Долгожданное отступление жары сопровождается сильными грозами. В Петербурге за последнюю неделю пронеслось два сильнейших грозовых урагана. Зрелище было страшное. Казалось, что небо трещало и разрывалось на части, вспышки молний напоминали взрывы.
Почему возникает такая гроза, как она зарождается в атмосфере? Такие вопросы приходят в голову именно в это грозовое время. Попробуем разобраться, опираясь на компетентные источники. Как Вы увидите, что температура играет здесь важнейшую роль.

Где чаще всего возникают грозы?

Над континентами в тропиках. Над океаном гроз на порядок меньше. Одна из причин такой асимметрии — в интенсивной конвекции в континентальных областях, где суша эффективно прогревается солнечным излучением. Быстрый подъем прогретого воздуха способствует образованию мощных конвективных вертикальных облаков, в верхней части которых температура ниже - 40°C. В результате формируются частицы льда, снежной крупы, града, взаимодействие которых на фоне быстрого восходящего потока и приводит к разделению зарядов.

Примерно 78% всех молний регистрируется между 30°ю.ш. и 30°с.ш. Максимальная средняя плотность числа вспышек на единицу поверхности Земли наблюдается в Африке (Руанда). Весь бассейн р.Конго площадью около 3 млн км 2 регулярно демонстрирует наибольшую молниевую активность.

Как заряжается грозовое облако?

Это самый интересный вопрос в «грозоведении». Грозовые облака огромны. Чтобы на масштабе в несколько километров возникло электрическое поле, сравнимое по величине с пробойным (примерно 30 кВ/см для воздуха в нормальных условиях), нужно, чтобы беспорядочный обмен зарядами при столкновениях облачных твердых или жидких частиц привел к согласованному, коллективному эффекту сложения микротоков в макроскопический ток весьма большой величины (несколько ампер). Как показали измерения электрического поля на поверхности земли, а также внутри облачной среды (на баллонах, самолетах и ракетах), в типичном грозовом облаке «основной» отрицательный заряд — в среднем несколько десятков кулон — занимает интервал высот, соответствующий температурам от 10 до 25°C. «Основной» положительный заряд составляет также несколько десятков кулон, но располагается выше основного отрицательного, поэтому большая часть молниевых разрядов облако—земля отдает земле отрицательный заряд. Однако в нижней части облака также часто обнаруживается меньший по величине (10 Кл) положительный заряд.

Для объяснения описанной выше (трипольной) структуры поля и заряда в грозовом облаке рассматривается множество механизмов разделения зарядов. Они зависят, прежде всего, от таких факторов, как температура и фазовый состав среды. Несмотря на обилие различных микрофизических механизмов электризации, сейчас многие авторы считают главным безындукционный обмен зарядами при столкновениях мелких (с размерами от единиц до десятков микрометров) кристаллов льда и частиц снежной крупы. В лабораторных экспериментах было установлено наличие характерного значения температуры, при которой меняется знак заряда, т.н. точки реверса, лежащей обычно между 15 и 20°C. Именно эта особенность сделала данный механизм столь популярным, так как с учетом типичного профиля температуры в облаке она объясняет трипольную структуру распределения плотности заряда.

Недавние эксперименты показали, что многие грозовые облака обладают еще более сложной структурой пространственного заряда (до шести слоев). Восходящие потоки в таких облаках могут быть слабые, но электрическое поле имеет устойчивую многослойную структуру. Вблизи нулевой изотермы (0 °С) здесь формируются достаточно узкие (толщиной в несколько сотен метров) и стабильные слои пространственного заряда, во многом ответственные за высокую молниевую активность. Вопрос о механизме и закономерностях образования слоя положительного заряда в окрестности нулевой изотермы остается дискуссионным. Разработанная в ИПФ модель, основанная на механизме разделения зарядов при таянии ледяных частиц, подтверждает формирование слоя положительного заряда при таянии ледяных частиц вблизи нулевой изотермы на высоте около 4 км. Расчеты показали, что за 10 минут образуется структура поля с максимумом около 50 кВ/м.

