Молния, природа и причины возникновения молнии

Молния - это искровой разряд статического электричества, аккумулированного в грозовых облаках. В отличие от разрядов, образующихся на производстве и в быту, электрические заряды, накапливаемые в облаках, несоизмеримо больше. Поэтому энергия искрового разряда - молния и возникающих при этом токов очень велика и представляет большую опасность для человека, животных, строений. Молния сопровождается звуковым импульсом - громом. Сочетание молнии и грома называют грозой.

Гроза - это исключительно красивое природное явление. Как правило, после грозы улучшается погода, воздух становится прозрачен, свеж и чист, насыщен ионами, образующимися при разрядах молнии.

Несмотря на это нужно помнить, что гроза в определенных условиях может представлять большую опасность для человека. Каждый человек должен знать природу грозового явления, правила поведения во время грозы и методы защиты от молнии.

Гроза - сложный атмосферный процесс и ее возникновение обусловлено образованием кучево-дождевых облаков. Сильная облачность является следствием значительной неустойчивости атмосферы. Для грозы характерны сильный ветер, часто интенсивный дождь (снег), иногда с градом. Перед грозой (за час, два) атмосферное давление начинает быстро падать, вплоть до внезапного усиления ветра, а затем начинает повышаться.

Грозы можно разделить на местные, фронтальные, ночные, в горах.

Наиболее часто человек сталкивается с местными, или тепловыми грозами. Водяной пар в восходящем потоке теплого воздуха на высоте конденсируется, при этом выделяется много тепла, и восходящие потоки воздуха нагреваются. По сравнению с окружающим восходящий воздух теплее, он увеличивается в объеме, пока не превратится в грозовое облако. В больших по размеру грозовых облаках присутствуют кристаллики льда и капельки воды. В результате их дробления и трения между собой и о воздух образуются положительные и отрицательные заряды, под действием которых возникает сильное электростатическое по'ле (напряженность электростатического поля может достигать 100 000 В/м).

И разница потенциалов между отдельными частями облака, облаками или облаком и землей достигает громадных величин.

При достижении критической электрической напряженности в воздухе возникает лавинообразная ионизация воздуха - искровой разряд молнии.

Фронтальная гроза возникает, когда массы холодного воздуха проникают в район, где преобладает теплая погода. Холодный воздух вытесняет теплый, при этом последний поднимается на высоту 5-7 км. Теплые слои воздуха вторгаются внутрь вихрей различной направленности, образуется шквал, сильное трение между слоями воздуха, что способствует накоплению электрических зарядов. Длина фронтальной грозы может достигать 100 км. В отличие от местных гроз после фронтальных обычно холодает.

Ночная гроза связана с охлаждением земли ночью и образованием вихревых токов восходящего воздуха.

Гроза в горах объясняется разницей в солнечной радиации, которой подвергаются южные и северные склоны гор. Ночные и горные грозы несильные и кратковременные.

Грозовая активность в различных районах нашей планеты различна. Мировые очаги гроз: остров Ява - 220 грозовых дней в году, Экваториальная Африка - 150, Южная Мексика - 142, Панама - 132, Центральная Бразилия - 106. Россия: Мурманск - 5, Архангельск - 10, Санкт-Петербург - 15, Москва - 20. Как правило, чем южнее (для северного полушария Земли) и севернее (для южного полушария Земли), тем выше грозовая активность. Грозы в Арктике и Антарктике очень редки. На Земле в год происходит 16 миллионов гроз. На каждый м поверхности Земли приходится 2-3 удара молнии в год. В землю чаще всего ударяют молнии из отрицательно заряженных облаков.

По виду молнии различаются на линейные, жемчужные и шаровые.

Жемчужные и шаровые молнии довольно редкое явление.

Распространенная линейная молния, с которой многократно встречается любой человек, имеет вид разветвляющейся линии. Величина силы тока в канале линейной молнии составляет в среднем 60 - 170 кА, зарегистрирована молния с током 290 кА. Средняя молния имеет энергию 250 кВт в час (900 Мдж).

Разряд развивается за несколько тысячных долей секунды; при столь высоких токах воздух в зоне канала молнии практически мгновенно разогревается до температуры 30000 - 33000°С. В результате резко повышается давление, воздух расширяется и возникает ударная волна, сопровождающаяся звуковым импульсом - громом.

