Как молния ударяет в землю
35 часто задаваемых вопросов о грозе и молнии
Молния — одна из красивых загадок на Земле, но она очень опасна, так как обладает гигантской разрушительной силой. Еще в древние времена человек наблюдал, как молния расщепляла высокие деревья, зажигала леса и жилища, убивала крупный рогатый скот и овец на склонах гор и в долинах, не раз был свидетелем того, как от молнии гибли люди. Впечатление от ослепительно ярких молний усиливали ужасающие раскаты грома.
Перед этой гигантской грозной стихией человек чувствовал себя маленьким, слабым и совершенно беспомощным. Он считал молнию и гром проявлениями немилости богов, наказанием за злые дела.
Современной наукой доказано, что грозы — это сложные атмосферные явления, сопровождаемые электрическими разрядами-молниями, вызывающими гром. Мы сегодня сравнительно много знаем о грозах, молниях и громе, о защите от молнии. Все же есть еще и нераскрытое.
Цель этой статьи — правильное объяснение причин природных явлений, происходящих вокруг нас, информация о грозах и молниях, накопленная наукой к настоящему времени, которая постоянно пополняется и уточняется благодаря неустанным исследованиям, проводимым в глобальном масштабе.
Итак, 35 самых популярных вопросов про грозу и молнию.
1. Где находятся очаги гроз? — Они главным образом там, где часто чередуются горы и долины рек, а на равнинах — в местах, где испарение воды значительнее. На возникновение гроз влияет форма рельефа, способствующая образованию и сохранению разницы температур в соседних слоях воздуха.
2. Как часты грозы в Северном и Южном полушариях? — В большинстве районов средних широт Северного полушария наибольшее число гроз приходится на летние месяцы — июнь и июль, меньшее на зимние — декабрь и январь.
В Южном полушарии грозы чаще всего бывают в декабре и январе, реже — в июне и в июле. Из приведенных данных имеется достаточно много исключений. Например, в Великобритании и в районе Исландии зимние грозы довольно часты. Над океаном наибольшее число гроз всегда приходится на зиму.
В тропическом и субтропическом поясе земного шара грозы особенно сильны и чаще всего бывают в сезон дождей. В Индии — весной (апрель — май) и осенью (сентябрь). Наибольшее число грозовых дней на Земле в тропических и экваториальных странах. В направлении северных широт их количество постепенно уменьшается.
3. Какие районы являются мировыми очагами гроз? — Их шесть: Ява — 220 грозовых дней в году, Экваториальная Африка — 150, Южная Мексика — 142, Панама — 132, Центральная Бразилия —106, Мадагаскар — 95.
Статистические данные о молниях:
За каждую секунду над Землей сверкает до 100 молний, следовательно, за час — 360 000, за день — 8,64 млн., а год — 3 млрд.
4. В каком направлении движется большинство молний? — Из облаков к Земле, и они могут поразить горы, равнину или море.
5. Почему мы видим молнию? — Канал молнии, по которому проходит ток гигантской силы, очень нагревается и ярко светит. Это и дает возможность нам видеть молнию.
6. Может ли наблюдатель отличить лидера от главной стадии? — Нет, потому что они следуют непосредственно друг за другом, чрезвычайно быстро по одному и тому же пути.
Лидер — первый подготовительный этап возникновения молнии. Специалисты называют его ступенчатым головным разрядом. От грозового облака к Земле лидер движется быстрыми последовательными светящимися квантами, длина которых около 50 м. Промежутки времени между отдельными ступенями составляют примерно одну пятидесятимиллионную долю секунды.
7. Заканчивается ли молния после первого соединения двух противоположных зарядов? — Ток нарушается, но молния на этом обычно не заканчивается. Часто по пути, проложенному первым разрядом, идет новый лидер, за ним снова следует главная часть разряда. Этим заканчивается второй разряд. Таких разрядов, состоящих из двух стадий, может последовательно возникнуть до 50.
8. Сколько разрядов бывает чаще всего? — 2 — 3.
