Сами процессы, происходящие во время грозы, изучены достаточно хорошо. Гром - звуковое сопровождение мощной ударной волны, появляющейся в результате гигантского электрического разряда.
Как возникает молния?
Из-за трения между мельчайшими льдинками и каплями водяного пара в атмосфере возникает статическое электричество. Воздух ток не проводит, то есть является диэлектриком. При накоплении электрического заряда в определенный момент напряженность поля превышает критическое значение, происходит разрушение молекулярных связей. При этом воздух, водяной пар теряет электроизоляционные свойства. Это явление называется пробоем диэлектрика. Оно может происходить внутри облака, между двумя соседними грозовыми тучами или облаком и землей.
В результате пробоя образуется канал с высокой электропроводностью, заполняемый гигантским искровым разрядом - это и есть молния. При этом процессе выделяется огромное количество энергии. Длина вспышки может достигать 300 км и более. Воздух, находящийся на пути молнии, очень быстро нагревается до 25 000 - 30 000°С. Для сравнения: температура поверхности Солнца 5726 °С.
Почему возникает гром?
Нагретый молнией воздух расширяется. Происходит мощный взрыв. Он порождает ударную волну, сопровождающуюся очень громким звуком, не единичным, а с раскатами. Это и есть гром. Чем больше изломов имеет молния, тем больше раскатов грома , т.к. на каждом повороте происходит новый взрыв. Плюс звук отражается от соседних облаков. Его максимальная громкость - 120 дБ. Молния линейная и жемчужная не может не сопровождаться грохотом. Просто иногда гроза так далеко от места, с которого видно вспышку, что звук не успевает до него дойти.
Интересный факт : в древних языческих религиях всегда был бог-громовержец. Грохот во время грозы считался одним из проявлений его гнева. Сейчас очевидно, что этот звук нужно воспринимать лишь как предупреждение о приближающейся опасности. При его появлении нужно просто прикинуть расстояние до грозы и степень риска для людей, находящихся на улице.
Как определить расстояние до молнии по звуку грома?
Между молнией и раскатами грома всегда проходит какое-то время. Это происходит из-за того, что скорость света в миллион раз больше скорости звука. Поэтому сначала видно вспышку и только спустя несколько секунд слышен грохот. Если засечь это время, то можно примерно рассчитать расстояние до грозы.
Гроза – атмосферное явление пусть не такое уж и редкое, как, к примеру, северное сияние или огни святого Эльма, но от этого не менее яркое и впечатляющее своей неукротимой силой и первозданной мощью. Недаром ее так любят описывать в своих произведениях все поэты и прозаики романтического толка, а профессиональные революционеры видят в грозе символ народных волнений и серьезных социальных потрясений. С научной же точки зрения гроза это ливневый дождь, сопровождаемый шквалистым усилением ветра, молниями и раскатами грома. Но, если с ливнем и ветром вам, наверное, и так все понятно, то об остальных составляющих грозы стоит рассказать немного подробнее.
Что такое гром и молния
Молниями называют мощные электрические разряды в атмосфере, которые могут возникать как между отдельными кучевыми облаками, так и между дождевыми облаками и землей. Молния – это своего рода гигантская электрическая дуга, длина которой в среднем составляет 2,5 – 3 километра. О невероятной силе молний говорит тот факт, что ток в разряде достигает десятков тысяч ампер, а напряжение – нескольких миллионов вольт. С учетом того, что такая фантастическая мощность высвобождается в течении нескольких миллисекунд, разряд молнии вполне можно назвать своего рода электрическим взрывом невероятной силы. Понятно, что подобная детонация неизбежно вызывает появление ударной волны, которая затем вырождается в звуковую, и затухает по мере распространения в воздушной среде. Таким образом становиться очевидным, что такое гром.
Гром - это звуковые колебания, возникающие в атмосфере под влиянием ударной волны, вызванной мощным электрическим разрядом. С учетом того, что воздух в канале молнии мгновенно разогревается до температуры около 20 тысяч градусов, что превышает температуру поверхности Солнца, такой разряд неизбежно сопровождается оглушительным грохотом, как и любой другой очень мощный взрыв. Но ведь молния длиться меньше секунды, а гром мы слышим длинными раскатами. Отчего же так происходит, почему гремит гром? У ученых, изучающих атмосферные явления, есть ответ и на этот вопрос.
