Как образуется молния?

Как образуется молния?

Льдинки сталкиваются и происходит то же самое, что и при трении других предметов друг о друга — они электризуются. Крупные обретают отрицательный заряд, мелкие — положительный. Разные части тучи получают разный заряд, сверху — плюс, снизу — минус. Разница потенциалов создается не только между частями тучи, но и между ней и землей. Разница исчисляется сотнями тысяч вольт. Молния двигается быстро, но образуется она не молниеносно. Формирование — это три последовательные стадии.

Начальная

Разряд создается в той части, где больше ионов, частиц с зарядом. Ионы появляются, когда целая молекула теряет электроны или обрастает новыми. В данном случае эти частицы создаются из газов и воды, из них туча и состоит. По поводу того, что происходит дальше, у специалистов нет единого мнения.

Ряд ученых считают, что из-за разгона свободных электронов концентрация ионов становится выше. Электроны сталкиваются с молекулами нейтрального заряда, ионизируя их. Так создается заряд. Есть и другая гипотеза, согласно которой воздух ионизируется под воздействием космического излучения. В ионизированном состоянии газы проводят ток, поэтому по облаку может пройти электричество.

Средняя

Затем следует цепная реакция. По облаку проходит ток, и он нагревает воздух в его определенной части. От этого энергетически заряженных частиц становится все больше, и они создают еще больше ионов. По этой причине молния проходит очень быстро. У любой молнии есть самый мощный канал, от него отходят ответвления. Поэтому заряды похожи на зигзаг, с новой вспышкой заряд продвигается примерно на несколько десятков метров. Скорость этого мощного канала может доходить до 50 тысяч километров в секунду.

Самый мощный заряд доходит до другой части облака или до земли, но на этом все не заканчивается. Ионизированный канал пробивается электрическим разрядом, по этому каналу очень быстро проходят заряженные частицы, его ширина составляет несколько сантиметров, температура внутри достигает нескольких тысяч градусов. Эти идущие по каналу заряды — и есть молния, которую мы видим. Из-за высокой температуры мы видим молнию очень яркой, явление проходит молниеносно, но за эти мгновения успевает высвободиться очень много энергии.

Финальная

Скорость движения зарядов в канале падает, но при этом напряжение и сила тока по-прежнему высоки. На финальной стадии молния достигает какого-то объекта. Если рядом будут люди, то для них явление крайне опасно. Данная стадия длится десятые доли секунды, но она способна нанести огромный ущерб. Вопреки распространенной поговорке, молния часто бьет в одно место дважды или даже несколько раз, так как оно является завершающего точкой для самого короткого пути.

Что мы знаем о молниях?

Об обычных молниях мы знаем много, хоть и не все. О шаровых почти ничего, но учитывая частоту их появления, можно допустить, что это не так страшно, хотя работать в этом направлении надо и надо продолжать исследования.

Молнии стали неотъемлемыми спутниками нашей жизни. Они проявляются во многих сферах и заставляют себя уважать из-за разрушительной мощи, спрятанной в них.

Тем не менее, средства борьбы с ними есть и достаточно эффективные. Надо только выполнять элементарные правила безопасности (не стоять в грозу рядом с деревьями, не запускать змеев, да и вообще лучше не выходить из дома) и ставить громоотводы на дома. В этом случае все будет существенно проще и безопаснее.

Что такое молния

Электрический разряд – это процесс протекания тока в среде, связанный с существенным увеличением ее электропроводности относительно нормального состояния. Существуют разные виды электрических разрядов в газе: искровой, дуговой, тлеющий.

Искровой разряд происходит при атмосферном давлении и сопровождается характерным треском искры. Искровой разряд представляет собой совокупность исчезающих и сменяющих друг друга нитевидных искровых каналов. Искровые каналы также называют стримерами. Искровые каналы заполнены ионизированным газом, то есть плазмой. Молния – гигантская искра, а гром – очень громкий треск. Но не все так просто.

 

Что такое молния?

