Молния, транспорт и мы

Человек современности «передвигается» из пункта А в пункт Б пешком скорее в исключительных случаях. В своих путешествиях по городам, штатам и континентам он обычно пользуется автомобилями, поездами, кораблями и самолетами, что делает его поездки по работе, по делам, на развлечения, за покупками, к родственникам и т. д. более приятными, но, прежде всего, более быстрыми.

Что такое молния и с какими рисками сталкиваются пассажиры, когда в пути их поражает гроза, а в их машину, поезд, корабль или самолет попадает молния? Эта статья призвана ответить на эти вопросы.

Бури и молнии

Каждый час на нашей планете происходит две тысячи гроз, и в Землю ударяет около миллиона молний. Результатом является огромный материальный ущерб и человеческие жертвы.

В то же время вероятность быть пораженным молнией составляет всего около 1: 3 000 000. Даже при этом каждый день на Земле после удара молнии умирает в среднем десять человек.

С точки зрения физики молния — это электростатический разряд, возникающий во время грозы и сопровождающийся излучением света. При воспламенении электрической дуги молнии в атмосфере разряд молнии движется к Земле со скоростью примерно 100 000 м·с– 1 (360 000 км·ч– 1 ), что примерно в 3 000 раз меньше скорости распространения света в вакууме (около 300 000 000 м·с^–1).

Средняя энергия одной молнии составляет 250 кВт·ч при продолжительности примерно 0,25 с.При отрицательной молнии средняя величина электрического тока составляет около 30 кА, а при положительной молнии может достигать до 300 кА. Напряжение зависит от длины вспышки и достигает до 100 МВ для отрицательной вспышки и до 1 ГВ для положительной вспышки.

Температура непосредственно вокруг канала молнии колеблется от 10 000 до 30 000°С. Электричество, проходящее по каналам разряда, быстро нагревает окружающий воздух, который в результате быстрого расширения создает характерный ревущий звук — гром.

Место удара молнии непредсказуемо, оно зависит от траектории движения авангарда и местной электростатической ситуации. Нисходящий удар начинается с приближения к острию довоенного и усиления электрического поля. Восходящие предразряды развиваются в самых высоких точках или в точках с наименьшим сопротивлением.

Обычно молнии предшествует сильная электрическая поляризация положительно и отрицательно заряженных частиц в облаке или в воздухе. Падающие капли электрически поляризуются при прохождении через естественное электрическое поле атмосферы, частицы льда заряжаются электростатически.

Положительно заряженные кристаллы имеют тенденцию подниматься вверх и создавать положительный заряд в верхней части облака, а отрицательно заряженные кристаллы и град падают в средние и нижние слои облака, создавая отрицательно заряженную область.

Когда таким образом накапливается достаточное количество положительных и отрицательных зарядов и создается достаточно сильное электрическое поле, возникает электрический удар, уравновешивающий разность потенциалов (напряжение) между облаками или между облаком и Землей.

Молнии также могут возникать в облаках пепла при извержениях вулканов (длиной до 100 м), во время песчаных бурь (длиной до 1 м) или могут быть вызваны сильными лесными пожарами, которые вызывают образование достаточного количества пыли для создания статического заряда.

Однако молнии могут возникать и при землетрясении (электрическое поле создается сейсмическим напряжением), при взрывах термоядерного оружия (ядерные молнии бьют длиной до 1 км).

Есть на нашей планете и один совершенно уникальное место - Кататумба в Венесуэле. Молнии выпрыгивают из огромной массы грозовых туч здесь и их разряды вспыхивают почти 200 ночей в году, 10 часов в сутки и 280 раз в час. Явление вечного шторма стало здесь настолько известным, что молния изображена не только на флаге и гербе государства Венесуэла, но и упоминается в гимне страны. Это также, вероятно, самая странная туристическая достопримечательность в мире.

Все молнии Кататумба, иногда длиной до 5 км, происходят в одиночную грозу, которая почти никогда не прекращается. Если 100 молний в секунду бьют в землю по всему миру, то одна из них точно из Кататумбо.

