Природа грозы с точки зрения физики

Гроза — что это? Откуда берутся рассекающие все небо молнии и грозные раскаты грома? Гроза — это природное явление. Молнии, называемые электрическими разрядами, могут образовываться внутри туч (кучево-дождевых), либо между земной поверхностью и облаками. Они, как правило, сопровождаются громом. Молнии связаны с ливневыми дождями, шквальным ветром, а нередко и с градом.

Активность

Гроза — это одно из опаснейших природных явлений. Люди, пораженные молнией, выживают лишь в единичных случаях.

Одновременно на планете действует примерно 1500 гроз. Интенсивность разрядов оценивают в сотню молний в секунду.

Распределение гроз на Земле неравномерное. К примеру, над континентами их в 10 раз больше, чем над океаном. Большая часть (78%) молниевых разрядов сосредоточена в экваториальной и тропической зонах. Особенно часто фиксируется гроза в Центральной Африке. А вот полярные районы (Антарктика, Арктика) и полюсы молний практически не видят. Интенсивность грозы, оказывается, связана с небесным светилом. В средних широтах пик ее приходится на послеполуденные (дневные) часы, на лето. А вот минимум зарегистрирован перед восходом. Важны и географические особенности. Наиболее мощные грозовые центры находятся в Кордильерах и Гималаях (горные районы). Различно годовое количество «грозовых дней» и в России. В Мурманске, например, их всего лишь четыре, в Архангельске — пятнадцать, Калининграде — восемнадцать, Питере — 16, в Москве — 24, Брянске — 28, Воронеже — 26, Ростове — 31, Сочи — 50, Самаре — 25, Казани и Екатеринбурге — 28, Уфе — 31, Новосибирске — 20, Барнауле — 32, Чите — 27, Иркутске и Якутске — 12, Благовещенске — 28, Владивостоке — 13, Хабаровске — 25, Южно-Сахалинске — 7, Петропавловске-Камчатском — 1.

Развитие грозы

Как оно проходит? Грозовое облако образуется только при определенных условиях. Обязательно наличие восходящих потоков влаги, при этом должно быть наличие структуры, где одна доля частиц находится в ледяном состоянии, другая — в жидком. Конвекция, которая приведет к развитию грозы, возникнет в нескольких случаях.

Неравномерное нагревание приземных слоев. К примеру, над водой при существенной разнице температур. Над большими городами грозовая интенсивность будет несколько сильнее, чем в окрестностях.

При вытеснении холодным воздухом теплого. Фронтальная конвенция часто развивается одновременно с обложными и слоисто-дождевыми тучами (облаками).

При подъемах воздуха в горных массивах. Даже малые возвышенности могут привести к усилению образований облаков. Это вынужденная конвекция.

Любое грозовое облако, независимо от его типа, обязательно проходит три стадии: кучевую, зрелости, стадию распада.

Классификация

Грозы какое-то время классифицировались только в месте наблюдения. Они разделялись, например, на орфографические, локальные, фронтальные. Сейчас грозы классифицируют по характеристикам, зависящим от тех метеорологических окружений, в которых они развиваются. Восходящие потоки формируются из-за неустойчивости атмосферы. Для создания грозовых облаков это является основным условием. Очень важны характеристики таких потоков. В зависимости от их мощности и величины формируются, соответственно, различные типы грозовых облаков. Как они подразделяются?

1. Кучево-дождевые одноячейковые, (локальные или внутримассовые). Имеют градовую или грозовую активность. Поперечные размеры от 5 до 20 км, вертикальные — от 8 до 12 км. «Живет» такое облако до часа. После грозы погода практически не меняется.

2. Многоячейковые кластерные. Здесь масштабы более внушительны — до 1000 км. Многоячейковый кластер охватывает группу грозовых ячеек, находящихся на различных стадиях формирования и развития и в то же время составляющих одно целое. Как они устроены? Зрелые грозовые ячейки располагаются в центре, распадающиеся — с подветренной стороны. Поперечные их размеры могут достигать 40 км. Кластерные многоячейковые грозы «дают» порывы ветра (шквальные, но не сильные), ливень, град. Существование одной зрелой ячейки ограничивается получасом, а вот сам кластер может «жить» несколько часов.

3. Линии шквалов. Это также многоячейковые грозы. Их называют еще линейными. Они могут быть как сплошными, так и с брешами. Порывы ветра здесь более продолжительны (на переднем фронте). Многоячейковая линия при приближении кажется темной стеной облаков. Число потоков (как восходящих, так и нисходящих) здесь довольно велико. Именно поэтому такой комплекс гроз классифицируется, как многоячеечный, хотя грозовая структура иная. Линия шквала способна дать интенсивный ливень и крупный град, однако чаще «ограничивается» сильными снисходящими потоками. Зачастую она проходит перед холодным фронтом. На снимках такая система имеет форму изогнутого лука.

4. Суперячейковые грозы. Встречаются такие грозы редко. Они особенно опасны для имущества и жизни человека. Облако этой системы схоже с одноячейковым, поскольку оба отличаются одной зоной восходящего потока. Зато размеры у них разные. Суперячейковое облако — огромно — близко 50 км в радиусе, высота — до 15 км. Границы его могут находиться в стратосфере. Форма напоминает единую полукруглую наковальню. Скорость восходящих потоков гораздо выше (до 60 м/с). Характерная особенность — наличие вращения. Именно оно создает опасные, экстремальные явления (крупный град (боле 5 см), разрушительные смерчи). Основным фактором для образования такого облака являются окружающие условия. Речь идет об очень сильной конвенции с температурой от +27 и ветре с переменным направлением. Такие условия возникают при сдвигах ветра в тропосфере. Образующиеся в восходящих потоках, осадки переносятся в зону нисходящих, что обеспечивает длительную жизнь облаку. Осадки распределяются неравномерно. Ливни идут близ восходящего потока, а град — ближе к северо-востоку. Задняя часть грозы может сместиться. Тогда наиболее опасной зоной будет рядом с основным восходящим потоком.

