Физика линейной молнии. Линейная молния (туча-земля)

Возьмем воздух и последовательно начнем его нагревать. Когда он начнет подниматься, то с каждым метром подъема нагретый воздух охлаждается, постепенно становясь холоднее и холоднее. Вода конденсируется во все более крупные капли, образуя грозовые облака, которые рождают молнии и гром.

Молния земля-облако

Образуются они в результате накапливающегося электростатического заряда на вершине самого высокого объекта на земле, что делает его весьма “привлекательным” для молнии. Такие молнии образуются в результате “пробивания” воздушной прослойки между вершиной заряженного объекта и нижней частью грозовой тучи.

Чем выше объект, тем больше вероятность того, что молния в него ударит. Так что не стоит прятаться от дождя под высокими деревьями.

Молния облако-облако

Верхняя часть облака заряжена позитивно, а нижняя - негативно, рядом стоящие грозовые облака могут простреливать электрическими зарядами друг друга.

Довольно частым явлением является молния пробивающая одно облако, и гораздо более редким явлением является молния, которая исходит от одного облака к другому.

Горизонтальная молния

Эта молния не бьет в землю, она распространяется в горизонтальной плоскости по небу. Иногда такая молния может распространяться по чистому небу, исходя от одной грозовой тучи. Такие молнии очень мощные и очень опасные.

Ленточная молния

Эта молния выглядит как несколько молний, идущих параллельно друг другу.

Спрайтовые молнии

До сих пор мы говорили только о том, что случается ниже облаков, или на их уровне. Но оказывается, что некоторые виды молний бывают и выше облаков. О них было известно со времени появления реактивной авиации, но вот сфотографированы и сняты на видео эти молнии были только в 1994 году. Больше всего они похожи на медуз. Высота образования таких молний - около 100 километров. что они из себя представляют.

Вулканические молнии

Это очень красивые молнии, которые появляются при извержении вулкана. Вероятно, газопылевой заряженный купол, пробивающий сразу несколько слоев атмосферы, вызывает возмущения, поскольку сам несет довольно значительный заряд.
Шаровые молнии

Свойства шаровой молнии удивительны. Во-первых, она появляется в штормовую погоду, в грозу и часто сопровождается линейной молнией. Обычно шар размером от нескольких сантиметров до метра движется горизонтально с писком, треском и шумом, любит «заглядывать» в помещения, протискиваясь в любое отверстие. Он живет секунды или несколько минут, не выделяя заметного тепла, но может с грохотом взорваться, оплавив предметы. Движение молнии непредсказуемо: она с легкостью опрокидывает трактор, взрывается от соприкосновения с автомобилем, позволяет переехать себя мотоциклу, пробив в шлеме мотоциклиста крошечную дырочку и выйдя через его грудь.

Защита от молний

Разряды атмосферного электричества способны вызывать взрывы, пожары и разрушение зданий и сооружений, а также поражение людей, что привело к необходимости разработки специальной системы молниезащиты.

Молниезащита – комплекс защитных устройств, предназначенных для обеспечения безопасности людей, сохранности зданий и сооружений, оборудоваия и материалов от разрядом молнии.

Молния способна воздействовать на здания и сооружения прямыми ударами, которые вызывают непосредственное повреждение и разрушение, и вторичными воздействиями – посредством явлений электростатической и электромагнитной индукции. Здания и сооружения подлежат молниезащите в соответствии с СН 305-33. Выбор защиты зависит от назначения здания или сооружения, интенсивности грозовой деятельности в рассматриваемом районе и ожидаемого числа поражений объекта молнией в год

Заключение

К профилактическим мероприятиям по предупреждению негативного влияния источников электромагнитных излучений относятся, прежде всего, обеспечения соответствия их технических характеристик нормативным требованиям и строгое соблюдение правил эксплуатации. Кроме того, для более эффективной оценки степени их электромагнитной опасности для человека представляются целесообразным специальные исследования по изучению фактических значений нормируемых параметров электромагнитных полей, создаваемых различными моделями технических средств (сотовыми и радиотелефонами, пейджерами, микроволновыми печами и т.д.) в реальных условиях их использования.

