Молния: как она возникает и насколько опасна

Грозы случаются на нашей планете чаще 40 тысяч раз в день — около 100 вспышек молний каждую секунду. Что же такое молния и может ли от нее спасти громоотвод.
Молния: как она возникает и насколько опасна

Конечно, один из самых опасных видов тока — молния, которая также относится и к числу самых замечательных электрических явлений, мощных, не вполне предсказуемых, не до конца понятных и таинственных — в общем, настоящий коктейль.

В мифах разных народов — от древних греков до индейцев майя — разряды молнии описываются либо как символы божеств, либо как орудие их возмездия. И это неудивительно.

В среднем на земле ежегодно проходит около 16 миллионов гроз (более 43 тысяч ежедневно и примерно 1800 ежечасно), которые ежесекундно производят около 100 вспышек молний, или более 8 миллионов молний в день. Это в масштабах всей планеты.

Молния — это следствие заряжения грозовых облаков. Обычно верхняя часть облака заряжается положительно, а нижняя — отрицательно.

Почему именно так, ученые пока до конца не разобрались. Хотите верьте, хотите нет, но в физике атмосферы еще очень много вопросов, на которые предстоит ответить.

А пока в целях простоты обсуждения давайте несколько упростим ситуацию, представив себе облако, отрицательно заряженное на той стороне, которая находится ближе к земле. Из-за индукции земля, ближе всего расположенная к облаку, заряжается положительно, и между нею и облаком возникнет электрическое поле.

С физической точки зрения разряд молнии довольно сложен, но, по существу, ее вспышка (электрический пробой) возникает, когда электрический потенциал между облаком и землей достигает десятков миллионов вольт.

И хотя мы нередко думаем о разряде молнии как о «стрельбе» с облака в землю, на самом деле движение идет и с облака на землю, и с земли на облако.

Сила электрического тока во время разряда молнии средней интенсивности составляет около 50 тысяч ампер (хотя может достигать и нескольких сотен тысяч ампер), а максимальная мощность достигает около триллиона (1012) ватт, но продолжается это всего несколько десятков микросекунд.

Тем не менее полная энергия, выделяющаяся в момент удара молнии, редко превышает несколько сотен миллионов джоулей, что эквивалентно энергии, потребляемой за месяц стоваттной лампочкой. Так что идея сбора энергии молнии совершенно непрактична и нецелесообразна.

Большинству из нас известно, что определить, как далеко от нас ударила молния, можно по времени, которое проходит между моментами, когда мы видим разряд и слышим гром.

Причина, которой это объясняется, позволяет нам также получить кое-какое представление о мощных силах, задействованных в данном процессе. И она, кстати, не имеет ничего общего с объяснением, однажды услышанным мной от своего студента: что молния создает нечто вроде области низкого давления, куда устремляется воздух и сталкивается там с воздухом, поступающим с другой стороны, в результате чего получается гром. На самом деле все происходит практически в точности до наоборот.

Энергия разряда нагревает воздух примерно до 20 тысяч °С, то есть до температуры, более чем в три раза превышающей температуру поверхности Солнца. Затем этот суперразогретый воздух создает мощную волну давления, она сталкивается с холодным воздухом вокруг нее, создавая звуковые волны, которые распространяются в воздухе.

Так как звуковые волны в воздухе перемещаются со скоростью около полутора километров за пять секунд, подсчитав секунды, вы можете довольно легко выяснить, насколько далеко от вас ударила молния.

Тем фактом, что молния столь сильно нагревает воздух, объясняется и другое явление, с которым вы, возможно, сталкивались во время грозы. Вы когда-нибудь замечали, насколько свежий, особый запах стоит в воздухе после грозы, словно буря очистила его?

Конечно, в большом городе это трудно почувствовать, потому что там воздух практически всегда пропитан выхлопными газами от автомобилей. Но даже если вам посчастливилось услышать этот замечательный аромат, вы вполне можете не знать, что это запах озона, молекулы кислорода, состоящей из трех атомов кислорода.

Как известно, нормальные молекулы кислорода — без какого-либо запаха — состоят из двух атомов кислорода, и мы записываем их как O2. Но потрясающий жар от молнии разбивает эти молекулы — не все, но достаточное количество, чтобы оказать определенный эффект.

