Молния и гром как явления

Размещено на http://www.allbest.ru/

Молния и гром как явления

Эволюция представлений о природе молнии и грома

Вполне понятно, что молния и гром первоначально воспринимались людьми как выражение воли богов и, в частности, как проявление божьего гнева. Вместе с тем пытливый человеческий ум с давних времен пытался постичь природу молнии и грома, понять их естественные причины.

В свое время над этим размышлял Аристотель. Он полагал, что при грозе облака соударяются друг с другом, производя гром, и при этом из них вытесняется некая «материя ветра» (Аристотель называл ее «пнев-мой»). «Вытесняемая пневма обычно вспыхивает огнем - и это мы называем молнией. Молния возникает после удара и позже грома, но кажется, что раньше, потому что наше зрение опережает слух». Так писал Аристотель во второй книге своей знаменитой «Метеорологики».

Над природой молнии и грома задумывался Лукреций. Он признавался, что «скудость познания мысль беспокоит тревожным сомненьем». Подобно Аристотелю, Лукреций наивно полагал, что гром есть следствие того, что «тучи сшибаются там под натиском ветров». Он допускал, что гром может возникнуть также без молнии. Он писал:

Часто гремят, наконец, и рушатся с грохотом громким

Льдины и град, высоко в горах сокрушаясь огромных.

Ибо, коль ветер сожмет и стеснит их, ломаются горы

Сдавленных туч снеговых, перемешанных с градом холодным.

Многие столетия, включая средние века, считалось, что молния - это «огненный пар», зажатый в водяных парах туч. Расширяясь, он как бы прорывает их в наиболее слабом месте и быстро устремляется вниз, к поверхности земли.

Вот перед нами старинный учебник физики. Он издан в 1760 году в Санкт-Петербурге и имеет длинное название: «Вольфианская теоретическая физика с немецкого подлинника на латинском языке, сокращенная, переведена на российский язык Императорской Академии Наук переводчиком Борисом Волковым». На странице 110 учебника читаем:

«Что молния есть действительно огонь, оное из того явствует, что она по прикосновении своем к телам оные зажигает. А что огонь сей состоит из серных загоревшихся частиц, оное из серного запаха, который исходит от тел, молнией пораженных, ясно познается».

Итак, как утверждается в учебнике физики, молния есть огонь, который «состоит из серных загоревшихся частиц». Здесь мы встречаемся с любопытным курьезом. Дело в том, что это утверждение было переведено на русский язык в 1760 году, т.е. восемь лет спустя после того, как была установлена электрическая природа молнии. Думается, что переводчик Императорской Академии Наук должен был бы знать об этом, тем более что исследования природы молнии проводились в те годы не только на Западе, но и в России.

В 1752 году американский ученый и государственный деятель, один из авторов Декларации независимости США Бенджамин Франклин (1706-1790) экспериментально доказал, что молния - это сильный электрический разряд. Ученый выполнил знаменитый опыт с воздушным змеем, который был запущен в воздух при приближении грозы. На крестовине змея была укреплена заостренная проволока, к концу бечевки привязаны ключ и шелковая лента. Ленту ученый удерживал рукой. В письме к одному из своих друзей Франклин писал:

«Как только грозовая туча окажется над змеем, заостренная проволока станет извлекать из нее электрический огонь, и змей вместе с бечевой наэлектризуется... А когда дождь смочит змей вместе с бечевой, сделав их тем самым способными свободно проводить электрический огонь, вы увидите, как он обильно стекает с ключа при приближении вашего пальца».

Встречающееся в этом письме словосочетание «электрический огонь» мы сегодня переводим как «электрический разряд».

Опыт Франклина с некоторыми изменениями был вскоре повторен рядом ученых. С этого времени стало понятно, что молния представляет собой мощный электрический разряд, возникающий при достаточно сильной электризации туч.

В заключение заметим, что установление электрической природы молнии позволило Франклину создать громоотвод, который правильнее было бы называть «молниеотводом». Это был длинным металлический стержень, который устанавливался вертикально, уходя одним концом в землю. Он предохранял постройки от поражения молнией.

На рисунке на с. 208 приведена любопытная фотография ночной грозы. Она получена при большой выдержке, благодаря чему на одном и том же снимке оказались заснятыми сразу много молний. Большинство молний возникают между тучей и земной поверхностью, но есть также молнии, возникающие между тучами. Все эти молнии принято называть линейными. Длина отдельной молнии может измеряться километрами.

