Естественная и научная красота молний

Размещено на http://www.allbest.ru/

Башкирский Государственный Аграрный Университет Уфа, Россия

Естественная и научная красота молний

Айгишева О.В., Гайсина Г.А.

Молния представляет большой интерес не только как своеобразное явление природы. Она дает возможность наблюдать электрический разряд в газовой среде при напряжении в несколько сотен миллионов вольт и расстоянии между электродами в несколько километров. Целью данного реферата является рассмотрение причин возникновения молнии, изучение различных видов электрических зарядов. Также в реферате рассмотрен вопрос молниезащиты. Люди давным-давно поняли, какой вред может принести удар молнии, и придумали от нее защиту.

Молнии издавна интересуют ученых, но и в наше время об их природе мы знаем лишь немного больше, чем 250 лет тому назад, хотя смогли их обнаружить даже на других планетах.

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 молний и грома, понять их естественные причины. В древние века над этим размышлял Аристотель. Над природой молний задумывался Лукреций. Весьма наивно представляются его попытки объяснить гром как следствие того, что "тучи сшибаются там под натиском ветров".

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

Момлния -- гигантский электрический искровой разряд в атмосфере, обычно может происходить во время грозы, проявляющийся яркой вспышкой света и сопровождающим её громом.

Сила тока в разряде молнии на Земле достигает 10-500 тысяч ампер, напряжение -- от десятков миллионов до миллиарда вольт. Мощность разряда -- от 1 до 1000 ГВт. Количество электричества, расходуемого молнией при разряде -- от 10 до 50 кулон.

Сложные процессы трения, ударов, расщепления капелек или ледяных кристалликов на части приводят к образованию в облаках электрических зарядов. При этом положительно заряженные капельки обычно относятся воздушным потоком в верхнюю часть облака. Превращаясь в ледяные кристаллики, они образуют шапку грозового облака [1].

Электрическая природа молнии была раскрыта в исследованиях американского физика Б. Франклина, по идее которого был проведён опыт по извлечению электричества из грозового облака. Широко известен опыт Франклина по выяснению электрической природы молнии. В 1750 году им опубликована работа, в которой описан эксперимент с использованием воздушного змея, запущенного в грозу. Опыт Франклина был описан в работе Джозефа Пристли [2].

Наиболее часто молния возникает в кучево-дождевых облаках, тогда они называются грозовыми; иногда молния образуется в слоисто-дождевых облаках, а также при вулканических извержениях, торнадо и пылевых бурях.

Молнии бывают нескольких видов:

a) Большинство молний возникает между тучей и земной поверхностью, однако, есть молнии, возникающие между тучами. Все эти молнии принято называть линейными. Длина отдельной линейной молнии может измеряться километрами.

б) Еще одним видом молний является ленточная молния. При этом следующая картина, как если бы возникли несколько почти одинаковых линейных молний, сдвинутых относительно друг друга.

в) Было замечено, что в некоторых случаях вспышка молний распадается на отдельные святящиеся участки длиной в несколько десятков метров. Это явление получило название четочной молнии. Согласно Малану (1961) такой вид молний объясняется на основе затяжного разряда, после свечения которого казалось бы более ярким в том месте, где канал изгибается в направлении наблюдателя, наблюдающего его концом к себе. А Юман (1962) считал, что это явление стоит рассматривать как пример "пинг-эффекта", который заключается в периодическом изменении радиуса разрядного столба с периодом в несколько микросекунд.

г) Шаровая молния, которая является наиболее загадочным природным явлением.

д) Наземные молнии. Процесс развития этой молнии делится на несколько стадий:

На первой стадии в зоне, где электрическое поле достигает критического значения, начинается ударная ионизация, создаваемая вначале свободными зарядами, всегда имеющимися в небольшом количестве в воздухе, которые под действием электрического поля приобретают значительные скорости по направлению к земле и, сталкиваясь с молекулами, составляющими воздух, ионизуют их.

