Меню Рубрики

Что такое молния и гром с точки зрения физики

Молния — это мощный электрический разряд. Он возникает при сильной электризации туч или земли. Поэтому разряды молнии могут происходить или внутри облака, или между соседними наэлектризованными облаками, или между наэлектризованным облаком и землей. Разряду молнии предшествует возникновение разности электрических потенциалов между соседними облаками или между облаком и землей.

Электризация, то есть образование сил притяжения электрической природы, всем хорошо знакома из повседневного опыта.


Если расчесать чистые сухие волосы пластмассовой расческой, они начинают притягиваться к ней, или даже искрят. После этого расческа может притягивать и другие мелкие предметы, например, мелкие бумажки. Это явление называется электризация трением.

Что вызывает электризацию облаков? Ведь они не трутся друг о друга, как это происходит при образовании электростатического заряда на волосах и на расческе.

Грозовое облако — это огромное количество пара, часть которого сконденсирована в виде мельчайших капелек или льдинок. Верх грозового облака может находиться на высоте 6-7 км, а низ нависать над землей на высоте 0,5-1 км. Выше 3-4 км облака состоят из льдинок разного размера, так как температура там всегда ниже нуля. Эти льдинки находятся в постоянном движении, вызванном восходящими потоками теплого воздуха от нагретой поверхности земли. Мелкие льдинки легче, чем крупные, увлекаются восходящими потоками воздуха. Поэтому «шустрые» мелкие льдинки, двигаясь в верхнюю часть облака, все время сталкиваются с крупными. Каждое такое столкновение приводит к электризации. При этом крупные льдинки заряжаются отрицательно, а мелкие — положительно. Со временем положительно заряженные мелкие льдинки оказываются в верхней части облака, а отрицательно заряженные крупные — внизу. Другими словами, верх грозовой тучи заряжен положительно, а низ — отрицательно.

Электрическое поле тучи имеет огромную напряженность — около миллиона В/м. Когда большие противоположно заряженные области подходят достаточно близко друг к другу, некоторые электроны и ионы, пробегая между ними, создают светящийся плазменный канал, по которому за ними устремляются остальные заряженные частицы. Так происходит молниевый разряд.

Во время этого разряда выделяется огромная энергия — до миллиарда Дж. Температура канала достигает 10 000 К, что и рождает яркий свет, который мы наблюдаем при разряде молнии. Облака постоянно разряжаются по этим каналам, и мы видим внешние проявления данных атмосферных явлений в виде молний.

Раскаленная среда взрывообразно расширяется и вызывает ударную волну, воспринимаемую как гром.

Мы и сами можем смоделировать молнию, пусть миниатюрную. Опыт следует производить в темном помещении, иначе ничего не будет видно. Нам потребуется два продолговатых воздушных шарика. Надуем их и завяжем. Затем, следя, чтобы они не соприкасались, одновременно натрем их шерстяной тряпочкой. Воздух, наполняющий их, электризуется. Если шарики сблизить, оставив между ними минимальный зазор, то от одного к другому через тонкий слой воздуха начнут проскакивать искры, создавая световые вспышки. Одновременно мы услышим слабое потрескивание — миниатюрную копию грома при грозе.

Каждый, кто видел молнию, заметил, что это не ярко светящаяся прямая, а ломаная линия. Поэтому процесс образования проводящего канала для разряда молнии называют ее «ступенчатым лидером». Каждая из таких «ступенек» — это место, где разогнавшиеся до околосветовых скоростей электроны остановились из-за столкновений с молекулами воздуха и изменили направление движения.

Таким образом, молния — это пробой конденсатора, у которого диэлектриком является воздух, а обкладками — облака и земля. Емкость такого конденсатора невелика — примерно 0,15 мкФ, но запас энергии огромен, так как напряжение достигает миллиарда вольт.

Одна молния состоит обычно из нескольких разрядов, каждый из которых длится всего несколько десятков миллионных долей секунды.

Наиболее часто молния возникает в кучево-дождевых облаках. Молния бывает также при вулканических извержениях, торнадо и пылевых бурях.

Существует несколько видов молний по форме и по направлению разряда. Разряды могут происходить:

  • между грозовым облаком и землей,
  • между двумя облаками,
  • внутри облака,
  • уходить из облака в чистое небо.
Молния между облаком и землей Горизонтальная молния
Внутриоблачная молния Ленточная молния

Большая часть молний и электрических разрядов (порядка 80%) происходит между грозовыми облаками и внутри грозового облака. Но мощность электрических разрядов между землей и облаками несопоставимо больше, так как намного выше разность потенциалов «между небом и землей».

Молнии могут иметь разветвленный рисунок или представлять собой единый столб (линейные молнии). Они могут быть линейными и разветвленными. Редкой и загадочной малоизученной формой молнии является шаровая молния.

Многие люди боятся страшного явления природы – грозы. Это обычно происходит, когда солнце закрывается мрачными тучами, гремит жуткий гром и идет сильный дождь.

Конечно, бояться молнии следует, ведь она может даже убить или стать причиной возникновения пожара. Это известно давно, поэтому и придумали различные средства для защиты от молний и грома (например, металлические шесты).

Что же происходит там наверху и откуда берется гром? И молния как возникает?

Грозовые тучи

Тучи грозовые обычно огромные. По высоте они достигают нескольких километров. Визуально не видно, как внутри этих гремучих туч все бурлит и кипит. Это бурные потоки воздуха, включающие в себя капельки воды, с большой скоростью перемещаются снизу вверх и наоборот.

Самая верхняя часть этих туч по температуре достигает -40 градусов, и капли воды, попадающие в эту часть тучи, замерзают.

О происхождении грозовых туч

Прежде чем мы узнаем, откуда берется гром и молния как возникает, вкратце опишем, как формируются грозовые тучи.

Большая часть этих явлений происходит не над водной гладью планеты, а над континентами. Кроме того, грозовые облака интенсивно формируются над континентами тропических широт, где у поверхности земли воздух (в отличие от воздуха над водной поверхностью) сильно прогревается и поднимается быстро вверх.

Обычно на склонах разных возвышенностей образуется подобный восходящий поток прогретого воздуха, который втягивает в себя влажный воздух с обширных площадей земной поверхности и поднимает его вверх.

