II. Образование молнии и грома. Молния и гром
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.
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.
6. Влияние молнии на работу электрических систем и радио
6. Влияние молнии на работу электрических систем и радио Очень часто молния ударяет в провода линий передач электрической энергии. При этом либо грозовой разряд поражает один из проводов линии и соединяет его с землёю, либо молния соединяет между собой два или даже три
IV.
Защита от молнииIV. Защита от молнии 1. Молниеотвод О том, как защищаться от опасных действий молнии, много думали уже с давних времён, но настоящее научное изучение этого вопроса началось лишь с середины 18 века, после того как Франклин своими опытами доказал, что молния представляет собой
4. Как человеку защититься от молнии?
4. Как человеку защититься от молнии? Чтобы не быть поражённым ударом молнии, нужно избегать во время грозы подходить к молниеотводам или высоким одиночным предметам (столбам, деревьям) на расстояние меньшее 8–10 метров. Если человек застигнут грозой вдали от помещений, то
ЛЕКЦИЯ II СВЕЧА. ЯРКОСТЬ ПЛАМЕНИ. ДЛЯ ГОРЕНИЯ НЕОБХОДИМ ВОЗДУХ. ОБРАЗОВАНИЕ ВОДЫ
ЛЕКЦИЯ II
СВЕЧА. ЯРКОСТЬ ПЛАМЕНИ. ДЛЯ ГОРЕНИЯ НЕОБХОДИМ ВОЗДУХ. ОБРАЗОВАНИЕ ВОДЫ
На прошлой лекции мы рассмотрели общие свойства и расположение жидкой части свечи, а также и то, каким образом эта жидкость попадает туда, где происходит горение.
Вы убедились, что когда свеча
ПЕРВАЯ УЧЕБА И ОБРАЗОВАНИЕ
ПЕРВАЯ УЧЕБА И ОБРАЗОВАНИЕ Отца Марии, Владислава Склодовского, сняли с должности директора института, в котором он преподавал, из-за его политических убеждений. Владислав был вынужден занимать должности более низкой категории с меньшей зарплатой, пока в итоге его не
Образование и исчезновение пригодного для дыхания кислорода
Образование и исчезновение пригодного для дыхания кислорода Кислород, которым мы дышим, – это O2: молекула из двух атомов кислорода, связанных парой электронов. На Земле немало кислорода и в других формах: в составе диоксида углерода, воды, минералов земной коры
Как образуются молния и гром? | ПРОКЛИМАТ.ЭКО
Молния — это, пожалуй, самый феноменальный элемент грозы, по форме напоминающий ветви деревьев и способный на долю секунды осветить все ночное небо.
Итак, мы рассмотрим, как образуются молния и сопровождающий ее гром.
Что такое молния?
Молния — это очень сильный электростатический разряд между двумя объектами, содержащими противоположные электрические заряды. Он часто возникает во время грозы и сопровождается громким звуковым ударом (громом) и кратковременной вспышкой.
В электризации одежды нет ничего приятного, но молния работает по схожему принципу. Снятие джемпера не сопровождается громким взрывом и вспышкой (максимум маленькая искра), но электростатические заряды, которые прикрепляются к вам, — это те же заряды, которые создают молнию, только масштаб явления другой.
Как образуется молния?
Для образования молнии необходимо соблюдение двух условий.
- Во-первых, противоположные электрические заряды между двумя местами должны сойтись, а поскольку противоположности притягиваются, это и происходит. Отрицательный электрический заряд в облаке стремится объединиться с положительным зарядом на земле.
- Во-вторых, между электрическими зарядами должно быть сильное сопротивление, то есть что-то, что не позволит противоположным электрическим зарядам вступить в свободный контакт. Такую роль в природе играет атмосфера, или воздух, который является слабым проводником электричества.
Когда отрицательный заряд в облаке станет достаточно сильным, он начнет двигаться к земле, и, поскольку противоположные заряды притягиваются, положительный заряд с земли отправится навстречу отрицательному заряду, идущему от облака. Кроме того, в процессе происходит ионизация воздуха, что снижает изоляционные свойства атмосферы. Весь этот процесс поиска связи между зарядами называется пробным разрядом и происходит мгновенно — от примерно 10 до примерно 100 миллисекунд. Для сравнения, моргание век занимает 300-400 миллисекунд.