Жемчужная молния - очень редкое и красивое явление. Появляется сразу после линейной молнии и исчезает постепенно. Чаще всего разряд жемчужной молнии следует по пути линейной. Молния имеет вид 12 м друг от друга и напоминающих жемчуг, нанизанный на нитку. Жемчужная молния может сопровождаться значительными звуковыми эффектами.

Шаровая молния также довольно редка. На тысячи обычных линейных молний приходится 2 -3 шаровых. Шаровая молния, как правило, появляется чаще к концу грозы, реже — после грозы. Может иметь форму шара, эллипсоида, груши, диска и даже цепи шаров. Цвет молнии — красный, желтый, оранжево-красный.

Иногда молния ослепительно белая с очень резкими очертаниями. Цвет определяется содержанием различных веществ в воздухе. Форма и цвет молнии могут меняться во время разряда. Измерить параметры шаровой молнии и смоделировать ее в лабораторных условиях не удалось. По всей видимости, многие наблюдаемые неопознанные летающие объекты (НЛО) по своей природе аналогичны или близки шаровой молнии.

Опасные факторы воздействия молнии

Линейная, молния

В связи с тем, что молния характеризуется большими величинами токов, напряжений и температур разряда, воздействие ее на человека, как правило, приводит к их смерти.

От удара молнии в мире в среднем ежегодно погибает около 3000 человек, причем известны случаи одновременного поражения нескольких человек.

Разряд молнии проходит по пути наименьшего электрического сопротивления:

-    если расположить рядом две мачты — металлическую и более высокую деревянную, то молния, скорее всего, ударит в металлическую мачту, хотя она ниже, потому что электропроводность металла выше;

-    молния также значительно  чаще ударяет в  глинистые  и  влажные участки, чем в сухие и песчаные, поскольку первые обладают большей электропроводностью;

-    в лесу молния действует тоже избирательно, попадая, прежде всего, в такие лиственные деревья как дуб, тополь, верба, ясень, так как в них содержится    много    крахмала.    Хвойные   деревья   -   ель,    пихта, лиственница и такие лиственные деревья как липа, грецкий орех, бук содержат много масел, поэтому оказывают большое электрическое сопротивление, и в них молния ударяет реже.

Из 100 деревьев молнией поражается 27% тополей, 20% груш, 12% лип, 8% елей и только 0,5% кедровых.

кроме поражения людей и животных линейная молния довольно часто является причиной возникновения лесных пожаров, а также жилых и производственных зданий, особенно в сельской местности. В связи с этим необходимо принимать специальные защиты от поражения линейной молнией.

Шаровая молния

Если природа линейной молнии ясна, а, следовательно, и ее поведение предсказуемо, то природа шаровой молнии до сих пор не понятна. Опасность поражения человека шаровой молнией прежде всего связанна именно с отсутствием методов и правил защиты человека от нее.

В 1753 году русский физик Георг Вильгельм Рихман, коллега М.В. Ломоносова, был убит шаровой молнией во время грозы при исследовании искровых разрядов в атмосфере. Известны многие случаи гибели людей при встрече с шаровой молнией.

Драматический случай произошел с группой из пяти советских альпинистов 17 августа 1978 года на Кавказе на высоте около 4000 м, где они остановились в ясную, холодную ночь на ночлег. В палатку к альпинистам залетел светло-желтый шар величиной с теннисный мяч. Шар парил над спальными мешками, в которых находились альпинисты, и методично, по какому-то собственному плану, проник в спальные мешки. Каждый такой «визит» вызывал отчаянный нечеловеческий крик, люди чувствовали сильнейшую боль, как будто их жгли автогеном, и теряли сознание. Они не могли двигать ни руками, ни ногами. После того как шар «посетил» спальные мешки каждого альпиниста по несколько раз, он исчез. Все альпинисты получили множество тяжелых ран. Это были не ожоги, а именно рваные раны: мышцы были вырваны целыми кусками, до самых костей. Одного из альпинистов - Олега Коровина - шар убил. При этом шаровая молния не коснулась ни одного предмета в палатке, а только покалечила людей. Поведение шаровой молнии непредсказуемо. Она неожиданно появляется где угодно, в том числе в закрытых помещениях. Замечены случаи появления шаровой молнии из телефонной трубки, электрической бритвы, выключателя, розетки, репродуктора. Она достаточно часто проникает в здания через трубы, открытые окна и двери.

