земли тел (самолетов, ракет и др.). Попыткам прояснить механизмы перечисленных процессов мало помогают экспериментальные данные, относящиеся к самой молнии. Наблюдений, которые проливали бы свет именно на физическое существо явлений, почти нет. Поэтому приходится строить умозрительные схемы, активно привлекая результаты эксперимента и теории длинной лабораторной искры. Молния очень интересна своим физическим началом, но наиболее важно подробно рассмотреть главную стадию молнии
Г
лавная
стадия, или процесс разряда канала
молнии, начинается с момента перекрытия
промежутка между облаком и землей
нисходящим лидером. Коснувшись земли
или заземленного объекта, лидерный
канал (для определенности пусть это
будет отрицательный лидер) должен
приобрести их нулевой потенциал,
поскольку емкость земли «бесконечна».
Нулевой потенциал приобретает и канал
восходящего лидера, который является
продолжением своего «близнеца»
нисходящего. Заземление лидерного
канала, несущего высокий потенциал,
сопровождается сильным изменением
распределенного вдоль него заряда.
Перед началом главной стадии вдоль
канала был распределен заряд τ 0 =
C 0 . Здесь
и в дальнейшем принесенный к земле,
«начальный» для главной стадии потенциал
обозначаем Ui. По-прежнему считаем его
постоянным по длине обоих лидеров,
игнорируя мало значащее для наших целей
падение напряжения вдоль канала.
Допустим, что в ходе главной стадии, как
и в лидерной, канал можно характеризовать
погонной емкостью Со, которая не меняется
ни по его длине, ни во времени. Когда
весь канал приобретает нулевой потенциал
(U = 0), погонный заряд становится равным
τ 1 = -CоUо(x). Часть канала, принадлежащая
отрицательному нисходящему лидеру, не
просто теряет свой отрицательный заряд,
но приобретает положительный (Uо 0). Она не только
разряжается, но и перезаряжается. Канал
сопряженного положительного восходящего
лидера высоко в облаке заряжается
положительным зарядом еще сильнее (см
рис.). Изменение погонного заряда за
время главной стадии ∆τ = τ-τ о =
-С о U i .
При U i
(х) = const изменение заряда одинаково по
всей длине канала. Оно такое, как будто
полностью разряжается длинный проводник
(длинная линия), предварительно заряженный
до напряжения Ui.
Измерения у земли показывают, что канал нисходящего лидера разряжается очень сильным током. В случае отрицательных молний импульс тока главной стадии с амплитудой IM ~ 10-100 кА длится 50-100 мкс по уровню 0,5. В течение примерно такого же времени вверх по каналу бежит хорошо видимый на фоторазвертках короткий яркий участок-головка главного канала. Скорость его v r ≈(1-0,5)с всего лишь в несколько раз меньше скорости света. Это естественно интерпретировать как распространение по каналу волны разряда, т.е. волны уменьшения потенциала и возникновения сильного тока. В области фронта волны, где потенциал резко падает по величине от U i и формируется сильный ток, вследствие интенсивного энергии выделения бывший лидерный канал разогревается до высокой температуры (по измерениям - до 30-35 кК). Потому фронт волны так ярко светится. Позади него канал, расширяясь, остывает и, теряя энергию на излучение, светится слабее. У процесса главной стадии имеется много общего с разрядом обычной длинной линии, образованной металлическим проводником.
Разряд
линии также имеет волновой характер, и
этот процесс послужил прототипом при
формировании представлений о главной
стадии молнии. Канал молнии разряжается
много скорее, чем он заряжался во время
своего роста со скоростью лидеров v
l
10 -3 -10 -2)v
r
. Но
изменения потенциала и погонного заряда
в ходе заряжения и разряда - величины
одного порядка: τ o =∆t.