Второй «этап» — это основная разгрузка. При встрече зарядов высвобождается очень высокая энергия — эквивалентная взрыву 122 кг тротила — через канал ионизированного воздуха, который пропускает электрический заряд, что приводит к разряду молнии.
Интересный факт:Температура молнии достигает 30 000°C, что в 5 раз превышает температуру на поверхности Солнца.
Приведенное выше описание относится в основном к молниям «облако — земля». Хотя молнии, проскакивающие между облаками, встречаются чаще, они не до конца изучены, и мы знаем о них не так много, как о молниях, летящих в землю.
Молния без грозы
Молния возникает во время грозы, но может возникать и во время других явлений. Их можно встретить во время извержений вулканов или снежных бурь, когда молнии образуются в результате трения между частицами пыли или снега.
Что притягивает молнию?
Каждая молния, а точнее электростатические заряды, ищут кратчайший путь к земле. Это означает, что вероятность поражения молнией высоких объектов гораздо выше, поэтому людям советуют не стоять под деревом во время грозы, так как это может быть очень опасно.
Когда молния ударяет в дерево, вода, содержащаяся в растении, в этот момент начинает кипеть, расширяющийся в результате пар может привести к тому, что дерево взорвется, а его обломки нанесут нам вред.
Помимо деревьев, уязвимыми являются любые высокие конструкции, такие как мачты, столбы, радиовещательные антенны или высокие здания.
Как создается гром?
Гром — это звук, сопровождающий атмосферные разряды и возникающий при внезапном повышении давления и температуры молекул воздуха до более чем 20 000 градусов Цельсия. В результате воздух очень быстро расширяется и создает ударную волну, распространяющуюся во всех направлениях. Это не обязательно должен быть внезапный громкий треск, это может быть и продолжительный, низкий рокот.
громмолнияатмосфера
Поделиться в социальных сетях
Вам может понравиться
Грозы — Климатический центр Флориды
Среднее количество грозовых дней в году в США. Предоставлено Национальной метеорологической службой. |
Практически все летние ливни сопровождаются громом и молнией.
Ни в одной другой части страны нет большей грозовой активности, чем во Флориде. В западной половине полуострова обычно бывает более 80 дней с громом и молнией. Частота летних гроз в Центральной Флориде равна частоте летних гроз в мире: регион озера Виктория в экваториальной Африке и средняя часть бассейна Амазонки. Районы Амазонки и Восточной Африки сохраняют свою частоту гроз в течение большей части года, тогда как количество гроз во Флориде резко падает осенью и не увеличивается до весны.
Простейшее определение грозы — местная гроза, сопровождающаяся молнией и громом. Сама гроза может представлять собой одиночное кучево-дождевое облако, группу из нескольких гроз или линию гроз. Для образования грозы необходимо:
- Влага — для образования облаков и дождя.
- Нестабильный воздух — теплый воздух, который может быстро подниматься вверх.
- Подъем — холодные или теплые фронты, морской бриз, горы или солнечное тепло способны поднимать воздух, помогая формировать грозы.
После того, как все эти компоненты собраны вместе, гроза проходит через 3 этапа жизненного цикла:
Стадия развития или кучевых облаков:
Стадия зрелости: Облако выросло на значительную высоту, теперь в диапазоне от 40 000 до 60 000 футов. В шторме сосуществуют сильные восходящие и нисходящие потоки. Это самая опасная стадия шторма и наиболее вероятное время для града, сильного дождя, молнии, сильного ветра и торнадо. Штормы иногда имеют черный или темно-зеленый вид.
Стадия рассеяния: Нисходящий поток отсекает восходящий поток, который перекрывает поступление теплого влажного воздуха в шторм и, следовательно, он рассеивается. Интенсивность осадков уменьшается вместе с ветрами, хотя сильные порывы все еще возможны. Обычно вершина наковальни облака — это все, что остается от первоначального кучевого облака.
Типы гроз
- Обычная ячейка: Как следует из названия, это гроза только с одной ячейкой. Его обычно называют «импульсной» грозой.
- Многоячеечный кластер: Это грозы, которые организованы в кластеры из 2-4 недолговечных ячеек.
- Многоячеистая линия: Некоторые грозы образуют линию, которая может простираться в стороны на сотни или мили. Эти «линии шквала» могут сохраняться часами и простираться на сотни миль. Линии шквалов могут быть непрерывными или с перерывами и включать сплошные осадки. Долгоживущие линии шквалов известны как «дерехос» и могут преодолевать сотни миль, нанося значительный ущерб на своем пути.
