Странная молния. Молния с точки зрения электричества

""физическое явление""

Гигантский электрический искровой разряд в атмосфере, проявляющийся обычно яркой вспышкой света и сопровождающим её громом. Электрическая природа молнии была раскрыта в исследованиях американского физика Б. Франклина, по идее которого был проведён опыт по извлечению электричества из грозового облака.

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

Процесс развития наземной молнии состоит из несколько стадий. На первой стадии в зоне, где электрическое поле достигает критического значения, начинается ударная ионизация, создаваемая вначале свободными электронами, всегда имеющимися в небольшом количестве в воздухе, которые под действием электрического поля приобретают значительные скорости по направлению к земле и, сталкиваясь с атомами воздуха, ионизуют их. Т. о. 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.

Движение лидера к земной поверхности происходит ступенями в несколько десятков м со скоростью ~ 5*10000000 м/сек, после чего его движение приостанавливается на несколько десятков мксек, а свечение сильно ослабевает; затем в последующей стадии лидер снова продвигается на несколько десятков м. 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 2*100000 м/сек. 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.

Формы молний

Линейная молния

Разряд линейной молнии происходит между облаками, внутри облака или между облаком и землёй, и обычно имеет длину около 2-3 км, но бывают молнии длиной и до 20-30 км.

Выглядит как ломаная линия, зачастую с многочисленными ответвлениями. Цвет молнии - белый, жёлтый, голубой или красноватый

Чаще всего диаметр нити такой молнии достигает пару десятков сантиметров. Этот вид самый распространенный; мы видим его чаще всего. Линейная молния появляется при напряжении электрического поля атмосферы до 50 кВ/м, разность потенциалов на ее пути может достичь сотни миллионов вольт. Сила тока молнии такого рода - порядка 10 тысяч ампер. Грозовое облако, которое дает разряд линейной молнии каждые 20 секунд, имеет электрическую энергию в 20 млн. кВт. Потенциальная электрическая энергия, запасенная таким облаком,равна энергие мегатонной бомбы.

Это наиболее часто встречающаяся форма молнии.

Плоская молния

Плоская молния имеет вид рассеянной вспышки света на поверхности облаков. Грозы, сопровождаемые только плоскими молниями, относятся к разряду слабых, и наблюдаются они обычно лишь ранней весной или поздней осенью.

Ленточная молния

Ленточная молния - несколько одинаковых зигзагообразных разрядов от облаков к земле, параллельно смещённых относительно друг друга с небольшими промежутками или без них.

Четочная молния

Редкая форма электрического разряда при грозе, в виде цепочки из светящихся точек. Время существования четочной молнии 1–2 секунды. Примечательно, что траектория четочной молнии нередко имеет волнообразный характер. В отличие от линейной молнии след четочной молнии не ветвится - это является отличительной особенностью этого вид.

Ракетообразная молния

Ракетообразная молния представляет собой медленно развивающийся разряд, продолжительностью 1–1.5 секунды. Ракетообразная молния наблюдается очень редко.

Шаровая молния

Шаровая молния - яркий светящийся электрический заряд различный по окраске и величине. Вблизи земли он чаще всего выглядит как шар диаметром около 10 см, реже имеет форму эллипсоида, капли, диска, кольца и даже цепи соединённых шаров. Длительность существования шаровой молнии - от нескольких секунд до нескольких минут, цвет свечения - белый, жёлтый, светло-голубой, красный или оранжевый. Обычно этот вид молнии медленно перемещается, почти бесшумно, в сопровождении лишь легкого треска, свиста, жужжания или шипения. Шаровая молния может проникать в закрытые помещения через щели, трубы, окна.

Редкая форма молнии, по статистике на тысячу обычных молний приходится 2-3 шаровых.

Природа шаровой молнии изучена не до конца. Существует множество гипотез о происхождении шаровой молнии, от научных до фантастических.

Шторовая молния

Шторовая молния выглядит как широкая вертикальная полоса света, сопровождающаяся низким негромким гулом.

