Возникновение молнии: Физики выяснили, откуда берутся «стебли», которыми прорастает молния

Физики выяснили, откуда берутся «стебли», которыми прорастает молния

30 июня, 2021 12:04

Источник: Пресс-служба РНФ

Физические механизмы распространения молниевых разрядов до сих пор вызывают много вопросов. Известно, что в большинстве случаев приближающаяся к земле молния удлиняется ступенчато, сливаясь с возникающими перед ней более короткими разрядными каналами. Чтобы понять природу образования этих вспомогательных каналов, нижегородские физики разработали модель, описывающую возникновение небольших плазменных сгустков, из которых они произрастают. Результаты моделирования легли в основу фундаментально нового механизма формирования этих плазменных образований. Подробнее с текстом статьи можно ознакомиться в журнале Atmospheric Research. Исследование поддержано грантом Российского научного фонда (РНФ).

Поделиться

Источник: Shutterstock

Схема формирования ступени отрицательного лидера. Полный цикл (А-Е) обычно длится несколько десятков микросекунд. Темно-красный и голубой цвета отвечают положительной и отрицательной полярностям соответственно. Более жирные линии отвечают большим проводи

Пример моделирования процесса формирования центра ионизации (предшественника пространственного стема) перед головкой отрицательного лидера. Слева направо показаны пространственные распределения концентрации электронов, полного заряда и электрического поля

Каждую секунду на Земле происходит около 50 молниевых разрядов. В умеренных широтах России за час сильной грозы может произойти до 500 ударов, из которых примерно четверть достигает земли.

После контакта с землей канал молнии нагревается примерно до 30 тысяч градусов, что в пять раз горячее видимой поверхности Солнца. При этом существуют научные данные, позволяющие говорить о тенденции к увеличению количества гроз по мере загрязнения воздуха и развития глобального потепления. Ожидается, что к концу XXI века молниевая активность возрастет примерно на 50 процентов.

Каждый год от удара молнией погибает несколько тысяч человек и еще в 5-10 раз больше получают травмы различной степени. Более того, грозы наносят огромный вред за счет возникающих возгораний и нарушений работы электрических сетей. Так, в 1977 году молния стала причиной суточного отключения электричества в Нью-Йорке. За это время в городе начались массовые грабежи и общественные беспорядки, ущерб от которых составил более 300 миллионов долларов. Удар молнии в 2011 году стал причиной серьезного нарушения работы дата-центров компаний Microsoft и Amazon. Восстановление больших объемов данных потребовало около двух суток.

Известно, что до 90 процентов достигающих поверхности земли молниевых разрядов переносит отрицательный заряд. Для данного типа молний механизм распространения горячего плазменного канала, называемого отрицательным лидером, крайне сложен и до сих пор не до конца изучен. Его продвижение к земле состоит из циклов, в каждом из которых происходит скачкообразное приращение канала. В конце каждой ступени вокруг оконечности новой ветви молнии формируется корона, состоящая из миллионов стримеров — холодных плазменных каналов, которые уносят избыточный заряд от новообразованной головки отрицательного лидера. Особый интерес ученых вызывает процесс образования на периферии стримерной короны небольших веретенообразных плазменных образований — пространственных стемов. Именно из них формируются вспомогательные лидеры, которые позднее прирастают к основному каналу молнии. Основная загадка пространственных стемов заключается в том, что они возникают не вблизи канала отрицательного лидера молнии, а в десятках метров от него в отсутствие непосредственной электрической связи.

Исследователи из Федерального исследовательского центра Института прикладной физики Российской академии наук (Нижний Новгород) разработали численную модель формирования пространственных стемов. Ученые показали, что предшествующие их возникновению центры ионизации появляются в областях, в которые за очень короткое время попадает несколько головок отрицательных стримеров. Их коллективный заряд запускает интенсивную волну ионизации. В точке старта этой волны образуется избыточный положительный заряд, который можно назвать естественным аналогом лабораторного электрода. При удачном стечении обстоятельств данный заряд со временем превращается в пространственный стем. Разработанный подход учитывает коллективные эффекты взаимодействия множества одновременно развивающихся стримеров, что выгодно отличает его от большинства конкурирующих исследований, сосредоточенных на моделировании процессов в канале отдельно взятого стримера.

