|
Почему молния движется зигзагом
|
|
|
|
Все видели молнию и восхищались ее силой. Но, несмотря на свою частоту — около 8,6 миллионов ударов молнии в мире происходит каждый день, — почему молния движется последовательно от грозового облака до земли внизу, остается загадкой. Есть несколько учебников по молниям, но ни в одном из них не объясняется, как формируются эти «зигзаги» (называемые ступенями) и как молния может перемещаться на километры. Мое новое исследование дает объяснение. Интенсивные электрические поля в грозовых облаках возбуждают электроны, чтобы получить достаточно энергии для создания так называемых «синглетных дельта-молекул кислорода». Эти молекулы и электроны образуют короткую высокопроводящую ступеньку, которая ярко светится на миллионную долю секунды. В конце шага наступает пауза, так как снова происходит наращивание, за которым следует еще один яркий, мигающий прыжок. Процесс повторяется снова и снова.
|
|
|
|
Увеличение числа экстремальных погодных явлений означает, что защита от молнии становится все более важной. Зная, как инициируется удар молнии, мы можем понять, как лучше защитить здания, самолеты и людей. Кроме того, хотя использование экологически чистых композитных материалов в самолетах повышает эффективность использования топлива, эти материалы увеличивают риск повреждения молнией, поэтому нам необходимо подумать о дополнительной защите. Удары молнии случаются, когда грозовые облака с электрическим потенциалом в миллионы вольт соединяются с землей. Между землей и небом течет ток в тысячи ампер с температурой в десятки тысяч градусов. Фотографии молнии раскрывают множество деталей, невидимых невооруженным глазом. Обычно из облака исходят четыре или пять слабых «лидеров». Они разветвлены и зигзагообразны на неправильной траектории к земле. Первый из этих лидеров, достигший земли, инициирует удар молнии. Остальные лидеры затем гаснут.
|
|
|
Пятьдесят лет назад высокоскоростная фотография показала еще большую сложность. Лидеры продвигаются вниз от облака «ступенями» длиной около 50 метров. Каждый шаг становится светлым на миллионную долю секунды, но потом наступает почти полная темнота. Еще через 50 миллионных долей секунды образуется еще одна ступенька в конце предыдущей ступени, но предыдущие ступени остаются темными. Почему такие шаги? Что происходит в темные промежутки между шагами? Как шаги могут быть электрически подключены к облаку без видимой связи? Ответы на эти вопросы лежат в понимании того, что происходит, когда энергичный электрон сталкивается с молекулой кислорода. Если у электрона достаточно энергии, он переводит молекулу в синглетное дельта-состояние. Это «метастабильное» состояние, что означает, что оно не является абсолютно стабильным, но обычно оно не переходит в более низкое энергетическое состояние в течение 45 минут или около того.
|
|
|
|
Кислород в этом синглетном дельта-состоянии отрывает электроны (необходимые для протекания электричества) от отрицательных ионов кислорода. Затем эти ионы почти сразу же заменяются электронами (несущими отрицательный заряд), снова присоединяющимися к молекулам кислорода. Когда более 1% кислорода в воздухе находится в метастабильном состоянии, воздух может проводить электричество. Таким образом, молниеносные шаги происходят по мере того, как создается достаточное количество метастабильных состояний, чтобы отсоединить значительное количество электронов. Во время темной части шага плотность метастабильных состояний и электронов увеличивается. Через 50 миллионных долей секунды ступенька может проводить электричество, а электрический потенциал на вершине ступеньки увеличивается примерно до потенциала облака и создает следующую ступеньку. Возбужденные молекулы, созданные на предыдущих этапах, образуют столбик на всем пути к облаку. В этом случае вся колонна является электропроводящей, не требует электрического поля и имеет небольшое излучение света.
|
|
|
|
Понимание образования молнии важно для проектирования защиты зданий, самолетов и людей. Хотя молнии редко поражают людей, в здания попадают много раз, особенно в высокие и изолированные. Когда молния попадает в дерево, сок внутри дерева закипает и образующийся пар создает давление, раскалывая ствол. Точно так же, когда молния попадает в угол здания, вода от дождя, просочившаяся в бетон, закипает. Давление сносит весь угол здания, создавая риск смертельного обрушения. Громоотвод, изобретенный Бенджамином Франклином в 1752 году, представляет собой толстую проволоку для ограждения, прикрепленную к крыше здания и соединенную с землей. Он предназначен для притяжения молнии и заземления электрического заряда. Направляя поток по проволоке, он спасает здание от повреждений. Эти стержни Франклина сегодня необходимы для высоких зданий и церквей, но неясным фактором является то, сколько стержней необходимо для каждой конструкции. Кроме того, сотни строений не защищены, в том числе навесы в парках. Эти конструкции часто изготавливаются из оцинкованного железа с высокой проводимостью, которое само притягивает молнии, и поддерживаются деревянными столбами. Новая версия Стандартов Австралии по молниезащите рекомендует заземлять такие укрытия.
|
|
|
|
Источник
|
