Молнии
Анализируя наблюдения, можно предположить, что шаровая молния появляется там, где накапливается значительный электрический заряд, при мощной, но кратковременной эмиссии этого заряда в воздух.
Исчезает шаровая молния в результате взрыва, развития неустойчивостей или из-за постепенного расходования запаса ее энергии и вещества (тихое погасание). Природа взрыва шаровой молнии не вполне ясна.
Большая часть молний – около 60% – испускает видимый свет, относящийся к красному концу спектра (красный, оранжевый или желтый). Около 15% испускает свет в коротковолновой части спектра (голубой, реже – синий, фиолетовый, зеленый), наконец, приблизительно в 25% случаев молния имеет белый цвет.
Мощность излучаемого светапорядка нескольких ватт. Поскольку температура молнии невелика, ее видимое излучение имеет неравновесную природу. Возможно, молнияизлучает также некоторое количество ультрафиолетового излучения, поглощением которого в воздухе можно объяснить голубой ореол вокруг нее.
Теплообмен шаровой молнии с окружающей средой происходит через испускание значительного количества инфракрасного излучения. Если шаровой молнии действительно можно приписать температуру 500-600 К, то мощность равновесного излучения испускаемого молнией среднего диаметра ( 20 см), порядка 0,5 – 1 кВт и максимум излучения лежит в области длин волн 5-10 мкм.
Кроме инфракрасного и видимого излучений шаровая молния может испускать довольно сильное неравновесное радиоизлучение.
ГИПОТЕЗЫ
Все гипотезы, касающиеся физической природы шаровой молнии можно разделить на две группы. В одну группу входят гипотезы, согласно которым шаровая молния непрерывно получает энергию извне.
пРедполагая, что молния каким-то образом получает энергию, накапливающуюся в облаках и тучах, причем тепловыделение в самом канале оказывается незначительным, так что вся передоваемая энергия сосредотачивается в объеме шаровой молнии, вызывая его свечение.
К другой группе относятся гипотезы, согласно которым шаровая молния становится самостоятельно существующим оббъектом. Этот объект состоит из некоего вещества, внутри которого происходят процессы, приводящие к выделению энергии.
Среди гипотез первой группы отметим гипотезу, предложенную в 1965 году академиком Капицей. Он подсчитал, что собственных запасов энергии шаровой молнии должно хватить на ее существование в течение сотых долей секунды. В природе, как известно, она существует гораздо дольше и нередко заканчивает свое существование взрывом. Возникает вопрос, откуда энергия?
Поиск решения привел Капицу к выводу, что „если в природе не существует источников энергии, еще нам неизвестных, то на основании закона сохранения энергии приходится принять, что во время свечения к шаровой молнии непрерывно подводится энергия, и мы вынуждены искать источник вне объема шаровой молнии“. Академик теоретически показал, что шаровая молния представляет собой высокитемпературную плазму, существующуюдовольно длительное время за счет резонансного поглащения или интенсивного поступления энергии в виде радиоволнового излучения.
Он высказал мысль, что искуственная шаровая молния может быть создана с помощью мощного потока радиоволн, сфокусированного в ограниченную область пространства (если молния – шар диаметром порядка 35 – 70 см.)
= 3,65 D: где – длина волны , D – радиус шаровой молнии.
Но несмотря на многие привлекательные стороны данной гипотезы, она все же представляет несостоятельной: не объясняет характера перемещения шаровой молнии, зависимости ее поведения от воздушных потоков; в рамках данной гипотезы трудно объяснить хорошо наблюдаемую четкую поверхность молнии ; взрыв такой шаровой молнии не должен сопровождаться выделением энергии и напоминает громкий хлопок. Несколько лет назад в одной из лаборатории НИИ механики МГУ под руководством А.М. Хазена была создана еще одна теория огненного шара.
Согласно ей, в грозу под действием разности потенциалов начинается направленный дрейф электронов из облаков к земле. Попутно электроны, разумеется, сталкиваются, с молекулами газов, из которых состоит воздух, причем вопреки здравому смыслу – тем реже, чем выше скорость электрона.
В итоге отдельные атомы, достигшие некоей критической скорости, скатываются вниз, будто с горки. Такой “эффект горки” перестраивает войско заряженных частиц. Они начинают скатываться не беспорядочной толпой, а шеренгами, подобно тому, как накатываются волны морского прибоя.
Только “прибой” этот обладает колоссальной скоростью – 1000 км/с ! энергии таких волн, как показывают расчеты Хазена, вполне достаточно, чтобы, настигая плазменный шар, подпитывать его своим электростатическим полем и некоторое время поддерживать в нем электромагнитные колебания.
Теория Хазена ответила на некоторые вопросы: почему шаровая молния часто движется над землей, будто копируя рельеф местности? Объяснение следующее: с одной стороны, светящаяся сфера, обладая более высокой температурой по отношению к окружающей среде, стремится выплыть наверх под действием Архимедовой силы; с другой стороны, под действием электростатических сил шар притягивается шар притягивается к влажной проводящей поверхности почвы. На какой – то высоте обе силы уравновешивают друг друга и шар словно катится по невидимым рельсам.
Иногда, правда, шаровая молния делает и резкие скачки. Их причиной может послужить либо сильный порыв ветра, либо изменение в направлении движения электронной лавины.
Нашлось объяснение и еще одному факту: шаровая молния стремится попасть внутрь построек. Любое строение, особенно каменное, поднимает в данном месте уровень грунтовых вод, а значит, возрастает электропроводность почвы, что и привлекает плазменный шар.
И наконец, почему шаровая молния по-разному заканчивает свое существование, иногда бесшумно, а чаще – взрывом? Здесь тоже виноват электронный дрейф.
Если к шаровому “сосуду” подводится слишком много энергии, он в конце концов лопается от перегрева или, попав в область повышенной электропроводности разряжается, подобно обычной линейной молнии.
Если же электронный дрейф по каким-либо причинам затухает, шаровая молния тихо угасает, рассеивая свой заряд в окружающем пространстве.