Соответственно скорости канал разряжается
в v t /v l ~ 10 2 --10 3
раз более сильным током i M ~ ∆tv r
нежели лидерный i L
~ t 0 V L ~ 100 А. Во
столько же раз ориентировочно уменьшается
и погонное сопротивление канала R 0
при переходе от лидерной стадии к
главной. Причиной уменьшения сопротивления
является нагрев канала при прохождении
сильного тока, от чего возрастает
проводимость плазмы. Сравнимы,
следовательно, и сопротивления канала
и стримерной зоны, по которым идет один
и тот же ток. Значит, в единице длины
лидерного канала диссипируется такая
же по порядку величины энергия
и
она выражается через параметры лидера
Это дает Получается также, что среднее электрическое поле в канале лидера и за волной разряда в уже преобразованном канале одного порядка. Это согласуется с аналогичным заключением, которое можно сделать, рассматривая непосредственным образом установившиеся состояния в каналах лидерной и главной стадий молнии. Ситуация там подобна той, что имеет место в стационарной дуге. Но в сильноточных дугах поле в канале самом деле слабо зависит от тока. Из сказанного вытекает, что если в лидере и , то в установившемся состоянии за фронтом волны главной стадии должно быть , а полное омическое сопротивление всего канала молнии длиной в несколько километров оказывается порядка 102 Ом. Это сравнимо с волновым сопротивлением идеально проводящей длинной линии в воздухе Z, тогда как для лидерного канала той же длины полное сопротивление на 2 порядка больше Z. Соотношение между омическим сопротивлением участка линии, пройденного волной, и волновым сопротивлением характеризует степень затухания волны при распространении вдоль линии Если бы сопротивление канала не менялось, оставаясь на уровне лидерного, волна разряда канала молнии затухала бы и расплывалась, не пройдя и небольшой доли канала. Слишком быстро затухал бы и ток через точку замыкания канала на землю. Опыт говорит об обратном: видимая светящаяся головка имеет резкий фронт, и большой ток у земли регистрируется в течение всего времени ее подъема. Преобразование лидерного канала во время прохождения волны, приводящее к резкому уменьшения его погонного сопротивления, определяет весь ход процесса главной стадии молнии.
Опасные факторы воздействия молнии.
В связи с тем, что молния характеризуется большими величинами токов, напряжений и температур разряда, воздействие молнии на человека, как правило, завершается очень тяжелыми последствиями - обычно смертью. от удара молнии в мире в среднем ежегодно погибает около 3 000 человек, причем известны случаи одновременного поражения нескольких человек.
Разряд молнии проходит по пути наименьшего электрического сопротивления. так как между высоким объектом и грозовым облаком расстояние, а следовательно, и электрическое сопротивление, меньше, то молния, как правило, ударяет в высокие объекты, но не обязательно. например, если расположить рядом две мачты - металлическую и более высокую деревянную, то молния скорее всего ударит в металлическую мачту, хотя она ниже, потому что электропроводимость металла выше. молния также значительно чаще ударяет в глинистые и влажные участки, чем в сухие и песчаные, т.к. первые обладают большей электропроводностью.
Например, в лесу молния действует тоже избирательно. Дерево при ударе молнии расщепляется. механизм этого следующий: древесный сок и влага на участке прохождения разряда мгновенно испаряются и расширяются, при этом создаются огромные давления,
которые и разрывают древесину. Аналогичный эффект, сопровождающийся разлетом щепок, может иметь место при ударе молнии в стену деревянного строения. поэтому нахождение под высоким деревом во время грозы опасно.
Опасно находиться во время грозы на воде или вблизи нее, т.к. вода и участки земли у воды имеют большую электропроводность. в то же время нахождение во время грозы внутри железобетонных зданий, металлических строений (например, металлических гаражей) безопасно для человека.
Кроме поражения людей и животных линейная молния довольно часто является причиной возникновения лесных пожаров, а также жилых и производственных зданий, особенно в сельской местности.