Таким образом и образуются так называемые кучевые облака, превращающиеся в грозовые облака, описанные чуть выше.

А теперь проясним, что же такое молния, откуда берется она?

Молния и гром

Из тех самых замерзших капель образуются кусочки льда, которые также перемещаются в облаках с огромной скоростью, сталкиваясь, разрушаясь и заряжаясь электричеством. Те льдинки, которые легче и меньше, остаются наверху, а те, что крупнее, – тают, спускаясь вниз, вновь превращаясь в капельки воды.

Таким образом, в грозовой туче возникают два электрических заряда. В верхней части отрицательный, в нижней – положительный. При встрече разных зарядов возникает мощный электрический разряд и происходит молния. Откуда берется она, стало понятно. А дальше что происходит? Вспышка молнии мгновенно разогревает и расширяет вокруг себя воздух. Последний нагревается так сильно, что происходит эффект взрыва. Это и есть гром, пугающий все живое на земле.

Выходит, что все это — проявления атмосферного электричества. Тогда возникает следующий вопрос о том, последнее откуда берётся, причем в таких больших количествах. И куда оно девается?

Что такое молния, откуда берется она, выяснили. Теперь немного о процессах, сохраняющих заряд Земли.

Ученые выяснили, что заряд Земли в общем невелик и составляет всего лишь 500 000 кулонов (как у 2 автомобильных аккумуляторов). Тогда куда исчезает тот отрицательный заряд, которые переносится молниями ближе к поверхности Земли?

Обычно в ясную погоду Земля потихоньку разряжается (постоянно между ионосферой и поверхностью Земли проходит слабый ток через всю атмосферу). Хоть и воздух считается изолятором, в нем есть небольшая доля ионов, которая позволяет существовать току в объёме всей атмосферы. Благодаря этому, хоть и медленно, но отрицательный заряд переносится с земной поверхности на высоту. Поэтому и объем суммарного заряда Земли всегда сохраняется неизменным.

Откуда берется шаровая молния

На сегодня самым распространенным мнением является то, что молния шаровая представляет собой особый вид заряда в форме шара, причем существующий довольно продолжительное время и перемещающийся по непредсказуемой траектории.

Единой теории возникновения этого явления на сегодня нет. Существует много гипотез, но пока ни одна не получила признания в среде ученых.

Обычно, как свидетельствуют очевидцы, шаровая молния возникает в грозу или в шторм. Но имеются и случаи её возникновения и в солнечную погоду. Чаще она порождается обычной молнией, иногда возникает и спускается с облаков, а реже появляется неожиданно в воздухе или даже может выйти из какого-то предмета (столб, дерево).

Некоторые интересные факты

Откуда берется гроза и молния, мы выяснили. Теперь немного о любопытных фактах, касающихся вышеописанных природных явлений.

1. Ежегодно Земля испытывает приблизительно 25 миллионов вспышек молний.

2. Молния имеет среднюю длину приблизительно в 2,5 км. Есть и разряды, простирающиеся в атмосфере на 20 км.

3. Есть поверье, что молния не может дважды ударить в одно место. В действительности это не так. Результаты анализа (по географической карте) мест ударов молний за предшествующие несколько лет показывают, что молния и несколько раз может ударить в одно и то же место.

Вот и выяснили что такое молния, откуда берется она.

Грозы образуются как следствие сложнейших атмосферных явлений планетарного масштаба.

Каждую секунду на планете Земля происходит примерно 50 вспышек молниий.

Молния как физическое явление

Для формирования молнии необходимо возникновение и разделение положительных и отрицательных зарядов в грозовом облаке. При движении воздуха за счет конвекции различные воздушные потоки и облака в результате соприкосновения электризуются. Положительно заряженные капли воды и льдинки поднимаются, заряжая верхнюю часть грозового облака, а отрицательно заряженные оказываются внизу того же облака. Между двумя облаками, а также между облаками и землей возникает мощное электрическое поле. Рассмотрим последний случай.

Молния — это электрический разряд в атмосфере, сопровождающийся вспышкой света и последующим громом. Светящийся канал разряда напоминает разветвляющуюся реку или дерево. Ее возникновению предшествует образование проводящего канала для разряда молнии в виде ломаной линии, так называемого ступенчатого лидера. Длина каждой такой «ступеньки» — около 50 м. На таком отрезке электроны под действием сильного электрического поля между тучей и землей разгоняются до скоростей порядка 50 000 км/с! Ионизировав огромное количество атомов, первичные электроны теряют энергию и тормозятся. Зато вновь образовавшиеся электроны быстро разгоняются до столь же высоких скоростей, и возникает следующее звено лидера. И так продолжается до тех пор, пока он не достигнет земли.

Облако и земля оказываются соединенными проводящим каналом, содержащим громадное количество носителей заряда. Иными словами, это проводник электрического тока. Теперь электроны нижней части тучи могут свободно сигануть вниз, на землю. Происходит как бы короткое замыкание между тучей и поверхностью земли — мощный электрический разряд, то есть бьет молния. Когда весь отрицательный заряд этой части тучи сбегает по такому каналу вниз, молния исчезает. Вспышка длится десятые доли секунды. Но бывают случаи, когда после первой молнии по тому же каналу бежит новый лидер — происходят второй разряд и вспышка молнии. Интервалы между последовательными импульсами очень коротки, от 1/100 до 1/10 с. Число таких повторных вспышек может доходить до 40.

Готовим молнию

Мы и сами можем смоделировать молнию, пусть и миниатюрную. Опыт следует проводить в темном помещении, иначе ничего не будет видно. Нам потребуется два продолговатых воздушных шарика. Надуем их и завяжем. Затем, следя, чтобы шарики не соприкасались, одновременно натрем их шерстяной тряпочкой. Воздух, наполняющий их, наэлектризуется. Если шарики сблизить, оставив между ними минимальный зазор, то от одного к другому через тонкий слой воздуха начнут проскакивать искры, создавая световые вспышки. Одновременно мы услышим слабое потрескивание — миниатюрную копию грома при грозе.

Мы проводники!

