Блискавка як вона виникає і наскільки небезпечна
Грози трапляються на нашій планеті частіше 40 тисяч разів на день - близько 100 спалахів блискавок кожну секунду. Що ж таке блискавка і чи може від неї врятувати громовідвід.
Звичайно, один з найнебезпечніших видів струму - блискавка, яка також відноситься і до числа самих чудових електричних явищ, потужних, не цілком передбачуваних, не до кінця зрозумілих і таємничих - в загальному, справжній коктейль.
В середньому на землі щорічно проходить близько 16 мільйонів гроз (більше 43 тисяч щодня і приблизно 1800 щогодини), які щомиті виробляють близько 100 спалахів блискавок, або понад 8 мільйонів блискавок в день. Це в масштабах всієї планети.
Блискавка - це наслідок заряджання грозових хмар. Зазвичай верхня частина хмари заряджається позитивно, а нижня - негативно.
Чому саме так, вчені поки до кінця не розібралися. Хочете вірте, хочете ні, але у фізиці атмосфери ще дуже багато питань, на які належить відповісти.
А поки в цілях простоти обговорення давайте кілька спростимо ситуацію, представивши себе хмара, негативно заряджене на тій стороні, яка знаходиться ближче до землі. Через індукції земля, найближче розташована до хмари, заряджається позитивно, і між нею і хмарою виникне електричне поле.
З фізичної точки зору розряд блискавки досить складний, але, по суті, її спалах (електричний пробій) виникає, коли електричний потенціал між хмарою і землею досягає десятків мільйонів вольт.
І хоча ми нерідко думаємо про розряд блискавки як про «стрільби» з хмари в землю, насправді рух йде і з хмари на землю, і з землі на хмару.
Сила електричного струму під час розряду блискавки середньої інтенсивності становить близько 50 тисяч ампер (хоча може досягати і декількох сотень тисяч ампер), а максимальна потужність досягає близько трильйона (1012) ват, але триває це лише кілька десятків мікросекунд.
Проте повна енергія, що виділяється в момент удару блискавки, рідко перевищує кілька сотень мільйонів джоулів, що еквівалентно енергії, яка споживається за місяць стоваттной лампочкою. Так що ідея збору енергії блискавки абсолютно непрактична і недоцільна.
Більшості з нас відомо, що визначити, як далеко від нас вдарила блискавка, можна по часу, який проходить між моментами, коли ми бачимо розряд і чуємо грім.
Причина, якої це пояснюється, дозволяє нам також отримати деяке уявлення про потужні силах, задіяних в даному процесі. І вона, до речі, не має нічого спільного з поясненням, одного разу почутим мною від свого студента: що блискавка створює щось на зразок області низького тиску, куди спрямовується повітря і стикається там з повітрям, що поступає з іншого боку, в результаті чого виходить грім. Насправді все відбувається практично в точності до навпаки.
Енергія розряду нагріває повітря приблизно до 20 тисяч ° С, тобто до температури, більш ніж в три рази перевищує температуру поверхні Сонця. Потім цей суперразогретий повітря створює потужну хвилю тиску, вона стикається з холодним повітрям навколо неї, створюючи звукові хвилі, які розповсюджуються в повітрі.
Так як звукові хвилі в повітрі переміщаються зі швидкістю близько півтора кілометрів за п'ять секунд, підрахувавши секунди, ви можете досить легко з'ясувати, наскільки далеко від вас ударила блискавка.
Тим фактом, що блискавка настільки сильно нагріває повітря, пояснюється і інше явище, з яким ви, можливо, стикалися під час грози. Ви коли-небудь помічали, наскільки свіжий, особливий запах стоїть в повітрі після грози, немов буря очистила його?
Звичайно, у великому місті це важко відчути, тому що там повітря практично завжди просякнутий вихлопними газами від автомобілів. Але навіть якщо вам пощастило почути цей чудовий аромат, ви цілком можете не знати, що це запах озону, молекули кисню, що складається з трьох атомів кисню.
