Физика атмосферы: как, почему и откуда появляются молнии
Содержание статьи
16.05.2017 18:00
6032
Откуда берутся гром и молния.
Все знают, что такое гроза - это сверкание молнии и грохот грома. Многие люди (особенно дети) даже очень ее боятся. Но откуда же берутся гром и молния? И вообще, что это за явление такое?
Гроза - это и впрямь довольно неприятное и даже жутковатое природное явление, когда мрачные, тяжелые тучи закрывают собой солнце, сверкает молния, грохочет гром, а с неба потоками льет дождь...
А звук, возникающий при этом, - не что иное, как волна, вызванная сильными колебаниями воздуха. В большинстве случаев громкость увеличивается к концу раската. Это происходит из-за отражения звука от облаков. Вот это и есть гром.
Молния - это очень мощный электрической разряд энергии. Она возникает в результате сильной электризации туч или земной поверхности. Электрические разряды происходят либо в самих облаках, либо между двумя соседними облачками, или же между облаком или землей.
Процесс возникновения молнии разделяют на первый удар и все последующие за ним. Причина в том, что самый первый удар молнии создает путь для электорического разряда. В нижней части тучи накапливается отрицательный электрический разряд.
А земная поверхность обладает положительным зарядом. Поэтому электроны (отрицательно заряженные частицы, одни из основных единиц вещества), расположенные в туче, как магнитом притягиваются к земле и устремляются вниз.
Как только первые электроны достигают поверхности земли, создается свободный для пропуска электрических разрядов канал (своеобразный проход), по которому оставшиеся электроны устремляются вниз.
Электроны возле земли первыми уходят из канала. На их место спешат попасть другие. В результате, создается условие, при котором весь отрицательный разряд энергии выходит из тучи, создавая мощный поток электричества, направленный в землю.
Именно в такой момент и происходит вспышка молнии, которая сопровождается раскатами грома.
Наэлектризованные облака создают молнию. Но далеко не в каждом облаке содержится достаточная мощность, для того, чтобы пробить атмосферный слой. Для проявления силы, стихии необходимы определенные обстоятельства.
Массы воздуха находятся в постоянном движении.Теплый воздух уходит вверх, а холодный – опускается. При движении частиц они электризуются,то есть напитываются электричеством.
В разных частях облака накапливается неодинаковый запас энергии. Когда ее становится слишком много, происходит вспышка, которую сопровождают раскаты грома. Это и есть гроза
Какие бывают молнии? Кто-то может подумать, что молнии все одинаковые, мол гроза и есть гроза. Однако, существует несколько видов молний, которые очень отличаются друг от друга.
Линейная молния – это наиболее часто встречающаяся разновидность. Она выглядит как перевернутое разросшееся дерево. От главного канала (ствола) отходит несколько более тонких и коротких "отростков".
Длина такой молнии может достигать до 20 километров, а сила тока - 20 000 ампер. Скорость ее движения составляет 150 километров в секунду. Температура плазмы, наполняющей канал молнии, доходит до 10 000 градусов.
Внутриоблачная молния - возникновение этого вида сопровождается изменением электрических и магнитных полей, и излучением радиоволн.Такую молнию с наибольшей вероятностью можно встретить ближе к экватору. В умеренном климате она появляется крайне редко.
Если в облаке находится молния, то заставить ее выбраться наружу может и посторонний объект, нарушающий целостность оболочки, например наэлектризованный самолет. Ее длина может колебаться от 1 до 150 километров.
Наземная молния - Это самый продолжительный по времени вид молнии, поэтому последствия от нее могут быть разрушительными.
Поскольку на ее пути встречаются преграды, чтобы их обойти, молния вынуждена менять свое направление. Поэтому земли она достигает в виде небольшой лестницы. Скорость ее движения составляет примерно 50 тысяч километров в секунду.
После того как молния пройдет свой путь, она на несколько десятков микросекунд, заканчивает движение, при этом ее свет ослабевает. Затем начинается следующая стадия: повторение пройденного пути.
Самый последний разряд превосходит по яркости все предыдущие, а сила тока в нем может достигать сотен тысяч ампер. Температура же внутри молнии колеблется в районе 25 000 градусов.
Спрайт-молния . Эта разновидность была открыта учеными относительно недавно - в 1989 году. Данная молния очень редкая и была обнаружена совершенно случайно.Тем более, что длится она всего лишь какие-то десятые доли 1-й секунды.
От других электрических разрядов Спрайт отличается высотой, на которой она появляется – примерно 50-130 километров, в то время как другие виды не преодолевают 15-километровый рубеж.Кроме того, спрайт-молния отличается огромным диаметром, который может достигать 100 км.
Выглядит такая молния как вертикальный столб света и вспыхивает не по одиночке, а группами. Ее цвет может быть разным, и зависит от состава воздуха: ближе к земле, где больше кислорода, она зеленая, желтая или белая.А под влиянием азота, на высоте более 70 км, она приобретает ярко-красный оттенок.
Жемчужная молния . Эта молния, также, как и предыдущая, является редким природным явлением. Чаще всего она появляется после линейной и полностью повторяет ее траекторию. Она представляет собой шары, находящиеся на расстоянии друг от друга и напоминающие собой бусы.
Шаровая молния . Это особая разновидность. Природное явление, когда молния имеет форму шара, светящего и плывущего по небу. В этом случае траектория ее полета становится непредсказуемой, что делает ее еще опаснее для человека.
В большинстве случаев, шаровая молния возникает в сочетании с другими видами. Однако известны случаи, когда она появлялась даже в солнечную погоду. Размер шара может быть от десяти до двадцати сантиметров.
Цвет ее бывает голубой, либо оранжевый или белый. А температура настолько велика, что при неожиданном разрыве шара окружающая его жидкость испаряется, а металлические или стеклянные предметы плавятся.
Шар такой молнии способен существовать довольно длительное время. При перемещении он может неожиданно сменить свое направление, зависнуть в воздухе на несколько секунд, резко отклониться в одну из сторон. Она появляется в одном экземпляре, но всегда неожиданно. Шар может спуститься с туч, или внезапно появиться в воздухе из-за столба или дерева.
И если обычная молния может лишь ударить во что-либо - дом, дерево и т.д, то шаровая молния способна проникать внутрь замкнутого пространства (например комнату) через розетку, или вклученные бытовые приборы - телевизор и т.д.
Какие молнии считаются наиболее опасными?
Обычно за первым ударом грома и молнии следует второй. Это связано с тем, что электроны на первой вспышке создают возможность второму прохождению электронов. Поэтому последующие вспышки происходят одна за другой почти без временных промежутков, ударяя в одно и то же место.
Появляющаяся из тучи молния своим электрическим разрядом способна причинить серьезный вред человеку и даже убить. И даже если ее удар не попадет прямо в человека, а придется рядом, последствия для здоровья могут быть очень плохими.
Чтобы обезопасить себя, необходимо соблюдать некоторые правила:
Так во время грозы ни в коем случае нельзя купаться в реке или море! Непременно нужно всегда находиться на суше. При этом необходимо быть как можно ближе к поверхности земли. То есть не нужно забираться на дерево и ужтем более стоятьпод ним, особенно если оно одно посреди открытого места.
Кроме того, нельзя пользоваться любыми мобильными устройствами (телефонами, планшетами и т.д.), потому что они могут притягивать к себе молнию.
Сами процессы, происходящие во время грозы, изучены достаточно хорошо. Гром - звуковое сопровождение мощной ударной волны, появляющейся в результате гигантского электрического разряда.
Как возникает молния?
Из-за трения между мельчайшими льдинками и каплями водяного пара в атмосфере возникает статическое электричество. Воздух ток не проводит, то есть является диэлектриком. При накоплении электрического заряда в определенный момент напряженность поля превышает критическое значение, происходит разрушение молекулярных связей. При этом воздух, водяной пар теряет электроизоляционные свойства. Это явление называется пробоем диэлектрика. Оно может происходить внутри облака, между двумя соседними грозовыми тучами или облаком и землей.
В результате пробоя образуется канал с высокой электропроводностью, заполняемый гигантским искровым разрядом - это и есть молния. При этом процессе выделяется огромное количество энергии. Длина вспышки может достигать 300 км и более. Воздух, находящийся на пути молнии, очень быстро нагревается до 25 000 - 30 000°С. Для сравнения: температура поверхности Солнца 5726 °С.
