Arten von Blitzen: Linear, Intracloud, Ground. Blitzentladung. Wie Kugelblitze entstehen. Physik der Atmosphäre: Wie, warum und woher Blitze kommen

Blitz

Wir denken oft, dass Strom nur in Kraftwerken erzeugt wird und schon gar nicht in den faserigen Massen von Wasserwolken, die so dünn sind, dass man leicht mit der Hand hineingreifen kann. Allerdings gibt es Elektrizität in den Wolken, wie auch im menschlichen Körper.

Natur der Elektrizität

Alle Körper bestehen aus Atomen – von Wolken und Bäumen bis zum menschlichen Körper. Jedes Atom hat einen Kern, der positiv geladene Protonen und neutrale Neutronen enthält. Die Ausnahme ist das einfachste Wasserstoffatom, in dessen Kern sich kein Neutron, sondern nur ein Proton befindet.

Um den Atomkern kreisen negativ geladene Elektronen. Positive und negative Ladungen ziehen sich an, also kreisen die Elektronen um den Kern eines Atoms, wie Bienen um einen süßen Kuchen. Die Anziehungskraft zwischen Protonen und Elektronen beruht auf elektromagnetischen Kräften. Strom ist also überall vorhanden. Wie wir sehen können, ist es auch in Atomen enthalten.

Unter normalen Bedingungen gleichen sich die positiven und negativen Ladungen jedes Atoms aus, sodass Körper, die aus Atomen bestehen, normalerweise keine Nettoladung tragen – weder positiv noch negativ. Dadurch verursacht der Kontakt mit anderen Gegenständen keine elektrische Entladung. Aber manchmal kann das Gleichgewicht der elektrischen Ladungen in Körpern gestört werden. Sie können dies selbst erleben, wenn Sie an einem kalten Wintertag zu Hause sind. Das Haus ist sehr trocken und heiß. Du schlurfst barfuß durch den Palast. Ohne Ihr Wissen sind einige der Elektronen von Ihren Fußsohlen zu den Atomen des Teppichs übergegangen.

Verwandte Materialien:

Wie entsteht Hagel?

Jetzt tragen Sie eine elektrische Ladung, da die Anzahl der Protonen und Elektronen in Ihren Atomen nicht mehr ausgeglichen ist. Versuchen Sie nun, den Türgriff aus Metall zu fassen. Ein Funke wird zwischen Ihnen und ihr fliegen und Sie werden einen elektrischen Schlag spüren. Folgendes ist passiert - Ihr Körper, der nicht genug Elektronen hat, um ein elektrisches Gleichgewicht zu erreichen, versucht, das Gleichgewicht aufgrund der elektromagnetischen Anziehungskräfte wiederherzustellen. Und es wird restauriert. Es gibt einen Elektronenfluss zwischen der Hand und der Türklinke zur Hand hin. Wenn der Raum dunkel wäre, würden Sie Funken sehen. Licht ist sichtbar, weil die Elektronen beim Springen Lichtquanten aussenden. Wenn es im Raum ruhig ist, hören Sie ein leichtes Knistern.

Elektrizität umgibt uns überall und ist in allen Körpern enthalten. Wolken in diesem Sinne sind keine Ausnahme. Vor dem Hintergrund des blauen Himmels sehen sie sehr harmlos aus. Aber genau wie Sie sich in einem Raum befinden, können sie eine elektrische Ladung tragen. Wenn ja, Vorsicht! Wenn die Wolke das elektrische Gleichgewicht in sich selbst wiederherstellt, bricht ein ganzes Feuerwerk los.

Wie erscheint ein Blitz?

Folgendes passiert: In einer riesigen dunklen Gewitterwolke zirkulieren ständig starke Luftströmungen, die verschiedene Partikel zusammenschieben - Körner aus Meersalz, Staub und so weiter. So wie Ihre Fußsohlen beim Reiben an einem Teppich von Elektronen befreit werden und Teilchen in einer Wolke beim Zusammenstoß von Elektronen befreit werden, die zu anderen Teilchen springen. Es kommt also zu einer Umverteilung der Gebühren. Einige Teilchen, die ihre Elektronen verloren haben, sind positiv geladen, während andere, die zusätzliche Elektronen aufgenommen haben, jetzt eine negative Ladung haben.

