Что такое гром и откуда он берется. Физика атмосферы: как, почему и откуда появляются молнии. Происхождение грозовых туч

Вот еще недавно чистое, ясное небо затянули облака. Упали первые капли дождя. А в скором времени стихия продемонстрировала земле свою силу. Гром и молния пронзили грозовое небо. Откуда приходят подобные явления? Человечество множество веков видело в них проявление божественной силы. Сегодня мы знаем о возникновении таких явлений.

Происхождение грозовых туч

Облака появляются в небе из конденсата, поднимающегося высоко над землей, и парят в небе. Тучи же более тяжелые и большие. Они приносят с собой все "спецэффекты", присущие непогоде.

Грозовые облака отличаются от обычных наличием заряда электричества. Причем есть тучи с положительным зарядом, а есть с отрицательным.

Чтобы понять, откуда берутся гром и молния, следует подняться выше над землей. В небе, где нет препятствий для вольного полета, дуют ветра сильнее, чем на земле. Именно они провоцируют заряд в облаках.

Происхождение грома и молнии может объяснить всего одна капля воды. Она имеет положительный заряд электричества в центре и отрицательный снаружи. Ветер разбивает ее на части. Одна из них остается с отрицательным зарядом и имеет меньший вес. Более тяжелые положительно заряженные капли образуют такие же тучи.

Дождь и электричество

До того как в грозовом небе появятся гром и молния, ветер разделяет облака на положительно и отрицательно заряженные. Дождь, падающий на землю, уносит часть этого электричества с собой. Между тучей и поверхностью земли образовывается притяжение.

Отрицательный заряд тучи будет притягивать положительный на земле. Это притяжение будет располагаться равномерно на всех поверхностях, находящихся на возвышенности, и проводящих ток.

И вот дождь создает все условия для появления грома и молнии. Чем выше предмет к туче, тем легче молнии пробиться к нему.

Происхождение молнии

Погода подготовила все условия, которые помогут появиться всем ее эффектам. Она создала тучи, откуда берутся гром и молния.

Заряженная отрицательным электричеством крыша притягивает к себе положительный заряд наиболее возвышенного предмета. Его отрицательное электричество уйдет в землю.

Обе эти противоположности стремятся притянуться друг к другу. Чем больше в туче электричества, тем больше его и в самом возвышенном предмете.

Накапливаясь в туче, электричество может прорвать слой воздуха, находящийся между ней и предметом, и появится сверкающая молния, прогремит гром.

Как развивается молния

Когда бушует гроза, молния, гром сопровождают ее беспрестанно. Чаще всего искра происходит из отрицательно заряженной тучи. Она развивается постепенно.

Сначала из тучи по каналу, направленному к земле, течет небольшой поток электронов. В этом месте тучи скапливаются электроны, двигающиеся с большой скоростью. Благодаря этому электроны сталкиваются с атомами воздуха и разбивают их. Получаются отдельные ядра, а также электроны. Последние также устремляются к земле. Пока они движутся по каналу, все первичные и вторичные электроны снова расщепляют стоящие у них на пути атомы воздуха на ядра и электроны.

Весь процесс похож на лавину. Он двигается по нарастающей. Воздух разогревается, его проводимость увеличивается.

Все сильнее электричество из тучи стекается к земле со скоростью 100 км/с. В этот момент молния пробивает себе канал к земле. По этой дороге, проложенной лидером, электричество начинает течь еще быстрее. Происходит разряд, имеющий огромную силу. Достигая своего пика, разряд уменьшается. Канал, разогретый таким мощным током, светится. И в небе становится видно молнию. Протекает такой разряд недолго.

После первого разряда часто следует второй по проложенному каналу.

Как появляется гром

Гром, молния, дождь неразлучны при грозе.

Гром возникает по следующей причине. Ток в канале молнии образуется очень быстро. Воздух при этом очень нагревается. От этого он расширяется.

Это происходит так быстро, что напоминает взрыв. Такой толчок сильно сотрясает воздух. Эти колебания и приводят к появлению громкого звука. Вот откуда берутся молния и гром.

Как только электричество из тучи достигнет земли и исчезнет из канала, он очень быстро охлаждается. Сжатие воздуха также приводит к раскатам грома.

Чем больше молний прошло по каналу (их может быть до 50 штук), тем продолжительнее сотрясения воздуха. Этот звук отражается от предметов и туч, и происходит эхо.

Почему есть интервал между молнией и громом

В грозу за появлением молнии следует гром. Опоздание его от молнии происходит из-за разных скоростей их движения. Звук движется с относительно небольшой скоростью (330 м/с). Это всего в 1,5 раза быстрее движения современного "Боинга". Скорость света гораздо больше скорости звука.