«Наш век, без сомнения, является веком слаботочной микроэлектроники, цепи которой особенно уязвимы к разрядам молний. При этом развитие современных методов молниезащиты ограничено недостаточным пониманием механизмов эволюции молниевых разрядов, в том числе ступенчатых отрицательных лидеров. Это сказывается на качестве защиты, о чем свидетельствуют регулярные перебои с электричеством. Тот же молниеотвод, вопреки названию, не отводит молнию от защищаемого объекта, а, напротив, притягивает ее. Мы надеемся, что результаты нашей работы поспособствуют развитию теории молниевого разряда, что в перспективе позволит разработать более эффективные методы защиты от молний», — отметил Артем Сысоев, младший научный сотрудник лаборатории нелинейной физики природных процессов ИПФ РАН.

В дальнейшем авторы планируют повторить расчеты в рамках более продвинутой модели, которая позволит воспроизвести все стадии процесса формирования пространственного стема вплоть до момента его превращения в лидерный канал.

Теги

Пресс-релизы

Возникновение — молния — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Cтраница 1

Возникновение молний говорит о том, что в тучах накапливаются значительные электрические заряды. Впрочем ( и это важно подчеркнуть), отсутствие молний еще не означает, что зарядов нет. И в грозовых тучах, и в различных видах облаков, в частности в слоистых и слоисто-дождевых, накапливаются электрические заряды. Просто в грозовой туче этих зарядов намного больше, чем, например, в слоистом облаке.  [1]

С электризацией трением связано, в частности, возникновение молнии. При падении вниз крупных дождевых капель они вследствие сопротивления воздуха сплющиваются, а затем разбиваются на более мелкие капли и удерживаемую воздухом мельчайшую водяную пыль. Последняя приобретает при этом отрицательный заряд, а капли — положительный. В результате дальнейшего падения капель между верхними и нижними слоями туч ( а также между последними и землей) создается разность потенциалов, достигающая в конце концов таких размеров ( порядка тысяч в / см), что происходит электрический разряд. Подобная же электризация трением может служить причиной самовозгорания нефтяных фонтанов.

 [2]

С электризацией трением связано, в частности, возникновение молнии. При падении вниз крупных дождевых капель они вследствие сопротивления воздуха сплющиваются, а затем разбиваются на более мелкие капли и удерживаемую воздухом мельчайшую водяную пыль. Последняя приобретает при этом отрицательный заряд, а капли — положительный. В результате дальнейшего падения капель между верхними и нижними слоями туч ( а также между последними и землей) создается раз — ность потенциалов, достигающая в конце концов таких размеров ( порядка тысяч в / см), Что происходит электрический разряд. Подобная же электризация трением может служить причиной самовозгорания нефтяных фонтанов.  [3]

Одно из проявлений разделения заряда в атмосфере связано с возникновением молний.  [4]

Свободные заряды сами появляются в столбе воздуха на начальных этапах

возникновения молнии. Молниеотвод на короткое время становится проводником, а затем свободные заряды сами исчезают.  [5]

Фотография дугового разряда между угольными электродами при атмосферном давлении.  [6]

Поэтому и напряженность поля в этом объеме воздуха делается меньше ( как внутри любого проводника), что и уменьшает вероятность возникновения молнии.  [7]

Когда в 1963 г. из глубин Исландского моря поднялся вулкан, образовав новый небольшой островок, в темных облаках над вулканом сверкали яркие молнии. Как в таком случае создается огромный заряд, который необходим для возникновения молнии.  [8]

Контактная сварка. 1 — . толстая медная пластина, 2 — медный заостренный стержень большого поперечного сечения, 3 л 4 — свариваемые детали ( например, две никелевые пластины, слегка зажатые между медными электродами.  [9]

Учитывая, что в среднем на поверхность Земли падает 100 молний в секунду, подсчитайте общий запас энергии, идущий на возникновение молний за год.  [10]