Человеческое тело является хорошим проводником. Его мускулы и кровеносные сосуды в значительной степени состоят из воды, а нервы способны переносить электрические сигналы. Интересно, что 86% жертв молний — мужчины. То ли у них физиология особенная, то ли они бывают на свежем воздухе чаще женщин, проводящих большую часть жизни дома.

Читайте также:  При каком минусе зрения делают лазерную коррекцию зрения

Человек имеет значительные шансы выжить при ударе молнии в него. Конечно, температура во время разряда очень высока, но длится он обычно недолго и не всегда приводит к серьезным ожогам. Основной ток молнии часто проходит по поверхности тела, поэтому большинство пораженных молнией людей не умирают.

Откуда берутся гром и молния?

Вот еще недавно чистое, ясное небо затянули облака. Упали первые капли дождя. А в скором времени стихия продемонстрировала земле свою силу. Гром и молния пронзили грозовое небо. Откуда приходят подобные явления? Человечество множество веков видело в них проявление божественной силы. Сегодня мы знаем о возникновении таких явлений.

Происхождение грозовых туч

Облака появляются в небе из конденсата, поднимающегося высоко над землей, и парят в небе. Тучи же более тяжелые и большие. Они приносят с собой все «спецэффекты», присущие непогоде.

Грозовые облака отличаются от обычных наличием заряда электричества. Причем есть тучи с положительным зарядом, а есть с отрицательным.

Чтобы понять, откуда берутся гром и молния, следует подняться выше над землей. В небе, где нет препятствий для вольного полета, дуют ветра сильнее, чем на земле. Именно они провоцируют заряд в облаках.

Происхождение грома и молнии может объяснить всего одна капля воды. Она имеет положительный заряд электричества в центре и отрицательный снаружи. Ветер разбивает ее на части. Одна из них остается с отрицательным зарядом и имеет меньший вес. Более тяжелые положительно заряженные капли образуют такие же тучи.

Дождь и электричество

До того как в грозовом небе появятся гром и молния, ветер разделяет облака на положительно и отрицательно заряженные. Дождь, падающий на землю, уносит часть этого электричества с собой. Между тучей и поверхностью земли образовывается притяжение.

Отрицательный заряд тучи будет притягивать положительный на земле. Это притяжение будет располагаться равномерно на всех поверхностях, находящихся на возвышенности, и проводящих ток.

И вот дождь создает все условия для появления грома и молнии. Чем выше предмет к туче, тем легче молнии пробиться к нему.

Происхождение молнии

Погода подготовила все условия, которые помогут появиться всем ее эффектам. Она создала тучи, откуда берутся гром и молния.

Заряженная отрицательным электричеством крыша притягивает к себе положительный заряд наиболее возвышенного предмета. Его отрицательное электричество уйдет в землю.

Обе эти противоположности стремятся притянуться друг к другу. Чем больше в туче электричества, тем больше его и в самом возвышенном предмете.

Накапливаясь в туче, электричество может прорвать слой воздуха, находящийся между ней и предметом, и появится сверкающая молния, прогремит гром.

Как развивается молния

Когда бушует гроза, молния, гром сопровождают ее беспрестанно. Чаще всего искра происходит из отрицательно заряженной тучи. Она развивается постепенно.

Сначала из тучи по каналу, направленному к земле, течет небольшой поток электронов. В этом месте тучи скапливаются электроны, двигающиеся с большой скоростью. Благодаря этому электроны сталкиваются с атомами воздуха и разбивают их. Получаются отдельные ядра, а также электроны. Последние также устремляются к земле. Пока они движутся по каналу, все первичные и вторичные электроны снова расщепляют стоящие у них на пути атомы воздуха на ядра и электроны.

Весь процесс похож на лавину. Он двигается по нарастающей. Воздух разогревается, его проводимость увеличивается.

Все сильнее электричество из тучи стекается к земле со скоростью 100 км/с. В этот момент молния пробивает себе канал к земле. По этой дороге, проложенной лидером, электричество начинает течь еще быстрее. Происходит разряд, имеющий огромную силу. Достигая своего пика, разряд уменьшается. Канал, разогретый таким мощным током, светится. И в небе становится видно молнию. Протекает такой разряд недолго.

После первого разряда часто следует второй по проложенному каналу.

Как появляется гром

Гром, молния, дождь неразлучны при грозе.

Гром возникает по следующей причине. Ток в канале молнии образуется очень быстро. Воздух при этом очень нагревается. От этого он расширяется.

Это происходит так быстро, что напоминает взрыв. Такой толчок сильно сотрясает воздух. Эти колебания и приводят к появлению громкого звука. Вот откуда берутся молния и гром.

Как только электричество из тучи достигнет земли и исчезнет из канала, он очень быстро охлаждается. Сжатие воздуха также приводит к раскатам грома.

Чем больше молний прошло по каналу (их может быть до 50 штук), тем продолжительнее сотрясения воздуха. Этот звук отражается от предметов и туч, и происходит эхо.

Почему есть интервал между молнией и громом

В грозу за появлением молнии следует гром. Опоздание его от молнии происходит из-за разных скоростей их движения. Звук движется с относительно небольшой скоростью (330 м/с). Это всего в 1,5 раза быстрее движения современного «Боинга». Скорость света гораздо больше скорости звука.

Благодаря такому интервалу можно определить, как далеко от наблюдателя находятся сверкающие молнии и гром.

Например, если между молнией и громом прошло 5 с, это значит, что звук прошел 330 м 5 раз. Путем умножения легко посчитать, что молнии от наблюдателя были на расстоянии 1650 м. Если гроза проходит ближе, чем 3 км от человека, она считается близкой. Если расстояние в соответствии с появлением молнии и грома дальше, то и гроза дальняя.

Молния в цифрах

Гром и молния были изменены учеными, и результаты их исследований представлены общественности.

Было установлено, что разница потенциалов, предшествующих молнии, достигает миллиардов вольт. Сила тока при этом в момент разряда достигает 100 тыс. А.

Температура в канале разогревается до 30 тыс. градусов и превышает температуру на поверхности Солнца. От облаков до земли молния проходит со скоростью 1000 км/с (за 0,002 с).

Внутренний канал, по которому течет ток, не превышает 1 см, хотя видимый достигает 1 м.