Как происходит разряд молнии?

Существует несколько теорий. Недавно был предложен и исследован новый сценарий молнии, связанный с достижением облаком режима самоорганизованной критичности. В модели электрических ячеек (с характерным размером ~1—30 м) со случайно растущим в пространстве и времени потенциалом отдельный мелкомасштабный пробой между парой ячеек способен вызвать «эпидемию» внутриоблачных микроразрядов — разыгрывается стохастический процесс фрактальной «металлизации» внутриоблачной среды, т.е. быстрый переход облачной среды в состояние, напоминающее обьемную паутину из динамичных проводящих нитей, на фоне которых и формируется видимый глазом канал молнии — проводящий плазменный канал, по которому переносится основной электрический заряд

По некоторым представлениям, разряд инициируют высокоэнергетические космические лучи, которые запускают процесс, получивший название пробоя на убегающих электронах. Интересно, что наличие ячеистой структуры электрического поля в грозовом облаке оказывается существенным для процесса ускорения электронов до релятивистских энергий. Случайно ориентированные электрические ячейки наряду с ускорением резко увеличивают время жизни релятивистских электронов в облаке благодаря диффузионному характеру их траекторий. Это позволяет объяснить значительную продолжительность всплесков рентгеновского и гамма излучений и характер их взаимосвязи с молниевыми вспышками. Роль космических лучей для атмосферного электричества должны прояснить эксперименты по исследованию их корреляции с грозовыми явлениями. Такие эксперименты ведутся в настоящее время на ТяньШанской высокогорной научной станции Физического института РАН и на Баксанской нейтринной обсерватории Института ядерных исследований РАН.

Отметим также, что разрядные явления в средней атмосфере, коррелирующие с грозовой активностью, получили разные наименования в зависимости от высоты над Землей. Это спрайты (область свечения простирается от высот 50—55 км до 85—90 км над землей, а длительность вспышки составляет от единиц до десятков миллисекунд), эльфы (высоты — 70—90 км, продолжительность менее 100 мкс) и джеты (разряды, стартующие в верхней части облака и распространяющиеся порою до мезосферных высот со скоростью около 100 км/с).

Температура молнии

В литературе можно найти данные, что температура канала молнии при главном разряде может превышать 25 000 °C. Наглядным свидетельством того, что температура молнии может достигать 1700 °С являются найденные на скалистых вершинах гор и в районах с сильной грозовой активностью фульгуриты (от лат. fulgur — удар молнии) — спёкшиеся от удара молнии кварцевые трубки,которые могут быть разнообразной причудливой формы.

На фото фульгурит, найденный в 2006 г. в штате Аризона, США (подробности на сайте www.notjustrocks.com). Появление стеклянной трубочки связано с тем, что между песчинками всегда находятся воздух и влага. Электрический ток молнии за доли секунд раскаляет воздух и водяные пары до огромных температур, вызывая взрывообразный рост давления воздуха между песчинками и его расширение. Расширяющийся воздух образует цилиндрическую полость внутри расплавленного песка. Последующее быстрое охлаждение фиксирует фульгурит — стеклянную трубочку в песке. Фульгуриты, состоящие из переплавленного кремнезёма, обыкновенно представляют собой конусообразные трубочки толщиной с карандаш или с палец. Их внутренняя поверхность гладкая и оплавленная, а наружная образована приставшими к оплавленной массе песчинками и посторонними включениями. Цвет фульгуритов зависит от примесей минералов в песчаной почве. Фульгурит очень хрупок, и попытки очистить от прилипшего песка нередко приводят к его разрушению. Особенно это относится к ветвистым фульгуритам, образовавшимся во влажном песке. Диаметр трубчатого фульгурита не более нескольких сантиметров, длина может доходить до нескольких метров, находили фульгурит длиной 5-6 метров.

Изучением молнии и вообще атмосферного электричества - это очень интересное и важное научное направление. На эту тему опубликовано множество научных трудов и популярных статей. Ссылка на одну из наиболее исчерпывающих обзорных работ приводится в конце нашей заметки.

В заключение хочется отметить, что молнии — серьёзная угроза для жизни людей. Поражение человека или животного молнией часто происходит на открытых пространствах так как электрический ток идёт 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.

Молния

Мы часто думаем, что электричество - это нечто такое, что вырабатывается только на электростанциях, а уж никак не в волокнистых массах водяных облаков, которые настолько разрежены, что в них спокойно можно просунуть руку. Тем не менее, в облаках есть электричество, как есть даже в человеческом теле.

Природа электричества

Все тела состоят из атомов - от облаков и деревьев до человеческого организма. У каждого атома есть ядро, несущее положительно заряженные протоны и нейтральные нейтроны. Исключением является простейший атом водорода, в ядре которого нет нейтрона, а есть только один протон.

Вокруг ядра обращаются отрицательно заряженные электроны. Положительные и отрицательные заряды взаимно притягиваются, поэтому электроны вращаются вокруг ядра атома, как пчелы около сладкого пирога. Притяжение между протонами и электронами обусловлено электромагнитными силами. Поэтому электричество присутствует везде, куда бы мы ни посмотрели. Как мы видим, оно содержится и в атомах.

В нормальных условиях положительные и отрицательные заряды каждого атома уравновешивают друг друга, поэтому тела, состоящие из атомов, обычно не несут никакого суммарного заряда - ни положительного, ни отрицательного. В результате соприкосновение с другими предметами не вызывает электрического разряда. Но иногда равновесие электрических зарядов в телах может нарушиться. Возможно, вы это испытываете на себе, находясь дома в холодный зимний день. В доме очень сухо и жарко. Вы, шаркая босыми ногами, ходите по паласу. Незаметно для вас часть электронов с ваших подошв перешла к атомам ковра.

Материалы по теме:

Как образуется град?

Вот теперь вы несете электрический заряд, так как количество протонов и электронов в ваших атомах уже не сбалансировано. Попробуйте теперь взяться за металлическую ручку двери. Между вами и ею проскочит искра, и вы почувствуете электрический удар. Произошло вот что - ваше тело, которому не хватает электронов для достижения электрического равновесия, стремится за счет сил электромагнитного притяжения восстановить равновесие. И оно восстанавливается. Между рукой и дверной ручкой возникает поток электронов, направленный к руке. Если бы в комнате было темно, то вы увидели бы искры. Свет виден потому, что электроны при перескакивании испускают кванты света. Если в комнате тихо, вы услышите легкое потрескивание.

Электричество окружает нас повсюду и содержится во всех телах. Облака в этом смысле - не исключение. На фоне голубого неба они выглядят очень безобидными. Но так же, как вы в комнате, они могут нести электрический заряд. Если это так - берегитесь! Когда облако восстанавливает электрическое равновесие внутри себя - вспыхивает целый фейерверк.

Как появляется молния?

Вот что при этом происходит: в темном огромном грозовом облаке постоянно циркулируют мощные воздушные потоки, которые сталкивают между собой разнообразные частицы - крупинки океанической соли, пыль и так далее. Точно так же, как ваши подошвы при трении о ковер освобождаются от электронов, и частицы в облаке при столкновении освобождаются от электронов, которые перескакивают на другие частицы. Так возникает перераспределение зарядов. На одних частицах, которые потеряли свои электроны, имеется положительный заряд, на других, которые приняли на себя лишние электроны, теперь отрицательный заряд.

Материалы по теме:

Как появляется шаровая молния?

По причинам, которые не вполне ясны, более тяжелые частицы заряжаются отрицательно, а более легкие - положительно. Таким образом, более тяжелая нижняя часть облака заряжается отрицательно. Отрицательно заряженная нижняя часть облака отталкивает в сторону земли электроны, так как одноименные заряды отталкиваются. Таким образом, под облаком формируется положительно заряженная часть земной поверхности. Затем точно по такому же принципу, по которому между вами и дверной ручкой проскакивает искра, между облаком и землей проскочит такая же искра, только очень большая и мощная это и есть молния. Электроны гигантским зигзагом летят к земле, находя там свои протоны. Вместо едва слышного потрескивания раздается сильный удар грома.

