Напряжение в молнии: Безопасность при грозе и как защититься от удара молнии

Безопасность при грозе и как защититься от удара молнии

Даже самая далекая молния кому-нибудь кажется близкой.
Оказавшись в грозе, вы попали в зону действия высоковольтного генератора. По законам, принятым у высоковольтников, вы должны ознакомиться с инструкцией—правилами, как вести себя в этом случае, и строго их соблюдать. Ознакомиться с ними по ряду причин лучше до того, как в вас попала молния. Правила также следует соблюдать до этого события.
Жизнь молнии сводится к вспышке только для человека, привыкшего судить о мире по первым впечатлениям. Из облака с трудом — электрическая прочность воздуха велика — ступенями падает вниз лидер, первый, ведущий разряд молнии (рис. 1). Стремительно промчится вниз лидерный разряд 100—150 метров (рис. 1 а) и остановится — накапливает разряд-энергию, снова пробежит метров 100, опять пауза — передышка, отдых (рис. 1,6). Встретит по пути трудный участок — свернет вбок (рис. 1 в), а потом опять вниз. Получается вроде того, как забиваешь гвоздь в каменную стену.

Стукнешь — гвоздь чуть-чуть войдет, вздохнешь, опять стукнешь, опять гвоздь немного продвинется. Стукнул еще раз — косо пошел гвоздь: на очень твердый участок напоролся. Сразу-то гвоздь не вогнать — силы не хватит, а так, не торопясь, хоть по самую шляпку загонишь. Молния может пройти путь в 10, и даже 100 километров. Известен случай, когда длина молнии достигала 150 километров.
Когда лидер оказывается на расстоянии нескольких десятков метров от земли, из какой-либо возвышенности под лидером на земле или выступающего из нее предмета вырывается навстречу лидеру пламя электрического разряда (рис. 1 г), соединяется с лидером (рис. 1 д), и по образовавшемуся стволу стремительно прорастает обратный разряд (рис. 1 е), основная — по силе тока, грохота, яркости света — часть молниевого разряда. Сила тока достигает в этот момент десятков тысяч, а то и сотен тысяч ампер. Много событий происходит за время молнии, а ведь мы рассмотрели только часть из них. А вы говорите — «вспышка». Правда, линейная молния живет всего около тысячной доли секунды; принято
считать долгожителями молнии, просуществовавшие десятые доли секунды. Но ведь у каждого свой способ жить, свое понятие того, что такое медленно или быстро.
Как молния выбирает место удара? По мере приближения к земле лидера молнии на поверхности земли усиливается электрическое поле и накапливаются индуцированные электрические заряды (рис. 1). В зоне большего накопления индуцированных зарядов и электрическое поле больше. Когда сила электрического поля превзойдет некоторую критическую величину, в нем начинается электрический пробой. Так возникает над выступающими предметами электрический разряд, движущийся навстречу лидеру. Заряды должны накапливаться в большем количестве у выступов и острий, но лидер движется быстро, а разные участки земли обладают разной электропроводностью — способностью проводить электрический ток. На влажных участках почвы, в местах скопления металлических руд и т. д. электропроводность велика и индуцированные заряды натекают быстро, но есть участки почвы, например скопления сухого песка, обладающие очень плохой проводимостью. Через них индуцированные заряды не успевают пробраться за время путешествия лидера, и если над землей возвышается песчаный холм, то плотность индуцированных зарядов может оказаться больше в низине, где течет ручей, увлажняющий почву. Поэтому иногда кажется, что молнии выбирают место удара, не придерживаясь строгих принципов.

Чтобы уменьшить вероятность удара молнии в дома, линии электропередачи и т. д., их защищают молниеотводами. Молниеотвод — металлический заземленный прут с острием «О» (рис. 2), хорошо соединенный с землей с помощью провода и металлических листов «3», закопанных на уровне, где земля уже всегда влажная. Если высота молниеотвода Л, то он хорошо защищает предметы, находящиеся в конусе с радиусом основания г = Л. «Хорошо» означает, что примерно из ста молний, стремящихся попасть в защищаемый молниеотводом круг, не более одной попадет в дома. Не беспокойтесь из-за этой одной молнии. Вряд ли она сможет проникнуть в защищенное пространство чаще чем один раз а 100—200 лет. Как работает молниеотвод, вам уже понятно: он выше всех предметов и хорошо соединен с землей. Значит, около его острия будет наибольшее электрическое поле и с него вырвется навстречу лидеру разряд, перехватит лидер и направит молнию на молниеотвод.

Чем опасна молния для человека? Смертельным для человека может оказаться ток, превышающий 60—100 миллиампер, если он пройдет через сердце или мозг. Поэтому опасно непосредственное попадание молнии в человека. Но если молния ударит не непосредственно в человека, а недалеко от него, все равно возникает опасность: токи j, текущие по земле в момент замыкания разряда на землю (рис. 3), создают падение электрического потенциала вдоль поверхности земли. Вблизи места удара молнии напряжение между точками, отстоящими на расстояние 1 метр, может достигать сотен и даже тысяч вольт — так называемое шаговое напряжение. Почему шаговое? Расставьте ноги, и между подошвами может возникнуть это напряжение. Ток, который потечет через человека, зависит и от этого напряжения и от сопротивления кожи ног и подметок обуви. В целой резиновой обуви шаговое напряжение даже в тысячи вольт безопасно. А для босого, да еще с мокрыми ногами и 20 вольт шагового напряжения могут оказаться смертельными. Наконец, неприятное ощущение у человека, оказавшегося вблизи точки удара молнии, могут вызвать токи индуцированных зарядов, текущие по нему после удара молнии.

Линейные молнии и проливной дождь не единственные неприятности, которые несет человеку гроза. С грозой связано и появление шаровых молний — светящихся шаров диаметром 10—20 сантиметров, плавающих в воздухе и иногда взрывающихся, что может иметь опасные последствия.

Ученые точно не знают источник электричества в грозовых облаках

Как образуются грозовые облака, где на Земле чаще всего искрит молния и кого молнии убивают чаще всего — после ночной и утренней грозы в Москве и области отдел науки «Газеты.Ru» рассказывает, что современная наука знает о грозе.

Романтикам, тем, кто любит грозу в начале мая или любого другого месяца, уместно было бы вспомнить, что гроза не только очищает атмосферу и озонирует окружающую действительность, но и может быть разрушителем и даже убийцей. Хотя с научной точки зрения это всего лишь более или менее хорошо изученное природное явление, определяемое как электрические разряды в мощных кучево-дождевых облаках, сопровождаемые вспышкой света (молнией) и резкими звуковыми раскатами (громом).

Молния — гигантская искра

Грозы имеют свою классификацию. Ученые разделяют их на одноячеечные, многоячеечные линейные, многоячеечные кластерные и — самые опасные — сверхмногоячеечные. Возникающие во время гроз молнии особенной классификации не имеют (если не брать в расчет таинственные шаровые молнии), однако сам процесс возникновения этих электрических разрядов и их параметры тоже изучены, казалось бы, достаточно хорошо.

Фактически молния — это просто гигантская искра, возникающая либо внутри наэлектризованного грозового облака, либо между ним и Землей. Длина этой искры достигает порой 10–20 км, ток, протекающий внутри ее канала, исчисляется десятками и сотнями килоампер, а напряжение, вызывающее разряд, достигает десятков миллионов вольт.

На больших высотах молнии даже способны вызывать термоядерные вспышки, за которыми следят специальные спутники.

Кто заряжает облака: лед или космос?

При всей кажущейся простоте процесса у исследователей к молниям остается еще много вопросов. Например, не совсем ясен механизм образования грозовых облаков и возникновения молниевых разрядов. Существует множество версий, отвечающих на эти вопросы, ни одна из них не лишена недостатков, но в основном исследователи сходятся в том, что главную роль здесь играет конвекция — перемещение воздушных масс. Очень распространены, например, версии, объясняющие электризацию облака мелкими льдинками, находящимися внутри него, быстро перемещающимися, сталкивающимися между собой и с водяными каплями и, соответственно, наэлектризовывающими друг друга.

close

100%

Но ни одна из существующих версий не объясняет, каким образом грозовое облако растет и каким образом образуются молниевые разряды.

Возможно, ответ на эти вопросы лежит в теории, предложенной российскими физиками из ФИАН, по которой катализатором молний является космическое излучение. По этой теории, частица космического излучения, сталкиваясь на околосветовой скорости с молекулой воздуха, ионизирует ее, выбивая из нее электроны с высокой энергией. В свою очередь, они ионизируют путь своего движения, увлекая за собой лавину электронов, движущихся к земле и создавая канал для разряда.

Интересно, что из наблюдений известно, что молнии в облаках возникают при напряженностях электрического поля, не превышающих 3 киловольта на сантиметр, тогда как на тех высотах пробивное напряжение воздуха в 10 раз больше.

Убивает в основном мужчин

При всей кажущейся простоте процесса у исследователей к молниям остается еще много вопросов. Например, не имеется четкого ответа на их гендерные пристрастия.

Как известно, молния порой убивает. По статистике, от удара молнии в год на Земле погибает примерно 3 тыс. человек. Так, во время нынешней грозы в Москве погиб мужчина. И та же статистика утверждает, что 70% людей, погибших от удара молнии, — мужчины. Почему так — ответа нет, хотя версий, разумеется, предостаточно, в качестве «приманки» подозревают даже тестостерон.

Причем, возможно, число жертв со временем будет увеличиваться. Прошлой осенью журнал Science опубликовал статью группы климатологов из Беркли, утверждающих, что глобальное потепление умножает число молний и что если глобальное потепление не закончится, то к концу столетия это число возрастет на 50%. В этом смысле несколько утешает недавно появившееся сообщение о том, что на самом деле глобальному потеплению осталось быть недолго и что лет через двадцать-тридцать Земля начнет замерзать.

Самое молниеносное место

Еще одна загадка — молнии озера Маракайбо на севере Венесуэлы. Это самое молниеносное место нашей планеты. Над озером эти молнии бьют практически постоянно. Ночные грозы бывают здесь до 260 суток в год, создавая по 280 молний в час. По другим оценкам, в каждый квадратный километр озера и его болотистых берегов ежегодно ударяет по 180 молний. Молнии бьют в основном с вечера и до четырех часов утра, так что у местных жителей нет надобности в ночных фонарях.

Почему молнии выбрали для своего буйства именно это озеро, никто не знает.

Молния вместо «Бука» и ядерной бомбы

Но исследования продолжаются, и будем надеяться, что со временем все тайны молний будут разгаданы. Более того, есть подозрение, что в конце концов человек даже сможет приручить молнию. На сегодня извилистый путь, который чертит молния в небе, совершенно непредсказуем. Однако в прошлом месяце журнал Science Advances опубликовал статью французских физиков во главе с профессором Роберто Морадотти, которые придумали способ направлять путь электрического разряда с помощью хитроумной системы лазеров. Ученые утверждают, что направляемые ими электрические разряды способны даже обходить препятствия.

Сегодня это может восприниматься фантастикой, но если такую лазерную технологию или другую более продвинутую технологию будущего применить к молнии и протоптать для нее дорожку, то можно будет не только спасать леса от пожаров и людей от ударов, но и сделать молнию управляемым оружием, от которого громоотводы уже не спасут.

Что обязательно нужно знать о грозе и молнии

Что обязательно нужно знать о грозе и молнии

В этой статье мы расскажем вам все о грозе и молнии.

Для неискушенного обывателя, которому посчастливилось ни разу за свою жизнь не попасть под удар молнии, грозовой разряд представляется всего лишь вспышкой света и раскатами грома. На самом же деле молния — это достаточно сложное природное явление.

Сначала из облака стремительно как-бы падает вниз на землю «лидер». Лидером называется стартовая часть разряда молнии. Пройдя порядка сотни метров, лидер замедляется, чтобы накопить энергию, набрать заряд, затем он движется дальше, сворачивает от пространства с воздухом большего сопротивления — туда где сопротивление меньше, минует следующие стадии, и в конце концов проходит весь путь, который может достигать десятков километров.

Продвигаясь все ближе к земле, и находясь уже на расстоянии в несколько десятков метров от ее поверхности, лидер вызывает на себя встречный (индуцированный) электрический разряд противоположного знака из какой-нибудь естественной или искусственной возвышенности.

Данный встречный разряд соединяется с лидером, и в этот то момент образуется проводящий токовый ствол линейной молнии, по которому прямой и обратный движущиеся заряды формируют ток силой в десятки и сотни тысяч ампер. А ведь с виду это всего лишь вспышка, существующая в случае линейной молнии какую-то тысячную долю секунды. А если молния проживет десятую долю секунды — такая молния может считаться молнией — долгожительницей.

Куда и почему попадает молния

Но как молния выбирает место, в которое ей лучше ударить? Дело в том, что когда лидер молнии приближается к поверхности земли, непосредственно на поверхности земли, в месте под лидером, усиливается напряженность электрического поля, и стремительно накапливается индуцированный электрический заряд.

Наконец, в том месте где индуцированного заряда накопилось больше всего, и где напряженность электрического поля оказалась выше — там и наступает критический момент — происходит пробой воздуха.

Обычно пробой происходит в возвышающийся над поверхностью земли предмет, поскольку у острия или выступа заряда накапливается больше всего. Так принято считать. Однако лидер молнии движется очень быстро, прежде всего выбирая участок с более высокой электропроводностью, меньшего электрического сопротивления.

Влажная почва в месте залегания металлических руд имеет большую электропроводность по сравнению, скажем, с сухим песком, обладающим плохой проводимостью, препятствующей продвижению индуцированного заряда в сторону лидера. Поэтому высокий песчаный холм молния может обойти, выбрав вместо него ручеек, обильно увлажняющий низину. В такие моменты кажется что молния выбрала место для удара ниже чем следовало бы.

Чтобы понизить вероятность попадания молнии прямо в здание, в вышку или в линию электропередач, данные сооружения оснащают специальными защитными средствами – молниеотводами.

Молниеотводы представляют собой заземленные металлические штыри, установленные вертикально и заостренные сверху. Заземление штыря выполняется очень качественно, с помощью металлических листов большой площади, которые закапываются в землю на уровне, где всегда имеется достаточная влажность.

