Общая информация

Природа возникновения молнии.
lightning photo_1

Молния – это одно из самых мощных, загадочных, красивых, зрелищных и непредсказуемых явлений природы. Во все времена пытались понять его природу и спрогнозировать последствия. Молнии, бьющие с неба, несущие смерть и пожары, казались стрелами богов, а гром, сопровождавший вспышки, казался выражением их гнева. Во всех религиях были свои боги, которые могли извергать молнии, наказывать провинившихся. Их боялись, заклинали, пытались ублажить, обуздать. Чего только не приписывали молнии? Это и «огненный пар», и «атмосферный огонь». И только в 1752 году Бенджамин Франклин доказал своим экспериментом, что молния – это мощнейший электрический заряд. Он провел свой известный опыт с воздушным змеем, который был запущен навстречу грозовому облаку и продемонстрировал:
«Как только грозовая туча окажется над змеем, заостренная проволока станет извлекать из нее электрический огонь, и змей вместе с бечевой наэлектризуется… А когда дождь смочит змея и бечеву, сделав их способными свободно проводить электрический огонь, Вы увидите, как он обильно стекает с ключа при приближении вашего пальца». Вот так впервые были употреблены слова «электризуется», «электрический огонь»,«способными свободно проводить», которые с тех пор трактуются как «электризация», «электрический заряд», «токопроводимость», а «заостренная проволока» - это не что иное, как молниеприемник, а бечева – это молниеотвод.
Франклин не запатентовал свое изобретение, оставив его служить людям. Это был человек самых прогрессивных взглядов, один из создателей конституции США. За что благодарные потомки поместили его портрет на стодолларовой купюре.
Прежде чем, попытаться объяснить механизм зарождения молнии, предлагаем посмотреть видеофильм «Все о молнии». Несмотря на не очень высокое качество фильма, он в доходчивой форме показывает: как зарождается молния, какие объекты она поражает, как защищаться от ее поражения. Фильм еще раз демонстрирует, что молния – это очень мощный электрический разряд, для зарождения которого необходим влажный и жаркий климат. Принцип возникновения разряда молнии подобный тому, который возникает в электрофорной машине известной всем из школьных опытов. Если кто-то не помнит, то можно посмотреть демонстрационный видеоролик «Электрофорная машина».
Каковы параметры этого электрического разряда? Все, что можно было собрать о параметрах разряда молнии, отображает следующая таблица:

Параметр (характеристика) разряда молнииЗначение (величина)Примечание
Разница потенциалов, возникающая при разряде 1000 кВ- 1000000 кВ
Сила тока 200 кА – 400 кА
Среднее значения тока первого разряда 18 кА
Потенциальная энергия 10**13 – 10**14 кГ*м
Мощность до 3 млрд. Дж в 5 раз мощнее атомной бомбы в Хиросиме
Продолжительность 50-60 миллисекунд
Длина пути пробега молнии до остановки 50 м
Протяженность молнии от 50м до 32 км летчики видели молнию длиной до 50 км
Скорость движения молнии от облака к земле от 100 до 1600 км/сек
Скорость движения молнии от земли к облаку 140000 км/сек половина скорости света
Диаметр ионизированного канала 1,27 см
Диаметр, светящейся вокруг канала, короны 3-6 м
Температура внутри ионизированного канала 25000°С - 30 000°С (до 54000 °F) В 5 раз выше, чем на поверхности Солнца
Напряженность электрического поля внутри грозового облака 100 – 300 Вольт/см в небольшом объеме перед разрядом 1600 Вольт/см
Средний заряд грозового облака составляет 30-50 кулонов каждыйразрядот 1 до 10 кулонов
Расстояние, на котором слышен гром 26-29 км
Радиус зоны поражения молнией 2 км иногда говорят о 5 км
Площадь зоны поражения молнией πr2 = 3,14*4=12,56 км2 πr2 = 3,14*25=78,5 км2

