Молния: от мифов древности до современных гипотез

С древних времен молния воспринималась людьми как одно из самых загадочных и опасных природных явлений. Этот гигантский электрический разряд, сверкающий в небе во время грозы, поражал воображение и вызывал суеверный страх. В греческой мифологии молниями пользовался громовержец Зевс, в славянской – гром и молнии посылал Перун.

Однако со временем благодаря научному подходу тайна молний стала приоткрываться. Уже в XVIII веке Бенджамин Франклин в своих опытах доказал электрическую природу молний. В дальнейшем учёные выяснили многие физические характеристики разрядов, механизмы их возникновения. Тем не менее, до конца этот феномен так и не разгадан. Ряд вопросов до сих пор остается без ответа.

Цель данной статьи – познакомить читателей с различными аспектами такого удивительного явления, как молния. Мы рассмотрим основные виды молний, численные характеристики, современные гипотезы о механизмах их возникновения. Отдельное внимание уделим опасности, которую представляют молнии для человека, и способам защиты от них. Кроме того, будет затронута тема взаимодействия разрядов с техникой и перспективы практического использования их колоссальной энергии.

Виды молний

Молнии бывают разных типов в зависимости от места возникновения разряда и его характеристик. Рассмотрим основные разновидности этих грозовых явлений.

Самой распространенной и знакомой нам является линейная молния, представляющая собой прямой разряд между облаком и землёй. Однако существуют и другие виды молний, значительно менее изученные. К ним относятся шаровые молнии загадочной природы и разнообразные разряды в верхних слоях атмосферы.

В этом разделе мы подробно рассмотрим особенности линейных молний, механизм их формирования и разновидности. Отдельно остановимся на феномене шаровой молнии, которая долгое время считалась выдумкой. Расскажем о недавно открытых виды молний в ионосфере и магнитосфере Земли.

Благодаря современным технологиям ученые продолжают обнаруживать все новые проявления грозовой активности в атмосфере нашей планеты. Знакомство с различными типами этих разрядов позволит лучше понять природу молний в целом и многообразие этого явления.

Линейная (обычная) молния

Линейная или обычная молния — это вертикальный электрический разряд между грозовым облаком и землёй. Такие молнии составляют около 75% от всех атмосферных разрядов.

Механизм образования линейной молнии:

1. В грозовом облаке происходит накопление отрицательных зарядов в нижней части и положительных — в верхней части за счёт столкновений ледяных кристаллов в восходящих и нисходящих потоках воздуха.
2. Когда напряжённость электрического поля в облаке достигает критического значения (~1 МВ/м), под действием поля начинается ионизация воздуха и формируется высокопроводящий плазменный канал — так называемый лидер молнии.
3. Лидер имеет разветвлённую структуру и движется скачками со скоростью около 500 км/с, ионизируя воздух по пути своего движения.
4. Когда лидер приближается к земле, с заземлённых объектов в ответ выбрасываются т.н. стримеры, которые соединяются с лидером.
5. По сформированному ионизированному каналу протекает мощный разрядный ток главной молнии от облака к земле амплитудой до 100 кА.

Основные характеристики линейной молнии:

• Протяжённость: от 1 до 10 км.
• Длительность: от 0,2 до 1 с.
• Скорость главного разряда: от 10 до 100 км/мс.
• Амплитуда тока: от 5 до 200 кА.
• Температура в канале: до 30000 °C.

Кроме одиночных разрядов, бывают многократные линейные молнии, состоящие из нескольких последовательных импульсов тока с паузами до 0,5 с.

Таким образом, обычная линейная молния представляет собой мощный электрический разряд, развивающийся от грозового облака к земле по ионизированному каналу. За считанные доли секунды в этом канале высвобождается колоссальная энергия, сопровождаемая яркой вспышкой и громом.

Шаровая молния

Шаровая молния — удивительное и загадочное природное явление, наблюдаемое обычно во время грозы. В отличие от линейных молний, шаровая молния имеет компактную сферическую форму размером от 10 до 100 см.

Основные характеристики шаровой молнии:

• Продолжительность существования: от 1 до 10 секунд.
• Цвет: ярко-белый, оранжевый, синий.
• Температура: около 1000°C.
• Может проникать в помещения через небольшие отверстия.
• Иногда наносит электрические ожоги.
• Движется хаотично или вдоль проводников.

Долгое время существование шаровых молний подвергалось сомнению. Однако к настоящему времени накоплены десятки тысяч описаний наблюдений этого феномена очевидцами. Тем не менее, природа шаровой молнии до конца не ясна.