Таким образом, изложенное показывает, что внедрение разнообразных

достижений науки и техники в производственной и непроизводственной

сферах деятельности человека сопровождается повышением

электромагнитной опасности в жилой среде и требует обеспечения

надежной защиты населения современных городов от неблагоприятного

воздействия электромагнитных излучений

Литература:

1) Безопасность жизнедеятельности: Учебник для вузов

С.В Белов, В.А. Девисилов

2) Безопасность жизнедеятельности: Учебник для вузов

Занько Н.Г, Малаян К.Р.

3) Опасные ситуации техногенного характера и защита от них. Учебник для вузов
Мастрюков Б.С.

4) Экологические риски: расчет, управление, страхование: Учебное пособие
Башкин В.Н.

Помимо двух наиболее известных видов молнии - линейной и шаровой - существует множество малоизвестных и малоизученных - четочная , спрайт , токовые и голубые струи , сидящие разряды , огни святого Эльма . Каждый из этих видов молний отличается своеобразными характеристиками и представляет опасность для человека и зданий .

Шаровая молния

Шаровая молния напоминает светящийся шар диаметром в среднем от 12 до 25 сантиметров, способный перемещаться по воздуху в произвольном направлении. Средний срок жизни шаровой молнии оценивают в 3-5 секунд, однако, существуют свидетельства в пользу того, что срок существования шаровой молнии может достигать 30 секунд. С шаровыми молниями связан необычный феномен - металлические предметы небольшой массы, в непосредственной близости от разряда становятся невесомыми. Например, очевидцы не раз отмечали, что при встрече с шаровой молнией с их рук соскальзывали кольца.

Шаровые молнии пока ещё недостаточно изучены наукой. В настоящее время в специализированных лабораториях ведутся интенсивные эксперименты по получению искусственных шаровых молний.

Токовые струи

Токовые струи не обязательно возникают во время грозы - они могут появляться и в ясную погоду, при сильном ветре в виде трудноразличимых вспышек голубого цвета.

Огни святого Эльма

Огни святого Эльма поражают свой красотой. Чаще всего их можно наблюдать в виде специфического свечения вокруг шпилей башен и мачт кораблей. В старину этот феномен трактовали как божественное знамение. Согласно легенде, прихожане церкви святого Эльма однажды увидели необычное свечение вокруг креста на одной из башен. Так этот тип разряда получил свое современное называние. Однако, он наблюдался и ранее. Уже в древнегреческих текстах мы обнаруживаем свидетельства об «огнях Кастора и Поллукса», которые считались хорошим предзнаменованием.

Физический смысл явления довольно прозаичен. Свечение возникает в сухой и сильно наэлектризованной атмосфере, когда напряженность электромагнитного поля достигает планки в несколько десятков или сотен тысяч воль на метр. Свечение возникает, когда в воздухе есть частицы диэлектрика - снег, песок, пыль. Они трутся друг о друга, тем самым формируя увеличение напряженности электрического поля. В результате в воздухе возникает характерное свечение.

Спрайты

В середине 1990-х годов был открыт новый тип разряда молнии. Его зафиксировали на высоте 60 км над уровнем моря в виде коротких оптических вспышек. Их называли спрайтами. Цвет и форма спрайтов могут сильно варьировать. Ученые пока ещё немного знают об этом явлении. Известно только, что их возникновение связано с разрядами, пробегающими между ионосферой и грозовыми тучами. Трудность изучения спрайтов состоит в том, что они появляются на высоте, на которой возникают трудности их фиксации как при помощи зондов и ракет, так и при помощи спутников.

Считается, что спрайты возникают только над сильными грозами и провоцируются сверхсильными разрядами между землей и облаками.

Эльфы

Эльфы - это огромные вспышки конусовидной формы со слабым свечением. Их диаметр может достигать 400 километров. Эльфы появляются непосредственно над грозовым облаком и могут достигать высоту до 100 километров. Длительность разряда составляет до 5 миллисекунд.

Джеты

это разряды, по форме напоминающие трубки и конусы высотой до 70 километров, длительность существования джетов приблизило такое же, как у эльфов.

Наиболее интересные из них приводятся в этой статье.