В мире непрерывно происходит около 1800 гроз. Вероятность быть убитым молнией составляет 1:2000000 (такая же, как умереть при падении с кровати). Вероятность увидеть шаровую молнию равна 1 к 10000.

Шаровая молния

На пути изучения того, откуда гром и молния происходят в природе, самым загадочным явлением выступает шаровая молния. Эти круглые огненные разряды до конца еще не изучены.

Чаще всего форма такой молнии напоминает грушу или арбуз. Она существует до нескольких минут. Появляется в конце грозы в виде красных сгустков от 10 до 20 см в поперечнике. Наибольшая шаровая молния, сфотографированная однажды, была около 10 м в диаметре. Она издает жужжащий, шипящий звук.

Исчезнуть может тихо или с небольшим треском, оставляя запах гари и дымок.

Движение молнии не зависит от ветра. Их тянет в закрытые помещения через окна, двери и даже щели. Если соприкасаются с человеком, оставляют сильные ожоги и могут привести к летальному исходу.

До сих пор причины появления шаровой молнии были неизвестны. Однако это не является свидетельством ее мистического происхождения. В этой области ведутся исследования, которые смогут объяснить сущность такого явления.

Ознакомившись с такими явлениями, как гром и молния, можно понять механизм их возникновения. Это последовательный и довольно сложный физико-химический процесс. Он представляет собой одно из самых интересных явлений природы, которое встречается повсеместно и потому затрагивает практически каждого человека на планете. Ученые разгадали загадки практически всех видов молний и даже измеряли их. Шаровая молния на сегодняшний день выступает единственной нераскрытой тайной природы в области образования подобных явлений природы.

Что такое молния? Как образуется и откуда берется это природное явление.

Тучи раскинули крылья и солнце от нас закрыли…

Почему иногда во время дождя мы слышим гром и видим молнию? Откуда берутся эти вспышки? Вот сейчас мы подробно об этом и расскажем.

Что же такое – молния?

Что такое молния? Это удивительное и очень загадочное явление природы. Она почти всегда бывает во время грозы. Кого-то изумляет, кого-то пугает. Пишут о молнии поэты, изучают это явление ученые. Но многое осталось неразгаданным.

Одно известно точно – это гигантская искра. Словно взорвался миллиард электрических лампочек! Длина ее огромна – несколько сотен километров! И от нас она очень далеко. Вот почему сначала мы видим ее, а только потом – слышим. Гром – это «голос» молнии. Ведь свет долетает до нас быстрей, чем звук.

А еще молнии бывают на других планетах. Например, на Марсе или Венере. Обычная молния длится всего долю секунды. Состоит она при этом из нескольких разрядов. Появляется молния иногда совсем неожиданно.

Как образуется молния?

Рождается молния обычно в грозовом облаке, высоко над землей. Грозовые облака появляются, когда воздух начинает сильно нагреваться. Вот почему после сильной жары бывают потрясающие грозы. Миллиарды заряженных частичек буквально слетаются в то место, где она зарождается. И когда их собирается очень-очень много, они вспыхивают. Вот откуда берется молния – из грозовой тучи. Она может ударить в землю. Земля притягивает ее. Но может разорваться и в самом облаке. Все зависит от того, какая это молния.

Какие бывают молнии?

Виды молний бывают разные. И знать об этом нужно. Это не только «ленточка» на небе. Все эти «ленточки» отличаются друг от друга.

Молния – это всегда удар, это всегда разряд между чем-то. Их насчитывают более десяти! Назовем пока только самые основные, прилагая к ним картинки молнии:

  • Между грозовой тучей и землей. Это те самые «ленточки», к которым мы привыкли.

Между высоким деревом и тучей. Та же самая «ленточка», но удар направлен в другую сторону.

Ленточная молния – когда не одна «ленточка», а несколько параллельно.

  • Между облаком и облаком, или просто «разыграется» в одном облаке. Такой вид молнии часто можно увидеть во время грозы. Просто нужно быть внимательным.
  • Бывают и горизонтальные молнии, которые земли вообще не касаются. Они наделены колоссальной силой и считаются самыми опасными

  • А о шаровых молниях слышали все! Мало только, кто их видел. Еще меньше тех, кто желал бы их увидеть. А есть и такие люди, которые в их существование не верят. Но шаровые молнии существуют! Сфотографировать такую молнию сложно. Взрывается она быстро, хотя может и «погулять», а вот человеку рядом с ней лучше не двигаться – опасно. Так что – не до фотоаппарата тут.

  • Вид молнии с очень красивым названием – «Огни Святого Эльма». Но это не совсем молния. Это сияние, которое появляется в конце грозы на остроконечных зданиях, фонарях, корабельных мачтах. Тоже искра, только не затухающая и не опасная. Огни Святого Эльма – это очень красиво.
  • Вулканические молнии возникают при извержении вулкана. Сам вулкан уже имеет заряд. Это, вероятно, и является причиной возникновения молнии.

  • Спрайтовые молнии – это такие, которые с Земли не увидишь. Они возникают над облаками и их изучением пока мало кто занимается. Молнии эти похожи на медуз.

  • Пунктирная молния почти не изучена. Наблюдать ее можно крайне редко. Визуально она действительно похожа на пунктир – будто молния-ленточка тает.

Вот такие вот бывают молнии разные. Только закон для них один – электрический разряд.

Заключение.

Еще в древности молния считалась и знамением, и яростью Богов. Она была загадкой раньше и остается ею сейчас. Как бы ни раскладывали ее на мельчайшие атомы и молекулы! И всегда это – безумно красиво!

Физика атмосферы: как, почему и откуда появляются молнии

Каждую секунду в атмосфере Земли возникает примерно 700 молний, и каждый год около 3000 человек погибают из-за удара молнии. Физическая природа молнии не объяснена окончательно, а большинство людей имеют лишь приблизительное представление о том, что это такое. Какие-то разряды сталкиваются в облаках, или что-то в этом роде. Сегодня мы обратились к нашим авторам по физике, чтобы узнать о природе молнии больше. Как появляется молния, куда бьет молния, и почему гремит гром. Прочитав статью, вы будете знать ответ на эти и многие другие вопросы.

Читайте также:  Лечение народными средствами при ухудшении зрения

Ежедневная рассылка с полезной информацией для студентов всех направлений – на нашем телеграм-канале.