Итак, мы видим, что молнии возникают при очень сильной электризации воздушных масс, вследствие чего накапливается огромная разность потенциалов между землей и грозовой тучей. По мере того, как эта разность потенциалов увеличивается, в туче начинают образовываться светящиеся каналы ионизированного воздуха – лидеры. Из поверхности земли (из возвышающихся объектов) им навстречу появляются восходящие лидеры.Как-только, эти лидеры соединяются, образовывается сплошной канал ионизированного воздуха, который расширяется взрывообразно и при достижении земли происходит разряд молнии, который мы видим, а затем и слышим. Обычно по каналу проходят не один, а серия из нескольких разрядов, мощность которых со временем уменьшается и молния исчезает. Потом снова происходит накопление разности потенциалов и, как следствие, вспыхивает молния. Все происходит наподобие проскакивания искры между шариками в электрофорной машине. Ведь воздух служит диэлектриком только до определенной границы напряженности электрического поля, которая в зависимости от состояния атмосферных условий, составляет 0,5-10 кВ/м. Именно этот параметр контролируют системы безопасности самолетов, которые находятся под облаком.
Такое объяснение природы молнии дает современная наука. Но как все происходит на самом деле, затрудняются сказать и сами ученые. Невозможно разложить на составляющие то, что укладывается в миллионную долю секунды. Одно из ошибочных утверждений состоит в том, что мы видим молнию, когда она устремляется в землю. На самом же деле мы видим обратный путь молнии в небо. Молния – это не однонаправленный удар в землю, а фактически это кольцо, путь в обе стороны. Сама вспышка молнии, которую мы видим, так называемый обратный удар, это завершающая фаза цикла. И когда обратный удар молнии раскаляет воздух, появляется её визитная карточка – гром. Обратный путь молнии – это та часть молнии, которую мы видим как вспышку и слышим как гром. Обратный ток силой в тысячи ампер и миллионы вольт устремляются от земли к облаку со скоростью до 100-140 тыс. км/сек.

lightning photo_1

Вроде бы все понятно. Да, молния подчиняется большинству законов распространения электрических разрядов, но не всем и не всегда. Да, молния состоит из электрического заряда, но либо мы в действительности не знаем, что такое электричество, либо молния имеет не только электрическую природу. Да, синоптики с большой долей вероятности предсказывают приближение грозовых бурь, но поведение молний во многих случаях не поддается прогнозированию и пониманию. Как например, объяснить такой жуткий случай, произошедший в Японии? Учитель приказал школьникам в походе держаться за веревку. Ударившая в веревку молния убила каждого четного ребенка в колонне, оставив нечетных полностью невредимыми. Японские ученые попробовали воспроизвести ситуацию в лаборатории, поставив манекены вместо учеников. Молния, ударив в веревку, уходила в землю в том месте, где веревка была ниже всего, при этом поразив всех, кто к ней прикасался. Необъяснимым является и тот факт, почему молнии бывают то положительными, то отрицательными и почему положительные бывают более разрушительными? Почему разряды имеют разное свечение: от бело-голубого до красного? Почему редко, но бывают, молнии зимой? Почему природа может предсказать («чувствует») какими будут молнии во время приближающейся грозы, а люди – нет? Ведь всем известно, что перед грозой с положительными разрядами природа затихает, листья на деревьях перестают шелестеть, смолкают птицы, все живое прячется по норам, дуплам, кустам, пещерам и оттуда опасливо поглядывает на свинцово-черную тучу. У человека тоже существуют системы безопасности, но они очень слабо развиты и срабатывают с опозданием. Летом 2005 года группа молодых людей, путешествуя в горах, с удивлением почувствовала, как их волосы стали торчком и из них посыпались искры. Это уникальное явление они тут же попытались за фотографировать, но для некоторых это были последние прижизненные снимки – через несколько секунд группу накрыл разряд молнии.