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

В каждый момент времени в разных точках Земли сверкают молнии более 2000 гроз. В каждую секунду около 50 молний ударяются в поверхность земли, и в среднем каждый ее квадратный километр молния поражает шесть раз за год. Еще Б. Франклин показал, что молнии, бьющие по земле из грозовых облаков, - это электрические разряды, переносящие на нее отрицательный заряд величиной несколько десятков кулон, а амплитуда тока при ударе молнии составляет от 20 до 100 кА. Скоростная фотосъемка показала, что разряд молнии длится несколько десятых долей секунды и состоит из нескольких еще более коротких разрядов. Молнии издавна интересуют ученых, но и в наше время об их природе мы знаем лишь немного больше, чем 250 лет тому назад, хотя смогли их обнаружить даже на других планетах.

Наука и жизнь // Иллюстрации

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

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

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

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

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

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

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

Полые цилиндрические фрагменты фульгурита, образованные из оплавленного песка.

Белый фульгурит из Техаса.

Молния - вечный источник подзарядки электрического поля Земли . В начале XX века с помощью атмосферных зондов измерили электрическое поле Земли. Его напряженность у поверхности оказалась равной примерно 100 В/м, что соответствует суммарному заряду планеты около 400 000 Кл. Переносчиком зарядов в атмосфере Земли служат ионы, концентрация которых увеличивается с высотой и достигает максимума на высоте 50 км, где под действием космического излучения образовался электропроводящий слой - ионосфера. Поэтому электрическое поле Земли - это поле сферического конденсатора с приложенным напряжением около 400 кВ. Под действием этого напряжения из верхних слоев в нижние все время течет ток силой 2-4 кА, плотность которого составляет 1-2 . 10 -12 А/м 2 , и выделяется энергия до 1,5 ГВт. И это электрическое поле исчезло бы, если бы не было молний! Поэтому в хорошую погоду электрический конденсатор - Земля - разряжается, а при грозе заряжается.

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

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

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

Облако - фабрика по производству электрических зарядов. Трудно представить, что в облаке находится пара материалов из перечисленных в таблице. Однако на телах может оказаться различная "заряженная" пыль, даже если они сделаны из одного того же материала, - достаточно, чтобы микроструктура поверхности отличалась. Например, при трении гладкого тела о шероховатое оба будут электризовываться.

Грозовое облако - это огромное количество пара, часть которого конденсировалось в виде мельчайших капелек или льдинок. Верх грозового облака может находиться на высоте 6-7 км, а низ нависать над землей на высоте 0,5-1 км. Выше 3-4 км облака состоят из льдинок разного размера, так как температура там всегда ниже нуля. Эти льдинки находятся в постоянном движении, вызванном восходящими потоками теплого воздуха от нагретой поверхности земли. Мелкие льдинки легче, чем крупные, увлекаются восходящими потоками воздуха. Поэтому "шустрые" мелкие льдинки, двигаясь в верхнюю часть облака, все время сталкиваются с крупными. При каждом таком столкновении происходит электризация, при которой крупные льдинки заряжаются отрицательно, а мелкие - положительно. Со временем положительно заряженные мелкие льдинки оказываются в верхней части облака, а отрицательно заряженные крупные - внизу. Другими словами, верхушка грозы заряжена положительно, а низ - отрицательно. Все готово для разряда молнии, при котором происходит пробой воздуха и отрицательный заряд с нижней части грозовой тучи перетекает на Землю.

