Линейные молнии, методы её исследования

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего  профессионального образования

ПЕТРОЗАВОДСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Линейная  молния.

Её рождение и методы использования. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

   
 
 
 

                                                       Петрозаводск  2009 год

Список исполнителей: 
 

1. Егорова Елена,

  1 курс, гр.21102

2. Лебедев Павел,

  1 курс, гр.21112

3. Шелегина Ирина,

  1 курс, гр.21102 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                                  

Содержание: 
 

1. Молния. Общие  сведения…………………………………….4
2. История. Теории происхождения……………………………5
3. Формирование молнии……………………………………….6

……. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Молния. Общие  сведения

 
 

  Молния - это искровой разряд статического электричества, аккумулированного в грозовых облаках.  

• Длина линейной молнии составляет несколько километров, но может достигать 20 км и более.
• Форма молнии обычно похожа на разветвленные корни разросшегося в поднебесье дерева.
• Основной канал молнии имеет несколько ответвлений длиной 2-3 км.
• Диаметр канала молнии составляет от 10 до 45 см.
• Длительность существования молнии составляет десятые доли секунды.
• Средняя скорость движения молнии 150 км/с.
• Сила тока внутри канала молнии доходит до 200000 А.
• Температура плазмы в молнии превышает 10000°С.
• Напряженность электрического поля внутри грозового облака составляет от 100 до 300 вольт/см, но перед разрядом молнии в отдельных небольших объемах она может доходить до 1600 вольт/см.
• Средний заряд грозового облака составляет 30-50 кулонов. В каждом разряде молнии переносится от 1 до 10 кулонов электричества.
• Наряду с наиболее распространенной линейной молнией иногда встречаются ракетообразная, четочная и шаровая молнии. Ракетообразная молния наблюдается очень редко. Она длится 1-1,5 сек и представляет собой медленно развивающийся между облаками разряд. К весьма редким видам молнии следует отнести и четочную. Она имеет общую длительность 0,5 сек и представляется глазу на фоне облаков в виде светящихся четок диаметром около 7 см. Шаровая молния в большинстве случаев представляет собой сферическое образование диаметром у земной поверхности 10-20 см, а на высоте облаков до 10 м.
• На Земле ежесекундно наблюдается в среднем около 100 разрядов линейной молнии, средняя мощность, которая затрачивается в масштабе всей Земли на образование гроз равняется 1018 эрг/сек. То есть, энергия, выделяющаяся при выпадении осадков из грозового облака, значительно превышает его электрическую энергию.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. История изучения природы молний и первоначальные «теории» обьяснения этого природного явления

    

  Молния и гром первоначально воспринимались людьми как выражение воли богов и,

в частности, как  проявление божьего гнева. Вместе с  тем пытливый человеческий

ум с давних времен пытался постичь природу  молний и грома, понять их

естественные  причины. В древние века над этим размышлял Аристотель. Над

природой молний задумывался Лукреций. Весьма наивно представляются его

попытки объяснить  гром как следствие того, что «тучи сшибаются там под

натиском ветров».

   Многие  столетия, включая и средние века, считалось, что молния – это  огненный

пар, зажатый  в водяных парах туч. Расширяясь, он прорывает их в наиболее

слабом месте  и быстро устремляется в низ, к  поверхности земли. В 1929 Дж.Симпсон предложил теорию, которая объясняет электризацию дроблением дождевых капель потоками воздуха. В результате дробления падающие более крупные капли заряжаются положительно, а остающиеся в верхней части облака более мелкие – отрицательно. В теории свободной ионизации Ч.Вильсона предполагается, что электризация возникает как результат избирательного накопления ионов находящимися в атмосфере капельками разных размеров. Возможно, что электризация грозовых облаков осуществляется совместным действием всех этих механизмов, а основным из них является падение достаточно крупных частиц, электризуемых трением об атмосферный воздух.

   

    В  1752 г Бенджамин Франклин экспериментально  доказал, что молния – это

сильный электрический  разряд. Ученый выполнил знаменитый опыт с воздушным

змеем, который  был запущен в воздух при приближении  грозы.