Во время грозы находиться в городе менее опасно, чем на открытой местности, так как стальные конструкции и высокие здания хорошо выполняют функцию молниеотводов.
Полностью или частично закрытая электропроводная поверхность образует так называемую «камеру фарадея» внутри которой не может образоваться сколько-нибудь значительный и опасный для человека потенциал. поэтому пассажиры внутри автомобиля с цельнометаллическим кузовом, трамвая, троллейбуса, вагона поезда находятся во время грозы в безопасности, пока не выйдут наружу или не начнут открывать окна.
Молния может ударить в самолет, но так как современные самолеты является цельнометаллическими, пассажиры достаточно надежно защищены от поражения разрядом.
статистика показывает, что на 5000-10000 летных часов приходится один удар молнии в самолет, к счастью, почти все поврежденные самолеты продолжают полет. среди различных причин авиакатастроф, таких, как оледенение, ливень, туман, снег, буря, смерч, молния занимает последнее место, но все равно полеты самолетов во время грозы запрещаются.
В известную всему миру Эйфелеву башню в Париже при грозе молнии ударяют почти всегда, но для находящихся на смотровой площадке людей это не представляет опасности, т.к. ажурная металлическая решетка башни образует камеру фарадея, являющуюся великолепной защитой от поражения электрической молнией.
Признаком того, что вы находитесь в электрическом поле, могут послужить вставшие дыбом волосы, которые начнут издавать легкое потрескивание. Но это только сухие волосы.
Если молния вас задела, но вы еще в состоянии думать, следует как можно скорее обратиться к врачу. Медики полагают, что человек, выживший после удара молнии, даже не получив сильных ожогов головы и тела, впоследствии может получить осложнения в виде отклонений в сердечно-сосудистой и невралгической деятельности от нормы.
Молния ударяет в Эйфелеву башню, фотография 1902 г.
8.Как часто поражает молния?
Удары молнии в наземные сооружения. Из повседневного опыта известно, что чаще всего молния ударяет в высокие сооружения, особенно в те, что главенствуют над окружающей местностью. На равнине большинство ударов приходится в отдельно стоящие мачты, башни, дымовые трубы и т.п. В горной местности часто страдают и невысокие сооружения, если они стоят на отдельных высоких холмах или на вершине горы. На житейском уровне объяснение тому простое: электрическому разряду, каковым является молния, легче перекрыть более короткое расстояние до возвышающегося объекта. Так, в мачту высотой 30 м в среднем по Европе приходится 0,1 удар молнии за год (одно поражение за 10 лет), тогда как для уединенного стометрового объекта их почти в 10 раз больше. При более внимательном отношении столь резкая зависимость числа ударов от высоты уже не кажется тривиальной. Средняя высота точки старта нисходящей молнии около 3 км и даже 100 метровая высота-лишь 3 % расстояния между облаком и землей. Случайные искривления меняют полную длину траектории в десятки раз сильнее. Приходится допустить, что конечная приземная стадия развития молнии отличается какими-то особыми процессами, которые достаточно жестко предопределяют последний участок пути. Эти процессы приводят к ориентировке нисходящего лидера, его притяжению к высоким объектам.