Объёмная молния

Объёмная молния – белая или красноватая вспышка при низкой полупрозрачной облачности, с сильным звуком треска “отовсюду”. Чаще наблюдается перед основной фазой грозы.

Полосовая молния

Полосовая молния - сильно напоминает полярное сияние, “положенное на бок” - горизонтальные полосы света (3-4 полосы) группируются друг над другом.

Эльфы, джеты и спрайты

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.

Джеты представляют собой трубки-конусы синего цвета.

Спрайты - некое подобие молнии, бьющей из облака вверх. Впервые это явление было зафиксировано в 1989 году случайно. Сейчас о физической природе спрайтов известно крайне мало.

Джеты и Эльфы образуются, начиная от верхушек облаков до нижнего края ионосферы (90 километров над поверхностью Земли). Продолжительность этих сияний составляет доли секунды. Чтобы сфотографировать такие короткоживущие явления необходимы приборы для высокоскоростной съемки. Только в 1994 году, пролетая в самолете над большой грозой, ученым удалось заснять это потрясающее зрелище.

Другие явления

Сполохи

Сполохи – белые или голубые беззвучные вспышки света, наблюдаемые ночью в малооблачную или ясную погоду. Сполохи обычно бывают во второй половине лета.

Зарницы

Зарницы – отблески далёких высоких гроз, ночью видны на расстоянии до 150 – 200 км. Звука грома при зарницах не слышно, небо малооблачно.

Вулканическая молния

Существует два типа вулканических молний. Один возникает у кратера вулкана, а другой, как видно на этом снимке вулкана Пуйеуэ в Чили, электризует дым вулкана. Вода и замерзшие частицы пепла в дыме трутся друг о друга, и это вызывает статические разряды и появляется вулканическая молния.

Молнии Кататумбо

Молнии Кататумбо - удивительный феномен, который наблюдается лишь в одном месте на нашей планете - в месте впадения реки Кататумбо в озеро Маракайбо (Южная Америка). Самое удивительное в этом виде молнии, что разряды ее длятся около 10 часов и появляются ночью 140–160 раз в год. Молнии Кататумбо хорошо видно на достаточно большое расстояние - 400 километров. Молнии такого рода часто использовали как компас, от чего место их наблюдения люди даже прозвали - «Маяк Маракайбо».

Большинство говорят,что молнии Кататумбо - крупнейший одиночный генератор озона на Земле, т.к. ветры, приходящие со стороны Анд, вызывают грозы. Метан, которым богата атмосфера этих заболоченных мест, поднимается к облакам, подпитывая разряды молнни.

Помимо двух наиболее известных видов молнии - линейной и шаровой - существует множество малоизвестных и малоизученных - четочная , спрайт , токовые и голубые струи , сидящие разряды , огни святого Эльма . Каждый из этих видов молний отличается своеобразными характеристиками и представляет опасность для человека и зданий .

Шаровая молния

Шаровая молния напоминает светящийся шар диаметром в среднем от 12 до 25 сантиметров, способный перемещаться по воздуху в произвольном направлении. Средний срок жизни шаровой молнии оценивают в 3-5 секунд, однако, существуют свидетельства в пользу того, что срок существования шаровой молнии может достигать 30 секунд. С шаровыми молниями связан необычный феномен - металлические предметы небольшой массы, в непосредственной близости от разряда становятся невесомыми. Например, очевидцы не раз отмечали, что при встрече с шаровой молнией с их рук соскальзывали кольца.

Шаровые молнии пока ещё недостаточно изучены наукой. В настоящее время в специализированных лабораториях ведутся интенсивные эксперименты по получению искусственных шаровых молний.

Токовые струи

Токовые струи не обязательно возникают во время грозы - они могут появляться и в ясную погоду, при сильном ветре в виде трудноразличимых вспышек голубого цвета.