Существует еще понятие «сухая гроза». Это явление довольно редкое, характерное для муссонов. При такой грозе отсутствуют осадки (просто не долетают, испаряясь в результате воздействия высокой температуры).

Скорость передвижения

У изолированной грозы она составляет примерно 20 км/ч, иногда быстрее. Если холодные фронты активны, скорость может составлять 80 км/ч. У многих гроз старые грозовые ячейки заменяются новыми. Каждая из них проходит относительно небольшой путь (порядка двух километров), однако в совокупности расстояние увеличивается.

Механизм электризации

Откуда берутся сами молнии? Электрические заряды вокруг облаков и внутри них постоянно движутся. Процесс этот довольно сложен. Проще всего представить картину работы электрических зарядов в зрелых облаках. Доминирует в них дипольная положительная структура. Как она распределяется? Положительный заряд размещается вверху, а отрицательный — под ним, внутри облака. Согласно основной гипотезы (эту область науки можно пока считать малоизведанной), более тяжелые и крупные частички заряжаются отрицательно, а мелкие и легкие имеют положительный заряд. Первые падают быстрее, чем вторые. Это становится причиной пространственного разделения объемных зарядов. Такой механизм подтверждается лабораторными экспериментами. Обладать сильной передачей заряда могут частички ледяной крупы или града. Величина и знак будут зависеть от водности облака, температуры воздуха (окружающего), скорости столкновения (основные факторы). Не исключается воздействие других механизмов. Разряды происходят между землей и облаком (или нейтральной атмосферой, или ионосферой). Именно в этот момент мы наблюдаем рассекающие небо вспышки. Или молнии. Процесс этот сопровождается громкими раскатами (громом).

Гроза — это сложный процесс. На его изучение могут уйти долгие десятилетия, а возможно, даже столетия.

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.

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.

Совет 1: Как описывать грозу

• Как описывать грозу
• Как описать лес в сочинении
• Почему сверкает молния

• — бумага;
• — ручка;
• — гроза или воспоминание о ней.

Вдруг ваш нос почувствовал запах и свежесть озона, перемешанного с предгрозовой пылью. По маленькому озерцу прошла зябкая рябь, вертолетики стрекоз исчезли, бликая под стремительно исчезающими лучами солнца. Деревья обеспокоенно и суетливо гомонят, справедливо опасаясь за свои жизни, пригибаются к земле ветвями.

Вы стоите среди этой паники, уже не только ушами и глазами наблюдая грозу, но и кончиками пальцев. Каждый волосок как маленькая антенна принимает сигналы бедствия, но вы любопытнее кошки — вам нужно описать стихию!

В ход пошла иллюминация и артиллерия молний, устроив серию праздничных фейерверков. Темнота от тяжелых туч достигла своего апогея. Пришла пора быстро переместиться на веранду или в дом к окну. Гром становится все ближе и вдавливает ваши барабанные перепонки. За ним скрывается треск ампутированных ураганом ветвей. Листья и мелкий мусор завиваются в маленькие смерчики и носятся в воздухе, внося свою лепту в царящий хаос.

Красота разрядов молний, разрывающих тучи в клочья, неповторима. Ливень хлынул сплошным потоком, мгновенно смыв пыль и вернув природе глубину и яркость красок. Рукотворные феерия и карнавал — ничто в сравнении с этим действом стихии!

• как охарактеризовать элемент

Совет 2 : Какое явление принято называть грозой

Содержание статьи

Грозовыми называются дождевые тучи, которые заряжены электрически. В центре дождевой капли заряд положительный, на поверхности – отрицательный. Падающие капли попадают в сильные воздушные потоки и разлетаются на части, у этих частей отрицательный заряд. Самая крупная и тяжелая часть имеет положительный. Эти крупные капли скапливаются в одной из частей тучи, придавая и ей свой положительный заряд. Мелкие капли уносятся на землю.

Между землей и тучей возникает притяжение. Чем больше электричества накапливается в туче, тем скорее оно прорвется через слой воздуха к поверхности земли. Тогда между тучей и поверхностью произойдет сильный разряд – молния. Такие разряды могут произойти и между двумя противоположно заряженными тучами. Незадолго до образования молнии из тучи начинают течь электроны, воздух нагревается, что улучшает его проводимость. Электричество по образованному каналу двигается вниз со скоростью до 100 километров в секунду.

Отрицательное электричество из этого канала соединяется с положительным поверхности земли. Свечение молнии происходит потому, что канал движения электричества сильно разогревается. Длится разряд доли секунды. Часто по пути первого разряда сразу направляется следующий, потому молния видится человеком как неровная линия-зигзаг. Линейная молния – самый распространенный вид молнии.

Реже может возникать так называемая шаровая молния, имеющая округлую форму. Она может длиться до нескольких минут, но чаще – до 5 секунд. Чаще всего она появляется уже в конце грозы в виде ослепительно яркого шара, издает свистящий или шипящий звук. При исчезновении может раздаться хлопок, часто остается дымка с резким запахом. Шаровая молния притягивается к зданиям, куда проникает через окна и дымовые трубы. Уходит она обычно по тому же пути, что и пришла.