Молния - привет из космоса и источник рентгеновского излучения. Однако само облако не в состоянии так наэлектризовать себя, чтобы вызвать разряд между своей нижней частью и землей. Напряженность электрического поля в грозовом облаке никогда не превышает 400 кВ/м, а электрический пробой в воздухе происходит при напряженности больше 2500 кВ/м. Поэтому для возникновения молнии необходимо что-то еще кроме электрического поля. В 1992 году российский ученый А. Гуревич из Физического института им. П. Н. Лебедева РАН (ФИАН) предположил, что своеобразным зажиганием для молнии могут быть космические лучи - частицы высоких энергий, обрушивающиеся на Землю из космоса с околосветовыми скоростями. Тысячи таких частиц каждую секунду бомбардируют каждый квадратный метр земной атмосферы.

Согласно теории Гуревича, частица космического излучения, сталкиваясь с молекулой воздуха, ионизирует ее, в результате чего образуется огромное число электронов, обладающих высокой энергией. Попав в электрическое поле между облаком и землей, электроны ускоряются до околосветовых скоростей, ионизируя путь своего движения и, таким образом, вызывая лавину электронов, движущихся вместе с ними к земле. Ионизированный канал, созданный этой лавиной электронов, используется молнией для разряда (см. "Наука и жизнь" № 7, 1993 г.).

Каждый, кто видел молнию, заметил, что это не ярко светящаяся прямая, соединяющая облако и землю, а ломаная линия. Поэтому процесс образования проводящего канала для разряда молнии называют ее "ступенчатым лидером". Каждая из таких "ступенек" - это место, где разогнавшиеся до околосветовых скоростей электроны остановились из-за столкновений с молекулами воздуха и изменили направление движения. Доказательство для такой интерпретации ступенчатого характера молнии - вспышки рентгеновского излучения, совпадающие с моментами, когда молния, как бы спотыкаясь, изменяет свою траекторию. Недавние исследования показали, что молния служит довольно мощным источником рентгеновского излучения, интенсивность которого может составлять до 250 000 электронвольт, что примерно в два раза превышает ту, которую используют при рентгене грудной клетки.

Как вызвать разряд молнии? Изучать то, что произойдет непонятно где и когда, очень сложно. А именно так в течение долгих лет работали ученые, исследующие природу молний. Считается, что грозой на небе руководит Илья-пророк и нам не дано знать его планы. Однако ученые очень давно пытались заменить Илью-пророка, создавая проводящий канал между грозовой тучей и землей. Б. Франклин для этого во время грозы запускал воздушный змей, оканчивающийся проволокой и связкой металлических ключей. Этим он вызывал слабые разряды, стекающие вниз по проволоке, и первым доказал, что молния - это отрицательный электрический разряд, стекающий с облаков на землю. Опыты Франклина были чрезвычайно опасными, и один из тех, кто их пытался повторить, - российский академик Г. В. Рихман - в 1753 году погиб от удара молнии.

В 1990-х годах исследователи научились вызывать молнии, не подвергая опасности свою жизнь. Один из способов вызвать молнию - запустить с земли небольшую ракету прямо в грозовую тучу. Вдоль всей траектории ракета ионизирует воздух и создает таким образом проводящий канал между тучей и землей. И если отрицательный заряд низа тучи достаточно велик, то вдоль созданного канала происходит разряд молнии, все параметры которого регистрируют приборы, расположенные рядом со стартовой площадкой ракеты. Чтобы создать еще лучшие условия для разряда молнии, к ракете присоединяют металлический провод, соединяющий ее с землей.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Молния - одно из тех природных явлений, которые издавна внушали страх человеческому роду. Понять её сущность стремились величайшие умы, такие как Аристотель или Лукреций. Они считали, что это шар, состоящий из огня и зажатый в водяных парах туч, и, увеличиваясь в размере, он прорывает их и стремительной искрой падает на землю.

Понятие молнии и ее зарождение

Чаще всего молния образуется в которые имеют достаточно большой размер. Верхняя часть может располагаться на высоте 7 километров, а нижняя - всего лишь в 500 метрах над поверхностью земли. Учитывая атмосферную температуру воздуха, можно прийти к выводу, что на уровне 3-4 км вода замерзает и превращается в льдинки, которые, сталкиваясь между собой, электризуются. Те, что обладают наибольшим размером, получают отрицательный заряд, а наименьшие - положительный. Исходя из своего веса, они равномерно распределяются в облаке по слоям. Сближаясь между собой, они образуют плазменный канал, из которого и получается электрическая искра, именуемая молнией. Свою ломаную форму она получила из-за того, что на пути к земле часто встречаются различные воздушные частицы, которые образуют преграды. И чтобы их обойти, приходится менять траекторию.