Молния – это электрический разряд. Но откуда же он берется? А все начинается с облаков. С поверхности земли испаряется влага, которая поднимается вверх в виде капелек. “Стая” таких капелек собирается на определенной высоте и становится видна с земли в виде облака (в одном облаке просто невероятное количество капель). К облакам постоянно присоединяются новые капли, а старые могут отрываться от них. Если их присоединяется больше, чем отрывается, то облако растет. Размер облака по вертикали может достигать нескольких километров (расстояние от земли до нижней части облака примерно 0.5 – 2 км). В облаках температура может быть ниже нуля градусов по Цельсию, поэтому капельки замерзают и становятся льдинками. Эти льдинки находятся в постоянном движении, поэтому очень часто сталкиваются друг с другом. В результате этих столкновений одни капли/льдинки заряжаются положительно (они более легкие, поэтому поднимаются вверх), а другие отрицательно (они более тяжелые, поэтому скапливаются в нижней части облака).

При этом процессе нижняя часть облака заряжается отрицательно, а верхняя – положительно. При этом такое облако уже имеет большие размеры и становится грозовым. Нужно понимать, что не каждое облако становиться грозовым, так как этот процесс занимает длительное время, и нужно, чтобы сложились благоприятные условия (чтобы облако не распалось раньше, чем оно накопит достаточный заряд и наберет достаточную массу).

Теперь вернемся к молнии. Если два таких грозовых облака подходят на достаточно близкое расстояние (да еще одно подходит отрицательной стороной, а другое – положительной), заряженные частицы (электроны и ионы) начинают проскакивать через воздушную прослойку между двумя облаками (ведь плюс и минус, как мы знаем, должны притягиваться). Даже воздушная прослойка не может их остановить, настолько большие заряды у облаков!

Обычно первые частицы являются “полководцами”, так как они прокладывают канал между облаками, по которому сразу же устремляются миллиарды других заряженных частиц.

В этот момент мы и видим молнию!

Часто случается такое, что молния бьет прямо в землю. В этом случае сама земля выступает в качестве скопления положительного заряда, а остальное происходит как описано выше.

Молния в цифрах

Гром и молния были изменены учеными, и результаты их исследований представлены общественности.

Было установлено, что разница потенциалов, предшествующих молнии, достигает миллиардов вольт. Сила тока при этом в момент разряда достигает 100 тыс. А.

Температура в канале разогревается до 30 тыс. градусов и превышает температуру на поверхности Солнца. От облаков до земли молния проходит со скоростью 1000 км/с (за 0,002 с).

Внутренний канал, по которому течет ток, не превышает 1 см, хотя видимый достигает 1 м.

В мире непрерывно происходит около 1800 гроз. Вероятность быть убитым молнией составляет 1:2000000 (такая же, как умереть при падении с кровати). Вероятность увидеть шаровую молнию равна 1 к 10000.

Где находится мировая столица грома?

Во множестве мест, кроме экватора, часто в небе сверкает и грохочет гром. Но ​​особенное место, не похожее на другие.

На озере Маракайбо в Венесуэле ежегодно случается в среднем 250 вспышек на 247 акров (квадратный километр). Это природное явление известно, как молния Кататумбо или Маяк Маракайбо. Место, где это озеро встречается с рекой Кататумбо, каждый год насчитывается около 260 штормовых дней.

Озеро Маракайбо занесено в Книгу рекордов Гиннеса за самую высокую концентрацию молний с громом. В октябре здесь каждую минуту можно увидеть до 28 вспышек.

В городе Тороро в Уганде насчитывается 251 грозовой день.

На земном шаре одновременно происходит до 1800 гроз.

Есть районы, где они не редко встречаются в России. Например, Медведицкая гряда в Поволжье, -самое грозовое место страны.

В умеренных широтах России во время сильной грозы за 1 час отмечается до 500 молний.

Гроза – это чудо природы, свершающееся в основном во влажном климате. Однако ее возможно увидеть практически повсюду в мире.

Молния — это статический удар от нарастания напряжения в атмосфере.  Гром — это гулкий звук, издаваемый при ударе молнии.

Что такое шаровая молния, и как она появляется?

Кроме обычных молний, с которыми все более менее понятно, хоть и остаются некоторые вопросы, есть еще и шаровые молнии, которые вообще не изучены толком и никто не может объяснить, откуда они берутся, почему и куда пропадают.