Як відомо, нормальні молекули кисню - без будь-якого запаху - складаються з двох атомів кисню, і ми записуємо їх як O2. Але приголомшливий жар від блискавки розбиває ці молекули - в повному обсязі, але достатня кількість, щоб надати певний ефект.
Утворені в результаті окремі атоми кисню самі по собі нестабільні, тому прикріплюються до нормальних молекул О2, створюючи речовина О3 - озон.
Однак слід зазначити, що озон приємно пахне тільки в невеликих кількостях; у високих концентраціях його запах не такий привабливий. Його можна відчути, наприклад, під високовольтними дротами.
Якщо ви чуєте звук, що дзижчить, що виходить від проводів, це зазвичай означає, що там відбувається іскріння, зване коронним розрядом, в результаті якого і створюються молекули озону. Коли немає сильного вітру, як правило, можна відчути досить неприємний запах.
«Блискавка вдаряє в літаки в середньому більш ніж один раз на рік, але завдяки скін-ефекту вони благополучно переживають ці удари»
А тепер повернемося до ідеї, що людину від наслідків удару блискавки можуть врятувати надіті на нього кросівки на гумовій підошві.
Розряд блискавки в 50-100 тисяч ампер, здатний розігріти повітря до температури, більш ніж в три рази перевищує температуру поверхні Сонця, майже напевно спалить вас дотла, змусить битися в конвульсіях від найсильнішого ураження електричним струмом або просто підірве вас, миттєво перетворивши всю воду в вашому тілі в сверхгорячей пар.
Абсолютно незалежно від того, у що ви взуті. Саме це відбувається з деревом, в яке вдарила блискавка, - сік в ньому вибухає і зриває з нього всю кору. Сто мільйонів джоулів енергії - еквівалент майже тридцяти кілограмів динаміту, - це вам не фунт ізюму.
А як щодо того, чи безпечно перебувати всередині автомобіля, що захищає вас від удару блискавки завдяки гумовим шинам? Автомобіль дійсно може захистити вас у цій ситуації (проте ніяких гарантій!), Але за зовсім іншої причини.
Справа в тому, що електричний струм тече по поверхневих шарів провідника (це явище називається скін-ефектом), і, сидячи в автомобілі, ви опиняєтеся всередині металевої коробки, а метал, як ми вже знаємо, хороший провідник. Ви навіть можете доторкнутися до внутрішньої частини панелі воздуховода і не отримати жодної травми.
Проте я настійно закликаю вас цього не робити, оскільки це вкрай небезпечно, так як в більшості сучасних автомобілів використовуються деталі з скловолокна, а в цьому матеріалі скін-ефект відсутній.
На наше в вами щастя, з літаками ситуація зовсім інша. Блискавка вдаряє в них в середньому більш ніж один раз на рік, але завдяки все тому ж скін-ефекту вони благополучно переживають ці удари.
Імовірно Франклін так мав намір перевірити гіпотезу про те, що грозові хмари створюють електричний вогонь. Він міркував так: якщо блискавка дійсно є джерелом електроенергії, то як тільки мотузка змія намокне від дощу, вона стане хорошим провідником (хоча вчений не використовував цього слова) електрики і воно пройде вниз, до ключа, прив'язаному до її кінця.
Розповідають також, що варто було Франкліну піднести руку до ключа, як тут же з'являлася яскрава іскра. Так ось, як і в випадку з Ньютоном, який на схилі свого життя нібито стверджував, що на створення закону всесвітнього тяжіння його надихнуло яблуко, яке впало на землю з дерева, ніяких сучасних доказів того, що Франклін коли-небудь дійсно проводив цей експеримент, немає .
Є тільки звіт в листі, надісланому їм до Королівського наукового товариства в Англії, і ще один письмовий документ, складений п'ятнадцять років по тому іншому Франкліна Джозефом Прістлі (до речі, першовідкривачем кисню).