- Грозы Supercell: Это потенциально наиболее опасная форма всех типов гроз. Грозы Supercell вызвали многочисленные долгоживущие сильные и сильные (EF2-EF5) торнаоды, а также разрушительный ветер, град и внезапные наводнения.
Опасность грозы
- Град: Град — это ливневые осадки в виде неправильных гранул или шаров льда диаметром более 5 мм, выпадающие из кучево-дождевого облака.
Размер града обычно относится к диаметру градин. Чтобы упростить отчетность, часто используются следующие описания:
Описание Диаметр (дюймы) Горох 0,25 Мрамор или нафталин 0,50 Пенни или десять центов 0,75 Никель 0,88 Квартал 1,00 Полдоллара 1,25 Мяч для пинг-понга 1,50 Мяч для гольфа 1,75 Куриное яйцо 2,00 Теннисный мяч 2,50 Бейсбол 2,75 Чайная чашка 3,00 Грейпфрут 4,00 Софтбол 4,50 Итак, почему во Флориде так много гроз, но не так много случаев града? Уровень замерзания во время грозы во Флориде очень высок; град часто тает, не достигнув земли.
Несмотря на то, что град не является обычным явлением для штата, во Флориде было зарегистрировано около дюжины случаев града размером более 3 дюймов.Сообщалось об одном случае в 1996 году на озере Уэльс, где выпал град размером с мяч для софтбола. Ущерб в этом районе был нанесен окнам, тротуарам и автомобилям на общую сумму 24 миллиона долларов. В 2007 году в районе Кендрика (к северу от Окала) были зарегистрированы градины размером от 2 до 4 дюймов.
- Ветер: Разрушительные ветры чаще связаны с грозами, чем с торнадо. На самом деле, многие путают ущерб, причиняемый «прямолинейным» ветром, и часто ошибочно приписывают его торнадо. Источником разрушительных ветров является нисходящий поток во время грозы. Нисходящий поток — это столб холодного воздуха, который быстро опускается на землю, что обычно сопровождается осадками во время грозы.
Нисходящие потоки могут вызывать нисходящие порывы, которые можно дополнительно классифицировать как микропорывы или макропорывы.
Нисходящий порыв — это сильный нисходящий поток воздуха из кучево-дождевых облаков, часто связанный с сильными грозами.
- Микропорыв: Нисходящий поток, который может затронуть территорию шириной менее 2,5 миль, при этом пик ветра длится менее 5 минут.
- Макропорыв: Нисходящий поток, который может затронуть территорию шириной не менее 2,5 миль, с пиковыми ветрами, длящимися от 5 до 20 минут. Интенсивные макровзрывы могут вызвать торнадо с интенсивностью до F3.
- Торнадо: См. раздел о торнадо во Флориде.
Несмотря на то, что град не является обычным явлением для штата, во Флориде было зарегистрировано около дюжины случаев града размером более 3 дюймов.
- Внезапные наводнения: За исключением смертельных случаев, связанных с жарой, больше смертей происходит из-за наводнения, чем из-за любой другой опасности. Основная причина в том, что люди недооценивают мощь и силу воды. Последствия наводнения могут ощущаться в местном, государственном и даже региональном масштабах. Во Флориде наводнения случаются часто, но большинство наводнений незначительные. Однако жители Флориды должны быть осторожны, потому что даже незначительные наводнения могут привести к гибели многих людей.
Наводнения вызываются дождем, но наводнение больше зависит от того, сколько дождя выпадает, как быстро он выпадает и что происходит с дождем после того, как он попадает на землю. Наиболее распространенным типом наводнения, которое происходит во время грозы, является внезапный паводок. Причиной большинства внезапных наводнений являются медленно движущиеся грозы, грозы, многократно перемещающиеся по одному и тому же району, или проливные дожди, вызванные тропическим штормом или ураганом. Эти наводнения могут быстро развиваться в зависимости от интенсивности и продолжительности шторма, рельефа местности, состояния почвы и напочвенного покрова.
- Молния: Молния — самый смертоносный компонент грозы. Хотя условия, необходимые для возникновения молнии, понятны, то, как формируется молния, никогда не проверялось. Синоптики никогда не смогут предсказать, когда и где произойдет удар молнии.
Флорида — молниеносная столица страны, в основном из-за нашей географии. Те самые элементы, которые делают наш штат прекрасным местом для активного отдыха — теплая температура и много воды — также делают окружающую среду подходящей для производства гроз, которые генерируют молнии.