Что такое молния

Молния – искровой электрический разряд в атмосфере.

Электрический разряд – это процесс протекания тока в среде, связанный с существенным увеличением ее электропроводности относительно нормального состояния. Существуют разные виды электрических разрядов в газе: искровой, дуговой, тлеющий.

Искровой разряд происходит при атмосферном давлении и сопровождается характерным треском искры. Искровой разряд представляет собой совокупность исчезающих и сменяющих друг друга нитевидных искровых каналов. Искровые каналы также называют стримерами. Искровые каналы заполнены ионизированным газом, то есть плазмой. Молния – гигантская искра, а гром – очень громкий треск. Но не все так просто.

Физическая природа молнии

Как объясняют происхождение молнии? Система туча-земля или туча-туча представляет собой своеобразный конденсатор. Воздух играет роль диэлектрика между облаками. Нижняя часть облака имеет отрицательный заряд. При достаточной разности потенциалов между тучей и землей возникают условия, в которых происходит образование молнии в природе.

Ступенчатый лидер

Перед основной вспышкой молнии можно наблюдать небольшое пятно, движущееся от тучи к земле. Это так называемый ступенчатый лидер. Электроны под действием разности потенциалов, начинают двигаться к земле. Двигаясь, они сталкиваются с молекулами воздуха, ионизируя их. От тучи к земле прокладывается как бы ионизированный канал. Из-за ионизации воздуха свободными электронами электропроводность в зоне траектории лидера существенно возрастает. Лидер как бы прокладывает путь для основного разряда, двигаясь от одного электрода (тучи) к другому (земле). Ионизация происходит неравномерно, поэтому лидер может разветвляться.

Обратная вспышка

В момент, когда лидер приближается к земле, напряженность на его конце растет. Из земли или из предметов, выступающих над поверхностью (деревья, крыши зданий) навстречу лидеру выбрасывается ответный стример (канал). Это свойство молний используется для защиты от них путем установки громоотвода. Почему молния бьет в человека или в дерево? На самом деле ей все равно, куда бить. Ведь молния ищет наиболее короткий путь между землей и небом. Именно поэтому во время грозы опасно находиться на равнине или на поверхности воды.

Когда лидер достигает земли, по проложенному каналу начинает течь ток. Именно в этот момент и наблюдается основная вспышка молнии, сопровождаемая резким ростом силы тока и выделением энергии. Здесь уместен вопрос, откуда идет молния? Интересно, что лидер распространяется от тучи к земле, а вот обратная яркая вспышка, которую мы и привыкли наблюдать, распространяется от земли к туче. Правильнее говорить, что молния идет не от неба к земле, а происходит между ними.

Почему молния гремит?

Гром возникает в результате ударной волны, порождаемой быстрым расширением ионизированных каналов. Почему сначала мы видим молнию а потом слышим гром? Все дело в разности скоростей звука (340,29 м/с) и света (299 792 458 м/с). Посчитав секунды между громом и молнией и умножив их на скорость звука, можно узнать, на каком расстоянии от Вас ударила молния.

Нужна работа по физике атмосферы? Для наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы

Виды молний и факты о молниях

Молния между небом и землей – не самая распространенная молния. Чаще всего молнии возникают между облаками и не несут угрозы. Помимо наземных и внутриоблачных молний, существуют молнии, образующиеся в верхних слоях атмосферы. Какие есть разновидности молний в природе?

Последние три вида молний невозможно наблюдать без специальных приборов, так как они образуются на высоте от 40 километров и выше.

Приведем факты о молниях:

  • Протяженность самой длинной зафиксированной молнии на Земле составила 321 км. Эта молния была замечена в штате Оклахома, 2007 г.
  • Самая долгая молния длилась 7,74 секунды и была зафиксирована в Альпах.
  • Молнии образуются не только на Земле. Точно известно о молниях на Венере, Юпитере, Сатурне и Уране. Молнии Сатурна в миллионы раз мощнее земных.
  • Сила тока в молнии может достигать сотен тысяч Ампер, а напряжение – миллиарда Вольт.
  • Температура канала молнии может достигать 30000 градусов Цельсия – это в 6 раз больше температуры поверхности Солнца.

Шаровая молния

Шаровая молния – отдельный вид молнии, природа которого остается загадкой. Такая молния представляет собой движущийся в воздухе светящийся объект в форме шара. По немногочисленным свидетельствам шаровая молния может двигаться по непредсказуемой траектории, разделяться на более мелкие молнии, может взорваться, а может просто неожиданно исчезнуть. Существует множество гипотез о происхождении шаровой молнии, но ни одна не может быть признана достоверной. Факт — никто не знает, как появляется шаровая молния. Часть гипотез сводят наблюдение этого явления к галлюцинациям. Шаровую молнию ни разу не удалось наблюдать в лабораторных условиях. Все, чем могут довольствоваться ученые – это свидетельства очевидцев.

Напоследок предлагаем Вам посмотреть видео и напоминаем: если курсовая или контрольная свалилась на голову как молния в солнечный день, не нужно отчаиваться. Специалиста студенческого сервиса выручают студентов с 2000 года. Обращайтесь за квалифицированной помощью в любое время. 24 часа в сутки, 7 дней в неделю мы готовы помочь вам.

Как образуется молния?

Что такое гроза?

Гроза – это атмосферное явление, которое сопровождается светомузыкальными эффектами под названиями молния и гром. Еще при грозе частенько бушует ветер и льется дождь. В общем-то каждый и сам все видел и все это знает. С дождем и ветром более менее понятно, но возникает вопрос откуда берутся молния и гром? Обычно люди, которые знают, что электричество живет в розетке, делают серьезное лицо и выдают ответ: “Это облака сталкиваются, поэтому сверкает.” Неплохой ответ конечно, но давайте ответим на этот вопрос с физической точки зрения.

Что такое молния?