Молнии возникают либо между облаками, либо между облаком и землей. Сила тока в молнии огромна и колеблется обычно от 10000 до 500000 а, а напряжение между облаком и землей перед возникновением молнии достигает 108 — 109 в. Длительность отдельного разряда молнии очень мала, порядка микросекунды.  [11]

Молнии возникают либо между облаками, либо между облаком и землей. Сила тока в молнии огромна и колеблется обычно от 10 до 1000 кА, а напряжение между облаком и землей перед

возникновением молнии достигает 108 — 109 В. Длительность отдельного разряда молнии очень мала, порядка микросекунды.  [12]

Образование зарядов в облаке.  [13]

Этому благоприятствует меньшая плотность воздуха вокруг облака, чем плотность у земли. Исследованиями в Советском Союзе и за рубежом выявлены условия возникновения молнии и ее характеристики.  [14]

Грозоотвод представляет собой вертикальный проводник, верхний конец которого заострен и находится выше окружающих знаний, а нижний заземлен. Во время грозы на поверхности Земли возникают заряды, индуцированные зарядами облаков, и создается электрическое поле. При наличии грозоотвода напряженность электрического поля достигает наибольшей силы у острия, вследствие чего на острие зажигается коронный разряд, и индуцированные заряды уходят с поверхности Земли. Благодаря этому индуцированные заряды не могут накапливаться на наземных зданиях и сооружениях, и в большинстве случаев предотвращается возникновение молнии. В редких же случаях возникновения молнии она ударяет в грозоотвод, на острие которого плотность электрического заряда наибольшая, и заряды уходят в Землю, не причиняя разрушений.  [15]

Страницы:      1    2

Молния | Напряжение, причины и факты

грозовой разряд

Посмотреть все СМИ

Ключевые люди:

Чарльз Протеус Стейнмец C. T.R. Уилсон Эбенезер Киннерсли

Похожие темы:

гром молния из бисера лидер ступенчатый лидер возвращаться

Просмотреть весь связанный контент →

Популярные вопросы

Что вызывает молнию?

Молния — это видимый электрический разряд облака. Это происходит, когда существует дисбаланс зарядов между областью облака и другой поверхностью (обычно землей, зданием, другой областью того же облака или другим облаком), который достаточно значителен, чтобы преодолеть сопротивление воздуха.

Насколько опасна молния?

Молния очень опасна. Удары молнии в людей, хотя и сравнительно редко, могут вызывать состояния от амнезии до остановки сердца. Молния также может вызвать нагревание окружающего воздуха до 27 700 градусов по Цельсию (почти 50 000 градусов по Фаренгейту), что часто приводит к возгоранию близлежащих предметов. Молнии вызывают более 20 000 пожаров в США в год.

Что такое шаровая молния?

Шаровая молния — загадочное явление, которое наблюдатели описывают как левитирующую сферу электричества или плазмы, обычно наблюдаемую во время грозы. Одна из теорий предполагает, что шаровая молния возникает в результате реакции между кислородом и пораженной молнией почвой с образованием плазмы. Некоторые ученые скептически относятся к существованию шаровой молнии.

Каковы шансы быть пораженным молнией?

Вероятность того, что человек будет поражен молнией в США в течение жизни, составляет 1 к 15 300. В среднем 270 человек в США поражаются в год, и только около 10 процентов из этого числа умирают в результате этого события. Ежегодно во всем мире молния поражает около 2000 человек.

Может ли молния дважды ударить в одно и то же место?

молния , видимый разряд электричества, возникающий, когда область облака приобретает избыточный электрический заряд, положительный или отрицательный, достаточный для преодоления сопротивления воздуха.

Далее следует краткое описание молнии. Более подробное обсуждение молнии в ее метеорологическом контексте см. в разделе «Электрификация грозы» в статье «Гроза».

Britannica Quiz

Молния: правда или вымысел?

Защищены ли небоскребы от ударов молнии? Помогают ли кристаллы льда в производстве молнии? Узнайте больше о самом электрическом явлении в природе в этой викторине.