Verwandte Materialien:

Wie entsteht ein Kugelblitz?

Aus nicht ganz geklärten Gründen sind schwerere Teilchen negativ geladen, während leichtere Teilchen positiv geladen sind. Dadurch wird der schwerere untere Teil der Wolke negativ geladen. Der negativ geladene untere Teil der Wolke stößt Elektronen zur Erde hin ab, da sich gleiche Ladungen abstoßen. So entsteht unter der Wolke ein positiv geladener Teil der Erdoberfläche. Dann, genau nach demselben Prinzip, nach dem ein Funke zwischen dir und der Türklinke überspringt, wird derselbe Funke zwischen Wolke und Erde überspringen, nur sehr groß und stark, das ist der Blitz. Elektronen fliegen in einem riesigen Zickzack auf die Erde zu und finden dort ihre Protonen. Statt eines kaum hörbaren Knisterns ertönt ein kräftiger Donnerschlag.

Blitze sind ein reizvolles und aufregendes Naturphänomen. Gleichzeitig ist es eines der gefährlichsten und unberechenbarsten Naturphänomene. Aber was wissen wir wirklich über Blitze? Wissenschaftler auf der ganzen Welt sammeln Blitzfakten, versuchen, sie in ihren Labors zu reproduzieren, messen ihre Leistung und Temperatur, sind aber immer noch nicht in der Lage, die Natur des Blitzes zu bestimmen und sein Verhalten vorherzusagen. Aber schauen wir uns trotzdem die interessanten Fakten über Blitze an, die bereits bekannt sind.

In diesem Moment toben etwa 1800 Gewitter auf der Welt.

Jedes Jahr erlebt die Erde durchschnittlich 25 Millionen Blitzeinschläge oder über hunderttausend Gewitter. Das sind mehr als 100 Blitze pro Sekunde.

Ein durchschnittlicher Blitzschlag dauert eine Viertelsekunde.

Sie können Donner in 20 Kilometern Entfernung von Blitzen hören.

Die Blitzentladung breitet sich mit einer Geschwindigkeit von etwa 190.000 km/s aus.

Die durchschnittliche Länge einer Blitzentladung beträgt 3-4 Kilometer.

Einige Blitze bewegen sich auf einem verdrehten Weg in der Luft, der im Durchmesser die Dicke Ihres Fingers nicht überschreiten darf, und die Länge des Blitzwegs beträgt 10 bis 15 Kilometer.

Die Temperatur eines typischen Blitzes kann 30.000 Grad Celsius überschreiten – das ist etwa das Fünffache der Oberflächentemperatur der Sonne.

"Der Blitz schlägt nie zweimal an derselben Stelle ein." Leider ist dies ein Mythos. Blitze schlagen oft mehrmals an derselben Stelle ein.

Die alten Griechen glaubten, dass eine neue Perle erscheint, wenn ein Blitz ins Meer einschlägt.

Bäume können manchmal Blitzeinschläge erleiden und trotzdem kein Feuer fangen. Denn der Strom gelangt durch die nasse Oberfläche direkt ins Erdreich.

Wenn ein Blitz einschlägt, verwandelt sich der Sand in Glas. Nach einem Gewitter findet man Glasschlieren im Sand.

Wenn Ihre Kleidung nass ist, wird Ihnen der Blitz weniger Schaden zufügen.

Während eines 6-stündigen Gewitters über den Vereinigten Staaten funkelten 15.000 Blitze am Himmel. Es gab das Gefühl, dass der Blitz ständig brannte.

Das höchste Gebäude der Welt, der CN Tower, wird etwa 78 Mal im Jahr vom Blitz getroffen.

Blitze sind auch auf Venus, Jupiter, Saturn und Uranus zu sehen.

Im Mittelalter glaubte man, dass Donner und Blitz vom Teufel stammen und Kirchenglocken böse Geister vertreiben. Daher versuchten die Mönche während eines Gewitters ständig, die Glocken zu läuten, und wurden dementsprechend meistens Opfer von Blitzen.

