Молнии

Министерство образования Российской Федерации

Федеральное государственное образовательное  учреждение высшего профессионального образования

Российский  государственный гидрометеорологический университет

 

Кафедра экологии

 

 

 

Реферат

Молнии

 

Выполнил студент гр Э-474:

Бирюкова Анна

 

 

 

Руководитель доцент

Воронов Н.В.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Санкт-Петербург 2013

 

Содержание 

Введение …………………………………………………………3

1. Основные характеристики………………………………..4
2. Виды молний………………………………………………4

2.1 Ударная волна от  молнии………………………………....10

2. Люди и молния…………………………………………….10
3. Молния и электроустановки……………………………...11
4. Молния и авиация…………………………………………11
5. Молния и корабли…………………………………………12

3. Молнезащита………………………………………………12

Заключение……………………………………………………….15

Список литературы………………………………………………16

 

 

Введение

Природных ЧС очень много  и безусловно изучение каждого из них важно для обеспечения  безопасности жизнедеятельности человека. Каждое из них несёт не только опасность  жизни, но и  ущерб.

Некоторые ЧС сложно предсказать, а некоторые не предсказываются  совсем.

Что касается молний, то данный вид природного явления несёт в себе необычайную красоту, мощь и конечно же опасность. И даже очень большую опасность.

Есть на нашей планете  места, где грозовая активность практически  не прекращается, а есть, где гроз не бывает десятилетиями. Но статистика утверждает, что в масштабах планеты  грозовые разряды ударяют во все, что стоит на земле, с интенсивностью около ста ударов в секунду! А  самих гроз на планете бушует одновременно порядка 2000. Одним из результатов  этого могут быть пожары (только в нашей стране 7% пожаров в  жилых домах происходит от попадания  молний) [3].

 

 

I Основные характеристики

Мо́лния — гигантский электрический искровой разряд в атмосфере, обычно может происходить во время грозы, проявляющийся яркой вспышкой света и сопровождающим её громом. Молнии также были зафиксированы на Венере, Юпитере, Сатурне и Уране и др. Ток в разряде молнии достигает 10—100 тысяч ампер, напряжение — от десятков миллионов до миллиардов вольт, тем не менее, погибает после попадания молнии в человека лишь 47,3 % людей.

 

Условия формирования молний

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

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 нескольких 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 (см. атмосферное электричество) 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, световую и звуковую.

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

 

 

II Виды молний

1. Наземные молнии

Процесс развития наземной молнии состоит из нескольких стадий. На первой стадии, в зоне, где электрическое  поле достигает критического значения, начинается ударная ионизация, создаваемая  вначале свободными зарядами, 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, ионизация атмосферы  для прохождения разряда происходит под влиянием высокоэнергетического  космического излучения — частиц с энергиями 1012-1015 эВ, формирующих  широкий атмосферный ливень (ШАЛ) с понижением пробивного напряжения воздуха на порядок от такового при  нормальных условиях.

По одной из гипотез, частицы  запускают процесс, получивший название пробоя на убегающих электронах («спусковым крючком» процесса при этом являются космические лучи). 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 20000-30000 °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. Но земля не является заряженой, поэтому принято считать что разряд молнии происходит от облака по направлению к земле(сверху вниз).

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.

 

1. 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.

Рисунок 1 – Внутреоблачная молния

 

2. Молнии в верхней атмосфере

В 1989 году был обнаружен  особый вид молний — эльфы, молнии в верхней атмосфере. В 1995 году был  открыт другой вид молний в верхней  атмосфере — джеты.

Эльфы (англ. Elves; Emissions of Light and Very Low Frequency Perturbations from Electromagnetic Pulse Sources) представляют собой огромные, но слабосветящиеся вспышки-конусы диаметром около 400 км, которые появляются непосредственно из верхней части грозового облака. Высота эльфов может достигать 100 км, длительность вспышек — до 5 мс (в среднем 3 мс).

Джеты представляют собой трубки-конусы синего цвета. Высота джетов может достигать 40-70 км (нижняя граница ионосферы), живут джеты относительно дольше эльфов.