Молния – это электрический разряд. Но откуда же он берется? А все начинается с облаков. С поверхности земли испаряется влага, которая поднимается вверх в виде капелек. “Стая” таких капелек собирается на определенной высоте и становится видна с земли в виде облака (в одном облаке просто невероятное количество капель). К облакам постоянно присоединяются новые капли, а старые могут отрываться от них. Если их присоединяется больше, чем отрывается, то облако растет. Размер облака по вертикали может достигать нескольких километров (расстояние от земли до нижней части облака примерно 0.5 – 2 км). В облаках температура может быть ниже нуля градусов по Цельсию, поэтому капельки замерзают и становятся льдинками. Эти льдинки находятся в постоянном движении, поэтому очень часто сталкиваются друг с другом. В результате этих столкновений одни капли/льдинки заряжаются положительно (они более легкие, поэтому поднимаются вверх), а другие отрицательно (они более тяжелые, поэтому скапливаются в нижней части облака).

При этом процессе нижняя часть облака заряжается отрицательно, а верхняя – положительно. При этом такое облако уже имеет большие размеры и становится грозовым. Нужно понимать, что не каждое облако становиться грозовым, так как этот процесс занимает длительное время, и нужно, чтобы сложились благоприятные условия (чтобы облако не распалось раньше, чем оно накопит достаточный заряд и наберет достаточную массу).

Теперь вернемся к молнии. Если два таких грозовых облака подходят на достаточно близкое расстояние (да еще одно подходит отрицательной стороной, а другое – положительной), заряженные частицы (электроны и ионы) начинают проскакивать через воздушную прослойку между двумя облаками (ведь плюс и минус, как мы знаем, должны притягиваться). Даже воздушная прослойка не может их остановить, настолько большие заряды у облаков!

Обычно первые частицы являются “полководцами”, так как они прокладывают канал между облаками, по которому сразу же устремляются миллиарды других заряженных частиц.

В этот момент мы и видим молнию!

Часто случается такое, что молния бьет прямо в землю. В этом случае сама земля выступает в качестве скопления положительного заряда, а остальное происходит как описано выше.

Почему молния имеет изломы?

Когда заряженные частицы летят через воздушную прослойку между облаками, они могут сталкиваться с молекулами воздуха или каплями (льдинками) воды. От этих столкновений меняется направление движения заряженных частиц, но в целом они продолжают двигаться в сторону второго облака, чтобы замкнуться на нем.

Почему мы слышим гром?

Гром – это звуковое сопровождение молнии, без которого невозможно достигнуть необходимого порога страха. Именно грома человек боится больше, чем светящейся полоски на небе.

При прохождении электрического разряда (молнии) происходит резкое повышение температуры окружающего воздуха до нескольких тысяч или даже миллионов градусов. Этот температурный скачок приводит к локальному расширению нагретого воздуха (взрыв), которое вызывает ударную волну (раскат грома). Если молния имеет много изломов, то мы слышим несколько раскатов грома при каждой резкой смене направления возникает новый “взрыв“.

Так как скорость звука в воздухе меньше скорости света, мы слышим гром немного позже самой вспышки. По времени задержки грома можно примерно посчитать расстояние до того места, где появилась молния. Для этого нужно посчитать: через сколько секунд слышится гром после вспышки. Каждая секунда равна расстоянию в 1 километр. То есть, если после вспышки прошло 10 секунд до того как прогремел гром, то молния сверкнула на расстоянии 10 км.

Что такое молния и гром с точки зрения физики

II. Образование молнии и грома

1. Происхождение грозовых туч

Туман, поднявшийся высоко над землёй, состоит из частичек воды и образует облака. Более крупные и тяжёлые облака называются тучами. Одни тучи являются простыми — они молнии и грома не вызывают. Другие же называются грозовыми, так как именно они создают грозу, образуют молнию и гром. От простых дождевых туч грозовые тучи отличаются тем, что они заряжены электричеством: одни — положительным, другие — отрицательным.

Как же образуются грозовые тучи?

Всякий знает, какой сильный ветер бывает во время грозы. Но ещё более сильные воздушные вихри образуются выше над землёй, где движению воздуха не мешают леса и горы. Этот ветер, главным образом, и образует положительное и отрицательное электричество в облаках. Чтобы понять это, рассмотрим, как распределено электричество в каждой водяной капле. Такая капля изображена в увеличенном виде на рис. 8. В центре её находится положительное электричество, а равное ему отрицательное электричество располагается на поверхности капли. Падающие капли дождя подхватываются ветром, попадают в воздушные потоки. Ветер, с силой ударяющий в каплю, разбивает её на части. При этом отколовшиеся наружные частицы капли оказываются заряженными отрицательным электричеством. Оставшаяся более крупная и тяжёлая часть капли заряжена положительным электричеством. Та часть тучи, в которой скапливаются тяжёлые частицы капель, заряжается положительным электричеством.

Рис. 8. Так распределено электричество в дождевой капле. Положительное электричество внутри капли изображено одним (большим) знаком «+».

Чем сильнее ветер, тем скорее туча заряжается электричеством. Ветер затрачивает определенную работу, которая уходит на то, чтобы разделить положительное и отрицательное электричества.

Дождь, выпадающий из тучи, уносит часть электричества тучи на землю и, таким образом, между тучей и землёй создаётся электрическое притяжение.

На рис. 9 показано распределение электричества в туче и на поверхности земли. Если туча заряжена отрицательным электричеством, то, стремясь притянуться к нему, положительное электричество земли будет распределяться на поверхности всех возвышенных предметов, проводящих электрический ток. Чем выше предмет, стоящий на земле, тем меньше расстояние между его верхом и низом тучи и тем меньше остающийся здесь слой воздуха, разделяющий разноимённые электричества. Очевидно, что в таких местах молнии легче пробиться к земле. Об этом мы расскажем ещё подробнее дальше.

Рис. 9. Распределение электричества в грозовой туче и наземных предметах.

2. Отчего происходит молния?

Подходя близко к высокому дереву или дому, грозовая туча, заряженная электричеством, действует на него совершенно так же, как в рассмотренном нами последнем опыте заряженная палочка действовала на электроскоп. На верхней части дерева или на крыше дома получается через влияние электричество иного рода, чем то, которое несёт на себе туча. Так, например, на рис. 9 туча, заряженная отрицательным электричеством, притягивает к крыше положительное электричество, а отрицательное электричество дома уйдёт в землю.