А.М. Хазен создал интересную теорию одного из самых загадочных явлений природы и предложил схему ее создания: “Возьмем проводник, проходящий через центр антенны передатчика сверхвысоких частот (СВЧ). Вдоль проводника, как по волноводу, будет распространятся электромагнитная волна.
Причем проводник надо взять достаточно длинный, чтобы антенна электростатически не влияла на свободный конец. Подключим этот проводник к импульсному генератору высокого напряжения и, включив генератор, подадим на него короткий импульс напряжения, достаточный для того, чтобы на свободном конце мог возникнуть коронный разряд.
Импульс надо сформировать так, чтобы возле его заднего фронта напряжение на проводнике не падало до нуля, а сохранялось на каком-то уровне, недостаточном для создания короны, то-есть постоянно постоянно светящего заряда на проводнике.
Если менять амплитуду и время импульса постоянного напряжения, варьировать частоту амплитуду поля СВЧ, то в конце концов на свободном конце провода даже после выключения переменного поля должен остаться и, возможно, отделиться от проводника светящийся плазменный сгусток”.
Необходимость большого количества энергии мешает реализовать данный эксперимент. И все же большинство ученых отдают предпочтение гипотезам второй группы.
Одна из них предполагает химическую природу шаровой молнии. Первым ее предложил Доминик Араго. А в середине 70 – х годов ее детально разрабатывал Б.М.Смирнов.
предполагается, что шаровая молния состоит из обычного воздуха (имеющего температуру примерно на 1000 выше температуры окружающей атмосферы), небольшой примеси озона О3 и оксидов азота NО и NО2.
Принципиально важную роль здесь играет озон, образующийся при разряде обычной молнии; его концентрация около 3%. Внутри шаровой молнии происходят химические реакции.
Они сопровождаются выделением энергии. При этом в объеме диаметром 20 см выделяется примерно 1 кДж энергии. Это мало, подсчетам, запас энергии шаровой молнии таких размеров должен составляет примерно 1000 кДж. Недостатком рассматриваемой физической модели является также невозможность объяснения устойчивой формы шаровой молнии, существование поверхностного натяжения.
В поисках ответа была разработана новая физическая теория. Согласно этой гипотезы шаровая молния состоит из положительных и отрицательных ионов. Ионы образуются за счет энергии разряда обычной линейной молнии. Затраченная на их образование энергия и определяет запас энергии шаровой молнии. Она высвобождается при рекомендации ионов. Благодаря электростатическим
(кулоновским) силам, действующим между ионами, объем, заполненный заполненный ионами, будет обладать поверхностным натяжением, что и определяет устойчивую шаровую форму молнии.
Дело в том, что если положительные и отрицательные ионы будут “перемешаны” по объему молнии, от они будут очень быстро рекомбинировать – за время порядка всего 109 с. следовательно, такая шаровая молния не может существовать в течение секунды, ни говоря уж о минутах.
Таким образом необходимо существенно затормозить (задержать) процесс рекомбинации ионов. Как это сделать?
Ответ дает кластерная гипотеза, предложенная в 1976 году И.П. Стахановым. Стаханов, как и многие другие физики, исходил из того, что молния состоит из вещества, находящегося в состоянии плазмы.
Плазма похожа на газообразное состояние с единственной разницей: молекулы вещества в плазме ионизированы, то есть потеряли (или наоборот приобрели лишние) электроны и перестали быть нейтральными. Это значит, что молекулы могут взаимодействовать не только как частицы газа – при столкновениях,, но и на расстоянии с помощью электрических сил.
Разноименно заряженные частицы притягиваются. Поэтому в плазме молекулы стремятся вернуть себе потерянный заряд путем рекомбинации с оторванными электронами. Но после рекомбинации плазма превратится в обычный газ. Поддерживать жизнь плазмы можно только до тех пор, пока рекомбинации что-то мешает, – как правило, очень высокая температура.
Если шаровая молния – это плазменный шар, то она обязана быть горячей. Так рассуждали сторонники плазменных моделей до Стаханова. А он заметил, что существует и другая возможность.
Ионы, то есть молекулы, потерявшие или захватившие лишний электрон, могут притянуть к себе обыкновенные нейтральные молекулы воды и окружить себя прочной “водяной” оболочкой, запирающей лишние электроны внутри и не дающий им воссоединятся со своими хозяевами.
Такое возможно потому, что молекула воды имеет два полюса: отрицательный и положительный, за один из которых “хватается” ион в зависимости от своего заряда, чтобы притянуть молекулу к себе.
Таким образом, сверхвысокие температуры больше не нужны, плазма может оставаться и “холодной”, не горячее 200-300 градусов. Ион, окруженный водяной оболочкой, называется кластером, поэтому гипотеза профессора Стаханова получила имя кластерной.
Самым важным достоинством кластерной гипотезы стало то, что она продолжает не просто жить в науке, но и обогащаться новым содержанием. Группа исследователей из Института общей физики РАН, в которую входит профессора Сергей Яковленко, недавно получила поразительные новые результаты.
Выяснилось, что сама по себе водяная оболочка не может получиться столь плотной, чтобы помешать ионам рекомбинировать. Но рекомбинация приводит к возрастанию энтропии шаровой молнии, то есть меры ее беспорядка.
Действительно, в плазме положительно и отрицательно заряженные молекулы отличаются друг от друга по особому взаимодействуют, а после рекомбинации они перемешиваются и становятся неразличимыми.
До сих пор считалось, что в предоставленной самой себе системе беспорядок самопроизвольно возрастает то есть в случае шаровой молнии рекомбинация произойдет сама собой если ей как-то не помешать.
Из результатов компьютерного моделирования и теоретических выкладок, проведенных в институте общей физики, следует совершенно иной вывод: беспорядок вносится в систему из вне, например при хаотичных столкновениях молекул на границе шаровой молнии и воздуха, в котором она движется. Пока беспорядок не “накопится”, рекомбинации не будет, даже несмотря на то, что молекулы стремятся к этому. Характер их движения внутри шаровой молнии таков, что при сближении разноименно заряженные молекулы будут пролетать друг мимо друга, не успевая обменятся зарядом.