Изначально шаровая молния является светящимся шаром (иногда форма может немного отличаться), который по подсчетам имеет температуру 500-1000 градусов Цельсия, может перемещаться в пространстве, проходить через стекло и взрываться через несколько минут после появления. Пока больше неизвестно ничего.

Многое из этого вы точно не знали: Интересные и малоизвестные факты о молниях

Первые упоминания о них относятся еще ко временам до нашей эры. Правда, тогда это было очень иносказательно и включало в себя разговоры об огненных птицах и тому подобном. Сейчас это очень похоже на описание шаровых молний, но с уверенностью об этом говорить нельзя.

Это птица Феникс, но примерно так представляли себе шаровые молнии в древнем мире.

До недавнего времени многие ученые вообще не верили в существование такого явления, а заявления очевидцев считали следствием повреждения сетчатки после удара обычной молнией. Тем более все говорили о разной форме. Сейчас в это начали верить и занялись исследованиями, но информации все равно мало.

Кто-то считает их сгустками газа, кто-то особыми частицами с огромным количеством энергии, а кто-то и вовсе говорит о высших силах.

Тем не менее, это не отменяет того факта, что шаровые молнии могут повреждать объекты, с которыми вступили в контакт. Например, плавить стекло и металл, поджигать дерево и кипятить воду. Есть даже рассказы о том, как они замыкали высоковольтные линии передач, создавая дугу.

Есть несколько гипотез этого явления, каждая из которых до сих пор не подтверждена, но и не опровергнута.

Одна из них гласит, что шаровая молния это специфическое взаимодействие азота с кислородом, в результате которого и вырабатывается энергия на ее существование. Согласно другой гипотезе явление представляет собой вихрь шарообразной формы из пылевых частиц с активными газами. Такими они стали из-за полученного электрического разряда. В итоге, шаровая молния является чем-то вроде батареи. Эта гипотеза объясняет специфический запах и шлейфовое свечение рядом с шаровой молнией.

Шаровая молния может выглядеть так или иначе, но более изученной от этого она не становится.

Есть гипотеза, которая оспаривает обе предыдущих, говоря нам, что существование шаровой молнии невозможно без подпитки ее энергией снаружи. Но такая гипотеза рушится отсутствием доказательств существования волн нужной для питания длины.

Все это лишний раз доказывает, что шаровую молнию надо опасаться, так как даже нет четких описаний того, как надо действовать при ее появлении. Самой главной рекомендацией является немедленное покидание зоны ее действия, но без лишней спешки, чтобы не нарушить движение воздуха и не увлечь ее за собой.

Что такое шаровая молния, и как она появляется?

Кроме обычных молний, с которыми все более менее понятно, хоть и остаются некоторые вопросы, есть еще и шаровые молнии, которые вообще не изучены толком и никто не может объяснить, откуда они берутся, почему и куда пропадают.

Изначально шаровая молния является светящимся шаром (иногда форма может немного отличаться), который по подсчетам имеет температуру 500-1000 градусов Цельсия, может перемещаться в пространстве, проходить через стекло и взрываться через несколько минут после появления. Пока больше неизвестно ничего.

Многое из этого вы точно не знали: Интересные и малоизвестные факты о молниях

Первые упоминания о них относятся еще ко временам до нашей эры. Правда, тогда это было очень иносказательно и включало в себя разговоры об огненных птицах и тому подобном. Сейчас это очень похоже на описание шаровых молний, но с уверенностью об этом говорить нельзя.

Это птица Феникс, но примерно так представляли себе шаровые молнии в древнем мире.

До недавнего времени многие ученые вообще не верили в существование такого явления, а заявления очевидцев считали следствием повреждения сетчатки после удара обычной молнией. Тем более все говорили о разной форме. Сейчас в это начали верить и занялись исследованиями, но информации все равно мало.

Кто-то считает их сгустками газа, кто-то особыми частицами с огромным количеством энергии, а кто-то и вовсе говорит о высших силах.

Тем не менее, это не отменяет того факта, что шаровые молнии могут повреждать объекты, с которыми вступили в контакт. Например, плавить стекло и металл, поджигать дерево и кипятить воду. Есть даже рассказы о том, как они замыкали высоковольтные линии передач, создавая дугу.