Размеры шаровой молнии бывают от нескольких сантиметров до нескольких метров. Обычно она легко парит или катится над землей, иногда подскакивает. Она реагирует на ветер, сквозняк, восходящие и нисходящие потоки воздуха. Однако отмечен случай, когда шаровая молния не реагировала на поток воздуха.

Шаровая молния может появиться, не нанеся вреда человеку или помещению, залететь в окно и исчезнуть из помещения через открытую дверь или дымовую трубу, пролетев мимо человека. Всякий контакт с ней приводит к тяжелым травмам, ожогам, а в большинстве случаев к смертельному исходу. Шаровая молния может взорваться. Возникающая при этом воздушная волна способна травмировать человека или привести к разрушениям в здании.

Известны случаи взрывов молний в печках, дымоходах, что приводило к разрушению последних. Собранные свидетельства о поведении шаровой молнии говорят, что в большинстве случаев взрывы не были опасны, тяжелые последствия возникали в 10 случаях из 100. Считается, что шаровая молния имеет температуру около 5000°С и может вызвать пожар.

Правила поведения во время грозы

Вспышку молнии мы видим практически мгновенно, та как свет распространяется со скоростью 300 000 км/с. Скорость распространения звука в воздухе равна примерно 344 м/с, то есть примерно за 3 секунды звук проходит 1 километр. Молния опасна тогда, когда за вспышкой тут же следует раскат грома, значит, грозовое облако находится над Вами, и опасность удара молнии наиболее вероятна.

Ваши действия перед грозой и во время нее должны быть следующими:

-    выходить из дома, закрыть окна, двери и дымоходы, позаботиться, чтобы не было сквозняка, который может привлечь шаровую молнию. Во время грозы не топить печку, так как дым, выходящий из трубы имеет^ высокую электропроводность, и вероятность удара молнии в возвышающуюся над крышей трубу возрастает;

-    во время грозы подальше держаться от электропроводки, антенн, окон, дверей   и   всего   остального,   связанного   с   внешней   средой;   не располагаться у стены, рядом с которой растет высокое дерево;

-    радио     и     телевизоры     отключать     от     сети,     не     пользоваться электроприборами и телефоном (особенно это важно для сельской местности);

-    во время прогулки спрятаться в ближайшее здание. Особенно опасна гроза в поле. При поиске укрытия отдайте предпочтение металлической конструкции  больших размеров или конструкции с металлической рамой,     жилому     дому     или ' другой     постройке,     защищенной молниеотводом;

-    если   нет  возможности  укрыться   в  здании,   не  надо  прятаться  в небольших сараях, под одинокими деревьями;

-    не оставаться на возвышенностях и открытых незащищенных местах, вблизи металлических или сетчатых оград, крупных металлических объектов, влажных стен, заземления молниеотвода;

-    при отсутствии укрытия лечь на землю, при этом предпочтение следует отдать сухому песчаному грунту, удаленному от водоема;

-    если гроза застала Вас в лесу, необходимо укрыться на участке с низкорослыми.деревьями. Нельзя укрываться под высокими деревьями, особенно соснами, дубами, тополями. Лучше находиться на расстоянии 30 м от отдельно высокого дерева. Обратите внимание - нет ли рядом деревьев, ранее пораженных грозой, расщепленных. Лучше держаться подальше   от  этого  места.   Обилие  пораженных  молнией  деревьев свидетельствует,   что   грунт   на   данном   участке   имеет   высокую электропроводность, и удар молнии в этот участок местности весьма вероятен;

-    во время грозы нельзя находиться на воде и у воды - купаться, ловить рыбу. Необходимо подальше отойти от берега;

-    в горах отойдите от горных гребней, острых возвышающихся скал и вершин. При приближении в горах грозы нужно спуститься как можно ниже. Металлические предметы - альпинистские крючья, ледорубы, кастрюли - собрать в рюкзак и спустить на веревке на 20-30 м ниже по склону;

-    во время грозы не занимайтесь спортом на открытом воздухе, не бегайте, так как считается, что пот и быстрое движение «притягивает» молнию;

-    если вы застигнуты грозой на велосипеде или мотоцикле, прекратите движение, оставьте их и переждите грозу на расстоянии примерно 30 м от них;