Получившиеся в результате отдельные атомы кислорода сами по себе нестабильны, поэтому прикрепляются к нормальным молекулам О2, создавая вещество О3 — озон.

Однако следует отметить, что озон приятно пахнет только в небольших количествах; в высоких концентрациях его запах не столь привлекателен. Его можно почувствовать, например, под высоковольтными проводами.

Если вы слышите жужжащий звук, исходящий от проводов, это обычно означает, что там происходит искрение, называемое коронным разрядом, в результате которого и создаются молекулы озона. Когда нет сильного ветра, как правило, можно почувствовать довольно неприятный запах.

«Молния ударяет в самолеты в среднем более одного раза в год, но благодаря скин-эффекту они благополучно переживают эти удары»

А теперь вернемся к идее, что человека от последствий удара молнии могут спасти надетые на него кроссовки на резиновой подошве.

Разряд молнии в 50–100 тысяч ампер, способный разогреть воздух до температуры, более чем в три раза превышающей температуру поверхности Солнца, почти наверняка сожжет вас дотла, заставит биться в конвульсиях от сильнейшего поражения электрическим током или попросту взорвет вас, мгновенно превратив всю воду в вашем теле в сверхгорячий пар.

Совершенно независимо от того, во что вы обуты. Именно это происходит с деревом, в которое ударила молния, — сок в нем взрывается и срывает с него всю кору. Сто миллионов джоулей энергии — эквивалент почти тридцати килограммов динамита, — это вам не фунт изюма.

А как насчет того, безопасно ли находиться внутри автомобиля, защищающего вас от удара молнии благодаря резиновым шинам? Автомобиль действительно может защитить вас в этой ситуации (однако никаких гарантий!), но по совершенно иной причине.

Дело в том, что электрический ток течет по поверхностным слоям проводника (это явление называется скин-эффектом), и, сидя в автомобиле, вы оказываетесь внутри металлической коробки, а металл, как мы уже знаем, хороший проводник. Вы даже можете прикоснуться к внутренней части панели воздуховода и не получить никакой травмы.

Тем не менее я настоятельно призываю вас этого не делать, поскольку это крайне опасно, так как в большинстве современных автомобилей используются детали из стекловолокна, а в этом материале скин-эффект отсутствует.

Иными словами, если молния ударяет в ваш автомобиль, вы — да и ваша машина — можете пережить не самые приятные секунды в жизни. Если интересно, посмотрите короткое видео, где показано, как молния поражает автомобиль. Думаю, вы сразу поймете, что с этим шутить не стоит!

На наше в вами счастье, с самолетами ситуация совершенно другая. Молния ударяет в них в среднем более одного раза в год, но благодаря все тому же скин-эффекту они благополучно переживают эти удары.

Есть еще один знаменитый эксперимент, связанный с молниями, авторство которого приписывают Бенджамину Франклину, но я настоятельно не рекомендую вам его проводить. Речь идет о запуске во время грозы воздушного змея с привязанным к нему металлическим ключом.

Предположительно Франклин так намеревался проверить гипотезу о том, что грозовые облака создают электрический огонь. Он рассуждал следующим образом: если молния действительно является источником электроэнергии, то как только бечевка змея намокнет от дождя, она станет хорошим проводником (хотя ученый не использовал этого слова) электричества и оно пройдет вниз, к ключу, привязанному к ее концу.

Рассказывают также, что стоило Франклину поднести руку к ключу, как тут же появлялась яркая искра. Так вот, как и в случае с Ньютоном, который на закате своей жизни якобы утверждал, что на создание закона всемирного тяготения его вдохновило яблоко, упавшее на землю с дерева, никаких современных доказательств того, что Франклин когда-либо действительно проводил этот эксперимент, нет.

Есть только отчет в письме, посланном им в Королевское научное общество в Англии, и еще один письменный документ, составленный пятнадцать лет спустя другом Франклина Джозефом Пристли (кстати, первооткрывателем кислорода).

«Сто миллионов джоулей энергии — эквивалент почти тридцати килограммов динамита, — это вам не фунт изюма»Но проводил ли Франклин этот эксперимент или нет — что было бы фантастически опасно и с очень высокой вероятностью привело бы к гибели великого изобретателя, — описание другого эксперимента он опубликовал точно.

