Как образуется молния: заряд в облаке, лидер и вспышка
Молния образуется так: столкновения кристаллов льда и мелкой ледяной крупы внутри грозового облака разделяют электрические заряды, и положительный скапливается у вершины облака, а отрицательный — в его середине. Когда разность становится слишком большой, воздух, обычно изолятор, пробивается, и гигантская электрическая искра разряжает облако. Канал разряда нагревает воздух примерно до 28 000 °C (50 000 °F), и воздух расширяется со взрывом — это и есть гром.
Молния — одно из древнейших явлений природы, за которыми наблюдает человек, но о некоторых деталях того, как облако накапливает заряд, учёные спорят до сих пор. Эта статья шаг за шагом следует самому обоснованному объяснению: как облако превращается в батарею, что происходит за несколько тысячных долей секунды вспышки, почему за вспышкой следует гром, как оценить расстояние до молнии, считая секунды, и что советуют делать метеорологические службы, когда вы слышите гром.
Главные идеи
- Столкновения мелкой ледяной крупы (по-английски graupel) и кристаллов льда в высоком грозовом облаке разделяют заряды; детали ещё обсуждаются, но итог такой: наверху облака положительный заряд, в середине — отрицательный.
- Ступенчатый лидер спускается из облака короткими шагами, навстречу ему поднимается искра, а обратный удар, бегущий вверх по каналу, и даёт яркую вспышку.
- Канал нагревает воздух примерно до 28 000 °C (50 000 °F) — это в пять раз горячее поверхности Солнца; воздух со взрывом расширяется, и мы слышим гром.
- Сосчитайте секунды от вспышки до грома: разделите их на 3 — получите километры, или на 5 — получите мили.
- Если вы слышите гром, вы уже достаточно близко, чтобы в вас попала молния: Национальная метеорологическая служба США (NWS) советует укрыться в прочном здании или закрытой машине с металлической крышей и оставаться там не меньше 30 минут после последнего раската.
Как грозовое облако набирает электрический заряд?
Гроза начинается, когда Солнце нагревает землю и вверх поднимаются пузыри тёплого воздуха. Башенные кучевые облака растут вверх, пока вершина не расплющится в «наковальню». Внутри зрелого облака на верхних уровнях находятся мелкие кристаллы льда, посередине — смесь кристаллов и мелкой крупы, а внизу — дождь и тающая крупа. Сильные восходящие потоки не дают частицам успокоиться и заставляют их сталкиваться.
Учёные считают, что первый шаг связан с мелкой мягкой ледяной крупой — её называют градовыми частицами или graupel, — размером от доли миллиметра до нескольких миллиметров; она растёт, собирая переохлаждённые капли воды. Когда крупинка сталкивается с более мелкими льдинками и отскакивает от них, она получает заряд одного знака, а льдинка — другого. Более мелкие льдинки восходящий поток уносит вверх быстрее, и заряды разных знаков оказываются разделены.
В результате, как описывает Национальная метеорологическая служба США, верх облака заряжен положительно, а середина и нижняя часть — отрицательно, плюс небольшой положительный «карман» у основания. Отрицательный заряд в середине облака делает землю под ним положительной по контрасту. Национальная лаборатория сильных штормов NOAA (NSSL) честно добавляет: мы знаем, какие условия нужны для появления молнии, но о том, как именно облако накапливает заряды, споры продолжаются.
Что происходит во время вспышки: лидер и обратный удар
Воздух — изолятор, поэтому какое-то время он удерживает противоположные заряды порознь. Когда разность становится слишком большой, изоляция пробивается и происходит быстрый электрический разряд — это и есть молния. Большинство вспышек начинается внутри облака и там же остаётся: по данным NSSL, внутриоблачных вспышек примерно в 5–10 раз больше, чем тех, что достигают земли.
Вспышка, которой предстоит ударить в землю, посылает вниз канал, называемый ступенчатым лидером: он продвигается короткими шагами, по мере того как воздух перед ним ионизируется. Когда лидер подходит к земле примерно на сто ярдов (около 90 метров), навстречу ему такие предметы, как деревья, здания и кусты, выпускают искры. Как только одна из них соединяется с лидером, по всему каналу проносится огромный ток. Этот скачок — обратный удар — и даёт яркую вспышку, которую мы видим; всё занимает несколько тысячных долей секунды, и глаз не успевает уследить за её образованием.
Высокие предметы с большей вероятностью выпускают соединяющую искру, поэтому деревья, небоскрёбы и горы поражаются часто, но молния может ударить и в открытое место, даже когда рядом есть деревья. По данным NSSL, напряжение обычной вспышки составляет от 100 миллионов до 1 миллиарда вольт, а мощность — миллиарды ватт.
Откуда берётся гром и как далеко молния?
Гром — это звук вспышки. Канал молнии за несколько миллионных долей секунды нагревает окружающий воздух примерно до 28 000 °C (около 50 000 градусов по Фаренгейту) — приблизительно в пять раз горячее поверхности Солнца. Воздух не успевает расшириться, поэтому давление в нём очень высоко, и он разлетается ударной волной, которая затем превращается в слышимый нами звук. Сразу после вспышки воздух остывает и снова сжимается.
Гром перекатывается, потому что вспышка длинная. Сначала вы слышите гром от ближайшего участка канала, потом от всё более далёких, а высокие звуки в воздухе затухают быстрее низких. Резкий треск означает, что канал прошёл рядом; низкий раскат — что молния была в нескольких милях. По словам NWS, гром обычно слышен примерно за 10 миль (16 км) от удара.