Опыт: На крестовине змея была укреплена заостренная проволочка,

к концу веревки  привязаны ключ и  шелковая лента, которую  он удерживал рукой.

Как только грозовая туча оказалась над змеем, заостренная проволока стала

извлекать из нее электрический  заряд, и змей вместе с бечевой наэлектризуется.

После того, как дождь  смочит змея вместе с бечевкой, сделав их тем самым

свободными  проводить электрический  заряд, можно наблюдать как электрический

заряд будет «стекать»  при приближении  пальца.

  Одновременно с Франклином, исследованием электрической природы молнии

занимались М.В. Ломоносов и Г.В.Рихман. Благодаря их исследованиям в середине 18 века была доказана электрическая природа молнии. С этого времени стало ясно, что молния представляет собой мощный электрический разряд, возникающий при достаточно сильной электризации туч. 

   
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3. Формирование молнии 
 

  Наиболее часто молния возникает в кучево-дождевых облаках, тогда они называются грозовыми; иногда молния образуются в слоисто-дождевых облаках, а также при вулканических извержениях, торнадо и пылевых бурях.  

  Обычно наблюдаются линейные молнии, которые относятся к безэлектродным разрядам, так как они начинаются (и кончаются) в скоплениях заряженных частиц. Это определяет их некоторые, до сих пор необъяснённые свойства, отличающие молнии от разрядов между электродами. Так, молнии не бывают короче нескольких сотен метров; они возникают в электрических полях значительно более слабых, чем поля при межэлектродных разрядах; сбор зарядов, переносимых молнией, происходит за тысячные доли секунды с мириадов мелких, хорошо изолированных друг от друга частиц, расположенных в объёме несколько км3. Наиболее изучен процесс развития молнии в грозовых облаках, при этом молнии могут проходить в самих облаках — внутриоблачные молнии, а могут ударять в землю — наземные молнии.

 Для возникновения  молнии необходимо, чтобы в относительно  малом (но не меньше некоторого критического) объёме облака образовалось электрическое поле с напряжённостью, достаточной для начала электрического разряда (~ 1 МВ/м), а в значительной части облака существовало бы поле со средней напряжённостью, достаточной для поддержания начавшегося разряда (~ 0,1-0,2 МВ/м). В молнии электрическая энергия облака превращается в тепловую и световую.  

  Разряды молний могут происходить между соседними наэлектризованными облаками или между наэлектризованным облаком и землей. Разряду предшествует возникновение значительной разности электрических потенциалов между соседними облаками или между облаком и землей вследствие разделения и накопления атмосферного электричества в результате таких природных процессов, как дождь, снегопад и т.д. Возникшая таким образом разность потенциалов может достигать миллиарда вольт, а последующий разряд накопленной электрической энергии через атмосферу может создавать кратковременные токи от 3 до 200 кА. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

4.Основные фазы первого и последующих

компонентов молнии 

Родство молнии с искровым разрядом доказано еще  работами Бенджамина Франклина два с половиной века назад. Произнося подобную фразу сегодня, правильнее упоминать две эти формы электрического разряда в обратной последовательности, ибо наиболее важные структурные элементы искры первоначально наблюдались у молнии и только затем были обнаружены в лаборатории. Причина столь нестандартной последовательности событий проста: разряд молнии имеет существенно большую длину, его развитие занимает больше времени, а потому для оптических регистрации молнии не требуется аппаратуры с особо высокой пространственной и временной разрешающей способностью. Первые и до сих пор впечатляющие развертки во времени разрядов молнии были выполнены с помощью простых фотокамер с механическим взаимным перемещение мобъектива и пленки (камер Бойса) еще в 30~е годы. Они позволили выявить две основные фазы процесса: лидерную и главную стадии.