Физика линейной молнии

Наблюдая разряд линейной молнии, ученые установили, что он состоит из нескольких (иногда до десятка) последовательных импульсов. Длительность каждого импульса всего 0,001 с. Промежутки между импульсами порядка 0,01 с. Во время импульса канал молнии нагревается до 20 000 °С, а в течение промежутка между импульсами он остывает до 1000 °С. Наибольшая сила тока в импульсе может достигать 100 000 А.

Каждый импульс - это пробой воздушного промежутка между тучей и темной поверхностью, происходящий в виде искрового разряда. Начнем с рассмотрения первого (начального) импульса. В его развитии есть две стадии. Сначала образуется канал разряда между тучей и землей, а затем по образовавшемуся каналу быстро проходит импульс основного тока.

Первая стадия (образование канала) показана на рисунке на с. 210 на позициях 1, 2, 3. Все начинается с того, что в нижней части тучи формируется мощное электрическое поле. Свободные электроны в таком поле приобретают огромные скорости. Заметим, что нижняя часть тучи заряжена отрицательно, тогда как поверхность земли заряжена положительно. На пути от одного столкновения до другого электроны приобретают значительную энергию. Поэтому, сталкиваясь с атомами или молекулами воздуха, ионизируют их, вследствие чего рождаются новые и новые свободные электроны. Они тоже приобретают энергию в электрическом поле и тоже ионизируют при столкновениях атомы и молекулы. Возникают целые лавины, быстрых электронов, образующие у самого «дна» тучи плазменные «нити» - так называемые стримеры.

Сливаясь друг с другом, стримеры дают начало плазменному каналу, по которому впоследствии пройдет импульс основного тока (смотри позицию 1 на рисунке). Этот развивающийся от «дна» тучи к поверхности земли плазменный канал наполнен свободными электронами и ионами и поэтому может хорошо проводить электрический ток. Его называют лидером, или, точнее, ступенчатым лидером. Дело в том, что канал формируется не плавно, а скачками - «ступенями».

Головка лидера выскакивает из тучи и движется к земле с огромной скоростью (порядка 10^е м/с). Пройдя несколько десятков метров, она внезапно останавливается. Остановка длится порядка 10~⁵ с (0,00001 с). Лидер словно бы «набирается сил», как бы «размышляет», в каком направлении ему двигаться дальше. Затем следует бросок еще на несколько десятков метров, причем совсем не обязательно в направлении предыдущего броска, - и снова остановка на 10~⁵ с. Так отдельными бросками (ступенями) головка лидера постепенно приближается к земной поверхности, оставляя позади себя канал разряда в виде прихотливой ломаной линии (смотри позицию 2 на рисунке). Заметим, что лидер светится слабо, он почти не виден. При высокоскоростной фотосъемке его головка выглядит небольшим светлым пятнышком, рывками перемещающимся к земле.

Но вот лидер, наконец, достиг земли (смотри позицию 3 на рисунке). С учетом остановок по пути ему понадобилось на это время порядка 0,01 с при расстоянии 1 км между тучей и земной поверхностью. Теперь тучу соединяет с землей плазменный канал, прекрасно проводящий электрический ток. Канал ионизованного газа (плазменный канал) как бы замкнул тучу с землей накоротко. На этом стадия развития начального импульса заканчивается.

Вторая стадия протекает быстро и мощно. По проложенному лидером пути устремляется основной ток (смотри позицию 4 на рисунке). Импульс тока длится примерно 0,0001 с. Выделяется значительное количество энергии, температура в канале достигает 10 000 "С. Вот теперь и рождается тот необычайно яркий свет, который мы наблюдаем при разряде молнии, и возникает гром, вызванный резким расширением внезапно нагретого газа.

Обрати внимание: как свечение, так и разогрев плазменного канала развиваются в направлении от земли к туче, т.е. снизу вверх. Поясним это, разбив условно весь канал на последовательные части. Как только канал образовался (как только головка лидера достигла земли), вниз соскакивают прежде всего те электроны, которые находились в самой нижней его части. Поэтому нижняя часть канала первой начинает светиться и разогреваться. Затем к земле устремляются электроны из следующей (более высоко расположенной) части канала; начинаются свечение и разогрев этой части. И так постепенно - от низа до верха - в движение к земле включаются все новые и новые электроны. В результате свечение и разогрев канала распространяются в направлении снизу вверх.

Получается, что молния бьет не из тучи в землю, как это обычно принято считать, а наоборот - из земли в тучу. Зевс, Юпитер, Перун и прочие боги-громовержцы метали свои молнии, что называется, «от себя» - их молнии били сверху, из туч. Так это и изображалось на всевозможных картинах. Действительность оказывается иной - настоящие молнии бьют снизу вверх.