Итак, согласно кластерной гипотезе шаровая молния представляет собой самостоятельно существующее тело (без непрерывного подвода энергии от внешних источников), состоящих из тяжелых положительных и отрицательных ионов, рекомбинация которых сильно заторможена вследствие гидратации ионов.
В отличие от многих других гипотез, данная выдерживает сравнение с результатами нескольких тысяч известных сейчас наблюдений и удовлетворительно объясняется многие из них.
Заключение:
Число различных гипотез о природе шаровой молнии значительно превосходит сотню, но мы разобрали только несколько. Ни одна из существующих в настоящее время гипотез не является совершенной, каждая имеет множество недостатков.
Поэтому, хотя принципиальные закономерности природы шаровой молнии проняты, данную проблему нельзя считать решенной – осталось множество тайн и загадок, а также нет конкретных способов создания ее в лабораторных условиях.
По данным наблюдений шаровые молнии часто вращаются в воздухе или катятся по предметам. При опускании на рыхлую землю или торф шаровые молнии способны вырыть ямы или разбросать землю.
На быстрое движение частиц в шаровой молнии указывает и то обстоятельство, что в некоторых случаях контакта с ней люди получали ожоги как от электрического тока, а предметы нагревались или оплавлялись.
Согласно предлагаемой нами модели физическая природа шаровой молнии такая же, как и у обычной молнии.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
-
М.Б.Буркнблит Е.Г.Гаоглева. “Электричество в живых организмах”.
-
Энциклопедия для детей “Аванта +” том 2: Биология.
-
Л.Элиот, У.Уилкокс “Физика”.
-
Г.Р.Иваницкий “Мир глазами биофизики”
-
Е.Кнорре “Живое в прожекторах науки”
-
Барии Дж. Шаровая молнияи четочная молния. М.: Мир, 1983 – 288 с.
-
Смирнов Б.М. Проблема шаровой молнии. М.: Наука, 1988 – 208с.
-
Сингер С. Природа шаровой молнии. М.: Мир, 1973 –239 с.
-
Стаханов И.П. О физической природе шаровой молнии. М.: Энергоатомиздат, 1985 – 209 с.
-
Капица П.Л. Свободный плазменный шнур в высокочастотном поле при высоком давлении // ЖЭТФ. 1969. Т.57, вып.6. С. 180 l v 1866.
-
Зверев Е.А., Кринберг И.А. Нагрев токового шнура и образование перетяжек в импульсном вакуумном разряде // Письма в ЖТФ. 1998. Т. 24.№ 18. С. 50 v 56.
-
Брагинский С.И. “ О поведении полностью ионизированной плазмы в магнитном поле // ЖЭТФ.1957.Т.33. Вып. 3. С 654-654.
-
Дмитриев М.Т. “Природа шаровой молнии” – “Природа. 1967.N6. С.98v.106.
-
Федосин С.Г. “Физика и философия подобия от преонов до метагаллактик. Пермь. Стиль-МГ, 1999 г. – 544 с.
Источник: https://works.doklad.ru/view/3f2qBVBtsu0/2.html
Атмосферное электричество. Виды и особенности. Явления
В атмосфере Земли возникают различные акустические, оптические и электрические явления.
Атмосферное электричество это совокупность электрических явлений в атмосфере, а также раздел физики атмосферы, изучающий эти явления.
Однозначной картины того, чем является атмосферное электричество, до настоящего времени нет. Существующие модели объясняют часть явлений, обладая своими плюсами и минусами каждая.
Изучаются существующее в атмосфере электрическое поле, ионизация атмосферы и ее электрическая проводимость, атмосферные электрические токи, объемные заряды, заряды облаков и осадков, грозовые разряды и другое.
К атмосферному электричеству относятся тропосферные и стратосферные процессы.
Тропосфера (нижний слой атмосферы) простирается до высоты 8-18 км, в зависимости от географической широты местности; выше, до высот порядка 50 км, простирается стратосфера, еще выше лежит ионосфера.
История изучения
Атмосферное электричество было доказано одним из отцов-основателей Соединенных Штатов Бенджамином Франклином, соавтором Декларации независимости и Конституции страны, чей портрет украшает 100-долларовую купюру.
Будучи ученым-самоучкой, Франклин интересовался множеством физических проблем, в т.ч. и исследованиями электричества.
Франклин изобрел плоский конденсатор и молниеотвод, что внесло вклад в изучение и объяснение процессов в атмосфере.
К заслугам Франклина следует отнести то, что он в 1752 году показал, что атмосферное электричество, получаемое посредством запуска воздушных змеев, способно заряжать лейденскую банку (цилиндрический конденсатор с металлическими обкладками и стеклянным диэлектриком) не хуже «земного» электричества, добываемого трением. Им же была установлена электрическая природа молнии. Для доказательства того что в воздухе присутствует атмосферное электричество Франклин использовал бумажный змей с проволокой на нем. Эти заслуги были высоко оценены его российским коллегой М.В. Ломоносовым.
В России 18 века заметный вклад в изучение атмосферных электрических явлений был внесен академиками М.В. Ломоносовым и Г.В. Рихманом. В 1745 году Рихман разработал «Электрический указатель», представлявший собой электроскоп с разделенной на градусы шкалой.
Этим указателем Ломоносов с Рихманом воспользовались при создании «громовой машины» — установки для изучения интенсивности атмосферных электрических разрядов.
«Громовая машина», в отличие от «электрического змея» Франклина, непрерывно фиксировала изменения атмосферного электричества, вне зависимости от погоды, и позволила ученым установить, что в атмосфере электричество разлито и в отсутствие грозы.
Также им удалось доказать, что молния является электрическим разрядом в атмосфере. Особо зрелищной явилась пальба при стечении народа из батареи пушек в небо, с целью показать, что «гром не показывает электрической силы», поскольку при этом «электрический указатель ничего не показывал».