Допустим, молниеотвод имеет высоту h2, тогда он надежно защитит объекты, находящиеся внутри конуса с углом образующей альфа и радиусом основания ОС. Это означает, что почти 100% молний обречены попасть в область вершины конуса, в точку А, и лишь менее 1% молний могут случайно ударить в объект, находящийся внутри защищаемого объема. И то если грозовое облако окажется в данной области.

У острия молниеотвода электрическое поле имеет наивысшую напряженность и именно из него прежде всего вырвется навстречу лидеру индуцированный разряд, направляя молнию по безопасному для нас пути. Практически статистика говорит нам о том, что оснащенное таким образом пространство защищено от попадания туда молнии лет на 200.

Как узнать расстояние до молнии

Кстати, раскаты грома добираются до нас от молнии издалека, поэтому иногда звук грома как-бы приглушенный, а иногда — наоборот, прорывает оглушительным треском, если гроза в самом разгаре. Это очень просто объясняется. Свет от вспышки молнии распространяется по воздуху со скоростью 299792 километра в секунду, поэтому молнию мы видим всегда сразу.

А вот звук от нее распространяется медленнее, поэтому гром мы слышим намного позже вспышки, лишь некоторое время спустя. Так как за 3 секунды звук проходит примерно 1 километр, то посчитав время между вспышкой молнии и началом звука грома, можно прикинуть, на каком расстоянии произошел разряд или практически — на каком расстоянии находится грозовая туча.

Засеките время в секундах между вспышкой молнии и началом звука грома, затем разделите его на 3, так вы получите приблизительное расстояние в километрах от вас до места разряда молнии, гром от которой грохочет.

Опасность молнии

Молния, конечно, опасна для человека. Ток даже в 60 миллиампер уже может оказаться смертельным, если он, не дай бог, пройдет чрез мозг или сердце. Вот почему попадание молнии прямо в человеческое тело смертельно опасно. Но даже если молния ударит в землю или в объект находящийся рядом с человеком, это тоже опасно.

Токи, текущие по земле в момент попадания в нее молнии, создадут падение напряжения, особенно на определенном участке земли. В итоге даже между точками поверхности земли, находящимися на расстоянии метра друг от друга, может возникнуть разность потенциалов в сотни и тысячи вольт — так называемое шаговое напряжение, поскольку размера шага будет достаточно.

Если ноги в момент удара молнии окажутся расставлены широко, ток пройдет через человеческое тело по его ногам, при этом сопротивление кожи ног и подошвы определят величину данного тока. Ладно если на ногах будут надеты резиновые сапоги, тогда все может обойтись легким испугом. А если босиком? Тогда и 20 вольт могут убить.

Неприятно одно только ощущение, когда находясь недалеко от места удара молнии, человек чувствует движущийся по его телу индуцированный заряд.

И мы сказали только о линейных молниях, не говоря уже о шаровых, которые могут порой возникать и быстро плавать в воздухе. Светящиеся электрические шары (плазма) достигающие 200 мм в диаметре могут быть очень опасными.

Давайте теперь поговорим о правилах поведения во время грозы, чтобы ни в коем случае не попасть под удар молнии.

Техника безопасности во время грозы

• Если вы находитесь дома, то закройте все окна и двери, а также дымоход, если у вас имеется печь. Хорошо если жилое здание оборудовано молниеотводом. Сельские дома часто имеют на крышах антенны, которые нужно заземлить, а про телефонные разговоры на время грозы лучше вообще забыть.
• Находясь вне дома, не вздумайте купаться во время грозы. Помните, что вода естественных водоемов является хорошим проводником, особенно для электрических разрядов.
• Не стоит прятаться от грозы возле одиноко стоящего дерева, ведь именно верхушки одиноко стоящих деревьев во время грозы очень наэлектризованы и буквально привлекают к себе молнии. Иногда можно заметить как верхушки деревьев светятся от электрического напряжения и ионизации во время приближения грозы.
• Аналогичным образом ведут себя стога сена, столбы и другие выступающие над землей предметы. Если вы находитесь в лесу, то предпочтите для укрытия более низкое дерево или куст, стараясь, однако, как можно внимательнее избегать соприкосновения с ним.
• Босиком в грозу лучше не ходить, и тем более не ложиться на землю, помните о шаговом напряжении. Когда идете в грозу по земле, шаг пусть будет не очень размашистым, ставьте ноги не далеко друг от друга.
• Если гроза застала вас на природе, избегайте возвышенностей, а в горах выбирайте для укрытия середину ущелья. Перебегая с места на место помните, что время между разрядами молнии обычно составляет около 10 секунд. В степи для укрытия лучше воспользоваться какой-нибудь пленкой или плащом, и просто переждать грозу.
• Если же вы в лодке далеко от берега, например рыбачите, то вам стоит укрыться прямо в ней и переждать грозу, вероятность поражения молнией в этом случае почти нулевая.

Правила поведения с шаровой молнией

А как же быть, если вам «повезло» и встретилась шаровая молния? Не стоит от нее бежать, так как поток воздуха просто потянет шаровую молнию за вами. Спокойно и медленно отойдите от шаровой молнии подальше, внимательно следите за ней, не поворачивайтесь к ней спиной.

Шаровая молния движется вместе с потоком воздуха, поэтому перейдите на ту сторону от нее, откуда ветер будет шаровую молнию от вас отдувать. Если дело происходит в комнате, то избегайте сквозняка, не стойте между окном, дверью и дымоходом, ведь именно по этому пути вероятнее всего шаровая молния будет двигаться.

Не пытайтесь поймать шаровую молнию руками, во-первых, она очень горячая, во-вторых, вы рискуете уничтожить ее вместо того чтобы использовать эту возможность и понаблюдать редкое явление природы. Не нужно пытаться трогать шаровую молнию палкой или еще чем-нибудь. Если же вы растерялись, то просто спрячьтесь подальше и дождитесь пока шаровая молния «разрядится» или покинет помещение.

Если молния, независимо от ее вида, линейная или шаровая, поразила человека, и вы стали свидетелем этого, то необходимо перенести пострадавшего в теплое сухое проветриваемое помещение, накрыть его одеялом, и в случае необходимости оказать первые реанимационные мероприятия. Срочно вызовите скорую помощь и сообщите о случившемся!

Ранее ЭлектроВести писали о проектах учёных, которые пытались изменить климат.

По материалам: electrik. info.

Молния — все статьи и новости

Молния — атмосферное явление в виде мощного электрического искрового разряда, которое случается во время грозы и проявляется в виде яркой вспышки света. Возникает в результате электризации туч или земли: разряды молнии могут образовываться внутри облака, между соседними наэлектризованными облаками или между наэлектризованным облаком и землей.

Молнии образуются в кучево-дождевых (или грозовых), слоисто-дождевых облаках, при вулканических извержениях, торнадо и пылевых бурях. Грозовое облако разделяется на нижнюю и верхнюю части, в каждой из которых содержатся отрицательный и положительный заряды. Внутри облака постоянно циркулируют различные воздушные потоки, сталкивающие между собой частицы, которые попадают в облако. В результате столкновения заряженных частиц облака с попавшими в него различными элементами происходит перераспределение зарядов: на полюсах одних частиц возникает положительный заряд, а на других — отрицательный. Отрицательно заряженная нижняя часть облака, находящаяся ближе к земле, отталкивает электроны к поверхности земли, что приводит к формированию под облаком положительно заряженной части земной поверхности. Вследствие соприкосновения противоположно заряженных зарядов между облаком и землей возникает искра, которая и является молнией. По различной траектории, чаще всего зигзагом, она устремляется к земле и находит там свой положительный заряд — протон.

Молнии делят на линейные, шаровые и чёточные. Длина линейной молнии равняется в среднем 2-3 км, сила тока примерно 10 тыс. ампер. Формирование линейной молнии сопровождается звуками грома. Шаровая молния образуется при разряде линейных молний, имеет сферическую или грушевидную форму и подсвечивается красным цветом. Чёточная молния (называемая также жемчужной, цепной, ожерельчатой и капельной) представляет собой последовательность светящихся, устойчивых и относительно небольших сферических образований, которая часто рассматривается как след от прохождения разряда обычной линейной молнии

Впервые причину и процесс возникновения молнии описал Бенджамин Франклин. Изучив природу электричества, в середине XVIII века ученый предложил теорию, согласно которой молния является электрической искрой. В дальнейшем это позволило Франклину изобрести молниеотвод.

Фото: Sethink/Pixabay

Какое напряжение у молнии. Сила тока молнии

Каждую секунду в атмосфере Земли возникает примерно 700 молний, и каждый год около 3000 человек погибают из-за удара молнии. Физическая природа молнии не объяснена окончательно, а большинство людей имеют лишь приблизительное представление о том, что это такое. Какие-то разряды сталкиваются в облаках, или что-то в этом роде. Сегодня мы обратились к нашим авторам по физике, чтобы узнать о природе молнии больше. Как появляется молния, куда бьет молния, и почему гремит гром. Прочитав статью, вы будете знать ответ на эти и многие другие вопросы.

Что такое молния

Молния – искровой электрический разряд в атмосфере.

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.

Физическая природа молнии

Как объясняют происхождение молнии? Система туча-земля или туча-туча представляет собой своеобразный конденсатор. Воздух играет роль диэлектрика между облаками. Нижняя часть облака имеет отрицательный заряд. При достаточной разности потенциалов между тучей и землей возникают условия, в которых происходит образование молнии в природе.

Ступенчатый лидер

Перед основной вспышкой молнии можно наблюдать небольшое пятно, движущееся от тучи к земле. Это так называемый ступенчатый лидер. Электроны под действием разности потенциалов, начинают двигаться к земле. Двигаясь, они сталкиваются с молекулами воздуха, ионизируя их. От тучи к земле прокладывается как бы ионизированный канал. Из-за ионизации воздуха свободными электронами электропроводность в зоне траектории лидера существенно возрастает. Лидер как бы прокладывает путь для основного разряда, двигаясь от одного электрода (тучи) к другому (земле). Ионизация происходит неравномерно, поэтому лидер может разветвляться.

Обратная вспышка

В момент, когда лидер приближается к земле, напряженность на его конце растет. Из земли или из предметов, выступающих над поверхностью (деревья, крыши зданий) навстречу лидеру выбрасывается ответный стример (канал). Это свойство молний используется для защиты от них путем установки громоотвода. Почему молния бьет в человека или в дерево? На самом деле ей все равно, куда бить. Ведь молния ищет наиболее короткий путь между землей и небом. Именно поэтому во время грозы опасно находиться на равнине или на поверхности воды.

Когда лидер достигает земли, по проложенному каналу начинает течь ток. Именно в этот момент и наблюдается основная вспышка молнии, сопровождаемая резким ростом силы тока и выделением энергии. Здесь уместен вопрос, откуда идет молния? Интересно, что лидер распространяется от тучи к земле, а вот обратная яркая вспышка, которую мы и привыкли наблюдать, распространяется от земли к туче. Правильнее говорить, что молния идет не от неба к земле, а происходит между ними.

Почему молния гремит?

Гром возникает в результате ударной волны, порождаемой быстрым расширением ионизированных каналов. Почему сначала мы видим молнию а потом слышим гром? Все дело в разности скоростей звука (340,29 м/с) и света (299 792 458 м/с). Посчитав секунды между громом и молнией и умножив их на скорость звука, можно узнать, на каком расстоянии от Вас ударила молния.

Нужна работа по физике атмосферы? Для наших читателей сейчас действует скидка 10% на

Виды молний и факты о молниях

Молния между небом и землей – не самая распространенная молния. Чаще всего молнии возникают между облаками и не несут угрозы. Помимо наземных и внутриоблачных молний, существуют молнии, образующиеся в верхних слоях атмосферы. Какие есть разновидности молний в природе?

• Внутриоблачные молнии;
• Шаровые молнии;
• «Эльфы»;
• Джеты;
• Спрайты.

Последние три вида молний невозможно наблюдать без специальных приборов, так как они образуются на высоте от 40 километров и выше.

Приведем факты о молниях:

• Протяженность самой длинной зафиксированной молнии на Земле составила 321 км. Эта молния была замечена в штате Оклахома, 2007 г .
• Самая долгая молния длилась 7,74 секунды и была зафиксирована в Альпах.
• Молнии образуются не только на Земле . Точно известно о молниях на Венере , Юпитере , Сатурне и Уране . Молнии Сатурна в миллионы раз мощнее земных.
• Сила тока в молнии может достигать сотен тысяч Ампер, а напряжение – миллиарда Вольт.
• Температура канала молнии может достигать 30000 градусов Цельсия – это в 6 раз больше температуры поверхности Солнца.

Шаровая молния

Шаровая молния – отдельный вид молнии, природа которого остается загадкой. Такая молния представляет собой движущийся в воздухе светящийся объект в форме шара. По немногочисленным свидетельствам шаровая молния может двигаться по непредсказуемой траектории, разделяться на более мелкие молнии, может взорваться, а может просто неожиданно исчезнуть. Существует множество гипотез о происхождении шаровой молнии, но ни одна не может быть признана достоверной. Факт – никто не знает, как появляется шаровая молния. Часть гипотез сводят наблюдение этого явления к галлюцинациям. Шаровую молнию ни разу не удалось наблюдать в лабораторных условиях. Все, чем могут довольствоваться ученые – это свидетельства очевидцев.

Напоследок предлагаем Вам посмотреть видео и напоминаем: если курсовая или контрольная свалилась на голову как молния в солнечный день, не нужно отчаиваться. Специалиста студенческого сервиса выручают студентов с 2000 года. Обращайтесь за квалифицированной помощью в любое время. 24 часа в сутки, 7 дней в неделю мы готовы помочь вам.

Для грозы характерны заряды молний силой 100000 и даже более. Искры нагревают воздух выше 30000 градусов, что в несколько раз больше, чем в электрической дуге сварочного аппарата. А расширение воздуха при разрядах вызывает гром. Типы молний:

• Сплошная – разряд между заряженными областями облака.
• Зигзагообразная – возникает при разряде между облаком и землей.

В среднем на каждый квадратный километр территории России ежегодно приходится около трех ударов молний. Их эл. ток бывает до 30 000 ампер, а у самых мощных разрядов может превышать 200 000 ампер. Теплообмен шаровой молний с окружающей средой происходит через испускание значительного количества инфракрасного излучения. Если шаровой молнии приписать температуру 500- 600 К, то мощность равновесного теплового излучения, испускаемого молнией среднего диаметра, порядка 0,5-1кВт и максимум излучения лежит в области волн 5-10 мкм.

