Ученые Пермского Политеха рассказали о тайной жизни гроз: от стеклянных копий в песке до молний, бьющих в космос
Ежедневно на планете регистрируются десятки тысяч грозовых очагов, и подавляющая часть годовой активности приходится именно на теплые месяцы. В любой момент времени в атмосфере Земли одновременно бушует около двух тысяч гроз, а каждую секунду возникает примерно сто молниевых ударов.
Как устроена обычная молния
Молния — это электрический разряд, который проскакивает между небом и землей или внутри облака. В грозовой туче частицы льда и капли воды сталкиваются, трутся друг о друга, и в результате в нижней ее части накапливается отрицательный заряд, а в верхней — положительный. Когда разница между ними становится слишком большой, воздух не выдерживает, и происходит пробой.
— Чаще всего встречается отрицательная молния, которая бьет из низа облака в землю. Обычно она имеет ток 20-30 тысяч ампер, длится около 0,2 секунды, переносит 5-20 кулонов электричества и передает земле отрицательный заряд, — отмечает старший преподаватель кафедры «Общая физика» ПНИПУ Нина Любимова.
Тем не менее, бывают и другие, более мощные виды молний.
Гроза среди ясного неба
Например, существуют положительные мегамолнии. Они начинаются в верхней части облака, могут уйти на десятки километров в сторону от грозы и длиться 1-2 секунды. Ток превышает 300 тысяч ампер, заряд — сотни кулонов, а удельная энергия в 100-1000 раз выше, чем у отрицательной. По словам ученой Пермского Политеха, импульс часто возникает неожиданно и связан с редкими опасными явлениями: взрывным плавлением металла, расщеплением бетона и пожарами.
— Удар исходит из наковальни — верхней части грозового облака, где нет осадков и видимых туч. На фоне ясного неба в 20-30 километрах от грозы может внезапно возникнуть гигантский разряд. Его лидер, то есть проводящий канал, который прокладывает путь молнии, проходит горизонтально десятки километров в электрическом поле наковальни, а затем резко уходит вертикально вниз. Это создает риск прямого удара для людей, линий электропередач и строений далеко за пределами зоны дождя, без каких-либо грозовых предвестников, — подчеркнула эксперт.
Гроза как природный генератор электричества
Все грозы мира работают как единый природный генератор, поддерживающий глобальную электрическую цепь. Однако из-за того, что проводящий слой находится в десятках километров от нас, электрополе у земли остается слабым — мы его не ощущаем.
— Электрический потенциал во всех точках поверхности планеты и ионосферы практически одинаков, поэтому ни человек, ни техника его не ощущают. Положительный заряд создается космическими частицами и излучениями, а отрицательный — по закону сохранения: если появляется плюс, обязательно возникает минус. Поэтому наша планета — сферический конденсатор, природный накопитель электричества, — делится заведующий кафедрой «Автоматизации технологических процессов» Березниковского филиала Пермского Политеха, доктор технических наук Андрей Затонский.
Красные призраки и световые кольца
Помимо привычных молний, грозовое небо способно рождать гораздо более экзотичные и редкие формы разрядов. Это спрайты — красноватые вертикальные столбы, и эльфы — быстро расширяющиеся световые кольца. Они вспыхивают над большими облаками и настолько необычны, что долгое время считались скорее мифом, чем реальностью.
— Удар в землю или мощный разряд внутри тучи резко меняет ее электрический заряд, что вызывает пробои на высоте 50-90 километров, где воздух разрежен и свечение принимает такие причудливые формы. Для людей они совершенно не опасны, потому что находятся гораздо выше, чем летают любые самолеты, — рассказывает ученый Пермского Политеха.
Молнии, бьющие в космос
Однако в небе могут появиться не только красные столбы или яркие круги. По словам Нины Любимовой, выделяют также синие струи и гигантские джеты. Первые — плотные конусообразные фонтаны ярко-синего цвета, бьющие из вершины грозового облака на высоту 40-50 километров и длящиеся 0,2-0,5 секунд. Вторые — их более мощная разновидность с синим низом и красноватым верхом.
— Синие струи и гигантские джеты порождаются мощным положительным разрядом. Последний создает в верхней части грозы сильное электрическое поле. Когда оно превышает порог около 3 миллионов вольт на метр, в разреженной атмосфере возникает пучковый удар, устремляющийся вверх, где сопротивление меньше. Выше 30 километров электроны разгоняются настолько, что при столкновениях «отрывают» частицы от атомов, из-за которых воздух начинает мерцать. В нижних, более плотных слоях атмосферы воздух окрашивается в синий цвет. Это связано с тем, что там основная масса газа — азот. В верхних, разреженных слоях преобладает кислород, поэтому свечение становится красноватым, — объясняет ученая Пермского Политеха.
Заметить оба явления с Земли практически невозможно: они быстрые, тусклые и теряются на фоне обычных молний, наблюдения возможны с МКС или высокогорных обсерваторий. Несмотря на это, они могут влиять на нас. Например, гигантские джеты временно повышают ионизацию верхних слоев воздуха, из-за чего короткие радиоволны не проходят, а поглощаются — радиосвязь на таких частотах может прерываться. Более того, вместе с другими похожими явлениями они производят много оксида азота, который способен ускорить разрушение озонового слоя.
Повторяющиеся разряды: что скрывает одна молния
Многие думают, что молния бьет один раз. На самом деле это серия быстрых ударов, которые идут по одному и тому же пути. Они следуют друг за другом так часто, что глаз не успевает заметить перерывы — поэтому видно сплошную яркую вспышку. Происходит это потому, что после первого удара канал остается горячим и хорошо проводит электричество, и заряды продолжают бегать между облаком и землей, как мячик, который быстро отскакивает от пола.