Благодаря такому интервалу можно определить, как далеко от наблюдателя находятся сверкающие молнии и гром.

Например, если между молнией и громом прошло 5 с, это значит, что звук прошел 330 м 5 раз. Путем умножения легко посчитать, что молнии от наблюдателя были на расстоянии 1650 м. Если гроза проходит ближе, чем 3 км от человека, она считается близкой. Если расстояние в соответствии с появлением молнии и грома дальше, то и гроза дальняя.

Молния в цифрах

Гром и молния были изменены учеными, и результаты их исследований представлены общественности.

Было установлено, что разница потенциалов, предшествующих молнии, достигает миллиардов вольт. Сила тока при этом в момент разряда достигает 100 тыс. А.

Температура в канале разогревается до 30 тыс. градусов и превышает температуру на поверхности Солнца. От облаков до земли молния проходит со скоростью 1000 км/с (за 0,002 с).

Внутренний канал, по которому течет ток, не превышает 1 см, хотя видимый достигает 1 м.

В мире непрерывно происходит около 1800 гроз. Вероятность быть убитым молнией составляет 1:2000000 (такая же, как умереть при падении с кровати). Вероятность увидеть шаровую молнию равна 1 к 10000.

Шаровая молния

На пути изучения того, откуда гром и молния происходят в природе, самым загадочным явлением выступает шаровая молния. Эти круглые огненные разряды до конца еще не изучены.

Чаще всего форма такой молнии напоминает грушу или арбуз. Она существует до нескольких минут. Появляется в конце грозы в виде красных сгустков от 10 до 20 см в поперечнике. Наибольшая шаровая молния, сфотографированная однажды, была около 10 м в диаметре. Она издает жужжащий, шипящий звук.

Исчезнуть может тихо или с небольшим треском, оставляя запах гари и дымок.

Движение молнии не зависит от ветра. Их тянет в закрытые помещения через окна, двери и даже щели. Если соприкасаются с человеком, оставляют сильные ожоги и могут привести к летальному исходу.

До сих пор причины появления шаровой молнии были неизвестны. Однако это не является свидетельством ее мистического происхождения. В этой области ведутся исследования, которые смогут объяснить сущность такого явления.

Ознакомившись с такими явлениями, как гром и молния, можно понять механизм их возникновения. Это последовательный и довольно сложный физико-химический процесс. Он представляет собой одно из самых интересных явлений природы, которое встречается повсеместно и потому затрагивает практически каждого человека на планете. Ученые разгадали загадки практически всех видов молний и даже измеряли их. Шаровая молния на сегодняшний день выступает единственной нераскрытой тайной природы в области образования подобных явлений природы.

Грозы и молнии с древности внушали ужас человечеству. И это обоснованно – в наше время эти приводят к трагедиям, уносящим человеческие жизни. Опускающаяся темнота, завывающий ветер, вспышки молний в небе и грохот заставляли древних людей видеть здесь деяния своих богов. Позднее люди начали изучать эти явления и находить им обоснования. Чтобы разобраться, чем отличается гроза от молнии, нужно рассмотреть характеристики каждого явления.

Грозой называют явление в атмосфере, когда в облаках или под ними образуются электрические разряды. Грозу сопровождают шквальный ветер, ливни, гром, а также вспышки молний.

География гроз простирается от экватора до арктических регионов. Антарктида – единственный континент, не подверженный этому явлению. Наиболее подвержены грозам тропики, там это атмосферное явление может случаться ежедневно. По данным климатологов, каждый день на планете идет около 2 000 гроз.

В тропиках грозы связаны с сезонами муссонов. В умеренных широтах время гроз – весна и лето, хотя бывают случаи атмосферных штормов перед зимними холодами.

Города, где чаще всего случаются грозы:

В США от гроз сильнее страдают Средний Запад и Калифорния, а на западном побережье они - редкость. В России самый подверженный атмосферному шторму город – Сочи. На него в год приходится, в среднем, 50 грозовых дней. За ним следуют Барнаул (32 дня) и Ростов-на-Дону (31 день).

Для холодных регионов планеты свойственно явление «снежной грозы». Во время нее дождь заменяют ливневый снег, ледяная крупа и дождь изо льда. На побережье Североамериканского континента в год регистрируется около 6 случаев этого атмосферного явления. В России за последние 25 лет снежная гроза была трижды зарегистрирована в Москве и четырежды в Мурманске. В январе этого года необычный зимний шторм обрушился на Сочи, а в феврале гроза предшествовала сильной пурге в Нижневартовске.