Полезная информация

Молния – гигантский электрический искровой разряд в атмосфере, обычно происходит во время грозы, проявляющийся яркой вспышкой света и сопровождающим её громом. Молнии также были зафиксированы на Венере, Юпитере, Сатурне и Уране. Ток в разряде молнии достигает 10-100 тысяч ампер, напряжение – 1 000 000 вольт, тем не менее, погибает после удара молнией лишь 10% людей.

Вольт – в системе СИ единица измерения электрического потенциала, разности потенциалов, электрического напряжения и электродвижущей силы.Разность потенциалов между двумя точками равна 1 вольту, если для перемещения заряда величиной 1 кулон из одной точки в другую над ним надо совершить работу величиной 1 джоуль. Вольт также равен электрическому напряжению, вызывающему в электрической цепи постоянный ток силой 1 ампер при мощности 1 ватт.Единица названа в честь итальянского физика и физиолога Алессандро Вольта, который изобрёл вольтов столб, первую электрическую батарею. 1 В = 1/300 ед. потенциала СГСЭ.

Огромные сполохи природной энергии – молнии, давно привлекают внимание людей. После того, как была установлена электрическая природа молний, люди стали подробнее изучать это явление. Естественно, рассматривался вопрос о практическом использовании энергии молний. Для этого, прежде всего, необходимо определить запас энергии молнии.

Максимальная разница потенциалов молнии достигает 50 миллионов вольт, а ток до 100 тысяч ампер. Для расчётов энергии молнии возьмем цифры ближе к средним для большинства молний, а именно: напряжение 20 миллионов вольт и ток 20 тысяч ампер.

При грозовом разряде, электрический потенциал уменьшается до нуля. Поэтому для того, чтобы правильно определить среднюю мощность грозового разряда, в расчётах надо брать половину первоначального напряжения.

Тогда мы имеем мощность электрического разряда:

Получается, что мощность грозового разряда молнии 200 миллионов киловатт. Длительность молнии составляет около тысячной доли секунды, а в каждом часе 3600 секунд. По этим данным можно определить общее количество энергии, которую даёт разряд молнии.

При цене электрической энергии 3 рубля за 1 кВт.ч., стоимость энергии, при условии полного использования всей энергии молнии, составит 166,67 рубля.

На большей части России частота ударов молнии в пределах 2 – 4 в год на квадратный километр, в горных районах до 10 ударов молнии. Из всех видов молний, как источник энергии нас может интересовать только разряд между землёй и электрически заряженными облаками. Для покрытия квадратного километра нужно большое количество молниеотводов. Технически возможно собрать небольшую часть электричества от молнии в высоковольтных конденсаторах. Понадобятся также преобразователи с функцией стабилизации напряжения. Но, как показывает расчёт энергоёмкости конденсаторов , для хранения даже небольшого количества электрической энергии, нужны конденсаторы огромной ёмкости и размеров. Стоимость такого оборудования будет на много порядков дороже стоимости полученной электрической энергии, даже при регулярном, например, ежегодном пополнении энергии разрядами молнии.

Подобные расчёты энергии молнии приводились в технической литературе. Реально получить и использовать, например, на нагрев воды, можно только небольшую часть этой энергии. Основная часть энергии молнии расходуется при искровом разряде на нагрев атмосферы и даже теоретически потребители могут использовать меньшую часть энергии молнии.

Для примера рассчитаем, сколько энергии потребляет на нагрев, например, такое устройство, как громоотвод. Электрическое сопротивление воздушного промежутка, молниеотвода и заземления, которое преодолевает молния при усредненных характеристиках разряда составит:

R = U/I = 20 000 000 В: 20 000 А = 1000 Ом

Расчёт сопротивления проводника громоотвода можно сделать по известной методике, если известны материал, его удельное сопротивление, длина и толщина провода. Но, для нашего примера, будем считать сопротивление проводника равным одному 1 Ом, а сопротивление заземления 4 Ома.

Если сопротивление молниеотвода в тысячу раз меньше, общего сопротивления для молнии, то по закону Ома для участка цепи падение напряжения на участке цепи (громоотводе), прямо пропорционально сопротивлению. А значит мощность, которая выделяется в виде тепла на молниеотводе, будет в тысячу раз меньше общей мощности или количеству энергии, которое выделяется на молниеотводе. В нашем примере это количество энергии будет равно 55,556 Вт.ч., что очень незначительно. Зная теплоёмкость материала молниеотвода и его массу, можно определить, на сколько градусов повысится температура молниеотвода.

Для повышения мощности потребителя, необходимо повысить электрическое сопротивление потребителя. Оптимальным вариантом для источника и потребителя электрической энергии является согласований сопротивлений, когда эти сопротивления равны. Нужно иметь в виду, что при увеличении общего сопротивления токопроводящей цепи уменьшится величина тока, а разность потенциалов останется прежней. Это приведёт к уменьшению общей энергии молнии и снизит без того небольшую вероятность грозового разряда.

Lightning 1882
(c) Photographer: William N. Jennings, c. 1882

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 км³. 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 10 12 -10 15 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 . 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 2000-3000 °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).

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 над Тулузой, Франция. 2006 год

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

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 .

Взаимодействие молнии с поверхностью земли и расположенными на ней объектами

Глобальная частота ударов молний (шкала показывает число ударов в год на квадратный километр)

Согласно ранним оценкам, частота ударов молний на Земле составляет 100 раз в секунду. По современным данным, полученным с помощью спутников, которые могут обнаруживать молнии в местах, где не ведётся наземное наблюдение, эта частота составляет в среднем 44 ± 5 раз в секунду, что соответствует примерно 1,4 миллиарда молний в год. 75 % этих молний ударяет между облаками или внутри облаков, а 25 % – в землю.

Самые мощные молнии вызывают рождение фульгуритов .

Ударная волна от молнии

Разряд молнии является электрическим взрывом и в некоторых аспектах похож на детонацию . Он вызывает появление ударной волны, опасной в непосредственной близости. Ударная волна от достаточно мощного грозового разряда на расстояниях до нескольких метров может наносить разрушения, ломать деревья, травмировать и контузить людей даже без непосредственного поражения электрическим током. Например, при скорости нарастания тока 30 тысяч ампер за 0,1 миллисекунду и диаметре канала 10 см могут наблюдаться следующие давления ударной волны :

• на расстоянии от центра 5 см (граница светящегося канала молнии) – 0,93 МПа,
• на расстоянии 0,5 м – 0,025 МПа (разрушение непрочных строительных конструкций и травмы человека),
• на расстоянии 5 м – 0,002 МПа (выбивание стёкол и временное оглушение человека).

На бо́льших расстояниях ударная волна вырождается в звуковую волну – гром .

Люди и молния

Молнии – серьёзная угроза для жизни людей. Поражение человека или животного молнией часто происходит на открытых пространствах, так как электрический ток идёт по кратчайшему пути «грозовое облако-земля». Часто молния попадает в деревья и трансформаторные установки на железной дороге, вызывая их возгорание. Поражение обычной линейной молнией внутри здания невозможно, однако бытует мнение, что так называемая шаровая молния может проникать через щели и открытые окна. Обычный грозовой разряд опасен для телевизионных и радиоантенн, расположенных на крышах высотных зданий, а также для сетевого оборудования.

В организме пострадавших отмечаются такие же патологические изменения, как при поражении электротоком. Жертва теряет сознание , падает, могут отмечаться судороги , часто останавливается дыхание и сердцебиение . На теле обычно можно обнаружить «метки тока», места входа и выхода электричества. В случае смертельного исхода причиной прекращения основных жизненных функций является внезапная остановка дыхания и сердцебиения, от прямого действия молнии на дыхательный и сосудодвигательный центры продолговатого мозга. На коже часто остаются так называемые знаки молнии, древовидные светло-розовые или красные полосы, исчезающие при надавливании пальцами (сохраняются в течение 1 – 2 суток после смерти). Они – результат расширения капилляров в зоне контакта молнии с телом.

Молния проходит в стволе дерева по пути наименьшего электрического сопротивления , с выделением большого количества тепла, превращая воду в пар, который раскалывает ствол дерева или чаще отрывает от него участки коры, показывая путь молнии. В следующие сезоны деревья обычно восстанавливают повреждённые ткани и могут закрывать рану целиком, оставив только вертикальный шрам. Если ущерб является слишком серьёзным, ветер и вредители в конечном итоге убивают дерево. Деревья являются естественными громоотводами , и, как известно, обеспечивают защиту от удара молнии для близлежащих зданий. Посаженные возле здания, высокие деревья улавливают молнии, а высокая биомасса корневой системы помогает заземлять разряд молнии.

По этой причине нельзя прятаться от дождя под деревьями во время грозы, особенно под высокими или одиночными на открытой местности.

Из деревьев, поражённых молнией, делают музыкальные инструменты, приписывая им уникальные свойства.

Молния и электроустановки

Разряды молний представляют большую опасность для электрического и электронного оборудования. При прямом попадании молнии в провода в линии возникает перенапряжение , вызывающее разрушение изоляции электрооборудования, а большие токи обуславливают термические повреждения проводников. Для защиты от грозовых перенапряжений электрические подстанции и распределительные сети оборудуются различными видами защитного оборудования таким как разрядниками , нелинейными ограничителями перенапряжения, длинноискровыми разрядниками. Для защиты от прямого попадания молнии используются молниеотводы и грозозащитные тросы. Для электронных устройств представляет опасность также и электромагнитный импульс , создаваемый молнией.

Молния и авиация

Атмосферное электричество вообще и молнии в частности представляют значительную угрозу для авиации. Попадание молнии в летательный аппарат вызывает растекание тока большой величины по его конструкционным элементам, что может вызвать их разрушение, пожар в топливных баках, отказы оборудования, гибель людей. Для снижения риска металлические элементы наружной обшивки летательных аппаратов тщательно электрически соединяются друг с другом, а неметаллические элементы металлизируются. Таким образом, обеспечивается низкое электрическое сопротивление корпуса. Для стекания тока молнии и другого атмосферного электричества с корпуса, летательные аппараты оборудуются разрядниками.

Ввиду того, что электрическая емкость самолёта, находящегося в воздухе невелика, разряд «облако-самолёт» обладает существенно меньшей энергией по сравнению с разрядом «облако-земля». Наиболее опасна молния для низколетящего самолёта или вертолёта, так как в этом случае летательный аппарат может сыграть роль проводника тока молнии из облака в землю. Известно, что самолёты на больших высотах сравнительно часто поражаются молнией и тем не менее, случаи катастроф по этой причине единичны. В то же время известно очень много случаев поражения самолётов молнией на взлете и посадке, а также на стоянке, которые закончились катастрофами или уничтожением летательного аппарата.

Молния и надводные корабли

Молния также представляет очень большую угрозу для надводных кораблей в виду того, что последние приподняты над поверхностью моря и имеют много острых элементов (мачты, антенны), являющихся концентраторами напряженности электрического поля. Во времена деревянных парусников, обладающих высоким удельным сопротивлением корпуса, удар молнии практически всегда заканчивался для корабля трагически: корабль сгорал или разрушался, от поражения электрическим током гибли люди. Клёпаные стальные суда также были уязвимы для молнии. Высокое удельное сопротивление заклёпочных швов вызывало значительное локальное тепловыделение, что приводило к возникновению электрической дуги, пожарам, разрушению заклёпок и появлению водотечности корпуса.

Сварной корпус современных судов обладает низким удельным сопротивлением и обеспечивает безопасное растекание тока молнии. Выступающие элементы надстройки современных судов надежно электрически соединяются с корпусом и также обеспечивают безопасное растекание тока молнии.

Деятельность человека, вызывающая молнию

При наземном ядерном взрыве за доли секунды до прихода границы огненной полусферы в нескольких сотнях метров (~400-700 м при сравнении со взрывом 10,4 Мт) от центра дошедшее гамма-излучение продуцирует электромагнитный импульс с напряжённостью на уровне ~100-1000 кВ/м, вызвающий разряды молний, бьющих от земли вверх перед приходом границы огненной полусферы.

См. также

Примечания

1. Ермаков В. И., Стожков Ю.И. Физика грозовых облаков // Физический институт им. П.Н. Лебедева, РАН, М.2004 г. :37
2. В возникновении молний обвинили космические лучи Lenta.Ru , 09.02.2009
3. Красные Эльфы и Синие Джеты
4. ELVES, a primer: Ionospheric Heating By the Electromagnetic Pulses from Lightning
5. Fractal Models of Blue Jets, Blue Starters Show Similarity, Differences to Red Sprites
6. V.P. Pasko, M.A. Stanley, J.D. Matthews, U.S. Inan, and T.G. Wood (March 14, 2002) “Electrical discharge from a thundercloud top to the lower ionosphere, ” Nature , vol. 416, pages 152-154.
7. Появление НЛО объяснили спрайтами . lenta.ru (24.02.2009). Архивировано из первоисточника 23 августа 2011. Проверено 16 января 2010.
8. John E. Oliver Encyclopedia of World Climatology . – National Oceanic and Atmospheric Administration, 2005. – ISBN 978-1-4020-3264-6
9. . National Oceanic and Atmospheric Administration. Архивировано
10. . NASA Science. Science News. (December 5, 2001). Архивировано из первоисточника 23 августа 2011. Проверено 15 апреля 2011.
11. К. БОГДАНОВ «МОЛНИЯ: БОЛЬШЕ ВОПРОСОВ, ЧЕМ ОТВЕТОВ». «Наука и жизнь» № 2, 2007
12. Живлюк Ю.Н., Мандельштам С.Л. О температуре молнии и силе грома // ЖЭТФ. 1961. Т. 40, вып. 2. С. 483-487.
13. Н. А. Кун «Легенды и мифы Древней Греции» ООО «Издательство АСТ» 2005-538,с. ISBN 5-17-005305-3 Стр.35-36.

Молния: больше вопросов, чем ответов

В каждый момент времени в разных точках Земли сверкают молнии более 2000 гроз. В каждую секунду около 50 молний ударяются в поверхность земли, и в среднем каждый ее квадратный километр молния поражает шесть раз за год. Еще Б. Франклин показал, что молнии, бьющие по земле из грозовых облаков, – это электрические разряды, переносящие на нее отрицательный заряд величиной несколько десятков кулон, а амплитуда тока при ударе молнии составляет от 20 до 100 кА. Скоростная фотосъемка показала, что разряд молнии длится несколько десятых долей секунды и состоит из нескольких еще более коротких разрядов. Молнии издавна интересуют ученых, но и в наше время об их природе мы знаем лишь немного больше, чем 250 лет тому назад, хотя смогли их обнаружить даже на других планетах.