В даному випадку завдання було - відвести блискавку в землю, для чого вчений встановив на верхівці вежі довгий залізний стрижень. Кілька років по тому француз Томас-Франсуа Далібар, який зустрівся з Франкліном і перевів його ідеї на французьку мову, провів цей експеримент у дещо іншій версії і став свідком воістину неймовірного явища. Далібар встановив залізний стрижень довжиною більше 10 метрів і, направивши його в небо, побачив у його незаземленого підстави іскри.
Згодом професор Георг Вільгельм Рихман, видатний вчений, що народився в Естонії і жив в Харкові, член Харківської Академії наук, який багато років вивчав електричні явища, очевидно, натхненний експериментом Далібар, вирішив також спробувати його провести.
Поки Рихман спостерігав за обладнанням, вдарила блискавка, пройшла вниз по стрижні і ланцюги, вистрибнула за півметра від голови вченого, вдарила його струмом і відкинула через всю кімнату; художник теж отримав сильний удар струмом і втратив свідомість.
Франклін винайшов подібну штуковину, але його дітище було заземлено; сьогодні воно відоме під назвою громовідвід. Пристрій відмінно заземляє удари блискавки, проте не з тієї причини, яку припускав Франклін.
Він вважав, що громовідвід викликатиме між зарядженим хмарою і будівлею безперервний розряд, тим самим зберігаючи різницю потенціалів на низькому рівні і, отже, знижуючи небезпеку удару блискавки.
Вчений був настільки впевнений у своїй правоті, що порадив королю Георгу II встановити громовідводи на даху королівського палацу і на складах з боєприпасами.
Опоненти Франкліна стверджували, що громовідводи будуть тільки притягувати блискавки і що ефект розряду, знижуючи різниця електричних потенціалів між будівлею і грозовими хмарами, буде зовсім незначним. Але король, як свідчить історія, довірився Франкліну і встановив громовідводи.
Незабаром після цього блискавка вдарила прямо в один зі складів боєприпасів, але ушкодження виявилися мінімальними. Тобто стрижень спрацював, але за зовсім інших причин.
Критики Франкліна були абсолютно праві: громовідводи дійсно притягують блискавки і розрядка стрижня дійсно незначна в порівнянні з величезним зарядом грозової хмари. Але громовідвід все ж дає бажаний ефект - бо коли стрижень досить товстий, щоб впоратися з 10-100 тисячами ампер, струм буде залишатися в стрижні і заряд піде в землю. Виходить, Франклін був не тільки блискучим вченим - йому ще й здорово щастило!
Хіба це не дивно, що, зрозумівши природу тихого потріскування, роздають, коли ми знімаємо поліестеровий светр взимку, ми можемо також осягнути суть моторошної грози з блискавками, що висвітлюють нічне небо, і розібратися в походженні одного з найгучніших і страхітливих звуків в природі?
У певному сенсі ми всі - сучасні версії Бенджаміна Франкліна, що намагаються з'ясувати і осягнути в цьому грізному явищі те, що поки ще перебуває за межами нашого розуміння.
В кінці 1980-х років вчені вперше сфотографували різні форми блискавок, блискучих високо-високо в хмарах. Одна з різновидів називається червоними примарами і складається з червонувато-помаранчевих електричних розрядів, що відбуваються в 50-90 кілометрах над землею.
А є ще сині струменя - вони набагато більше, іноді довжиною до 70 кілометрів, і виникають у верхніх шарах атмосфери. Але ми знаємо про них лише трохи більше двадцяти років, і нам ще дуже мало відомо про причини цього приголомшливого природного явища.
Навіть незважаючи на те, що люди вивчили електрику вже досить детально, грози і раніше покриті завісою таємниці - але ж вони трапляються на нашій планеті близько 45 тисяч разів в день.
Читайте також від special.theoryandpractice.ru