Виды молний
- Молнии возникают между тучей и земной поверхностью, однако, есть молнии, возникающие между тучами. Все эти молнии принято называть линейными. Длина отдельной линейной молнии может измеряться километрами.
- Еще одним видом молний является ленточная молния. При этом возникает следующая картина, как если бы возникли несколько почти одинаковых линейных молний, сдвинутых относительно друг друга (см.илл.1а)
- Было замечено, что в некоторых случаях вспышка молний распадается на отдельные святящиеся участки длиной в несколько десятков метров (см.илл.1б). Это явление получило название четочной молнии. Согласно Малану (1961) такой вид молний объясняется на основе затяжного разряда, после свечения которого казалось бы более ярким в том месте, где канал изгибается в направлении наблюдателя, наблюдающего его концом к себе. А Юман (1962) считал, что это явление стоит рассматривать как пример «пинг-эффекта», который заключается в периодическом изменении радиуса разрядного столба с периодом в несколько микросекунд.
- Гораздо менее изученное явление, которое по сути нельзя назвать разрядом атмосферного электричества, но которое часто образуется вследствие схожих процессов, - это, так называемая, шаровая молния.
Илл.1а. Ленточная молния (параллельные разряды)
Илл.1б. Четочная молния
При движении грозового фронта от трения воздуха между землей и облаками образуется огромная разность потенциалов. Явление чем-то похоже на гигантский природный конденсатор, накапливающий энергию. Поэтому метеочувствительным людям может стать плохо перед грозой, в работе тонких электроприборов могут наблюдаться электрические помехи, а радиосигнал может не проходить сквозь грозовой фронт.
Процесс развития наземной молнии состоит из нескольких стадий. На первой стадии, в зоне, где электрическое поле достигает критического значения, начинается ударная ионизация, создаваемая вначале свободными электронами, 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. По другим современным представлениям, разряд инициируют высокоэнергетические космические лучи, которые запускают процесс, получивший название пробоя на убегающих электронах (Пробой на убегающих электронах в грозовой атмосфере). Таким образом, возникают электронные лавины, переходящие в нити электрических разрядов — стримеры, представляющие собой хорошо проводящие каналы, которые, сливаясь, дают начало яркому термоионизованному каналу с высокой проводимостью — ступенчатому лидеру молнии.
Движение лидера к земной поверхности происходит ступенями в несколько десятков метров со скоростью ~ 50 000 километров в секунду, после чего его движение приостанавливается на несколько десятков микросекунд, а свечение сильно ослабевает; затем в последующей стадии лидер снова продвигается на несколько десятков метров. Яркое свечение охватывает при этом все пройденные ступени; затем следуют снова остановка и ослабление свечения. Эти процессы повторяются при движении лидера до поверхности земли со средней скоростью 200 000 метров в секунду.
По мере продвижения лидера к земле напряжённость поля на его конце усиливается и под его действием из выступающих на поверхности Земли предметов выбрасывается ответный стример, соединяющийся с лидером. Эта особенность молнии используется для создания молниеотвода.
Разряд статического электроэнергии обычно проходит по пути наименьшего электрического сопротивления - по ионизированному каналу, проложенному "бегущим лидером" (как по проводу). Так как между самым высоким предметом, среди аналогичных, и кучевым облаком расстояние меньшее, значит меньше и электрическое сопротивление. Следовательно, молния поразит в первую очередь высокий предмет (мачту, дерево и т.п.). Как только лидер достигает земли или высокого предмета, имеющего статический заряд электроэнергии, с земли в грозовое облако по проложенному ионизированному каналу происходит мгновенный многократный электрический разряд. Его мы видим как единую очень яркую "цельную" молнию, но на расстоянии мы слышим раскаты грома, так как мгновенных последовательных разрядов молнии по одному каналу производится несколько.
На илл.2 видно, как с грозового фронта стекают вниз "бегущие лидеры", оставляя за собой слабосветящийся ветвистый канал. И очень хорошо заметен яркий мощный канал "от земли до неба" со вспышкой на облаке, по которому происходит непосредственный разряд молнии. Все такие активные каналы при входе в грозовое облако очень ярко подсвечены, а сам по себе выход "бегущего лидера" из облака - еще нет. На четвертой слева молнии очень хорошо видно, что мощный разряд бьет вдоль канала из земли и еще не достиг развилки. А крайний справа вверху "слабый" разряд - это движение "бегущего лидера" из облака. На конце крайней левой развилки третьей слева молнии даже виден очень яркий "бегущий лидер" в виде точечного маленького шара.
