Гром и молния: что возникает первым¶

Гром и молния — это сопутствующие друг другу явления грозового разряда: молния представляет собой электрический разряд в атмосфере, а гром — звуковое сопровождение этого разряда. Возникает молния первой, гром появляется позже, поскольку скорость света (около 300 000 км/с) значительно превышает скорость звука в воздухе (около 340 м/с при 20 °C). Разница во времени между вспышкой и раскатом грома объясняется именно этим физическим различием.

¶Природа явления

Молния — это кратковременный электрический разряд, возникающий между заряженными областями грозового облака, между облаком и землёй или между облаками. Накопление заряда происходит в результате столкновений капель воды и кристаллов льда в грозовом облаке: более лёгкие частицы уносятся восходящими потоками в верхнюю часть облака и приобретают положительный заряд, тяжёлые опускаются вниз и заряжаются отрицательно. Когда электрическое поле достигает критической величины, происходит пробой воздуха и разряд.

Разряд сопровождается резким нагревом воздуха в канале молнии до температуры порядка 30 000 °C, что примерно в пять раз превышает температуру поверхности Солнца. Именно этот мгновенный нагрев и порождает гром.

¶Природа грома

Гром — это звуковой эффект, вызванный быстрым расширением воздуха вокруг канала молнии. Разогретый до экстремальной температуры воздух стремительно расширяется, создавая ударную волну, которая воспринимается человеческим ухом как раскат или треск. Если разряд расположен близко, звук воспринимается как резкий хлопок; на расстоянии волна рассеивается, и низкочастотные компоненты доходят до наблюдателя позже, формируя характерное «кручение».

Гром может быть слышен на расстоянии до 20–25 километров от места разряда. Эхо от рельефа местности, зданий и облаков приводит к тому, что один разряд воспринимается как серия раскатов, продолжающихся несколько секунд.

¶Почему молния видна раньше, чем слышен гром

Свет от молнии распространяется со скоростью света и достигает наблюдателя практически мгновенно. Звуковая волна движется со скоростью звука, которая в тысячу раз меньше. Поэтому между вспышкой и первым раскатом грома всегда есть задержка, зависящая от расстояния до разряда.

Скорость звука в воздухе зависит от температуры и составляет приблизительно:

Для оценки расстояния до разряда используется простое правило: каждые 3 секунды задержки соответствуют примерно одному километру. Если вспышка и раскат разделены 5 секундами, разряд произошёл примерно в 1,7 км. Если задержка составляет 10 секунд — расстояние около 3,3 км. Если гром не слышен вовсе, разряд мог произойти дальше 25 км, либо атмосферные условия ослабили звук.

¶Порядок явлений при грозовом разряде

Последовательность событий при близкой грозе выглядит следующим образом:

1. Происходит электрический разряд — молния.
2. Световая волна достигает наблюдателя практически мгновенно.
3. Разогретый воздух образует ударную волну.
4. Звуковая волна распространяется со скоростью звука и через несколько секунд достигает наблюдателя, воспринимаясь как гром.

Таким образом, молния всегда предшествует грому, даже если кажется обратное. В редких случаях, когда разряд происходит очень близко, вспышка и звук могут показаться почти одновременными, но это лишь следствие малой задержки.

¶Редкие явления: эльвы и красные спрайты

Выше грозовых облаков на высоте 40–90 км иногда возникают кратковременные свечения — красные спрайты и эльвы. Они связаны с грозовыми разрядами, но развиваются в стратосфере и мезосфере. Эти явления были впервые детально изучены в 1990-х годах и остаются предметом активных исследований.

¶Интересные факты

• Молния примерно в пять раз горячее поверхности Солнца.
• Один грозовой разряд может нести ток до 200 000 ампер.
• На Земле ежесекундно происходит около 40–50 молний.
• Гром может быть настолько силён, что вызывает резонансные колебания конструкций зданий.
• Скорость звука была впервые измерена французским учёным Ассем в 1709 году с помощью наблюдения за вспышками пушек и замером задержки звука.

Источники:

• Большая советская энциклопедия, статья «Молния»
• Брокгауз и Ефрон, статья «Гром»
• Энциклопедия Britannica, раздел «Lightning and thunder»
• NASA, материалы по атмосферной электродинамике
• «Физика атмосферы» под редакцией Г. П. Калашникова