Молния обычно сопровождается громким звуком, который называют громом. Он возникает из-за того, что воздух в канале расширяется от стремительного нагрева. Расширение по звуку похоже на взрыв. Взрыв сотрясает воздух с характерным звуком. По прекращению тока электричества канал так же быстро остывает и воздух резко сжимается, что снова вызывает сотрясение воздуха и громкий звук.

Разряды идут один за другим, потому грохот получается интенсивный и продолжительный. Отражение звука от окружающих предметов и самой тучи создает эхо, что делает звук раскатистым. Скорость звука не так велика, как скорость тока электрического разряда. Потому сперва человек видит молнию, а после – слышит гром.

Презентация исследовательской работы по физике по теме «Физические явления природы. Гроза»

за привлеченного слушателя на курсы профессиональной переподготовки

Описание презентации по отдельным слайдам:

Гроза. Выполнили: Дорошок Светлана, ученица 8 класса Рычкова Наталья, ученица 9 класса МКОУ «СОШ №4» г.Щучье, филиал Чумлякская СОШ Учитель: Коврижникова Е. В. Физические явления в природе : гроза без грома и молнии – это не гроза, а просто дождь…

Проблема исследования — появления молний и грома во время грозы Гипотеза – закон сохранения энергии действует и во время грозы

Цели работы Изучить природное явление – грозу. Собрать материал. Сделать презентацию. Представить работу на школьной конференции. Задачи Познакомиться с историей исследования атмосферного электричества. Узнать причины появления молний и грома. Изучить виды молний. Познакомиться с признаками надвигающейся грозы. Разработать правила поведения во время грозы.

Исследования атмосферного электричества проводились во многих странах, но наибольший вклад в создание теории атмосферного электричества внесли российские академики Михаил Васильевич Ломоносов и Георг Рихман, и американский исследователь Бенджамин Франклин. История исследования атмосферного электричества Бенджамин Франклин. Георг Рихман Михаил Васильевич Ломоносов

Франклин провел знаменитый опыт с воздушным змеем, запуская его при приближении грозовых туч. К верхнему концу вертикальной планки крестовины змея он прикрепил заостренную проволоку. Как только змей оказывался под грозовой тучей, заостренная проволока начинала извлекать из тучи электрический огонь. Таким образом в 1752 г. было доказано, что грозовые облака действительно сильно заряжены. Бенджамин Франклин

Михаил Васильевич Ломоносов Ломоносов разработал теорию образования атмосферного электричества, происхождение которого он связывал с восходящими и нисходящими потоками воздуха.

Георг Рихман У себя дома Георг Рихман устроил экспериментальную установку по изучению грозовых разрядов — «громовую машину». 26 июля 1753 г. во время сильной грозы, когда ученый приблизился к электрометру «грозовой машины» на расстояние 30см, неожиданно из толстого железного прута прямо в него ударил бледно-синий огненный шар величиной с кулак. Это была шаровая молния. Раздался оглушительный взрыв и Рихман упал замертво.

заряженной земле и скапливаются под облаком, а отрицательные заряды — притягиваются к верхней части облака, заряжая его отрицательно При накоплении достаточного заряда происходит электрический пробой атмосферы — молния.. Земная атмосфера представляет собой исключительно хороший диэлектрик, расположенный между двумя проводниками — поверхностью земли снизу и верхними слоями атмосферы, включая ионосферу, сверху . Между отрицательно заряженной поверхностью земли и положительно заряженной верхней атмосферой поддерживается постоянная разность потенциалов величиной около 300 000 В. Нижняя часть облака, обращённая к земле, заряжена отрицательно, а верхняя часть — положительно. Космические лучи сталкиваются с молекулами воздуха ионизируют их (в результате происходит разделение положительных и отрицательных зарядов). Положительные заряды двигаются вниз к отрицательно

Молния — гигантский электрический искровой разряд в атмосфере, обычно происходит во время грозы, проявляющийся яркой вспышкой света и сопровождающим её громом. Разряды могут происходить между грозовым облаком и землей, между двумя облаками, внутри облака, уходить из облака в чистое небо.

Форма линейной молнии обычно похожа на разветвленные корни разросшегося в поднебесье дерева. Длина линейной молнии составляет несколько километров. По виду молнии различаются на линейные, жемчужные и шаровые. Они могут иметь разветвленный рисунок или представлять собой единый столб. Молнии, наблюдавшиеся во все времена, имели самые разнообразные формы — веревки, жгута, ленты, палки, цилиндра.

Длина внутриоблачной молнии колеблется от 1 до 150 км. Вероятность поражения молнией наземного объекта растет по мере увеличения его высоты и с увеличением электропроводности почвы. Наземные молнии возникают в местах сильного магнетизма и электропроводности.

. Жемчужная молния очень редкое и красивое явление. Появляется сразу после линейной молнии и исчезает постепенно. Молния имеет вид светящихся шаров, расположенных на расстоянии 7-12 м друг от друга, напоминая собой жемчуг, нанизанный на нитку. Жемчужная молния может сопровождаться значительными звуковыми эффектами

Шарова́я мо́лния — редкое природное явление, единой физической теории возникновения и протекания которого к настоящему времени не представлено. Существуют около 200 теорий, объясняющих явление, но ни одна из них не получила абсолютного признания в академической среде. Обычно возникновение шаровой молнии связано с грозовыми явлениями и естественной линейной молнией, из которой она как бы «выходит». Но имеется множество свидетельств её наблюдения в солнечную погоду. Иногда она спускается с облаков, в редких случаях — неожиданно появляется в воздухе или, как сообщают очевидцы, может выйти из какого-либо предмета (дерево, столб). Известны случаи, когда шаровая молния выскакивает ни с того ни с сего из обычной штепсельной розетки, из магнитного пускателя, укрепленного на токарном станке. Также были случаи внезапного появления шаровой молнии на крыле летящего самолета, устойчиво перемещающейся по крылу от его конца к фюзеляжу.

