Молния: природа, вызов и безопасность¶
Молния — это мощный атмосферный электрический разряд, возникающий в грозовом облаке или между облаком и землёй. Разряд сопровождается выделением огромного количества энергии, световым вспышками (громом) и может достигать токов в десятки тысяч ампер при температуре канала до 30 000 °C. Молния относится к числу наиболее опасных природных явлений: ежегодно от ударов молний в мире погибают тысячи людей. Вопрос «как призвать молнию» имеет два аспекта: научный (как возникает и направляется разряд) и практический (как безопасно наблюдать грозу, а также как молния используется в технике).
¶Физика возникновения молнии
В грозовом облаке (кумулонимбусе) происходят интенсивные вертикальные восходящие и нисходящие потоки воздуха. Крупные капли воды и град сталкиваются, заряжаясь: более мелкие капли уносятся вверх и приобретают положительный заряд, тяжёлые частицы опускаются вниз и заряжаются отрицательно. В результате верхняя часть облака становится положительно заряженной, нижняя — отрицательно. Напряжённость электрического поля между облаком и землёй (или между облаками) нарастает до величины, при которой воздух перестаёт служить изолятором, и начинается пробой — ионизация воздуха с образованием канала разряда.
Развитие молнии включает несколько стадий:
- Ступенчатый лидер — слабо светящийся канал, который движется от облака к земле ступенями по 50–100 метров.
- Стримеры — от земли навстречу лидеру поднимаются ветви ионизированного канала.
- Встречный разряд — когда стример соединяется с лидером, по каналу проходит основной импульс — главный разряд (блеск молнии), ток до 200 000 А, длительность около 100 микросекунд.
- Последующие импульсы — через короткие интервалы по тому же каналу может пройти несколько повторных разрядов, создавая эффект «мерцания» молнии.
¶Виды молний
По месту возникновения молнии делятся на:
- облачно-земные — наиболее частый тип, разряд идёт от нижней части облака к поверхности Земли;
- облачно-облачные — разряд между разноимённо заряженными участками облаков;
- внутриоблачные — разряд внутри одного грозового облака;
- облачно-воздушные — от облака вверх в стратосферу;
- редкие типы — шаровая молния, эльвы, красные спрайты, голубые струи, до конца не изученные.
¶Как направить или «призвать» разряд: научный подход
Полностью вызвать молнию в произвольном месте невозможно, однако направить разряд можно с помощью грозозащитного отвода (молниеотвода). Принцип был открыт в 1752 году Бенджамином Франклином: высокий металлический стержень, соединённый с землёй проводником, создаёт локальное усиление электрического поля и притягивает ступенчатый лидер. Молния бьёт в наиболее высокую точку, и разряд уводится по проводнику в землю, минуя защищаемый объект.
В современной физике направление разряда исследуют с помощью грозовых ракет — ракет, запускаемых в грозовое облако с тонким металлическим проводом, который ионизирует воздух и задаёт траекторию разряда. Такие ракеты применяются в научных экспериментах, в частности на объектах космической инфраструктуры. В России подобные исследования проводились в Институте атмосферной физики РАН и на космодроме «Восточный».
¶Молнии в России
Наиболее грозоопасные районы России — Предкавказье, Северный Кавказ, юг Сибири и Дальнего Востока. По данным Гидрометцентра, в средней полосе Европейской части России грозовые дни приходятся на 20–40 дней в год, максимум — в июне и июле. Ежегодно в стране фиксируются десятки случаев поражения людей молниями, в том числе со смертельным исходом. Самые высокие молниеотводы установлены на телебашнях и промышленных объектах: например, молниеотвод Останкинской телебашни в Москве (высота 540 м) принимает на себя десятки ударов в год.
¶Безопасность во время грозы
Основные правила поведения при грозе:
- прекратить купание в водоёме и немедленно выйти на берег;
- спрятаться в закрытом помещении или автомобиле с закрытыми окнами;
- не находиться под отдельно стоящими деревьями, на возвышенностях, в поле;
- отойти от металлических конструкций, заборов, проводов;
- при отсутствии укрытия присесть на корточки, ноги вместе, руки обхватив колени, не ложиться на землю.
Молния чаще всего бьёт в наиболее высокие объекты, в воду и в людей, находящихся на открытой местности. Мокрая одежда и влажная почва повышают риск поражения.
¶Молния в культуре и технике
В мифологии молния традиционно считается оружием бога грома: у славян — Перуна, у скандинавов — Тора, у древних греков — Зевса. В современной технике явления, связанные с молнией, используются в электростатических генераторах, лазерах с ионизацией канала и в системах защиты от молний (УЗИМ).
¶Интересные факты
- Температура канала молнии в 5 раз превышает температуру поверхности Солнца.
- Молния ударяет в одно и то же место неоднократно: телебашни поражаются десятки раз за сезон.
- Шаровая молния — загадочное явление, до сих пор не имеет единой теории происхождения.
- В 2007 году в России принят стандарт ГОСТ Р 50571.5.54, регламентирующий системы молниезащиты зданий.
Источники:
- ГОСТ Р 50571.5.54 — Электроустановки низковольтные. Защита от молнии
- Б. Франклин, «Эксперименты и наблюдения с электричеством» (1753)
- Институт атмосферной физики РАН, труды по физике атмосферных разрядов
- Гидрометцентр России, климатические справочники по грозовой активности