Существует несколько гипотез о происхождении шаровой молнии:

1. Электрическая гипотеза — шаровая молния представляет собой разновидность электрического разряда, поддерживаемого за счёт постоянной подпитки энергией из внешнего источника.
2. Плазменная гипотеза — шаровая молния это устойчивый сгусток плазмы, возникающий при определённых условиях в грозовом облаке.
3. Химическая гипотеза — явление вызвано окислением в воздухе различных горючих газов, таких как метан.

Однако ни одна из этих гипотез пока не может объяснить все наблюдаемые свойства шаровых молний. Поэтому данный вид атмосферных разрядов до сих пор остаётся одной из неразгаданных тайн природы.

Видео шаровой молнии:

Таким образом, шаровая молния — крайне редкое и не до конца изученное атмосферное явление, отличающееся от обычных линейных разрядов своими специфическими свойствами. Эта загадочная «огненная сфера» в воздухе вот уже много веков привлекает внимание ученых, пытающихся разгадать её тайну.

Внутриоблачные молнии

Помимо хорошо знакомых нам молний между облаком и землёй, существуют также внутриоблачные молнии. Они представляют собой электрические разряды, протекающие внутри грозовых облаков.

Основные характеристики внутриоблачных молний:

• Развиваются между разноимённо заряженными участками одного облака.
• Могут достигать 10-15 км в длину.
• Длительность от десятых долей до нескольких секунд.
• Частота разрядов до нескольких тысяч в секунду.
• Характерны для мощных кучево-дождевых облаков.
• Доля от общего числа молний растёт при приближении к экватору.
• Не представляют непосредственной угрозы для объектов на земле.
• Являются источником сильных электромагнитных импульсов.
• Могут инициировать разряды облако-земля.

Внутриоблачные молнии играют важную роль в электрических процессах внутри грозовых облаков. Их интенсивность определяет мощность последующих разрядов молний к земле.

Изучение внутриоблачных разрядов помогает лучше понять природу и механизмы развития грозовой активности в целом. Современные технологии, такие как радиолокация и оптические наблюдения, позволяют всё более детально исследовать это явление.

Верхние атмосферные молнии

Помимо привычных нам молний в нижних слоях атмосферы, существуют также разнообразные оптические явления, связанные с электрической активностью, на высотах ионосферы и магнитосферы Земли. К ним относятся спрайты, голубые джеты и красные эльфы.

Спрайты представляют собой вспышки красноватого свечения, возникающие на высотах от 40 до 90 км над грозовыми облаками. Они длятся от нескольких миллисекунд до сотен миллисекунд и могут охватывать области размером до 10 км. Спрайты связаны с мощными разрядами облако-земля и наблюдаются значительно реже обычных молний.

Голубые джеты представляют собой узкие конусы голубоватого свечения, поднимающиеся от грозового облака вверх с огромной скоростью до 100 км/с на высоты до 50-70 км. Их поперечный размер составляет несколько сотен метров.

Красные эльфы возникают на высотах ионосферы около 100 км над грозой в виде расширяющихся светящихся кольцевых структур диаметром до 300 км. Они длятся около 1 мс.

Предполагается, что все эти явления инициируются мощными электромагнитными импульсами от разрядов обычных молний. Однако механизмы их формирования до конца не ясны.

Изучение верхних атмосферных молний ведется главным образом с помощью фото- и видеорегистрации, а также методами оптической спектроскопии. Эти удивительные световые явления позволяют лучше понять сложные физические процессы в верхних слоях атмосферы Земли.

Молнии в цифрах и фактах

Молнии демонстрируют поразительное разнообразие характеристик и параметров. Рассмотрим некоторые численные данные об этих атмосферных разрядах.

• В среднем на Земле происходит около 44 молний в секунду, что составляет 1,4 млрд молний в год.
• Длина молнии может составлять от 1 до 10 км.
• Продолжительность разряда от долей миллисекунды до нескольких секунд.
• Сила тока в канале молнии достигает 100 000 ампер.
• Температура в разряде превышает 30 000°C.
• Самая длинная молния в 768 км была зарегистрирована в США в 2020 году.
• Самая продолжительная молния длилась 17,1 секунды (Аргентина, 2020 г.).
• Энергия, выделяемая за один разряд, оценивается примерно в 1 гигаджоуль.
• Напряжение в канале молнии составляет от десятков миллионов до миллиарда вольт.
• Максимальное напряжение в 1,3 млрд вольт отмечено в грозовом облаке.

По своим параметрам — току, напряжению, энергии — молнии превосходят практически любые искусственные электрические разряды. Они являются мощнейшим электрическим явлением на Земле, что определяет их огромную разрушительную силу.