Наука и жизнь // Иллюстрации

Способность электризации трением различных материалов. Материал из трущейся пары, находящийся выше в таблице, заряжается положительно, а ниже — отрицательно.

Отрицательно заряженный низ облака поляризует поверхность Земли под собой так, что она заряжается положительно, и, кода появляются условия для электрического пробоя, возникает разряд молнии.

Распределение частоты гроз по поверхности суши и океанов. Самые темные места на карте соответствуют частотам не более 0,1 грозы в год на квадратный километр, а самые светлые — более 50.

Зонт с громоотводом. Модель продавалась в XIX веке и пользовалась спросом.

Выстрел жидкостью или лазером по грозовой туче, нависшей над стадионом, уводит разряд молнии в сторону.

Несколько разрядов молний, вызванных пуском ракеты в грозовую тучу. Левая вертикальная прямая — след ракеты.

Крупный «ветвистый» фульгурит весом 7,3 кг, найденный автором на окраине Москвы.

Полые цилиндрические фрагменты фульгурита, образованные из оплавленного песка.

Белый фульгурит из Техаса.

‹

›

Молния – вечный источник подзарядки электрического поля Земли. В начале XX века с помощью атмосферных зондов измерили электрическое поле Земли. Его напряженность у поверхности оказалась равной примерно 100 В/м, что соответствует суммарному заряду планеты около 400 000 Кл. Переносчиком зарядов в атмосфере Земли служат ионы, концентрация которых увеличивается с высотой и достигает максимума на высоте 50 км, где под действием космического излучения образовался электропроводящий слой – ионосфера. Поэтому электрическое поле Земли – это поле сферического конденсатора с приложенным напряжением около 400 кВ. Под действием этого напряжения из верхних слоев в нижние все время течет ток силой 2-4 кА, плотность которого составляет 1-2^.10^-12 А/м², и выделяется энергия до 1,5 ГВт. И это электрическое поле исчезло бы, если бы не было молний! Поэтому в хорошую погоду электрический конденсатор – Земля – разряжается, а при грозе заряжается.

Человек не чувствует электрического поля Земли, так как его тело – хороший проводник. Поэтому заряд Земли находится и на поверхности тела человека, локально искажая электрическое поле. Под грозовым облаком плотность наведенных на земле положительных зарядов может значительно возрастать, а напряженность электрического поля – превышать 100 кВ/м, в 1000 раз больше ее значения в хорошую погоду. В результате во столько же раз увеличивается положительный заряд каждого волоска на голове человека, стоящего под грозовой тучей, и они, отталкиваясь друг от друга, встают дыбом.

Электризация – удаление “заряженной” пыли. Чтобы понять, как облако разделяет электрические заряды, вспомним, что такое электризация. Легче всего зарядить тело, потерев его о другое. Электризация трением – самый старый способ получения электрических зарядов. Само слово “электрон” в переводе с греческого на русский означает янтарь, так как янтарь всегда заряжался отрицательно при трении о шерсть или шелк. Величина заряда и его знак зависят от материалов трущихся тел.

Считается, что тело, до того как его стали тереть о другое, электронейтрально. Действительно, если оставить заряженное тело в воздухе, то к нему начнут прилипать противоположно заряженные частицы пыли и ионы. Таким образом, на поверхности любого тела находится слой “заряженной” пыли, нейтрализующий заряд тела. Поэтому электризация трением – это процесс частичного снятия “заряженной” пыли с обоих тел. При этом результат будет зависеть от того, на сколько лучше или хуже снимается “заряженная” пыль с трущихся тел.

Облако – фабрика по производству электрических зарядов. Трудно представить, что в облаке находится пара материалов из перечисленных в таблице. Однако на телах может оказаться различная “заряженная” пыль, даже если они сделаны из одного того же материала, – достаточно, чтобы микроструктура поверхности отличалась. Например, при трении гладкого тела о шероховатое оба будут электризовываться.

Грозовое облако – это огромное количество пара, часть которого конденсировалось в виде мельчайших капелек или льдинок. Верх грозового облака может находиться на высоте 6-7 км, а низ нависать над землей на высоте 0,5-1 км. Выше 3-4 км облака состоят из льдинок разного размера, так как температура там всегда ниже нуля. Эти льдинки находятся в постоянном движении, вызванном восходящими потоками теплого воздуха от нагретой поверхности земли. Мелкие льдинки легче, чем крупные, увлекаются восходящими потоками воздуха. Поэтому “шустрые” мелкие льдинки, двигаясь в верхнюю часть облака, все время сталкиваются с крупными. При каждом таком столкновении происходит электризация, при которой крупные льдинки заряжаются отрицательно, а мелкие – положительно. Со временем положительно заряженные мелкие льдинки оказываются в верхней части облака, а отрицательно заряженные крупные – внизу. Другими словами, верхушка грозы заряжена положительно, а низ – отрицательно. Все готово для разряда молнии, при котором происходит пробой воздуха и отрицательный заряд с нижней части грозовой тучи перетекает на Землю.

Молния – привет из космоса и источник рентгеновского излучения. Однако само облако не в состоянии так наэлектризовать себя, чтобы вызвать разряд между своей нижней частью и землей. Напряженность электрического поля в грозовом облаке никогда не превышает 400 кВ/м, а электрический пробой в воздухе происходит при напряженности больше 2500 кВ/м. Поэтому для возникновения молнии необходимо что-то еще кроме электрического поля. В 1992 году российский ученый А. Гуревич из Физического института им. П. Н. Лебедева РАН (ФИАН) предположил, что своеобразным зажиганием для молнии могут быть космические лучи – частицы высоких энергий, обрушивающиеся на Землю из космоса с околосветовыми скоростями. Тысячи таких частиц каждую секунду бомбардируют каждый квадратный метр земной атмосферы.

Согласно теории Гуревича, частица космического излучения, сталкиваясь с молекулой воздуха, ионизирует ее, в результате чего образуется огромное число электронов, обладающих высокой энергией. Попав в электрическое поле между облаком и землей, электроны ускоряются до околосветовых скоростей, ионизируя путь своего движения и, таким образом, вызывая лавину электронов, движущихся вместе с ними к земле. Ионизированный канал, созданный этой лавиной электронов, используется молнией для разряда (см. “Наука и жизнь” № 7, 1993 г.).

Каждый, кто видел молнию, заметил, что это не ярко светящаяся прямая, соединяющая облако и землю, а ломаная линия. Поэтому процесс образования проводящего канала для разряда молнии называют ее “ступенчатым лидером”. Каждая из таких “ступенек” – это место, где разогнавшиеся до околосветовых скоростей электроны остановились из-за столкновений с молекулами воздуха и изменили направление движения. Доказательство для такой интерпретации ступенчатого характера молнии – вспышки рентгеновского излучения, совпадающие с моментами, когда молния, как бы спотыкаясь, изменяет свою траекторию. Недавние исследования показали, что молния служит довольно мощным источником рентгеновского излучения, интенсивность которого может составлять до 250 000 электронвольт, что примерно в два раза превышает ту, которую используют при рентгене грудной клетки.

Как вызвать разряд молнии? Изучать то, что произойдет непонятно где и когда, очень сложно. А именно так в течение долгих лет работали ученые, исследующие природу молний. Считается, что грозой на небе руководит Илья-пророк и нам не дано знать его планы. Однако ученые очень давно пытались заменить Илью-пророка, создавая проводящий канал между грозовой тучей и землей. Б. Франклин для этого во время грозы запускал воздушный змей, оканчивающийся проволокой и связкой металлических ключей. Этим он вызывал слабые разряды, стекающие вниз по проволоке, и первым доказал, что молния – это отрицательный электрический разряд, стекающий с облаков на землю. Опыты Франклина были чрезвычайно опасными, и один из тех, кто их пытался повторить, – российский академик Г. В. Рихман – в 1753 году погиб от удара молнии.

В 1990-х годах исследователи научились вызывать молнии, не подвергая опасности свою жизнь. Один из способов вызвать молнию – запустить с земли небольшую ракету прямо в грозовую тучу. Вдоль всей траектории ракета ионизирует воздух и создает таким образом проводящий канал между тучей и землей. И если отрицательный заряд низа тучи достаточно велик, то вдоль созданного канала происходит разряд молнии, все параметры которого регистрируют приборы, расположенные рядом со стартовой площадкой ракеты. Чтобы создать еще лучшие условия для разряда молнии, к ракете присоединяют металлический провод, соединяющий ее с землей.

Молния: подарившая жизнь и двигатель эволюции. В 1953 году биохимики С. Миллер (Stanley Miller) и Г. Юри (Harold Urey) показали, что одни из “кирпичиков” жизни – аминокислоты могут быть получены путем пропускания электрического разряда через воду, в которой растворены газы “первобытной” атмосферы Земли (метан, аммиак и водород). Спустя 50 лет другие исследователи повторили эти опыты и получили те же результаты. Таким образом, научная теория зарождения жизни на Земле отводит удару молнии основополагающую роль.

При пропускании коротких импульсов тока через бактерии в их оболочке (мембране) появляются поры, через которые внутрь могут проходить фрагменты ДНК других бактерий, запуская один из механизмов эволюции.

Почему зимой грозы очень редки? Ф. И. Тютчев, написав “Люблю грозу в начале мая, когда весенний первый гром…”, знал, что зимой гроз почти не бывает. Чтобы образовалось грозовое облако, необходимы восходящие потоки влажного воздуха. Концентрация насыщенных паров растет с повышением температуры и максимальна летом. Разница температур, от которой зависят восходящие потоки воздуха, тем больше, чем выше его температура у поверхности земли, так как на высоте нескольких километров его температура не зависит от времени года. Значит, интенсивность восходящих потоков максимальна тоже летом. Поэтому и грозы у нас чаще всего летом, а на севере, где и летом холодно, грозы довольно редки.

Почему грозы чаще над сушей, чем над морем? Чтобы облако разрядилось, в воздухе под ним должно быть достаточное число ионов. Воздух, состоящий только из молекул азота и кислорода, не содержит ионов, и его очень тяжело ионизировать даже в электрическом поле. А вот если в воздухе много инородных частиц, например пыли, то и ионов тоже много. Ионы образуются при движении частиц в воздухе аналогично тому, как электризуются при трении друг о друга различные материалы. Очевидно, что пыли в воздухе гораздо больше над сушей, чем над океанами. Поэтому-то грозы и гремят над сушей чаще. Замечено также, что прежде всего молнии бьют по тем местам, где в воздухе особенно велика концентрация аэрозолей – дымов и выбросов предприятий нефтеперерабатывающей промышленности.

Как Франклин отклонил молнию. К счастью, большинство разрядов молнии происходят между облаками и поэтому угрозы не представляют. Однако считается, что каждый год молнии убивают более тысячи людей по всему миру. По крайней мере, в США, где ведется такая статистика, каждый год от удара молнии страдают около 1000 человек и более ста из них погибают. Ученые давно пытались защитить людей от этой “кары божьей”. Например, изобретатель первого электрического конденсатора (лейденской банки) Питер ван Мушенбрук (1692-1761) в статье об электричестве, написанной для знаменитой французской Энциклопедии, защищал традиционные способы предотвращения молнии – колокольный звон и стрельбу из пушек, которые, как он считал, оказываются довольно эффективными.

Бенджамин Франклин, пытаясь защитить Капитолий столицы штата Мериленд, в 1775 году прикрепил к зданию толстый железный стержень, который возвышался над куполом на несколько метров и был соединен с землей. Ученый отказался патентовать свое изобретение, желая, чтобы оно как можно скорее начало служить людям.

Весть о громоотводе Франклина быстро разнеслась по Европе, и его выбрали во все академии, включая и Российскую. Однако в некоторых странах набожное население встретило это изобретение с возмущением. Сама мысль, что человек так легко и просто может укротить главное оружие “божьего гнева”, казалась кощунственной. Поэтому в разных местах люди из благочестивых соображений ломали громоотводы. Любопытный случай произошел в 1780 году в небольшом городке Сент-Омер на севере Франции, где горожане потребовали снести железную мачту громоотвода, и дело дошло до судебного разбирательства. Молодой адвокат, защищавший громоотвод от нападок мракобесов, построил защиту на том, что и разум человека, и его способность покорять силы природы имеют божественное происхождение. Все, что помогает спасти жизнь, во благо – доказывал молодой адвокат. Он выиграл процесс и снискал большую известность. Адвоката звали Максимилиан Робеспьер. Ну а сейчас портрет изобретателя громоотвода – самая желанная репродукция в мире, ведь она украшает известную всем стодолларовую купюру.

Как можно защититься от молнии с помощью водяной струи и лазера. Недавно был предложен принципиально новый способ борьбы с молниями. Громоотвод создадут из… струи жидкости, которой будут стрелять с земли непосредственно в грозовые облака. Громоотводная жидкость представляет собой солевой раствор, в который добавлены жидкие полимеры: соль предназначена для увеличения электропроводности, а полимер препятствует “распаду” струи на отдельные капельки. Диаметр струи составит около сантиметра, а максимальная высота – 300 метров. Когда жидкий громоотвод доработают, им оснастят спортивные и детские площадки, где фонтан включится автоматически, когда напряженность электрического поля станет достаточно высокой, а вероятность удара молнии – максимальной. По струе жидкости с грозового облака будет стекать заряд, делая молнию безопасной для окружающих. Аналогичную защиту от разряда молнии можно сделать и с помощью лазера, луч которого, ионизируя воздух, создаст канал для электрического разряда вдали от скопления людей.

Может ли молния сбить нас с пути? Да, если вы пользуетесь компасом. В известном романе Г. Мелвила “Моби Дик” описан именно такой случай, когда разряд молнии, создавший сильное магнитное поле, перемагнитил стрелку компаса. Однако капитан судна взял швейную иглу, ударил по ней, чтобы намагнитить, и поставил ее вместо испорченной стрелки компаса.