Свет доходит до вас почти мгновенно, а звук проходит около трети километра (одной пятой мили) в секунду. Сосчитайте секунды между вспышкой и громом и разделите на 3 — получите расстояние в километрах, или на 5 — в милях: 9 секунд — это около 3 км, 15 секунд — около 3 миль. Считайте из безопасного места.
Как часто бывают молнии и что делать, услышав гром?
Где-то на Земле молния сверкает непрерывно. По спутниковым данным, учёные NASA с помощью Optical Transient Detector насчитали около 1,4 млрд вспышек в год — в среднем 44 ± 5 в секунду, причём над сушей их примерно в 10 раз больше, чем над океаном. Более ранняя оценка в 100 вспышек в секунду, сделанная в 1925 году, оказалась завышенной. В США молния бьёт в землю примерно 25 миллионов раз в год и убивает около 20 человек в год, сообщает NWS.
Правило NWS: «When thunder roars, go indoors» — «Когда гремит гром, заходите в помещение». Если вы слышите гром, молния достаточно близко, чтобы ударить в вас. Укройтесь в прочном здании с электричеством или водопроводом либо в закрытой машине с металлической крышей и поднятыми стёклами и оставайтесь там не меньше 30 минут после последнего раската. В помещении не пользуйтесь проводными телефонами и техникой, подключённой прямо к сети, и держитесь подальше от водопровода: раковин и ванн.
Молния может ударить в нескольких километрах от грозы, даже из синего неба у её края. Для тех, кого гроза застала на улице без укрытия, NWS приводит меры на крайний случай: сойти с холмов и гребней, ни в коем случае не ложиться на землю, не прятаться под одиноким деревом и уйти от воды. Гораздо безопаснее уйти заранее, чем рассчитывать на них.
Как гроза показана в VJOURNAL SMART BOOK
Глава «В грозу» бесплатного учебника SMART BOOK «Всё обо всём» на VITON13 SCHOOL рассказывает ту же историю в пяти коротких эпизодах. Рядом с текстом — живая 3D-картинка грозового облака, которую можно вращать пальцем или мышью, а под ней песочница: задайте секунды между вспышкой и громом и температуру воздуха, и страница покажет расстояние и скорость звука (около 343 м/с при 20 °C).
Глава заканчивается тремя фактами и викториной из трёх вопросов, среди которых правило «делить на три» из этой статьи, а каждое число взято из источников, перечисленных ниже. Это способ проверить приём со счётом самому до следующей грозы.
Простыми словами
Потрите воздушный шарик о волосы — и при касании чего-нибудь он даст крошечную искру. Грозовое облако делает то же самое в гигантском масштабе: лёд и крупа трутся друг о друга внутри облака, пока оно не наполнится электричеством, а когда воздух уже не может его удерживать, электричество прыгает огромной искрой. Нагретый ею воздух хлопает, и этот хлопок — гром.
Попробуйте сами
Откройте главу «В грозу» в учебнике SMART BOOK «Всё обо всём», задайте 9 секунд между вспышкой и громом, а затем меняйте температуру воздуха от 0 °C до 30 °C.
Ожидаемый результат
Расстояние около 3 км и скорость звука около 331 м/с при 0 °C и около 349 м/с при 30 °C: в жаркий воздух гром приходит чуть раньше.
Проверьте себя: Вы увидели вспышку и услышали гром через 15 секунд. Как далеко примерно молния и что нужно делать?
Примерно в 5 км (15 ÷ 3) или в 3 милях (15 ÷ 5). Это достаточно близко, чтобы быть опасным, поэтому зайдите в прочное здание или закрытую машину и подождите не меньше 30 минут после последнего раската.
Вопросы и ответы
Из-за чего возникает молния, одной фразой?
Столкновения крупы и льда в грозовом облаке разделяют электрические заряды, пока воздух между противоположными зарядами не перестаёт изолировать, и гигантская искра их разряжает.
Молния горячее Солнца?
Воздух в канале молнии может нагреваться примерно до 28 000 °C (около 50 000 °F), то есть примерно в пять раз горячее поверхности Солнца, но всего на несколько миллионных долей секунды.
Как узнать, как далеко молния?
Сосчитайте секунды между вспышкой и громом и разделите на 3 — получите километры, или на 5 — мили. Звук проходит около трети километра в секунду.
Сколько раз молния бьёт по Земле?
Около 1,4 млрд вспышек в год, в среднем 44 в секунду, считая вспышки внутри облаков и удары в землю, как их измерил из космоса прибор NASA Optical Transient Detector. Большинство — над сушей.
Можно ли выходить, как только гром стих?
Не сразу. NWS советует оставаться в безопасном укрытии не меньше 30 минут после последнего раската, потому что молния может ударить и из грозы, которая уходит.
Молния — гигантская искра, которая разряжает грозовое облако после того, как лёд и крупа разделили его заряды; вспышка нагревает воздух примерно до 28 000 °C (50 000 °F), а хлопок — это гром. Считайте секунды, чтобы узнать расстояние, и заходите в помещение, услышав гром. Чтобы проверить правило счёта самому, откройте бесплатную главу «В грозу» в VJOURNAL SMART BOOK.
Источники и дальнейшее чтение
- NOAA National Severe Storms Laboratory: Severe Weather 101, Lightning basics ↗Источники проверены:
- National Weather Service: Understanding Lightning, Thunder ↗Источники проверены:
- National Weather Service: Overview of lightning science and safety ↗Источники проверены:
- National Weather Service: Lightning safety tips ↗Источники проверены:
- Christian et al.: Global frequency and distribution of lightning as observed from space by the Optical Transient Detector (J. Geophys. Res., 2003) ↗Источники проверены: