Молния. Что происходит во время грозы?

Ситуация. Мы все наблюдали захватывающую красоту и мощь грозы. Вспышки молний, сопровождаемые раскатами грома через различные промежутки времени, могут вызывать как восхищение, так и страх. Что такое молния? Как грозовые облака способны создавать впечатляющие электрические разряды, которые мы видим? Что происходит во время грозы?

Анализ. Большинство грозовых облаков создают разделение зарядов внутри себя, что приводит к образованию положительного заряда в верхней части облака и отрицательного заряда в нижней. Высокая турбулентность и конвекция внутри облака способствуют разделению и переносу зарядов: грозовые облака состоят из быстро поднимающихся и опускающихся потоков воздуха и воды, причем восходящие потоки часто соседствуют с нисходящими.

Вспышки молний освещают местность. Что такое молния и как она возникает?

Разделение зарядов внутри грозового облака создает сильные электрические поля как внутри облака, так и между облаком и Землей. Поскольку влажная почва является относительно хорошим проводником электричества, отрицательный заряд в нижней части облака индуцирует положительный заряд на поверхности Земли под облаком.

Электрическое поле, создаваемое этим распределением зарядов (как показано на рисунке), может достигать нескольких тысяч вольт на метр. Поскольку основание облака обычно находится на высоте нескольких сотен метров над поверхностью Земли, разность потенциалов между основанием облака и Землей может легко достигать нескольких миллионов вольт! (Даже в ясную погоду в атмосфере вблизи поверхности Земли существует электрическое поле в несколько сотен вольт на метр. Однако это поле слабее и направлено в противоположную сторону по сравнению с тем, что обычно возникает между облаком и Землей во время грозы.)

Что происходит, когда ударяет молния? Сухой воздух является хорошим изолятором, но влажный воздух проводит электричество несколько лучше. Однако любой материал будет проводить ток, если напряжение на нем достаточно велико. Огромное напряжение между основанием облака и Землей создает начальный поток заряда (называемый лидером) по пути, который предлагает наилучшие проводящие свойства на кратчайшем расстоянии. Этот лидер нагревает воздух и ионизирует (удаляет электроны из) некоторые атомы вдоль этого пути. Поскольку ионизированные атомы заряжены, они усиливают способность воздуха проводить ток вдоль пути, проложенного лидером, и затем происходит гораздо больший поток заряда.

Распределение заряда внутри грозового облака индуцирует положительный заряд на объектах на Земле, находящихся непосредственно под облаком

Последующие разряды или удары происходят по тому же проводящему пути в очень быстрой последовательности, каждый раз увеличивая проводимость вдоль пути. Очень большой разряд или поток заряда происходит между Землей и облаком за очень короткий промежуток времени. Нагрев и ионизация воздуха разрядом создают молнию, которую мы видим. Звуковая волна, которую мы слышим как гром, возникает одновременно, но доходит до нас позже, потому что звук распространяется гораздо медленнее, чем свет.

Высокое дерево или человек, стоящий на вершине безлесного холма, создают благоприятный путь для разряда молнии. Поэтому стоять под одиноким деревом во время грозы опасно. Лучше всего находиться внутри здания или автомобиля, но если вы оказались на открытом воздухе, найдите место, которое не находится рядом с самым высоким проводящим объектом в вашей ближайшей окружности. Выберите низкое (и желательно сухое) место и присядьте.