Физическое описание молнии

Разряд молнии выделяет от 109 до 1010 джоулей энергии. Такое колоссальное количество электричества в большей степени расходуется на создание световой вспышки и которая иначе называется громом. Но даже маленькой части молнии хватит, чтобы творить немыслимые вещи, например, ее разряд может убить человека или разрушить здание. Еще один интересный факт говорит о том, что это природное явление способно плавить песок, образуя полые цилиндры. Такой эффект достигается из-за высокой температуры внутри молнии, она может достигать 2000 градусов. Время удара о землю также различно, оно не может быть больше секунды. Что же касается мощности, то амплитуда импульса может достичь сотни киловатт. Соединяя все эти факторы, получается наисильнейший природный разряд тока, который несет в себе гибель всему тому, к чему прикоснется. Все существующие виды молний очень опасны, и встреча с ними крайне нежелательна для человека.

Образование грома

Все виды молний невозможно представить себе без раската грома, который не несет в себе такой же опасности, но в некоторых случаях может привести к сбою работы сети и к другим техническим неполадкам. Он возникает из-за того, что теплая волна воздуха, нагретая молнией до температуры горячее, чем солнце, сталкивается с холодной. Звук, получающийся при этом, - не что иное, как волна, вызванная колебаниями воздуха. В большинстве случаев громкость увеличивается к концу раската. Это происходит из-за отражения звука от облаков.

Какие бывают молнии

Оказывается, все они разные.

1. Линейные молнии - наиболее часто встречающаяся разновидность. Электрический раскат выглядит как перевернутое вверх тормашками, разросшееся дерево. От главного канала отходит несколько более тонких и коротких "отростков". Длина такого разряда может достигать 20 километров, а сила тока - 20 000 ампер. Скорость движения составляет 150 километров в секунду. Температура плазмы, наполняющей канал молнии, доходит до 10 000 градусов.

2. Внутриоблачные молнии - происхождение данного вида сопровождается изменением электрических и магнитных полей, также излучаются радиоволны. Такой раскат с наибольшей вероятностью можно встретить ближе к экватору. В умеренных широтах он появляется крайне редко. Если в облаке находится молния, то побудить ее выбраться наружу может и посторонний объект, нарушающий целостность оболочки, например наэлектризованный самолет или металлический трос. По длине может колебаться от 1 до 150 километров.

3. Наземные молнии - данный вид проходит несколько стадий. На первой из них начинается ударная ионизация, которая создается в начале свободными электронами, они всегда присутствует в воздухе. Под действием электрического поля элементарные частицы приобретают высокие скорости и направляются к земле, сталкиваясь с молекулами, составляющими воздух. Таким образом, возникают электронные лавины, по-другому называющиеся стримеры. Они представляют собой каналы, которые, сливаясь между собой, служат причиной яркой, термоизолированной молнии. Она достигает земли в форме небольшой лестницы, потому что на ее пути встречаются преграды, и чтобы их обойти, она меняет направление. Скорость движения составляет примерно 50000 километров в секунду.

После того как молния пройдет свой путь, она заканчивает движение на несколько десятков микросекунд, при этом свет ослабевает. После этого начинается следующая стадия: повторение пройденного пути. Самый последний разряд превосходит по яркости все предыдущие, сила тока в нем может достигать сотен тысяч ампер. Температура же внутри канала колеблется в районе 25 000 градусов. Такой вид молний самый продолжительный, поэтому последствия могут быть разрушительными.

Жемчужные молнии

Отвечая на вопрос о том, какие бывают молнии, нельзя упустить из виду такое редкое природное явление. Чаще всего разряд проходит после линейного и полностью повторяет его траекторию. Только вот на вид он представляет собой шары, находящиеся на расстоянии друг от друга и напоминающие собой бусы из драгоценного материала. Такая молния сопровождается самыми громкими и раскатистыми звуками.