Чаще всего шаровая молния движется горизонтально, приблизительно в метре над землёй. Имеет возможность «заходить» в помещения, протискиваясь при этом сквозь маленькие отверстия. Часто шаровая молния сопровождается звуковыми эффектами — треском, писком, шумами. Наводит радиопомехи. Нередки случаи, когда наблюдаемая шаровая молния аккуратно облетает находящиеся на пути предметы, так как, по одной из теорий, она свободно перемещается по поверхностям. Шаровая молния в среднем живёт от 10 секунд до нескольких часов, после чего обычно взрывается. Изредка она медленно гаснет или распадается на отдельные части. Если в спокойном состоянии от шаровой молнии исходит необычно мало тепла, то во время взрыва высвободившаяся энергия иногда разрушает или оплавляет предметы, испаряет воду.

Цвет — начиная от белого и жёлтого, заканчивая зелёным. Часто отмечалась пятнистость свечения. Установлено, что шаровая молния может быть не только в виде светящегося, яркого образования. Есть и невидимые, и черные шаровые молнии. О них упоминается даже в литературе: «Гордо реет буревестник, черной молнии подобный». У Куприна рассказ так и называется «Черная молния». Свидетели заявляют, она как бы состоит из загадочных нитей, сплетенных в клубок.

Обычно световые вспышки молнии сопровождаются мощной звуковой волной, которая называется громом. Ток в канале молнии образуется в течение очень короткого промежутка времени. При этом в канале воздух очень быстро и сильно нагревается, а от нагревания расширяется. Расширение протекает так быстро, что оно напоминает взрыв. Этот взрыв даёт сотрясение воздуха, которое сопровождается сильными звуками. *Закон сохранения энергии – фундаментальный закон природы, заключающийся в том, что энергия замкнутой системы сохраняется во времени. Другими словами, энергия не может возникнуть из ничего и не может в никуда исчезнуть, она может только переходить из одной формы в другую.

Раскаты грома возникают из-за того, что молния имеет значительную длину и звук от разных её участков доходит до уха наблюдателя не одновременно, кроме того возникновению раскатов способствует отражение звука от облаков, а также потому, что из-за рефракции звуковая волна распространяется по различным путям и приходит с различными запаздываниями, кроме того сам разряд происходит не мгновенно, а продолжается конечное время (приблизительно четверть секунды)

Интересные факты “Молния никогда не ударяет в одно место дважды”. К сожалению, это миф. Молнии часто ударяют в одно и то же место по несколько раз. Средний удар молнии длиться четверть секунды. Разряд молнии распространяется со скоростью около 300000 км/с. Средняя длина разряда молнии составляет 3-4 километра. Температура типичной молнии может превышать 30000 градусов по Цельсию – это примерно в 5 раз больше, чем температура поверхности солнца. Ток в разряде молнии достигает 10—100 тысяч ампер, напряжение достигает сотен миллионов вольт. Тем не менее, погибает после удара молнией лишь 10,2 % пораженных ею людей. Каждый год, Земля испытывает в среднем 25 миллионов ударов молний или более сотни тысяч гроз. Это больше, чем 100 ударов молний в секунду. В этот момент в мире бушуют около 1800 гроз. Известен факт, что в один момент на земле существует

550 шаровых молний, но вероятность увидеть шаровую молнию за всю жизнь равна 0.1%. Ежесекундно на Земле вспыхивает около 700 молний.

Молнии также были зафиксированы на Венере, Юпитере, Сатурне и Уране.

Гроза. Как происходит гроза? Как возникает гроза?

Гроза. Как происходит гроза? Как возникает гроза?

Грозовой заряд образуется в кучевых облаках — грозовых очагах, которые возникают из-за вертикальной неустойчивости. Т.е. вертикальный градиент температуры становится больше одного градуса на 100м высоты и возникает вертикальное движение — в одних местах резкий подъем вверх, а в других опускание вниз. Поднимаясь, воздух попадает в условия более низкого давления, расширяется, температура падает и воздух насыщается водяным паром. Так возникают кучевые облака, в которых образуются кристаллы, а следовательно и накапливаются заряды. А т.к. потенциал Земли нулевой, то возникает разность потенциалов между облаком и Землей — электрическая энергия — грозовой заряд.

Гроза — это атмосферное явление. Оно ещ не так сильно изучено, как того хотелось бы. Однако известно, что гроза возникает, в нескольких случаях:

Первый случай. При вытеснении тплого слоя воздуха холодным.

Второй случай. При неравномерном нагреве поверхности. Например, моря и суши.

Третий случай. При резком подъме облака из-за гор.

Физика процесса образования грозы такова — облака состоят из воды. Вода находится в трех состояниях — жидком, газообразном и тврдом. В обычных условиях вс нормально, но когда происходит один из трех случаев, происходит резкое изменение состава облаков. Образуется льдинки. Они начинают quot;теретьсяquot; и электризуют облако. В результате этого образуется огромная энергия, которая и quot;высвобождаетсяquot;. Это и есть гром, молния.

Гроза — атмосферное явление, при котором возникают разряды молний внутри облаков или между поверхностью земли и облаком (это сопровождается звуковым явлением — громом).