Есть несколько гипотез этого явления, каждая из которых до сих пор не подтверждена, но и не опровергнута.

Одна из них гласит, что шаровая молния это специфическое взаимодействие азота с кислородом, в результате которого и вырабатывается энергия на ее существование. Согласно другой гипотезе явление представляет собой вихрь шарообразной формы из пылевых частиц с активными газами. Такими они стали из-за полученного электрического разряда. В итоге, шаровая молния является чем-то вроде батареи. Эта гипотеза объясняет специфический запах и шлейфовое свечение рядом с шаровой молнией.

Шаровая молния может выглядеть так или иначе, но более изученной от этого она не становится.

Есть гипотеза, которая оспаривает обе предыдущих, говоря нам, что существование шаровой молнии невозможно без подпитки ее энергией снаружи. Но такая гипотеза рушится отсутствием доказательств существования волн нужной для питания длины.

Все это лишний раз доказывает, что шаровую молнию надо опасаться, так как даже нет четких описаний того, как надо действовать при ее появлении. Самой главной рекомендацией является немедленное покидание зоны ее действия, но без лишней спешки, чтобы не нарушить движение воздуха и не увлечь ее за собой.

Молнии в народных поверьях

Подобных поверий много и перечислять все нет смысла. Остановимся только на нескольких, самых интересных и более менее подтвержденных.

Про коров и вероятность погибнуть рядом с ними я уже говорил выше. Но этому есть научное и статистическое объяснение, а тому, что в средние века молнии прогоняли колоколами, есть только религиозное. Считалось, что колокола изгоняют злых духов, а гром и молния были проявлением дьявольских сил. Именно поэтому во время грозы старались звонить во все колокола, которые только были в деревне или городе. Это приводило к тому, что жертвами часто становились звонари, так как церкви и храмы всегда были самыми высоким зданиями в округе. Возможно, им бы помог лавровый лист, но в его защитные свойства от молний верили только британцы.

Молния помогала зарождаться жемчугу. По крайней мере в это верили древние греки, считая, что его появление становится следствием удара молнии в поверхность моря. А ацтеки считали, что молния помогает душам умерших проще пройти в глубины земли. Они думали, что она расщепляет землю, сопровождая мертвых в их нелегком пути.

Почему сначала молния, потом гром

Наблюдателю, видящему множество разрядов на грозовом небе, бывает сложно понять, что идет сначала – молния или гром. Вначале наблюдатель видит молнию, затем слышит раскат. Обусловлено это тем, что световая волна движется быстрее, чем звуковая. Утверждения, что бывает раньше гром, ложные. Просто очевидцы слышат раскат от предыдущей молнии, а затем сразу видят следующую.

Бывает, что разряды сверкают, а грома нет. Это физическое явление называется «тихая гроза». Она отмечается, когда молнии бьют выше 20 км над землей. Звуковая волна просто не достигает земной поверхности.

Есть и обратное явление – «холостая гроза». Раскаты слышны, но молний не видно. Существование грома без молнии невозможно, просто в данном случае разряды не видны наблюдателю.

Молния в цифрах

Гром и молния были изменены учеными, и результаты их исследований представлены общественности.

Было установлено, что разница потенциалов, предшествующих молнии, достигает миллиардов вольт. Сила тока при этом в момент разряда достигает 100 тыс. А.

Температура в канале разогревается до 30 тыс. градусов и превышает температуру на поверхности Солнца. От облаков до земли молния проходит со скоростью 1000 км/с (за 0,002 с).

Внутренний канал, по которому течет ток, не превышает 1 см, хотя видимый достигает 1 м.

В мире непрерывно происходит около 1800 гроз. Вероятность быть убитым молнией составляет 1:2000000 (такая же, как умереть при падении с кровати). Вероятность увидеть шаровую молнию равна 1 к 10000.

Как часто возникают молнии?

Есть мнение, что зимой молний не бывает. На самом деле бывают, но крайне редко. Объяснение в том, что поверхность земли прогревается не так сильно. Нет условий для формирования восходящих воздушных потоков. Однако, в последнее время из-за глобального потепления, молнии появляются чаще.

Согласно новым данным, полученным при помощи космических спутников, частота ударов молнии на планете составляет 44 в секунду плюс-минус пять.

