Доклад
Гром имолния
Гром —звуковое явление в атмосфере, сопровождающее разряд молнии. Гром представляетсобой колебания воздуха под влиянием очень быстрого повышения давления на путимолнии, вследствие нагревания приблизительно до 30 000 °С. Раскаты громавозникают из-за того, что молния имеет значительную длину и звук от разных еёучастков и доходит до уха наблюдателя не одновременно, кроме того возникновениюраскатов способствует отражение звука от облаков, а также потому, что из-зарефракции звуковая волна распространяется по различным путям и приходит сразличными запаздываниями, кроме того сам разряд происходит не мгновенно, апродолжается конечное время.
Громкостьраскатов грома может достигать 120 децибел.
Измеряяинтервал времени прошедший между вспышкой молнии и ударом грома можноприблизительно определить расстояние, на котором находится гроза. Так какскорость света очень вел/>ика по сравнению со скоростьюзвука, то ею можно пренебречь, учитывая лишь скорость звука, которая составляетприблизительно 350 метров в секунду. (Но скорость звука очень изменчива,зависит от температуры воздуха, чем она ниже, тем меньше скорость.) Такимобразом, умножив время между вспышкой молнии и ударом грома в секундах на этувеличину, можно судить о близости грозы[1], а сопоставляя подобные измерения,можно судить о том, приближается ли гроза к наблюдателю (интервал между молниейи громом сокращается) или удаляется (интервал увеличивается)[2]. Как правило,гром слышен на расстоянии до 15-20 километров, таким образом, если наблюдательвидит молнию, но не слышит грома, то гроза находится на расстоянии не менее 20километров.
Искровойразряд (искра электрическая) — нестационарнаяформа электрического разряда, происходящая в газах. Такой разряд возникаетобычно при давлениях порядка атмосферного и сопровождается характерным звуковымэффектом — «треском» искры. Температура в главном канале искрового разрядаможет достигать 10 000 К. В природе искровые разряды часто возникают в видемолний. Расстояние «пробиваемое» искрой в воздухе зависит отнапряжения и считается равным 10 кВ на 1 сантиметр.
Иcкровойразряд обычно происходит, если мощность источника энергии недостаточна дляподдержания стационарного дугового разряда или тлеющего разряда. В этом случаеодновременно с резким возрастанием разрядного тока напряжение на разрядномпромежутке в течение очень короткого времени (от несколько микросекунд донескольких сотен микросекунд) падает ниже напряжения погасания искровогоразряда, что приводит к прекращению разряда. Затем разность потенциалов междуэлектродами вновь растет, достигает напряжения зажигания и процесс повторяется.В других случаях, когда мощность источника энергии достаточно велика, такженаблюдается вся совокупность явлений, характерных для этого разряда, но ониявляются лишь переходным процессом, ведущим к установлению разряда другого типа— чаще всего дугового. Если источник тока не способен поддерживать самостоятельныйэлектрический разряд в течение длительного времени, то наблюдается формасамостоятельного разряда, называемая искровым разрядом.
Искровойразряд представляет собой пучок ярких, быстро исчезающих или сменяющих другдруга нитевидных, часто сильно разветвленных полосок — искровых каналов. Этиканалы заполнены плазмой, в состав которой в мощном искровом разряде входят нетолько ионы исходного газа, но и ионы вещества электродов, интенсивноиспаряющегося под действием разряда. Механизм формирования искровых каналов (и,следовательно, возникновения искрового разряда) объясняется стримерной теориейэлектрического пробоя газов. Согласно этой теории, из электронных лавин,возникающих в электрическом поле разрядного промежутка, при определенныхусловиях образуются стримеры — тускло светящиеся тонкие разветвленные каналы,которые содержат ионизированные атомы газа и отщепленные от них свободныеэлектроны. Среди них можно выделить т. н. лидер — слабо светящийся разряд,«прокладывающий» путь для основного разряда. Он, двигаясь от одного электрода кдругому, перекрывает разрядный промежуток и соединяет электроды непрерывнымпроводящим каналом. Затем в обратном направлении по проложенному пути проходитглавный разряд, сопровождаемый резким возрастанием силы тока и количестваэнергии, выделяющегося в них. Каждый канал быстро расширяется, в результатечего на его границах возникает ударная волна. Совокупность ударных волн отрасширяющихся искровых каналов порождает звук, воспринимаемый как «треск» искры(в случае молнии — гром).
Напряжениезажигания искрового разряда, как правило, достаточно велико. Напряженностьэлектрического поля в искре понижается от нескольких десятков киловольт насантиметр (кв/см) в момент пробоя до ~100 вольт на сантиметр (в/см) спустянесколько микросекунд. Максимальная сила тока в мощном искровом разряде можетдостигать значений порядка нескольких сотен тысяч ампер.