Заряды образуются в темных кучево-дождевых облаках, которые образуются в результате накопления испарений влаги. Слои поднимающегося вверх воздуха с влагой неравномерно прогреваются.

Часть влаги остается в виде капель, а другая часть замерзает в маленькие льдинки.

В результате сильных ветров капельки и льдинки трутся друг о друга, накапливая электрический заряд.

Накопление влаги в грозовом облаке проходит три стадии: кучевое облако, зрелое облако и последняя стадия — распад облака и ливень.

Гроза начинается с возникновения обычного кучевого облака. При благоприятных для его образования условиях оно растт и в высоту, и в ширину. Внутри облака снизу вверх идут восходящие потоки тплого воздуха. При этом мельчайшие водяные капельки сливаются в более крупные. В верхней части облака, где температура ниже нуля, капли превращаются в кристаллы льда, которые постепенно растут в размере и начинают падать. При этом в образовавшейся туче происходит разделение зарядов. Предполагается, что при трении ледяных кристаллов более крупные и тяжлые заряжаются отрицательно, а более мелкие и лгкие несут положительный заряд. Крупные падают с большей скоростью, чем мелкие. Так в туче возникает пространственное разделение зарядов. В нижней части облака, где температуры выше нуля, ледяные кристаллы тают. Но заряд на образовавшихся каплях воды никуда не исчезает. Когда электрический заряд становится достаточно большим, между нижней и верхней частью тучи происходит разряд молния. Разряд может произойти также между облаком и землй но таких молний обычно не больше трети. Ещ М.В. Ломоносов установил, что и при сухой погоде воздух наэлектризован. Сейчас известно, что в воздухе есть положительно и отрицательно заряженные ионы, которые создаются космическими лучами.

По нашим представлниям, шгроза — это когда гром и молния, поэтому нетрудно догадаться, что гроза возникает когда в атмосфере накапливается электричество. Главный вопрос — откуда это электричество в атмосфере берется? Этот интересный вопрос изучается в школе на факультативных уроках по физике. Вот здесь можно подробно и понятно прочитать о возникновении грозовых облаков и атмосферного электричества в них, а также, как и почему это электричество превращается в молнию и гром. Материал изложен доступно, научно-публицистически, текст урока разрабатывался специально для учеников средней школы, а значит, и простому обывателю, далекому от физики, должен быть понятен.

С точки зрения науки гроза возникает от разности потенциалов(плюс, минус) в самих облаках, внутри облаков и между облаками и поверхностью Земли. Но мне больше нравиться славянское поверье о Святом Илье, который едет в повозке по небу, его повозка запряжена огненными конями, а в руке карающий посох. Этим посохом он ударяет по нечистой силе. Именно поэтому есть такое поверье, что нельзя в грозу сидеть под деревом и в воде, так как черти так прятались от гнева Святого. Но это не касается дерева Орех, так как именно орехоаыми веточками отпугивали чертей.

Гроза — это атмосферное явление, возникающее при столкновении грозовых или кучевых облаков друг с другом или с поверхностью земли и вызывающие электрические разряды (молнии). Основным фактором для возникновения является механизм воздущной конвекции или, проще говоря, возникновение тепловых потоков, при которых теплый возлух вытесняется холодным.

Грозой называется явление при которой имеет место молнии с громом. Дождь при этом не обязателен, но чаще всего бывает. Гром и молния это одно и тоже явление электрического разряда. Молния это свет, который приходит к нам из области этого разряда, а гром это звук, который приходит к нам из области этого разряда

Электрический разряд возникает из-за разницы электрических потенциалов либо между землей и облаками, либо между двумя разными облаками. Другими словами одни облака электрически заряжены как quot;плюсquot;, а другие как quot;минусquot;. Ну а земля имеет нулевой электрический потенциал, поэтому молнии в землю идут и от тех облаков и от других.

Электрически заряженные облака возникают из-за скопления там сконденсированных капелек воды во взвешенном состоянии. При трении этих капелек о воздух возникают заряженные ионы азота и кислорода. Эти ионы могут быть в основном положительно заряженными или отрицательно заряженными. Это определяется случайным образом на первоначальном этапе. Если преобладали в начале положительно заряженные ионы, то и дальше образуются только положительно заряженные ионы в этой области атмосферы.

Через некоторое время облака очень сильно заряжаются и начинают чувствовать электрические поля друг друга. А если поблизости нет облаков с противоположным зарядом, то электрическое поле этого облака начинает чувствовать незаряженную землю. Но воздух между облаками и между облаком и землей не является проводником электрического тока. Поэтому электрические заряды не могут сразу равномерно перетечь с одного облака на другое или в землю. Поэтому сухой воздух между облаками (или облаком и землей) начинает находиться в огромном электрическом поле, которое создается между двумя облаками (или облаком и землей) . Напряжение этого поля нарастает так сильно, что начинает срывать электроны со внешних оболочек атомов сухого воздуха. Эти сорванные электроны разгоняются в электрическом поле так сильно, что бомбят собою соседние атомы и срывают у них тоже электроны. И этих электронов становится все больше и больше. Образуется в воздухе канал, где как лавина нарастает ток. Этот канал quot;роетсяquot; в воздухе случайным образом, может случайно разделиться на несколько каналов. Но он все равно, в конце-концов, свяжет между собой два разнозаряженных облака или заряженное облако и землю. Заряды по этому каналу перетекают с облака на облако или уходят в землю и облака снова становятся нейтральными.