Илл.2. Стадии развития молний
Если "бегущий лидер" оказался "слабеньким" и разрушился до того, как он полностью сформировал ионизированный канал, разряда молнии не происходит. Большинство выходов "бегущих лидеров" не заканчивается разрядом молнии. "Бегущий лидер", за которым непосредственно следует электрический разряд и молния, на специальных фотографиях напоминает небольшую яркую искру и представляет собой сгусток ионизированного газа (сгусток низкотемпературной плазмы). Именно путем фотографирования молнии и того, что происходит непосредственно перед разрядом, в XX веке было сделано открытие, корректно описывающее явление молнии.
Видео 1. Образование канала молнии и несколько обратных разрядов.
Рассмотрим чуть подробнее физику линейной молнии.
Физика линейной молнии
Как уже говорилось, линейная молния представляет собой несколько импульсов, быстро следующих друг за другом. Каждый импульс – это пробой воздушного промежутка между тучей и землей, происходящий в виде искрового разряда, Начнем с рассмотрения первого (начального) импульса. В его развитии есть две стадии: сначала образуется канал разряда между тучей и землей, а затем по образовавшемуся каналу быстро проходит импульс основного тока.
Первая стадия (образование канала разряда) показана на илл.3(а,б,в). Все начинается с того, что в нижней части тучи формируется электростатическое поле очень большой напряженности – 105...106 В/м. Свободные электроны получают в таком поле огромные ускорения. Эти ускорения направлены вниз, поскольку нижняя часть тучи заряжена отрицательно, а поверхность земли положительно. На пути от одного столкновения до другого электроны приобретают значительную кинетическую энергию. Поэтому, сталкиваясь с атомами и молекулами, они ионизуют их. В результате рождаются новые (вторичные) электроны, которые, в свою очередь, ускоряются в поле тучи и затем в столкновениях ионизуют новые атомы и молекулы. Возникают целые лавины быстрых электронов, образующие у самого «дна» тучи плазменные «нити» – так называемые стримеры или пилоты.
Илл.3. Развитие разряда атмосферного электричества.
Сливаясь друг с другом, стримеры дают начало плазменному каналу, по которому впоследствии пройдет импульс основного тока (илл.3а). Этот развивающийся от «дна» тучи к поверхности плазменный канал наполнен свободными электронами и ионами и поэтому может хорошо проводить электрический ток. Его и называют лидером или, точнее, ступенчатым лидером. Дело в том, что канал формируется не плавно, а скачками – «ступенями».
Головка лидера выскакивает из тучи и движется к земле с огромной скоростью (порядка 107 м/с). Пройдя около 50 м, она внезапно останавливается. Остановка длится около 50 мкс. Затем следует бросок еще на 50 м, причем совсем не обязательно в направлении предыдущего броска, – и снова остановка на 50 мкс. Так отдельными бросками (ступенями) головка лидера постепенно приближается к земной поверхности, оставляя позади себя канал разряда в виде прихотливой ломаной линии (илл.3б). Заметим, что лидер светится относительно слабо, он почти не виден; при высокоскоростной фотосъемке его головка выглядит небольшим светлым пятнышком, рывками перемещающимся к земле.
Почему в движении лидера наступают паузы и притом относительно регулярные – точно неизвестно. Существует несколько теорий ступенчатых лидеров. В 1938 году Шонланд выдвинул два возможных объяснения задержки, которая вызывает ступенчатый характер лидера. Согласно одному из них, должно происходить движение электронов вниз по каналу ведущего стримера (пилота). Однако часть электронов захватывается атомами и положительно заряженными ионами, так что требуется некоторое время для поступления новых продвигающихся электронов, прежде чем возникнет градиент потенциала, достаточный для того, чтобы ток продолжался. Согласно другой точке зрения, время требуется для того, чтобы положительно заряженные ионы скопились под головкой канала лидера и, таким образом, создали на ней достаточный градиент потенциала. В 1944 году Брюс предложил иное объяснение, в основе которого лежит перерастание тлеющего разряда в дуговой. Он рассмотрел «коронный разряд», аналогичный разряду острия, существующий вокруг канала лидера не только на головке канала, но и по всей его длине. Он дал объяснение тому, что условия для существования дугового разряда будут устанавливаться на некоторое время после того, как канал разовьется на определенное расстояние и, следовательно, возникнут ступени. Это явление еще до конца не изучено и конкретной теории пока нет. Напротив физические процессы, происходящие вблизи головки лидера, вполне понятны.