Однако жители Флориды должны быть осторожны, потому что даже незначительные наводнения могут привести к гибели многих людей.
Молния возникает во время сильной циркуляции воздуха в кучево-дождевых облаках. Трение приводит к разделению положительных и отрицательных зарядов внутри бури. Кроме того, между основанием облака и землей возникает электрическое поле. Однако электрическое поле в облаке сильнее, и большая часть молнии (~ 75%) содержится внутри облака.
Поскольку разница в заряде продолжает увеличиваться, положительно заряженные частицы будут подниматься вверх в более высоких объектах, таких как деревья, телефонные столбы и даже здания. Канал отрицательного заряда, называемый ступенчатой лестницей, спустится со дна грозового облака к земле. Это незаметно для человеческого глаза.
Положительный заряд, накопившийся в высоком объекте на земле, «тянется» к приближающемуся отрицательному заряду по собственному каналу, называемому стримером. Когда эти каналы соединяются, возникает электрическая передача, которую мы видим как молнию. Если осталось достаточно зарядного устройства, дополнительные удары будут использовать тот же канал и придадут болту вид мерцания. Молния нагревает воздух до 50 000 градусов по Фаренгейту, и этот быстрый нагрев воздуха создает ударную волну, которая приводит к грому.
Молния имеет как отрицательную, так и положительную полярность. Большинство молний образуется в нижней части облака, хотя менее 5% всех молний происходит из верхней части наковальни, что делает ее положительным ударом молнии. Положительная молния очень опасна по нескольким причинам. Поскольку оно исходит из вершины наковальни, электрическое поле намного сильнее отрицательного удара (почти в десять раз больше!). Некоторые положительные удары могут поразить землю под облаком; однако большинство положительных ударов происходит у края облака или может ударить на расстоянии более 10 миль.
Положительная молния часто вызывает явление, обычно называемое «гром среди ясного неба». Положительные удары более смертоносны и наносят больший ущерб, чем отрицательные молнии.
Среднегодовое количество гроз в мире, апрель 1995 г. — февраль 2003 г. Предоставлено Национальной метеорологической службой. |
Мы начинаем разгадывать тайну того, как работают молнии и грозы
Многие облака образуются, когда теплый влажный воздух поднимается на большие высоты, где он становится холоднее и конденсируется в капли воды. Грозы случаются, когда образовавшееся таким образом облако быстро становится очень большим, всасывая в себя все больше и больше водяного пара. Практически всегда следуют осадки и сильный порывистый ветер. И, конечно же, молнии. Молнии могут показаться довольно редкими, но они случались примерно 700 раз — мы получаем около 100 ударов в секунду — где-то по всему земному шару за то время, которое вам потребовалось, чтобы прочитать это предложение.
Молнии и грозы становятся все более частыми, и есть предположения, что это будет продолжаться в результате глобального потепления. В 2014 году профессор Дэвид Ромпс из Калифорнийского университета в Беркли, США, разработал атмосферную модель, предсказывающую, что молния будет увеличиваться на 12% с каждым градусом нагревания Земли. Есть некоторые признаки того, что это уже может происходить. Исследователи из Нидерландов изучили количество пожаров, вызванных молнией в лесах Аляски и Канады, и обнаружили, что за последние 40 лет они росли на 2–4 % в год.
Мы плохо понимаем молнию. Если, например, вам нужно снять удар молнии и воспроизвести его в сверхзамедленном режиме, вы заметите, что удар происходит поэтапно. По словам доктора Алехандро Луке из Института астрофизики Андалусии в Гранаде, Испания, он делает паузы на некоторое время, прежде чем двигаться дальше. Но мы не знаем, почему это происходит. Он говорит, что есть несколько статей по этому вопросу, но общепринятых теорий, по сути, нет.
Спрайты
Доктор Люк полагает, что у него может быть некоторое понимание проблемы, однако благодаря его работе по изучению еще более невероятного, но более понятного электрического явления — спрайтов.
Спрайты — это огромные цветные струи света, возникающие на высоте от 50 до 90 километров над землей, что намного выше уровня грозы. Их существование подвергалось сомнению в течение многих лет, так как их трудно увидеть с земли. Доктор Люк изучал их главным образом, рассматривая снимки, сделанные исследовательскими самолетами.