Почему мы слышим раскаты грома
Раскаты грома возникают в атмосфере из-за того, что молния, как мы уже говорили, имеет весьма большую длину и поэтому звук от различных ее участков доходит до нашего уха не одновременно, хотя саму световую вспышку мы видим целиком в один момент. Кроме того, возникновению громовых раскатов способствует отражение звуковых волн от облаков и поверхности земли, а также их рефракция и рассеивание.
Почему гремит гром и сверкает молния?
Многие люди боятся грозы. Это и в самом деле страшно. Тёмные мрачные тучи закрывают солнышко, гремит гром, сверкают молнии, а потом начинается сильный дождь. Что же происходит там наверху и откуда берутся гром и молнии?
Люблю грозу в начале мая,
Когда весенний, первый гром,
Как бы резвяся и играя,
Грохочет в небе голубом.
Гремят раскаты молодые,
Вот дождик брызнул, пыль летит,
Повисли перлы дождевые,
И солнце нити золотит.
С горы бежит поток проворный,
В лесу не молкнет птичий гам,
И гам лесной и шум нагорный -
Все вторит весело громам.
Ты скажешь: ветреная Геба,
Кормя Зевесова орла,
Громокипящий кубок с неба,
Смеясь, на землю пролила.
Поэт был несомненно прав как минимум в том, что гром можно услышать в основном только во время грозы. С незапамятных времен люди воспринимали гром и молнию как проявление гнева Богов, и, где-то глубоко, внутри нас до сих пор всё ещё сидит этот суеверный страх перед этим явлением. Как же сегодня наука объясняет почему гром гремит?
Оказывается, что водяные пары, образующие облака, накапливают электрические заряды, которые образуют значительную разницу потенциалов между землёй и облаками.
Грозовые тучи огромные. Обычно их высота составляет несколько километров. Нам с земли не видно, но внутри грозовых туч все кипит и бурлит. Потоки воздуха в них быстро перемещаются сверху вниз и снизу наверх. В самом верху этих туч очень холодно, до -40 градусов. Капельки воды, из которых собственно и состоят грозовые облака, попадают наверх и замерзают. Из них получаются кусочки льда, которые носятся внутри облаков с огромной скоростью, сталкиваются, разрушаются и заряжаются электричеством. Льдинки поменьше и полегче остаются наверху. А те, что покрупнее спускаются вниз и тают, превращаясь опять в капельки воды. Вот и получается, что в грозовой туче формируются два электрических заряда - наверху отрицательный, а внизу положительный.
Воздух, находящийся между ними, играет своеобразную роль диэлектрика в огромном конденсаторе. Когда электрический заряд становится критическим, возникает молния, которая разряжает облако на землю. И когда происходит разряд - молния ударяет в землю за доли секунды, нагревая воздух на своём пути до температуры в тысячи градусов Цельсия. Вибрации воздуха в местах прохождения молнии мы и слышим как гром. А раскатистый звук получается из-за того, что скорость звука невелика, а длина молнии составляет порой несколько километров. Поэтому молния уже давно ударит в землю, а мы только через несколько секунд начнём слышать продолжительный звук грома, доходящий до нас из различных слоёв воздуха по пути прохождения молнии.
Зная время, прошедшее между вспышкой молнии и ударом грома, можно приблизительно определить расстояние, на котором находится гроза. Скорость света на несколько порядков выше скорости звука; ею можно пренебречь и учитывать лишь скорость звука, которая составляет 300-360 метров в секунду. То есть, если гром услышали через секунду после удара молнии, то до грозы примерно около километра. Как правило, гром слышен на расстоянии до 15-20 километров, таким образом, если наблюдатель видит молнию, но не слышит грома, то гроза находится на расстоянии более 20 километров.
Так всё просто, спросите Вы, а где же мистика? Дело всё в том, что учёные до сих пор не могут до конца объяснить один важный вопрос: каким образом в облаках накапливается электричество и возникает разность потенциалов. Есть предположения, что, ионизация атмосферы для прохождения разряда происходит под влиянием высокоэнергетического космического излучения.
Мы поражаемся, когда молния "разрывает" небо. От этого грозного оружия природы можно пострадать везде, даже в машине или внутри здания. Ежедневно на поверхность нашей планеты обрушивается свыше 8000000 ударов молний. Это одно из самых смертельных орудий природы. Природная сила, которая заложена в молнии, способна превратить песок в стеклянную массу и из дерева выпарить воду. Можно посвятить свою жизнь изучению этого явления, а можно получать истинное удовольствие от созерцания молний.