Молнии обычно связаны с кучево-дождевыми облаками (грозовыми облаками), но они также возникают в слоистых облаках (слоистых облаках большой горизонтальной протяженности), в метелях и пыльных бурях, а иногда и в пыли и газах, выбрасываемых извергающимися вулканами. Во время грозы молния может возникать внутри облака, между облаками, между облаком и воздухом или между облаком и землей.

Молния возникает, когда в облаке образуются области с избыточным положительным и отрицательным зарядом. Как правило, в верхних областях облака имеется большой объем положительного заряда, большой отрицательный заряд в центре и небольшой положительный заряд в нижних областях. Эти заряды находятся на каплях воды, частицах льда или на том и другом.

Молния «облако-земля» инициируется предварительным процессом разрушения внутри облака, обычно между центральной областью отрицательного заряда и небольшим положительным зарядом под ним. Этот процесс создает канал частично ионизированного воздуха — воздуха, в котором нейтральные атомы и молекулы превратились в электрически заряженные. Далее формируется ступенчатый лидер (начальный удар молнии), который распространяется вниз по каналам, созданным в процессе предварительного пробоя. Лидер сильно разветвлен в направлении своего распространения. Большинство ведущих каналов заряжены отрицательно. Когда ступенчатый лидер приближается к земле, восходящий соединительный разряд противоположной полярности поднимается вверх и встречается с ним в точке, обычно на высоте около 30 метров (100 футов) над землей. Когда соединение завершено, облако эффективно соединяется с землей, и очень яркий обратный удар распространяется обратно к облаку со скоростью около одной трети скорости света, следуя по каналу-лидеру. Типичная вспышка молнии, падающая на землю, состоит из трех или четырех последовательностей ударов лидера и возврата в быстрой последовательности. Иногда, когда происходит удар по горе или высокому зданию, первый лидер начинает с земли и распространяется вверх.

Раскройте науку о явлениях молнии и грома

Просмотреть все видео к этой статье

Разность потенциалов между облаком и землей составляет порядка 10–100 миллионов вольт, а пиковые токи при обратном ударе к отрицательным лидерам обычно около 30000 ампер. Пиковые температуры в канале обратного хода составляют порядка 30 000 ° C (50 000 ° F). Весь процесс очень быстрый; удар лидера достигает земли примерно за 30 миллисекунд, а обратный удар достигает центра облака примерно за 100 микросекунд. На этом этапе в канале молнии рассеивается примерно 105 джоулей энергии на метр. Это внезапное рассеивание расщепляет молекулы воздуха в канале — главным образом азота, кислорода и воды — на соответствующие им атомы, и в среднем от каждого атома удаляется один электрон. Преобразование нейтральных молекул воздуха в полностью ионизированную плазму происходит за несколько микросекунд.

Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

Гром возникает в результате быстрого нагревания воздуха в канале молнии и, как следствие, повышения атмосферного давления. Давление ударной плазмы, которое намного превышает давление окружающей атмосферы, заставляет канал расширяться со сверхзвуковой скоростью, что в конечном итоге создает звуковую волну, слышимую как гром. Удары, раскаты и раскаты, характерные для звука грома, вызваны сложной геометрией и извилистостью канала молнии, а также влиянием атмосферы и местной топографии на распространение звука.

Молнии представляют собой серьезное погодное явление и происходят со средней скоростью от 50 до 100 разрядов в секунду по всему миру. Молниеотводы и металлические проводники можно использовать для защиты конструкции, максимально безвредно перехватывая и отводя ток молнии в землю. Когда может произойти молния, людям рекомендуется оставаться в помещении или в автомобиле, подальше от открытых дверей и окон и избегать контакта с любыми электрическими приборами или сантехникой, которые могут подвергаться воздействию внешней среды.

Редакция Британской энциклопедии Эта статья была недавно отредактирована и дополнена Адамом Августином.

Возникновение, природа, факты и часто задаваемые вопросы

Природные явления весьма увлекательны. Они происходят по определенной научной причине. Одним из распространенных природных явлений является молния. Вы узнаете, как возникает молния и как она образуется в облаках. В этом разделе мы узнаем, как образуются молнии. Выясним, почему он иногда поражает предметы на земле и почему исчезает в небе. Это очень интересная часть, чтобы узнать, как молния путешествует в облаках. Несмотря на столько исследований, фактический метод до сих пор остается загадкой для ученых.