Хотя они менее знакомы, чем молнии, физику спрайтов легче изучать, потому что на такой большой высоте мало воздуха и поэтому электрические разряды происходят медленнее и при более низких температурах. Молния создает температуру выше, чем на поверхности Солнца. Но доктор Луке говорит, что выпускные каналы спрайтов имеют «практически такую же температуру, как и окружающий воздух».
Каналы спрайтов состоят из множества крошечных нитей, называемых лентами.
И по мере распространения стримеров некоторые пятна внутри них светятся ярче и устойчивее. По словам доктора Луке, спрайты ярко светятся благодаря поведению электронов. В некоторых областях стримера электроны присоединяются к молекулам воздуха, что увеличивает силу электрического поля, создавая более яркий свет.
»«Раньше люди думали, что грозы бывают редко… Это потому, что мы их не видели».
Проф. Солари, Университет Генуи, Италия
Шаги
Это объяснение бесспорно, говорит д-р Луке, но мы не знаем, может ли аналогичный процесс, как он подозревает, объяснить, почему сама молния протекает поэтапно. В контексте молнии на более низких высотах молекул воздуха больше, и присоединение к ним электронов может происходить несколько иначе, создавая ступенчатую картину. Доктор Люк хочет выяснить, правильно ли это, с помощью своего проекта eLightning.
Он и его ученик Алехандро Малагон-Ромеро выдвинули эту гипотезу в 2019 году.
Сейчас его команда работает над созданием вычислительной модели молнии, чтобы проверить, может ли ожидаемый процесс объяснить шаговое поведение.
Понимание того, почему молния движется поэтапно, не поможет нам сделать ее менее опасной. Но доктор Луке говорит, что лучшее понимание этого явления может быть полезно во многих других областях. Например, вокруг линий электропередач могут образовываться разряды, поэтому они должны быть спроектированы таким образом, чтобы свести их к минимуму. Такие разряды используются и в промышленности, например, при обеззараживании отходящих промышленных газов и даже в копировальных аппаратах. Лучшее понимание того, как они работают, может привести к улучшению дизайна.
Молнии могут показаться самым опасным оружием в арсенале грозы, но эти грозы также создают необычайно сильные ветры.
В погоде в Европе преобладают воздушные системы, известные как внетропические циклоны, спиралевидные воздушные потоки, несущие с собой ветер и дождь, когда они проносятся по региону.
Средний европейский город видит от 70 до 90 человек в год, и ученые хорошо понимают, как они работают. Эти бури могут быть сильными, хотя и не всегда.
Всякий раз, когда в Европе строится здание, проектировщики должны убедиться, что оно может выдержать сильный ветер, и модели, которые они используют для этого, основаны на внетропических циклонах. Проблема в том, что он не учитывает ветры, считающиеся редкими, например грозы.
Грозы
Чтобы понять, почему это важно, нужно понимать разницу между циклонами и грозами. Во-первых, грозы более интенсивны, чем циклоны. В то время как циклон может длиться три дня, гроза может закончиться через 20 минут. Таким образом, вместо умеренного продолжительного ветра вы получаете приступы очень сильных порывов. Во-вторых, и это более важно, сила ветра меняется в зависимости от высоты над уровнем моря. Циклоны становятся все сильнее и сильнее выше. С другой стороны, грозы, как правило, вызывают ветры, начинающиеся примерно на 100 м вверх и дующие вниз, при этом ветер становится сильнее по мере снижения.
«Обычный ветер дует параллельно земле, а грозовой дует вниз. Это совершенно другое», — сказал профессор Джованни Солари из Генуэзского университета в Италии.
Сложите все это воедино, и в результате, по словам профессора Солари, мы чрезмерно проектируем наши самые высокие здания, особенно небоскребы, и недостаточно проектируем малоэтажные здания и конструкции, такие как краны на верфях. Верхние 200 метров 300-метрового небоскреба, вероятно, не будут продуваться грозой, но мы проектируем их так, как будто они будут дуть, потому что наши модели предполагают, что ветер сильнее выше. «Мы делаем здания слишком безопасными», — сказал он. С другой стороны, небольшие краны могут опрокинуться во время грозы, которая создает самый сильный ветер на уровне земли.
Цель профессора Солари в рамках проекта THUNDERR состоит в том, чтобы исправить это, что могло бы сделать строительство более эффективным и менее затратным, создав модель грозового ветра, которую можно использовать при проектировании зданий.