Но всё-таки следует пугаться молнии. Потому что она может убить или стать причиной пожара. Люди научились защищать свои дома от молнии. Для этого используют металлические шесты, которые притягивают к себе электричество и уводят его в землю. А вот если Вас гроза застала в лесу или в поле, не прячьтесь под высокие деревья. Ведь именно они в первую очередь и притягивают к себе молнии.
Линейная молния обычно сопровождается сильным раскатистым звуком, который называется громом. Гром возникает по следующей причине. Мы видели, что ток в канале молнии образуется в течение очень короткого промежутка времени. При этом в канале воздух очень быстро и сильно нагревается, а от нагревания он расширяется. Расширение протекает так быстро, что оно напоминает взрыв. Этот взрыв даёт сотрясение воздуха, которое сопровождается сильными звуками. После внезапного прекращения тока температура в канале молнии быстро падает, так как тепло уходит в атмосферу. Канал быстро охлаждается, и воздух в нём поэтому резко сжимается. Это также вызывает сотрясение воздуха, которое снова образует звук. Понятно, что многократные разряды молнии могут вызвать продолжительный грохот и шум. В свою очередь, звук отражается от туч, земли, домов и других предметов и, создавая многократные эхо, удлиняет гром. Поэтому и происходят раскаты грома.
Как всякий звук, гром распространяется в воздухе с сравнительно небольшой скоростью - приблизительно 330 метров в секунду. Эта скорость лишь в полтора раза больше скорости современного самолёта. Если наблюдатель видит сначала молнию и только через некоторое время слышит гром, то он может определить расстояние, которое отделяет его от молнии. Пусть, например, между молнией и громом прошло 5 секунд. Так как за каждую секунду звук пробегает 330 метров, то за пять секунд гром прошёл расстояние в пять раз большее, а именно 1650 метров. Значит, молния ударила меньше чем в двух километрах от наблюдателя.
В тихую погоду гром доносится через 70-90 секунд, проходя 25-30 километров. Грозы, которые проходят от наблюдателя на расстоянии меньшем, чем три километра, считаются близкими, а грозы, проходящие на большем расстоянии - дальними.
Кроме линейной, бывают, правда гораздо реже, молнии других видов. Из них мы рассмотрим одну, наиболее интересную - шаровую молнию.
Иногда наблюдаются грозовые разряды, представляющие собой огненные шары. Как образуются шаровые молнии- пока ещё не изучено, но имеющиеся наблюдения над этим интересным видом грозового разряда позволяют сделать некоторые выводы. Приведём здесь одно из наиболее интересных описаний шаровой молнии.
Вот что сообщает знаменитый французский учёный Фламмарион: «7-го июня 1886 года в половине восьмого вечера, во время грозы, разразившейся над французским городом Грей, небо вдруг осветилось широкой красной молнией, и при страшном треске с неба упал огненный шар, поперечником, повидимому, в 30-40 сантиметров. Рассыпая искры, он ударился о конец конька крыши, отбил от её главной балки кусок более чем в полметра длиной, расщепил его на мелкие кусочки, засыпал чердак обломками и обрушил штукатурку с потолка верхнего этажа. Затем этот шар перескочил на крышу подъезда, пробил в ней дыру, упал на улицу и, прокатившись по ней на некоторое расстояние, постепенно исчез. Пожара шар
Не произвёл и никому не повредил, несмотря на то, что на улице было много народа».
На рис. 13 изображена шаровая молния, заснятая фотографическим аппаратом, а на рис. 14 изображена картина художника, нарисовавшего шаровую молнию, которая упала во двор.
Чаще всего шаровая молния имеет форму арбуза или груши. Длится она сравнительно долго - от небольшой доли Рис. 13. Шаровая молния. секунды до нескольких минут.
Наиболее обычное время длительности шаровой молнии - от 3 до 5 секунд. Шаровая молния чаще всего появляется в конце грозы в виде красных светящихся шаров поперечником от 10 до 20 сантиметров. В более редких случаях она имеет и большие раз - 22
Меры. Была, например, сфотографирована молния поперечником около 10 метров.
Шар может быть иногда ослепительно белым и иметь очень резкий контур. Обычно шаровая молния издаёт свистящий, жужжащий или шипящий звук.