Может ли вас поразить молния внутри дома или самолета? К сожалению, да! Ток грозового разряда может войти в дом по телефонному проводу от рядом стоящего столба. Поэтому при грозе старайтесь не пользоваться обычным телефоном. Считается, что говорить по радиотелефону или по мобильному безопасней. Не следует во время грозы касаться труб центрального отопления и водопровода, которые соединяют дом с землей. Из этих же соображений специалисты советуют при грозе выключать все электрические приборы, в том числе компьютеры и телевизоры.

Что касается самолетов, то, вообще говоря, они стараются облетать районы с грозовой активностью. И все-таки в среднем раз в год в один из самолетов попадает молния. Ее ток поразить пассажиров не может, он стекает по внешней поверхности самолета, но способен вывести из строя радиосвязь, навигационное оборудование и электронику.

Фульгурит – окаменевшая молния. При разряде молнии выделяется 10⁹-10¹⁰ джоулей энергии. Большая ее часть тратится на создание ударной волны (гром), нагрев воздуха, световую вспышку и другие электромагнитные волны, и только маленькая часть выделяется в том месте, где молния входит в землю. Однако и этой “маленькой” части вполне достаточно, чтобы вызвать пожар, убить человека и разрушить здание. Молния может разогреть канал, по которому она движется, до 30 000°С, в пять раз выше температуры на поверхности Солнца. Температура внутри молнии гораздо больше температуры плавления песка (1600-2000°C), но расплавится песок или нет, зависит еще и от длительности молнии, которая может составлять от десятков микросекунд до десятых долей секунды. Амплитуда импульса тока молнии обычно равна нескольким десяткам килоампер, но иногда может превышать и 100 кА. Самые мощные молнии и вызывают рождение фульгуритов – полых цилиндров из оплавленного песка.

Слово “фульгурит” происходит от латинского fulgur, что означает молния. Самые длинные из раскопанных фульгуритов уходили под землю на глубину более пяти метров. Фульгуритами также называют оплавленности твердых горных пород, образованные ударом молнии; они иногда в большом количестве встречаются на скалистых вершинах гор. Фульгуриты, состоящие из переплавленного кремнезема, обыкновенно представляют собой конусообразные трубочки толщиной с карандаш или с палец. Их внутренняя поверхность гладкая и оплавленная, а наружная образована приставшими к оплавленной массе песчинками. Цвет фульгуритов зависит от примесей минералов в песчаной почве. Большинство из них имеют рыжевато-коричневый, серый или черный цвет, однако встречаются зеленоватые, белые или даже полупрозрачные фульгуриты.

По-видимому, первое описание фульгуритов и их связи с ударами молнии было сделано в 1706 году пастором Д. Германом (David Hermann). Впоследствии многие находили фульгуриты вблизи людей, пораженных разрядом молнии. Чарльз Дарвин во время кругосветного путешествия на корабле “Бигль”, обнаружил на песчаном берегу вблизи Мальдонадо (Уругвай) несколько стеклянных трубочек, уходящих в песок вертикально вниз более чем на метр. Он описал их размеры и связал их образование с разрядами молний. Известный американский физик Роберт Вуд получил “автограф” молнии, которая чуть не убила его:

“Прошла сильная гроза, и небо над нами уже прояснилось. Я пошел через поле, которое отделяет наш дом от дома моей свояченицы. Я прошел ярдов десять по тропинке, как вдруг меня позвала моя дочь Маргарет. Я остановился секунд на десять и едва лишь двинулся дальше, как вдруг небо прорезала яркая голубая линия, с грохотом двенадцатидюймового орудия ударив в тропинку в двадцати шагах передо мной и подняв огромный столб пара. Я пошел дальше, чтобы посмотреть, какой след оставила молния. В том месте, где ударила молния, было пятно обожженного клевера дюймов в пять диаметром, с дырой посередине в полдюйма…. Я возвратился в лабораторию, расплавил восемь фунтов олова и залил в отверстие… То, что я выкопал, когда олово затвердело, было похоже на огромный, слегка изогнутый собачий арапник, тяжелый, как и полагается, в рукоятке и постепенно сходящийся к концу. Он был немного длиннее трех футов” (цитируется по В. Сибрук. Роберт Вуд. – М.: Наука, 1985, с. 285).

Появление стеклянной трубочки в песке при разряде молнии связано с тем, что между песчинками всегда находятся воздух и влага. Электрический ток молнии за доли секунд раскаляет воздух и водяные пары до огромных температур, вызывая взрывообразный рост давления воздуха между песчинками и его расширение, что слышал и видел Вуд, чудом не ставший жертвой молнии. Расширяющийся воздух образует цилиндрическую полость внутри расплавленного песка. Последующее быстрое охлаждение фиксирует фульгурит – стеклянную трубочку в песке.

Часто аккуратно выкопанный из песка фульгурит по форме напоминает корень дерева или ветвь с многочисленными отростками. Такие ветвистые фульгуриты образуются, когда разряд молнии попадает во влажный песок, который, как известно, имеет бo’льшую электропроводность, чем сухой. В этих случаях ток молнии, входя в почву, сразу начинает растекаться в стороны, образуя структуру, похожую на корень дерева, а рождающийся при этом фульгурит лишь повторяет эту форму. Фульгурит очень хрупок, и попытки очистить от прилипшего песка нередко приводят к его разрушению. Особенно это относится к ветвистым фульгуритам, образовавшимся во влажном песке.

30 Электрические разряды молнии. Статьи

30

Электрические разряды молнии

Феномены грозовых разрядов в течение многих лет представляют собой особый объект моих исследований в области электричества. Сначала меня привлекала исключительно грандиозность проявлений, но спустя некоторое время, когда я приступил к исследованию атмосферного электричества, меня заинтересовала молния по причине той удивительной роли, которую она играет в структуре мироздания. Обычному человеку даже в голову не может прийти, что своим существованием мы обязаны этой действующей силе, так как она служит средством управления выпадением осадков. Солнце превращает воды океана в пар, а воздушные потоки переносят эти крошечные капли в отдаленные регионы, где они пребывают в состоянии тонкой взвеси до тех пор, пока электрические силы не заставят их соединиться в плотные массы облаков. Когда напряжение становится избыточным, происходят вспышки и в результате выпадают обильные дожди. Итак, всё сводится к тому, что молния поддерживает круговорот воды и, следовательно, саму жизнь.

Не хочу быть превратно понятым, утверждая, что если бы не молния, не было бы дождя. Однако то, что она является главной регулирующей силой, — достоверный факт.

Когда-то давно считалось, что человек невластен генерировать силы электрического взаимодействия и возмущения, сравнимые с теми, свидетелями которых мы являемся в определенных условиях. Но путем постепенного усовершенствования методов и приборов в сфере электричества мы достигли такого уровня, когда становится очевидным, что человек будет обладать способностью превращать пустыни в плодородные земли и создавать озера и реки в каких угодно местах, открывая, таким образом, неисчерпаемый источник энергии и многократно увеличивая плодородие почвы.

В отношении энергии молний существует много широко известных концепций, дающих неправильное представление. Начиная эти исследования, я был убежден, что разряд молнии располагает мощностью не более чем в несколько лошадиных сил, но, углубив свои знания, я убедился, что ее мощность огромна. Обычно считается, что напряжение разряда молнии, а также электрического тока, проходящего через дугу, составляет среднюю величину, но в действительности напряжение зачастую достигает сотен миллионов вольт, а сила тока нередко составляет несколько миллионов ампер.

Энергия молнии составляет половину того, что может дать электрическая емкость облака, и на нее затрачивается четверть электрического потенциала. Когда происходят разряды, весьма значительная часть энергии рассеивается в виде электромагнитных волн, еще одна существенная часть энергии проявляется в тепловом эффекте, а еще одна часть — в звуке и в свете. Возможно, вы получите представление об энергии, содержащейся в молнии, если я скажу, что иногда одной лишь звуковой волны, в которую вовлечена очень небольшая часть энергии, хватило бы, чтобы мотор мощностью в 200 л.с. работал в течение года. Однако совокупная энергия разряда молнии такова, что двигатель в 5 000 л.с. мог бы работать на полную мощность в течение года, а в некоторых случаях количество энергии намного больше. Причина очень большого напряжения в облаке может быть объяснена тем фактом, что кривизна нижней поверхности облака очень мала, так что требуется огромное напряжение, чтобы пробить слой воздуха. Для иллюстрации: если бы большая поверхность была сферой с радиусом около 40 сантиметров, то потребовалось бы более 3 миллионов вольт, чтобы создать электрический стример, напряжение возрастает прямо пропорционально радиусу сферы, так что разряд, исходящий из такого тела, как облако, нижняя поверхность которого в сущности плоская, потребует напряжения в миллиарды вольт.

Существует распространенное мнение, что молния всегда ударяет из облака в землю, но на самом деле самые мощные разряды исходят от земли по направлению к облаку. Я видел несколько таких разрядов, которые на расстоянии пятнадцати миль от точки наблюдения выглядели подобно гигантским огненным деревьям с бесчисленными ветвями, расходившимися от очень мощного ствола, уходившего в землю. Согласно моим расчетам, основанным на экспериментальных данных, полученных с помощью радиопередатчика, я пришел к выводу, что сила тока на земле должна составлять несколько миллионов ампер.

В здешних краях грозы случаются сравнительно редко, но есть места, где они происходят более чем часто. Чтобы не быть голословным, приведу один пример: 3 июля 1899 года мои приборы зафиксировали почти 13 000 разрядов в течение двух часов, и все они произошли в радиусе каких-нибудь, скажем, пятнадцати миль от моей радиостанции в Колорадо-Спрингс. Энергия грозовых разрядов за время их проявления достигала нескольких миллиардов л.с., но я позволю себе упомянуть примечательный факт, вызвавший мой особый интерес: иногда случаются грозовые разряды, которые не содержат в себе энергии более чем в несколько л.с. В двух или трех случаях я наблюдал такие слабые разряды, что путь крошечной искры от облака до земли был едва видим, а произведенный при этом звук вообще нельзя было сравнить даже со слабым щелканьем хлыста. Когда мы представляем себе молнию, мы не можем не вспомнить великого человека, на чьем надгробии написано: «Он вырвал у неба молнию, и затем у тиранов — скипетры». Но Франклин допустил одну ошибку, возможно, единственную в жизни: он считал, что остроконечные выступы якобы разрядят грозу в землю и тем самым уберегут здание, оборудованное таким громоотводом. В те времена у него не было никаких оснований для таких умозаключений, кроме результатов наблюдений, полученных в опытах с электростатической машиной, которая, как он представлял, будет разряжаться благодаря остроконечному выступу. Истина как раз в обратном. Остроконечный выступ побуждает щетку ионизировать окружающий воздух и притягивает молнию, так что здание, оборудованное такого рода стержнем, будет поражаться гораздо чаще, чем если бы у него не было этого средства «защиты», но, к счастью, Франклин был прав во второй части своей теории, а именно в том, что молния будет уходить в землю, не причиняя большого вреда. Как правило, это так, но время от времени, когда разряд слишком мощный, он минует громоотвод, причиняя разрушения. Данные исследований мощных электрических разрядов, проведенных с беспроводным передатчиком, построенным на принципиально иной основе, дали мне возможность разработать тип молниеотвода, который практически действует безотказно. В основе устройства лежит принцип недопущения аккумулирования электричества, так что молния ударит в любое иное место, предпочтя его тому, которое, таким образом, будет защищено. Это устройство, вне всяких сомнений, доказало свою эффективность, так как до сих пор ни одно сооружение, оберегавшееся таким способом, не было поражено, а путем исчисления вероятностей можно доказать, что возможность даже прямого поражения объекта приближается к бесконечно малой величине. Подавляющее большинство людей боятся молнии и вообще не знают, что делать в случае опасности. Этим людям следует знать, что прежде всего в городах подобных нашим, где здания практически полностью построены из стальных конструкций, абсолютно невозможно получить травму, какой бы сильной ни была гроза, но на открытом пространстве за городом, если вы идете пешком или едете в автомобиле, необходимо незамедлительно принять меры предосторожности при приближении грозы. Вы всегда будете в полной безопасности, если предпочтете впадину в земле и будете держаться подальше от деревьев и высоких строений. Не следует разводить костер или оставаться на открытом месте, а если вы находитесь в деревянном доме, вам следует быть в центре помещения и как можно дальше от металлических предметов.

«New York Evening Post», 29 июня 1921 г.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Продолжение на ЛитРес

Факты и информация о молниях

Молния – это электрический разряд, вызванный дисбалансом между грозовыми облаками и землей или внутри самих облаков. Большинство молний происходит в облаках.

«Простая молния» описывает дальний разряд, освещающий всю нижнюю часть облака. Другие видимые болты могут иметь вид бусинки, ленты или ракетной молнии.

Во время шторма сталкивающиеся частицы дождя, льда или снега внутри грозовых облаков увеличивают дисбаланс между грозовыми облаками и землей и часто отрицательно заряжают нижнюю часть грозовых облаков.Объекты на земле, такие как шпили, деревья и сама Земля, становятся положительно заряженными, создавая дисбаланс, который природа стремится исправить, пропуская ток между двумя зарядами.

Молния очень горячая – вспышка может нагреть воздух вокруг нее до температуры, в пять раз превышающей температуру поверхности Солнца. Это тепло заставляет окружающий воздух быстро расширяться и вибрировать, что создает раскат грома, который мы слышим через короткое время после вспышки молнии.

Молния 101

Удары молнии во время грозы ежегодно убивают больше американцев, чем торнадо или ураганы.

Типы молний

Молнии «облако-земля» – обычное явление – около 100 ударов ударов по поверхности Земли каждую секунду, но их сила необычайна. Каждый болт может содержать до одного миллиарда вольт электричества.

Типичный разряд молнии между облаком и землей начинается, когда ступенчатая серия отрицательных зарядов, называемая ступенчатым лидером, мчится вниз от нижней части грозового облака к Земле по каналу со скоростью около 200 000 миль в час (300 000 км / ч). . Каждый из этих сегментов имеет длину около 150 футов (46 метров).

Когда самая нижняя ступенька находится в пределах 150 футов (46 метров) от положительно заряженного объекта, она встречает восходящую волну положительного электричества, называемую серпантином, которая может подниматься вверх через здание, дерево или даже человека. .

Когда они соединяются, электрический ток течет, когда отрицательные заряды летят вниз по каналу к земле, и видимая вспышка молний поднимается вверх со скоростью около 200000000 миль в час (300000000 км / час), передавая электричество в виде молнии в процессе.