Но вернемся к физике молнии. После того как прошел импульс основного тока, наступает пауза длительностью около 0,01 с. За это время канал практически гаснет. Однако в туче еще сохранился большой заряд. Поэтому новый лидер устремляется из тучи к земле, готовя дорогу для нового импульса тока. Новый лидер идет по пути, который был проторен начальным лидером, ведь на этом пути сохранилось еще много ионов. Поэтому новому лидеру, вообще говоря, не приходится «выбирать дорогу»; он без остановок, за время порядка 0,001 с пробегает весь путь сверху вниз. Его теперь называют не ступенчатым, а стреловидным лидером. И снова следует мощный импульс основного тока, распространяющийся по восстановленному каналу снизу вверх.

После очередной паузы все повторяется. В итоге высвечиваются несколько мощных импульсов, которые мы, естественно, воспринимаем как единую яркую вспышку.

Такова в общих чертах физика линейной молнии, возникающей между тучей и землей. Следует оговориться, что действительная картина физических процессов оказывается сложнее. Так, не всегда стреловидный лидер следует точно и полностью по пути, проложенному ступенчатым лидером. В какой-то точке этого пути он может вдруг «предпочесть» изменение дальнейшего маршрута. И тогда мы наблюдаем молнию в виде раздвоенной ломаной линии.

Как уже сказано, гром возникает вследствие резкого расширения воздуха при быстром повышении температуры в канале разряда молнии. Вспышку молнии мы видим практически как мгновенную вспышку и в тот же момент, когда происходит разряд, - ведь свет распространяется со скоростью 3 ¦ 10⁸ м/с. Что же касается звука, то он распространяется значительно медленнее. В воздухе его скорость равна 330 м/с. Поэтому мы слышим гром уже после того, как сверкнула молния. Чем дальше от нас молния, тем, очевидно, длиннее пауза между вспышкой света и громом и, кроме того, слабее гром. Измеряя длительность таких пауз, можно приближенно оценить, как далеко от нас в данном случае гроза, насколько быстро она приближается к нам или, напротив, удаляется от нас. Гром от очень далеких молний вообще не доходит - звуковая энергия рассеивается в воздухе. Такие молнии называют зарницами.

Почему мы слышим гром в течение нескольких секунд, тогда как разряд молнии (с учетом всей совокупности последовательных импульсов) длится всего лишь около 0,1 с? Причин тому две. Во-первых, молния имеет большую длину (она измеряется километрами); звук от разных ее участков доходит до нас в разные моменты времени. Во-вторых, происходит отражение звука от облаков и туч - возникает эхо. Эти две причины и приводят к тому, что вслед за короткой вспышкой молнии слышатся более или менее долгие раскаты грома.

Заметим, что отражением звука от облаков объясняется происходящее нередко усиление громкости звука в конце громовых раскатов.

кривой, то на высоте 200 км температура воздуха становится равной примерно 400 °С. А КЭ.К 2К6 быть с «космическим холодом»? Ты еще более удивишься, если учтешь, что на высоте 400 км температура атмосферы достигает уже 1000 °С. А между тем на этих высотах летают космические корабли, космонавты выходят в открытый космос, и ничего страшного в столь ужасной «жаре» с ними не происходит. Твое удивление совершенно понятно; оно требует разъяснений.

Дело в том, что температура газа определяется кинетической энергией (энергией движения) молекул этого газа. Она растет или уменьшается в такой же степени, в какой растет или уменьшается кинетическая энергия молекулы. При температуре 1000 °С молекулы движутся весьма интенсивно, кинетическая энергия каждой молекулы очень велика. Но зато самих молекул в атмосфере в данном случае ничтожно мало. На высоте 400 км давление атмосферного воздуха в 100 миллиардов раз меньше, чем у поверхности Земли. Вот такой глубочайший вакуум. При столь огромном разрежении гигантская энергия молекул воздуха, отвечающая температуре 1000 °С, не может причинить вреда космонавтам.

Чему равна общая масса земной атмосферы? Современные научные данные говорят, что она в миллион раз меньше массы земного шара. Масса земного шара равна 6 * 10²¹ т. Значит, массу атмосферы следует считать равной примерно 6¹⁵ т. Совсем нешуточная масса! Впрочем половина ее сосредоточена в пределах первых пяти километров от уровня моря, а в пределах первых десяти километров сосредоточено 3/4 всей атмосферной массы (о чем уже упоминалось ранее).

Быстрое убывание плотности атмосферного воздуха с высотой приводит, в частности, к тому, что люди могут селиться на высотах не выше примерно 5 км от уровня моря. На больших высотах начинается горная болезнь - гипоксия (иными словами, кислородное голодание). Из-за недостатка кислорода в воздухе кровь не успевает насыщаться кислородом. На высотах от 7-8 км человек не может находиться без кислородной маски.

В заключение отметим, что 14% энергии солнечных лучей, падающих на Землю, поглощается в земной атмосфере, а 51% - в приповерхностном земном слое и водах морей и океанов. Сложим эти проценты: 14% + + 51% = 65% . Эти проценты ответственны за все происходящие (и нередко весьма бурно происходящие) явления в наших достаточно беспокойных воздушной и водной сферах показать на графике, как одна какая-то величина (назовем ее первой величиной) зависит от какой-то другой величины (назовем ее второй величиной), то в этом случае значения первой величины откладывают на оси ординат, а значения второй величины - на оси абсцисс. Не правда ли?

В таком случае изображенную на том рисунке кривую приходится трактовать, как зависимость высоты атмосферного воздуха от его температуры. А ведь на самом деле температура зависит от высоты! Поэтому я предлагаю поменять оси координат и пользоваться кривой, которую я вот тут показываю.

Замечу, что наша кривая изображала не зависимость высоты от температуры, а зависимость между высотой и температурой. А вообще-то можно пользоваться как той кривой, так и твоей. Просто на той кривой высота изменялась в вертикальном направлении, что для нас естественно. Тут наглядно было представлено, как располагаются друг относительно друга слои атмосферы - какой слой под каким (или над каким) слоем находится. Вот поэтому и приводилась та кривая.

Воздух, которым мы дышим

Тебе хорошо известно, что воздух, которым мы дышим, состоит, в основном из двух газов - азота и кислорода: 23,2% массы воздуха приходится на кислород и 75,5% - на азот.

Обычно в справочниках процентный состав воздуха приводят не по массе, а по объему. Там ты можешь прочитать, что на кислород приходится 21% объема воздуха, а на азот - 78% . Около 1% объема воздуха приходится на аргон и около 0,03% приходится на углекислый газ. Есть в воздухе ничтожное количество гелия (менее 0,001%) и еще более ничтожное количество водорода (менее 0,0001%). А озона в воздухе еще меньше, чем водорода.

Различие в процентном составе воздуха по массе и по объему связано с различием масс молекул газов, входящих в состав воздуха. Молекула кислорода в 8/7 тяжелее молекулы азота. Этим и объясняется тот факт, что если по объему на азот приходится около 4/5 воздуха (точнее: 78%), то по массе азот составляет уже не 4/5 воздуха, а 3/4. Азот легче кислорода!

Надо иметь в виду, что все эти числа относятся к совершенно сухому и чистому воздуху. Однако такого воздуха вблизи земной поверхности не бывает. В воздухе содержится водяной пар. Чем больше его, тем больше влажность воздуха. Кроме того, в воздухе присутствуют различные загрязняющие газы (выбросы в атмосферу от различных производств, автомобилей, реактивных двигателей самолетов, ракет и т.д.) и мельчайшие частицы, например пыль и сажа.

Итак, воздух, которым мы дышим, представляет собой смесь газов (в основном азота и кислорода), а также водяного пара и загрязняющих примесей.

Отметим, что речь идет о нижних слоях атмосферы - поблизости от земной поверхности (ведь именно этим воздухом мы дышим). Имеются в виду прежде всего тропосфера, а также стратосфера. С высотой состав атмосферного воздуха постепенно изменяется; возрастает концентрация более легких газов (самыми легкими являются молекулы водорода) и уменьшается концентрация более тяжелых газов.

В дальнейшем мы будем обсуждать состав воздуха только в нижних слоях атмосферы.

Читатель: Признаться, мне не вполне понятна фраза: «На такой-то газ приходится столько-то процентов объема воздуха». Нельзя ли ее пояснить?

Точно так же в одном кубическом километре воздуха 3/4 массы находящегося в нем воздуха - это суммарная масса всех имеющихся там молекул азота. Важно лишь, чтобы выбираемый объем не был слишком малым, т.е. чтобы в нем находилось очень много молекул. Можешь выбрать, например, кубический миллиметр воздуха -- ведь в нем находится более квадриллиона (больше 10¹⁵) молекул кислорода и азота!

Воздух минувших эпох

молния гром атмосферный воздух

В п. 3.5 мы рассматривали вкратце геологическую историю нашей планеты. Напомню, что примерно 3,5 млрд. лет назад начался так называемый раннеокеанический этап этой истории. К его началу Земля уже стала твердым шаром с первичной атмосферой, которая сформировалась за счет интенсивного выделения газов и водяных паров из земных глубин.