В 1753 году Рихман, во время очередного эксперимента, был убит шаровой молнией, вышедшей из «электрического указателя» во время грозы. В том же году Ломоносов выступил с докладом о разработанной им материалистической теории «Атмосферное электричество», соответствующей в принципиальных основах современным представлениям
Ломоносов полагал, что причиной атмосферного электричества является трение пылинок воздуха о капельки воды, все это на фоне восходящих и нисходящих потоков воздуха. Северные сияния также имеют, по мнению Ломоносова, электрическую природу, он проводил опыты по воспроизведению северных сияний на моделях. Также Ломоносов рекомендовал повсеместную установку громоотводов.
Интересен опыт, произведенный в 1868 году американским дантистом Малоном Лумисом. Лумис в присутствии членов Конгресса США устанавливал беспроводную связь между двумя пунктами посредством поднятых над землей на высоту 190 м двух электропроводов, служащими передающей и приемной антенной.
На расстояние 30 км при замыкании передающей антенны ключом на землю передавался сигнал, регистрируемый включенным в цепь приемной антенны гальванометром.
Поскольку в цепь антенны никакие источники электропитания не подключались, придется признать, что без атмосферного электричества и здесь не обошлось.
В дальнейшем Лумис вместо воздушных змеев соорудил высокие металлизированные деревянные мачты. Особого интереса к его опытам современники не проявляли – в это время А.С. Попов еще учился в школе, а Г. Маркони еще не успел родиться. Будущее радиосвязи было связано с мощными источниками электропитания на передающей стороне с преобразованием их энергии в энергию электромагнитных волн.
По завершению 19 века наблюдается уменьшение интереса к изучению гроз и молний. Больше внимания ученые уделяляли изучению электрического поля при хорошей погоде.
Исходя из того, что человечество на Земле живет между обкладками заряженного конденсатора, неоднократно возникала мысль воспользоваться этой бесплатной энергией. Одним из первых такие мысли высказывал ученый сербского происхождения Никола Тесла, и даже проводил практические опыты в этом направлении – построил 47-метровую вышку для получения «атмосферного электричества».
Модели
Самой распространенной моделью, предоставляющей хорошую аналогию атмосферным процессам, и теоретические возможности их рассмотрения, является конденсаторная модель.
В этой модели Земля с окружающей атмосферой представлена огромным сферическим конденсатором, и, как и любой конденсатор, способна сохранять электрическую энергию. Обкладками этого конденсатора служат поверхность земли и ионосфера.
Диэлектриком конденсатора служит воздух, обладающий низкой электропроводимостью. Обкладки этого «конденсатора» разнополярно заряжены – отрицательно поверхность Земли и положительно ионосфера, и между ними формируется электрическое поле.
Однако, в отличие от идеального конденсатора, где поле между обкладками однородное, поле «земного» конденсатора неоднородно, его напряженность максимальна у поверхности земли и уменьшается с высотой.
Неравномерность атмосферного электрического поля объясняется электрическими явлениями в облаках, создающими объемные заряды в слоях атмосферы и обусловливающими большую напряженность электрического поля у поверхности Земли.
Если у земной поверхности напряженность составляет 130 В/м, то уже на километровой высоте она падает до 40 В/м, а на высоте 12 км составляет всего 2,5 В/м. Атмосферное электричество и его конденсаторная модель называется теорией Вильсона, по имени шотландского физика.
По теории Ч. Вильсона, обкладки земного конденсатора заряжаются грозовыми облаками, обладающими зарядом в 10-20 Кл, иногда доходящими до 300 Кл.
Имеется также гипотеза советского ученого Я.И. Френкеля, в которой электрическое поле формируется путем взаимодействия и поляризации поверхности Земли и облаков, ионосфере при этом особая роль в создании электрического поля не отводит
Следствия конденсаторной модели
Из конденсаторной модели вытекает наличие токов утечки, в обычном конденсаторе снижающих его эффективность как хранителя электрического заряда, и в итоге приводящих к разряду конденсатора.
Аналогом токов утечки конденсатора в «земном» конденсаторе являются конвективные токи грозовых и ураганных областей, достигающие десятков тысяч ампер. Но, в отличие от физического конденсатора, разность потенциалов между ионосферой и земной поверхностью не изменяется, т.е.
земной конденсатор не разряжается, а напряженность электрического поля в атмосфере не спадает. Подобное возможно только, если дополнительный генератор будет постоянно подпитывать зарядами обкладки конденсатора. Источником энергии, подпитывающим конденсатор, является магнитное поле земли.
Вращение Земли в потоке исходящего от Солнца излучения приводит к выработке электрического напряжения, создающего разность потенциалов между ионосферой и земной поверхностью.
Из конденсаторной модели вытекают следующие характеристики системы: общий заряд Земли 6·105 Кл, разность потенциалов между обкладками 300 кВ, полное сопротивление атмосферы 230 Ом.
Земной конденсатор постоянно разряжается суммарными токами порядка сотен ампер, и в отсутствие источников постоянного подзаряда конденсатора он бы разрядился полностью примерно за 10 минут.
Природа подзаряда конденсатора окончательно не выяснена, но известно, что в областях с грозовыми облаками текут токи заряда, а в свободных от облаков областях текут токи разряда.
Атмосферные явления
Гроза и молнии
Гроза сопровождается искровыми разрядами – молниями, сопровождающимися световыми вспышками и громом. С точки зрения конденсаторной модели все это – паразитные явления. Для наземных объектов (и летящих самолетов) молнии представляют огромную опасность, вследствие своего электрического, теплового и ударного воздействия.
Атмосферное электричество как молнии бывают не только на земле, но и на других планетах Солнечной системы.
Сила тока линейной земной молнии доходит до полумиллиона ампер при напряжении до миллиарда вольт и типичном значении в десятки миллионов вольт.
Длительность молний достигает нескольких секунд, а длина доходит до сотен километров, при том, что молний короче нескольких сотен метров тоже не бывает.
В верхних слоях атмосферы за последние десятилетия открыты и совершенно особые виды молний – эльфы, спрайты и джеты.
Зарницы
Зарницы – вспышки света на горизонте при удаленной грозе. Вследствие удаленности раскаты грома не слышны, но видны вспышки молний. Иногда зарницы видны при совершенно ясном небе. Появляются они обычно в жаркое время года.
Огни Святого Эльма
Помимо молний (искрового разряда) в атмосфере наблюдается и коронный разряд, называемый огнями Святого Эльма.