Некоторые типы молний, ​​включая наиболее распространенные, никогда не покидают облака, а перемещаются между различными заряженными областями внутри или между облаками. Другие редкие формы могут быть вызваны сильными лесными пожарами, извержениями вулканов и метелями. Шаровая молния, небольшая заряженная сфера, которая плавает, светится и прыгает, не обращая внимания на законы гравитации или физики, до сих пор ставит ученых в тупик.

Примерно от одной до 20 разрядов молнии, соединяющей облако с землей, – это «положительная молния», тип которой возникает в положительно заряженных вершинах грозовых облаков.Эти удары обращают поток заряда типичных разрядов молний, ​​и они намного сильнее и разрушительнее. Положительная молния может простираться по небу и ударить «из ниоткуда» на расстояние более 10 миль от грозового облака, в котором она родилась.

Удар молнии

Молния не только впечатляющая, но и опасная. Ежегодно во всем мире молнией гибнут около 2000 человек. Сотни других выживают после ударов, но страдают от множества устойчивых симптомов, включая потерю памяти, головокружение, слабость, онемение и другие заболевания, изменяющие жизнь.Удары могут вызвать остановку сердца и серьезные ожоги, но выживают 9 из каждых 10 человек. У среднего американца шанс быть пораженным молнией в течение жизни составляет примерно 1 из 5000.

Сильный жар молнии испарит воду внутри дерева, создавая пар, который может разнести дерево на части. Машины – убежище от молний, ​​но не по той причине, в которую многие верят. Шины проводят ток, как и металлические каркасы, которые безвредно переносят заряд на землю.

Многие дома заземлены с помощью стержней и других средств защиты, которые безвредно проводят электричество молнии к земле.Дома также могут быть случайно заземлены водопроводом, водосточными желобами или другими материалами. Заземленные здания обеспечивают защиту, но люди, которые касаются проточной воды или пользуются стационарным телефоном, могут быть поражены проводимым электричеством.

Пожалуйста, соблюдайте авторские права. Несанкционированное использование запрещено.

Пожалуйста, соблюдайте авторские права. Несанкционированное использование запрещено.

Пожалуйста, соблюдайте авторские права. Несанкционированное использование запрещено.

Пожалуйста, соблюдайте авторские права.Несанкционированное использование запрещено.

Пожалуйста, соблюдайте авторские права. Несанкционированное использование запрещено.

Пожалуйста, соблюдайте авторские права. Несанкционированное использование запрещено.

Пожалуйста, соблюдайте авторские права. Несанкционированное использование запрещено.

Пожалуйста, соблюдайте авторские права. Несанкционированное использование запрещено.

Пожалуйста, соблюдайте авторские права. Несанкционированное использование запрещено.

Пожалуйста, соблюдайте авторские права. Несанкционированное использование запрещено.

Пожалуйста, соблюдайте авторские права. Несанкционированное использование запрещено.

Пожалуйста, соблюдайте авторские права. Несанкционированное использование запрещено.

Пожалуйста, соблюдайте авторские права. Несанкционированное использование запрещено.

1/13

1/13

В Южной Дакоте разразилась гроза суперячейки. Среди самых сильных штормов суперячейки могут приносить сильный ветер, град и даже смерчи. ( См. другие изображения экстремальной погоды .)

Удары молнии

Гроза в суперячейке в Южной Дакоте. Среди самых сильных штормов суперячейки могут приносить сильный ветер, град и даже смерчи. (См. Больше фотографий экстремальной погоды.)

Фотография Джима Рида, National Geographic

Lightning

Уильямс говорит, что типичная молния может передавать 10 20 электронов за доли секунды, развивая пиковый ток до 10 килоампер. Согласно Умани, немецкий ученый Поккельс обнаружил, что базальтовая порода в непосредственной близости от ударов молнии была намагничена, и вывел токи порядка 10 000 ампер в 1897 году. Закон Ампера позволяет вывести ток в проводе из измерения магнитного поля. поле на некотором радиусе от проволоки. Поккельс предположительно измерил намагничивающие эффекты больших токов на базальте и смог масштабировать эти эксперименты, чтобы оценить ток, связанный с молнией.На основе этого принципа магнитные связи широко используются для измерения токов молнии. Большинство измерений находились в диапазоне от 5000 до 20 000 ампер, но знаменитый удар незадолго до запуска Аполлона 15 в 1971 году был измерен на уровне 100 000 ампер с помощью магнитных звеньев, прикрепленных к пуповинной башне. Сообщалось о токах более 200 000 ампер. Можно представить себе магнитный детектор, основанный как на законе Ампера, так и на законе Фарадея, который может дать вам оценку тока молнии, если у вас есть измерение расстояния от детектора до точки удара молнии.Если вы установите катушку с проволокой в ​​вертикальной плоскости, то скорость изменения магнитного поля через катушку будет генерировать напряжение. Если бы вы могли суммировать (интегрировать) ток, генерируемый этим напряжением, вы могли бы вычислить заряд, передаваемый при ударе молнии. Имея несколько таких детекторов в области, вы можете смоделировать местоположение, а также заряд, связанный с ударом. Чаще всего ток молнии прекращается примерно за миллисекунду для данного удара, но иногда после одного или нескольких разрядов остается постоянный ток порядка 100 ампер.Это называется «горячая молния» и, по словам Умани, является причиной молниеносных пожаров. Температура молнии составляет 15 000–60 000 ° F как для «холодной», так и для «горячей» молнии – это продолжающееся течение, которое вызывает около 10 000 пожаров в год в США, по оценкам Умани.

Индекс Концепции освещения Референции Умань Williams

Молния – высоковольтная природа

Приближается сезон молний, ​​и за последние несколько недель мы видели множество дисплеев.Молния – одно из самых мощных, неконтролируемых и опасных явлений в природе, за которым интересно и интересно наблюдать. Мы по праву относимся к молнии с трепетом и страхом. Согласно данным, опубликованным Британским королевским аэронавигационным обществом, ежегодно во всем мире умирает 24 000 молний и 240 000 получают травмы.

Молния – это огромная электрическая искра, которая может прыгать на расстояние пяти миль от облака к земле, от облака к облаку или внутри одного облака. Даже если поблизости нет облаков, если вы слышите гром, молния может дотянуться до вас.Огромная волна молнии распространяется со скоростью от 60 000 до 90 000 миль в секунду, мгновенно нагревая воздух до 50 000 градусов по Фаренгейту – в три раза горячее, чем поверхность Солнца – и сжимая его в ударную волну, которая распространяется наружу со скоростью 1100 футов в секунду. Приход ударной волны – это то, что мы слышим как гром. Считайте секунды между вспышкой и стрелой, чтобы определить, как далеко вы находитесь от удара. Например, 5 секунд равны 5500 футов или чуть больше мили.

Средний разряд молнии длится всего 1/10 000 секунды, но он накапливает энергию до 150 миллионов вольт при 125 000 ампер.Этого электричества достаточно, чтобы проработать 100-ваттную лампочку на три месяца!

Молния образуется, когда отрицательные электрические заряды образуются в облаках, а положительные – на земле или в других облаках. Когда разница зарядов становится достаточно большой, «ступенчатый лидер» образует ионизированный путь между ними. Затем за мельчайшие доли секунды основной заряд, который мы видим во время вспышки молнии, разносится по воздуху. Иногда десять или двенадцать разрядов быстро мигают на начальном пути удара.

Молниезащита

Специалисты по погоде рекомендуют при первых признаках грозы:

1. Оставьте незащищенные места, такие как бейсбольные алмазы, футбольные поля, поля для гольфа и озера.
2. Спуститесь с высоты. Не будь самым высоким в округе.
3. Не прячьтесь под деревьями или в небольших металлических навесах для пикников и не стойте рядом с ними.
4. Никогда не пользуйтесь телефонами во время грозы, если они не беспроводные.Иногда молния проходит по телефонным линиям и убивает людей.
5. Не используйте электроприборы и электроинструменты, подключенные к розеткам.
6. Избегайте металлических или проволочных заборов. Молния может путешествовать по ним на многие мили.
7. Держитесь подальше от открытых окон.
8. Сядьте в машину или грузовик. Даже если в него ударит молния, ток пройдет через кузов автомобиля, перепрыгнет через колеса и безвредно уйдет в землю. (Изоляция шин не имеет никакого отношения к вашей безопасности.)
9. Если вы не можете попасть в безопасное место, присядьте на подушечки стоп и закройте уши, чтобы защитить их от звукового повреждения. НЕ ложитесь на землю.

Атмосферное электричество бывает разных форм. Два необычных типа – шаровая молния и огонь Святого Эльма.

Шаровая молния очень редка и плохо изучена. От размера апельсина до баскетбольного мяча он может медленно сноситься с облака, дерева или столба после удара молнии, катиться по земле или, как в одном из известных случаев, катиться через открытую дверь.Некоторые спустились через дымоходы и через оконные решетки. Эти шары, длящиеся всего от трех до пяти секунд, издают шипящий звук и запах горячего металла или озона, а затем либо беззвучно исчезают, либо с громким хлопком рушатся.

Огонь Святого Эльма иногда появляется на острых предметах, таких как антенны, концы крыльев самолетов, рога крупного рогатого скота, верхушки деревьев и даже головы людей, в виде гудящей, мерцающей голубоватой короны. По этой ссылке вы найдете интересное описание прилагаемой фотографии в этой статье.Альпинисты упоминали, что они слышали «жужжание пчел» и видели огонь Святого Эльма на деревьях и остроконечных камнях незадолго до удара молнии. Это странное явление означает, что присутствует электричество высокой энергии, и молния может последовать без предупреждения. Будь то гудение, статика в волосах, огонь Святого Эльма или просто гром, найдите подходящее убежище. Не становитесь смертельным исходом в сезон молний.

---

Доктор Риск – почетный профессор Колледжа лесного и сельского хозяйства в Стивене Ф.Государственный университет Остина в Накогдочес, Техас. Содержание © Пол Х. Риск, доктор философии. Все права защищены, если не указано иное. Щелкните [email protected], чтобы отправить вопросы, комментарии или запросить разрешение на использование.

Человеческое напряжение | Управление научной миссии

Главная страница “Новости космической науки”

Что происходит, когда люди и молния сходятся

Одна из серии статей, посвященных проводимой раз в четыре года Международной конференции по атмосферному электричеству, 7-11 июня 1999 г. в Гантерсвилле, штат Алабама.

18 июня 1999 г .: Либо молния привлекает тестостерон, либо мужчины проводят слишком много времени на открытом воздухе, раскачивая металлические предметы. Мужчины поражаются молнией в четыре раза чаще, чем женщины.

Согласно исследованию под названием «Демография потерь и повреждений в результате молний в США с 1959 по 1994 год», проведенного Рональдом Л. Холле и Раулем Э. Лопесом из Национальной лаборатории сильных штормов и Э. Брайаном Карраном из Национальной службы погоды, мужчины составляют 84% погибших от ударов молнии и 82% травм.

Мужчин может утешить тот факт, что фактическое количество смертей и травм в результате ударов молнии за последние 35 лет снизилось. Команда Холле объясняет 30-процентное снижение смертности от молний за счет улучшения прогнозов и предупреждений, большей осведомленности о молниях, более крупных зданий и социально-экономических изменений. Они связывают дополнительные 40 процентов с улучшением медицинского обслуживания и связи.

Последние заголовки 29 октября: быстрый взгляд на крупнейшие взрывы во Вселенной 27 октября: Леониды в хрустальном шаре , 26 октября: Чандра шпионит за структурой огромных рентгеновских аппаратов 25 октября: Посмертные смерти в небе

Публикация Национальной метеорологической службы Storm Data зафиксировала 3239 смертей и 9818 травм от ударов молнии в период с 1959 по 1994 год.Только внезапные наводнения и наводнения на реках вызывают больше смертей, связанных с погодными условиями. Но, по словам доктора Элизабет Гурбьер из Electricité de France, Service des Etudes Médicales, только 20 процентов жертв молнии сразу умирают. Тем не менее, многие врачи не до конца понимают, как лечить травмы еще 80 человек. процент жертв молнии, переживших удар.

Гурбьер говорит: «Патология молнии или кераунопатия известна лишь немногим специалистам.«

Большинство врачей больше знакомы с поражением электрическим током, например, с поражением, которое получают промышленные рабочие при случайном столкновении с высоковольтным оборудованием. Но травмы от молнии – это не то же самое, что поражение электрическим током. Во-первых, контактное напряжение типичного промышленного электрического шока составляет от 20 до 63 киловольт, а при ударе молнии – около 300 киловольт.

Промышленные удары редко длятся дольше полсекунды (500 миллисекунд), потому что размыкается автоматический выключатель или человек отбрасывается далеко от токоведущего проводника.Удары молнии имеют еще меньшую продолжительность – всего несколько миллисекунд. Большая часть тока от удара молнии проходит по поверхности тела в процессе, называемом «внешним перекрытием».

Как промышленные удары, так и удары молнии приводят к глубоким ожогам в месте контакта – в промышленности точки контакта обычно находятся на верхних конечностях, руках и запястьях, а при ударах молнии – в основном на голове, шее и плечах. У пострадавших от промышленного удара иногда наблюдается глубокое разрушение тканей на всем пути прохождения тока, в то время как ожоги пострадавших от удара молнии, кажется, сосредоточены в точках входа и выхода.Жертвы как промышленного удара, так и удара молнии могут получить травмы в результате падения или падения, и основной причиной немедленной смерти для обоих является остановка сердца или легочной артерии.

Если вы переживете электрошок, вам все равно придется бороться с последствиями электрического ожога. Промышленные шоковые ожоги могут привести к почечной недостаточности, инфекции, повреждению мышц и тканей или ампутации. Ожоги молнией исключительно опасны для жизни (см. Рамку в конце этой истории).

Справа : электрическое оборудование высокого напряжения может вызвать сильные удары и ожоги, немного похожие на удары молнии.

Гурбьер говорит, что 70 процентов выживших после удара молнии испытывают остаточные эффекты, чаще всего поражающие мозг (психоневрологические, зрение и слух). Эти эффекты могут развиваться медленно и проявляться намного позже.

Подпишитесь на нашу рассылку НОВОСТЕЙ ЭКСПРЕСС-НАУКИ

Почувствуй ожог

Если вы хотите испытать удар молнии, поиграйте в гольф в одно воскресенье июля около 4 p.м. Если вы действительно настроены, обязательно сделайте это во Флориде.