Из опыта научных наблюдений за молниями можно говорить о приблизительно квадратичной зависимости числа ударов N M от высоты h сосредоточенных объектов (у них h много больше всех других размеров); для протяженных же, длины I , таких как воздушная линия электропередачи, N M ~ h i . Это наводит на мысль о существовании некоторого эквивалентного радиуса стягивания молний R э ~ h. Все молнии, смещенные от объекта по горизонтали на расстояние г R э попадают в него, остальные проходят мимо. Такая примитивная схема ориентировки в целом приводит к правильному результату. Для оценок можно использовать R э ~ 3h, а число ударов молнии на единицу невозмущенной поверхности земли в единицу времени n м извлечь из данных метеонаблюдений. По ним строятся специальные карты интенсивности грозовой деятельности. В европейской тундре n м R э = 0,3 км и для нее
удар за год, если ориентироваться на среднюю цифру n м = 3,5 км -2 год -1 Оценка имеет смысл для равнинной местности и только для не слишком высоких объектов h
Поражение человека
Радиус стягивания молний в человека всего 5-6 м, площадь стягивания - не более 10 -4 км 2 . На деле жертв у молнии намного больше и прямой удар здесь не при чем. Человеческий опыт не рекомендует в грозу находиться в лесу, тем более, на открытой местности, у высоких деревьев. И это правильно. Дерево примерно в 10 раз выше человека и молния попадает в него в 100 раз чаще. Находясь под древесной кроной, человек имеет заметный шанс оказаться в зоне растекания тока молнии, что не безопасно. После удара молнии в вершину дерева ее ток I M распространяется по неплохо проводящему стволу, а затем через корни растекается в земле. Корневая система дерева становится как бы естественным заземлителем. Благодаря току, в земле появляется электрическое поле , где р - удельное сопротивление грунта, j - плотность тока. Пусть ток растекается в грунте строго симметрично. Тогда эквипотенциали представляют собой полусферы с диаметральной плоскостью на поверхности земли. Плотность тока на расстоянии г от ствола дерева j(r) =,
разность потенциалов между близкими точками равна ∆ U =. Если, например, человек стоит на расстоянии r ≈ 1 м от центра ствола дерева боком к дереву, а расстояние между его ступнями ∆r ≈ 0,3 м, то для средней по силе молнии с током I м = 30 кА, перепад напряжения на поверхности грунта с р = составляет . Это напряжение оказывается приложенным к подошвам обуви, а после их неизбежного очень быстрого пробоя - к телу человека. То, что человек пострадает, а скорее всего будет убит, сомнений не вызывает - слишком велико действующее на него напряжение. Заметим, что оно пропорционально ∆r. Это значит, что стоять, широко расставив ноги, много опаснее, чем по стойке смирно с плотно сжатыми ступнями, а лежать по радиусу от дерева еще опаснее, потому что в этом случае расстояние между крайними точками, контактирующими с грунтом, становится равным росту
человека. Лучше всего, подобно аисту, замереть на одной ноге, но такие советы легче давать, чем выполнить. Кстати сказать, крупных животных молния поражает чаще, чем человека, в том числе и потому, что у них больше расстояние между ногами.
Если у вас дача с молниеотводом и для нее сооружен специальный заземлитель, проследите, чтобы во время грозы поблизости от заземлителя и заземляющего спуска к нему не было людей. Ситуация здесь аналогична только что рассмотренной.
7. Правила поведения во время грозы.
Вспышку молнии мы видим практически мгновенно, т.к. свет распространяется со скоростью 300 000 км/с. скорость распространения звука в воздухе равна примерно 344 м/с, т.е. примерно за 3 секунды звук проходит 1 километр. таким образом, разделив время в секундах между вспышкой молнии и последовавшим за ней первым раскатом грома, определим расстояние в километрах до нахождения грозы.
Если эти промежутки времени уменьшаются, то гроза приближается, и необходимо принять меры защиты от поражения молнией. Молния опасна тогда, когда за вспышкой тут же следует раскат грома, т.е. грозовое облако находится над вами, и опасность удара молнии наиболее вероятна. Ваши действия перед грозой и во время ее должны быть следующими:
не выходить из дома, закрыть окна, двери и дымоходы, позаботиться, чтобы не было сквозняка, который может привлечь шаровую молнию.