Die irrationale Angst vor Blitzen wird Keraunophobie genannt. Angst vor Donner - Brontophobie.

Es gibt zwischen 100 und 1000 Fälle von Kugelblitzen gleichzeitig auf der Erde, aber die Wahrscheinlichkeit, dass Sie mindestens einen davon sehen, liegt bei 0,01 %.

Im Durchschnitt sterben in Russland etwa 550 Menschen durch Blitzeinschläge.

Etwa ein Viertel aller Menschen, die Opfer eines Blitzes geworden sind, sterben.

Männer werden etwa sechsmal häufiger durch Blitze getötet als Frauen.

Das Telefon ist eine der häufigsten Ursachen dafür, dass eine Person vom Blitz getroffen wird. Telefonieren Sie nicht während eines Gewitters, auch nicht in Innenräumen. Nach einem Blitzeinschlag bleiben verzweigte Streifen am menschlichen Körper zurück - Zeichen des Blitzes. Verschwinden, wenn sie mit einem Finger gedrückt werden.

Interessante Fakten über Blitze. Die Azteken glaubten, dass Blitze, die die Luft durchschneiden und in den Boden eindringen, die Seelen der Toten in die Unterwelt begleiten. Im Folgenden präsentieren wir eine Reihe wissenschaftlich belegter Fakten über Blitze.
Es gibt etwa 1800 Gewitter auf der Erde, während Sie diese Worte lesen.

Jedes Jahr wird die Erde 25.000.000 Blitzeinschlägen ausgesetzt, was mehr als 100 Blitzeinschlägen pro Sekunde entspricht.

Der durchschnittliche Blitz dauert eine Dreiviertelsekunde, hat eine Temperatur von etwa 28.000 Grad Celsius, was fünfmal heißer ist als die Oberfläche der Sonne, und ist 8 Kilometer oder länger lang.

Die Energie eines durchschnittlichen Blitzes reichte aus, um eine 100-W-Glühbirne 90 Tage lang zu betreiben.

„Der Blitz schlägt nie zweimal an derselben Stelle ein“, das ist leider ein Mythos. Ein Blitz kann viele Male an der gleichen Stelle einschlagen.

Manchmal können Bäume, nachdem sie vom Blitz getroffen wurden, nicht verbrannt oder verletzt werden. Strom fließt durch die nasse Rinde und geht in den Boden.

Aufgrund der hohen Temperatur schlägt ein Blitz in den Sand ein und schmilzt ihn zu Glas. Wenn Sie nach einem Gewitter durch die sandigen Stellen gehen, können Sie Glasscherben finden.

Wenn Sie nasse Kleidung tragen, richtet der Blitz weniger Schaden an.

Blitze gibt es auch auf anderen Planeten wie Venus, Saturn, Jupiter und Uranus.

Donner nach einem Blitzeinschlag ist in einer Entfernung von 12 Kilometern vom Ort des Einschlags zu hören.

Gleichzeitig können auf der Erde 100 bis 1000 Feuerbälle existieren, aber die Wahrscheinlichkeit, dass Sie sie mindestens einmal in Ihrem Leben sehen, beträgt 0,01% (Also hatte ich Glück, denn einmal flog einer davon in unsere Wohnung).

Die Wahrscheinlichkeit, an einem Blitzschlag zu sterben, liegt bei 1 zu 2 000 000. Sie haben die gleiche Chance, an einem Sturz aus dem Bett zu sterben.

Wenn der Blitz eine Person trifft, hinterlässt er charakteristische Verbrennungen, die die Umrisse eines Blitzes haben. Es gibt Zeiten, in denen ein Blitzschlag Verbrennungen am menschlichen Körper in Form von Gegenständen in der Nähe verursacht - Bäume, Gebäude und andere Dinge. Wie Blitze diese Dinge projizieren können, wurde noch nicht herausgefunden.

Etwa 71 % der Menschen, die vom Blitz getroffen wurden, überlebten.

Der Bundesstaat Florida in den Vereinigten Staaten ist als „Death State“ bekannt. Dieser Staat hat 2-mal mehr Blitztote als jeder andere Staat der Erde.