Во Флориде вдвое больше жертв молний (вместе смертей и травм), чем в любом другом штате. Большинство пострадавших от молний происходит во второй половине дня – две трети между полуднем и 16:00. по местному стандартному времени с максимумом потерь в 4. В воскресенье умирает на 24% больше, чем в другие дни, за ним следует среда. Сообщения о молниях достигают своего пика в июле.

Многие жертвы молнии гуляли по открытому полю или плавали до того, как были поражены.Другие жертвы молнии держали в руках металлические предметы, такие как клюшки для гольфа, удочки, вилки для сена или зонтики. Но даже те, кто не держит в руках металлические предметы, могут быть поражены молнией с такой же вероятностью, как бронзовая статуя того же размера.

Когда вы слышите гром, вы уже находитесь в зоне действия следующей наземной вспышки. Н. Китагава из Central Lightning Protection, Inc. и А. Сугита и С. Такахаши из Franklin Japan определили средние интервалы между ударами молний, ​​чтобы оценить, сколько времени у кого-то есть на поиск убежища.Их новости отнюдь не обнадеживают.

«Сделан вывод, что не существует безопасного временного интервала, в течение которого человек был бы свободен от прямых ударов», – писали они.

В зоне с радиусом 500 метров (1640 футов) большинство интервалов между ударами молнии составляет от 0 до 600 секунд с максимальной частотой 40 секунд.

Справа : Десять штатов с наибольшим числом пострадавших от молний (вместе смертей и ранений). Флорида возглавляет список с вдвое большим количеством жертв, чем в любом другом штате.Среди других представленных штатов – Джорджия, Теннесси, Северная Каролина, Нью-Йорк, Пенсильвания, Огайо, Мичиган, Колорадо и Техас.

Чтобы избежать удара молнии, ищите укрытие, когда слышите даже самый слабый гром. Некоторые из лучших мест для укрытия – это закрытые здания, автомобили и автобусы (но не касайтесь металла!). В случае, если поблизости нет безопасных мест, пригнитесь, пока не прекратится шторм.

Веб-ссылки

Страница ресурсов выживших после удара молнии – ссылки на истории выживших и другие страницы, посвященные молниям. Национальный институт молниезащиты Национальная лаборатория сильных штормов Центр глобальной гидрологии и климатологии НАСА – исследования молний и атмосферного электричества.

Изолированные деревья, телефонные будки и открытые конструкции, такие как беседки или подъезды, могут стать плохими укрытиями от молнии. Если поблизости есть высокий объект, отойдите как можно дальше – не менее 2 метров (7 футов). Стоя рядом с высокими изолированными объектами, такими как столбы или башни, вы становитесь уязвимыми для вторичных разрядов, исходящих от этих объектов.

Механизм того, как башни привлекают молнии, на самом деле не изучен. Но ученым давно известно, что башни привлекают больше молний, ​​чем ненарушенная земля поблизости.

Рассказ о семье из Северной Каролины ясно показывает, как башни могут концентрировать удары молнии. В 1998 году возле Мерфрисборо,

, была возведена водонапорная башня высотой 42 метра (138 футов). NC. Эта башня находилась примерно в 45 метрах от фермерского дома, который располагался на участке площадью один акр на большом открытом участке сельскохозяйственных угодий.Семья жила в фермерском доме последние 10 лет, и они ни разу не пострадали от удара молнии. После того, как вышка была возведена, в течение 5 месяцев произошло 5 отдельных разрядов возле дома, в результате чего погибли 2 дерева, произошло возгорание электрооборудования, полностью разрушилась вся телефонная проводка и повреждена электрическая арматура.

Справа : Молния заигрывает с радиомачтой высотой 335 футов. Предоставлено: Джеффри К. Херцер / Отдел связи дорожного патруля штата Миссури.

Повреждения от молний увеличиваются за последние 35 лет. Команда Холле связывает большую часть этого увеличения с ростом населения. Storm Data зарегистрировал 19 814 отчетов о материальном ущербе из-за удара молнии в Соединенных Штатах с 1959 по 1994 год. В Пенсильвании больше всего сообщений об ущербе, в то время как самые высокие показатели отчетов об ущербе, взвешенные по численности населения, приходятся на равнины Северной Дакоты и Оклахомы.

По словам Ричарда Китхила из Национального института молниезащиты, большинство отчетов об экономическом воздействии молний противоречивы и занижены.По данным Национальной метеорологической службы Storm Data , самые последние ежегодные убытки составили 35 миллионов долларов, но процесс, с помощью которого эта цифра заносится в таблицу, может быть ошибочным. Storm Data собирает большую часть информации о суровой погоде из газетных отчетов.

Если об инциденте не сообщается в документе или он не учитывается обозревателем Storm Data , он может не попасть в статистическую базу публикации .

Китхил провел собственное исследование, основанное на страховых отчетах и ​​других источниках, которые отслеживают ущерб от погодных условий, и пришел к гораздо большей сумме ежегодной стоимости ударов молний.

«Кажется разумным подсчитать, что затраты и убытки от молний ежегодно в США могут составлять от 4 до 5 миллиардов долларов», – сказал Китхил.

В настоящее время существует несколько различных методов отслеживания ударов молнии, но ни один из них нельзя считать идеальным. В медицинских отчетах, например, иногда упоминаются «ожоги» как первичная причина смерти, а молния – как вторичный эффект. Несмотря на такие случаи занижения сведений, методы, используемые в Соединенных Штатах для отслеживания ударов молний, ​​считаются лучшими из имеющихся.

«Мы работаем с людьми из других стран, которые хотят иметь то, что есть у нас», – сказал Холле.

Человек против молнии

Чтобы противостоять глубокому грозному грому?
Самый страшный и шустрый удар
Быстрый, перекрестный удар?
(Уильям Шекспир, «Король Лир», акт 4, сцена 7)

Справа : Фото: Австралийская суровая погода / Майкл Бат

В состязании между людьми и молнией побеждает молния.Хотя молния редко поражает более одного человека одновременно, в течение года повреждения, смертельные случаи и травмы в сумме делают молнию серьезной угрозой. Изучая результаты встреч человека с молнией, ученые надеются найти больше способов предотвратить такие встречи в первую очередь.

Наиболее типичные заболевания, связанные с ударами молнии

(из книги «Повреждения людей от молнии во Франции» доктора Ф.Элизабет Гурбьер из Electricité de France, Service des Etudes Médicales)

Смерть от молнии (~ 20%)
-Асистолия / фибрилляция желудочков
-Угнетение дыхательных центров ствола мозга
-Многосистемная недостаточность (отсроченная смерть)

Сердечно-легочные травмы
-Аритмии – Изменения артериального давления
-Электрокардиографические изменения
-Повреждения миокарда (инфаркт)
-Дисфункция сердца
-Отек легких – Респираторный дистресс-синдром

Неврологические / психические травмы
– Потеря сознания / кома
– Амнезия / тревога / спутанность сознания / афазия / судороги
– Электроэнцефалографические аномалии
– Повреждения головного мозга / мозжечка
– Онемение / слабость в конечностях (но временная) паралич
-Невропатия / Болевые синдромы
-Травма спинного мозга / Паркинсонизм
-Расстройства сна и памяти / Нарушения концентрации
Нарушения / Раздражительность / Депрессия / Различные другие расстройства, такие как головные боли, легкая утомляемость, боязнь грозы и т. д.
-Посттравматическое стрессовое расстройство

Ожоги и кожные маркировки
– Маленькие, глубокие точки входа / выхода (типовые)
– Контакт, нагрев металлической цепью (типичный)
– Поверхностные линейные
– Вспышка
– Фигуры Лихтенберга (древовидные, похожие на папоротник маркировки): патогномоничные (на туловище, руках, плечах)

Одежда, обувь
-Взорванная, оторванная, растерзанная, опаленная…

Тупые травмы (взрыв)
– Ушиб, внутреннее кровоизлияние (мозг, легкие, печень, кишечник…)
– (редко) переломы (черепа, шейного отдела позвоночника, конечностей…)

Слуховые и глазные травмы
– Разрыв барабанной перепонки (типичный)
– Глухота / шум в ушах / головокружение
– Временная слепота / светобоязнь – Конъюнктивит – Повреждение роговицы

“Травмы от молнии разнообразны и принимают самые разные формы.Наиболее опасными (и, возможно, смертельными) непосредственными осложнениями являются сердечно-сосудистые и неврологические. Следует иметь в виду, что только немедленная и эффективная кардиореспираторная реанимация (начатая спасателями), за которой как можно скорее следует неотложная медицинская помощь, может спасти пострадавших с остановкой сердечно-сосудистой системы или предотвратить серьезные последствия церебральной гипоксии. Некоторые пострадавшие остаются в коме, несмотря на интенсивную реанимацию, и умирают от вторичных причин, включая кровоизлияния и множественные поражения (энцефалические, сердечные, легочные, внутрибрюшные).«

Прочие молнии

---

Human Voltage (18 июня 1999 г.) Что происходит, когда молния встречает людей
Короткометражные новости с конференции по атмосферному электричеству (16 июня 1999 г.) Обобщены стендовые доклады об ураганах и торнадо.
Поглощение атмосферного электричества (15 июня 1999 г.) Измерения “ясной погоды”, важные для понимания гроз.
Положение молнии во время шторма может окружать сильнейшие восходящие потоки (11 июня 1999 г.) Новое открытие может помочь в предсказании града и торнадо
Молния следует за Солнцем (10 июня 1999 г.) Команда космических снимков обнаружила неожиданные предпочтения
Духи другого сорта (10 июня, 1999 г.) 1999) Грозы порождают неуловимые и загадочные духи.
Получение четкого изображения молнии (9 июня 1999 г.): команда из Нью-Мексико разрабатывает систему для изображения молнии в трех измерениях.
Изучение того, как диагностировать плохую летную погоду (8 июня 1999 г.): Ученые обсуждают то, что они знают о воздействии молнии на космические корабли и самолеты.
Три молнии из ниоткуда (8 июня 1999 г.): фундаментальные вопросы об атмосферном электричестве, поставленные на конференции на этой неделе.
Лидеры молний сходятся в Алабаме (24 мая 1999 г.): превью 11-й Международной конференции по атмосферному электричеству.
Что происходит во время грозы? (26 мая 1999 г.): Гамма-лучи (иногда).

Дополнительные ссылки

Национальная лаборатория сильных штормов, Норман, штат Оклахома.
Национальная лаборатория сильных штормов. Библиотека фотографий, где мы получили много красивых фотографий для этих историй о молниях.

Исследование молний в NASA / Marshall и Глобальном центре гидрологии и климата.

Другие заголовки в области космической науки – Исследования НАСА в Интернете

NASA Earth Science Enterprise Информация о миссиях по наукам о Земле и т. Д.

---

Присоединяйтесь к нашему растущему списку подписчиков – подпишитесь на нашу экспресс-доставку новостей , и вы будете получать сообщение по электронной почте каждый раз, когда мы публикуем новую историю !!!

---

Подробнее Заголовки

---

вернуться на главную страницу Новости космической науки

За дополнительной информацией обращайтесь: Д-р Джон М. Хорак, директор по научным коммуникациям

Автор: Лесли Маллен Куратор: Линда Портер Представитель НАСА: Рон Кочор

Lightning Strike – обзор

36.2.1 Скачки молнии

Молния – самая большая единственная причина сбоев на линии; например, на него приходится около 70% отключений в системе передачи высокого напряжения (275 кВ, 400 кВ, 500 кВ и т. д.). Физическое явление молнии показывает, что облака приобретают заряд или, по крайней мере, становятся поляризованными. Электрические поля становятся чрезмерными до такой степени, что диэлектрик промежуточного пространства больше не может выдерживать электрическое напряжение, и происходит пробой или разряд молнии; обычно это сильноточный разряд.

Удары молнии, которые создают проблемы для энергетиков, – это удары, которые заканчиваются на линиях электропередач или рядом с ними. Это можно рассматривать как эквивалент замыкания переключателя между облаком и линией электропередачи или прилегающей землей, что составляет условие изменения цепи. Это либо прямое подключение к линии, либо завершение цепи с тесной взаимной связью с линией. Прямые последствия этого явления:

•

очень часто линия будет повышена до такого потенциала, что последующие вспышки будут происходить в заземленных конструкциях;

•

заземленные конструкции могут быть подняты до такого потенциала, что они вспыхнут на линию.

Помехи, создаваемые в линии электропередачи из-за явления молнии, включают бегущих волн . По сути, это скачки напряжения, которые, хотя и непродолжительны, тем не менее могут вызывать перенапряжения, значительно превышающие изоляционные возможности линий электропередач, что создает серьезную угрозу повреждения дорогостоящего оборудования и вызывает сбои.

Основная форма волны удара молнии – это волна 1,2 / 50 мкс, типичная для молнии.Это показано на рис. 36.1 .

Рисунок 36.1. Типичная форма волны от молнии

Рисунок 36.1 представляет форму волны тока, которая возрастает за 1,2 мкс и падает до половины пикового значения за 50 мкс. Обычно важен только сильный ток, протекающий в течение первых 50 мкс, а величина пикового тока колеблется от 20 кА до 200 кА. Соотношение ток / время для вышеупомянутой формы волны определяется следующим образом:

(36,1) i = Ipeak (e − αt − e − βt)

, где t – в мкс.Значения констант α и β зависят от характера выброса и обычно составляют α = 0,002 и β = 3,0.

Когда удар молнии попадает в контактный провод, равные броски тока формы волны, показанной на рис. 36.1 , распространяются в обоих направлениях от точки удара. Таким образом, величина каждого создаваемого скачка напряжения определяется как:

(36,2) V = Z0Ipeak [e − αt − e − βt] 2

, где Z ₀ – полное сопротивление проводника.

Установленный скачок напряжения зависит от эффективного импульсного сопротивления проводников, в которых разряжается ток (и, конечно, от пикового тока), но это значение редко бывает меньше примерно 3 МВ пикового значения. Такое напряжение намного превышает изолирующую способность изоляторов линий электропередачи. Однако было бы экономически нецелесообразно проектировать их, чтобы выдерживать такие высокие напряжения (можно показать, что стоимость В ² ). В этом отношении используются воздушные экранирующие (или заземляющие) провода, которые в значительной степени предотвращают прямые удары по фазным проводам.