Особый видискрового разряда — скользящий искровой разряд, возникающий вдоль поверхностираздела газа и твёрдого диэлектрика, помещенного между электродами, при условиипревышения напряженностью поля пробивной прочности воздуха. Области скользящегоискрового разряда, в которых преобладают заряды какого-либо одного знака,индуцируют на поверхности диэлектрика заряды другого знака, вследствие чегоискровые каналы стелются по поверхности диэлектрика, образуя при этом такназываемые фигуры Лихтенберга. Процессы, близкие к происходящим при искровомразряде, свойственны также кистевому разряду, который является переходнойстадией между коронным и искровым.
Молния — гигантский электрический искровой разряд в атмосфере, обычнопроисходит во время грозы, проявляющийся яркой вспышкой света и сопровождающимеё громом. Молнии также были зафиксированы на Венере, Юпитере, Сатурне и Уране.Ток в разряде молнии достигает 10-20 тысяч ампер, поэтому мало кому из людейудается выжить после поражения их молнией.
Электрическаяприрода молнии была раскрыта в исследованиях американского физика Б. Франклина,по идее которого был проведён опыт по извлечению электричества из грозовогооблака. Широко известен опыт Франклина по выяснению электрической природымолнии. В 1750 году им опубликована работа, в которой описан эксперимент сиспользованием воздушного змея, запущенного в грозу. Опыт Франклина был описанв работе Джозефа Пристли.
Средняядлина молнии 2,5 км, некоторые разряды простираются в атмосфере на расстояниедо 20 км. Ток в разряде молнии достигает 10-20 тысяч ампер.
Формированиемолнии
Наиболеечасто молния возникает в кучево-дождевых облаках, тогда они называютсягрозовыми; иногда молния образуется в слоисто-дождевых облаках, а также привулканических извержениях, торнадо и пылевых бурях.
Обычнонаблюдаются линейные молнии, которые относятся к так называемым безэлектроднымразрядам, так как они начинаются (и заканчиваются) в скоплениях заряженныхчастиц. Это определяет их некоторые до сих пор не объяснённые свойства,отличающие молнии от разрядов между электродами. Так, молнии не бывают короченескольких сотен метров; они возникают в электрических полях значительно болееслабых, чем поля при межэлектродных разрядах; сбор зарядов, переносимыхмолнией, происходит за тысячные доли секунды с миллиардов мелких, хорошоизолированных друг от друга частиц, расположенных в объёме несколько км³.Наиболее изучен процесс развития молнии в грозовых облаках, при этом молниимогут проходить в самих облаках — внутриоблачные молнии, а могут ударять вземлю — наземные молнии. Для возникновения молнии необходимо, чтобы вотносительно малом (но не меньше некоторого критического) объёме облакаобразовалось электрическое поле (см. атмосферное электричество) снапряжённостью, достаточной для начала электрического разряда (~ 1 МВ/м), а взначительной части облака существовало бы поле со средней напряжённостью,достаточной для поддержания начавшегося разряда (~ 0,1-0,2 МВ/м). В молнииэлектрическая энергия облака превращается в тепловую и световую.
Наземныемолнии
Процессразвития наземной молнии состоит из нескольких стадий. На первой стадии, взоне, где электрическое поле достигает критического значения, начинаетсяударная ионизация, создаваемая вначале свободными зарядами, всегда имеющимися внебольшом количестве в воздухе, которые под действием электрического поляприобретают значительные скорости по направлению к земле и, сталкиваясь смолекулами, составляющими воздух, ионизуют их. По более современнымпредставлениям, разряд инициируют высокоэнергетические космические лучи,которые запускают процесс, получивший название пробоя на убегающихэлектронах[1]. Таким образом возникают электронные лавины, переходящие в нитиэлектрических разрядов — стримеры, представляющие собой хорошо проводящиеканалы, которые, сливаясь, дают начало яркому термоионизованному каналу свысокой проводимостью — ступенчатому лидеру молнии.
Движениелидера к земной поверхности происходит ступенями в несколько десятков метров соскоростью ~ 50 000 километров в секунду, после чего его движениеприостанавливается на несколько десятков микросекунд, а свечение сильноослабевает; затем в последующей стадии лидер снова продвигается на несколькодесятков метров. Яркое свечение охватывает при этом все пройденные ступени;затем следуют снова остановка и ослабление свечения. Эти процессы повторяютсяпри движении лидера до поверхности земли со средней скоростью 200 000 метров всекунду.
По мерепродвижения лидера к земле напряжённость поля на его конце усиливается и подего действием из выступающих на поверхности Земли предметов выбрасываетсяответный стример, соединяющийся с лидером. Эта особенность молнии используетсядля создания молниеотвода.