9. Чем вызвано мерцание молнии? — Отдельные разряды нарушают ход молнии. Наблюдатель воспринимает это как мерцание.
10. Каков промежуток между отдельными разрядами? — Очень короткий — не превышает сотой доли секунды. Если число молний большое, то свечение длится целую секунду, иногда и несколько секунд. Средняя продолжительность молнии — примерно четверть секунды. Лишь незначительный процент молний длится дольше одной секунды.
Американский ученый Макичрон приводит сведения о непродолжительности разрядов, восходящих от высокого здания к облаку. Половина наблюдавшихся молний длилась 0,3 секунды.
11. Ударит ли молния дважды в одно и то же место? — Да. В телевизионную башню в Останкино молнии ударяли в среднем до 30 раз в год.
12. Всегда ли молния ударяет в вершину объекта? — Нет. Например, в здание Empire State Building молния ударила на 15 м ниже его вершины.
13. Всегда ли молния выбирает самый высокий объект? — Нет, не всегда. Если бы рядом стояли две мачты, железная и деревянная, молния скорее ударила бы в железную, даже будь она ниже. Это объясняется тем, что железо лучше проводит электричество, чем дерево (даже влажное). Железная мачта к тому же лучше связана с Землей, и электрический заряд при образовании лидера легче к ней притягивается.
14. Ударит ли молния в наивысшую точку песчаного холма или в нижерасположенный глинистый участок? — Молния всегда выбирает путь наименьшего сопротивления и поэтому ударяет не в наивысшую точку местности, а в то место, где ближе всего глина, так как у нее электропроводность выше, чем у песка. В холмистой местности, где протекала река, молния ударила в реку, а не в близлежащие холмы.
16. Может ли быть гром без молнии? — Нет. Как известно, гром — это звук, рождаемый молнией, вследствие расширения газов, причиной которого является она сама.
17. Сверкает ли молния без грома? — Нет. Хотя на большом расстоянии грома иногда не слышно, но он всегда сопровождает молнию.
18. Как определить расстояние, отделяющее нас от молнии? — Сперва мы видим молнию и только через некоторое время слышим гром. Если, например, между молнией и громом проходит 5 секунд, то за это время звук прошел расстояние 5 х 300 = 1650 м. Это значит, что молния ударила чуть дальше 1,5 км от наблюдателя.
В хорошую погоду можно слышать гром спустя 50 — 60 секунд после вспышки молнии, что соответствует расстоянию 15 — 20 км. Это намного меньше расстояния, на котором слышны звуки искусственных взрывов, потому что в этом случае энергия сосредоточена в сравнительно небольшом объеме, тогда как при грозовом разряде она распределяется по всему его пути.
19. Ударяет ли вообще молния в автомобиль? — Изоляционное сопротивление сухих автопокрышек столь велико, что прямой путь молнии к земле через автомобиль маловероятен. Но во время грозы в большинстве случаев идет дождь, автопокрышки увлажняются. Это увеличивает вероятность удара даже в том случае, если автомобиль не самый высокий объект в данной местности.
21. Что надо делать во время сильной грозы? — Во время сильной грозы надо постараться найти подходящее место для стоянки или съехать с трассы на лесную или проселочную дорогу и переждать грозу там.
23. Какое место занимает молния среди причин авиационных катастроф? — Если составить список причин авиакатастроф, вызванных такими погодными факторами, как мороз, снег, оледенение, ливни, туманы, бури и смерчи, то молния заняла бы в нем одно из последних мест.
24. Какие приборы в самолете больше подвержены действию молнии? — Примерно треть ударов молнии повреждает электроприборы. Были случаи, когда после удара молнии не работали различные бортовые приборы — индикаторы количества топлива, давления масла и другие, потому что вышли из строя их магниты. Не рекомендуется пополнять запасы топлива во время грозы, так как существует опасность удара молнии.
26. Moжет ли произойти несчастный случай внутри здания? — Да, если человек находится недалеко от металлического предмета и вблизи вывода молниеотвода.