Материалы по теме:
Как возникает молния?
Почему возникает гром?
Нагретый молнией воздух расширяется. Происходит мощный взрыв. Он порождает ударную волну, сопровождающуюся очень громким звуком, не единичным, а с раскатами. Это и есть гром. Чем больше изломов имеет молния, тем больше раскатов грома , т.к. на каждом повороте происходит новый взрыв. Плюс звук отражается от соседних облаков. Его максимальная громкость - 120 дБ. Молния линейная и жемчужная не может не сопровождаться грохотом. Просто иногда гроза так далеко от места, с которого видно вспышку, что звук не успевает до него дойти.
Интересный факт : в древних языческих религиях всегда был бог-громовержец. Грохот во время грозы считался одним из проявлений его гнева. Сейчас очевидно, что этот звук нужно воспринимать лишь как предупреждение о приближающейся опасности. При его появлении нужно просто прикинуть расстояние до грозы и степень риска для людей, находящихся на улице.
Как определить расстояние до молнии по звуку грома?
Между молнией и раскатами грома всегда проходит какое-то время. Это происходит из-за того, что скорость света в миллион раз больше скорости звука. Поэтому сначала видно вспышку и только спустя несколько секунд слышен грохот. Если засечь это время, то можно примерно рассчитать расстояние до грозы.
Что такое гром? Гром - это звук, сопровождающий разряд молнии во время грозы. Звучит достаточно просто, но почему молния звучит именно таким образом? Любой звук состоит из вибраций, которые создают звуковые волны в воздухе. Молния - это огромный разряд электричества, который выстреливает в воздухе, вызывая вибрации. Многие не раз задавались вопросом о том, откуда появляется молния и гром и почему гром предшествует молнии. Этому явлению есть вполне объяснимые причины.
Каким образом гремит гром?
Электричество проходит через воздух и приводит частицы воздуха в состояние вибрации. Молния сопровождается невероятно высокой температурой, поэтому воздух вокруг нее также очень сильно нагревается. Горячий воздух расширяется, увеличивая при этом силу и количество вибраций. Что такое гром? Это и есть звуковые вибрации, возникающие при разрядах молнии.
Почему гром гремит не одновременно с молнией?
Мы видим молнию прежде, чем слышим гром, потому что свет распространяется быстрее, чем звук. Есть старый миф о том, что считая секунды между вспышкой молнии и громом, можно узнать расстояние до того места, где бушует буря. Однако, с математической точки зрения, это предположение не имеет под собой научного обоснования, так как скорость звука равна примерно 330 метров в секунду.
Таким образом, чтобы гром прошел один километр, ему потребуется 3 секунды. Поэтому более правильным будет посчитать количество секунд между вспышкой молнии и шумом грома, а затем разделить это число на пять, это и будет расстояние до грозы.
Это загадочное явление - молния
Тепло от электричества молнии повышает температуру окружающего воздуха до 27,000°С. Поскольку молния двигается с невероятной скоростью, нагретый воздух просто не успевает расширяться. Нагретый воздух сжимается, его атмосферное давление при этом увеличивается в разы и становиться от 10 до 100 раз больше нормального. Сжатый воздух вырывается наружу от канала молнии, формируя ударную волну сжатых частиц в каждом направлении. Подобно взрыву быстро распространяющиеся волны сжатого воздуха создают громкий, гулкий всплеск шума.
Исходя из того, что электричество следует кратчайшим путем, преобладающее количество молний близки к вертикальным. Однако молния может также разветвляться, вследствие чего меняется и звуковая окраска громового грохота. Ударные волны от разных вилок молнии отскакивают друг от друга, а низко висящие облака и близлежащие холмы помогают создавать непрерывное ворчание грома. Почему гремит гром? Гром вызывается быстрым расширением воздуха, окружающего путь молнии.
Что вызывает молнии?
Молния представляет собой электрический ток. Внутри грозового облака высоко в небе многочисленные небольшие кусочки льда (замерзшие капли дождя) сталкиваются друг с другом, двигаясь в воздухе. Все эти столкновения создают электрический заряд. Через некоторое время целая туча наполняется электрическими зарядами. Положительные заряды, протоны, формируются в верхней части облака, а отрицательные заряды, электроны, образуются в нижней части облака. А как известно, противоположности притягиваются. Основной электрический заряд концентрируется вокруг всего, что выпирает над поверхностью. Это могут быть горы, люди или одинокие деревья. Заряд идет вверх от этих точек и в конечном итоге соединяется с зарядом идущих вниз от облаков.