Allein in den USA töten Blitzeinschläge jedes Jahr 200 Menschen. Zum Vergleich: Weltweit sterben jährlich nicht mehr als 90 Menschen an den Folgen von Haiangriffen.

Blitze spielen eine entscheidende Rolle bei der Bildung von Ozon. Beim Durchgang von Strom durch die Atmosphäre und aufgrund der höchsten Temperaturen entsteht Ozon.

Der lang ersehnte Hitzerückgang wird von heftigen Gewittern begleitet. In St. Petersburg fegten vergangene Woche zwei stärkste Gewitter durch. Der Anblick war schrecklich. Der Himmel schien zu zerspringen und zu zerreißen, Blitze blitzten wie Explosionen auf.
Warum entsteht ein solches Gewitter, wie entsteht es in der Atmosphäre? Solche Fragen kommen gerade in dieser stürmischen Zeit in den Sinn. Lassen Sie uns versuchen, es herauszufinden, indem wir uns auf kompetente Quellen verlassen. Wie Sie sehen werden Temperatur spielt hier eine wichtige Rolle.

Wo kommt es am häufigsten zu Gewittern?

Über die Kontinente in den Tropen. Es gibt eine Größenordnung weniger Gewitter über dem Ozean. Einer der Gründe für diese Asymmetrie ist die intensive Konvektion in kontinentalen Regionen, wo das Land durch Sonneneinstrahlung effektiv erwärmt wird. Der schnelle Anstieg der erwärmten Luft trägt zur Bildung starker konvektiver vertikaler Wolken bei, in deren oberen Teil die Temperatur unter -40 ° C liegt. Infolgedessen bilden sich Eispartikel, Schneepellets und Hagel, deren Wechselwirkung vor dem Hintergrund einer schnellen Aufwärtsströmung zu einer Ladungstrennung führt.

Ungefähr 78 % aller Blitzeinschläge ereignen sich zwischen 30 °S. und 30°N. Die maximale durchschnittliche Dichte der Anzahl der Ausbrüche pro Einheit der Erdoberfläche wird in Afrika (Ruanda) beobachtet. Das gesamte Einzugsgebiet des Kongo-Flusses mit einer Fläche von etwa 3 Millionen km 2 weist regelmäßig die höchste Blitzaktivität auf.

Wie wird eine Gewitterwolke aufgeladen?

Dies ist die interessanteste Frage in der "Donnerwissenschaft". Gewitterwolken sind riesig. Damit im Umkreis von mehreren Kilometern ein elektrisches Feld vergleichbarer Größe wie ein Durchschlagsfeld (ca. 30 kV/cm für Luft unter Normalbedingungen) entstehen kann, ist der zufällige Ladungsaustausch bei Kollisionen trüber Festkörper oder Flüssigkeiten notwendig Partikel führen zu einem konsistenten, kollektiven Effekt des Hinzufügens von Mikroströmen zu einem makroskopischen Strom mit einem sehr großen Wert (mehrere Ampere). Wie durch Messungen des elektrischen Feldes auf der Erdoberfläche sowie im bewölkten Medium (auf Ballons, Flugzeugen und Raketen) gezeigt wurde, nimmt in einer typischen Gewitterwolke die negative "Haupt"-Ladung - im Durchschnitt mehrere zehn Coulomb - eine Höhe ein Intervall entsprechend Temperaturen von 10 bis 25 ° C. Die positive "Hauptladung" beträgt ebenfalls mehrere zehn Coulomb, befindet sich jedoch über der negativen Hauptladung, daher geben die meisten Blitzentladungen zwischen Wolke und Boden der Erde eine negative Ladung. Eine kleinere (10 C) positive Ladung wird jedoch oft auch am Boden der Wolke gefunden.