За год — примерно 1,4 миллиарда зарядов, примерно четверть из них бьет по земле.

По молнии можно высчитать, как далеко находится гроза. Для этого нужно засечь время между вспышкой и раскатом грома. Отталкиваясь от скорости звука — 300 метров в секунду, мы понимаем, что пауза в три секунды означает, что грозовой фронт примерно в километре. Если засечь дважды, то можно понять, приближается гроза или удаляется. Если видно всполохи, но не слышно грома, значит, расстояние составляет более 20 километров.

Правила поведения во время грозы

Главным методом, как избежать ударов молнии, является установка громоотводов. Однако эти конструкции не дают 100-процентной защиты (из 10 разрядов 3 не попадают в ловушку).

Существуют определенные правила, как вести себя при грозе, чтобы не стать ее жертвой. Перечень мер безопасности при грозе следующий:

• уход с открытого пространства (главная цель молнии – возвышающиеся над землей объекты);
• уход от высоких объектов (деревьев, фонарных столбов) и линий электропередачи;
• освобождение тела от металлических изделий;
• отсутствие контакта с водными источниками (вода – отличный проводник тока);
• закрытие окон и дверей;
• нахождение в доме до часа после завершения стихии.

Если ли польза?

Электрический ток очищает воздух от загрязнений, каждому знакомо ощущение чистоты после грозы. Другое полезное действие — стимул к накоплению азота, это естественное удобрение для растений.

Есть отдельная научная дисциплина — громовая энергетика. Специализирующиеся на ней ученые ищут способы применения громовой энергии. Она классифицируется как возобновляемый источник, поэтому необходимы способы направления ее в электрические сети. В большинстве стран электроснабжение обходится очень дорого, причем не только материально. Добывающие станции наносят огромный вред природе. Если использовать грозовую активность, то неиссякаемым источником станет сама природа. В данный момент проблема в том, что появление грозы и ее продолжительность невозможно предсказать с высокой точностью.

Как появляется молния и гром: краткое описание явления

Искровой разряд

Молния — это гигантский электрический разряд, всегда сопровождающийся яркой вспышкой и звуковыми раскатами — громом. Вспышка молнии редко бывает одиночной, обычно они бывают от 2-3 до нескольких десятков разрядов. Образование этого явления возможно в кучево-дождевых облаках или слоисто-дождевых тучах огромных размеров (до 7 км в высоту). Такие облака и тучи легко выделить среди других по насыщенному темно-синему цвету. 

Молнии могут образовываться:

1. Внутри одной тучи.
2. Между соседними наэлектризованными облаками.
3. Между тучами и поверхностью земли. 

Грозовые облака состоят из пара, который в верхних слоях тучи из-за низкой температуры конденсирован в виде кристалликов льда. Для того чтобы туча стала грозовой, ледяные кристаллы внутри нее должны начать активно двигаться. Этому способствуют потоки теплого воздуха, поднимающиеся с нагретой поверхности. Теплые массы воздуха влекут за собой вверх более мелкие кристаллики льда, которые наталкиваются на более крупные. В результате этого процесса маленькие кристаллы оказываются положительно заряженными, крупные — отрицательно заряженными.

При этом маленькие кристаллики льда концентрируются в верхней части тучи, которая становится положительно заряженной, а большие — в нижней, отрицательно заряженной. Напряженность электрического поля в таком облаке достигает огромных значений: 1 миллион вольт на 1 метр. При соприкосновении противоположно заряженных слоев в местах столкновения ионы и электроны образуют канал, все заряженные частицы устремляются по нему вниз, и образуется мощный электрический разряд — молния. 

Полученный канал раскаляется до 30000 градусов Цельсия и образует яркий свет, который видно доли секунды. После того, как канал образован, грозовая туча начинает разряжаться: за первым ударом молнии следуют два и более разрядов. 

Звук разряда

Через несколько секунд после вспышки молнии возникает гром. Гром — это взрывоподобные колебания воздуха, которые происходят из-за резкого повышения давления вдоль канала, чему способствует разогрев атмосферы до 30000 градусов Цельсия. 

