Муниципальноеобщеобразовательное учреждение
Гимназия «ЛабораторияСалахова»
Творческая работа по физике
на тему: Электрическиеявления в природе: молния
История
Электрическаяприрода молнии была раскрыта в исследованиях американского физика Б. Франклина,по идее которого был проведён опыт по извлечению электричества из грозовогооблака. Широко известен опыт Франклина по выяснению электрической природымолнии. В 1750 им опубликована работа, в которой описан эксперимент сиспользованием воздушного змея, запущенного в грозу. Опыт Франклина был описанв работе Джозефа Пристли.Физические свойства молнии
Средняядлина молнии 2,5 км, некоторые разряды простираются в атмосфере нарасстояние до 20 км.Формирование молнии
Наиболеечасто молния возникает в кучево-дождевых облаках, тогда они называютсягрозовыми; иногда молния образуется в слоисто-дождевых облаках, а также привулканических извержениях, торнадо и пылевых бурях.
Обычнонаблюдаются линейные молнии, которые относятся к так называемымбезэлектроднымразрядам, так как они начинаются (и кончаются) в скоплениях заряженных частиц.Это определяет их некоторые до сих пор не объяснённые свойства, отличающиемолнии от разрядов между электродами. Так, молнии не бывают короче несколькихсотен метров; они возникают в электрических полях значительно более слабых, чемполя при межэлектродных разрядах; сбор зарядов, переносимых молнией, происходитза тысячные доли секунды с миллиардов мелких, хорошо изолированных друг отдруга частиц, расположенных в объёме несколько км³. Наиболее изученпроцесс развития молнии в грозовых облаках, при этом молнии могут проходить всамих облаках — внутриоблачные молнии, а могут ударять в землю — наземныемолнии. Для возникновения молнии необходимо, чтобы в относительно малом (но неменьше некоторого критического) объёме облака образовалось электрическое поле снапряжённостью, достаточной для начала электрического разряда (~ 1 МВ/м), а взначительной части облака существовало бы поле со средней напряжённостью,достаточной для поддержания начавшегося разряда (~ 0,1-0,2 МВ/м). В молнииэлектрическая энергия облака превращается в тепловую и световую.Наземные молнии
Процессразвития наземной молнии состоит из нескольких стадий. На первой стадии, взоне, где электрическое поле достигает критического значения, начинается ударнаяионизация, создаваемая вначале свободными электронами, всегда имеющимися внебольшом количестве в воздухе, которые под действием электрического поляприобретают значительные скорости по направлению к земле и, сталкиваясь смолекулами, составляющими воздух, ионизуют их. По более современнымпредставлениям, разряд инициируют высокоэнергетические космические лучи,которые запускают процесс, получивший название пробоя на убегающих электронах.Таким образом, возникают электронные лавины, переходящие в нити электрическихразрядов — стримеры, представляющие собой хорошо проводящие каналы, которые,сливаясь, дают начало яркому термоионизованному каналу с высокой проводимостью— ступенчатому лидеру молнии.
Движениелидера к земной поверхности происходит ступенями в несколько десятков метров соскоростью ~ 50 000 километров в секунду, после чего его движениеприостанавливается на несколько десятков микросекунд, а свечение сильноослабевает; затем в последующей стадии лидер снова продвигается на несколькодесятков метров. Яркое свечение охватывает при этом все пройденные ступени;затем следуют снова остановка и ослабление свечения. Эти процессы повторяютсяпри движении лидера до поверхности земли со средней скоростью 200 000метров в секунду.
Помере продвижения лидера к земле напряжённость поля на его конце усиливается ипод его действием из выступающих на поверхности Земли предметов выбрасывается ответныйстример, соединяющийся с лидером. Эта особенность молнии используется длясоздания молниеотвода.
Взаключительной стадии по ионизованному лидером каналу следует обратный (снизувверх), или главный, разряд молнии, характеризующийся токами от десятков досотен тысяч ампер, яркостью, заметно превышающей яркость лидера, и большойскоростью продвижения, вначале доходящей до ~ 100 000 километров всекунду, а в конце уменьшающейся до ~ 10 000 километров в секунду.Температура канала при главном разряде может превышать 25 000 °C. Длина каналамолнии может быть от 1 до 10 км, диаметр — несколько сантиметров. Послепрохождения импульса тока ионизация канала и его свечение ослабевают. Вфинальной стадии ток молнии может длиться сотые и даже десятые доли секунды,достигая сотен и тысяч ампер. Такие молнии называют затяжными, они наиболеечасто вызывают пожары.
Главныйразряд разряжает нередко только часть облака. Заряды, расположенные на большихвысотах, могут дать начало новому (стреловидному) лидеру, движущемусянепрерывно со скоростью в тысячи километров в секунду. Яркость его свеченияблизка к яркости ступенчатого лидера. Когда стреловидный лидер доходит доповерхности земли, следует второй главный удар, подобный первому. Обычно молниявключает несколько повторных разрядов, но их число может доходить и донескольких десятков. Длительность многократной молнии может превышать 1 сек.Смещение канала многократной молнии ветром создаёт так называемую ленточнуюмолнию — светящуюся полосу.