Шаровая молния может исчезать тихо, но может издавать при этом слабый треск или даже оглушающий
Взрыв. Исчезая, она часто оставляет остро пахнущую дымку. Вблизи земли или в закрытых помещениях шаровая молния движется со скоростью бегущего человека - приблизительно два метра в секунду. Она может оставаться в покое в течение некоторого времени, и такой «осевший» шар шипит и выбрасывает искры до тех пор, пока не исчезнет. Иногда кажется, что шаровую молнию гонит ветер, но обычно её движение от ветра не зависит.
Шаровые молнии притягиваются к закрытым помещениям, в которые они проникают через открытые окна или двери, а иногда даже через небольшие щели. Трубы представляют для них хороший путь; поэтому шаровые молнии часто появляются из печей в кухнях. Покружившись по комнате, шаровая молния оставляет помещение, уходя часто по тому самому пути, по которому она вошла.
Иногда молния два-три раза поднимается и опускается на расстояния от нескольких сантиметров до несколь
Ких метров. Одновременно с этими подъёмами и спусками огненный шар передвигается иногда и в горизонтальном направлении, и тогда кажется, что шаровая молния делает скачки.
Часто шаровые молнии «оседают» на проводниках, предпочитая наиболее высокие точки, или катятся вдоль проводников, например - по водосточным трубам. Двигаясь по телам людей, иногда под одеждами, шаровые молнии вызывают сильные ожоги и даже смерть. Имеются многие описания случаев смертельного поражения людей и животных шаровой молнией. Шаровые молнии могут причинить очень сильные разрушения зданий.
Законченного научного объяснения шаровой молнии ещё нет. Учёные упорно изучали шаровую молнию, однако до сих пор все разнообразные её проявления объяснить не удалось. В этой области предстоит ещё большая научная работа. Конечно, ничего таинственного, «сверхъестественного» и в шаровой молнии нет. Это - электрический разряд, происхождение которого такое же. как и у линейной молнии. Несомненно, в недалёком будущем учёные смогут объяснить все подробности шаровой молнии так же хорошо, как они сумели объяснить все подробности линейной молнии,
Гроза – прекрасное и пугающее проявление сил природы. В древние времена ее считали знамением гнева могущественных богов, потому что величие этого явления пугало и одновременно восхищало наших предков. Но наука давно разгадала тайну сверкающей молнии и оглушающего грома. Гром начинается с молнии, молния – с грозы, а гроза берет начало в облаках.
Облака – это скопления микроскопических капель воды или кристаллов льда. Существует множество разных видов облаков, но гром и молнию порождает только один тип – грозовые. Это большое кучевое облако, как правило, дождевое. Оно плоское снизу, большое по высоте и по площади. Именно в нем зарождается молния.
Молния – это мощный электрический разряд в атмосфере. Существует два типа молний: внутриоблачные и наземные. Внутриоблачные бьют из облака в облако, а наземные – из облака в землю. Возникают они из-за разницы потенциалов между двумя облаками или между облаком и землей. Это сложное явление, в ходе которого электрический заряд облака превращается в тепло и свет. Температура молнии может достигать 30000°С. Именно в этом кроется причина возникновения грома. При нагревании до такой высокой температуры воздух стремительно расширяется, и образуется своего рода ударная волна. Из-за нее возникают колебания воздуха, которые мы слышим как гром. Молния нагревает воздух не в один момент, а расстояние и облака искажают звук, поэтому гром доносится до нас гулкими раскатами.
Молния видна всегда раньше, чем слышен гром. Это связано с тем, что скорость света во много раз превышает скорость звука, поэтому свет молнии доходит до нас практически без задержки, а гром – с заметным опозданием. Благодаря этому можно легко посчитать расстояние до места, куда ударила молния . Для этого нужно:
- посчитать секунды от появления молнии до начала раскатов грома;
- разделить на три.
Полученное число – количество километров до места, куда ударила молния. Беззвучные и почти невидимые молнии – зарницы – как правило, слишком далеки и скрыты облаками, поэтому от них мы не слышим гром.
Гроза и молнии до сих пор остаются загадочным явлением . Разные типы молний в разных слоях атмосферы не спешат раскрывать свои тайны. Совершенно удивительны молнии в верхних слоях атмосферы – эльфы и спрайты, беззвучные вспышки, возникающие вне зависимости от грозовых облаков. Загадочны и непостижимы шаровые молнии – непредсказуемые электрические разряды, рождающиеся в атмосфере, плывущие в потоках ветра и иногда даже попадающие внутрь зданий. И самая большая загадка, над которой долгое время бьются ученые – откуда берется разница потенциалов, так называемое атмосферное электричество, порождающее грозу?