-    если   гроза   застала   Вас   в   автомобиле,   не   нужно   его   покидать. Необходимо   закрыть   окна   и   опустить   автомобильную   антенну. Двигаться во время грозы на автомобиле не рекомендуется, поскольку гроза как правило сопровождается ливнем, ухудшающем видимость на дороге, а вспышка молнии может ослепить и вызвать испуг и, как следствие, аварии;

-    при встрече с шаровой молнией не проявляйте по отношению к ней никакой активности, по возможности сохраняйте спокойствие и не двигайтесь. Не нужно приближаться к ней, касаться ее чем-либо, т.к. может произойти взрыв. Не следует убегать от шаровой молнии, потому что это может повлечь ее за собой возникшим потоком воздуха.

Молниезащита

Эффективным средством защиты от молнии является молниеотводы.

Приоритет изобретения молниеотвода принадлежит американцу Бенджамину Франклину (1749 г.). Несколько позднее в 1758 г., независимо от него, молниеотвод изобрел М.В. Ломоносов.

Молниезашита путем установки молниеотводов основана на свойстве молнии поражать наиболее высокие и хорошо заземленные металлические сооружения.

Молниеотвод состоит из трех основных частей: молниеприемника, воспринимающего удар молнии; токовода, соединяющего молниеприемник с заземлителем, через который ток молнии стекает в землю. По типу монниеприемников наиболее распространены стержневые и тросовые. Молниеотводы разделяются на одиночные, двойные и многократные.

Окрест молниеотвода образуется зона защиты, то есть пространство, в пределах которого обеспечивается защита строения или какого-либо другого объекта от прямого удара молнии. Степень защиты в указанных зонах составляет более 95%. Это означает, что из 100 ударов молнии в защищенный объект возможно менее 5 случаев попадания, остальные удары будут восприняты молниеприемником.

Зона защиты ограничивается образующими двух конусов, один из которых имеет высоту Ь, равную высоте молниеотвода, и радиус основания К. = 0,75 Ь, а другой - высоту 0.8 п и радиус основания 1,5 Ь (при радиусе основания второго конуса К = п эффективность защиты обеспечивается на 99%).

Молниеприемники стержневых молниеотводов изготавливают из стали любого профиля, как правило, круглого, сечением не менее 100 мм2 и длиной не менее 200 мм. Для защиты от коррозии ох окрашивают. Молниеприемники тросовых молниеотводов изготавливают из металлических тросов диаметром около 7 мм.

Тоководы должны выдерживать нагрев при протекании очень больших токов разряда молнии в течение короткого промежутка времени, поэтому их делают из металлов с небольшим сопротивлением. Сечение тоководов_на воздухе не должно быть менее 48 мм2, а в земле - 160 мм2.

Заземлители являются важнейшим элементом молниезащиты. Их назначение - обеспечивать достаточно малое сопротивление растеканию тока молнии в грунте. В качестве заземлителя можно использовать зарытые в землю на глубину 2 - 2,5 м металлические трубы, плиты, мотки проволоки и сетки, куски металлической арматуры.

Молниеотводы желательно устанавливать на возвышенностях, чтобы сократить путь молнии и увеличить размеры зоны защиты. Дымовые трубы, фронтоны, выступы на крыше, телевизионные антенны нужно заземлить с помощью тоководов. Металлические водосточные трубы и лестницы, ведущие на крышу, желательно соединить с тоководом или заземлить отдельно.

При выполнении молниезащиты нужно обязательно соблюдать следующие требования:

-    сечение молниеприемника и тоководов должны быть достаточными (не менее 48 мм);

-    тоководы не должны иметь резких изгибов и жесткого закрепления, ток как    при    разогреве    протекающим    током    они    расширяются    и деформируются. Если тоководы проходят по  крыше или стене  из горючих   материалов   (рубероида,   дерева)   они   располагаются   на расстоянии около 15 мм от поверхности крыши или стены.

-    Заземление молниеотвода должно быть не более 20 см и располагаться не ближе 3 м от подземных коммуникаций, идущих в здание, например, водопроводных труб.  Заземление желательно располагать в местах, малодоступных    или    редко    посещаемых   людьми    и    домашними животными,    чтобы   уменьшить   вероятность   поражения    шаговым напряжением.    При    недостаточной    проводимости    грунта    (сухой песчаный грунт) его можно подсолить, при этом его проводимость увеличится более чем в 10 раз.