Спрайты трудно различимы, но они появляются почти в любую  грозу на высоте от 55 до 130 километров (высота образования «обычных» молний — не более 16 километров). Это некое  подобие молнии, бьющей из облака вверх. Впервые это явление было зафиксировано  в 1989 году случайно. Сейчас о физической природе спрайтов известно крайне мало.

 

Рисунок 2 – Молнии и разряды в верхних слоях атмосферы

 

 

3. Шаровая молния

Шарова́я мо́лния — светящийся плавающий в воздухе шар, уникально редкое природное явление. Единой физической теории возникновения и протекания этого явления к настоящему времени не представлено, также существуют научные теории, которые сводят феномен к галлюцинациям. Существуют около 400 теорий, объясняющих явление, но ни одна из них не получила абсолютного признания в академической среде. В лабораторных условиях похожие, но кратковременные явления удалось получить несколькими разными способами, так что вопрос о природе шаровой молнии остаётся открытым. По состоянию на конец XX века не было создано ни одного опытного стенда, на котором это природное явление искусственно воспроизводилось бы в соответствии с описаниями очевидцев шаровой молнии.

Широко распространено мнение, что шаровая молния — явление  электрического происхождения, естественной природы, то есть представляет собой  особого вида молнию, существующую продолжительное время и имеющую  форму шара, способного перемещаться по непредсказуемой, иногда удивительной для очевидцев траектории.

Традиционно достоверность  многих свидетельств очевидцев шаровой  молнии остаётся под сомнением, в  том числе:

-сам факт наблюдения  хоть какого-то явления;

-факт наблюдения именно  шаровой молнии, а не какого-то  другого явления;

-отдельные подробности  явления, приводимые в свидетельстве  очевидца.

Сомнения в достоверности  многих свидетельств осложняют изучение явления, а также создают почву  для появления разных спекулятивно-сенсационных материалов, якобы связанных с  этим явлением.

По свидетельствам очевидцев, шаровая молния обычно появляется в  грозовую, штормовую погоду; зачастую, но не обязательно, наряду с обычными молниями. Но имеется множество свидетельств её наблюдения в солнечную погоду. Чаще всего она как бы «выходит»  из проводника или порождается обычными молниями, иногда спускается с облаков, в редких случаях — неожиданно появляется в воздухе или, как  сообщают очевидцы, может выйти из какого-либо предмета (дерево, столб).

В связи с тем, что появление  шаровой молнии как природного явления  происходит редко, а попытки искусственно воспроизвести его в масштабах  природного явления не удаются, основным материалом для изучения шаровых  молний являются свидетельства неподготовленных к проведению наблюдений случайных  очевидцев. В некоторых случаях  современные очевидцы произвели  фото и/или видеосъёмку явления, при этом низкое качество съёмок не позволяет использовать их в научных  целях.

 

4. Тёмные молнии

Тёмная молния — электрические  разряды в земной атмосфере длительностью 0,2–3,5 мс с энергией до 20 МэВ, являющиеся по мнению исследователей причиной временного выхода из строя датчиков спутников  на низких околоземных орбитах. В  отличие от обычных молний эти  электрические разряды в атмосфере  дают очень мало излучения в видимом  спектральном диапазоне и практически  незаметны в облачном слое.

 

Природа явления

Согласно предлагаемой исследователями  модели в противоположность обычным  молниям, когда перенос электрических  зарядов либо с облака на землю, либо в другую часть облака производится медленными электронами, в тёмной молнии перенос заряда осуществляется высокоскоростными электронами и при их столкновениями с молекулами воздуха рождаются гамма-кванты, которые в свою очередь рождают пары электрон и позитрон. В свою очередь при столкновении позитронов с молекулами воздуха они аннигилируют и порождают новые гамма кванты, которые регистрируются датчиками как гамма-вспышки земного происхождения, а также являются причиной временного выхода из строя датчиков на спутниках. Процесс разряда накопившейся электростатической энергии в атмосфере Земли с помощью «тёмных молний» происходит значительно быстрее чем с помощью обычных молний.