Коронный разряд возникает в газе в резко неоднородном электрическом поле вблизи электродов с большой кривизной поверхности (острие, провода).
К появлению огней Святого Эльма ведет повышение напряженности электрического поля в окружающей среде, во время грозы или ее приближении, метели, шторма и пр.
В зонах вблизи острия нейтральные частицы газа ионизируются и возбуждаются в результате соударения с электронами, в результате вокруг электродов возникает «корона» – светящийся ореол. В атмосфере коронный разряд выглядит как наблюдающиеся в темноте светящиеся кисти на острых концах высоких предметов (башен, корабельных мачт).
Шаровые молнии
Шаровая молния – это газовый разряд сферической формы, выглядит как плавающее в воздухе светящееся образование, перемещающееся по непредсказуемой траектории.
Очевидцы свидетельствуют, что шаровая молния появляется в грозовую погоду, иногда наряду с обычными молниями. При этом она выходит из проводника или даже предмета (столба, дерева).
Попытки сфотографировать шаровую молнию или произвести видеосъемку обычно оказывались неудачными ввиду низкого качества отснятого материала.
Шаровая молния – настолько редкое и уникальное природное явление, что до сих пор не существует признанного всеми теоретического обоснования этого феномена, а до 2012 года даже не существовало подтверждения их реальности. Есть и теории, считающие наблюдения шаровой молнии следствием расстройств психики. Получить устойчивую шаровую молнию в лабораторных условиях также еще не удалось.
Похожие темы:
Источник: https://electrosam.ru/glavnaja/jelektrotehnika/atmosfernoe-elektrichestvo/
Электрические явления в природе: молния (стр. 1 из 2)
Муниципальное общеобразовательное учреждение
Гимназия «Лаборатория Салахова»
Творческая работа по физике
на тему: Электрические явления в природе: молния
История
Электрическая природа молнии была раскрыта в исследованиях американского физика Б. Франклина, по идее которого был проведён опыт по извлечению электричества из грозового облака.
Широко известен опыт Франклина по выяснению электрической природы молнии. В 1750 им опубликована работа, в которой описан эксперимент с использованием воздушного змея, запущенного в грозу.
Опыт Франклина был описан в работе Джозефа Пристли.
Физические свойства молнии
Средняя длина молнии 2,5 км, некоторые разряды простираются в атмосфере на расстояние до 20 км.
Формирование молнии
Наиболее часто молния возникает в кучево-дождевых облаках, тогда они называются грозовыми; иногда молния образуется в слоисто-дождевых облаках, а также при вулканических извержениях, торнадо и пылевых бурях.
Обычно наблюдаются линейные молнии, которые относятся к так называемым безэлектродным разрядам, так как они начинаются (и кончаются) в скоплениях заряженных частиц. Это определяет их некоторые до сих пор не объяснённые свойства, отличающие молнии от разрядов между электродами.
Так, молнии не бывают короче нескольких сотен метров; они возникают в электрических полях значительно более слабых, чем поля при межэлектродных разрядах; сбор зарядов, переносимых молнией, происходит за тысячные доли секунды с миллиардов мелких, хорошо изолированных друг от друга частиц, расположенных в объёме несколько км³. Наиболее изучен процесс развития молнии в грозовых облаках, при этом молнии могут проходить в самих облаках — внутриоблачные молнии, а могут ударять в землю — наземные молнии. Для возникновения молнии необходимо, чтобы в относительно малом (но не меньше некоторого критического) объёме облака образовалось электрическое поле с напряжённостью, достаточной для начала электрического разряда (~ 1 МВ/м), а в значительной части облака существовало бы поле со средней напряжённостью, достаточной для поддержания начавшегося разряда (~ 0,1-0,2 МВ/м). В молнии электрическая энергия облака превращается в тепловую и световую.
Наземные молнии
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 более современным представлениям, разряд инициируют высокоэнергетические космические лучи, которые запускают процесс, получивший название пробоя на убегающих электронах. 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.
В заключительной стадии по ионизованному лидером каналу следует обратный (снизу вверх), или главный, разряд молнии, характеризующийся токами от десятков до сотен тысяч ампер, яркостью, заметно превышающей яркость лидера, и большой скоростью продвижения, вначале доходящей до ~ 100 000 километров в секунду, а в конце уменьшающейся до ~ 10 000 километров в секунду.
Температура канала при главном разряде может превышать 25 000 °C. Длина канала молнии может быть от 1 до 10 км, диаметр — несколько сантиметров. После прохождения импульса тока ионизация канала и его свечение ослабевают. В финальной стадии ток молнии может длиться сотые и даже десятые доли секунды, достигая сотен и тысяч ампер.
Такие молнии называют затяжными, они наиболее часто вызывают пожары.
Главный разряд разряжает нередко только часть облака. Заряды, расположенные на больших высотах, могут дать начало новому (стреловидному) лидеру, движущемуся непрерывно со скоростью в тысячи километров в секунду. Яркость его свечения близка к яркости ступенчатого лидера.
Когда стреловидный лидер доходит до поверхности земли, следует второй главный удар, подобный первому. Обычно молния включает несколько повторных разрядов, но их число может доходить и до нескольких десятков. Длительность многократной молнии может превышать 1 сек.
Смещение канала многократной молнии ветром создаёт так называемую ленточную молнию — светящуюся полосу.
Внутриоблачные молнии
Внутриоблачные молнии включают в себя обычно только лидерные стадии; их длина колеблется от 1 до 150 км. Доля внутриоблачных молний растет по мере смещения к экватору, меняясь от 0,5 в умеренных широтах до 0,9 в экваториальной полосе.
Прохождение молнии сопровождается изменениями электрических и магнитных полей и радиоизлучением, так называемыми атмосфериками.
Вероятность поражения молнией наземного объекта растет по мере увеличения его высоты и с увеличением электропроводности почвы на поверхности или на некоторой глубине (на этих факторах основано действие громоотвода).
Если в облаке существует электрическое поле, достаточное для поддержания разряда, но недостаточное для его возникновения, роль инициатора молнии 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.