Запуск молнии происходит от высокоэнергетических частиц, вызывающих пробой на убегающих электронах. Таким образом возникают электронные лавины, переходящие в нити электрических разрядов -- стримеры, представляющие собой хорошо проводящие каналы, которые, сливаясь, дают начало яркому термоионизованному каналу с высокой проводимостью -- ступенчатому лидеру молнии.

В заключительной стадии по ионизованному лидером каналу следует обратный (снизу вверх), или главный, разряд молнии, характеризующийся токами от десятков до сотен тысяч ампер, яркостью, заметно превышающей яркость лидера, и большой скоростью продвижения, вначале доходящей до ~ 100 000 километров в секунду, а в конце уменьшающейся до ~ 10 000 километров в секунду. Температура канала при главном разряде может превышать 2000030000 °C. Длина канала молнии может быть от 1 до 10 км, диаметр -- несколько сантиметров. После прохождения импульса тока ионизация канала и его свечение ослабевают. В финальной стадии ток молнии может длиться сотые и даже десятые доли секунды, достигая сотен и тысяч ампер. Такие молнии называют затяжными, они наиболее часто вызывают пожары. Но земля не является заряженной, поэтому принято считать, что разряд молнии происходит от облака по направлению к земле (сверху вниз). молния электрический заряд шаровой

е) Внутриоблачные молнии включают в себя обычно только лидерные стадии; их длина колеблется от 1 до 150 км. Доля таких молний растет по мере смещения к экватору, меняясь от 0,5 в умеренных широтах до 0,9 в экваториальной полосе. Прохождение молнии сопровождается изменениями электрических и магнитных полей и радиоизлучением, так называемыми атмосфериками.

Вероятность поражения молнией наземного объекта растет по мере увеличения его высоты и с увеличением электропроводности почвы на поверхности или на некоторой глубине (на этих факторах основано действие молниеотвода). Если в облаке существует электрическое поле, достаточное для поддержания разряда, но недостаточное для его возникновения, роль инициатора молнии может выполнить длинный металлический трос или самолёт -- особенно, если он сильно электрически заряжен. Таким образом иногда «провоцируются» молнии в слоисто-дождевых и мощных кучевых облаках.

Какие причины вызывают молнию? Существует несколько различных теорий, объясняющих происхождение молнии.

Обычно нижняя часть облака несет отрицательный, а верхняя -- положительный заряд. Когда разность электрических потенциалов становится достаточно большой, между землей и облаком или между двумя частями облака происходит разряд, известный под названием молнии. Электрический разряд между нижней частью облака и землей можно объяснить следующим образом. Если эта часть облака заряжена отрицательно, то на возвышенных участках земной поверхности, находящихся непосредственно под облаком, наводится положительный заряд. И если разность потенциалов между этими зарядами достаточно велика, происходит разряд. Свечение молнии вызывается ионизацией молекул воздуха на пути молнии тем же механизмом, каким возбуждается свечение неоновых рекламных трубок. Поскольку для возникновения искры, проскакивающей воздушный промежуток длиной в сантиметр, необходимо напряжение в несколько тысяч вольт, соответствующие напряжения в молниях имеют величину порядка миллионов вольт. В каком отношении комбинация земли, облака и воздуха между ними подобна конденсатору? Если диэлектрик -- воздух -- между землей и заряженным облаком оказывается пробитым, то можно предполагать, что в месте пробоя толщина воздушного слоя является наименьшей. Иными словами, молния должна идти по пути наименьшего сопротивления, который в большинстве случаев является кратчайшим путем от облака к земле. Поэтому молния чаще всего ударяет в возвышающиеся над уровнем земли колокольни, флагштоки, небоскребы, а также в одиночные деревья в полях и вершины холмов. Молния представляет собой не что иное, как электрический разряд. На заостренном конце проводника концентрация электрических зарядов выше, чем на закругленном конце. Другой причиной того, что молния выбирает предметы, наиболее близкие к облаку, является то, что, чем ближе предмет к облаку, тем значительнее наводящийся на нем заряд. Кроме того, по чисто геометрическим соображениям, заряд, накапливающийся на остриях или острых краях тел, больше, чем на плоских или закругленных поверхностях. [3]

В верхней атмосфере наблюдаются особые виды молний: эльфы, джеты и спрайты.

