Молния

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 — 1 000 000 вольт (иногда достигает 50 000 000 вольт), тем не менее, погибает после удара молнией лишь 10,2 % людей

 

История

 

Lightning 1882

(c) Photographer: William N. Jennings, c. 1882

 

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

[править]

Физические свойства молнии

 

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

[править]

Формирование молнии

 

 Молния ударяет в Эйфелеву  башню, фотография 1902 г.

 

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 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.

[править]

Наземные молнии

 

 Молнии в Бостоне.

 

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.[1]

 

По одной из гипотез, частицы  запускают процесс, получивший название пробоя на убегающих электронах[2]. 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.

 

 Молнии в г. Ессентуки

 

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 2000-3000 °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.

[править]

Внутриоблачные молнии

 

 Внутриоблачные молнии над  Тулузой, Франция. 2006 год

 

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.

 

 Полёт из Калькутты в Мумбаи.

 Также на этой фотографии видны огни святого Эльма.

 

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.

[править]

Молнии в верхней атмосфере

 

В 1989 году был обнаружен особый вид молний — эльфы, молнии в верхней  атмосфере[3]. В 1995 году был открыт другой вид молний в верхней атмосфере — джеты[3].

[править]

Эльфы

 

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[3]. Высота эльфов может достигать 100 км, длительность вспышек — до 5 мс (в среднем 3 мс)[3][4].

[править]

Джеты

 

Джеты представляют собой трубки-конусы синего цвета. Высота джетов может достигать 40-70 км (нижняя граница ионосферы), живут джеты относительно дольше эльфов[5][6].

[править]

Спрайты

Основная  статья: Спрайт (молния)

 

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[7].

[править]

Взаимодействие молнии с поверхностью земли и расположенными на ней  объектами

 

 Глобальная частота ударов  молний (шкала показывает число  ударов в год на квадратный  километр)

 

Согласно ранним оценкам, частота  ударов молний на Земле составляет 100 раз в секунду. По современным данным, полученным с помощью спутников, которые могут обнаруживать молнии в местах, где не ведётся наземное наблюдение, эта частота составляет в среднем 44 ± 5 раз в секунду, что соответствует примерно 1,4 миллиарда молний в год.[8][9] 75 % этих молний ударяет между облаками или внутри облаков, а 25 % — в землю.[10]

 

Самые мощные молнии вызывают рождение фульгуритов.[11]

[править]

Люди и молния

 

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.

 

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

 

 

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

[править]

Жертвы молний

В мифологии и литературе:

Асклепий, Эскулап — сын Аполлона — бог врачей и врачебного искусства, не только исцелял, но и оживлял мёртвых. Чтобы восстановить нарушенный мировой порядок Зевс поразил его своей молнией[12].

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

Исторические личности:

Казанский губернатор Сергей Голицын  — 1 (12) июля 1738 года погиб во время  охоты от удара молнии.

Российский академик Г. В. Рихман —  в 1753 году погиб от удара молнии во время проведения научного эксперимента.

Народный депутат Украины, экс-губернатор Ровненской области В. Червоний 4 июля 2009 года погиб от удара молнии.

[править]

Интересные факты

Рой Салливан остался живым после  семи ударов молнией.

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

У индейцев Анд удар молнией считается необходимым для достижения высших уровней шаманской инициации[13].

[править]

Деревья и молния

 

 Тополь, пораженный молнией  во время летней грозы. Макеевка,Украина,  фотография 2008 г.

 

 Ствол пораженного молнией  тополя

 

.

 

Высокие деревья — частая мишень для молний. На реликтовых деревьях-долгожителях легко можно найти множественные шрамы от молний. Считается, что одиночно стоящее дерево чаще поражается молнией, хотя в некоторых лесных районах шрамы от молний можно увидеть почти на каждом дереве. Сухие деревья от удара молнии загораются. Чаще удары молнии бывают направлены в дуб, реже всего — в бук, что, по-видимому, зависит от различного количества жирных масел в них, представляющих большое сопротивление электричеству.[14]

 

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

 

По этой причине нельзя прятаться  от дождя под деревьями во время  грозы, особенно под высокими или одиночными на открытой местности.[15][16]

 

Из деревьев, пораженных молнией, делают музыкальные инструменты, приписывая им уникальные свойства.[17][18]