Как образуется молния

Несмотря на многовековое изучение, процесс зарождения молнии в грозовом облаке до конца не понят. Рассмотрим современные представления на этот счет.

Электризация облака происходит благодаря интенсивным турбулентным процессам, в результате которых верхняя часть облака заряжается положительно, а нижняя — отрицательно.

Рождение молнии как коллективный процесс — вот что самое неожиданное в современном понимании о молнии.

По одной из основных гипотез, разряд инициируется мощным потоком космических лучей, которые ионизируют воздух в облаке. В результате образуются лавины электронов, формирующие проводящие каналы — стримеры.

Согласно другой гипотезе, в облаке зарождается сразу множество мелких плазменных каналов, которые затем объединяются в единую разветвленную сеть. Этот подход объясняет коллективную природу возникновения молнии.

Далее отрицательно заряженная нижняя часть облака индуцирует положительные заряды на земле и объектах. Навстречу опускающемуся лидеру молнии поднимаются стримеры, и происходит пробой воздушного промежутка.

После этого по ионизированному каналу протекает мощный ток главного разряда молнии, несущий огромную разрушительную энергию.

Запуск молнии — сложный процесс, вызванный взаимодействием электрических и плазменных явлений в облаке. Окончательно раскрыть его механизм еще предстоит будущим исследованиям.

Опасность молний для человека

Несмотря на относительную редкость, попадание молнии представляет серьезную угрозу для человека.

По разным оценкам, ежегодно в мире от удара молнии погибает до 24 тысяч человек. В США этот показатель составляет около 40-50 смертей в год.

Основные причины гибели людей от молнии — остановка дыхания и сердцебиения из-за шока от сильного электрического разряда. Также опасны ожоги, повреждения внутренних органов и сильные ударные волны при разряде.

Наибольший риск представляют прямые удары молнии в человека. Вероятность этого выше на открытой местности, особенно на возвышенностях. Также опасно укрываться от дождя под высокими деревьями.

Для защиты от прямых ударов используются молниеотводы, заземляющие устройства, молниезащитные средства в зданиях. Однако молния может нанести ущерб и без прямого удара — через электромагнитный импульс, вызывающий броски напряжения. В таких случаях для защиты электрооборудования применяются УЗИП — устройства защиты от импульсных перенапряжений. Необходимо также соблюдать правила поведения во время грозы.

Несмотря на всю разрушительную мощь, современный человек способен надежно защитить себя от опасности, исходящей от молний. Главное — это знание и соблюдение необходимых мер предосторожности.

Молнии и техника

Молнии представляют серьезную опасность для современной техники и требуют принятия специальных мер защиты.

Особенно уязвимы для удара молнии различные высотные сооружения — линии электропередач, мачты, антенны. Прямое попадание приводит к выходу оборудования из строя.

Для авиации молнии опасны возможностью поражения самолёта в воздухе. Однако современные лайнеры защищены от прямых ударов благодаря использованию в конструкции электропроводящих материалов.

Электронная техника может выходить из строя даже при ударе молнии на расстоянии в несколько километров из-за сильных электромагнитных импульсов. Для её защиты применяются различные экранирующие решения.

Использовать энергию молний пока затруднительно из-за их высокой мощности и кратковременности. Однако исследования в этой области продолжаются.

Взаимодействие техносферы с мощными электрическими разрядами в атмосфере требует постоянного внимания и совершенствования средств защиты.

Заключение

Молния — одно из величайших природных явлений, издревле восхищавшее и пугавшее людей. Сегодня мы знаем о ней гораздо больше, чем наши предки, благодаря достижениям науки и техники.

Современные исследования позволили выяснить многие детали механизмов зарождения молнии, её структуры и взаимодействия с окружающей средой. Однако до сих пор остаётся немало загадок, особенно касательно шаровых разрядов и грозовой активности на других планетах.

Человек научился в определённой степени укрощать эту разрушительную стихию с помощью молниеотводов и других средств защиты. Но полностью победить молнию пока не удаётся. Поэтому грозы продолжают ежегодно уносить тысячи жизней.

Исследования молний, их природы и опасности для человека по-прежнему крайне важны. Возможно, когда-нибудь наука раскроет все секреты грозовых разрядов и найдёт способ обезопасить от них людей. А пока молния остаётся загадочным и не до конца подвластным нам явлением природы.

Что такое статическое электричество и как с ним бороться?

История открытия электричества

Магнитное поле: источники, свойства, характеристики и применение

Обзор современных протоколов промышленной автоматизации — Modbus, Profinet, EtherCAT и др.

Способы защиты электрической сети квартиры или дома от скачков напряжения

Что такое плазма: свойства, области применения и перспективы четвёртого состояния материи