Молнии - электрический разряд в природных условиях

Размещено на http://www.allbest.ru/

Ухта, Ухтинский государственный технический университет

Молнии - электрический разряд в природных условиях

Генг Я.О., Кожевина А.В.,

Научный руководитель - Шамбулина В.Н.

В 1752 г. Бенджамин Франклин экспериментально доказал, что молния - это сильный электрический разряд. Ученый выполнил знаменитый опыт с воздушным змеем, который был запущен в воздух при приближении грозы. На крестовине змея была укреплена заостренная проволока, к концу бечевки привязаны ключ и шелковая лента. Ленту ученый придерживал рукой. Через некоторое время стало ясно, что молния представляет собой мощный электрический разряд, возникающий при сильной электризации туч.

Нисходящая молния - это несколько следующих друг за другом искровых разрядов между тучей и землёй, называемых импульсами. Процесс развития наземной молнии состоит из нескольких стадий. Лидерная стадия начинается с образования у основания тучи плазменных «нитей» - так называемых стримеров (рис.1).

Свободные электроны, находящиеся в основании туч под действием электрического поля приобретают огромное ускорение. Это ускорение направлено вниз, так как нижняя часть тучи заряжена отрицательно, а поверхность земли под тучей - положительно. Сталкиваясь с молекулами воздуха, электроны ионизируют их. В результате столкновения ионизируются новые молекулы. Возникают лавины быстрых электронов, образующие нити плазмы (стримеры). Объединяясь, стримеры дают начало плазменному каналу.

Канал формируется скачками («ступенями»). Головка лидера выскакивает из тучи и движется со скоростью порядка 10⁷м/с. Пройдя расстояние порядка 100 м, она внезапно останавливается на десятитысячные доли секунды. Лидер «набирается сил», а затем следует бросок, причём совсем не обязательно в направлении предыдущего броска, - и снова краткая остановка (рис.2). Так отдельными бросками головка лидера постепенно приближается к земле, оставляя позади себя плазменный канал в виде причудливой ломаной линии.

Напряжённость поля в области пространства непосредственно перед головкой лидера существенно больше, чем в туче. Стримеры формируются в основании тучи при напряжённости поля около 3?10⁵В/м, а поле перед головкой лидера имеет напряжённость до 100?10⁵В/м. Увеличение напряжённости поясняет рисунок, где штриховыми линиями показаны сечения эквипотенциальных поверхностей, а непрерывными - линии напряжённости поля.

В сильном электрическом поле вблизи головки лидера происходит интенсивная ионизация молекул, превращающая электронейтральный воздух в хорошо проводящую плазму. Ионизация происходит за счёт бомбардировки молекул быстрыми электронами, (ударная ионизация), и за счёт фотоионизации. Лидер перемещает в пространстве своё сильное поле, и вследствие интенсивной ионизации, встречающихся в этом поле молекул плазменный канал становится всё более длинным.

Канал ионизованного воздуха как бы замкнул тучу с землёй накоротко (рис.3). На этом лидерная стадия первого импульса молнии заканчивается.

Необходимо некоторое уточнение. Строго говоря, нисходящий лидер не доходит до земли. Под действием поля вблизи головки лидера из выступающих на поверхности земли объектов (например, мачты, дерева, здания) выбрасывается ответный (встречный) лидер и перехватывает нисходящий лидер. Эта особенность нисходящей молнии как раз и используется для создания молниеотвода.

Главная стадия импульса начинается с момента встречи нисходящего и ответного лидеров. Она протекает быстро и мощно (рис.4).

По проложенному лидером пути устремляется основной ток. Импульс тока длится менее 10^-4 с. Сила тока достигает 10⁵А. Выделяется значительное количество энергии (до 10⁹Дж). Температура в канале молнии достигает 3?10⁴К. Вот теперь как раз и рождается тот необычайно яркий свет, который мы наблюдаем при разряде молнии, и возникает гром вследствие резкого расширения внезапно нагретого газа. Получается, что нисходящая молния бьёт, по сути дела, не из тучи в землю, как это обычно полагают, а наоборот, из земли в тучу.

После того, как прошёл импульс основного тока, наступает пауза длительностью около 0,05 с. За это время канал практически гаснет, его температура падает до 10³К, степень ионизации канала существенно уменьшается.

Молнии бывают: линейными, шаровыми и жемчужными.

Линейная молния возникает в кучево-дождевых и слоисто-дождевых облаках, при вулканических извержениях, ураганах, смерчах, пылевых бурях, под землей при движении пластов породы. На Земле ежесекундно наблюдается около 100 разрядов линейной молнии. Именно молнии поддерживают неизменное процентное содержание кислорода в атмосфере. Частота образования молний в средней полосе России до 20 в год на квадратный километр. Есть места на планете, где этот показатель доходит до 200, а есть места, где молний нет совсем - Арктика и Антарктика. Форма линейной молнии обычно похожа на разветвленные корни разросшегося в поднебесье дерева. Длина линейной молнии составляет несколько километров, но может достигать 20 км и более. Основной канал молнии имеет несколько ответвлений длиной 2-3 км. Диаметр канала молнии составляет от 10 до 45 см. Длительность существования молнии составляет десятые доли секунды. Средняя скорость движения молнии 150 км/с. Сила тока внутри канала молнии доходит до 200000 А. Температура плазмы в молнии превышает 10000°С.