После чего процесс их зарядки может возобновиться, если в этих облаках продолжают оставаться капельки воды, диаметр которых свыше некоторого критического. Поэтому после дождя грозы не бывает. Ведь все крупные капельки воды продолжают укрупняться еще больше, и уже не могут удерживаться на лету в воздухе и падают вниз. Облако очищается от капелек определенного размера.

Понятно, что в основном молнии бьют между двумя облаками. Удары молнии в землю это большая редкость.

Почему от молнии идет свет?

Электрон, попадая в положительно заряженный ион остается там и такой ион снова делается нейтральным атомом. При этом энергия электрона излучается в виде одного или нескольких фотонов со случайной длиной электромагнитной волны. В основном эти излучаемые электромагнитные волны (фотоны) находятся в ультрафиолетовом диапазоне. Но некоторая часть и в видимом диапазоне. Мы их и видим, как белый свет, т. е. смесь разных длин волн видимого диапазона.

Почему при грозе гремит гром?

Заряженные ионы разгоняются в электрическом поле до сверхзвуковых скоростей. Получается обычная звуковая ударная волна.

Мы все изучали это атмосферное явление в школе и знаем, что она возникает при вытеснении и поднятии теплого воздуха холодными фронтами. Этот вопрос часто задают маленькие дети и ответить его малышу, который не изучал физику сложно.

Так более понятно, чем в Википедии.

Думаю все мы, видели на занятиях по физике в школе, электростатическую машину, и те разряды между шариками электродов. Так вот гроза, это тоже самое, только в миллионы раз больше и мощнее.

Гроза это совокупность двух явления — молнии и грома. Ну гром это понятно — треск от произошедшего разряда. А молния и есть визуальное наблюдение этого разряда. Происходит этот разряд из-за разности потенциалов поверхности Земли и накопленного в облаках электричества.

Ученые точно не знают источник электричества в грозовых облаках

Как образуются грозовые облака, где на Земле чаще всего искрит молния и кого молнии убивают чаще всего — после ночной и утренней грозы в Москве и области отдел науки «Газеты.Ru» рассказывает, что современная наука знает о грозе.

Романтикам, тем, кто любит грозу в начале мая или любого другого месяца, уместно было бы вспомнить, что гроза не только очищает атмосферу и озонирует окружающую действительность, но и может быть разрушителем и даже убийцей. Хотя с научной точки зрения это всего лишь более или менее хорошо изученное природное явление, определяемое как электрические разряды в мощных кучево-дождевых облаках, сопровождаемые вспышкой света (молнией) и резкими звуковыми раскатами (громом).

Лазер пробил облако на молнию

Молния — гигантская искра

Грозы имеют свою классификацию. Ученые разделяют их на одноячеечные, многоячеечные линейные, многоячеечные кластерные и — самые опасные — сверхмногоячеечные. Возникающие во время гроз молнии особенной классификации не имеют (если не брать в расчет таинственные шаровые молнии), однако сам процесс возникновения этих электрических разрядов и их параметры тоже изучены, казалось бы, достаточно хорошо.

Фактически молния — это просто гигантская искра, возникающая либо внутри наэлектризованного грозового облака, либо между ним и Землей. Длина этой искры достигает порой 10–20 км, ток, протекающий внутри ее канала, исчисляется десятками и сотнями килоампер, а напряжение, вызывающее разряд, достигает десятков миллионов вольт. На больших высотах молнии даже способны вызывать термоядерные вспышки, за которыми следят специальные спутники.

Кто заряжает облака: лед или космос?

При всей кажущейся простоте процесса у исследователей к молниям остается еще много вопросов. Например, не совсем ясен механизм образования грозовых облаков и возникновения молниевых разрядов. Существует множество версий, отвечающих на эти вопросы, ни одна из них не лишена недостатков, но в основном исследователи сходятся в том, что главную роль здесь играет конвекция — перемещение воздушных масс. Очень распространены, например, версии, объясняющие электризацию облака мелкими льдинками, находящимися внутри него, быстро перемещающимися, сталкивающимися между собой и с водяными каплями и, соответственно, наэлектризовывающими друг друга.

Развитие грозового облака. На первой стадии (слева) кучевое облако под воздействием внутренних воздушных течений растет в высоту и превращается в грозовое облако. На стадии зрелости (в центре) верхняя часть облака достигает более холодной стратосферы. Здесь влага, содержащаяся в облаке, конденсируется, образуя капли воды или ледяные кристаллы, которые падают, охлаждая воздушное пространство под облаком. В результате на заключительной стадии (справа) все грозовое облако остывает и выпадает дождь. Стратосферные воздушные течения смещают вершину грозового облака, придавая ему типичную форму наковальни. ИСТОЧНИК: Энциклопедия Кольера

Но ни одна из существующих версий не объясняет, каким образом грозовое облако растет и каким образом образуются молниевые разряды.

Возможно, ответ на эти вопросы лежит в теории, предложенной российскими физиками из ФИАН, по которой катализатором молний является космическое излучение. По этой теории, частица космического излучения, сталкиваясь на околосветовой скорости с молекулой воздуха, ионизирует ее, выбивая из нее электроны с высокой энергией. В свою очередь, они ионизируют путь своего движения, увлекая за собой лавину электронов, движущихся к земле и создавая канал для разряда.

Интересно, что из наблюдений известно, что молнии в облаках возникают при напряженностях электрического поля, не превышающих 3 киловольта на сантиметр, тогда как на тех высотах пробивное напряжение воздуха в 10 раз больше.

Убивает в основном мужчин

При всей кажущейся простоте процесса у исследователей к молниям остается еще много вопросов. Например, не имеется четкого ответа на их гендерные пристрастия.

