Молния — это естественное явление , возникающее в результате электростатических разрядов в атмосфере между двумя электрически заряженными областями, либо в атмосфере, либо в атмосфере и на земле , временно нейтрализуя их в почти мгновенном высвобождении в среднем 200 мегаджоулей . и 7 гигаджоулей энергии , в зависимости от типа. [1] [2] [3] Этот разряд может производить широкий спектр электромагнитного излучения : от тепла, создаваемого быстрым движением электронов , до ярких вспышек видимого света в форме излучения черного тела . Молния вызывает гром — звук ударной волны , которая возникает, когда газы вблизи разряда испытывают внезапное повышение давления. Молния обычно возникает во время гроз , а также при других типах энергетических погодных систем, но вулканическая молния также может возникать во время извержений вулканов . Молния представляет собой атмосферное электрическое явление и вносит вклад в глобальную электрическую цепь атмосферы .
Три основных вида молний различаются по месту их возникновения: внутри одного грозового облака (внутриоблако), между двумя облаками (облако-облако) или между облаком и землей (облако-земля). в этом случае это называется ударом молнии . [4] [5] Признаны многие другие варианты наблюдений, в том числе « тепловая молния », которую можно увидеть с большого расстояния, но не услышать; сухая молния , которая может вызвать лесные пожары ; и шаровая молния , которая редко наблюдается с научной точки зрения.
Люди обожествляли молнию на протяжении тысячелетий. Идиоматические выражения, производные от молнии, такие как английское выражение «гром среди ясного неба», распространены во всех языках. Во все времена людей завораживал вид и отличие молний. Боязнь молнии называется астрафобией .
Первая известная фотография молнии сделана Томасом Мартином Истерли в 1847 году . [6] Первая сохранившаяся фотография сделана в 1882 году Уильямом Николсоном Дженнингсом , [7] фотографом, который половину своей жизни посвятил фотографированию молний и доказыванию ее разнообразия.
Появляется все больше свидетельств того, что молниевая активность увеличивается из-за выбросов твердых частиц (форма загрязнения воздуха). [8] [9] [10] Однако молния может также улучшить качество воздуха и очистить атмосферу от парниковых газов, таких как метан, одновременно создавая оксид азота и озон . [11] Молния также является основной причиной лесных пожаров, [12] и лесные пожары также могут способствовать изменению климата. [13] Для выяснения их взаимосвязи необходимы дополнительные исследования.
Детали процесса зарядки все еще изучаются учеными, но существует общее согласие относительно некоторых основных концепций грозовой электрификации. Электрификация может осуществляться за счет трибоэлектрического эффекта , приводящего к переносу электронов или ионов между сталкивающимися телами. Незаряженные сталкивающиеся капли воды могут стать заряженными из-за переноса заряда между ними (как водными ионами) в электрическом поле, которое существует в грозовом облаке. [14] Основная зона зарядки во время грозы происходит в центральной части грозы, где воздух быстро движется вверх (восходящий поток), а температура колеблется от -15 до -25 ° C (от 5 до -13 ° F); см. рисунок 1. В этой области сочетание температуры и быстрого движения воздуха вверх приводит к образованию смеси переохлажденных облачных капель (мелких капель воды ниже точки замерзания), мелких кристаллов льда и крупы (мягкого града). Восходящий поток несет вверх переохлажденные облачные капли и очень маленькие кристаллы льда.
В то же время крупа, которая значительно крупнее и плотнее, имеет тенденцию падать или зависать в поднимающемся воздухе. [15]
Различия в движении осадков приводят к возникновению столкновений. Когда поднимающиеся кристаллы льда сталкиваются с крупой, кристаллы льда заряжаются положительно, а крупа становится отрицательно заряженной; см. рисунок 2. Восходящий поток несет положительно заряженные кристаллы льда вверх, к вершине грозового облака. Более крупная и плотная крупа либо подвешивается в середине грозового облака, либо падает в нижнюю часть грозы. [15]
В результате верхняя часть грозового облака становится положительно заряженной, а средняя и нижняя часть грозового облака — отрицательно заряженной. [15]
Восходящие движения внутри грозового облака и ветры на более высоких уровнях атмосферы имеют тенденцию заставлять маленькие кристаллы льда (и положительный заряд) в верхней части грозового облака распространяться по горизонтали на некотором расстоянии от основания грозового облака. Эту часть грозового облака называют наковальней. Хотя это основной процесс зарядки грозового облака, некоторые из этих зарядов могут перераспределяться за счет движения воздуха внутри грозы (восходящие и нисходящие потоки). Кроме того, у нижней части грозового облака происходит небольшое, но важное накопление положительного заряда из-за осадков и более высоких температур. [15]
Вынужденное разделение заряда в чистой жидкой воде известно с 1840-х годов, как и электрификация чистой жидкой воды за счет трибоэлектрического эффекта. [16]
Уильям Томсон (лорд Кельвин) продемонстрировал, что разделение зарядов в воде происходит в обычных электрических полях на поверхности Земли, и, используя эти знания, разработал устройство для измерения непрерывного электрического поля. [17]
Физическое разделение заряда на различные области с использованием жидкой воды было продемонстрировано Кельвином с помощью капельницы Кельвина . Наиболее вероятными частицами, несущими заряд, считались водный ион водорода и водный гидроксид-ион. [18]
Также рассматривалась электрическая зарядка твердого водяного льда. Заряженными частицами снова считались ионы водорода и ионы гидроксида. [19] [20]
Электрон нестабилен в жидкой воде по отношению к гидроксид-иону и растворенному водороду в течение времени, характерного для грозы. [21]
Носителем заряда в молнии являются в основном электроны плазмы. [22] Процесс перехода от заряда ионов (положительный ион водорода и отрицательный ион гидроксида), связанных с жидкой водой или твердой водой, к заряду электронов, связанных с молнией, должен включать некоторую форму электрохимии, то есть окисление и/или или сокращение количества химических веществ. [23] Поскольку гидроксид действует как основание, а диоксид углерода представляет собой кислый газ, возможно, что заряженные водяные облака, в которых отрицательный заряд находится в форме водного гидроксид-иона, взаимодействуют с атмосферным диоксидом углерода с образованием водных карбонат-ионов и водные ионы гидрокарбоната.