Условия для вечной бури в этом районе максимально благоприятны как в геологическом, так и в метеорологическом отношении. Помимо наличия урана в горных породах и особого недра с нефтяными месторождениями здесь массовый приток столкновений горячего и холодного воздуха, что создает идеальные условия для этого впечатляющего «театра молний».

Различные проявления молнии

Электродинамические эффекты при молнии

Из основ электротехники известно, что электрический заряд сосредоточен только на поверхности проводника, а не во всем его объеме. Таким образом, внутри идеального проводника нет электрического поля. Именно этот принцип использует клетка Фарадея. Внутри не действует электростатическое поле, а заряд действует во все стороны и на все расстояния снаружи.

Толщина проволоки и размер ячейки играют важную роль в клетке Фарадея. Если толщина проводника достаточна, а размеры отверстий значительно меньше длины волны электромагнитного излучения, то клетка также может значительно экранировать электромагнитное поле.

В настоящее время принцип клетки Фарадея используется во многих вариантах для экранирования как статических, так и электромагнитных волн. Его можно найти, например, в микроволновой печи, в старых мобильных телефонах или в научных лабораториях.

Эффект клетки Фарадея также защищает пассажиров автомобилей, поездов, кораблей или самолетов от воздействия молнии. Особая одежда с клеткой Фарадея делит молнию на световые секции, напоминающие шарики на четках. Каждый шар взрывается сам по себе, что сопровождается экстремальными акустическими эффектами.

Это открытие, которому почти 200 лет, названо в честь его первооткрывателя - выдающегося английского физика Майкла Фарадея (1791–1867).

Он возникает во время сильных гроз и бурь, и типичным его проявлением является пылающее свечение, напоминающее языки пламени и слабые трещины.

Когда мы наблюдаем за ударом молнии с безопасного расстояния, мы субъективно воспринимаем его световые и звуковые эффекты. Однако с объективной (физической) точки зрения существуют и другие сопутствующие проявления молнии.

Тепловые эффекты

Эти проявления связаны с прохождением тока молнии по электрическим проводникам. Большую роль играют сечение, электрическое сопротивление проводников системы молниезащиты и пиковое значение тока молнии.

Механические эффекты

Эти проявления зависят от пикового значения и продолжительности тока молнии, а также от гибкости механической конструкции воздействия.

Комбинированные эффекты

Тепловые и механические проявления тока молнии возникают в подавляющем большинстве случаев одновременно с попаданием удара молнии в конструкцию системы молниезащиты. В исключительных случаях может произойти взрывное расплавление элементов конструкции системы молниезащиты, что может привести к значительным разрушениям ближайшего окружения.

Искры

Это проявление грозового разряда - тепловое искрение и искрение напряжения - очень опасно, особенно при наличии горючих и взрывоопасных паров. Тепловое искрообразование, связанное с определенной энергией, возникает, например, при прохождении тока молнии через острые кромки внутри соединения.

Искрение под напряжением происходит, когда ток молнии проходит по петле, и индуцированное напряжение в этой петле превышает напряжение пробоя между металлическими частями.

Электромагнитные эффекты

Когда ток молнии проходит через конструкцию системы молниезащиты, он создает вокруг себя магнитное поле такой же формы волны.

Расстояние грозы от наблюдателя

Световой эффект молнии, который примерно в 3000 раз быстрее реального электрического разряда молнии, примерно равен скорости света в вакууме, т. е. примерно 300 000 000 м · с^–1 . Акустический эффект молнии-грома распространяется со скоростью звука в воздухе, т.е. примерно 330 м · с^–1.

Таким образом, световое воздействие вспышки примерно в 900 000 раз быстрее, чем ее акустическое воздействие относительно местоположения наблюдателя. По этой разнице можно эмпирически определить расстояние от грозы до наблюдателя. При первых звуках отдаленного грома гроза находится менее чем в 10 км (30 с). Если между молнией и громом есть временной интервал 10 с (3 км) или менее, прямой удар молнии может произойти прямо сейчас.

В некоторых странах существует служба мгновенной информации в Интернете, которая дает хорошую возможность получить своевременный обзор штормовой ситуации в регионе.

Смотрите также: 35 часто задаваемых вопросов о грозе и молнии