Пытаясь объяснить природу молнии с точки зрения электрического ее начала, нельзя не вспомнить о шаровой молнии. Огненный шарик диаметром от 3 см до 35 см ( а на уровне облаков до 10 м) никак невозможно описать только законами электродинамики или электростатики. Существующая теория пытается описать шаровую молнию, как сгусток плазмы, то есть как смесь ионизированного воздуха и молекул воды, которые формируют так называемые кластеры. Взаимодействуя между собой, кластеры создают поверхностное натяжение, которое и придает сгустку форму шара. Установлено, что температура внутри шаровой молнии составляет от 800 до 1300°К. Красивая теория, но так ли происходит на самом деле? Некоторые утверждают, что шаровая молния на самом деле – это галлюцинация человека. Поэтому, ко всем эпитетам, которыми характеризуют молнию, хочется добавить и «самое непознанное явление природы». Еще различают ракетообразную молнию. Она наблюдается очень редко. Длится такая молния 1-1,5 сек и представляет собой медленно развивающийся между облаками заряд. К весьма редким видам молнии следует отнести и четочную. Она имеет общую длительность 0,5 сек и представляется глазу на фоне облаков в виде светящихся четок диаметром около 7 см.

Поражения молнией.

Как часто случаются грозовые разряды и каковы их последствия демонстрирует такая табличка со статистическими данными:

Статистические данныеЗначениеПримечание
Количество грозовых бурь, происходящих над планетой Земля, одновременно 2000 шт. не обязательно с молниями, ударяющими в Землю
Количество молний ударяющих в Землю 100 шт./сек
8 млн. шт./сутки
Самое грозовое место на Земле 251 грозовой день/год Тороро в Уганде
Количество молний, ударяющих в 1 км2 на Украине 4-6 шт./сезон
Количество молний, ударяющих в Украину 20 шт./сезон продолжительностью 1,5 часа
Количество молний, угрожающих объекту на Украине =4-6*12,56=50-75 шт./сезон 10-15 шт./месяц или 2-4 в неделю
Соотношение положительных и отрицательных молний 5% и 95% положительные молнии самые разрушительные
Количество ударов молнии в 100 км ВЛЭП 50 шт./сезон или
2 шт./неделю
при ударе в ВЛЭП подстанции автоматически отключаются
Количество ударов молнии в телебашню Останкино 50-80 шт./сезон В Киевскую телебашню на Сырце 50-60 шт./сезон
Соотношение мужчин и женщин, пострадавших от поражения молнией 86% мужчин и 14% женщин
Вероятность попадания молнии в человека 1 / 600 000
Количество «потраченных» ударов молнии на поражение человека 10000 шт. на войне на 1 убитого тратилось от 1 до 100000 пуль
Количество домов, сгорающих от молнии каждый пятый
Количество домов, сгорающих от неисправной электроустановки в доме каждый третий

О последствиях поражения человека ударом молнии мы предлагаем посмотреть видео «Электричество в первозданной форме. Удар молнии». Кроме трагических последствий поражения молнией, известны масса удивительных случаев. Мы их приводим в статье «Слепая стихия». Какие последствия поражения молнией для окружающей среды? Возможные поражающие факторы молнии следующие:

Проявления опасностиПоражающие факторыПоследствия
Прямой удар молнии в здание Разряд около 200 кА, напряжением 1000 кВ, температура 30 000°С Поражение людей, разрушение частей здания, пожары
Удаленный разряд при ударе молнии в коммуникации (до 5 км и больше) Занесенный потенциал молнии через провода электроснабжения и металлические трубопроводы (возможный импульс перенапряжения – сотни кВ) Поражения человека, нарушение изоляции электропроводки, выход из строя оборудования, потери баз данных, сбои в работе компьютерных систем
Близкий (до 500 м от здания) разряд молнии Наведенный потенциал молнии в токопроводящих частях здания и электроустановках (возможный импульс перенапряжения - десятки кВ) Поражение человека, нарушение изоляции электропроводки, возгорания, выход из строя оборудования, потери баз данных, сбои в работе компьютерных систем.
Коммутации и короткие замыкания в цепи низкого напряжения Импульс перенапряжения (до 4 кВ) Выход из строя оборудования, потери баз данных, сбои в работе компьютерных систем