Типичная вспышка молнии от облака к земле завершается образованием в воздухе электропроводящего плазменного канала высотой более 5 км (3,1 мили) от облака до поверхности земли. Фактический сброс является заключительным этапом очень сложного процесса. [24] На пике типичная гроза производит три или более ударов по Земле в минуту. [25]
Молнии в основном возникают, когда теплый воздух смешивается с более холодными воздушными массами, [26] что приводит к атмосферным возмущениям, необходимым для поляризации атмосферы. [27]
Молния также может возникать во время пыльных бурь , лесных пожаров , торнадо , извержений вулканов и даже в холодную зиму, когда молния известна как грозовой снег . [28] [29] Ураганы обычно порождают молнии, в основном в полосах дождя на расстоянии до 160 км (99 миль) от центра. [30] [31] [32]
Молнии распределяются по Земле неравномерно . На Земле частота молний составляет примерно 44 (±5) раз в секунду, или почти 1,4 миллиарда вспышек в год [34] , а медианная продолжительность 0,52 секунды [35] состоит из ряда гораздо более коротких вспышек (ударов) молний. около 60-70 микросекунд . [36]
Многие факторы влияют на частоту, распространение, силу и физические свойства типичной вспышки молнии в конкретном регионе мира. Эти факторы включают высоту земли, широту , преобладающие ветровые течения, относительную влажность и близость к теплым и холодным водоемам. В определенной степени пропорции внутриоблачных, межоблачных и межоблачных молний также могут меняться в зависимости от сезона в средних широтах .
Поскольку люди являются наземными существами и большая часть их имущества находится на Земле, где молния может повредить или уничтожить их, молния от облака к земле (CG) является наиболее изученной и лучше всего изученной из трех типов, даже несмотря на то, что молния в облаках (IC) ) и облако-облако (CC) — более распространенные типы молний. Относительная непредсказуемость молнии ограничивает полное объяснение того, как и почему она возникает, даже после сотен лет научных исследований. Около 70% молний возникает над сушей в тропиках [37] , где атмосферная конвекция наибольшая.
Это происходит как от смешения более теплых и холодных воздушных масс , так и от разницы в концентрации влаги, и происходит обычно на границах между ними . Поток теплых океанских течений мимо более засушливых массивов суши, таких как Гольфстрим , частично объясняет повышенную частоту молний на юго-востоке США . Поскольку у крупных водоемов отсутствуют топографические различия, которые могли бы привести к перемешиванию атмосферы, над мировым океаном молнии случаются значительно реже, чем над сушей. Северный и Южный полюса ограничены в охвате грозами и поэтому представляют собой районы с наименьшим количеством молний . [ нужны разъяснения ]
В целом, вспышки молний компьютерной графики составляют лишь 25% от общего числа вспышек молний в мире. Поскольку основание грозы обычно заряжено отрицательно, именно здесь возникает большая часть молний CG. Эта область обычно находится на высоте, где в облаке происходит замерзание . Замерзание в сочетании со столкновениями льда и воды, по-видимому, является важной частью начального процесса развития и разделения заряда. Во время столкновений с ветром кристаллы льда имеют тенденцию приобретать положительный заряд, в то время как более тяжелая, вязкая смесь льда и воды (так называемая крупа ) приобретает отрицательный заряд. Восходящие потоки внутри грозового облака отделяют более легкие кристаллы льда от более тяжелой крупы, в результате чего верхняя часть облака накапливает положительный пространственный заряд , а нижний уровень накапливает отрицательный пространственный заряд.
Поскольку сконцентрированный заряд внутри облака должен превышать изолирующие свойства воздуха, а он увеличивается пропорционально расстоянию между облаком и землей, доля ударов CG (по сравнению с разрядами CC или IC) становится больше, когда облако приближается к земле. земля. В тропиках, где уровень замерзания атмосферы обычно выше, только 10% вспышек молний являются CG. На широте Норвегии (около 60° северной широты), где высота замерзания ниже, 50% молний составляют центральное световое излучение. [38] [39]
Молнии обычно производятся кучево-дождевыми облаками, основание которых обычно находится на высоте 1–2 км (0,62–1,24 мили) над землей, а высота - до 15 км (9,3 мили).
Место на Земле, где чаще всего возникают молнии, находится над озером Маракайбо , где явление молний Кататумбо производит 250 молний в день. [40] Эта деятельность происходит в среднем 297 дней в году. [41] Второе место по плотности молний находится возле деревни Кифука в горах восточной Демократической Республики Конго , [42] где высота над уровнем моря составляет около 975 м (3200 футов). В среднем в этом регионе случается 158 ударов молний на квадратный километр в год (410 на квадратную милю в год). [43] Другие горячие точки молний включают Сингапур [44] и Lightning Alley в Центральной Флориде . [45] [46]
По данным Всемирной метеорологической организации , 29 апреля 2020 г. на юге США наблюдался болт длиной 768 км (477,2 миль) — на шестьдесят км (37 миль) больше, чем предыдущий рекорд расстояния (юг Бразилии, 31 октября 2018 г.). . [47] Одиночная вспышка в Уругвае и северной Аргентине 18 июня 2020 г. длилась 17,1 секунды — на 0,37 секунды дольше предыдущего рекорда (4 марта 2019 г., также на севере Аргентины). [47]
Для того чтобы произошел электростатический разряд , необходимы две предпосылки: во-первых, должна существовать достаточно большая разность потенциалов между двумя областями пространства, во-вторых, высокоомная среда должна препятствовать свободному, беспрепятственному выравниванию противоположных зарядов. Атмосфера обеспечивает электрическую изоляцию или барьер, который предотвращает свободное выравнивание между заряженными областями противоположной полярности.
Хорошо известно, что во время грозы в определенных областях облака происходит разделение и агрегирование зарядов; однако точные процессы, посредством которых это происходит, до конца не изучены. [48]
Когда грозовое облако движется над поверхностью Земли, на поверхности Земли под облаком индуцируется равный электрический заряд , но противоположной полярности . Индуцированный положительный поверхностный заряд, измеренный относительно фиксированной точки, будет небольшим по мере приближения грозового облака, увеличиваясь по мере приближения к центру грозы и уменьшаясь по мере прохождения грозового облака. Эталонное значение индуцированного поверхностного заряда можно грубо представить в виде колоколообразной кривой.
Противоположно заряженные области создают электрическое поле в воздухе между ними. Это электрическое поле варьируется в зависимости от силы поверхностного заряда у основания грозового облака: чем больше накопленный заряд, тем выше электрическое поле.
Наиболее изученной и понятной формой молнии является молния «облако-земля» (CG). Хотя вспышки внутри облака (IC) и облако-облако (CC) встречаются чаще, их очень сложно изучить, поскольку внутри облаков нет «физических» точек для мониторинга. Кроме того, учитывая очень низкую вероятность многократного и постоянного удара молнии в одну и ту же точку, научные исследования затруднены даже в районах с высокой частотой ЦТ.
В процессе, который до конца не изучен, возникает двунаправленный канал ионизированного воздуха, называемый « лидером », между противоположно заряженными областями грозового облака. Лидеры представляют собой электропроводящие каналы ионизированного газа, которые распространяются или иным образом притягиваются к областям с зарядом, противоположным заряду кончика лидера. Отрицательный конец двунаправленного лидера заполняет область положительного заряда, также называемую ямой, внутри облака, а положительный конец заполняет яму отрицательного заряда. Лидеры часто разделяются, образуя ветви в виде дерева. [49] Кроме того, негативные и некоторые позитивные лидеры путешествуют прерывисто, в процессе, называемом «шагом». Возникающее в результате резкое движение лидеров можно легко наблюдать на замедленном видео со вспышками молний.
Один конец лидера может полностью заполнить яму с противоположным зарядом, в то время как другой конец все еще активен. Когда это происходит, лидерный конец, заполнивший колодец, может распространиться за пределы грозового облака и привести либо к вспышке облако-воздух, либо к вспышке облако-земля. При типичной вспышке облако-земля двунаправленный лидер возникает между основными областями отрицательного и нижнего положительного заряда в грозовом облаке. Более слабая область положительного заряда быстро заполняется отрицательным лидером, который затем распространяется к индуктивно заряженной земле.
Положительно и отрицательно заряженные лидеры движутся в противоположных направлениях: положительно вверх внутри облака и отрицательно к земле. Оба ионных канала движутся в своих направлениях несколькими последовательными рывками. Каждый лидер «объединяет» ионы на ведущих кончиках, выбрасывая одного или нескольких новых лидеров, на мгновение снова объединяясь, чтобы сконцентрировать заряженные ионы, а затем стреляя в другого лидера. Отрицательный лидер продолжает распространяться и разделяться, направляясь вниз, часто ускоряясь по мере приближения к поверхности Земли.
Около 90% длин ионных каналов между «бассейнами» составляют примерно 45 м (148 футов). [50] Установление ионного канала занимает сравнительно много времени (сотни миллисекунд ) по сравнению с результирующим разрядом, который происходит в течение нескольких десятков микросекунд. Электрический ток , необходимый для установления канала, измеряемый десятками или сотнями ампер , затмевается последующими токами во время фактического разряда.
Инициация молниеносного лидера не совсем понятна. Напряженность электрического поля внутри грозового облака обычно недостаточно велика, чтобы инициировать этот процесс сама по себе. [51] Было предложено множество гипотез. Одна из гипотез постулирует, что потоки релятивистских электронов создаются космическими лучами , а затем ускоряются до более высоких скоростей посредством процесса, называемого убегающим пробойом . Когда эти релятивистские электроны сталкиваются и ионизируют нейтральные молекулы воздуха, они инициируют образование лидера. Другая гипотеза предполагает, что локально усиленные электрические поля формируются вблизи вытянутых капель воды или кристаллов льда. [52] Теория перколяции , особенно в случае смещенной перколяции, [53] [ необходимы разъяснения ] описывает явления случайной связности, которые вызывают эволюцию связанных структур, подобную эволюции ударов молнии. Модель стримерной лавины [54] недавно была подтверждена данными наблюдений, полученными с помощью LOFAR во время штормов. [55] [56]
Когда ступенчатый лидер приближается к земле, наличие противоположных зарядов на земле усиливает напряженность электрического поля . Электрическое поле наиболее сильное на заземленных объектах, вершины которых расположены ближе всего к основанию грозовой тучи, например, на деревьях и высоких зданиях. Если электрическое поле достаточно сильное, из этих точек может развиться положительно заряженный ионный канал, называемый положительным или восходящим стримером . Впервые эту теорию высказал Хайнц Касемир. [57] [58] [59]
По мере приближения отрицательно заряженных лидеров, увеличивая локализованную напряженность электрического поля, заземленные объекты, уже испытывающие коронный разряд, превысят пороговое значение и образуют восходящие стримеры.
Как только нисходящий лидер соединяется с доступным восходящим лидером, происходит процесс, называемый присоединением, формируется путь с низким сопротивлением и может произойти разряд. Были сделаны фотографии, на которых отчетливо видны неприкрепленные стримеры. Неприкрепленные нисходящие лидеры также видны в разветвленных молниях, ни одна из которых не связана с землей, хотя может показаться, что это так. Высокоскоростные видеоролики могут показать ход процесса прикрепления. [60]
Как только проводящий канал перекрывает воздушный зазор между избытком отрицательного заряда в облаке и избытком положительного поверхностного заряда внизу, сопротивление в канале молнии значительно падает. В результате электроны быстро ускоряются в зоне, начинающейся в точке присоединения, которая распространяется по всей сети лидеров со скоростью до одной трети скорости света. [61] Это «обратный удар» и это самая яркая и заметная часть грозового разряда.
