Это было доказано на опыте 1752-53 г.г. Ломоносовым и американским ученым Бенджамином Франклином (1706-90), работавшими одновременно и независимо друг от друга.
Ломоносов построил «громовую машину» - конденсатор, находившийся в его лаборатории и заряжавшийся атмосферным электричеством посредством провода, конец которого был выведен из помещения и поднят на высоком шесте. Во время грозы из конденсатора можно было рукой извлекать искры.
Франклин во время грозы пустил на бечевке змея, который был снабжен железным острием; к концу бечевки был привязан дверной ключ. Когда бечевка намокла и сделалась проводником электрического тока, Франклин смог извлечь из ключа электрические искры, зарядить лейденские банки и проделать другие опыты, производимые с электрической машиной (Следует отметить, что такие опыты чрезвычайно опасны, так как молния может ударить в змей, и при этом большие заряды пройдут через тело экспериментатора в Землю. В истории физики были такие печальные случаи. Так погиб в 1753 г. в Петербурге Г.В. Рихман, работавший вместе с Ломоносовым).
Обычная линейная молния
представляет собой гигантский электрический искровой разряд между слоями
атмосферы или между облаками и земной поверхностью длиной несколько километров
при напряжении несколько сотен миллионов вольт и длительностью десятые доли
секунды. Форма молнии обычно похожа на разветвленные корни разросшегося в
поднебесье дерева. Тому есть свои причины.
Проводимость верхних слоев атмосферы достаточно велика, чтобы атмосферу
можно было считать сферическим проводником. Существующее между отрицательно
заряженной поверхностью Земли и положительно заряженной верхней атмосферой
электрическое поле могло бы разрядиться менее чем за 5 минут из-за непрерывной
ионизации молекул воздуха под действием космического излучения и естественной
радиоактивности Земли. Однако этого не происходит, поскольку в результате
грозовой активности поддерживается постоянный приток электронов к Земле.
Разность потенциалов между нашим носом и ступнями могла бы достигать 200 В,
если бы не высокая проводимость человеческого тела.
При разряде молнии заряды в облаке распределяются следующим образом: в
основании облака сосредотачивается относительно небольшой запас положительных
зарядов, в середине – большой отрицательный, наверху – огромный положительный.
Вначале возникает разряд между основанием облака и его отрицательно заряженной
серединой, при котором электроны переходят в основание облака. Предельное
напряжение пробоя, вызывающее образование ионизованного канала, составляет
примерно 3 млн В/м. Далее разряд продвигается вниз в виде ступенчатого лидера,
прыгающего скачками по 50 м с паузами по 50 мкс, и с каждым скачком
отрицательный заряд перемещается из облака в нижнюю часть проделанного лидером
канала. Светится лишь нижняя часть лидера, но из-за быстрого движения нам виден
полностью светящийся канал. Лидер скачет по ломаной линии, отклоняясь под
действием разбросанных в воздухе положительно заряженных островков. Если
неоднородность велика, лидер может изменить направление с вертикального на
горизонтальное.
Вблизи заостренных предметов на поверхности Земли электрическое поле
достигает таких значений, что навстречу лидеру устремляется положительный
заряд, а в месте встречи возникает яркая вспышка, продолжающаяся до полной
нейтрализации электричества. Ярко светящаяся область устремляется вверх по
каналу лидера и достигает облака. Если движение вниз совершается примерно за 20
мс, то обратное движение происходит всего за 0,1 мс. Диаметр разряда-лидера
оценивается метрами, а обратного разряда – несколько сантиметров. Свечение происходит
от центральной части канала. Из-за неспособности человеческого глаза следить за
столь быстрыми движениями, светящимся кажется весь ствол с ответвлениями.
При вспышке молнии возникают импульсы электромагнитного излучения в широком
диапазоне – от сверхнизких частот до 30 кГц и выше. Наибольшее излучение
радиоволн находится в диапазоне от 5 до 10 кГц. Такие низкочастотные
радиопомехи сосредоточены в пространстве между нижней границей ионосферы и
земной поверхностью и способны распространяться на расстояния в тысячи
километров от источника.