Читайте также:  Детский сад для детей с ограниченным зрением

Оба электричества — в туче и в крыше дома — стремятся притянуться друг к другу. Если электричества в туче много, то и на доме образуется через влияние много электричества. Подобно тому, как прибывающая вода может размыть плотину и ринуться бурным потоком, затопляя долину в своём безудержном движении, так и электричество, всё в большем количестве накапливающееся в туче, в конце концов, может прорвать слой воздуха, отделяющий его от поверхности земли, и устремиться вниз навстречу земле, к противоположному электричеству. Произойдёт сильный разряд — между тучей и домом проскочит электрическая искра.

Это и есть молния, ударившая в дом.

Разряды молнии могут происходить не только между тучей и землёй, но и между двумя тучами, заряженными электричествами разного рода.

3. Как развивается молния?

Чаще всего молнии, ударяющие в землю, происходят от туч, заряженных отрицательным электричеством. Молния, ударяющая из такой тучи, развивается так.

Сначала из тучи по направлению к земле начинают течь электроны в небольшом количестве, в узком канале, образуя в воздухе нечто подобное ручейку. На рис. 10 показано это начало образования молнии. В той части тучи, где начинается образование канала, скопились электроны, обладающие большой скоростью движения, благодаря которой они, сталкиваясь с атомами воздуха, разбивают их на ядра и электроны. Освобождающиеся при этом электроны устремляются также по направлению к земле и, снова сталкиваясь с атомами воздуха, расщепляют их. Это похоже на падение снега в горах, когда сначала небольшой ком, катясь вниз, обрастает прилипающими к нему снежинками, и, всё ускоряя свой бег, превращается в грозную лавину. И здесь электронная лавина захватывает всё новые объёмы воздуха, расщепляя его атомы на части. При этом воздух разогревается, а при повышении температуры его проводимость усиливается; он из изолятора превращается в проводник. Через полученный проводящий канал воздуха из тучи начинает стекать электричество всё в большем количестве. Электричество приближается к земле с огромной скоростью, достигающей 100 километров в секунду. Для сравнения напомним, что скорость полёта снаряда из современных орудий не превышает двух километров в секунду.

Рис. 10. В туче начинается образование молнии.

Через сотые доли секунды электронная лавина достигает земли. Этим заканчивается только первая, так сказать, «подготовительная» часть молнии: молния пробила себе дорогу к земле. Вторая, главная часть развития молнии ещё впереди.

Рассмотренную часть образования молнии называют лидером. Это иностранное слово означает по-русски «ведущий». Лидер проложил дорожку второй, более мощной части молнии; эту часть называют главной.

Как только канал дошёл до земли, электричество начинает протекать через него гораздо более бурно и быстро. Теперь происходит соединение отрицательного электричества, скопившегося в канале, и положительного электричества, которое попало в землю с каплями дождя и путём электрического влияния — происходит разряд электричества между тучей и землёй. Такой разряд представляет собою электрический ток огромной силы — эта сила гораздо больше, чем сила тока в обычной электрической сети. Ток, протекающий в канале, очень быстро нарастает, а достигнув наибольшей силы, начинает постепенно спадать. Канал молнии, через который протекает такой сильный ток, очень разогревается и поэтому ярко светится. Но время протекания тока в грозовом разряде очень мало. Разряд длится очень малые доли секунды, и поэтому электрическая энергия, которая получается при разряде, сравнительно невелика.

На рис. 11 показано постепенное продвижение лидера молнии по направлению к земле (первые три рисунка слева). На трёх последних рисунках видны отдельные моменты образования второй (главной) части молнии.

Рис. 11. Постепенное развитие лидера молнии (первые три рисунка) и её главной части (последние три рисунка).

Человек, смотрящий на молнию, конечно, не сможет различить её лидера от главной части, так как они следуют друг за другом чрезвычайно быстро, по одному и тому же пути. Но с помощью фотографического аппарата можно отчётливо видеть оба процесса. Фотографический аппарат применяется в этих случаях особенный. Главное его отличие от обычных фотоаппаратов заключается в том, что его пластинка имеет круглую форму и во время съёмки вращается — совершенно так же, как граммофонная пластинка. Поэтому снимок, сделанный таким аппаратом, растягивается, «размазывается».

После соединения двух электричеств разного рода ток обрывается. Однако, молния обычно на этом не заканчивается. Часто по пути, проложенному первым разрядом, сразу же устремляется новый лидер, а за ним, по тому же пути, идёт снова главная часть разряда. Так завершается второй разряд.

Таких отдельных разрядов, состоящих каждый из своего лидера и главной части, может образовываться до 50 штук. Чаще же всего их бывает 2–3 штуки. Появление отдельных разрядов делает молнию прерывистой, и часто человек, смотрящий на молнию, видит её мерцание.

Вот какова причина мерцания молнии.

Так как молния состоит из нескольких быстро чередующихся вспышек света, то на вращающейся фотографической пластинке появляются отдельные изображения, находящиеся на определённом расстоянии одно от другого. Расстояние между изображениями будет тем большим, чем быстрее вращается пластинка.

Время между образованием отдельных разрядов очень мало; оно не превышает сотых долей секунды. Если число разрядов очень велико, то длительность молнии может достигать целой секунды и даже нескольких секунд. Уж не так «быстра» молния, как это представляли себе раньше!

Мы рассмотрели лишь один вид молнии, который наиболее часто встречается. Эта молния называется линейной молнией, потому что невооружённому глазу она представляется в виде линии — узкой яркой полосы белого, светло-голубого или ярко-розового цвета. Линейная молния имеет длину от сотен метров до многих километров. Путь молнии обычно зигзагообразный. Часто молния имеет много разветвлений. Как было уже сказано, разряды линейной молнии могут происходить не только между тучей и землёй, но и между тучами.

На рис. 12 изображена линейная молния.

Рис. 12. Линейная молния.

4. Отчего происходит гром?

Линейная молния обычно сопровождается сильным раскатистым звуком, который называется громом. Гром возникает по следующей причине. Мы видели, что ток в канале молнии образуется в течение очень короткого промежутка времени. При этом в канале воздух очень быстро и сильно нагревается, а от нагревания он расширяется. Расширение протекает так быстро, что оно напоминает взрыв. Этот взрыв даёт сотрясение воздуха, которое сопровождается сильными звуками. После внезапного прекращения тока температура в канале молнии быстро падает, так как тепло уходит в атмосферу. Канал быстро охлаждается, и воздух в нём поэтому резко сжимается. Это также вызывает сотрясение воздуха, которое снова образует звук. Понятно, что многократные разряды молнии могут вызвать продолжительный грохот и шум. В свою очередь, звук отражается от туч, земли, домов и других предметов и, создавая многократные эхо, удлиняет гром. Поэтому и происходят раскаты грома.

Как всякий звук, гром распространяется в воздухе с сравнительно небольшой скоростью — приблизительно 330 метров в секунду. Эта скорость лишь в полтора раза больше скорости современного самолёта. Если наблюдатель видит сначала молнию и только через некоторое время слышит гром, то он может определить расстояние, которое отделяет его от молнии. Пусть, например, между молнией и громом прошло 5 секунд. Так как за каждую секунду звук пробегает 330 метров, то за пять секунд гром прошёл расстояние в пять раз большее, а именно 1650 метров. Значит, молния ударила меньше чем в двух километрах от наблюдателя.

В тихую погоду гром доносится через 70–90 секунд, проходя 25–30 километров. Грозы, которые проходят от наблюдателя на расстоянии меньшем, чем три километра, считаются близкими, а грозы, проходящие на большем расстоянии — дальними.

5. Шаровая молния

Кроме линейной, бывают, правда гораздо реже, молнии других видов. Из них мы рассмотрим одну, наиболее интересную — шаровую молнию.

Иногда наблюдаются грозовые разряды, представляющие собой огненные шары. Как образуются шаровые молнии — пока ещё не изучено, но имеющиеся наблюдения над этим интересным видом грозового разряда позволяют сделать некоторые выводы. Приведём здесь одно из наиболее интересных описаний шаровой молнии.

Вот что сообщает знаменитый французский учёный Фламмарион:

«7-го июня 1886 года в половине восьмого вечера, во время грозы, разразившейся над французским городом Грей, небо вдруг осветилось широкой красной молнией, и при страшном треске с неба упал огненный шар, поперечником, повидимому, в 30–40 сантиметров. Рассыпая искры, он ударился о конец конька крыши, отбил от её главной балки кусок более чем в полметра длиной, расщепил его на мелкие кусочки, засыпал чердак обломками и обрушил штукатурку с потолка верхнего этажа. Затем этот шар перескочил на крышу подъезда, пробил в ней дыру, упал на улицу и, прокатившись по ней на некоторое расстояние, постепенно исчез. Пожара шар не произвёл и никому не повредил, несмотря на то, что на улице было много народа».

На рис. 13 изображена шаровая молния, заснятая фотографическим аппаратом, а на рис. 14 изображена картина художника, нарисовавшего шаровую молнию, которая упала во двор.

Рис. 13. Шаровая молния.

Рис. 14. Шаровая молния. (С картины художника.)

Чаще всего шаровая молния имеет форму арбуза или груши. Длится она сравнительно долго — от небольшой доли секунды до нескольких минут. Наиболее обычное время длительности шаровой молнии — от 3 до 5 секунд. Шаровая молния чаще всего появляется в конце грозы в виде красных светящихся шаров поперечником от 10 до 20 сантиметров. В более редких случаях она имеет и большие размеры. Была, например, сфотографирована молния поперечником около 10 метров.

Шар может быть иногда ослепительно белым и иметь очень резкий контур. Обычно шаровая молния издаёт свистящий, жужжащий или шипящий звук.

Шаровая молния может исчезать тихо, но может издавать при этом слабый треск или даже оглушающий взрыв. Исчезая, она часто оставляет остро пахнущую дымку. Вблизи земли или в закрытых помещениях шаровая молния движется со скоростью бегущего человека — приблизительно два метра в секунду. Она может оставаться в покое в течение некоторого времени, и такой «осевший» шар шипит и выбрасывает искры до тех пор, пока не исчезнет. Иногда кажется, что шаровую молнию гонит ветер, но обычно её движение от ветра не зависит.

Шаровые молнии притягиваются к закрытым помещениям, в которые они проникают через открытые окна или двери, а иногда даже через небольшие щели. Трубы представляют для них хороший путь; поэтому шаровые молнии часто появляются из печей в кухнях. Покружившись по комнате, шаровая молния оставляет помещение, уходя часто по тому самому пути, по которому она вошла.

Иногда молния два-три раза поднимается и опускается на расстояния от нескольких сантиметров до нескольких метров. Одновременно с этими подъёмами и спусками огненный шар передвигается иногда и в горизонтальном направлении, и тогда кажется, что шаровая молния делает скачки.

Часто шаровые молнии «оседают» на проводниках, предпочитая наиболее высокие точки, или катятся вдоль проводников, например — по водосточным трубам. Двигаясь по телам людей, иногда под одеждами, шаровые молнии вызывают сильные ожоги и даже смерть. Имеются многие описания случаев смертельного поражения людей и животных шаровой молнией. Шаровые молнии могут причинить очень сильные разрушения зданий.

Законченного научного объяснения шаровой молнии ещё нет. Учёные упорно изучали шаровую молнию, однако до сих пор все разнообразные её проявления объяснить не удалось. В этой области предстоит ещё большая научная работа. Конечно, ничего таинственного, «сверхъестественного» и в шаровой молнии нет. Это — электрический разряд, происхождение которого такое же, как и у линейной молнии. Несомненно, в недалёком будущем учёные смогут объяснить все подробности шаровой молнии так же хорошо, как они сумели объяснить все подробности линейной молнии.

Источники:
  • http://fb.ru/article/269806/molniya-otkuda-beretsya-interesnyie-faktyi
  • http://sitekid.ru/fizika/molniya.html
  • http://www.syl.ru/article/207669/new_otkuda-berutsya-grom-i-molniya
  • http://ya-uznayu.ru/priroda/260-chto-takoe-molnia-i-ee-vidy.html
  • http://zaochnik.ru/blog/fizika-atmosfery-kak-poyavlyayutsya-molnii/
  • http://boeffblog.ru/fizika/fizika-eto-interesno/kak-obrazuetsya-molniya
  • http://www.redov.ru/fizika/molnija_i_grom/p4.php