во время грозы не топить печку, т.к. дым, выходящий из трубы, имеет высокую электропроводность, и вероятность удара молнии в возвышающуюся над крышей трубу возрастает;
радио и телевизоры отключить от сети, не пользоваться электроприборами и телефоном (особенно важно для сельской местности);
во время прогулки спрятаться в ближайшем здании. Особенно опасна гроза в поле. При поиске укрытия отдайте предпочтение металлической конструкции больших размеров или конструкции с металлической рамой, жилому дому или другой постройке, защищенной молниеотводом;если нет возможности укрыться в здании, не надо прятаться в небольших сараях, под одинокими деревьями;
не находиться на возвышенностях и открытых незащищенных местах, вблизи металлических или сетчатых оград, крупных металлических объектов, влажных стен, заземления молниеотвода;
при отсутствии укрытия лечь на землю, при этом предпочтение следует отдать сухому песчаному грунту, удаленному от водоема;
если гроза застала вас в лесу, необходимо укрыться на низкорослом участке. Нельзя укрываться под высокими деревьями, особенно соснами, дубами, тополями. Лучше находиться на расстоянии 30 м от отдельного высокого дерева. обратите внимание - нет ли рядом деревьев, ранее пораженных грозой, расщепленных. лучше держаться в таком случае подальше от этого места. обилие пораженных молнией деревьев свидетельствует, что грунт на данном участке имеет высокую электропроводность, и удар молнии в этот участок местности весьма вероятен;
во время грозы нельзя находиться на воде и у воды - купаться, ловить рыбу. необходимо подальше отойти от берега;
в горах отойдите от горных гребней, острых возвышающихся скал и вершин. при приближении грозы в горах нужно спуститься как можно ниже. металлические предметы - альпинистские крючья, ледорубы, кастрюли, собрать в рюкзак и спустить на веревке на 20-30 м ниже по склону;
во время грозы не занимайтесь спортом на открытом воздухе, не бегайте, т.к. считается, что пот и быстрое движение «притягивает» молнию;
если вы застигнуты грозой на велосипеде или мотоцикле, прекратите движение и переждите грозу на расстоянии примерно 30 м от них;
8. Технология использования энергии молнии.
Китайские ученые разработали технологию использования энергии молнии в научных и промышленных целях,
"Новая разработка позволяет захватывать молнию в воздухе и перенаправлять ее в коллекторы на земле для исследований и использования", - сообщил сотрудник института атмосферной физики Це Сюшу.
Для захвата молнии будут использоваться оснащенные специальными громоотводами ракеты, которые будут запускать в центр грозового облака. Ракета YL-1 должна стартовать за несколько минут до удара молнии.
"Проверки показали, что точность запусков составляет 70%", - сообщили разработчики аппарата.
Энергия молнии, а также производимое ей электромагнитное излучение будут использоваться для генной модификации сельскохозяйственных пород и производства полупроводников.
Кроме того, новая технология позволит значительно снизить экономический ущерб от гроз, поскольку разряды будут уходить в безопасные места. По статистике, в КНР от удара молнии ежегодно гибнет около тысячи человек. Экономический ущерб от гроз в Китае достигает 143 миллионов долларов в год.
Исследователи также пытаются найти способ использования молний в энергетике. По данным ученых, один разряд молнии производит миллиарды киловатт электричества. По всему миру каждую секунду происходит 100 ударов молний - это огромный источник электроэнергии.
Список литературы:
Стекольников И. К., Физика молнии и грозозащита, М. - Л., 1943;
Имянитов И. М., Чубарина Е. В., Шварц Я. М., Электричество облаков, Л., 1971;
Renema.py, Молния.URL: http :// www . renema . ru / Info / molniya _ priroda . shtml
История молнии. URL: http://ru.wikipedia.org/wiki/ Молния
Имянитов И.М., Чубарина Е.В., Шварц Я.М. Электричество облаков. Л., 1971
Наука и техника: Физика. URL: http://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/fizika/MOLNIYA.html
Автономные светящиеся образования в открытом воздухе. URL: http://elibrary.ru/item.asp?id=9199806
Базелян Э.М., Райзер Ю.П. Физика молнии и молниезащиты. М.: Физматлит, 2001.