Линейная молния (туча-земля)

Как получить такую молнию? Да очень просто - все, что требуется, это пара сотен кубических километров воздуха, достаточная для образования молнии высота и мощный тепловой двигатель - ну, к примеру, Земля. Готовы? Теперь возьмем воздух и последовательно начнем его нагревать. Когда он начнет подниматься, то с каждым метром подъема нагретый воздух охлаждается, постепенно становясь холоднее и холоднее. Вода конденсируется во все более крупные капли, образуя грозовые облака.

Помните те темные тучи над горизонтом, при виде которых замолкают птицы и перестают шелестеть деревья? Так вот, это и есть грозовые облака, которые рождают молнии и гром.

Ученые считают, что молнии образуются в результате распределения электронов в облаке, обычно позитивно заряжен верх облака, а негативно - из. В результате получаем очень мощный конденсатор, который может время от времени разряжаться в результате скачкообразного преобразования обычного воздуха в плазму (это происходит из-за все более сильной ионизации атмосферных слоев, близких к грозовым тучам).

Плазма образует своеобразные каналы, которые, при соединении с землей, и служат отличным проводником для электричества. Облака постоянно разряжаются по этим каналам, и мы видим внешние проявления данных атмосферных явлений в виде молний.

Кстати, температура воздуха в месте прохождения заряда (молнии) достигает 30 тысяч градусов, а скорость распространения молнии - 200 тысяч километров в час. В общем и целом, нескольких молний вполне хватило для электроснабжения небольшого города на несколько месяцев.

Молния земля-облако

И такие молнии бывают. Образуются они в результате накапливающегося электростатического заряда на вершине самого высокого объекта на земле, что делает его весьма “привлекательным” для молнии.

Такие молнии образуются в результате “пробивания” воздушной прослойки между вершиной заряженного объекта и нижней частью грозовой тучи.Чем выше объект, тем больше вероятность того, что молния в него ударит. Так что правду говорят - не стоит прятаться от дождя под высокими деревьями.

Молния облако-облако

Да, молниями могут “обмениваться” и отдельные облака, поражающие электрическими зарядами друг друга. Все просто - поскольку верхняя часть облака заряжена позитивно, а нижняя - негативно, рядом стоящие грозовые облака могут простреливать электрическими зарядами друг друга.

Довольно частым явлением является молния пробивающая одно облако, и гораздо более редким явлением является молния, которая исходит от одного облака к другому.

Горизонтальная молния

Эта молния не бьет в землю, она распространяется в горизонтальной плоскости по небу. Иногда такая молния может распространяться по чистому небу, исходя от одной грозовой тучи. Такие молнии очень мощные и очень опасные.

Ленточная молния

Эта молния выглядит как несколько молний, идущих параллельно друг другу. В образовании их нет никакой загадки - если дует сильный ветер, он может расширять каналы из плазмы, о которых мы писали выше, и в результате образуется вот такая вот дифференцированная молния.

Бисерная (пунктирная молния)

Это очень, очень редкая молния, существует, да, но как она образуется - пока что можно только догадываться. Ученые предполагают, что пунктирная молния образуется в результате быстрого остывания некоторых участков трека молнии, что и превращает обычную молнию в пунктирную. Как видим, такое объяснение явно нуждается в доработке и дополнении.

Спрайтовые молнии

До сих пор мы говорили только о том, что случается ниже облаков, или на их уровне. Но оказывается, что некоторые виды молний бывают и выше облаков. О них было известно со времени появления реактивной авиации, но вот сфотографированы и сняты на видео эти молнии были только в 1994 году.

Больше всего они похожи на медуз, правда? Высота образования таких молний - около 100 километров. Пока что не очень понятно, что они из себя представляют.Вот фото и даже видео уникальных спрайтовых молний. Очень красиво.

Шаровые молнии

Некоторые люди утверждают, что шаровых молний не бывает. Другие размещают видео шаровых молний на YouTube и доказывают, что все это - реальность. В общем, ученые пока твердо не уверены в существовании шаровых молний, а наиболее известным доказательством их реальности является фото, сделанное японским студентом.