Большой электрический заряд течет по плазменному каналу от облака к земле, нейтрализуя положительный заряд земли по мере того, как электроны уходят от точки удара в окружающую область. Этот огромный всплеск тока создает большие радиальные перепады напряжения вдоль поверхности земли. Названные ступенчатыми потенциалами, они ответственны за большее количество травм и смертей в группах людей или других животных, чем сам удар. [62] Электричество проходит по всем доступным ему путям. [63] Такие ступенчатые потенциалы часто вызывают протекание тока через одну ногу и выход из другой, убивая электрическим током невезучего человека или животное, стоящее рядом с местом удара молнии.
Электрический ток обратного хода составляет в среднем 30 килоампер для типичной отрицательной CG-вспышки, которую часто называют молнией «отрицательной CG». В некоторых случаях вспышка молнии от земли к облаку (GC) может исходить из положительно заряженной области на земле под грозой. Эти разряды обычно возникают на вершинах очень высоких конструкций, таких как антенны связи. Было обнаружено, что скорость, с которой движется обратный ток, составляет около 100 000 км/с (одна треть скорости света). [64]
Мощный поток электрического тока, возникающий во время обратного хода, в сочетании со скоростью, с которой он происходит (измеряется в микросекундах), быстро перегревает готовый ведущий канал, образуя плазменный канал с высокой электропроводностью. Температура ядра плазмы во время обратного хода может превышать 50 000 ° F (27 800 ° C), [65] заставляя ее излучать яркий сине-белый цвет. Как только электрический ток перестает течь, канал остывает и рассеивается в течение десятков или сотен миллисекунд, часто исчезая в виде фрагментированных пятен светящегося газа. Почти мгновенный нагрев во время обратного хода заставляет воздух взрывным образом расширяться, создавая мощную ударную волну , которую можно услышать как гром.
Высокоскоростные видеоролики (рассмотренные покадрово) показывают, что большинство негативных вспышек компьютерной графики молний состоят из 3 или 4 отдельных ударов, хотя их может быть до 30. [66]
Каждый повторный удар отделяется относительно большим промежутком времени, обычно от 40 до 50 миллисекунд, поскольку другие заряженные области в облаке разряжаются при последующих ударах. Повторные удары часто вызывают заметный эффект « стробоскопического света ». [67]
Чтобы понять, почему несколько ответных ударов используют один и тот же канал молнии, необходимо понять поведение положительных лидеров, которыми фактически становится типичная наземная вспышка после соединения отрицательного лидера с землей. Позитивные лидеры распадаются быстрее, чем негативные. По причинам, до конца не понятным, двунаправленные лидеры склонны инициировать действия на кончиках пришедших в упадок позитивных лидеров, в то время как негативный конец пытается повторно ионизировать сеть лидеров. Эти лидеры, также называемые лидерами отдачи , обычно распадаются вскоре после своего формирования. Когда им удается войти в контакт с проводящей частью основной сети лидера, происходит процесс, похожий на обратный ход, и лидер- дротик перемещается по всей или части длины первоначального лидера. Лидеры дротика, соединяющиеся с землей, являются причиной большинства последующих ответных ударов. [68]
Каждому последующему удару предшествуют промежуточные удары ведущей дротика, которые имеют более быстрое время нарастания, но меньшую амплитуду, чем начальный обратный ход. Каждый последующий ход обычно повторно использует канал разряда, занятый предыдущим, но канал может смещаться от своего предыдущего положения, поскольку ветер смещает горячий канал. [69]
Поскольку процессы отдачи и броска лидера не происходят на отрицательных лидерах, последующие обратные удары очень редко используют тот же канал при положительных вспышках земли, что объясняется позже в статье. [68]
Электрический ток внутри типичного отрицательного разряда молнии CG очень быстро возрастает до своего максимального значения за 1–10 микросекунд, а затем спадает медленнее в течение 50–200 микросекунд. Переходный характер тока при вспышке молнии приводит к нескольким явлениям, которые необходимо учитывать при эффективной защите наземных сооружений. Быстро меняющиеся токи имеют тенденцию распространяться по поверхности проводника, что называется скин-эффектом , в отличие от постоянных токов, которые «протекают» через весь проводник, как вода через шланг. Следовательно, проводники, используемые для защиты объектов, обычно являются многожильными, с небольшими проводами, сплетенными вместе. Это увеличивает общую площадь поверхности пучка обратно пропорционально радиусу отдельной пряди при фиксированной общей площади поперечного сечения .
Быстро меняющиеся токи также создают электромагнитные импульсы (ЭМИ) , которые исходят наружу из ионного канала. Это характерно для всех электрических разрядов. Излучаемые импульсы быстро ослабевают по мере увеличения расстояния от источника. Однако, если они проходят над проводящими элементами, такими как линии электропередачи, линии связи или металлические трубы, они могут индуцировать ток, который течет наружу к их оконечному устройству. Импедансный ток обратно пропорционален импульсному сопротивлению: чем выше импеданс, тем ниже ток. [70] Это всплеск , который чаще всего приводит к разрушению хрупкой электроники , электроприборов или электродвигателей . Устройства, известные как устройства защиты от перенапряжения (SPD) или ограничители скачков напряжения при переходных процессах (TVSS), подключенные параллельно этим линиям, могут обнаруживать переходный нерегулярный ток вспышки молнии и, изменяя его физические свойства, направлять пик на подключенное заземляющее заземление , тем самым защита оборудования от повреждений.
Три основных типа молний определяются «начальной» и «конечной» точками канала вспышки.
Существуют вариации каждого типа, такие как «положительные» и «негативные» вспышки компьютерной графики, которые имеют разные физические характеристики, общие для каждого из них, которые можно измерить. Различные общие названия , используемые для описания конкретного события с молнией, могут относиться к одному и тому же или к разным событиям.
Молния «облако-земля» (CG) — это разряд молнии между грозовым облаком и землей. Его инициирует спускающийся с облака ступенчатый лидер, которого встречает поднимающаяся от земли стример.
CG – наименее распространенный, но наиболее понятный из всех типов молний. Его легче изучать с научной точки зрения, поскольку оно заканчивается на физическом объекте, а именно на Земле, и поддается измерению с помощью наземных инструментов. Из трех основных типов молний она представляет наибольшую угрозу для жизни и имущества, поскольку оканчивается на Земле или «ударяет».