Взаключительной стадии по ионизованному лидером каналу следует обратный (снизувверх), или главный, разряд молнии, характеризующийся токами от десятков досотен тысяч ампер, яркостью, заметно превышающей яркость лидера, и большой скоростьюпродвижения, вначале доходящей до ~ 100 000 километров в секунду, а в концеуменьшающейся до ~ 10 000 километров в секунду. Температура канала при главномразряде может превышать 25 000 °C. Длина канала молнии может быть от 1 до 10км, диаметр — несколько сантиметров. После прохождения импульса тока ионизацияканала и его свечение ослабевают. В финальной стадии ток молнии может длитьсясотые и даже десятые доли секунды, достигая сотен и тысяч ампер. Такие молнииназывают затяжными, они наиболее часто вызывают пожары.
Главныйразряд разряжает нередко только часть облака. Заряды, расположенные на большихвысотах, могут дать начало новому (стреловидному) лидеру, движущемусянепрерывно со скоростью в тысячи километров в секунду. Яркость его свечения близкак яркости ступенчатого лидера. Когда стреловидный лидер доходит до поверхностиземли, следует второй главный удар, подобный первому. Обычно молния включаетнесколько повторных разрядов, но их число может доходить и до несколькихдесятков. Длительность многократной молнии может превышать 1 сек. Смещениеканала многократной молнии ветром создаёт так называемую ленточную молнию —светящуюся полосу.
Внутриоблачныемолнии
Внутриоблачныемолнии включают в себя обычно только лидерные стадии; их длина колеблется от 1до 150 км. Доля внутриоблачных молний растет по мере смещения к экватору,меняясь от 0,5 в умеренных широтах до 0,9 в экваториальной полосе. Прохождениемолнии сопровождается изменениями электрических и магнитных полей ирадиоизлучением, так называемыми атмосфериками.
Вероятностьпоражения молнией наземного объекта растет по мере увеличения его высоты и сувеличением электропроводности почвы на поверхности или на некоторой глубине(на этих факторах основано действие громоотвода). Если в облаке существуетэлектрическое поле, достаточное для поддержания разряда, но недостаточное дляего возникновения, роль инициатора молнии может выполнить длинный металлическийтрос или самолёт — особенно, если он сильно электрически заряжен. Таким образоминогда «провоцируются» молнии в слоисто-дождевых и мощных кучевых облаках.
Молнии вверхней атмосфере
В 1989 годубыл обнаружен особый вид молний — эльфы, молнии в верхней атмосфере[2]. В 1995году был открыт другой вид молний в верхней атмосфере — джеты[2].
Эльфы
Эльфы(англ. Elves; Emissionsof Lightand VeryLow Frequency Perturbations from ElectromagneticPulseSources) представляют собой огромные, но слабосветящиеся вспышки-конусыдиаметром около 400 км, которые появляются непосредственно из верхней частигрозового облака[2]. Высота эльфов может достигать 100 км, длительность вспышек— до 5 мс (в среднем 3 мс)[2][3].
Джеты
Джетыпредставляют собой трубки-конусы синего цвета. Высота джетов может достигать40-70 км (нижняя граница ионосферы), живут джеты относительно дольшеэльфов[4][5].
Взаимодействиемолнии с поверхностью земли и расположенными на ней объектами
«В каждуюсекунду около 50 молний ударяются в поверхность земли, и в среднем каждый ееквадратный километр молния поражает шесть раз за год»[6].
Самыемощные молнии вызывают рождение фульгуритов.[6]
Люди имолния
Молнии —серьёзная угроза для жизни людей. Поражение человека или животного молниейчасто происходит на открытых пространствах, так как электрический ток идёт пократчайшему пути «грозовое облако-земля». Часто молния попадает в деревья итрансформаторные установки на железной дороге, вызывая их возгорание. Поражениеобычной линейной молнией внутри здания невозможно, однако бытует мнение, чтотак называемая шаровая молния может проникать через щели и открытые окна.Обычный грозовой разряд опасен для телевизионных и радиоантенн, расположенныхна крышах высотных зданий, а также для сетевого оборудования.
В организмепострадавших отмечаются такие же патологические изменения, как при пораженииэлектротоком. Жертва теряет сознание, падает, могут отмечаться судороги, частоостанавливается дыхание и сердцебиение. На теле обычно можно обнаружить «меткитока», места входа и выхода электричества. В случае смертельного исходапричиной прекращения основных жизненных функций является внезапная остановкадыхания и сердцебиения, от прямого действия молнии на дыхательный исосудодвигательный центры продолговатого мозга. На коже часто остаются такназываемые знаки молнии, древовидные светло-розовые или красные полосы, исчезающиепри надавливании пальцами (сохраняются в течение 1 — 2 суток после смерти). Они— результат расширения капилляров в зоне контакта молнии с телом.
Припоражении молнией первая медицинская помощь должна быть неотложной. В тяжёлыхслучаях (остановка дыхания и сердцебиения) необходима реанимация, её долженоказать, не ожидая медицинских работников, любой свидетель несчастья.Реанимация эффективна только в первые минуты после поражения молнией, начатаячерез 10 — 15 минут она, как правило, уже не эффективна. Экстреннаягоспитализация необходима во всех случаях.