27. Где меньше опасность поражения молнией — в городе или селе? — В городе люди находятся в меньшей опасности, так как стальные конструкции и высокие здания действуют в определенной мере как молниеотводы. Поэтому молния чаще всего поражает людей, работающих в поле, туристов и строителей.
28. Защищен ли от молнии человек, укрывшийся под деревом? — Примерно треть всех жертв молнии укрывалась под деревьями.
29. Есть ли случаи, когда человек пережил несколько ударов молнии? — Ходячим призраком считает себя разменявший седьмой десяток лет американский лесник Рой С. Салливан, которого молния поражала четыре раза, причем он не получил никаких серьезных травм, не считая сгоревших волос. Сам он так описывает пережитое: «Меня будто гигантским кулаком свалило на землю, причем сотрясло все тело. Я ослеп, оглох, и мне казалось, что я рассыплюсь на части. Потребовалось несколько недель, прежде чем исчезли эти ощущения».
31. Какой должна быть первая помощь при ударах молнии? — Такой же, что и при других поражениях электрическим током и ожогах: главным образом, искусственное дыхание. Сделанное своевременно и достаточно продолжительно, оно спасет многие жизни. Если жизнь пораженного молнией удается спасти оказанием надлежащей первой помощи, то признаки паралича обычно исчезают без вредных последствий медленно, в течение нескольких часов или дней.
32. Какую энергию таит в себе средняя линейная молния? — На основании данных о напряжении, силе тока и мощности зарядов, считается, что средняя млния содержит энергию порядка 250 кВч (900 МДж). Английский специалист Уилсон приводит другие данные — 2800 кВч (10 4 МДж = 10 ГДж).
33. Во что превращается энергия молнии? — Наибольшая часть — в свет, тепло и звук на всем ее пути.
34. Какова энергия молнии на единицу земной поверхности? — На 1 кв. км земной поверхности энергия молнии сравнительно мала. Другие виды энергии в атмосфере, например, солнечное излучение сила ветра, значительно превышают ее.
35. Может ли молния быть полезной? — Электрические разряды во время грозы превращают часть атмосферного кислорода в новое газообразное вещество — озон, с резким запахом, обладающее отличными дезинфицирующими свойствами. Он в своем составе имеет три атома кислорода, выделяет свободный кислород, поэтому после грозы воздух очищается.
Под воздействием высокой температуры молнии кислород соединяется с атмосферным азотом, образуя азотистые соединения, легкорастворимые в воде. Образовавшаяся азотная кислота вместе с дождем попадает в почву, где становится азотным удобрением.
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Физика атмосферы: как, почему и откуда появляются 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.
Ежедневная рассылка с полезной информацией для студентов всех направлений – на нашем телеграм-канале.
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 любой вид работы
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?
Последние три вида молний невозможно наблюдать без специальных приборов, так как они образуются на высоте от 40 километров и выше.
Приведем факты о молниях:
Шаровая молния
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.
Что происходит, когда молния попадает в землю?
Один из выпусков новостей по телевидению сделал экспертов по молниезащите и атмосферному электричеству чуть ли не самыми востребованными людьми для журналистов всех уровней. В передаче рассказывалось, как в китайца дважды ударила молния. И оба раза он остался жив, более того, ушёл с места происшествия своим ходом. Этот случай привлёк огромное внимание к самому явлению молнии, хотя на самом деле не представлялся чем-то исключительным. Попадание молнии не всегда приводит к смерти. Если покопаться в архивах, то легко можно найти массу сообщений на эту тему. Вот молнией ударило целую футбольную команду, игравшую на стадионе во время грозы. Вот она поразила людей, ждущих автобус. Вот не повезло стаду коров и т.д. Во многих случаях после таких происшествий люди оказываются на больничной койке, но не в морге. Неужели опасность атмосферных разрядов просто преувеличена? Неужели люди могут выдержать прямое попадание молнии без серьёзных последствий для себя? А кто сказал, что в описанных выше ситуациях это воздействие было прямым? Как правило, когда речь идёт о чудесных спасениях, мы имеем дело не с прямым контактом, а с попаданием разряда в землю рядом с человеком.