Что такое молния?

Молния — это природное явление, при котором электрические заряды перемещаются из одной точки в другую внутри облаков или между облаком и землей. В пасмурный день или ночь естественным потоком света, который мы видим в ненастную погоду, является освещение. Зрелище удивительно красивое, но очень опасное. Он может уничтожить любую форму жизни за считанные секунды, так как несет огромное количество электрического заряда.

Чтобы понять, как возникает молния, нам придется изучить понятие статического электричества. Вы изучили, как трение двух предметов вызывает перенос электронов с одной поверхности на другую. Передача определяется характером объекта. Давайте рассмотрим пример здесь. Когда вы снимаете свитер или шерстяной джемпер, вы, возможно, слышите треск. Если вы очень внимательно понаблюдаете в темноте, эти потрескивающие звуки производятся искрами. Как предмет одежды может давать искры?

Для юных умов очень интересно узнать, как статическое электричество может привести к возникновению искр. В древние времена янтарь натирали мехом, чтобы увидеть, как он может поднимать очень легкие предметы, такие как волосы. Причины те же. Из-за трения обоих объектов свободные электроны перемещаются с одной поверхности на другую. Перенос электронов создает разницу в отрицательных зарядах. Следовательно, тело, которое теряет электроны, становится положительным, а тело, которое приобретает, становится отрицательным. Быстрая передача этих электронов для уравновешивания зарядов вызывает искры. То же явление происходит и в облаках. Вот что вызывает молния между облаками и землей .

Молния

Как возникает молния?

Как упоминалось ранее, молния — это природное явление, при котором электроны перемещаются по проводящему пути от одного облака к другому, чтобы сбалансировать разницу зарядов. Это также может произойти между облаком и землей. Когда отрицательно заряженные облака собирают слишком много электронов, они начинают находить пути для высвобождения избыточного отрицательного заряда. Когда они получают правильное соединение или подходят достаточно близко к положительно заряженному или нейтральному телу, они сразу высвобождают электроны. Вы также должны знать, что электроны накапливаются, по-видимому, из-за трения облаков.

Когда огромное количество заряда высвобождается через проводящую дорожку, воздух в ней очень быстро нагревается и расширяется. Это приводит к громовым звукам молнии. Молния может не издавать звука, когда она находится далеко от нас. Именно эксперименты Бенджамина Франклина объяснили, как возникает молния. Позже было обнаружено, что верхняя часть облака теряет электроны и накапливает положительные заряды. Нижний конец получает электроны и становится отрицательно заряженным. Когда соединение установлено, избыточные электроны в нижней части облака перемещаются в верхнюю часть и вызывают молнию. То же самое происходит, когда разряд молнии поражает объект на уровне земли.

Кто открыл природу молнии?

Бенджамин Франклин , американский ученый, провел эксперимент с воздушным змеем и проводником. Он запустил змея в ненастный день. Проводник, висящий на воздушном змее, обнаружил окружающий заряд в атмосфере. Этот эксперимент был проведен в 1752 году. Его вывод считался верным лишь 100 лет спустя. Именно его эксперименты объясняют, как возникает молния.

В ту эпоху люди не могли понять научную причину природного явления. Они поняли, что какая-то сверхъестественная сила была ответственна за создание молнии и грома. После проведения различных экспериментов позже было подтверждено, что молния есть не что иное, как быстрый поток огромного количества электрического заряда.

Что вызывает молнию?

Когда в атмосфере возникают восходящие и нисходящие потоки ветра, создается процесс зарядки, который разделяет электрические заряды в облаках, оставляя отрицательные заряды внизу и положительные заряды вверху. По мере того, как увеличивается заряд в нижней части облака, увеличивается и разность потенциалов между облаком и положительно заряженной землей. Когда пробой в основании облака создает очаг положительного заряда, формируется канал электростатического разряда, который начинает стекать вниз с шагом в десятки метров.