«Молния попадает в самолет в среднем раз в два года»

Как известно, молния порой убивает. По статистике, от удара молнии в год на Земле погибает примерно 3 тыс. человек. Так, во время нынешней грозы в Москве погиб мужчина. И та же статистика утверждает, что 70% людей, погибших от удара молнии, — мужчины. Почему так — ответа нет, хотя версий, разумеется, предостаточно, в качестве «приманки» подозревают даже тестостерон.

Причем, возможно, число жертв со временем будет увеличиваться. Прошлой осенью журнал Science опубликовал статью группы климатологов из Беркли, утверждающих, что глобальное потепление умножает число молний и что если глобальное потепление не закончится, то к концу столетия это число возрастет на 50%. В этом смысле несколько утешает недавно появившееся сообщение о том, что на самом деле глобальному потеплению осталось быть недолго и что лет через двадцать-тридцать Земля начнет замерзать.

Первая шаровая

Самое молниеносное место

Еще одна загадка — молнии озера Маракайбо на севере Венесуэлы. Это самое молниеносное место нашей планеты. Над озером эти молнии бьют практически постоянно. Ночные грозы бывают здесь до 260 суток в год, создавая по 280 молний в час. По другим оценкам, в каждый квадратный километр озера и его болотистых берегов ежегодно ударяет по 180 молний. Молнии бьют в основном с вечера и до четырех часов утра, так что у местных жителей нет надобности в ночных фонарях.

Почему молнии выбрали для своего буйства именно это озеро, никто не знает.

Гроза Сатурна на любителя

Молния вместо «Бука» и ядерной бомбы

Но исследования продолжаются, и будем надеяться, что со временем все тайны молний будут разгаданы. Более того, есть подозрение, что в конце концов человек даже сможет приручить молнию. На сегодня извилистый путь, который чертит молния в небе, совершенно непредсказуем. Однако в прошлом месяце журнал Science Advances опубликовал статью французских физиков во главе с профессором Роберто Морадотти, которые придумали способ направлять путь электрического разряда с помощью хитроумной системы лазеров. Ученые утверждают, что направляемые ими электрические разряды способны даже обходить препятствия.

Сегодня это может восприниматься фантастикой, но если такую лазерную технологию или другую более продвинутую технологию будущего применить к молнии и протоптать для нее дорожку, то можно будет не только спасать леса от пожаров и людей от ударов, но и сделать молнию управляемым оружием, от которого громоотводы уже не спасут.

Обоснование природы погодных явлений с точки зрения физики

Секция: Физико-математические науки

XLI Студенческая международная заочная научно-практическая конференция «Молодежный научный форум: технические и математические науки»

Обоснование природы погодных явлений с точки зрения физики

Тема: «Обоснование природы погодных явлений с точки зрения физики» достаточно изучена на сегодняшний момент. Но при этом своей актуальности данный вопрос не потерял. Это связано с тем, что достаточно много людей не знают самых простых вещей, например что такое радуга, как возникает молния, почему дождь идёт в виде округлых капель, почему снежинки имеют такую замысловатую форму. Поэтому главной целью работы является рассказ о природе погодных явлений и доказательство их неразрывной связи с физикой. Так же изучив этот вопрос, стоит заметить, что физика бывает не только «сухой» формульной наукой, которую мы изучали в школе и познаём сейчас в университете, физика может быть красивой, интересной, а множество экспериментов можно наблюдать в реальном мире, проводя аналогии между лабораторными исследованиями и природными явлениями.

Радуга – атмосферное, оптическое и метеорологическое явление, наблюдаемое при освещении Солнцем (иногда Луной) множества водяных капель дождя или тумана. Она имеет форму дуги или окружности. Радуга является характерным примером такого физического явления, как дисперсия. Дисперсия- явление разложение света в спектр. В повседневной жизни радугу «разделяют» на семь цветов: красный, желтый, зеленый, голубой, оранжевый, синий, фиолетовый. Но следует иметь в виду, что на самом деле спектр непрерывен, и цвета плавно переходят друг в друга.

Радуга возникает из-за того, что солнечный свет преломляется и отражается капельками воды (дождя или тумана), парящими в атмосфере. Эти капли по-разному отклоняют свет разных цветов (показатель преломления воды для более длинноволнового (красного) света меньше, чем для коротковолнового (фиолетового), поэтому слабее отклоняется красный свет – на 137°30’, а сильнее всего фиолетовый – на 139°20’). В результате белый свет разлагается в спектр. Наблюдатель, стоящий спиной к источнику света, видит разноцветное свечение, исходящее из пространства по концентрическим окружностям или дугам. Стоит заметить, что радугу невозможно наблюдать, стоя лицом к солнцу, также одновременно радугу и солнце увидеть невозможно.

Радуга, которая появляется под воздействием лунного света, явление гораздо более редкое, чем привычная нам «дневная» радуга. Лунную радугу можно наблюдать только в местах с повышенной влажностью воздуха, и только тогда, когда Луна полная.

В природе существуют явления, похожие на радугу, такие как гало (оптический феномен, представляющий собой светящееся кольцо вокруг источника света), глория (цветные кольца света на облаке вокруг тени наблюдателя). Особое внимание стоит уделить явлению, называемому «Брокенский призрак». Брокенский призрак- это явление, представляющее собой тень наблюдателя на поверхности облаков или тумана в направлении, противоположном солнцу. Эта тень может достигать достаточно больших размеров, быть окружённой глорией, а в некоторых случаях даже двигаться. Движение Брокенского призрака связано с перемещением слоёв облака или тумана, и колебания их плотности. Свою известность Брокенский призрак приобрел благодаря пику Брокен в горах Гарц в Германии, где постоянные туманы и доступность малых высот позволяют наблюдать его особенно часто. Это способствовало возникновению легенды, по которой и дали явлению название. Брокенский призрак наблюдался и впервые был описан Иоганном Зильбершлагом в 1780 году и с тех пор не раз о нем писали в литературе о горах Гарц.