Um die oben beschriebene (Tripol-)Struktur des Feldes und der Ladung in einer Gewitterwolke zu erklären, werden viele Mechanismen der Ladungstrennung betrachtet. Sie hängen vor allem von Faktoren wie Temperatur und Phasenzusammensetzung des Mediums ab. Trotz der Fülle verschiedener mikrophysikalischer Mechanismen der Elektrifizierung betrachten viele Autoren heute den hauptsächlichen nicht-induktiven Ladungsaustausch bei Kollisionen von kleinen (mit Größen von Einheiten bis zu zehn Mikrometern) Eiskristallen und Schneekornpartikeln. In Laborversuchen wurde festgestellt, dass es einen charakteristischen Temperaturwert gibt, bei dem sich das Vorzeichen der Ladung ändert, der sogenannte. Umkehrpunkt, meist zwischen 15 und 20°C. Diese Eigenschaft hat diesen Mechanismus so beliebt gemacht, da er unter Berücksichtigung des typischen Temperaturprofils in der Wolke die Tripolstruktur der Ladungsdichteverteilung erklärt.

Jüngste Experimente haben gezeigt, dass viele Gewitterwolken eine noch komplexere Raumladungsstruktur (bis zu sechs Schichten) haben. Aufwinde in solchen Wolken können schwach sein, aber das elektrische Feld hat eine stabile Mehrschichtstruktur. Nahe der Nullisotherme (0 °C) bilden sich hier recht schmale (mehrere hundert Meter dicke) und stabile Raumladungsschichten, die maßgeblich für die hohe Blitzaktivität verantwortlich sind. Die Frage nach dem Mechanismus und den Gesetzmäßigkeiten der Bildung einer positiven Ladungsschicht in der Nähe der Nullisotherme bleibt umstritten. Das am IAP entwickelte Modell basierend auf dem Mechanismus der Ladungstrennung beim Schmelzen von Eispartikeln bestätigt die Bildung einer positiven Ladungsschicht beim Schmelzen von Eispartikeln nahe der Nullisotherme in etwa 4 km Höhe. Berechnungen ergaben, dass sich in 10 Minuten eine Feldstruktur mit maximal etwa 50 kV/m ausbildet.

Wie schlägt ein Blitz ein?

Es gibt mehrere Theorien. Kürzlich wurde ein neues Blitzszenario vorgeschlagen und untersucht, das mit dem Erreichen einer selbstorganisierten Kritikalität durch die Wolke verbunden ist. Im Modell elektrischer Zellen (mit einer charakteristischen Größe von ~1–30 m) mit einem räumlich und zeitlich zufällig wachsenden Potenzial kann ein einzelner kleiner Zusammenbruch zwischen einem Zellenpaar eine „Epidemie“ von Mikroentladungen innerhalb der Wolke verursachen – a stochastischer Prozess der fraktalen „Metallisierung“ des Intracloud-Mediums spielt sich ab, d.h. ein schneller Übergang der wolkigen Umgebung in einen Zustand, der einem voluminösen Netz dynamischer leitfähiger Fäden ähnelt, gegen die sich ein für das Auge sichtbarer Blitzkanal bildet - ein leitfähiger Plasmakanal, durch den die elektrische Hauptladung übertragen wird

Nach einigen Vorstellungen wird die Entladung durch hochenergetische kosmische Strahlen ausgelöst, die einen Prozess auslösen, der als außer Kontrolle geratener Zusammenbruch bezeichnet wird. Interessanterweise erweist sich das Vorhandensein einer zellulären Struktur des elektrischen Feldes in einer Gewitterwolke als wesentlich für den Prozess der Elektronenbeschleunigung auf relativistische Energien. Zufällig orientierte elektrische Zellen erhöhen zusammen mit der Beschleunigung die Lebensdauer relativistischer Elektronen in einer Wolke aufgrund der Diffusionsnatur ihrer Flugbahnen stark. Dies macht es möglich, die signifikante Dauer von Röntgen- und Gammastrahlenausbrüchen und die Art ihrer Beziehung zu Blitzen zu erklären. Die Rolle der kosmischen Strahlung für die atmosphärische Elektrizität sollte durch Experimente geklärt werden, um ihre Korrelation mit Gewitterphänomenen zu untersuchen. Solche Experimente werden derzeit an der Tien Shan Alpine Scientific Station des Physikalischen Instituts der Russischen Akademie der Wissenschaften und am Baksan Neutrino-Observatorium des Instituts für Kernforschung der Russischen Akademie der Wissenschaften durchgeführt.