Как формируется молния?

Гром и молния ударяют почти одновременно, но мы видим удар молнии раньше, чем слышим гром. Это связано с тем, что свет распространяется значительно быстрее звука. Поскольку противоположности притягиваются, отрицательный заряд в нижней части грозового облака хочет соединиться с положительным зарядом на земле. Когда отрицательный и положительный заряды объединяются, в облако поднимается мощный электрический ток. Обратный ход — это электрический ток.

Вредное воздействие молнии

При поражении молнией некоторые из неблагоприятных последствий включают эстетические воздействия, разрушение общественной собственности, лесные пожары и смерть. Удар молнии генерирует огромное количество электрического заряда.

• Молния имеет температуру около 27000 градусов по Цельсию.

• Молния может вызвать пожар и разрушить строения, причинив значительный материальный ущерб и разрушения.

• Молнии вызывают как лесные пожары, так и ожоги деревьев.

• Молния мгновенно ранит или даже убивает живых существ.

• Звуковые эффекты вызваны ударной волной (ростом давления), которая начинается вдоль выпускного канала и слышна в диапазоне ок. Удары молнии могут вызвать ожоги и возгорание, а также остановить сердце или дыхание человека.

Процесс Молнии

Молния часто случается, когда погода остывает и начинается дождь. Когда температура падает, капли воды, удерживаемые облаками, начинают превращаться в кристаллы льда. Эти кристаллы льда будут тереться друг о друга, создавая статический заряд в облаках. Более легкий положительный заряд будет мигрировать к верхнему концу облака, а более тяжелый отрицательный заряд будет двигаться к нижнему концу облака. Поверхность Земли, с другой стороны, ведет себя как большая положительно заряженная поверхность.

Положительные и отрицательные заряды (противоположные заряды) притягиваются друг к другу. Однако между землей и облаком будет воздух. Поскольку воздух является плохим проводником, он препятствует прохождению заряда. Однако после определенного момента накопление заряда становится чрезвычайно массивным, и происходит разряд. Этот разряд происходит за долю секунды. Это известно как электрический разряд. Этот массивный поток заряда генерирует тепло и свет.

Важные вопросы

1. Какие виды молнии наиболее распространены?

Ответ: Молния бывает трех видов: облако-в-облако, облако-в-воздух и облако-в-землю. Три формы молнии различаются по месту их возникновения. Это может произойти между двумя точками на земле, между двумя отдельными облаками или внутри одной грозовой тучи. Наблюдались еще несколько наблюдательных форм, в том числе тепловая молния. Его будет видно издалека, но не слышно. Лесные пожары вызываются сухими молниями.

2. Охарактеризуйте свойства молнии.

Ответ: Молния — это естественный электростатический разряд, при котором две электрически активные области, одна на земле, а другая в атмосфере, быстро нейтрализуют друг друга. Гром — это звук, издаваемый молнией, который появляется, когда газы в разряде испытывают быстрое увеличение давления. Молния обычно возникает во время грозы и других погодных явлений высокого напряжения. Вулканические молнии также могут возникать во время извержений вулканов.

Факты о Молнии

• Поток электронов в виде молнии очень быстро нагревает воздух и поднимает температуру до 27 000°C.

• Удар молнии в землю создает дыру, протянувшуюся от источника к приемнику. Это отверстие известно как канал. Обрушение этой дыры или канала вызывает звук грома. Из-за быстрого расширения воздуха в канале и вокруг него возникает звук.

• Когда капли дождя падают против воздушных потоков, движущихся вверх, перенос электронов вызывает разницу в зарядах. Перенос этого накопленного заряда и вызывает молнию. Величина накопленного заряда увеличивается многократно, вызывая скачкообразное увеличение электрического потенциала, после чего происходит перенос.

• Частота ударов молнии в землю составляет около 40-50 раз в секунду.

Резюме

Молния представляет собой разряд электричества, возникающий из-за дисбаланса между грозовыми облаками и землей или внутри самих облаков. Большинство ударов молнии происходит в облаках. Термин «листовая молния» относится к отдаленной молнии, которая освещает всю основу облака.