Как бьёт молния¶
Молния — это высоковольтный электрический разряд в атмосфере, сопровождающийся ярким световым вспышком (громом). Разряд возникает между заряженными областями облака, между разными облаками или между облаком и поверхностью Земли. Температура канала молнии достигает 20 000–30 000 °C, что примерно в пять раз превышает температуру поверхности Солнца.
¶Физическая природа
Молния возникает при накоплении электрического заряда в грозовом облаке. Поднимающиеся восходящие потоки воздуха сталкивают капли воды и кристаллы льда, в результате чего происходит их зарядка: более мелкие частицы приобретают положительный заряд и выносятся в верхнюю часть облака, более тяжёлые — отрицательный и оседают в нижней. Нижняя часть грозовика становится отрицательно заряженной, верхняя — положительно. Между нижней частью облака и землёй возникает электрическое поле, интенсивность которого вблизи поверхности может достигать 10 кВ/м.
Когда напряжённость поля превышает электрическую прочность воздуха (около 3 кВ/м при нормальных условиях), начинается разряд. Воздух — хороший диэлектрик, но под действием сильного поля в нём появляются свободные электроны, ускоряющиеся и сталкивающиеся с молекулами, что приводит к лавинообразной ионизации.
¶Стадии разряда
Развитие молнии состоит из нескольких последовательных этапов:
- Стадия предразряда — в облаке формируется зона положительного заряда, от которой вниз начинает продвигаться слабосветящийся канал, называемый ступенчатым лидером. Он движется рывками, отрезками длиной около 50 м, с задержками 30–50 мкс между ними, и общей скоростью порядка 10⁵–10⁶ м/с.
- Стадия лидера — ступенчатый лидер спускается к земле, разветвляясь. По мере приближения к поверхности наводимое на выступающих предметах (деревьях, мачтах, зданиях) положительное зарядженное течение начинает двигаться навстречу в виде восходящего разряда.
- Стадия соединения — когда канал лидера и восходящий разряд соединяются, замыкается электрическая цепь между облаком и землёй.
- Стадия главного разряда (возвратного удара) — по каналу от земли к облаку с огромной скоростью (около 10⁸ м/с) поднимается яркая световая волна — возвратный удар. Именно он воспринимается глазом как вспышка молнии. Ток в канале достигает 10–20 кА, в отдельных случаях — до 200 кА. Длительность — доли миллисекунды.
- Стадия повторных разрядов — через 40–60 мс по уже существующему каналу может пройти новый, более слабый разряд (повторный удар), что создаёт эффект мерцания молнии.
¶Виды молний
По расположению разряда различают:
- Обыкновенные молнии — разряд внутри облака (внутриоблачные), между облаками (междуоблачные) или между облаком и землёй (внешнеоблачные). Наиболее опасны для наземных объектов последние.
- Шаровая молния — редкое природное явление в виде светящегося шара диаметром от нескольких сантиметров до метров. До сих пор не имеет общепринятой научной теории, описано сотнями наблюдений, преимущественно в России и СССР (работы Н. П. Морозова, И. Н. Смирнова).
- Эльфы, спрайты и голубые струи — разряды в стратосфере и мезосфере над грозовыми облаками, открытые в 1990-х годах. Спрайты достигают высоты до 90 км.
¶Куда бьёт молния
Молния бьёт туда, где электрическое поле наиболее концентрировано — как правило, в наиболее высокие и заострённые объекты. Однако это лишь статистическая закономерность: канал разряда формируется в момент соединения лидера с восходящим течением, и его траектория зависит от распределения зарядов в воздухе, влажности, турбулентности. Молния может ударить в равнину, воду, открытую местность. Известны случаи ударов в поле, в поле рядом со стадом, в поле рядом с одиноким деревом.
Около 75–80 % ударов приходится на облако-земля, остальные — на внутриоблачные и междуоблачные разряды.
¶Последствия удара
Удар молнии сопровождается несколькими эффектами:
- Прямой удар — ток проходит через объект или человека. Смертелен в большинстве случаев.
- Шаговое напряжение — ток растекается по земле от точки удара, создавая разность потенциалов между ногами стоящего или шагающего человека.
- Индуктивное воздействие — электромагнитное поле наводит токи в проводниках, включая электропроводку и телекоммуникационные линии.
- Акустическое воздействие — ударная волна от мгновенного расширения нагретого канала воспринимается как гром.
В России ежегодно фиксируется около 2–2,5 млн гроз, что делает страну одной из наиболее грозоопасных территорий мира. По данным Гидрометцентра, от ударов молнии в стране ежегодно погибают десятки людей, преимущественно на открытых водоёмах и в поле.
¶Защита от молний
Основной инженерной защитой от молний является молниезащита, разработанная в России М. В. Поповым в 1840-х годах. Система включает:
- Молниеприёмник — стержень, установленный над защищаемым объектом.
- Токоотвод — проводник, отводящий ток к земле.
- Заземлитель — устройство для рассеивания тока в грунте.
Молниезащита бывает активная (с ионизацией воздуха) и пассивная (классический стержень). Принцип защиты Попова был принят во всём мире и используется до сих пор.
Источники:
- Физика грозового разряда. Учебные материалы МГУ
- Гидрометеорологический центр России. Статистика грозовой активности
- Р. Х. Алиев, «Электрические явления в атмосфере»
- Н. П. Морозов, «Природа и энергия шаровой молнии»
- Справочник по молниезащите. ГОСТ Р МЭК 62305