Молния — атмосферный разряд¶

Молния — это мощный электрический разряд в атмосфере, возникающий между заряженными облаками или между облаком и землёй. Молния сопровождается ярким световым вспышками, громом и сильным нагревом воздуха до температур, в несколько раз превышающих температуру поверхности Солнца. По оценкам, на Земле ежесекундно происходит около 40–50 молний, то есть примерно 1,4 миллиарда разрядов в год.

¶Физическая природа

Молния возникает в грозовых облаках — кучево-дождевых, кучево-грозовых и слоисто-дождевых. Внутри облака формируются сильные восходящие и нисходящие потоки воздуха, которые сталкивают кристаллы льда и капли воды. При столкновениях частиц происходит перераспределение заряда: более лёгкие кристаллы уносятся вверх и несут положительный заряд, а более тяжёлые капли опускаются вниз и заряжаются отрицательно. В результате верхняя часть облака приобретает положительный заряд, а нижняя — отрицательный.

Когда разность потенциалов между зонами облака или между облаком и землёй достигает критического значения (порядка миллионов вольт), воздух перестаёт быть изолятором и происходит пробой — ионизация воздуха с образованием проводящего канала. Этот канал называется молниевым стволом.

¶Структура и механизм разряда

Развитие молнии состоит из нескольких последовательных этапов:

1. Предразрядное течение — от нижней части облака к земле медленно спускаются ступенчатые лидеры, каждый из которых продвигается на 50–100 метров. Лидер несёт отрицательный заряд и ионизирует воздух по своему пути.
2. Стримерная фаза — от земли навстречу лидера поднимаются восходящие стримеры, ионизированные каналы от выступающих объектов (деревьев, зданий, молниеотводов).
3. Возвратный разряд — когда лидеры соединяются, по проводящему каналу от земли к облаку проходит мощный импульс тока — основной удар молнии. Ток в канале достигает 20–200 килоампер, длительность импульса — около 30–100 микросекунд.
4. Последующие разряды — через короткие интервалы (40–60 миллисекунд) по тому же каналу могут проходить повторные импульсы, создавая эффект «мигания» молнии.

Температура в канале молнии достигает 25 000–30 000 °C, что в пять раз превышает температуру поверхности Солнца. Воздух в канале мгновенно расширяется, создавая ударную волну, которая воспринимается как гром.

¶Виды молний

Молнии классифицируют по нескольким признакам:

Также выделяют «тихие» молнии, происходящие вдали от наблюдателя, и «паутинные» молнии с множеством ветвей.

¶Электрические характеристики

Молния — один из самых мощных природных электрических явлений:

• Напряжение: 100–1000 миллионов вольт (10⁸–10⁹ В).
• Ток: 20–200 кА в основном импульсе, в отдельных случаях до 300 кА.
• Мощность: до 10¹² ватт — сопоставима с мощностью небольшой электростанции.
• Энергия разряда: 1–10 гигаджоулей, что эквивалентно сжиганию 30–300 литров бензина.
• Длительность: основной импульс — десятки микросекунд, полный разряд — до 0,5 секунды.

При ударе молнии в землю ток рассеивается по поверхности, создавая градиенты потенциала, опасные для человека и животных. Наиболее опасны так называемые «шаговые напряжения» — разность потенциалов между ногами при ходьбе по земле во время разряда.

¶Молнии и природа

Молнии играют важную роль в биогеохимических процессах. При разряде в атмосфере образуется оксид азота, который затем превращается в нитраты и попадает в почву с осадками — это один из естественных путей азотного питания растений. По оценкам учёных, до 10% азота, усваиваемого растениями, поступает именно благодаря молниям.

Молнии также являются источником радиоизлучения, которое используется в системах обнаружения гроз (молниелокацияторы). В России работает федеральная система мониторинга грозовой активности, основанная на регистрации радиоимпульсов молний.

¶Защита от молний

Основной способ защиты от молний — молниеотвод, предложенный Бенджамином Франклином в 1752 году. Молниеотвод представляет собой металлический стержень, соединённый с землёй проводником. Он принимает удар молнии на себя и отводит ток в грунт, защищая здание.

Современные системы защиты включают:

• Внешнюю защиту — молниеотводы, токоотводы, заземлители.
• Внутреннюю защиту — ограничители перенапряжений, экранирование кабелей.
• Раннее предупреждение — молниелокацияторы, способные обнаружить разряд за 10–30 секунд до его удара в конкретную точку.

В России молниезащита регулируется сводом правил СП 1.13130 и РД 34.21.122-87, которые определяют требования к молниеотводам для зданий различного назначения.

¶Молнии в истории и культуре

В древности молния считалась проявлением божественной воли: в греческой мифологии её олицетворял Зевс, в римской — Юпитер, в скандинавской — Тор. Первое научное объяснение природы молнии дал в XVIII веке Бенджамин Франклин, который в 1752 году провёл знаменитый эксперимент с воздушным змеем, доказав электрическую природу разряда.

В 1753 году русский учёный Георг Вильгельм Рихман впервые в мире погиб, проводя опыты по изучению молнии — его поразил разряд, отскочивший от измерительного прибора.

¶Интересные факты

• Молния в 5 раз горячее поверхности Солнца, но длится лишь доли секунды.
• Молния ударяет в одно и то же место неоднократно — так называемое «повторное использование канала» объясняет, почему высокие объекты (деревья, башни) страдают чаще.
• Человек, переживший удар молнии, имеет шансы выжить — смертность составляет около 10–20%, а некоторые выжившие отмечают кратковременные эффекты, напоминающие «удар током».
• Самая мощная зарегистрированная молния произошла в 2019 году в Аргентине и Уругвае: её длина превысила 700 км, а энергия — 300 гигаджоулей.

¶Источники

• Физика атмосферных электрических явлений / под ред. В. Н. Стефанюка. — М.: Гидрометеоиздат.
• Раков В. А., Умань М. А. Молния. — М.: Мир, 1994.
• Сборник «Грозозащита зданий и сооружений». — СПб.: Издательство ПГУЭП.
• Материалы Гидрометцентра России о грозовой активности.