Удар молнии — это своего рода взрыв, который вызывает ударную волну, очень опасную для человека или животного, оказавшегося поблизости. Находясь на отдаленном расстоянии от эпицентра грозы, мы не можем ощутить ударную волну электрического разряда, но хорошо слышим звуковую, которую и называем громом или громовыми раскатами.

Сколько молний возникает ежедневно

Благодаря данным со спутников ученые узнали, что в каждую секунду на Земле происходит 44 ± 5 ударов молнии. То есть за сутки случается более 3,5 миллионов разрядов, а их количество в год составляет порядка 1,4 миллиарда. При этом около 25% ударяют в землю и примерно 75% вспыхивают среди облаков.

Откуда берется шаровая молния

На сегодня самым распространенным мнением является то, что молния шаровая представляет собой особый вид заряда в форме шара, причем существующий довольно продолжительное время и перемещающийся по непредсказуемой траектории.

Единой теории возникновения этого явления на сегодня нет. Существует много гипотез, но пока ни одна не получила признания в среде ученых.

Обычно, как свидетельствуют очевидцы, шаровая молния возникает в грозу или в шторм. Но имеются и случаи её возникновения и в солнечную погоду. Чаще она порождается обычной молнией, иногда возникает и спускается с облаков, а реже появляется неожиданно в воздухе или даже может выйти из какого-то предмета (столб, дерево).

Научное открытие или заблуждение?

Группа китайских ученых под руководством профессора Цен Цзянь Юна проводила исследования в высокогорных районах Тибета при помощи видеокамер и спектрографов.

Во время грозы им удалось зафиксировать шаровую молнию и основной химический состав: кремний, железо, кальций — подтвердив тем самым гипотезу Абрахамсона и Денниса об испарении элементов из почвы. Ударная волна в данном случае отправляет образовавшийся газ в воздух, формируя шар.

Спектр шаровой молнии, зарегистрированный китайскими учеными в 2014 году.

Исследователи посчитали, что ответ на вопрос, почему возникает шаровая молния, был найден. Однако с их выводом были согласны не все. Например, авторитетный журнал «Nature» отказался от публикации статьи. Многие ученые также выразили своё несогласие, предположив, что «шаровая молния» могла оказаться дуговым разрядом линейной молнии, который двигался вдоль линии электропередач.

Фото, на которое попала шаровая молния. Ее место отмечено постфактум в дневное время суток, поскольку наблюдения велись ночью. Вывод из наблюдений: когда возник спектр плазменного канала шаровой молнии (наряду со спектром линейной молнии), спустя 20 мс спектр линейной молнии исчез, а спектр шаровой – остался.

Сейчас учёные продолжают исследовать вопрос о структуре шаровых молний, чтобы дать на него ответ

Возможно, этот ответ появится в ближайшее десятилетие, а пока что важно изучать имеющиеся данные

Краткая историческая справка: эволюция представлений о шаровой молнии

Одним из первых свидетельств, подтверждённых многими очевидцами, стал случай, произошедший 21 октября 1638 года в деревне Уидеком-ин-те-Мур в Великобритании. Тогда раскаленный огненный шар влетел в церковь, разрушив несколько балок, сломав скамейки и разбив несколько окон, а после разделился на две части. Одна из них вылетела наружу, а другая пропала внутри. Наблюдатели истолковали явление как «пришествие дьявола» и обвинили в случившемся людей, которые играли в карты во время проповеди.

Башня церкви св. Панкратия, поврежденная шаровой молнией в Уидеком-ин-те-Муре. Фото 1983 года.

Описать явление шаровой молнии попытался Вильфрид де Фонвьюэль в своей книге «Молния и свечение», в которой описано более ста случаев появления этого природного явления.

Объяснением, как выглядит и образуется шаровая молния, занялся Франсуа Араго в своей книге «Гром и молния». Однако исследование проводилось не по горячим следам, да и наблюдения были сделаны людьми, не имеющими отношения к науке.

Наибольшие успехи в изучении шаровой молнии были достигнуты в конце девятнадцатого и в двадцатом веках, когда четвертое состояние вещества — плазма — было открыто Уильямом Круксом и было доказано, что атом делим. Тогда начали появляться наиболее признанные гипотезы.

Серия изображений, показывающих создание подобия шарообразной молнии в лаборатории. Изображения: BBC.