«В каждую секунду около 50 молний ударяются в поверхность земли, и в среднем каждый ее квадратный километр молния поражает шесть раз за год»[2].
Самые мощные молнии вызывают рождение фульгуритов.[2]
Люди и молния
Молнии — серьезная угроза для жизни людей. Поражение человека или животного молнией часто происходит на открытых пространствах т.к. электрический ток идет по кратчайшему пути “грозовое облако-земля”.
Часто молния попадает в деревья и трансформаторные установки на железной дороге ,вызывая их возгорание. Поражение обычной линейной молнией внутри здания невозможно, однако бытует мнение что так называемая шаровая молния может проникать через щели и открытые окна.
Обычный грозовой разряд опасен для телевизионных и радиоантенн расположенных на крышах высотных зданий, а также для сетевого оборудования.
В организме пострадавших отмечаются такие же патологические изменения, как при поражении электротоком. Жертва теряет сознание, падает, могут отмечаться судороги, часто останавливается дыхание и сердцебиение. На теле обычно можно обнаружить «метки тока», места входа и выхода электричества.
В случае смертельного исхода причиной прекращения основных жизненных функций является внезапная остановка дыхания и сердцебиения, от прямого действия молнии на дыхательный и сосудодвигательный центры продолговатого мозга.
На коже часто остаются так называемые знаки молнии, древовидные светло-розовые или красные полосы, исчезающие при надавливании пальцами (сохраняются в течение 1 — 2 суток после смерти). Они — результат расширения капилляров в зоне контакта молнии с телом.
При поражении молнией первая медицинская помощь должна быть неотложной.
В тяжелых случаях (остановка дыхания и сердцебиения) необходима реанимация, её должен оказать, не ожидая медицинских работников, любой свидетель несчастья.
Реанимация эффективна только в первые минуты после поражения молнией, начатая через 10 — 15 минут она, как правило, уже не эффективна. Экстренная госпитализация необходима во всех случаях.
Жертвы молний
1. В мифологии и литературе:
1. Асклепий, Эскулап — сын Аполлона — бог врачей и врачебного искусства, не только исцелял, но и оживлял мёртвых. Чтобы восстановить нарушенный мировой порядок Зевс поразил его своей молнией[3].
2. Фаэтон — сын бога Солнца Гелиоса — однажды взялся управлять солнечной колесницей своего отца, но не сдержал огнедышащих коней и едва не погубил в страшном пламени Землю. 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 удара молнии.
Интересные факты
· Рой Салливан остался живым после семи ударов молнией.
· Американский майор Саммерфорд умер после продолжительной болезни (результат удара третьей молнией). Четвертая молния полностью разрушила его памятник на кладбище.
· У индейцев Анд удар молнией считается необходимым для достижения высших уровней шаманской инициации[4].
Деревья и молния
Ствол пораженного молнией тополя
Высокие деревья — частая мишень для молний. На реликтовых деревьях-долгожителях легко можно найти множественные шрамы от молний.
Считается, что одиночно стоящее дерево чаще поражается молнией, хотя в некоторых лесных районах шрамы от молний можно увидеть почти на каждом дереве. Сухие деревья от удара молнии загораются.
Чаще удары 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]
Источник: http://MirZnanii.com/a/322622/elektricheskie-yavleniya-v-prirode-molniya
Презентация исследовательской работы по физике по теме “Физические явления природы. Гроза”
Инфоурок › Физика ›Презентации›Презентация исследовательской работы по физике по теме “Физические явления природы. Гроза”
Описание презентации по отдельным слайдам:
1 слайд Описание слайда:
Гроза. Выполнили: Дорошок Светлана, ученица 8 класса Рычкова Наталья, ученица 9 класса МКОУ «СОШ №4» г.Щучье, филиал Чумлякская СОШ Учитель: Коврижникова Е. В. Физические явления в природе : гроза без грома и молнии – это не гроза, а просто дождь…
2 слайд Описание слайда:
Проблема исследования – появления молний и грома во время грозы Гипотеза – закон сохранения энергии действует и во время грозы
3 слайд Описание слайда:
Цели работы Изучить природное явление – грозу. Собрать материал. Сделать презентацию. Представить работу на школьной конференции. Задачи Познакомиться с историей исследования атмосферного электричества. Узнать причины появления молний и грома. Изучить виды молний. Познакомиться с признаками надвигающейся грозы. Разработать правила поведения во время грозы.
Исследования атмосферного электричества проводились во многих странах, но наибольший вклад в создание теории атмосферного электричества внесли российские академики Михаил Васильевич Ломоносов и Георг Рихман, и американский исследователь Бенджамин Франклин. История исследования атмосферного электричества Бенджамин Франклин. Георг Рихман Михаил Васильевич Ломоносов
5 слайд Описание слайда:
Франклин провел знаменитый опыт с воздушным змеем, запуская его при приближении грозовых туч. К верхнему концу вертикальной планки крестовины змея он прикрепил заостренную проволоку.
Как только змей оказывался под грозовой тучей, заостренная проволока начинала извлекать из тучи электрический огонь. Таким образом в 1752 г. было доказано, что грозовые облака действительно сильно заряжены.
Бенджамин Франклин
6 слайд Описание слайда:
Михаил Васильевич Ломоносов Ломоносов разработал теорию образования атмосферного электричества, происхождение которого он связывал с восходящими и нисходящими потоками воздуха.
7 слайд Описание слайда:
Георг Рихман У себя дома Георг Рихман устроил экспериментальную установку по изучению грозовых разрядов – «громовую машину». 26 июля 1753 г.
во время сильной грозы, когда ученый приблизился к электрометру «грозовой машины» на расстояние 30см, неожиданно из толстого железного прута прямо в него ударил бледно-синий огненный шар величиной с кулак.
Это была шаровая молния. Раздался оглушительный взрыв и Рихман упал замертво.
8 слайд Описание слайда:
заряженной земле и скапливаются под облаком, а отрицательные заряды – притягиваются к верхней части облака, заряжая его отрицательно При накоплении достаточного заряда происходит электрический пробой атмосферы – молния..