Молния – это гигантский электрический искровой разряд в атмосфере, обычно происходящий во время грозы, проявляющийся яркой вспышкой света и сопровождающим её громом. Сила тока молнии достигает 500000 ампер, напряжение доходит до миллиарда вольт, а мощность до 1000 ГВт.

Молнии бывают двух видов наземные (они ударяют в землю) и внутриоблачные (они проходят в самих облаках). Процесс появления и развития наземной молнии состоит из нескольких этапов. На первой стадии в зоне, где электрическое поле достигает максимального 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. После этого и происходит разряд молнии.

Существуют ещё несколько видов молний: эльфы (молнии в верхней атмосфере, представляющие собой больших размеров слабосветящиеся вспышки в виде конуса, которые появляются из верхней части грозового облака), джеты (молнии в виде трубок-конусов синего цвета), спрайты (некое подобие молнии, бьющей из облака вверх).

Дождь – это вид атмосферных осадков, выпадающих из облаков в виде водяных капель или капель другой жидкости со средним диаметром от 0,5 до 6–7 мм. Если диаметр капель меньше 0,5 мм, то этот вид осадков называется моросью. Интенсивность дождя может достигать 100 мм/ч.

Чаще всего осадки в виде дождя выпадают из смешанных облаков, которые при температуре 0 0 С содержат переохлажденные капли и ледяные кристаллы. У водяного пара упругость насыщения над каплями больше, чем над ледяными кристаллами при той же температуре, в связи с этим даже ненасыщенное по отношению к каплям воды облако, будет пересыщено по отношению к кристаллам. Это приводит к росту кристаллов при одновременном испарении капель. Укрупняясь и утяжеляясь, кристаллы выпадают из облака, примораживая к себе при этом переохлаждённые капли. Входя под облако или в его нижнюю часть, имеющую температуру 0 0 С они тают, превращаясь в дождевые капли.

Снег – это вид атмосферных осадков, состоящий из кристаллов льда.

Снег образуется, когда микроскопические капли воды в облаках притягиваются к частицам пыли и замерзают. Появляющиеся в самом начале кристаллы льда не превышают одной десятой миллиметра в диаметре, падая вниз, они растут из-за конденсации на них влаги из воздуха. При этом происходит образование кристаллов шестиконечной формы. Из-за структуры молекул воды между лучами кристалла возможны углы лишь в 60° и 120°. Основной кристалл воды имеет в плоскости форму правильного шестиугольника. На вершинах такого шестиугольника затем осаждаются новые кристаллы, на них – новые, и так получаются разнообразные формы звёздочек-снежинок.

Первым, кто серьезно задумался о том, почему снежинки имеют именно шестиугольную форму был немецкий астроном Иоганн Кепплер. Он в 1611 занялся изучением формы снежинок и издал трактат «О шестиугольных снежинках».

Иоганн Кепплер в своём трактате пытается объяснить шестиугольную форму кристалла снега. В рассуждениях он использует скудеющие аргументы:

· правильный шестиугольник возникает из-за того, что он является из всех правильных фигур первой, из который нельзя собрать объемное тело, поскольку правильным шестиугольником можно покрыть плоскость без зазоров;

· поскольку свойством покрывать плоскость обладает и треугольник, и квадрат, то, возможно, из всех фигур, способных покрыть плоскость, шестиугольник ник больше всего приближён к кругу;

· возможно причина в том, что существует различие между плодотворящей силой и силой, вызывающей бесплодие. первая порождает равносторонние треугольники и правильные шестиугольники, а вторая правильные пятиугольники;

· может быть, наконец, сама формообразующая природа в своей глубочайшей сущности сопричастна правильному шестиугольнику.

Далее Иоганн Кепплер продолжил свои рассуждения на тему происхождения формы снежинок, но окончательного ответа на вопрос он не дал. Не смотря на это, учёный внёс большой вклад в развитие кристаллографии.

Снежинки бывают не только шестиугольной формы. Формируясь в пространстве, кристаллы льда принимают самые разнообразные, удивительные, порой даже причудливые формы.

Самыми распространёнными являются следующие форму снежинок: пластинки, звезды, столбики, иглы, пространственные дендриты, увенчанные столбики.

Такая классификация была утверждена в 1951 году Международной комиссией по снегу и льду. В последствии к ним добавились ещё три вида осадков: мелкая снежная крупка, ледяная крупка и град.

В данной работе были рассмотрены различные природные явления. Этими явлениями являются гало, глория и Брокенский призрак. Была изучена форма дождевых капель и снега. Рассмотрен процесс формирования снежинки- вода притягивается к небольшой пылинке, замерзает, а затем к получившейся льдинке примерзают небольшие кристаллы воды, наращивая и изменяя форму снежинки- от льдинки до шестиугольника, столбика или даже большого замысловатого кристалла. Были рассмотрены различные виды молний, а именно: наземные и внутриоблачные, а также эльфы, спрайты и джеты.

Подводя итоги, хотелось бы отметить, что любое погодное явление заслуживает внимания и отдельного изучения. И каждый человек, изучающий физику, должен знать почему возникает то или иное природное явление, потому что не зная простых вещей, происходящих вокруг нас, невозможно понять сложных физических процессов, описываемых в научной литературе.