— Этот же принцип лежит в основе радиосвязи: провод с разведенными концами превращается в антенну с собственной частотой колебаний. Молния на время существования тоже становится природным излучателем, совершающим примерно 8 колебаний в секунду, то есть с частотой около 8 герц. Количество таких циклов зависит от того, как долго канал расходует накопленную энергию на нагрев воздуха и электромагнитное излучение, — объяснил Андрей Затонский.
Грозовой магнит
После близкого удара молнии обычные металлические предметы могут неожиданно намагнититься: как поясняет ученый Пермского Политеха, ток разряда создает колоссальное вихревое магнитное поле, которое превращает в источники притяжения предметы из ферромагнитных материалов — то есть из веществ, которые хорошо притягиваются. Например, стальные ножи, вилки или отвертки. Серебро и нержавеющие сплавы не подвержены этому эффекту.
— Опасность для банковских карт и бытовой электроники представляет не само указанное поле, а его изменения — усиление или ослабление. При резкой смене этой силовой среды в любых проводниках возникает напряжение, способное повредить тончайшие контакты и чувствительные полупроводниковые слои внутри микросхем, — отметил эксперт ПНИПУ.
Вулканические грозы
При мощных извержениях вулканов над кратером также могут возникнуть грозы, причем для их образования не нужны водяные капли. Электричество рождается за счет трения частиц пепла, вулканических пород и кристаллов льда.
— Стоит понимать, что электричество не появляется само по себе. Оно создается магнетизмом, трением — переходом электронов с одного тела на другое, как при электризации расчески о волосы, — или химическими реакциями. Разряды в пыльной среде известны и за пределами вулканов: например, на мукомольных заводах. Там частицы муки трутся друг о друга, и на них накапливается статический заряд. Когда он становится достаточно большим, происходит искровой разряд, который может привести к пожару или даже взрыву. Сила вулканических молний зависит прежде всего от объема запыленного воздуха, а при извержении он очень велик, поэтому разряды бывают исключительно мощными, — делится ученый Пермского Политеха Андрей Затонский.
Молния рождает гамма-излучение
Во время грозы помимо яркой вспышки и грома на очень короткое время появляется мощное излучение, невидимое глазу. Как поясняет ученый ПНИПУ, при пробое молнии воздух превращается в раскаленный электропроводный газ — плазму. В нем часть атомов теряет свои электроны, а другие, еще не разрушенные, под действием электрического поля и светового потока переходят в особое состояние, накапливая избыток энергии.
— Когда возбужденный электрон возвращается в обычное состояние, он излучает квант — порцию энергии, которая может быть и обычным светом, и невидимыми лучами, включая рентгеновское и гамма-излучение. Длится все это лишь мгновения, пока существует сама молния. Непосредственно такие лучи не опасны ни для человека на земле, ни для пассажиров и экипажа самолета, корпус которого создает дополнительную защиту; реальную угрозу представляют мощные электромагнитные воздействия — резкие скачки напряжения, возникающие в проводах и приборах при близком ударе молнии, — рассказал Андрей Затонский.
Грозовые стеклянные капсулы времени
Удар молнии в песок нагревает его примерно до 30 000°C. От такого жара плавится кварц — основной компонент песчаных зерен. Между ними есть вода и воздух, которые при нагреве расширяются. Расплавленная масса застывает быстрее снаружи, чем внутри, образуя полую трубку с гладкой стеклянной внутренней и зернистой наружной стенкой, которую называют фульгуритом.
— Фульгуриты хрупкие, как тонкое стекло, и легко разрушаются, поэтому длинные образцы требуют идеальных условий: мощная молния, сухой однородный песок, быстрое погребение и отсутствие эрозии тысячелетиями. По химическому составу можно восстановить историю гроз и засух: в пузырьках газа внутри стекла сохраняется состав древней атмосферы — азот, кислород, аргон, а по количеству микротрещин и включений определяют интенсивность разрядов, — объяснила ученая Пермского Политеха Нина Любимова.
Поскольку канал молнии, создающей фульгурит, проникает вглубь, это представляет потенциальную угрозу для подземных коммуникаций. По словам эксперта, риск повреждения газопровода или кабеля существует, но прямое попадание крайне маловероятно: обычно трубы и провода прокладывают на глубине от полуметра, что служит достаточной защитой. Только в очень сухом песке особо мощная мегамолния способна проплавить грунт на 2-3 метра.
Сотни килограммов веса
Нередко встречается утверждение, что молния почти ничего не весит. На самом деле нужно различать электрический ток и раскаленный воздух, который виден как вспышка.
— Электрический ток невесом. Его переносят свободные электроны и катионы — положительно заряженные частицы, тяжесть которых ничтожно мала. Однако молния — это не только ток, но и светящийся газ. Он разогревается энергией, которая выделяется при соединении электронов с ионами. Именно он образует видимую вспышку и обладает массой, а значит, и весом. Длина молниевого канала может достигать нескольких километров, а диаметр — нескольких сантиметров. Поэтому вес раскаленного газа внутри канала может составлять десятки, а иногда и сотни килограммов, — комментирует ученый Пермского Политеха Андрей Затонский.
Гроза — это не просто молния и гром. Внутри нее скрыты удивительные явления: красные призраки в небе, синие фонтаны, уходящие в космос, и даже стеклянные скульптуры в песке после удара. Привычная летняя стихия не только красива, но и поддерживает электрический баланс всей планеты.