Земная атмосфера представляет собой исключительно хороший диэлектрик, расположенный между двумя проводниками – поверхностью земли снизу и верхними слоями атмосферы, включая ионосферу, сверху .
Между отрицательно заряженной поверхностью земли и положительно заряженной верхней атмосферой поддерживается постоянная разность потенциалов величиной около 300 000 В. Нижняя часть облака, обращённая к земле, заряжена отрицательно, а верхняя часть – положительно.
Космические лучи сталкиваются с молекулами воздуха ионизируют их (в результате происходит разделение положительных и отрицательных зарядов). Положительные заряды двигаются вниз к отрицательно
9 слайд Описание слайда:
Молния — гигантский электрический искровой разряд в атмосфере, обычно происходит во время грозы, проявляющийся яркой вспышкой света и сопровождающим её громом. Разряды могут происходить между грозовым облаком и землей, между двумя облаками, внутри облака, уходить из облака в чистое небо.
10 слайд Описание слайда:
Форма линейной молнии обычно похожа на разветвленные корни разросшегося в поднебесье дерева. Длина линейной молнии составляет несколько километров.
По виду молнии различаются на линейные, жемчужные и шаровые. Они могут иметь разветвленный рисунок или представлять собой единый столб.
Молнии, наблюдавшиеся во все времена, имели самые разнообразные формы – веревки, жгута, ленты, палки, цилиндра.
11 слайд Описание слайда:
Длина внутриоблачной молнии колеблется от 1 до 150 км. Вероятность поражения молнией наземного объекта растет по мере увеличения его высоты и с увеличением электропроводности почвы. Наземные молнии возникают в местах сильного магнетизма и электропроводности.
12 слайд Описание слайда:
. Жемчужная молния очень редкое и красивое явление. Появляется сразу после линейной молнии и исчезает постепенно. Молния имеет вид светящихся шаров, расположенных на расстоянии 7-12 м друг от друга, напоминая собой жемчуг, нанизанный на нитку. Жемчужная молния может сопровождаться значительными звуковыми эффектами
13 слайд Описание слайда:
Шарова́я мо́лния — редкое природное явление, единой физической теории возникновения и протекания которого к настоящему времени не представлено. Существуют около 200 теорий, объясняющих явление, но ни одна из них не получила абсолютного признания в академической среде.
Обычно возникновение шаровой молнии связано с грозовыми явлениями и естественной линейной молнией, из которой она как бы «выходит». Но имеется множество свидетельств её наблюдения в солнечную погоду.
Иногда она спускается с облаков, в редких случаях — неожиданно появляется в воздухе или, как сообщают очевидцы, может выйти из какого-либо предмета (дерево, столб).
Известны случаи, когда шаровая молния выскакивает ни с того ни с сего из обычной штепсельной розетки, из магнитного пускателя, укрепленного на токарном станке. Также были случаи внезапного появления шаровой молнии на крыле летящего самолета, устойчиво перемещающейся по крылу от его конца к фюзеляжу.
14 слайд Описание слайда:
Чаще всего шаровая молния движется горизонтально, приблизительно в метре над землёй. Имеет возможность «заходить» в помещения, протискиваясь при этом сквозь маленькие отверстия. Часто шаровая молния сопровождается звуковыми эффектами — треском, писком, шумами. Наводит радиопомехи.
Нередки случаи, когда наблюдаемая шаровая молния аккуратно облетает находящиеся на пути предметы, так как, по одной из теорий, она свободно перемещается по поверхностям. Шаровая молния в среднем живёт от 10 секунд до нескольких часов, после чего обычно взрывается. Изредка она медленно гаснет или распадается на отдельные части.
Если в спокойном состоянии от шаровой молнии исходит необычно мало тепла, то во время взрыва высвободившаяся энергия иногда разрушает или оплавляет предметы, испаряет воду.
15 слайд Описание слайда:
Цвет — начиная от белого и жёлтого, заканчивая зелёным. Часто отмечалась пятнистость свечения. Установлено, что шаровая молния может быть не только в виде светящегося, яркого образования.
Есть и невидимые, и черные шаровые молнии. О них упоминается даже в литературе: «Гордо реет буревестник, черной молнии подобный». У Куприна рассказ так и называется «Черная молния».
Свидетели заявляют, она как бы состоит из загадочных нитей, сплетенных в клубок.
16 слайд Описание слайда:
Обычно световые вспышки молнии сопровождаются мощной звуковой волной, которая называется громом. Ток в канале молнии образуется в течение очень короткого промежутка времени. При этом в канале воздух очень быстро и сильно нагревается, а от нагревания расширяется. Расширение протекает так быстро, что оно напоминает взрыв.
Этот взрыв даёт сотрясение воздуха, которое сопровождается сильными звуками. *Закон сохранения энергии – фундаментальный закон природы, заключающийся в том, что энергия замкнутой системы сохраняется во времени.
Другими словами, энергия не может возникнуть из ничего и не может в никуда исчезнуть, она может только переходить из одной формы в другую.
17 слайд Описание слайда:
Раскаты грома возникают из-за того, что молния имеет значительную длину и звук от разных её участков доходит до уха наблюдателя не одновременно, кроме того возникновению раскатов способствует отражение звука от облаков, а также потому, что из-за рефракции звуковая волна распространяется по различным путям и приходит с различными запаздываниями, кроме того сам разряд происходит не мгновенно, а продолжается конечное время (приблизительно четверть секунды)
18 слайд Описание слайда:
Интересные факты “Молния никогда не ударяет в одно место дважды”. К сожалению, это миф. Молнии часто ударяют в одно и то же место по несколько раз. Средний удар молнии длиться четверть секунды. Разряд молнии распространяется со скоростью около 300000 км/с. Средняя длина разряда молнии составляет 3-4 километра.
Температура типичной молнии может превышать 30000 градусов по Цельсию – это примерно в 5 раз больше, чем температура поверхности солнца. Ток в разряде молнии достигает 10—100 тысяч ампер, напряжение достигает сотен миллионов вольт. Тем не менее, погибает после удара молнией лишь 10,2 % пораженных ею людей.