Напряженность поля под тучей достаточно велика – она составляет 103...104 В/м; в области пространства непосредственно перед головкой лидера она еще больше. Увеличение напряженности поля в этой области хорошо объясняет изображение головки лидера на илл.3б, где черными кривыми показаны сечения эквипотенциальных поверхностей, а красными кривыми – линии напряженности поля. В сильном электрическом поле вблизи головки лидера происходит интенсивная ионизация атомов и молекул воздуха. Она происходит за счет, во-первых, бомбардировки атомов и молекул быстрыми электронами, вылетающими из лидера (так называемая ударная ионизация), и, во-вторых, поглощения атомами и молекулами фотонов ультрафиолетового излучения, испускаемого лидером (фотоионизация). Вследствие интенсивной ионизации встречающихся на пути лидера атомов и молекул воздуха плазменный канал растет, лидер движется к поверхности земли.
Но вот лидер, наконец, достиг земли (илл.3в). С учетом остановок по пути ему понадобилось на это время 10...20 мс при расстоянии 1 км между тучей и земной поверхностью. Теперь тучу соединяет с землей плазменный канал, прекрасно проводящий ток. Канал ионизованного газа как бы замкнул тучу с землей накоротко. На этом первая стадия развития начального импульса заканчивается.
Вторая стадия протекает быстро и мощно. По проложенному лидером пути устремляется основной ток (илл.3г). Импульс тока длится примерно 0,1 мс. Сила тока достигает значений порядка 105 А. Выделяется значительное количество энергии (до 109 Дж). Температура газа в канале достигает (1...2)?104 К. Вот теперь как раз и рождается тот необычайно яркий свет, который мы наблюдаем при разряде молнии, и возникает гром, вызванный резким расширением внезапно нагретого газа.
Видео 2. Анимация процесса развития молнии.
Существенно, что и свечение, и разогрев плазменного канала развиваются в направлении от земли к туче, т.е. снизу вверх. Поясним это, разбив условно весь канал на несколько частей. Как только канал образовался (головка лидера достигла земли), вниз соскакивают прежде всего те электроны, которые находились в самой нижней его части; поэтому нижняя часть канала первой начинает светиться и разогреваться. Затем к земле устремляются электроны из следующей (более высоко находящейся) части канала; начинаются свечение и разогрев этой части. И так постепенно – от низа до верха – в движение к земле включаются все новые и новые электроны; в результате свечение и разогрев канала распространяются в направлении снизу вверх.
Видео 3. Образование нескольких молний, обратные разряды и развитие молний одновременно в замедленной съемке.
После того как прошел импульс основного тока, наступает пауза длительностью от 10 до 50 мс. За это время канал практически гаснет, его температура падает примерно до 103 К, степень ионизации канала существенно уменьшается.
Однако в туче еще сохранился большой заряд, поэтому новый лидер устремляется из тучи к земле, готовя дорогу для нового импульса тока. Новый лидер идет по пути, который был проторен начальным лидером, – ведь на этом пути сохранилось еще много ионов. Поэтому новому лидеру, вообще говоря, не приходится «выбирать дороги», он без остановок, за время порядка 1 мс, пробегает весь путь сверху донизу. Лидеры второго и последующих ударов называются не ступенчатыми, а стреловидными.
Стреловидные лидеры аналогичны ступеням ступенчатого лидера. Однако поскольку ионизированный канал уже существует, необходимость в пилоте и ступенях отпадает. Так как ионизация в канале стреловидного лидера «старше», чем у ступенчатого лидера, рекомбинация и диффузия у носителей заряда происходят интенсивнее, а поэтому и степень ионизации в канале стреловидного лидера ниже. В результате скорость стреловидного лидера меньше скорости отдельных ступеней ступенчатого лидера, но больше скорости стримера (пилота). Значения скорости стреловидного лидера составляют от 1?106до 2?107 м/с. Если между последующими ударами молнии пройдет больше времени, чем обычно, то степень ионизации может быть настолько низкой, особенно в нижней части канала, что возникает необходимость в новом пилоте для повторной ионизации воздуха. Это объясняет отдельные случаи образования ступеней на нижних концах лидеров, предшествующих не первому, а последующим главным ударам молнии.