Электрический разряд молнии вызывает резкое расширение воздуха, в
результате чего создается цилиндрическая ударная волна и образуется гром. Рядом
с ударившей молнией можно расслышать шипение, производимое коронным разрядом, и
следующий за ним щелчок – звук движущегося вверх сверхзвукового лидера.
Сопровождающий молнию гром редко распространяется на расстояние более 25
километров, хотя те же орудийные выстрелы и взрывы снарядов разносятся
значительно дальше. Дело в том, что скорость звука в теплом воздухе выше, чем в
холодном. Поскольку с увеличением высоты температура уменьшается, верхняя часть
звуковой волны, распространявшейся вначале горизонтально, движется медленнее,
чем нижняя ее часть. Вследствие этого траектория волны загибается вверх. В
холодный же день звук может отклоняться не вверх, а вниз, распространяясь на
большие расстояние по поверхности земли (увы, в морозные дни молнии не
сверкают). Кроме того, достигая относительно более теплых слоев стратосферы,
траектория волны может искривиться таким образом, что снова устремляется вниз,
поглощаясь и рассеиваясь рельефом местности. Между областью, которой достигает
прямая звуковая волна, и отраженной от стратосферы областью находится
"мертвая зона", в которой звук источника не слышен. За пределами
мертвой зоны, вне видимости грозы, отраженный звук может появиться снова,
предупреждая о нашествии стихии.
Иногда во время
грозы можно наблюдать разряд молнии, обрывающийся на полпути к земле, что
означает промежуточную нейтрализацию лидера положительным зарядом объемного
воздушного скопления. Еще реже возникает картинка из нескольких параллельных
разрядов, производящих впечатление свисающей с облака ленты – так называемая
ленточная молния. "Лента" образуется при сильном ветре, перемещающем
канал молнии с серией следующих друг за другом разрядов. Интересна по структуре
и напоминает нанизанные на нитку бусинки четочная молния. Эффект четок
возникает при сильно дожде, когда разряд частично заслонен каплями воды и дождевыми
струями. В последнем случае участки канала молнии, совпадающие с направлением
зрения наблюдателя, заметны несколько дольше остальных, поскольку видны с торца
и дают больше света.
Причиной возникновения молнии, помимо распространенных природных явлений,
могут послужить также ядерный взрыв, извержение вулкана и землетрясение. При
взрыве водородной бомбы молнии могут возникать в результате разделения зарядов
от гамма-излучения, а лидеры возникают вблизи металлических сооружений.
Подобные лидеры молний, идущие снизу вверх, иногда наблюдаются над крышами
небоскребов и остроконечными пиками гор. При вулканическом извержении
раскаленная лава сползает в море и поднимает вверх облака положительно
заряженного пара, электроны по каналу разряда затем движутся вверх. Что
касается провоцирования гроз землетрясениями, ученые выдвигают гипотезу о
пьезоэлектрическом эффекте в скальных глубинах, где распространяется
сейсмическая волна. На подобном электрическом эффекте основано воспроизведение
музыки с грампластинки.
Молниезащита. До изобретения электричества и громоотвода люди боролись с
разрушительными последствиями ударов молний заклинаниями. В Европе действенным
средством борьбы считался непрерывный колокольный звон во время грозы. Согласно
статистике, итогом 30-летней борьбы с молниями в Германии стало разрушение 400
колоколен и гибель 150 звонарей.
Первым человеком, придумавшим эффективный способ нейтрализации молниевых
ударов, стал небезызвестный гражданин США Бенджамин Франклин – универсальный
гений своей эпохи (1706-1790).