Количество водяных паров в первичной атмосфере было, по-видимому, огромным. Ведь именно из них образовалась гидросфера Земли, появились моря и океаны. Что касается различных газов, то на этот счет у ученых до сих пор нет единого мнения. Многие полагают, что больше всего в первичной атмосфере было метана (СН₄) и водорода (Н₂), затем шли аммиак (>Ш₃) и азот (N2). Будем придерживаться именно этой точки зрения.

А вот кислорода в земной атмосфере в те далекие времена не было вообще - на этот счет ни у кого нет сомнений. Жизнь на Земле 3,5 млрд. лет назад, если и существовала, то лишь в весьма примитивных формах -в виде простейших организмов, не нуждающихся в кислороде. Надо особо подчеркнуть, что именно отсутствие кислорода в первичной атмосфере сыграло принципиально важную роль на начальном этапе эволюции жизни (в частности, в возникновении фотосинтезирующих организмов).

Заметим, что присутствие в атмосфере водорода и отсутствие кислорода - необходимое условие синтеза первых органических соединений. Водород участвовал в синтезе, а кислород, если бы он присутствовал тогда в атмосфере, разрушал бы продукты синтеза, немедленно окисляя их. Для поддержания жизни необходимо наличие кислорода в атмосфере, тогда как для зарождения жизни необходимо его отсутствие. Как говорится, то, что полезно взрослым, может оказаться вредным для новорожденных.

Но вернемся к ранней атмосфере. Прошел миллиард лет. За это время количество водорода, метана и аммиака заметно уменьшилось. Зато накопилось много углекислого газа (С0₂). Несколько возросло количество азота. А главное, появился кислород (0₂).

Еще через миллиард лет произошли новые существенные изменения в составе земной атмосферы. Водорода, метана и аммиака осталось совсем мало. А вот азота стало очень много. Увеличилось и количество кислорода. Зато углекислый газ пошел на убыль.

Попробуем все это объяснить. Куда подевались водород, метан, аммиак? Есть мнение, что эти газы поглощались морями и океанами, где уже давно возникла и бурно развивалась жизнь. Водород мог просто улетучиться в космос. Он же легкий. Литосфера, атмосфера и гидросфера Земли «надышали» вулканы во время извержений. Откуда взялся кислород? Его образование связано с процессами фотосинтеза. Эти процессы рассматривались ранее, в книге «Микромир и Вселенная».

Их можно в общих чертах представить химической реакцией:

Здесь надо отметить, что примерно 3 млрд. лет назад на Земле появились первые растения. Они появились и развивались в водной среде; это были синезеленые водоросли. В те времена в атмосфере было много углекислого газа, который щедро выбрасывали в атмосферу многочисленные вулканы. Водоросли использовали углекислый газ и производили кислород. Именно в них и шли процессы фотосинтеза. Происходило не только накопление кислорода, но и не менее интенсивное расходование углекислого газа. Этим можно объяснить уменьшение углекислого газа в атмосфере за промежуток времени от 2,5 до 1,5 млрд. лет назад.

Остается объяснить, почему увеличилось количество азота в атмосфере. Его производил аммиак в процессе взаимодействия с кислородом:

Здесь были приведены несколько диаграмм. Каждая из них сама по себе вполне понятна. Однако из диаграмм плохо видно, как со временем постепенно изменялся состав атмосферы. Плохо виден процесс изменения. Гораздо удобнее пользоваться не этими диаграммами, а графиком, показывающим изменение во времени доли каждого газа в атмосферном воздухе.

Этот любопытный график ты можешь видеть на соседней странице. Поднимаясь вдоль него снизу вверх можно проследить за тем, как постепенно изменялось распределение между разными газами всей сотни процентов состава воздуха. Хорошо видно, например, как доля С0₂ в воздухе сначала возрастала, а потом стала уменьшаться. Хорошо видно также, как постепенно уменьшались со временем доли КН₃, СН₄ и Н₂, а доля 1М₂ и 0₂, наоборот, постепенно увеличивалась.

В качестве примера на рис. на с. 157 показано, как получается из нашего графика диаграмма для состава воздуха 2,5 млрд. лет назад. Без сомнения, ты легко сообразишь, как получаются из графика остальные диаграммы.

А может быть, тебе захочется, используя наш график, узнать состав воздуха, например, 2 млрд. лет назад? Это нетрудно сделать. Проведи прямую, отвечающую моменту времени 2 млрд. лет назад (штриховая прямая на рисунке). Возьми измерительную линейку, приложи ее к этой прямой и посмотри, сколько процентов приходится на долю каждого газа.

Размещено на Allbest.ru