Для начала давайте оценим масштаб этого опасного атмосферного явления. Небольшая молния, которую даже можно назвать слабой, имеет силу тока около 30 тысяч ампер. Разряды, которые можно отнести к категории мощных, имеют силу в десять раз больше. При ударе в землю этот заряд растекается по всему объёму грунта. Именно для этой цели (перевода мощного заряда в грунт) служат молниеотводы, оснащённые заземлителями. Последние представляют собой электроды, уходящие на определённую глубину в землю. Здесь действует закон Ома, согласно которому, чтобы рассчитать напряжение на заземлителе, необходимо силу тока умножить на сопротивление.
В данном примере нужно учесть, что напряжение в грунте принимается за нулевое. Когда речь идёт о человеке, стоящем на земле при ударе молнии, всё буквально переворачивается с ног на голову. Напряжение будет действовать на нас снизу, через ноги. Попробуем разобраться в том, каким образом это будет происходить.
Для начала рассмотрим нашу землю как проводник. Насколько хорошо она проводит электричество? Первый ответ, который напрашивается сам собой, – очень хорошо. Неслучайно же мы делаем заземление, вводя электричество в грунт. Однако нам нужна более точная оценка свойств земли как проводника, а именно – удельное сопротивление. Для хорошей земли оно составляет в среднем 100 Ом на метр. То есть сопротивление здесь просто огромное. Для примера: в обычной чёрной стали оно в миллиард раз меньше. Однако, несмотря на это, земля эффективно отводит ток благодаря своему большому объёму.
Теперь, чтобы уточнить, как ведёт себя электричество при попадании в землю, рассмотрим ещё один важный параметр – напряжённость электрического поля. Этот параметр определяет, каким образом падает напряжение на определённом промежутке. Мы будем рассматривать падение напряжения на длине 1 метр. Этот показатель, называемый шаговым напряжением, выбран неслучайно – примерно столько составляет длина человеческого шага. То есть, если в грунте имеется поле напряжённостью 1 вольт на метр, на шагающего человека будет воздействовать напряжение 1 вольт.
Теперь разберём гипотетическую ситуацию с попаданием молнии в громоотвод и её выводом в заземлитель. Для примера рассмотрим случай, когда в качестве заземлителя используется металлическая полусфера диаметром полметра. Ток, пройдя по проводнику, будет утекать с полусферического заземлителя равномерно в грунт. Рассчитаем плотность тока при его силе, равной 30 тысячам ампер. Для этого силу тока разделим на площадь, в которой он действует. Получим величину примерно в 76 000 ампер на квадратный метр. Теперь рассчитаем напряжённость, по закону Ома умножив сопротивление грунта на полученный результат. В результате получим величину около 7,6 миллиона вольт на метр. Внушительная цифра. И вряд ли описанный в начале статьи счастливец из Китая подвергался воздействию именно такого напряжения.
Мы не хотим вводить читателя в заблуждение, говоря о том, что молнии не опасны. Озвученные цифры нисколько не завышены. Наоборот – столкнуться с молнией зарядом до 100 тысяч ампер может каждый из нас, в то время как расчёты мы проводили для молнии в 30 тысяч ампер. Поэтому критическое шаговое напряжение может быть более внушительным и на более отдалённом расстоянии от заземлителя.
Кроме этого, нужно учесть, что мы в своих расчётах приводили пример с полусферическим заземлителем. При такой конструкции напряжённость поля будет обратно пропорциональна квадрату расстояния от центра полусферы. Однако такие электроды используются крайне редко. На промышленных объектах их вообще нет. Как правило, там применяются специальные стержни, из-за чего напряжённость по мере удаления от громоотвода убывает медленнее. Здесь уже радиус критического поражения, в том числе летального, может составлять несколько десятков метров.