Результатом семилетнего увлечения Франклина электричеством стало
изобретение громоотвода. В 1750 Франклин предложил Лондонскому королевскому
обществу поставить опыт с железной штангой, укрепленной на изолирующем
основании и установленной на высокой башне. Он предполагал, что при приближении
грозового облака к башне на верхнем конце первоначально нейтральной штанги
сосредоточится заряд противоположного знака, а на нижнем – заряд того же знака,
что у основания облака. Если напряженность электрического поля при разряде
молнии возрастет достаточно сильно, заряд с верхнего конца штанги частично
перетечет в воздух, а штанга приобретет заряд того же знака, что и основание
облака.
Предложенный Франклином эксперимент был осуществлен не в Англии, а под
Парижем (в местечке Марли) в 1752 году французским физиком Жаном д'Аламбером.
Француз использовал вставленную в стеклянную банку, служившую изолятором,
железную штангу длиной 12 м, но не водрузил ее на башню. В мае 1752 года ассистент
ученого сообщил, что при прохождении грозового облака над штангой, при
поднесении к ней заземленной проволоки возникали искры. В последующие годы
Великой французской революции Робеспьер и Марат пытались каждый по-своему
бороться с идеей громоотводов, за что даже «немножко порезали друг друга». В то
время громоотводы ломали из благочестивых соображений, руководствуясь
божественным происхождением человека и верой в "кару Божью".
Действие
громоотвода не так просто, как может показаться на первый взгляд.
Предполагается, что громоотвод притягивает приблизившегося к нему ступенчатого
лидера, образуя защитный конус с углом 900 ниже верхушки громоотвода.
Устройство простейшего громоотвода включает три основных элемента:
молниеприемник, токоотвод и заземлитель. Часто молниеотвод имеет форму
металлического штыря, троса или сетки., Устанавливать громоотвод необходимо на
высоту с учетом 900 конуса защиты окружающего пространства. Поскольку при
молниевых разрядах в высоковольтных линиях электропередач могут возникать
кратковременные импульсы в десятки киловольт, в электросеть добавляют
электронные средства защиты.
Тем временем изобретатели продолжают искать новые способы спасения от
попадания молний зданий и сооружений. Недавно ведущий инженер Московского института
теплотехники Борис Игнатов запатентовал "универсальный молниеотвод"
для защиты от линейных и шаровых молний. По теории Игнатова, поскольку ядро
шаровой молнии является мощным магнитным диполем, при установке в зоне обычного
громоотвода постоянного магнита, шаровая молния должна обязательно притянуться
к этому магниту. Важно обеспечить надежный сток электрического заряда на землю.
Принципиально новый способ борьбы с молниями предлагает калифорнийская
компания BoltBlocker. По замыслу, громоотвод будет состоять из бьющей ввысь во
время грозы водяной струи, диметр которой составит 1 см, а максимальная высота
до 300 м. Подобными громоотводами компания планирует оснастить спортивные и
детские площадки наиболее "молниеопасных" районов США.
Если же молния застала человека на открытом пространстве, то не стоит паниковать и попытаться найти реальное убежище. Таким убежищем может послужить лес. Не рекомендуется прятаться возле одиноких деревьев, поскольку возможно короткое замыкание между деревом и человеком (сопротивление человека около 500 Ом – меньше, чем у дерева). Нельзя во время грозы плавать в воде, поскольку вода является хорошим проводником электричества. Признаком того, что вы находитесь в электрическом поле, могут послужить вставшие дыбом волосы, которые начнут издавать легкое потрескивание. Но это только сухие волосы. Если поблизости нет убежища, для уменьшения опасности во время грозы лучше сесть на корточки в наиболее низком месте и переждать ненастье. Если гроза успешно миновала, можно продолжить занятие своим делом. Если же молния вас задела, но вы еще в состоянии думать, следует как можно скорее обратиться к врачу. Медики полагают, что человек, выживший после удара молнии (а таких людей немало), даже не получив сильных ожогов головы и тела, впоследствии может получить осложнения в виде отклонений в сердечно-сосудистой и невралгической деятельности от нормы. Впрочем, может и обойтись.
Страницы: 1, 2