Что вызывает гром?
Что такое гром? Это звук, который вызывает молния, являющаяся, по сути, потоком электронов, протекающих между или внутри облака, или между облаком и землей. Воздух вокруг этих потоков нагревается до такой степени, что становится в три раза горячее, чем поверхность Солнца. Проще говоря, молнией называется яркая вспышка электроэнергии.
Такое потрясающее и одновременно устрашающее зрелище грома и молнии является сочетанием динамических вибраций молекул воздуха и их нарушения посредством электрических сил. Это великолепное шоу в который раз напоминает всем о могущественной силе природы. Если был слышен грохот грома, скоро блеснет и молния, на улице в это время лучше не находиться.
Гром: забавные факты
- Судить о том, насколько близко молния, можно, сосчитав секунды между вспышкой и раскатом грома. На каждую секунду приходится около 300 метров.
- Во время большой грозы увидеть молнию и услышать гром - это обычное явление, большой редкостью является гром во время выпадения снега.
- Молния не всегда сопровождается громом. В апреле 1885 года пять молний ударили в памятник Вашингтону во время грозы, грома так никто и не услышал.
Осторожно, молния!
Молния - это довольно опасное природное явление, и лучше от нее держаться подальше. Находясь в помещении во время грозы, нужно избегать воды. Это отличный проводник электричества, поэтому не стоит принимать душ, мыть руки, посуду или стирать. Не стоит пользоваться телефоном, так как молния может ударить по внешним телефонным линиям. Не включать электрическое оборудование, компьютеры и бытовую технику во время шторма. Зная, что такое гром и молния, важно правильно вести себя, если вдруг гроза застала врасплох. Стоит держаться подальше от окон и дверей. Если кого-то ударила молния, нужно позвать на помощь и вызвать скорую.
Гроза – атмосферное явление пусть не такое уж и редкое, как, к примеру, северное сияние или огни святого Эльма, но от этого не менее яркое и впечатляющее своей неукротимой силой и первозданной мощью. Недаром ее так любят описывать в своих произведениях все поэты и прозаики романтического толка, а профессиональные революционеры видят в грозе символ народных волнений и серьезных социальных потрясений. С научной же точки зрения гроза это ливневый дождь, сопровождаемый шквалистым усилением ветра, молниями и раскатами грома. Но, если с ливнем и ветром вам, наверное, и так все понятно, то об остальных составляющих грозы стоит рассказать немного подробнее.
Что такое гром и молния
Молниями называют мощные электрические разряды в атмосфере, которые могут возникать как между отдельными кучевыми облаками, так и между дождевыми облаками и землей. Молния – это своего рода гигантская электрическая дуга, длина которой в среднем составляет 2,5 – 3 километра. О невероятной силе молний говорит тот факт, что ток в разряде достигает десятков тысяч ампер, а напряжение – нескольких миллионов вольт. С учетом того, что такая фантастическая мощность высвобождается в течении нескольких миллисекунд, разряд молнии вполне можно назвать своего рода электрическим взрывом невероятной силы. Понятно, что подобная детонация неизбежно вызывает появление ударной волны, которая затем вырождается в звуковую, и затухает по мере распространения в воздушной среде. Таким образом становиться очевидным, что такое гром.
Гром - это звуковые колебания, возникающие в атмосфере под влиянием ударной волны, вызванной мощным электрическим разрядом. С учетом того, что воздух в канале молнии мгновенно разогревается до температуры около 20 тысяч градусов, что превышает температуру поверхности Солнца, такой разряд неизбежно сопровождается оглушительным грохотом, как и любой другой очень мощный взрыв. Но ведь молния длиться меньше секунды, а гром мы слышим длинными раскатами. Отчего же так происходит, почему гремит гром? У ученых, изучающих атмосферные явления, есть ответ и на этот вопрос.