Огни святого Эльма

Огни святого Эльма поражают свой красотой. Чаще всего их можно наблюдать в виде специфического свечения вокруг шпилей башен и мачт кораблей. В старину этот феномен трактовали как божественное знамение. Согласно легенде, прихожане церкви святого Эльма однажды увидели необычное свечение вокруг креста на одной из башен. Так этот тип разряда получил свое современное называние. Однако, он наблюдался и ранее. Уже в древнегреческих текстах мы обнаруживаем свидетельства об «огнях Кастора и Поллукса», которые считались хорошим предзнаменованием.

Физический смысл явления довольно прозаичен. Свечение возникает в сухой и сильно наэлектризованной атмосфере, когда напряженность электромагнитного поля достигает планки в несколько десятков или сотен тысяч воль на метр. Свечение возникает, когда в воздухе есть частицы диэлектрика - снег, песок, пыль. Они трутся друг о друга, тем самым формируя увеличение напряженности электрического поля. В результате в воздухе возникает характерное свечение.

Спрайты

В середине 1990-х годов был открыт новый тип разряда молнии. Его зафиксировали на высоте 60 км над уровнем моря в виде коротких оптических вспышек. Их называли спрайтами. Цвет и форма спрайтов могут сильно варьировать. Ученые пока ещё немного знают об этом явлении. Известно только, что их возникновение связано с разрядами, пробегающими между ионосферой и грозовыми тучами. Трудность изучения спрайтов состоит в том, что они появляются на высоте, на которой возникают трудности их фиксации как при помощи зондов и ракет, так и при помощи спутников.

Считается, что спрайты возникают только над сильными грозами и провоцируются сверхсильными разрядами между землей и облаками.

Эльфы

Эльфы - это огромные вспышки конусовидной формы со слабым свечением. Их диаметр может достигать 400 километров. Эльфы появляются непосредственно над грозовым облаком и могут достигать высоту до 100 километров. Длительность разряда составляет до 5 миллисекунд.

Джеты

это разряды, по форме напоминающие трубки и конусы высотой до 70 километров, длительность существования джетов приблизило такое же, как у эльфов.

Ученые всего мира пытаются разгадать загадку вулкана Эйяфьяллайекюль (Eyjafjallajokull) на леднике Исландии, извержения которого начались в прошлом месяце. Многочисленные молнии, сопровождавшие извержения вулкана, заинтересовали ученую общественность мира в проявлении своей удивительной ярости природы.

Молния, является, прежде всего, просто электрическим разрядом. Электричество накапливается внутри облака и при достаточно большой разности потенциалов электрических потоков высвобождается из облака в виде молнии, проявляющейся яркой вспышкой света и сопровождающим её громом. Ток в разряде молнии достигает 10-20 тысяч ампер, поэтому мало кому из людей удается выжить после поражения их молнией.

Как известно, 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.

Для возникновения молнии необходимо, чтобы в относительно малом (но не меньше некоторого критического) объёме облака образовалось электрическое поле 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 и световую энергии.

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

Рассмотрим принципы возникновения молний.

Наземный вид молний

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 электронами, 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, разряд инициируют высокоэнергетические космические лучи, которые запускают процесс, получивший название пробоя на убегающих электронах. 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 25 000 °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.

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.

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.

Исландские молнии

Многие ученые считают, что частицы льда в грозу трутся друг о друга, что в свою очередь создает статический разряд. Когда они накапливаются, облачная масса не может устоять электрическим потокам и в итоге освобождается от накопленных разрядов в виде молнии.

Электрические разряды, возникающие в пеплоидной массе исходящей из кратера вулкана, образуются из-за реакции между льдом, расплавленной лавой и горными породами, в свою очередь из-за эффекта трения, образуют «грязную грозу» – облако темного цвета с многочисленными разрядами молний.

Фото-факты с участием молний в извержении вулкана.

Мо?лния - 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

История:
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.

Физические свойства молнии:

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

Формирование молнии:
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 км?. 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.

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.

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).

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.
Полёт из Калькутты в Мумбаи.

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.

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

Спрайты:
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}