Шаровая молния

Природное явление, когда молния принимает форму шара. В этом случае траектория ее полета становится непредсказуемой, что делает ее еще опаснее для человека. В большинстве случаев такой электрический ком возникает совместно с другими видами, но зафиксирован факт его появления даже в солнечную погоду.

Как образуется Именно этим вопросом чаще всего задаются люди, столкнувшиеся с этим феноменом. Как всем известно, некоторые вещи являются прекрасными проводниками электричества, так вот именно в них, накапливая свой заряд, и начинает зарождаться шар. Также он может появиться из основной молнии. Очевидцы же утверждают, что она возникает просто из ниоткуда.

Диаметр молнии колеблется от нескольких сантиметров до метра. Что же касается цвета, то существует несколько вариантов: от белого и желтого до ярко-зеленого, крайне редко можно встретить черный электрический шар. После стремительного спуска он движется горизонтально, примерно в метре от поверхности земли. Такая молния может неожиданно менять траекторию и так же неожиданно исчезнуть, высвободив при этом огромную энергию, из-за которой происходит плавление или же вовсе разрушение различных предметов. Живет она от десяти секунд до нескольких часов.

Спрайт-молния

Совсем недавно, в 1989 году, ученые обнаружили еще один вид молнии, который получил название спрайт . Открытие произошло совершенно случайно, потому что феномен наблюдается крайне редко и длится лишь десятые доли секунды. От других их отличает высота, на которой они появляются - примерно 50-130 километров, в то время как другие подвиды не преодолевают 15-километровый рубеж. Также спрайт-молния отличается огромным диаметром, который достигает 100 км. Они выглядят как вертикальные и вспыхивают группами. Их цвет различается в зависимости от состава воздуха: ближе к земле, где больше кислорода, они зеленые, желтые или белые, а вот под влиянием азота, на высоте более 70 км, они приобретают ярко-красный оттенок.

Поведение во время грозы

Все виды молний несут в себе необычайную опасность для здоровья и даже жизни человека. Чтобы избежать электрического удара, на открытой местности следует придерживаться следующих правил:

1. В данной ситуации в группу риска попадают самые высокие объекты, поэтому стоит избегать открытых местностей. Чтобы стать ниже, лучше всего присесть и положить голову и грудь на колени, в случае поражения эта поза защитит все жизненно важные органы. Ни в коем случае нельзя ложиться плашмя, чтобы не увеличивать площадь возможного попадания.
2. Также не стоит прятаться под высокими деревьями и Нежелательным укрытием будут и незащищенные конструкции или металлические объекты (например, навес для пикника).
3. Во время грозы нужно немедленно выйти из воды, потому что она является хорошим проводником. Попадая в нее, разряд молнии может с легкостью распространиться и на человека.
4. Ни в коем случае нельзя пользоваться мобильным телефоном.
5. Для оказания первой помощи пострадавшему лучше всего произвести сердечно-легочную реанимацию и немедленно вызвать службу спасения.

Правила поведения в доме

Внутри помещений тоже существует опасность поражения.

1. Если на улице началась гроза, первым делом нужно закрыть все окна и двери.
2. Необходимо отключить все электрические приборы.
3. Не приближаться к проводным телефонам и прочим кабелям, они являются прекрасными проводниками электричества. Таким же эффектом обладают и металлические трубы, поэтому не стоит находиться рядом с сантехникой.
4. Зная, как образуется шаровая молния и как непредсказуема ее траектория, если она все-таки попала в помещение, необходимо немедленно его покинуть и закрыть все окна и двери. Если же эти действия невозможны, лучше стоять неподвижно.

Природа все еще неподвластна человеку и несет многие опасности. Все виды молний - это, по своей сути, мощнейшие электрические разряды, которые в несколько раз превышают по мощности все искусственно созданные человеком источники тока.