В течение лидерной стадии в промежутке облако-земля или между облаками прорастает проводящий плазменный канал — лидер. Он рождается в области сильного электрического поля, безусловно достаточного для ионизации воздуха электронным ударом, но основную часть пути лидеру приходится прокладывать там, где напряженность внешнего поля (от заряда грозовых облаков) не превышает нескольких сотен вольт на сантиметр. Тем не менее, длина лидерного канала увеличивается, а это значит, что у его головки идет интенсивная ионизация, превращающая нейтральный воздух в хорошо проводящую плазму. Такое возможно, потому что лидер сам несет свое сильное поле. Оно создается объемным зарядом, сконцентрированным в области головки канала, и перемещается вместе с ней. Функцию проводника, гальванически связывающего головку лидера с точкой старта молнии, выполняет плазменный канал лидера. Лидер растет достаточно долго, до 0,01 с — целая вечность в масштабе быстротечных явлений импульсного электрического разряда. Все это время плазма в канале должна сохранять высокую проводимость. Такое невозможно без разогрева газа до температур, приближающихся к температурам электрической дуги (свыше 5000-6000 К). Вопрос о балансе энергии в канале, которая требуется для

его разогрева  и для компенсации потерь, —  один из самых важных в теории лидера.

Лидер — необходимый элемент любой молнии. У многокомпонентной вспышки с лидерного процесса начинается не только первый, но и все последующие компоненты. В зависимости от полярности молнии, направления ее развития и номера компонента (первый или какой-либо из последующих) механизм лидера может меняться, но суть явления сохраняется. Она заключается в формировании высокопроводящего плазменного канала за счет локального усиления электрического поля в ближайшей окрестности лидерной головки.

  Главная стадия  молнии (return stroke) начинается с момента контакта лидера с поверхностью земли или заземленным объектом. Чаще всего,это не непосредственный контакт. От вершины объекта может возникать и двигаться навстречу лидеру молнии собственный лидерный канал, называемый встречным лидером. Их встреча кладет начало главной стадии. Во время движения в промежутке облако-земля головка лидера молнии несла высокий потенциал, сравнимый с потенциалом грозового

облака в точке  старта молнии (они отличаются падением напряжения на канале). После контакта, головка лидера принимает потенциал земли, а ее заряд стекает в землю. Со временем то же случается и с другими

участками канала, обладающими высоком потенциалом. Эта «разгрузка» происходит путем распространения по каналу от земли к облаку волны нейтрализации заряда лидера. Скорость волны приближается к скорости света, до 108 м/с. Между фронтом волны и землей по каналу течет

сильный ток, уносящий к земле заряд с «разгружающихся» участков канала. Амплитуда тока зависит от первоначального распределения потенциала вдоль канала. В среднем она близка к 30 кА, а для наиболее

мощных молний достигает 200-250 кА. Перенос столь  сильного тока сопровождается интенсивным выделением энергии. Благодаря этому газ в канале быстро нагревается и расширяется; возникает ударная волна. Раскат грома — одно из ее проявлений. В энергетическом отношении главная стадия наиболее мощная. Она же характеризуется наиболее быстрым изменением тока. Крутизна его нарастания может превысить 1011 А/с — отсюда чрезвычайно мощное электромагнитное излучение, сопровождающее разряд молнии. Вот почему работающий радиоприемник или телевизор реагируют на грозу интенсив-

ными помехами, и это происходит на расстояниях  в десятки километров.

  Импульсы тока главной стадии сопровождают не только первый, но и все последующие компоненты нисходящей молнии. Это значит, что лидер каждого очередного компонента заряжает движущийся к земле

канал, а во время  главной стадии часть этого заряда нейтрализуется и перераспределяется. Длительные раскаты грома — результат наложения звуковых волн, возбужденных импульсами тока всей совокупности

последующих компонентов. У восходящей молнии картина несколько иная. Лидер первого компонента

стартует от точки с нулевым потенциалом. По мере роста канала потенциал головки меняется постепенно, пока лидерный процесс не затормозится где-то в глубине грозового облака. Никакими быстрыми изменениями заряда это не сопровождается, а потому у первого компонента восходящей молнии главная