Почему мы слышим раскаты грома
Раскаты грома возникают в атмосфере из-за того, что молния, как мы уже говорили, имеет весьма большую длину и поэтому звук от различных ее участков доходит до нашего уха не одновременно, хотя саму световую вспышку мы видим целиком в один момент. Кроме того, возникновению громовых раскатов способствует отражение звуковых волн от облаков и поверхности земли, а также их рефракция и рассеивание.
Грозы и молнии с древности внушали ужас человечеству. И это обоснованно – в наше время эти приводят к трагедиям, уносящим человеческие жизни. Опускающаяся темнота, завывающий ветер, вспышки молний в небе и грохот заставляли древних людей видеть здесь деяния своих богов. Позднее люди начали изучать эти явления и находить им обоснования. Чтобы разобраться, чем отличается гроза от молнии, нужно рассмотреть характеристики каждого явления.
Грозой называют явление в атмосфере, когда в облаках или под ними образуются электрические разряды. Грозу сопровождают шквальный ветер, ливни, гром, а также вспышки молний.
География гроз простирается от экватора до арктических регионов. Антарктида – единственный континент, не подверженный этому явлению. Наиболее подвержены грозам тропики, там это атмосферное явление может случаться ежедневно. По данным климатологов, каждый день на планете идет около 2 000 гроз.
В тропиках грозы связаны с сезонами муссонов. В умеренных широтах время гроз – весна и лето, хотя бывают случаи атмосферных штормов перед зимними холодами.
Города, где чаще всего случаются грозы:
В США от гроз сильнее страдают Средний Запад и Калифорния, а на западном побережье они - редкость. В России самый подверженный атмосферному шторму город – Сочи. На него в год приходится, в среднем, 50 грозовых дней. За ним следуют Барнаул (32 дня) и Ростов-на-Дону (31 день).
Для холодных регионов планеты свойственно явление «снежной грозы». Во время нее дождь заменяют ливневый снег, ледяная крупа и дождь изо льда. На побережье Североамериканского континента в год регистрируется около 6 случаев этого атмосферного явления. В России за последние 25 лет снежная гроза была трижды зарегистрирована в Москве и четырежды в Мурманске. В январе этого года необычный зимний шторм обрушился на Сочи, а в феврале гроза предшествовала сильной пурге в Нижневартовске.
Молнией называют электрический разряд, который сопровождается сильной вспышкой света. Явление можно наблюдать во время грозы. Появление молнии часто сопровождается громом – звуковой волной, которая происходит от повышения давления на пути электрического разряда.
Молнии бывают внутриоблачные и наземные. Последние представляют угрозу для людей. Молния движется к поверхности ступенями, каждая из которых – несколько метров, со скоростью до 50 тысяч километров в секунду. Предметы, выступающие над землей, выбрасывают ответный стример, который позволяет остановить разрушительную мощь заряда. Именно так работают молниеотводы.
По данным американского исследования потерь от ударов молний в 1959-1994 годах, мужчины намного чаще становились жертвами этого атмосферного явления:
- 84% смертельных случаев пришлись на мужчин;
- 82% случаев с травмами пришлись на мужчин.
Как отметили в прессе, либо тестостерон притягивает молнии, либо мужчины в четыре раза чаще размахивают в воздухе металлическими предметами.
То же исследование отметило, что общее число смертей от поражения молниями за вторую половину XX века уменьшилось. Это связывают почти в равной мере с двумя факторами:
- Ставшая более совершенной система прогноза погоды.
- Развитие медицины и средств сообщения.
За период 1959-1994 годов в США от ударов молний погибло 3 239 человек, а 9 818 - получили травмы. Авторы исследования отметили, что, в среднем, один из пяти погибших скончался на месте. Часть остальных смертей связана с тем, что врачи не знали, как лечить человека, пережившего удар молнией.
Главное отличие состоит в том, что гроза возникает как сочетание ряда атмосферных факторов. Это отличается длительностью во времени. Молния – кратковременная вспышка, которая, в сущности, является одним из компонентов грозы.
Молния может образовываться вне грозового фронта. Наэлектризованность воздуха, которая приводит к появлению вспышки, может возникнуть во время извержения вулкана, торнадо или пылевой бури.
Чтобы дополнить наше представление о том, чем отличается гроза от молнии, стоит добавить, что явление грозы более опасное. Среди ее инструментов, кроме вспышек молний, могут быть шквалистый ветер и град, которые повреждают электрические линии.