Общий разряд, называемый вспышкой, состоит из ряда процессов, таких как предварительный пробой, ступенчатые лидеры, соединительные лидеры, обратные удары, дротики и последующие обратные удары. [71] Проводимость электрического заземления, будь то почва, пресная или соленая вода, может влиять на скорость разряда молнии и, следовательно, на видимые характеристики. [72]
Молния «облако-земля» (CG) бывает положительной или отрицательной, что определяется направлением обычного электрического тока между облаком и землей. Большинство молний CG являются отрицательными, что означает, что отрицательный заряд передается на землю, а электроны перемещаются вниз по каналу молнии (обычно ток течет от земли к облаку). Обратное происходит при положительной вспышке ЦГ, когда электроны движутся вверх по каналу молнии, а положительный заряд переносится на землю (обычно ток течет от облака к земле). Положительная молния встречается реже, чем отрицательная, и в среднем составляет менее 5% всех ударов молнии. [73]
Теоретически существует шесть различных механизмов, приводящих к образованию положительной молнии. [74]
Вопреки распространенному мнению, положительные вспышки молнии не обязательно исходят из наковальни или верхней области положительного заряда и поражают бездождевую зону за пределами грозы. Это убеждение основано на устаревшей идее о том, что лидеры молний униполярны и происходят из соответствующей области заряда. [ нужна цитата ]
Положительные удары молнии, как правило, гораздо более интенсивны, чем их отрицательные аналоги. В среднем разряд отрицательной молнии пропускает электрический ток силой 30 000 ампер (30 кА) и передает 15 Кл ( кулонов ) электрического заряда и 1 гигаджоуль энергии . Большие разряды положительной молнии могут выдерживать силу тока до 120 кА и температуру 350 C. [75] Средняя положительная земная вспышка имеет примерно вдвое больший пиковый ток, чем типичная отрицательная вспышка, и может производить пиковые токи до 400 кА и заряды в несколько сотен кулонов. . [76] [77] Кроме того, положительные вспышки на земле с высокими пиковыми токами обычно сопровождаются длительными продолжающимися токами, корреляция не наблюдается при отрицательных вспышках на земле. [78]
Положительные удары молнии из-за большей силы значительно опаснее отрицательных. Положительная молния производит как более высокие пиковые токи, так и более продолжительные токи, что делает их способными нагревать поверхности до гораздо более высоких уровней, что увеличивает вероятность возгорания пожара. Положительные молнии, способные распространяться в чистом воздухе на большие расстояния, объясняют, почему их называют «громами среди ясного неба», не предупреждая наблюдателей.
Несмотря на распространенное заблуждение, что эти [ необходимы разъяснения ] являются положительными ударами молний, поскольку они кажутся исходящими из области положительного заряда, наблюдения показали, что на самом деле это отрицательные вспышки. Они начинаются, когда IC вспыхивает внутри облака, затем отрицательный лидер выходит из облака из области положительного заряда, а затем распространяется через чистый воздух и ударяется о землю на некотором расстоянии. [79] [80]
Также было показано, что положительная молния вызывает возникновение восходящих вспышек молний с вершин высоких построек и в значительной степени ответственна за возникновение спрайтов на высоте нескольких десятков километров над уровнем земли. Положительная молния чаще возникает во время зимних гроз , например , во время грозы , во время интенсивных торнадо [81] и на стадии затухания грозы . [82] Также генерируются огромные количества радиоволн чрезвычайно низкой частоты (ELF) и очень низкой частоты (VLF) . [83]
Разряды молний могут возникать между областями облаков без контакта с землей. Когда молния возникает между двумя отдельными облаками, она называется молнией «облако-облако» (CC) или межоблачной молнией; когда она возникает между областями с разным электрическим потенциалом внутри одного облака, она известна как внутриоблачная (IC) молния. Молния IC является наиболее часто встречающимся типом. [82]
Молния IC чаще всего возникает между верхней частью наковальни и нижними участками данной грозы. Эту молнию иногда можно наблюдать ночью на больших расстояниях как так называемую « листовую молнию ». В таких случаях наблюдатель может видеть только вспышку света, не слыша грома.
Другой термин, используемый для молний облако-облако или облако-облако-земля, - это «ползун наковальни» из-за привычки заряда, который обычно возникает под или внутри наковальни и карабкается через верхние слои облаков во время грозы, часто создавая драматические множественные ответвления. удары. Обычно их можно увидеть, когда гроза проходит над наблюдателем или начинает затухать. Наиболее яркое поведение ползуна наблюдается во время хорошо развитых гроз, сопровождающихся обширным сдвигом задней наковальни.
Объекты, пораженные молнией, испытывают на себе тепловые и магнитные силы огромной величины. Тепло, создаваемое токами молнии, проходящими через дерево, может испарять его сок, вызывая паровой взрыв, который разрывает ствол. Когда молния проходит через песчаную почву, почва, окружающая плазменный канал, может плавиться, образуя трубчатые структуры, называемые фульгуритами .
Здания или высокие конструкции, пораженные молнией, могут быть повреждены, поскольку молния ищет беспрепятственный путь к земле. Безопасно проводя удар молнии в землю, система молниезащиты, обычно включающая хотя бы один громоотвод , может значительно снизить вероятность серьезного материального ущерба.
Самолеты очень восприимчивы к ударам из-за металлических фюзеляжей, но удары молний, как правило, для них не опасны. [84] Благодаря проводящим свойствам алюминиевого сплава фюзеляж действует как клетка Фарадея . Современные самолеты сконструированы так, чтобы быть защищенными от удара молнии, и пассажиры, как правило, даже не узнают, что это произошло.
Хотя 90 процентов людей, пораженных молнией, выживают, [85] животные, включая людей, пораженные молнией, могут получить серьезные травмы из-за повреждения внутренних органов и нервной системы.