При наличии заземляющего провода над воздушной линией удар, достигающий опоры или самого провода, вызывает скачки напряжения в обоих направлениях вдоль провода. Достигнув соседних башен, они частично отражаются и передаются дальше, и этот процесс продолжается по всей длине линии, когда встречаются башни. В этом случае скачки напряжения, возникающие на основных фазных проводниках, значительно меньше, чем в случае отсутствия заземляющего провода. Это связано с тем, что при наличии заземляющего провода скачки напряжения, возникающие на фазных проводниках, возникают из-за эффекта взаимной связи между заземляющим проводом и фазными проводниками.Коэффициент связи обычно находится в диапазоне 0,15 < k <0,3.

Начальный скачок напряжения, генерируемый на заземляющем проводе, зависит как от полного сопротивления опоры ( Z _T ), так и от импульсного сопротивления заземляющего провода ( Z _EW ). В этом отношении разные конструкции опор имеют разное сопротивление перенапряжения. Например, если верхние части градирни соединены одним заземляющим проводом с импульсным сопротивлением Z _EW , то эффективное импульсное сопротивление определяется по формуле:

(36.3) ZTE = ZT × 1 / 2ZEWZT + 1 / 2ZEW

Половина включена в Z _EW , поскольку волна распространяется в обоих направлениях от точки удара.

Волны тока и напряжения излучаются от точки контакта в обоих направлениях вдоль провода заземления и вниз по опоре, если она задействована. Эти волны быстро наталкиваются на неоднородности, такие как соседние башни в случае заземляющих проводов или сопротивление опоры в случае башни.

Прямым следствием этого явления является то, что возникают отраженные волны, которые вызывают еще другие волны, когда они возвращаются в точку удара.Эффект этих волн будет зависеть от изменения волнового сопротивления в точке разрыва. Например, если начальная волна, идущая вниз по башне, встречает низкое сопротивление опоры R , то отраженная волна будет иметь противоположный знак и будет действовать, чтобы уменьшить потенциал башни. Обратное произойдет, если сопротивление опоры будет высоким.

Теория линий передачи ¹ показывает, что коэффициент отражения ρ G от земли определяется выражением:

Также представляют интерес коэффициенты преломления (β _E ) и отраженного (ρ _E ) коэффициентов отраженных волн. возвращаясь к вершине башни с земли.Опять же, используя теорию линии передачи, можно показать, что это:

(36,6) ρE = 1 / 2ZEW − ZT1 / 2ZEW + ZT

36.2.1.1 Обратный пробой

Разность потенциалов на изоляторах подвески вызывает особую озабоченность. поскольку может произойти пробой и повреждение фазы произойдет, если это напряжение станет чрезмерным. Волны, распространяющиеся по заземляющему проводу, вызывают волны на фазных проводниках, причем проводник, ближайший к заземляющему проводу, испытывает наибольшее индуцированное напряжение. Эффект связи между заземляющим проводом и фазными проводниками (обычно между 0.15 и 0.3), чтобы уменьшить нагрузку на линейные изоляторы. Индуцированные напряжения добавляются к напряжениям промышленной частоты или вычитаются из них. В любой момент по крайней мере одна фаза будет иметь ту же полярность, что и удар молнии; такая фаза более вероятна. Это явление более широко известно как обратный пробой .

Поэтому желательно иметь более низкое сопротивление опоры. Есть два соображения:

•

локальное удельное сопротивление самой земли; и

•

соединение между вышкой и землей.

Типичное значение сопротивления опоры опоры R составляет 25 Ом. После удара молнии время, необходимое для прохождения скачка напряжения от вершины башни до основания башни и обратно со скоростью света, обычно составляет 0,25 мкс. Результирующая величина скачка напряжения, таким образом, обычно снижается до примерно 500 кВ, что гораздо менее пугающе, чем вышеупомянутый скачок напряжения 3 МВ, возникающий в момент удара молнии.

36.2.1.2 Резюме

•

Пробои, вызванные молнией, являются основной причиной сбоев в работе линии.

•

Воздушные заземляющие провода снижают величину скачков напряжения на фазном проводе.

•

Низкое сопротивление опоры опоры снижает потенциал помпажа башни и вероятность обратного пробоя.

10 ярких фактов о молнии

1. Скорость молнии

В то время как вспышки, которые мы видим в результате удара молнии, движутся со скоростью света (670 000 000 миль в час), реальный удар молнии распространяется со сравнительно небольшой скоростью 270 000 миль в час.

Это означает, что путешествие на Луну займет около 55 минут или около 1,5 секунд, чтобы добраться из Лондона до Бристоля.

2. При ударе молнии о пляж

Когда молния ударяет в песок или песчаную почву, она сплавляет зерна, образуя небольшую стеклянную трубку, известную как фульгурит.

Они не только ценятся коллекционерами, но и представляют большую научную ценность, демонстрируя наличие в прошлом грозовых разрядов.

3.Самое пораженное молнией место в мире

Озеро Маракайбо в Венесуэле – это место на Земле, которое получает больше всего ударов молний. Сильные грозы случаются 140-160 ночей в году, в среднем 28 ударов молнии в минуту, продолжительностью до 10 часов за раз.

Это целых 40 000 ударов молнии за ночь!

4. Вертолеты вызывают молнии

Недавнее исследование, проведенное Метеорологическим бюро, показало, что вертолеты могут вызвать единичный удар молнии.Во время полета вертолет приобретает отрицательный заряд, поэтому, если он летит рядом с положительно заряженной областью (например, град или основание кучево-дождевого облака), он может вызвать удар молнии. Расследование и прогнозирование ударов молний, ​​вызванных вертолетами

5. 1 400 000 000 забастовок ежегодно

Молния – одно из самых повторяющихся и распространенных зрелищ в природе. Ежедневно во всем мире происходит более 3 000 000 вспышек.

Это примерно 44 удара в секунду.

6. Молния разрушает деревья

Деревья часто можно уничтожить ударами молнии. Когда молния попадает в дерево, она обычно проходит чуть ниже коры дерева, где есть слой сока и воды.

Этот слой мгновенно нагревается и расширяется, в результате чего кора отрывается от дерева, а иногда и дерево раскалывается.

7. Но помогает растениям расти

В то время как азот находится в воздухе вокруг нас, чтобы растения могли его усвоить (процесс, жизненно важный для их роста), они полагаются на процесс, называемый фиксацией азота.

Хотя большая часть этого процесса осуществляется бактериями и водорослями, сильная жара удара молнии заставляет азот связываться с кислородом с образованием оксидов азота, которые в сочетании с влагой в воздухе выпадают в виде дождя и поливают растения водой, богатой нитратами.

8. В ширину с большой палец и горячее солнца

В то время как сила удара молнии может заставить их казаться толстыми разрядами по небу, реальная ширина молнии составляет всего около 2-3 см.Средняя длина молнии составляет около 2–3 миль.

Заряд, переносимый по этому маленькому каналу, настолько силен, что температура молнии достигает 30 000 ° C – это в пять раз горячее, чем поверхность Солнца.

9. Вулканическая молния

Хотя грозы сами по себе впечатляют, они не совсем соответствуют зрелищу, когда извержения вулканов вызывают удары молний.

Когда происходит извержение, земля и пепел подбрасываются в воздух гигантским шлейфом, сталкиваясь, создавая электрический заряд.Так же, как и при обычной молнии, дисбаланс между электрическим зарядом факела и зарядом в атмосфере приводит к ударам молнии.

10. Считая молнии

Чтобы определить расстояние до грозы, просто сосчитайте количество секунд между вспышкой молнии и последующим раскатом грома. Разделите это число на пять, и это покажет вам, сколько миль вы находитесь от шторма (или разделите на три расстояние в километрах).

И напоследок …

Знаете ли вы, до конца 18 века считалось, что звон церковных колоколов отражал молнии, поэтому на многих церковных колоколах была надпись fulgura frango , что означает «Я преследую молнию».

Во время грозы звонари сбегали на колокольню, чтобы позвонить в колокола. Однако высокая башня с металлическим колоколом на самом деле была худшим местом для жизни.

С 1753 по 1786 год во Франции 103 звонаря были убиты ударами молнии, в результате чего обычай был запрещен.

Молния, скачок напряжения или износ? Уметь отличить при рассмотрении претензий по системе HVAC

Ваши страхователи склонны обвинять молнию, когда система HVAC выходит из строя из-за проблем с электричеством. В 2019 году в 26% жилищных претензий, переданных HVACi, заявленной причиной убытков была молния. Но высоковольтный скачок напряжения и возрастной износ с такой же вероятностью, если не больше, могут быть истинными виновниками – и только один из них может быть покрыт, в зависимости от полиса страхования имущества.Специалисты по настройке не должны предполагать, что молния является причиной убытков, исходя из контрагента страхователя, и должны полагаться на результаты комплексной оценки, чтобы определить, какая опасность связана с претензией по HVAC, над которой они работают.

HVACi провела оценку сотен претензий в области отопления, вентиляции и кондиционирования в жилых помещениях в 2019 году, но было установлено, что большинство из тех, которые заявили о повреждении молнией, имели другую причину потерь .

В то время как более четверти претензий по жилью, переданных HVACi, были заявлены как опасность молнии, фактическая причина потерь приходится только на 1% претензий.С другой стороны, скачки высокого напряжения указывались в претензиях в 10% случаев и были признаны фактической причиной потерь в 18% случаев. Износ оказался еще более распространенным: на него заявлено 3% претензий, а в 32% случаев он явился реальной причиной потерь.

Выяснение причин ущерба не должно вызывать споров, а должно основываться на фактах иска. Вот несколько методов, которые наша команда HVACi использует, чтобы определить разницу.

Различия между опасностями и ущербом, который они причиняют

Знание того, что случилось с электрическими компонентами системы HVAC, начинается с понимания различных опасностей и общих повреждений.

Молния

Молния часто встречается в летние грозовые месяцы и представляет собой естественный электростатический разряд, возникающий в результате дисбаланса заряда. Это происходит, когда облака имеют отрицательный заряд и встречаются с чем-то с положительным зарядом, включая высокие объекты на земле или от других облаков. В результате между ними проходит ток. Большинство молний происходит внутри облака или между двумя облаками; поэтому повреждения от удара молнии по земле встречаются реже.

Наиболее серьезные повреждения от молнии вызываются прямыми ударами внешнего оборудования и проявляются в результате горения, обугливания и плавления. Большое количество энергии молнии необходимо для выхода из оборудования, что вызывает ореолы и искрение. Повреждение нескольких компонентов, в том числе неэлектрических, является обычным побочным продуктом удара, и будет очевидный след визуальных свидетельств того, что молния пришла извне.

Прямые удары молнии происходят на внешнем оборудовании с признаками горения, обугливания или плавления.

Скачок высокого напряжения

Скачки высокого напряжения менее мощны, чем удары молнии, хотя они могут вызвать такой же уровень повреждения оборудования HVAC. Скачки возникают из-за внезапного чрезмерного напряжения, продолжающегося от нескольких наносекунд до нескольких минут. Достаточное увеличение может привести к немедленному повреждению электрической системы HVAC. Переключение или отключение автоматических выключателей также может создавать небольшие скачки напряжения. Множественные небольшие изменения напряжения могут вызвать аналогичные повреждения со временем, хотя это и является износом.

Скачки могут быть следствием удара молнии в электрическую линию в другом месте; и наоборот, большинство скачков напряжения возникает, когда устройства, потребляющие большое количество электроэнергии, такие как системы отопления, вентиляции и кондиционирования, генераторы или другие двигатели, включаются или выключаются. Вне площадки, проблемы с трансформатором и переключение электросети на электрических подстанциях также могут вызвать скачки напряжения.

Одно из различий между ним и молнией заключается в том, что скачок напряжения ограничен электрической системой и использует проводку в качестве своего пути. Скачки высокого напряжения не обладают достаточной энергией, чтобы расплавить провода изнутри на длинных участках проводов, как молния.Хотя несколько компонентов могут быть повреждены, они не видны и требуют проверки омметром.

Избыточное напряжение может вызвать немедленное повреждение платы управления HVAC.

Износ

Если повреждены соединения, это хороший признак износа. Соединения могут быть ослаблены, иметь ржавчину или коррозию, что может вызвать перегрев. Это может привести к расплавлению или обугливанию изоляции провода в течение длительного периода времени.Но молнии или скачки напряжения не повлияют на соединения.

Ущерб от износа происходит с течением времени, по сравнению с двумя другими угрозами, которые возникают мгновенно. Средство проверки – проверка хладагента и змеевиков. Кислота часто ошибочно воспринимается как симптом молнии или скачка высокого напряжения, но хладагент может стать кислым только в течение длительного времени из-за влажности, смешанных хладагентов и других загрязнителей. Молния не может подкислить хладагент за такое короткое время. Грязные катушки также являются симптомами износа по сравнению с повреждением от молнии или скачков напряжения.

Часто повреждаемые компоненты HVAC

Причина повреждения может указывать на опасность.

Сплит-системы

, которые являются наиболее распространенными системами в жилых домах, имеют некоторые компоненты, чувствительные к прямым ударам молнии. В компрессорно-конденсаторном агрегате это двигатель компрессора, конденсатор, контактор и двигатель вентилятора. Компоненты печи, чувствительные к непрямым ударам или скачкам напряжения, – это термостат, плата управления печи, двигатель нагнетателя, газовый клапан, индуктор тяги, конденсатный насос и вспомогательные тепловые насосы.

Упаковочные единицы, которые чаще всего используются в коммерческих целях, могут быть более восприимчивыми к ударам молнии и скачкам напряжения, поскольку все предметы находятся снаружи. Компоненты, подверженные риску прямого удара, – это корпус и решетка вентилятора, змеевик конденсатора, вентилятор и двигатель вентилятора, а также разъединитель. К оборудованию, подверженному непрямым ударам или скачкам напряжения, относятся двигатель компрессора, двигатель вентилятора, компоненты платы управления, двигатели вентилятора, газовый клапан, индуктор тяги и разъединитель.

Блокировать потоки электроэнергии

Страхователи

могут снизить риск поражения электрическим током в результате удара молнии или высокого напряжения с помощью устройств защиты от перенапряжения.Громоотводы направляют молнию на землю, чтобы она не ударяла по конструкциям или другим объектам, которые не могут справиться с таким количеством энергии.

Для защиты от скачков напряжения отключите электронику перед восстановлением питания после сбоя.