На рис. 5 представлена фоторазвертка многокомпонентной разветвленной молнии, ударившей в Останкинскую телебашню - компоненты по ветвям А и В формируются в разные моменты времени.

молния электрический разряд туча

Решающую роль в образовании линейных молний играют высокоэнергичные заряженные частицы космических лучей. Земная атмосфера непрерывно облучается космическими лучам. По достижении в грозовом облаке полей напряжённостью 3?10⁵В/м именно космические лучи осуществляют ионизацию воздуха, достаточную для того, чтобы появились лавины электронов в виде стримеров, порождающие ступенчатый лидер.

Жемчужная (четочная, цепная, ожерельчатая, капельная) молния - последовательность светящихся устойчивых и относительно небольших сферических образований, которая иногда наблюдается в атмосфере и часто рассматривается как след от прохождения разряда обычной линейной молнии. Чаще всего она проявляется как пунктирная светящаяся линия или цепочка пятен, появляющаяся между облаками после обычной линейной молнии. Каждое пятно имеет угловые размеры, соизмеримые с размерами диаметра канала линейной молнии; каждый элемент цепочки, по-видимому, приближается к сферической форме и отделено от соседних пятен темным несветящимся промежутком.

Размеры промежутков могут составлять несколько диаметров светящихся пятен. Законченная форма четочной молнии состоит из большого числа частей, которые, как предполагают, существуют одновременно, а не являются кажущимся результатом движения одинокого светящегося объекта с периодически меняющейся яркостью. Время существования четочной молнии 1-2 секунды и она представляется наблюдателю как устойчивое свечение траектории обычной молнии.

Примечательно, что траектория четочной молнии нередко имеет волнообразный характер, напоминающий отрезок пунктирной синусоиды длиной в несколько периодов. В отличие от линейной молнии след четочной молнии не ветвится, что является отличительной особенностью этой молнии. Жемчужная молния может сопровождаться значительными звуковыми эффектами.

Шаровая молния - светящийся плавающий в воздухе шар, уникально редкое природное явление, единой физической теории возникновения и протекания которого к настоящему времени не представлено. 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, но вопрос о единственной природе шаровой молнии остаётся открытым. Шаровая молния светится - иногда тускло, а иногда достаточно ярко. Яркость света шаровой молнии сравнивают с яркостью света 100-ваттной лампочки. Чаще всего (примерно в 60% случаев) шаровая молния имеет желтый, оранжевый или красноватый цвет. В 20% случаев - это белый шар, в 20% - синий, голубой. Иногда цвет молнии изменяется в процессе наблюдения. Перед угасанием молнии внутри нее могут возникать темные области в виде пятен, каналов, нитей.

Вызывает удивление способность шаровой молнии проникать в помещение сквозь щели и отверстия, размеры которых намного меньше размеров самой молнии. Так, молния диаметром 40 см может пройти сквозь отверстие диаметром всего в несколько миллиметров. Проходя сквозь малое отверстие, молния очень сильно деформируется, ее вещество как бы переливается через отверстие. Еще более удивительна способность молнии после прохождения сквозь отверстие восстанавливать свою шаровую форму. Следует обратить внимание на способность шаровой молнии сохранять форму шара, так как это явно указывает на наличие поверхностного натяжения у вещества молнии.

Существуют три разных способа прекращения существования молнии: 1) чаще всего (в 55% случаев) молния взрывается; 2) в 30% случаев молния спокойно угасает (из-за нехватки запаса энергии, накопленной в ней); 3) в 15% случаев внутри молнии развиваются неустойчивости, и она распадается на части.

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 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.

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.

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 и спрайты.

Эльфы (англ. Elves; Emissionsof Lightand VeryLow Frequency Perturbations from Electromagnetic PulseSources) 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.

В каждую секунду около 50 молний ударяются в поверхность земли, и в среднем каждый ее квадратный километр молния поражает шесть раз за год.

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.

Молния - одно из самых разрушительных и устрашающих природных явлений, с которыми повсеместно сталкивается человек. В настоящий момент современный уровень науки и техники позволяет создать действительно функционально надежную и соответствующую техническому уровню систему молниезащиты.

Библиографические ссылки

1. Богданов К.Ю. Молния: больше вопросов, чем ответов. - М.: Наука и жизнь, 2007. - С. 19-32.

2. Базелян Э.М., Райзер Ю.П. Физика молнии и молниезащиты. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2001. - С. 140-188.

Размещено на Allbest.ru