Теперь приведём пример с типовыми устройствами, применяемыми в молниезащите в нашей стране. Возьмём для расчётов критические данные, которые дадут нам более внушительный результат. В качестве грунта будет использоваться сухой песок с сопротивлением 1 кОм на метр. Силу тока в молнии возьмём за 100 тысяч ампер. Сам заземлитель будет состоять из рекомендованных техническими нормами трёх штырей и шины, к которой они крепятся. В таком контуре и при указанной выше силе тока на расстоянии 15 метров от заземлителя будет действовать напряжение в 70 тысяч вольт. А в радиусе 40 метров – 10 тысяч вольт, что тоже немало.
Именно поэтому для сложных объектов, в которые часто попадает молния, и рядом с которыми высока вероятность нахождения людей, разрабатываются индивидуальные системы молниезащиты. Например, такая система использована при строительстве храма Христа Спасителя. Она состоит из множества шин, расположенных под землёй. Они обеспечивают растекание молнии и снижение шагового напряжения вблизи храма.
С воздействием мощного электрического заряда связана ещё одна серьёзная опасность. Если показатели напряжённости доходят до 1 мегавольта на метр, начинается ионизация грунта. А при совпадении ряда факторов результатом такой ионизации будет увеличение плазменного канала. Он будет проходить уже под землёй, неглубоко от её поверхности. Такие каналы в ионизированном грунте, по сути, являются частью основной молнии и могут уходить на расстояние до десятков метров от места непосредственного удара.
Сила тока в таких каналах меньше, чем в основных молниях, но при этом тоже внушительная. Более того, подземный разряд сопровождается высокой температурой, которая достигает 63 тысяч градусов. А теперь представьте, что такой подземный разряд прошёл рядом с какими-либо горючими веществами или в зону его действия попало важное оборудование, люди.
Именно с такой ситуацией в 2010 году столкнулись жители небольшой деревни в Омской области. Здесь случился пожар, в результате которого сгорели все дома. Местные жители не могли тушить пламя, поскольку, как они сказали, по земле бегали огненные стрелы. Нужно ли говорить, что само возгорание случилось в результате попадания молнии? Жители деревни поступили правильно, не став рисковать, – напряжение в зонах прохождения таких каналов по своим параметрам ничуть не уступает местам, где заземлители громоотводов входят в землю.
Думается, рассказанного здесь достаточно, чтобы понять, что даже при попадании молнии в громоотвод или в землю в отдалении от человека есть реальный риск нанесения ущерба расположенным рядом объектам и людям. Молния словно хитрит, находя обходные дороги и взламывая простую защиту. Именно поэтому важно, чтобы даже домашнюю систему молниезащиты просчитывали и монтировали опытные специалисты. Только они смогут учесть все нюансы и по-настоящему надёжно защитить от всех факторов воздействия грозового разряда.
Как появляется молния и как она «выбирает цель»
Молния представляет собой электрический разряд огромной силы, который возникает между атмосферой и поверхностью Земли. Обычно воздух обладает диэлектрическими свойствами — он даже используется в качестве прослойки между обкладками конденсатора. Однако в конденсаторе могут случаться пробои. Это происходит, когда на обкладках скопился очень большой заряд, который в какой-то момент не выдерживает и начинает проходить через слой воздуха между обкладками.
С этой точки зрения молния представляет собой, фактически, пробой огромного конденсатора, обкладками которого выступают грозовые облака и поверхность Земли. В облаках перед разрядом молнии начинает накапливаться заряд из-за трения частичек пыли и кристалликов льда друг о друга. В некоторый момент заряд облака превышает критический и случается «пробой» — молния ударяет в землю.
Согласно современным данным, на Земле за секунду ударяет в поверхность примерно 45-50 молний. Эти природные явления могут наносить значительный ущерб не только человеческим сооружениям, но и природе, вызывая лесные пожары.
Свойства электрического тока таковы, что он ищет самый короткий путь до поверхности Земли, поэтому ударяет в наиболее высокую точку из всего пространства. Однако выбор этой точки во многом зависит от места формирования молнии: разряд не будет лететь до высокой точки, которая находится в нескольких километрах от него по поверхности. Чтобы предугадать, куда ударит молния, необходимо точно знать место ее формирования (что с помощью современных технологий сделать невозможно) и просто рассчитать наиболее короткий путь разряда до поверхности Земли.