Видео 4. Развитие молнии в замедленной съемке с повторным лидером.
И снова следует мощный импульс основного тока, распространяющийся по восстановленному каналу снизу вверх.
Видео 5. Образование канала молнии и обратный разряд в облако в замедленной съемке.
После очередной паузы, измеряемой десятками миллисекунд, все повторяется. В итоге высвечиваются несколько мощных импульсов, которые мы, естественно, воспринимаем как единый разряд молнии, как единую яркую вспышку.
Видео 6. Процесс образования канала и нескольких разрядов молнии в замедленной съемке.
Такова в общих чертах физика линейной молнии, возникающей между тучей и землей. Следует оговориться, что действительная картина физических процессов оказывается сложнее. Так, не всегда стреловидный лидер следует точно и полностью по пути, проложенному ступенчатым лидером. В какой-то точке этого пути он может вдруг «предпочесть» изменение дальнейшего маршрута. И тогда мы наблюдаем молнию по форме раздвоенной ломаной линии.
Видео 7. National Geographic. Научные исследования молний, штормов и торнадо. Фиксация молний с помощью специальной техники.
Гром. Гром возникает вследствие резкого расширения воздуха при быстром повышении температуры в канале разряда молнии. Вспышку молнии мы видим практически как мгновенную вспышку и в тот же момент, когда происходит разряд; ведь свет распространяется со скоростью 3?108 м/с. Что же касается звука, то он распространяется значительно медленнее. В воздухе его скорость равна 330 м/с. Поэтому мы слышим гром уже после того, как сверкнула молния. Чем дальше от нас молния, тем, очевидно, длиннее пауза между вспышкой света и громом и, кроме того, слабее гром. Измеряя длительность таких пауз, можно приближенно оценить, как далеко от нас в данный момент гроза, насколько быстро она приближается к нам или, напротив, удаляется от нас. Гром от очень далеких молний вообще не доходит – звуковая энергия рассеивается и поглощается по пути. Такие молнии называют зарницами.
Почему мы слышим гром в течение нескольких секунд, тогда как разряд молнии (с учетом всей совокупности последовательных импульсов) длится всего 0,1...0,2 с? Причин тому две. Во-первых, молния имеет большую длину (она измеряется километрами), звук от разных ее участков доходит до нас в разные моменты времени. Во-вторых, происходит отражение звука от облаков и туч – возникает эхо. Эти две причины и приводят к тому, что вслед за короткой вспышкой молнии слышатся более или менее долгие раскаты грома. Отражением звука от облаков объясняется происходящее иногда усиление громкости звука в конце громовых раскатов.
Видео 8. Discovery channel. Природа молнии. Взрыв дерева молнией. Иллюстрация развития молнии. Выбросы заряженных частиц над грозовым облаком. Съемки грозы из космоса.
Поражение деревьев молнией. Взорванные деревья.
Поражения и ожоги деревьев от ударов молний встречаются повсеместно. Обычно следы ожогов внешне выглядят как будто какие-то подростки жгли снизу дерево, причем, зачем-то умудрившись вырубить до этого углубление внутри ствола. Естественно никаких следов кострища у корней дерева при этом не наблюдается. Есть прямо «излюбленные» молниями, обычно стоящие отдельно или на опушке леса, деревья. Будьте внимательнее к таким «любимцам», когда разбиваете лагерь или укрываетесь от грозы.
Илл.4а-з. Фотографии деревьев обожженных молнией.
Другой вариант поражения дерева молнией, это разрыв ствола дерева и отдельных его частей со следами ожогов или без них. В природе дерево, в отличие от того, что все привыкли встречать в быту, в 5-10 раз влажнее. Так что логично, что при мощном обратном разряде, деревья разрывает из-за образовавшегося внутри пара.
Илл.5а-з. Фотографии деревьев разрушенных молнией.
Видео 9. Съемка разрушенного горящего дерева после удара молнии.
Разряд молнии не всегда проходит по сердцевине ствола дерева. Канал разряда может обвивать ствол и соединяться с землей в области корневой системы, либо просто поражать корневую систему дерева. Тогда происходит повреждение коры и поверхностных слоев дерева вдоль всего ствола «змейкой» по пути следования разряда, может повреждаться основание ствола, корневая система или поверхностные корни дерева.
Илл.6а-д. Фотографии удара молнии в дерево.
