Молнии. Молниезащита

Молнии

Такое красивое и небезопасное явление природы, как молния, представляет собой искровой разряд в атмосфере.

Уже в середине XVIII века обратили внимание на внешнее сходство молнии с электрической искрой. Высказывалось предположение, что грозовые облака несут в себе большие электрические заряды и что молния — это гигантская искра, ничем, кроме размеров, не отличающаяся от искры между шарами электрической машины. На это указывал, например, русский физик и химик Михаил Васильевич Ломоносов (1711–1765), наряду с другими научными вопросами занимавшийся атмосферным электричеством.

Это было доказано опытным путем в 1752–1753 гг. Ломоносовым и американским ученым Бенджамином Франклином (1706–1790), 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, снабженного 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 змея, и при этом большие заряды пройдут через тело экспериментатора в землю. В истории физики были такие печальные случаи. Так погиб в 1753 году 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. Длина его составляет несколько километров при напряжении несколько сотен миллионов вольт и длительности в 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 сосредоточивается 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 измеряется метрами, а обратного разряда — несколькими сантиметрами. Свечение идет от центральной части канала. Человеческий глаз не способен отследить столь быстрое движение, поэтому 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 км, хотя те же звуки орудийных выстрелов и взрывов 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 расстояния по поверхности Земли, но 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 этой 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 сильном 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, может послужить также ядерный взрыв, извержение вулкана или землетрясение. При взрыве водородной бомбы молнии могут возникать в результате разделения зарядов от гамма-излучения, а лидеры образуются вблизи металлических сооружений. Подобные лидеры молний, идущие снизу вверх, иногда наблюдаются над крышами небоскребов и остроконечными пиками гор. При вулканическом извержении раскаленная лава иногда сползает в море и поднимает вверх облака положительно заряженного пара, электроны по каналу разряда 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 ударов молнии, стал небезызвестный гражданин США Бенджамин Франклин — универсальный гений своей эпохи.

Результатом семилетнего увлечения Франклина электричеством стало изобретение громоотвода. В 1750 г. 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 во время прохождения 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».