Молния играет важную роль в круговороте азота , окисляя двухатомный азот воздуха в нитраты , которые оседают под дождем и могут удобрять рост растений и других организмов. [86] [87]
Поскольку электростатический разряд земной молнии за короткое время перегревает воздух до температуры плазмы по всей длине разрядного канала, кинетическая теория предписывает, что молекулы газа подвергаются быстрому увеличению давления и, таким образом, расширяются наружу от молнии, создавая ударную волну, слышимую как гром. . Поскольку звуковые волны распространяются не от одного точечного источника, а по всей длине пути молнии, различные расстояния источника звука от наблюдателя могут вызвать эффект раскатывания или грохота. Восприятие звуковых характеристик еще больше осложняется такими факторами, как неправильная и, возможно, разветвленная геометрия канала молнии, акустическое эхо от местности и обычно многократная характеристика удара молнии.
Свет распространяется со скоростью около 300 000 000 м/с (980 000 000 футов/с), а звук распространяется по воздуху со скоростью около 343 м/с (1130 футов/с). Наблюдатель может приблизительно определить расстояние до удара, определив интервал между видимой молнией и слышимым громом, который она порождает. Вспышка молнии, предшествующая грому на одну секунду, будет иметь расстояние примерно 343 м (1125 футов); задержка в три секунды будет означать расстояние около 1 км или 0,62 мили (3 × 343 м). Вспышка, предшествующая грому на пять секунд, будет указывать на расстояние примерно 1,7 км или 1,1 мили (5 × 343 м). Следовательно, удар молнии, наблюдаемый на очень близком расстоянии, будет сопровождаться внезапным раскатом грома, практически без ощутимого промежутка времени, возможно, сопровождаемым запахом озона ( О 3 ).
Молнию на достаточном расстоянии можно увидеть, но не услышать; Есть данные, что грозу можно увидеть на расстоянии более 160 км (100 миль), тогда как гром распространяется на расстояние около 32 км (20 миль). Как ни странно, есть много примеров, когда люди говорили: «Гроза была прямо над головой или вокруг, но грома не было». Поскольку грозовые облака могут иметь высоту до 20 км, [88] молния, возникающая высоко в облаке, может казаться близкой, но на самом деле она находится слишком далеко, чтобы вызвать заметный гром.
Разряды молний генерируют радиочастотные импульсы, которые могут быть приняты за тысячи километров от источника в виде радиоатмосферных сигналов и свистов.
Производство рентгеновских лучей вспышкой молнии было предсказано еще в 1925 году Ч.Т.Р. Уилсоном , [89] , но никаких доказательств не было обнаружено до 2001/2002 года, [90] [91] [92], когда исследователи из Института Нью-Мексико Университет горного дела и технологий обнаружил рентгеновское излучение от удара молнии по заземлённому проводу, проведённому за выстрелом ракеты в грозовое облако. В том же году исследователи из Университета Флориды и Технологического института Флориды использовали набор детекторов электрического поля и рентгеновского излучения в центре исследования молний в Северной Флориде, чтобы подтвердить, что естественная молния излучает рентгеновские лучи в больших количествах во время распространения ступенчатых лидеров. Причина рентгеновского излучения все еще остается предметом исследования, поскольку температура молнии слишком низкая, чтобы объяснить наблюдаемое рентгеновское излучение. [93] [94]
Ряд наблюдений с помощью космических телескопов выявил выбросы гамма- излучения еще более высокой энергии , так называемые земные гамма-вспышки (TGF). Эти наблюдения бросают вызов современным теориям молний, особенно после недавнего открытия явных признаков антиматерии, образующейся в молниях. [95] Недавние исследования показали, что вторичные частицы, производимые этими TGF, такие как электроны , позитроны , нейтроны или протоны , могут приобретать энергию до нескольких десятков МэВ. [96] [97]
Очень высокие температуры, вызванные молниями, приводят к значительному локальному увеличению содержания озона и оксидов азота . Каждая вспышка молнии в умеренных и субтропических регионах производит в среднем 7 кг NOx . [98] В тропосфере воздействие молнии может увеличить NO x на 90% и озон на 30%. [99]
Вулканическая активность создает благоприятные для молний условия разными способами. Огромное количество измельченного материала и газов, выброшенных взрывом в атмосферу, создает плотный шлейф частиц. Плотность пепла и постоянное движение внутри вулканического шлейфа создают заряд за счет фрикционных взаимодействий (трибоэлектрификация), что приводит к очень мощным и очень частым вспышкам, когда облако пытается нейтрализовать себя. Из-за большого содержания твердого материала (золы), в отличие от богатых водой зон, генерирующих заряды в обычном грозовом облаке, его часто называют грязной грозой .
Если шлейф вулканического пепла поднимается до температуры замерзания, образуются частицы льда, которые сталкиваются с частицами пепла, вызывая электрификацию. Молнию можно обнаружить при любом взрыве, но дополнительная электризация частицами льда в пепле может привести к более сильному электрическому полю и более высокой частоте обнаружения молний. Молния также используется в качестве инструмента мониторинга вулканов для обнаружения опасных извержений. [102]
Сильные лесные пожары, подобные тем, которые наблюдались в сезоне лесных пожаров в Австралии в 2019–2020 годах , могут создавать свои собственные погодные системы, которые могут вызывать молнии и другие погодные явления. [103] Сильное тепло от пожара приводит к быстрому подъему воздуха внутри дымового шлейфа, вызывая образование пирокучево-дождевых облаков. Более холодный воздух втягивается этим турбулентным поднимающимся воздухом, помогая охладить шлейф. Поднимающийся шлейф дополнительно охлаждается за счет более низкого атмосферного давления на большой высоте, позволяя содержащейся в нем влаге конденсироваться в облака. Пирокучево-дождевые облака образуются в нестабильной атмосфере. Эти погодные системы могут вызывать сухие молнии, огненные торнадо , сильные ветры и грязный град. [103]
Молнии наблюдались в атмосферах других планет , таких как Юпитер , Сатурн и, возможно, Уран и Нептун . [104] Молнии на Юпитере гораздо более энергичны, чем на Земле, несмотря на то, что они, по-видимому, генерируются по тому же механизму. Недавно на Юпитере был обнаружен новый тип молний, которые, как полагают, происходят из «каши», включающей аммиак. [105]
Молния на Венере стала спорным вопросом после десятилетий исследований. Во время советских миссий «Венера» и американских миссий «Пионер» в 1970-х и 1980-х годах были обнаружены сигналы, позволяющие предположить, что в верхних слоях атмосферы могут присутствовать молнии. [106] Короткий облет Венеры в ходе миссии Кассини-Гюйгенс в 1999 году не выявил никаких признаков молний, но радиоимпульсы, зарегистрированные космическим кораблем « Венера-Экспресс» (который начал вращаться вокруг Венеры в апреле 2006 года), могут исходить от молний на Венере. [107]
Наука о молниях называется фульминология .