Внутриоблачные молнии
Внутриоблачныемолнии включают в себя обычно только лидерные стадии; их длина колеблется от 1до 150 км. Доля внутриоблачных молний растет по мере смещения к экватору,меняясь от 0,5 в умеренных широтах до 0,9 в экваториальной полосе. Прохождениемолнии сопровождается изменениями электрических и магнитных полей и радиоизлучением,так называемыми атмосфериками. Вероятность поражения молнией наземного объектарастет по мере увеличения его высоты и с увеличением электропроводности почвына поверхности или на некоторой глубине (на этих факторах основано действиегромоотвода). Если в облаке существует электрическое поле, достаточное дляподдержания разряда, но недостаточное для его возникновения, роль инициаторамолнии может выполнить длинный металлический трос или самолёт — особенно,если он сильно электрически заряжен. Таким образом иногда «провоцируются»молнии в слоисто-дождевых и мощных кучевых облаках.
«Вкаждую секунду около 50 молний ударяются в поверхность земли, и в среднемкаждый ее квадратный километр молния поражает шесть раз за год»[2].
Самыемощные молнии вызывают рождение фульгуритов.[2]Люди и молния
Молнии— серьезная угроза для жизни людей. Поражение человека или животного молниейчасто происходит на открытых пространствах т.к. электрический ток идет пократчайшему пути «грозовое облако-земля». Часто молния попадает вдеревья и трансформаторные установки на железной дороге, вызывая их возгорание.Поражение обычной линейной молнией внутри здания невозможно, однако бытуетмнение что так называемая шаровая молния может проникать через щели и открытыеокна. Обычный грозовой разряд опасен для телевизионных и радиоантеннрасположенных на крышах высотных зданий, а также для сетевого оборудования.
Ворганизме пострадавших отмечаются такие же патологические изменения, как при пораженииэлектротоком. Жертва теряет сознание, падает, могут отмечаться судороги, частоостанавливается дыхание и сердцебиение. На теле обычно можно обнаружить «меткитока», места входа и выхода электричества. В случае смертельного исходапричиной прекращения основных жизненных функций является внезапная остановкадыхания и сердцебиения, от прямого действия молнии на дыхательный исосудодвигательный центры продолговатого мозга. На коже часто остаются такназываемые знаки молнии, древовидные светло-розовые или красные полосы,исчезающие при надавливании пальцами (сохраняются в течение 1 — 2 сутокпосле смерти). Они — результат расширения капилляров в зоне контакта молнии стелом.
Припоражении молнией первая медицинская помощь должна быть неотложной. В тяжелыхслучаях (остановка дыхания и сердцебиения) необходима реанимация, её долженоказать, не ожидая медицинских работников, любой свидетель несчастья.Реанимация эффективна только в первые минуты после поражения молнией, начатаячерез 10 — 15 минут она, как правило, уже не эффективна. Экстреннаягоспитализация необходима во всех случаях.Жертвы молний
1. В мифологии и литературе:
1. Асклепий, Эскулап — сынАполлона — бог врачей и врачебного искусства, не только исцелял, но иоживлял мёртвых. Чтобы восстановить нарушенный мировой порядок Зевс поразил егосвоей молнией[3].
2. Фаэтон — сын богаСолнца Гелиоса — однажды взялся управлять солнечной колесницей своегоотца, но не сдержал огнедышащих коней и едва не погубил в страшном пламениЗемлю. Разгневанный Зевс пронзил Фаэтона молниями.
2. Исторические личности:
1. Российский академик Г. В. Рихман —в 1753 году погиб от удара молнии.
2. Народный депутат Украины,экс-губернатор Ровенской области В. Червоний 4 Июля 2009 года погиб от ударамолнии.Интересные факты
· РойСалливан остался живым после семи ударов молнией.
· Американскиймайор Саммерфорд умер после продолжительной болезни (результат удара третьеймолнией). Четвертая молния полностью разрушила его памятник на кладбище.
· Уиндейцев Анд удар молнией считается необходимым для достижения высших уровней шаманскойинициации[4].Деревья и молния
Стволпораженного молнией тополя
Высокиедеревья — частая мишень для молний. На реликтовых деревьях-долгожителях легкоможно найти множественные шрамы от молний. Считается, что одиночно стоящее деревочаще поражается молнией, хотя в некоторых лесных районах шрамы от молний можноувидеть почти на каждом дереве. Сухие деревья от удара молнии загораются. Чащеудары молнии бывают направлены в дуб, реже всего — в бук, что,по-видимому, зависит от различного количества жирных масел в них,представляющих большое сопротивление электричеству.[5]
Молнияпроходит в стволе дерева по пути наименьшего электрического сопротивления, свыделением большого количества тепла, превращая воду в пар, который раскалываетствол дерева или чаще отрывает от него участки коры, показывая путь молнии. Вследующие сезоны деревья обычно восстанавливают поврежденные ткани и могутзакрывать рану целиком, оставив только вертикальный шрам. Если ущерб являетсяслишком серьезным, ветер и вредители в конечном итоге убивают дерево. Деревьяявляются естественными громоотводами, и, как известно, обеспечивают защиту отудара молнии для близлежащих зданий. Посаженные возле здания, высокие деревьяулавливают молнии, а высокая биомасса корневой системы помогает заземлятьразряд молнии.
Издеревьев, пораженных молнией, делают музыкальные инструменты, приписывая имуникальные свойства.[6]