Wir stellen auch fest, dass die Entladungsphänomene in der mittleren Atmosphäre, die mit der Gewitteraktivität korrelieren, je nach Höhe über der Erde unterschiedliche Namen erhalten haben. Dies sind Sprites (der Leuchtbereich erstreckt sich von Höhen von 50-55 km bis 85-90 km über dem Boden, und die Dauer des Blitzes beträgt einige bis zehn Millisekunden), Elfen (Höhen - 70-90 km, Dauer weniger als 100 μs) und Jets (Entladungen, Wolken, die im oberen Teil beginnen und sich manchmal mit einer Geschwindigkeit von etwa 100 km/s bis in mesosphärische Höhen ausbreiten).

Blitztemperatur

In der Literatur findet man Daten, dass die Temperatur des Blitzkanals während der Hauptentladung 25.000 °C überschreiten kann. Eindeutige Beweise dafür, dass die Blitztemperatur 1700 ° C erreichen kann, findet man auf den felsigen Gipfeln der Berge und in Gebieten mit starker Gewitteraktivität Fulgurite (von lateinisch fulgur - Blitzeinschlag) - Quarzröhren, die durch einen Blitzeinschlag gesintert wurden und unterschiedlich sein können bizarre Formen.

Das Foto zeigt einen 2006 in Arizona, USA, gefundenen Fulgurit (Details unter www.notjustrocks.com). Das Aussehen einer Glasröhre entsteht dadurch, dass sich zwischen den Sandkörnern immer Luft und Feuchtigkeit befindet. Der elektrische Blitzstrom erhitzt Luft und Wasserdampf in Sekundenbruchteilen auf enorme Temperaturen, wodurch der Luftdruck zwischen den Sandkörnern explosionsartig ansteigt und sich ausdehnt. Die expandierende Luft bildet im Inneren des geschmolzenen Sandes einen zylindrischen Hohlraum. Anschließendes schnelles Abkühlen fixiert Fulgurit - ein Glasröhrchen im Sand. Fulgurite, die aus umgeschmolzener Kieselsäure bestehen, sind normalerweise kegelförmige Röhren, die so dick wie ein Bleistift oder ein Finger sind. Ihre innere Oberfläche ist glatt und geschmolzen, und die äußere Oberfläche wird durch Sandkörner und an der Schmelze anhaftende Fremdeinschlüsse gebildet. Die Farbe von Fulguriten hängt von den mineralischen Verunreinigungen im Sandboden ab. Fulgurit ist sehr spröde, und Versuche, anhaftenden Sand zu entfernen, führen oft zu seiner Zerstörung. Dies gilt insbesondere für verzweigte Fulgurite, die in nassem Sand gebildet werden. Der Durchmesser des röhrenförmigen Fulgurits beträgt nur wenige Zentimeter, die Länge kann mehrere Meter erreichen, Fulgurit wurde mit einer Länge von 5-6 Metern gefunden.

Das Studium von Blitzen und atmosphärischer Elektrizität im Allgemeinen ist eine sehr interessante und wichtige wissenschaftliche Richtung. Zahlreiche wissenschaftliche Arbeiten und populärwissenschaftliche Artikel wurden zu diesem Thema veröffentlicht. Ein Link zu einem der umfassendsten Übersichtsartikel befindet sich am Ende unserer Notiz.

Abschließend möchte ich darauf hinweisen, dass Blitze eine ernsthafte Bedrohung für das menschliche Leben darstellen. Die Niederlage einer Person oder eines Tieres durch Blitze erfolgt häufig im Freien, da der elektrische Strom den kürzesten Weg "Gewitterwolkenboden" zurücklegt. Blitze treffen oft Bäume und Trafoanlagen auf der Bahn und bringen diese zur Entzündung. Es ist unmöglich, in einem Gebäude von einem gewöhnlichen linearen Blitz getroffen zu werden, aber es gibt die Meinung, dass der sogenannte Kugelblitz durch Ritzen und offene Fenster eindringen kann. Gewöhnliche Blitze sind gefährlich für Fernseh- und Radioantennen auf den Dächern von Hochhäusern sowie für Netzwerkgeräte.