Молния вызывает гром — звук ударной волны, которая возникает, когда газы вблизи разряда внезапно нагреваются до очень высоких температур. Его часто слышно через несколько секунд после самой молнии. [110] Гром воспринимается как раскатывающийся, постепенно затихающий грохот, поскольку звук от разных частей длинного удара доходит в несколько разное время. [111]
Когда локальное электрическое поле превышает диэлектрическую прочность влажного воздуха (около 3 МВ/м), электрический разряд приводит к удару , за которым часто следуют соразмерные разряды, ответвляющиеся по тому же пути. Механизмы, которые заставляют заряды накапливаться до уровня молнии, все еще являются предметом научных исследований. [112] [113] Исследование 2016 года подтвердило наличие пробоя диэлектрика. [114] Молния может быть вызвана циркуляцией теплого влажного воздуха через электрические поля . [115] Частицы льда или воды затем накапливают заряд, как в генераторе Ван де Граафа . [116]
Исследователи из Университета Флориды обнаружили, что конечная одномерная скорость 10 наблюдаемых вспышек составляла 1,0 × 105 и 1,4 × 106 м/с, в среднем 4,4 × 105 м/с. [117]
Самым ранним детектором, изобретенным для предупреждения о приближении грозы, был колокол-молния . Бенджамин Франклин установил одно такое устройство у себя дома. [118] [119] Детектор был основан на электростатическом устройстве под названием «электрические звонки», изобретенном Эндрю Гордоном в 1742 году.
Разряды молний генерируют широкий спектр электромагнитных излучений, в том числе радиочастотные импульсы. Время, в которое импульс от данного грозового разряда достигает нескольких приемников, можно использовать для определения местоположения источника разряда с точностью порядка метров. Федеральное правительство США создало общенациональную сеть таких детекторов молний, позволяющую отслеживать грозовые разряды в режиме реального времени на всей территории континентальной части США [120] [121]
Кроме того, Blitzortung (частная глобальная система обнаружения, состоящая из более чем 500 станций обнаружения, принадлежащих и управляемых любителями/добровольцами) предоставляет карты молний практически в реальном времени на https://en.blitzortung.org.
Волновод Земля-ионосфера улавливает электромагнитные ОНЧ- и СНЧ- волны. Электромагнитные импульсы, передаваемые ударами молнии, распространяются внутри этого волновода. Волновод является дисперсионным, что означает, что их групповая скорость зависит от частоты. Разница групповой временной задержки грозового импульса на соседних частотах пропорциональна расстоянию между передатчиком и приемником. В сочетании с методами пеленгации это позволяет обнаруживать удары молний на расстоянии до 10 000 км от их источника. Кроме того, собственные частоты волновода Земля-ионосфера — резонансы Шумана на частоте около 7,5 Гц — используются для определения глобальной грозовой активности. [122]
Помимо наземных систем обнаружения молний, для наблюдения за распространением молний было построено несколько приборов на борту спутников. К ним относятся оптический детектор переходных процессов (OTD) на борту спутника OrbView-1, запущенного 3 апреля 1995 года, и последующий датчик изображения молний (LIS) на борту TRMM , запущенный 28 ноября 1997 года. [123] [124] [125]
Начиная с 2016 года Национальное управление океанических и атмосферных исследований запустило метеорологические спутники серии Geostationary Operational Environmental Satellite-R (GOES-R), оснащенные геостационарными картографами молний (GLM), которые представляют собой оптические детекторы переходных процессов в ближнем инфракрасном диапазоне, которые могут обнаруживать мгновенные изменения в атмосфере. оптическая сцена, указывающая на наличие молнии. [126] [127] Данные обнаружения молний могут быть преобразованы в карту молниевой активности в западном полушарии в режиме реального времени; эта техника картирования была реализована Национальной метеорологической службой США . [128]
В 2022 году EUMETSAT планирует запустить Lightning Imager (MTG-I LI) на борту Meteosat третьего поколения . Это дополнит GLM NOAA. MTG-I LI будет охватывать Европу и Африку и будет включать в себя продукцию для мероприятий, групп и презентаций. [129]
Движение электрических зарядов создает магнитное поле (см. Электромагнетизм ). Сильные токи разряда молнии создают мимолетное, но очень сильное магнитное поле. Там, где путь тока молнии проходит через камень, почву или металл, эти материалы могут стать постоянно намагниченными. Этот эффект известен как остаточный магнетизм, вызванный молнией, или LIRM. Эти токи следуют по пути с наименьшим сопротивлением, часто горизонтально у поверхности [139] [140] , но иногда и вертикально, где разломы, рудные тела или грунтовые воды предлагают путь с меньшим сопротивлением. [141] Одна теория предполагает, что магниты , естественные магниты, обнаруженные в древние времена, были созданы таким образом. [142]
Магнитные аномалии, вызванные молнией, можно нанести на карту в земле, [143] [144] , а анализ намагниченных материалов может подтвердить, что молния была источником намагничивания [145] и дать оценку пикового тока грозового разряда. [146]
Исследования в Университете Инсбрука подсчитали, что магнитные поля, генерируемые плазмой, могут вызывать галлюцинации у субъектов, находящихся в пределах 200 м (660 футов) от сильной грозы, как это произошло при транскраниальной магнитной стимуляции (ТМС). [147]
Некоторые космические лучи высокой энергии, производимые сверхновыми, а также солнечные частицы солнечного ветра, попадают в атмосферу и электризуют воздух, что может создать пути для ударов молний. [148]
Из-за низкого разрешения глобальных климатических моделей точное представление молний в этих климатических моделях затруднено, в основном из-за их неспособности моделировать конвекцию и облачный лед, которые имеют основополагающее значение для образования молний. Исследования программы «Будущий климат для Африки» показывают, что использование модели, допускающей конвекцию над Африкой, может более точно улавливать конвективные грозы и распределение частиц льда. Это исследование показывает, что изменение климата может лишь незначительно увеличить общее количество молний: общее количество молниеносных дней в году уменьшается, в то время как увеличение количества облачного льда и более сильная конвекция приводят к большему количеству ударов молний в те дни, когда молния действительно возникает. [149]
В исследовании Вашингтонского университета изучалась молниевая активность в Арктике в период с 2010 по 2020 год. Соотношение ударов в арктическое летнее время сравнивалось с общим глобальным количеством ударов, и было замечено, что оно увеличивается со временем, что указывает на то, что регион становится все более подверженным влиянию молний. . Было обнаружено, что доля ударов выше 65 градусов северной широты линейно увеличивается с аномалией глобальной температуры NOAA и увеличивается в 3 раза при увеличении аномалии от 0,65 до 0,95 °C [150].