Огни Святого Эльма

Это, в принципе и не молнии, а просто явление тлеющего разряда на конце различных острых объектов. Огни Святого Эльма были известны в древности, сейчас они детально описаны и запечатлены на пленку.

Вулканические молнии

Это очень красивые молнии, которые появляются при извержении вулкана. Вероятно, газо-пылевой заряженный купол, пробивающий сразу несколько слоев атмосферы, вызывает возмущения, поскольку сам несет довольно значительный заряд. Выглядит все это очень красиво, но жутковато.Ученые пока не знают точно, почему такие молнии образуются, и существует сразу несколько теорий, одна из которых и изложена выше.

Вот несколько интересных фактов о молниях, которые не так часто публикуются:

* Типичная молния длится около четверти секунды и состоит из 3-4 разрядов.
* Средняя гроза путешествует со скоростью 40 км в час.
* Прямо сейчас в мире гремят 1800 гроз.
* В американский Эмпайр-стейт-билдинг молния ударяет в среднем 23 раза в год.
* В самолеты молния попадает в среднем один раз на каждые 5-10 тысяч летных часов.
* Вероятность быть убитым молнией составляет 1 к 2 000 000. Такие же шансы у каждого из нас умереть от падения с кровати.
* Вероятность увидеть шаровую молнию хотя бы раз в жизни составляет 1 к 10 000.
* Люди, в которых попала молния, считались отмеченными богом. А если они погибали, то якобы попадали прямо на небеса. В древности жертв молнии хоронили на месте гибели.

Что следует делать при приближении молнии?

В доме

* Закройте все окна и двери.
* Выключите из розеток все электроприборы. Не прикасайтесь к ним, в том числе к телефонам, во время грозы.
* Не подходите к ваннам, кранам и раковинам, поскольку металлические трубы могут проводить электричество.
* Если в комнату залетела шаровая молния, постарайтесь выйти побыстрее и закройте дверь с другой стороны. Если не удается - хотя бы замрите на месте.

На улице

* Постарайтесь зайти в дом или в машину. В машине не прикасайтесь к металлическим частям. Автомобиль не должен быть припаркован под деревом: вдруг молния ударит в него и дерево свалится прямо на вас.
* Если укрытия нет, выйдите на открытое пространство и, согнувшись, прижмитесь к земле. Но просто ложиться нельзя!
* В лесу лучше укрыться под низкими кустами. НИКОГДА не стойте под отдельно стоящим деревом.
* Избегайте башен, оград, высоких деревьев, телефонных и электрических проводов, автобусных остановок.
* Держитесь подальше от велосипедов, мангалов, других металлических предметов.
* Не подходите к озеру, реке или другим водоемам.
* Снимите с себя все металлическое.
* Не стойте в толпе.
* Если Вы находитесь в открытом месте и вдруг чувствуете, что волосы встали дыбом, или слышите странный шум, исходящий от предметов (это значит, молния вот-вот ударит!), нагнитесь вперед, положив руки на колени (но не на землю). Ноги должны быть вместе, пятки прижаты друг к другу (если ноги не соприкасаются, разряд пройдет через тело).
* Если гроза застала Вас в лодке и к берегу приплыть Вы уже не успеваете, пригнитесь ко дну лодки, соедините ноги и накройте голову и уши.

Мо?лния - гигантский электрический искровой разряд в атмосфере, обычно может происходить во время грозы, проявляющийся яркой вспышкой света и сопровождающим её громом. Молнии также были зафиксированы на Венере, Юпитере, Сатурне и Уране и др. Ток в разряде молнии достигает 10-100 тысяч ампер, напряжение - от десятков миллионов до миллиардов вольт, тем не менее, погибает после попадания молнии в человека лишь 47,3 % людей

История:
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 км?. 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 1012-1015 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 («спусковым крючком» процесса при этом являются космические лучи). 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 20000-30000 °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 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:
Эльфы (англ. Elves; Emissions of Light and Very Low Frequency Perturbations from Electromagnetic Pulse Sources) представляют собой огромные, но слабосветящиеся вспышки-конусы диаметром около 400 км, которые появляются непосредственно из верхней части грозового облака. Высота эльфов может достигать 100 км, длительность вспышек - до 5 мс (в среднем 3 мс).

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}