В данном случае задача была — увести молнию в землю, для чего ученый установил на верхушке башни длинный железный стержень. Несколько лет спустя француз Томас-Франсуа Далибар, который встретился с Франклином и перевел его идеи на французский язык, провел этот эксперимент в несколько иной версии и стал свидетелем поистине невероятного явления. Далибар установил железный стержень длиной больше 10 метров и, направив его в небо, увидел у его не заземленного основания искры.

Впоследствии профессор Георг Вильгельм Рихман, выдающийся ученый, родившийся в Эстонии и живший в Санкт-Петербурге, член Санкт-Петербургской Академии наук, много лет изучавший электрические явления, очевидно, вдохновленный экспериментом Далибара, решил также попробовать его провести.

Как рассказывает Майкл Брайан в интереснейшей книге Draw the Lightning Down: Benjamin Franklin and Electrical Technology in the Age of Enlightenment («Как обезвредить молнию: Бенджамин Франклин и электротехника в эпоху Просвещения»), Рихман приладил железный прут к крыше своего дома и медной цепью соединил его с прибором для измерения электричества в своей лаборатории, расположенной на первом этаже.

Как нарочно — а может, это был знак судьбы, — в августе 1753 года во время заседания Академии наук разразилась сильнейшая гроза. Рихман бросился домой, захватив с собой художника, который должен был иллюстрировать его новую книгу.

Пока Рихман наблюдал за оборудованием, ударила молния, прошла вниз по стержню и цепи, выпрыгнула в полуметре от головы ученого, ударила его током и отбросила через всю комнату; художник тоже получил сильный удар током и потерял сознание.

В интернете можно найти несколько иллюстраций этой ужасной сцены, хотя точно неизвестно, был ли их автором художник, принимавший в ней непосредственное участие.

Франклин изобрел подобную штуковину, но его детище было заземлено; сегодня оно известно под названием громоотвод. Устройство отлично заземляет удары молнии, однако не по той причине, которую предполагал Франклин.

Он считал, что громоотвод будет вызывать между заряженным облаком и зданием непрерывный разряд, тем самым сохраняя разность потенциалов на низком уровне и, следовательно, снижая опасность удара молнии.

Ученый был настолько уверен в своей правоте, что посоветовал королю Георгу II установить громоотводы на крыше королевского дворца и на складах с боеприпасами.

Оппоненты Франклина утверждали, что громоотводы будут только притягивать молнии и что эффект разряда, снижая разность электрических потенциалов между зданием и грозовыми облаками, будет совсем незначительным. Но король, как гласит история, доверился Франклину и установил громоотводы.

Вскоре после этого молния ударила прямо в один из складов боеприпасов, но повреждения оказались минимальными. То есть стержень сработал, но по совершенно иным причинам.

Критики Франклина были абсолютно правы: громоотводы действительно притягивают молнии и разрядка стержня действительно ничтожна по сравнению с огромным зарядом грозовой тучи. Но громоотвод все же дает желаемый эффект — потому что когда стержень достаточно толстый, чтобы справиться с 10–100 тысячами ампер, ток будет оставаться в стержне и заряд уйдет в землю. Получается, Франклин был не только блестящим ученым — ему еще и здорово везло!

Разве это не удивительно, что, поняв природу тихого потрескивания, раздающегося, когда мы снимаем полиэстеровый свитер зимой, мы можем также постичь суть жуткой грозы с молниями, освещающими ночное небо, и разобраться в происхождении одного из самых громких и устрашающих звуков в природе?

В некотором смысле мы все — современные версии Бенджамина Франклина, пытающиеся выяснить и постичь в этом грозном явлении то, что пока еще находится за пределами нашего понимания.

В конце 1980-х годов ученые впервые сфотографировали разные формы молний, сверкающих высоко-высоко в облаках. Одна из разновидностей называется красными призраками и состоит из красновато-оранжевых электрических разрядов, происходящих в 50–90 километрах над землей.

А есть еще синие струи — они гораздо больше, иногда длиной до 70 километров, и возникают в верхних слоях атмосферы. Но мы знаем о них всего лишь немногим более двадцати лет, и нам еще очень мало известно о причинах этого потрясающего природного явления.

Даже несмотря на то, что люди изучили электричество уже весьма детально, грозы по-прежнему покрыты завесой тайны — а ведь они случаются на нашей планете около 45 тысяч раз в день.

Комментарии