Палеомолния относится к остаткам древней молниеносной деятельности, изучаемой в таких областях, как историческая геология , геоархеология и фульминология . Палеомолнии предоставляют ощутимые доказательства для изучения молниевой активности в прошлом Земли и той роли, которую молния могла сыграть в истории Земли. Некоторые исследования предполагают, что молниевая активность сыграла решающую роль в развитии не только ранней атмосферы Земли, но и ранней жизни. Было обнаружено, что молния, небиологический процесс, производит биологически полезный материал посредством окисления и восстановления неорганического вещества. [151] Исследования воздействия молнии на атмосферу Земли продолжаются и сегодня, особенно в отношении механизмов обратной связи нитратных соединений, образующихся в результате молний, на состав атмосферы и глобальные средние температуры. [152]
Обнаружение молниевой активности в геологических записях может быть затруднено, учитывая мгновенный характер ударов молний в целом. Однако фульгурит , стекловидный трубкообразный, коркообразный или неправильный минералоид, который образуется, когда молния плавит почву , кварцевый песок , глину , горную породу , биомассу или калише , широко распространен в электрически активных регионах по всему миру и является свидетельством не только прошлая грозовая активность, но и модели конвекции . [153] Поскольку каналы молнии передают электрический ток в землю, молния также может создавать магнитные поля . Хотя грозомагнитные аномалии могут свидетельствовать о грозовой активности в регионе, эти аномалии часто создают проблемы для тех, кто исследует магнитную запись типов горных пород, поскольку они маскируют присутствующие естественные магнитные поля. [154]Во многих культурах молния рассматривалась как знак или часть божества или божества сама по себе. К ним относятся греческий бог Зевс , ацтекский бог Тлалок , бог майя К , Перун из славянской мифологии , балтийский Перконс / Перкунас , Тор в скандинавской мифологии , Укко в финской мифологии , индуистский бог Индра , бог йоруба Санго , Иллапа. в мифологии инков и синтоистский бог Райджин . [155] Древние этруски создавали руководства по бронтоскопическому и фульгуральному предсказанию будущего, основанные на предзнаменованиях , предположительно отображаемых громом или молнией, происходящими в определенные дни года или в определенных местах. [156] [157] Такое использование грома и молнии в гадании также известно как церауноскопия , [158] разновидность аэромантии . В традиционной религии африканских племен банту молния является признаком гнева богов. Священные Писания в иудаизме , исламе и христианстве также приписывают молнии сверхъестественное значение . В христианстве Второе пришествие Иисуса сравнивают с молнией . [159]
Идея о том, что молния никогда не ударяет в одно и то же место дважды, хотя иногда используется в переносном смысле, является распространенным мифом. На самом деле молния может и часто ударяет в одно и то же место более одного раза. Молния во время грозы с большей вероятностью ударит в объекты и пятна, которые являются более заметными или проводящими. Например, молния ударяет в Эмпайр-стейт-билдинг в Нью-Йорке в среднем 23 раза в год. [160] [161] [162]
На французском и итальянском языках выражение «Любовь с первого взгляда» звучит как coup de foudre и colpo di fulmine соответственно, что в дословном переводе означает «удар молнии». В некоторых европейских языках есть отдельное слово для обозначения молнии, ударяющей в землю (в отличие от молнии в целом); часто это родственник английского слова «лучи». Имя самой знаменитой чистокровной лошади Австралии, Фар Лап , происходит от общего чжуанского и тайского слова, обозначающего молнию. [163]
Молния в геральдике называется молнией и изображается в виде зигзага с незаостренными концами. Этот символ обычно представляет мощность и скорость.
Некоторые политические партии используют вспышки молний как символ власти, например, Партия народного действия в Сингапуре , Британский союз фашистов в 1930-х годах и Партия прав национальных штатов в США в 1950-х годах. [164] Schutzstaffel , военизированное крыло нацистской партии , использовало в своем логотипе руну Sig , которая символизирует молнию. Немецкое слово « Блицкриг» , что означает «молниеносная война», было основной наступательной стратегией немецкой армии во время Второй мировой войны.
Молния является распространенным знаком отличия подразделений военной связи по всему миру. Молния также является символом сигнального средства НАТО .
Самый смертоносный прямой удар молнии произошел, когда 21 человек погиб, спрятавшись в целях безопасности в пострадавшей хижине (1975 год, Родезия). [47]
Самым смертоносным непрямым ударом молнии стал удар молнии в Дронке в 1994 году . 469 человек погибли, когда в 1994 году молния ударила в нефтяные резервуары, в результате чего горящая нефть затопила город (1994, Дронка, Египет). [47]
В США от молнии в среднем умирало 23 человека в год с 2012 по 2021 год. [165]
Требования для производства молний в атмосфере следующие: (1) достаточное количество подходящего материала для электрификации, (2) проведение микромасштабного процесса электрификации для производства классов частиц с разными знаками заряда и (3) механизм разделения и накопления частиц в зависимости от их заряда.
Позади нас тянулись пугающие темные облака, разорванные молниями, искривленными и брошенными, раскрываясь, открывая огромные фигуры пламени.
{{cite news}}
: CS1 maint: postscript (link)