Каждый год, Земля испытывает в среднем 25 миллионов ударов молний или более сотни тысяч гроз. Это больше, чем 100 ударов молний в секунду. В этот момент в мире бушуют около 1800 гроз. Известен факт, что в один момент на земле существует ~550 шаровых молний, но вероятность увидеть шаровую молнию за всю жизнь равна 0.1%.
Ежесекундно на Земле вспыхивает около 700 молний.
19 слайд Описание слайда:
Молнии также были зафиксированы на Венере, Юпитере, Сатурне и Уране.
20 слайд Описание слайда:
Признаки надвигающейся грозы – большая влажность воздуха, парит, душно; – солнце мутное, прячется за облачную пелену; – облака быстро меняются и сливаются в тёмную сплошную массу; – с утра резко усиливаются радиопомехи; – если днём была гроза, но после неё не похолодало – ночью снова можно ожидать грозу; – перед ночными грозами вечерняя заря имеет красноватый оттенок, заходящее солнце тоже красное; – если после грозы вечером значительно понизилась температура – ночной грозы не будет; – росы нет совсем или она держится до полудня – будет гроза; – необыкновенно сильное мерцание звёзд, вечерняя радуга, зарница – к грозе.
Правила поведения во время грозы 1.Если появились признаки приближения грозы, переждите её в помещении. 2.Закройте окна, двери, дымоходы. Выключите телевизор, компьютер, радио, электроприборы, телефон. 3.Держитесь дальше от электропроводки, антенны, окон, дверей. 4.Если гроза застала вас на улице, укройтесь в ближайшем здании. 5.
Если гроза застала вас в парке, лесу, не укрывайтесь вблизи высоких деревьев. 6.Если гроза застала вас в водоёме, немедленно выбирайтесь на берег и отходите подальше от воды. 7.Если вы застигнуты грозой, будучи на велосипеде или мотоцикле, прекратите движение, покиньте их и переждите грозу на расстоянии примерно 30 метров от них. 8.
Если вы едете в машине, оставайтесь в ней. Закройте окна, опустите автомобильную антенну и остановитесь. 9.Во время грозы не бегайте. 10.При встрече с шаровой молнией сохраняйте спокойствие и не двигайтесь. Не приближайтесь к ней, не касайтесь её чем-либо, не убегайте от неё. 11.Нельзя находиться на открытых незащищенных местах.
22 слайд Описание слайда:
вывод Молния — это электрический разряд, возникающий во время грозы от тучи к туче или от тучи к Земле, очень большая электрическая искра. Молния нагревает воздух вокруг себя: воздух резко расширяется, взрывается. Поэтому мы слышим гром.
23 слайд Описание слайда:
Спасибо за внимание!
Курс повышения квалификации
ЕГЭ по физике: методика решения задач
Общая информация
Оставьте свой комментарий
Авторизуйтесь, чтобы задавать вопросы.
Источник: https://infourok.ru/prezentaciya-issledovatelskoy-raboti-po-fizike-po-teme-fizicheskie-yavleniya-prirodi-groza-564565.html
❶ Как появляется молния
По сути, молния – это просто очень мощный электрический разряд. Он подобен тем, какие иногда возникают, если активно расчесать чистые сухие волосы пластмассовой расческой или потереть шерстяной тканью эбонитовую палочку. И в том, и в другом случае накапливается статическое электричество, которое разряжается в виде яркой искры и треска.
Только в случае с грозовым облаком вместо слабого треска раздается удар грома.
Молния возникает при электризации грозовых туч, при которой внутри облака образуется мощное электрическое поле.
Но может возникнуть закономерный вопрос: почему вообще происходит электризация облаков? Ведь в них нет никаких твердых предметов, который могли бы тереться и сталкиваться друг с другом и таким образом создавать электрическое напряжение.
В действительности все не так сложно, как кажется. Грозовая туча – это просто огромное количество пара, верхняя часть которого находится на высоте 6-7 км, а нижняя не превышает 0,5-1 км над землей.
Но на высоте более 3 км от поверхности температура воздуха всегда ниже нуля, поэтому пар внутри тучи превращается в небольшие льдинки. И эти льдинки находятся в постоянном движении из-за воздушных потоков внутри облака.
Чем меньше льдинки, тем они легче, и, попадая в восходящие потоки нагретого воздуха, поднимающегося от поверхности земли, они тоже перемещаются в верхние слои облака.
На своем пути вверх эти маленькие льдинки сталкиваются с более крупными, и каждое такое столкновение вызывает электризацию. При этом мелкие льдинки заряжаются положительно, а крупные – отрицательно.
В результате подобных перемещений в верхней части грозового облака скапливается большое количество положительно заряженных льдинок, а большие, тяжелые и отрицательно заряженные льдинки остаются в нижнем слое.
Иначе говоря, верхний край грозовой тучи оказывается заряженным положительно, а нижний – отрицательно.
И когда крупные противоположно заряженные области оказываются довольно близко друг к другу, между ними возникает светящийся плазменный канал, по которому устремляются заряженные частицы. В результате происходит молниевый разряд, который можно наблюдать виде яркого светового зигзага.
Электрическое поле тучи имеет огромную напряженность и во время молниевого разряда выделяется огромная энергия порядка миллиарда джоулей.
Молниевый разряд может возникнуть внутри самой грозовой тучи, между двумя соседними облаками или между облаком и земной поверхностью.
В последнем случае мощность электрических разрядов между землей и облаками несопоставимо больше, а сила электрической энергии, проходящей через атмосферу, может создавать ток мощностью до 10 000 ампер.
Для сравнения стоит вспомнить, что сила тока в обычной домашней электропроводке не превышает 6 ампер.
Молнии обычно имеют форму зигзага, потому, что летящие к земле заряженные частицы сталкиваются с частицами воздуха и меняют направление своего движения. Также молнии могут быть линейными или разветвленными. Одной из самых редких и малоизученных форм молнии является шаровая молния, которая имеет форму светящегося шара и может двигаться параллельно к поверхности земли.
Источник: https://www.kakprosto.ru/kak-248706-kak-poyavlyaetsya-molniya
Загрузка...