Молнией называют электрический разряд, который сопровождается сильной вспышкой света. Явление можно наблюдать во время грозы. Появление молнии часто сопровождается громом – звуковой волной, которая происходит от повышения давления на пути электрического разряда.

Молнии бывают внутриоблачные и наземные. Последние представляют угрозу для людей. Молния движется к поверхности ступенями, каждая из которых – несколько метров, со скоростью до 50 тысяч километров в секунду. Предметы, выступающие над землей, выбрасывают ответный стример, который позволяет остановить разрушительную мощь заряда. Именно так работают молниеотводы.

По данным американского исследования потерь от ударов молний в 1959-1994 годах, мужчины намного чаще становились жертвами этого атмосферного явления:

• 84% смертельных случаев пришлись на мужчин;
• 82% случаев с травмами пришлись на мужчин.

Как отметили в прессе, либо тестостерон притягивает молнии, либо мужчины в четыре раза чаще размахивают в воздухе металлическими предметами.

То же исследование отметило, что общее число смертей от поражения молниями за вторую половину XX века уменьшилось. Это связывают почти в равной мере с двумя факторами:

• Ставшая более совершенной система прогноза погоды.
• Развитие медицины и средств сообщения.

За период 1959-1994 годов в США от ударов молний погибло 3 239 человек, а 9 818 - получили травмы. Авторы исследования отметили, что, в среднем, один из пяти погибших скончался на месте. Часть остальных смертей связана с тем, что врачи не знали, как лечить человека, пережившего удар молнией.

Главное отличие состоит в том, что гроза возникает как сочетание ряда атмосферных факторов. Это отличается длительностью во времени. Молния – кратковременная вспышка, которая, в сущности, является одним из компонентов грозы.

Молния может образовываться вне грозового фронта. Наэлектризованность воздуха, которая приводит к появлению вспышки, может возникнуть во время извержения вулкана, торнадо или пылевой бури.

Чтобы дополнить наше представление о том, чем отличается гроза от молнии, стоит добавить, что явление грозы более опасное. Среди ее инструментов, кроме вспышек молний, могут быть шквалистый ветер и град, которые повреждают электрические линии.

Молния - это мощный электрический разряд. Он возникает при сильной электризации туч или земли. Поэтому разряды молнии могут происходить или внутри облака, или между соседними наэлектризованными облаками, или между наэлектризованным облаком и землей. Разряду молнии предшествует возникновение разности электрических потенциалов между соседними облаками или между облаком и землей.

Электризация, то есть образование сил притяжения электрической природы, всем хорошо знакома из повседневного опыта.

Что вызывает электризацию облаков? Ведь они не трутся друг о друга, как это происходит при образовании электростатического заряда на волосах и на расческе.

Грозовое облако - это огромное количество пара, часть которого сконденсирована в виде мельчайших капелек или льдинок. Верх грозового облака может находиться на высоте 6-7 км, а низ нависать над землей на высоте 0,5-1 км. Выше 3-4 км облака состоят из льдинок разного размера, так как температура там всегда ниже нуля. Эти льдинки находятся в постоянном движении, вызванном восходящими потоками теплого воздуха от нагретой поверхности земли. Мелкие льдинки легче, чем крупные, увлекаются восходящими потоками воздуха. Поэтому "шустрые" мелкие льдинки, двигаясь в верхнюю часть облака, все время сталкиваются с крупными. Каждое такое столкновение приводит к электризации. При этом крупные льдинки заряжаются отрицательно, а мелкие - положительно. Со временем положительно заряженные мелкие льдинки оказываются в верхней части облака, а отрицательно заряженные крупные - внизу. Другими словами, верх грозовой тучи заряжен положительно, а низ - отрицательно.

Электрическое поле тучи имеет огромную напряженность - около миллиона В/м. Когда большие противоположно заряженные области подходят достаточно близко друг к другу, некоторые электроны и ионы, пробегая между ними, создают светящийся плазменный канал, по которому за ними устремляются остальные заряженные частицы. Так происходит молниевый разряд.

Во время этого разряда выделяется огромная энергия - до миллиарда Дж. Температура канала достигает 10 000 К, что и рождает яркий свет, который мы наблюдаем при разряде молнии. Облака постоянно разряжаются по этим каналам, и мы видим внешние проявления данных атмосферных явлений в виде молний.

Раскаленная среда взрывообразно расширяется и вызывает ударную волну, воспринимаемую как гром.