Эльфы представляют собой огромные, но слабосветящиеся вспышки-конусы диаметром около 400 км, которые появляются непосредственно из верхней части грозового облака. Высота эльфов может достигать 100 км, длительность вспышек -- до 5 мс (в среднем 3 мс).

Джеты представляют собой трубки-конусы синего цвета. Высота джетов может достигать 40-70 км (нижняя граница ионосферы), живут джеты относительно дольше эльфов.

Спрайты трудно различимы, но они появляются почти в любую грозу на высоте от 55 до 130 километров (высота образования «обычных» молний -- не более 16 километров). Это некое подобие молнии, бьющей из облака вверх. Впервые это явление было зафиксировано в 1989 году случайно. Сейчас о физической природе спрайтов известно крайне мало. [4]

Самыми большими и долгими являются молнии Кататумбо, длящиеся приблизительно 6 месяцев. 232 вспышки молний на квадратный километр в год. Этот удивительнейший метеорологический феномен берет свое начало на северо-западе Венесуэлы и может продолжаться несколько месяцев, не прекращаясь. В течение данного периода небесное пространство ежеминутно озаряет вспышка молнии.

Кампене

Демократическая Республика Конго

176 вспышек молний на квадратный километр в год.

Поверьте, молния может бить в одно место дважды. Эмпайр-стейт-Билдинг получает около 20 ударов в год. Кампене -- около тридцати в месяц.

Кабаре

Демократическая Республика Конго

205 вспышек молний на квадратный километр в год

Великие Озера Африки -- чуть ли не самое притягательное место для молний в мире. Кабаре остается эпицентром активности молний. [5,6]

Молния - одно из самых разрушительных и устрашающих природных явлений, с которыми повсеместно сталкивается человек.

В настоящий момент современный уровень науки и техники позволяет создать действительно функционально надежную и соответствующую техническому уровню систему молниезащиты.

На Земле происходит около 32 миллиардов ударов молний в год, ущерб от которых оценивается в 5 миллиардов долларов. Только в США от молний ежегодно страдает около 1000 человек, двести из которых гибнет.

По статистике, молнии попадают в самолеты, в среднем, три раза в год, но в наши дни это редко приводит к серьезным последствиям. Современные авиалайнеры теперь достаточно хорошо защищены от удара молнии. Самая тяжелая авиационная катастрофа, вызванная молнией, произошла 8 декабря 1963 года в штате Мэрилэнд, США. Тогда попавшая в самолет молния проникла в резервный бак горючего, что привело к воспламенению всего самолета. В результате этой погибло 82 человека.

Шаровая молния - загадочное явление природы, о наблюдениях которого сообщается на протяжении нескольких столетий. Большой прогресс в исследовании этого явления был достигнут в последние десять - пятнадцать лет. Изучение загадочного явления прогрессирует за счет развития смежных областей физики и химии.

Список литературы

1. Имянитов, И.М., Чубарина, Е.В., Шварц Я.М. Электричество облаков. Л., 197. - 593 с.

Богданов, К.Ю. Молния: больше вопросов, чем ответов // Наука и жизнь. - 2007. - № 2. - С. 19-32

Л.Эллиот, У.Уилкокс “Физика” М., 1975 г., 736 стр. с илл. - 415стр.

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%BE%D0%BB%D0%BD%D0%B8%D1%8F http://zenun.ru/samaya-bolshaya-molniya-v-mire/

http://weekend.rambler.ru/events/2016/05/19/samyie-bolshiie-molnii-v-mirie/

Размещено на Allbest.ru