Илл.7а-г. Фотографии повреждений молнией корневой системы дерева.
Видео 10. Съемка дерева поврежденного ударом молнии.
Видео 11. Съемка тлеющего ствола и корней дерева, поврежденных молнией.
Видео 12. Съемка свежего повреждения коры и корней дерева от удара молнией.
Видео 13. Съемка повреждения коры и тлеющих корней дерева от удара молнией.
Путь следования разряда молнии при поражении дерева может зависеть от различных факторов: строения дерева, корневой системы, почвы, окружающих условий и объектов, физических свойств различных сред и многих других. В зависимости от этого и происходит формирование канала молнии и различное поражение деревьев и других объектов разрядом атмосферного электричества.
Илл.8. Разряд молнии в основание мачты ЛЭП.
Таким образом, многочисленные «необычные» повреждения деревьев – расщепленные и разорванные стволы, прожженные каналы внутри дерева, обугленные основания, взорванные корни деревьев и различные термические и структурные повреждения являются следствием разрядов атмосферного электричества. Такие следы деятельности молний встречаются повсеместно, где складываются для этого условия, а не являются признаком «аномальности» места или проявлением еще неизвестного феномена.
Можно кратко проиллюстрировать еще два признака, на которые также ссылаются, как на признаки «аномальности» местности или действия неизведанных процессов. Это «необычные» сломы деревьев и «необычные» атмосферные явления, такие как гало, световые столбы, необычные структуры облаков и прочее.
Некоторые необычные явления и «аномальность» местности.
Еще одним признаком «аномальности» места иногда считают «необычно» сломанные на большой высоте отдельные деревья в окружении массива леса. «Необычно» поломанные деревья также встречаются повсеместно, а не только в «специализированных» местах. Подобные деревья можно найти в большинстве лесных массивов, где проходил сильный и порывистый ветер. Ниже приведены фотографии таких деревьев в обычном городском парке. Их часто можно найти после очередного шквального ветра, и это не в открытом поле, а в густом массиве посреди города.
Илл.9а,б. Отдельные деревья, сломанные на относительно большой высоте, но значительно ниже верхушек соседних деревьев.
Встречались деревья поврежденные ветром и большего диаметра, например поваленные с корнем дубы диаметром 70см. К природе сломанных и скрученных деревьев можно сказать, что смерчи наблюдаются даже в условиях крупных городов средней полосы (наблюдался вихрь над городским парком около 70м высотой и 10м в диаметре), в городе они быстро распадаются (около 10-20 минут).
Пример другого необычного явления в обычном месте – «горизонтальная» радуга. Снято с помощью камеры мобильного телефона (сентябрь 2010г, около 17ч, +23°С), опять же в обычных городских, можно сказать условиях. В качестве пояснения, снимок произведен вертикально в небо. Это тоже радуга, только горизонтальная (в отличие от распространенной вертикальной). Видимая дуга как бы расположена в плоскости облачного слоя. Не путать с гало, солнце находится за вешней стороной дуги (по направлению к нижней части снимка).
Явление горизонтальной радуги еще более редкое, чем гало в форме окружности или креста, и, как видим, оно наблюдаются в совершенно обычных городских условиях.
В заключение, хотелось бы добавить, что надо быть просто внимательнее и в обычной жизни, почаще смотреть вокруг, а не только в «необычных» местах. Известная природа явления никак не умаляет его интересность, так же как не умаляет величественность природы в целом. Разве все кажущееся известным уже ясно? В вышеприведенном явлении молнии, разве уже до конца изучена и понята ее природа? Опять же, если это кем-то изучено, то насколько ясно представляешь это явление ты сам? Если это не так, то ты и дальше будешь продолжать находить «аномальное» в любом неизвестном для тебя, тратить время на изобретение «велосипеда», тем самым меньше уделять внимания познанию мира, и в конечном итоге плохо видеть и изучать действительно малоизученное. Полагаю, стоит внимательнее подходить к наблюдению окружающего мира, и внимательнее относиться к другим. И то и другое обычно помогает в жизни и ее познании.
Использованные материалы:
- Л.В. Тарасов, Физика в природе, Кн. для уч-ся, - М.: Просвещение, 1988. (В книге популярно разобраны другие природные явления: миражи, радуги, гало и пр.)
- Научные исследования по теме.
- Видео- и фотоматериалы ресурсов сети.
- Личные наблюдения и фотоматериалы.