Мы и сами можем смоделировать молнию, пусть миниатюрную. Опыт следует производить в темном помещении, иначе ничего не будет видно. Нам потребуется два продолговатых воздушных шарика. Надуем их и завяжем. Затем, следя, чтобы они не соприкасались, одновременно натрем их шерстяной тряпочкой. Воздух, наполняющий их, электризуется. Если шарики сблизить, оставив между ними минимальный зазор, то от одного к другому через тонкий слой воздуха начнут проскакивать искры, создавая световые вспышки. Одновременно мы услышим слабое потрескивание - миниатюрную копию грома при грозе.

Каждый, кто видел молнию, заметил, что это не ярко светящаяся прямая, а ломаная линия. Поэтому процесс образования проводящего канала для разряда молнии называют ее "ступенчатым лидером". Каждая из таких "ступенек" - это место, где разогнавшиеся до околосветовых скоростей электроны остановились из-за столкновений с молекулами воздуха и изменили направление движения.

Таким образом, молния - это пробой конденсатора, у которого диэлектриком является воздух, а обкладками - облака и земля. Емкость такого конденсатора невелика - примерно 0,15 мкФ, но запас энергии огромен, так как напряжение достигает миллиарда вольт.

Одна молния состоит обычно из нескольких разрядов, каждый из которых длится всего несколько десятков миллионных долей секунды.

Наиболее часто молния возникает в кучево-дождевых облаках. Молния бывает также при вулканических извержениях, торнадо и пылевых бурях.

Существует несколько видов молний по форме и по направлению разряда. Разряды могут происходить:

• между грозовым облаком и землей,
• между двумя облаками,
• внутри облака,
• уходить из облака в чистое небо.

Гром – звук в атмосфере, сопровождающийся разрядом молнии.

Молния – это гигантский разряд в атмосфере, появляющихся обычно яркой вспышкой света и сопровождающийся громом.

Гроза – это атмосферное явление, при котором между магнитными кучево-дождевыми облаками и землей возникают сильные электрические разряды – молнии .

В каплях и ледяных кристаллах, которые быстро перемещаются вверх и вниз в кучево-дождевых облаках, накапливаются положительные и отрицательные электрические заряды. В конце концов, между разнозарядными участками облака или между облаком и землей (водой) проскакивает гигантская искра молния, сопровождаемая громом. Сила этой «природной электростанции» колоссальна. Энергии, вырабатываемой на этих электростанциях мира в течении нескольких месяцев недостаточно для одной единственной молнии.

Такие разряды достигают напряжения в миллионы вольт, а общая мощность «грозовой машины» Земли составляет 2 млн. киловатт (при одной грозе расходуется столько энергии, что ее было бы достаточно для обеспечения потребностей небольшого города в электроэнергии в течение года). Скорость разряда достигает 100 тыс. км/сек, а сила тока 180 тыс. ампер. Температура в канале молнии – из-за протекающего там огромного тока – в 6 раз выше, чем на поверхности солнца, поэтому почти каждый предмет, пронизанный молнией сгорает. Ширина разрядного канала молнии достигает 70 см. Из-за быстрого расширения воздуха, перегревающегося в канале слышны раскаты грома.

Грозы

Практика грозозащиты показывает, что громоотводы не дают стопроцентной гарантии безопасности. Из 10 ударов два-три обминают систему грозозащиты.

Вспомните трагедию на футбольном поле в Першетравинске (Днепр. области) в 2002 году рядом со стадионом проходит высоковольтная линия, которая защищена от грозовых разрядов по всем правилам и требованиям науки. Тем не менее, молния поразило насмерть несколько и громов прямо на поле.

Согласно статистике в мире ежегодно случается 40 тыс. гроз. Ежесекундно сверкает 117 молний. Продолжительность их в пределах часа.

Грозы часто идут против ветра. Расстояние до приближающейся грозы можно определить, посчитав секунды, разделяющие вспышку молнии и звук первого раската грома. Секундная (1 секунда) пауза означает, что гроза на расстоянии – 300-400 м. Двухсекундная (2 секунды) – 600-800 м. Трехсекундная (3 секунды) – 1 км. Четырехсекундная (4 секунды) – 1,3 км и т.д.

Сняв показания несколько раз в течении 50 минут, можно подсчитать примерную скорость распространения грозы.

Молнии могут – нарушить радиосвязь, вывести из строя навигационное оборудование или даже полностью уничтожить самолет; вызвать пожары; наносить поражение людям, животным. Примечательно, что уже в древности люди пытались защититься от молнии. Древние люди окружили Иерусалимский храм высокими мачтами, обитыми медью (за тысячелетнюю историю он не разу не был поврежден молнией, хотя располагался в одном из самых грозоопастных районов планеты). Грозы приводят к наиболее опасным проявлением стихии – пожарам.