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 проходит через ряд ступенек 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 ступеньками) и как молния может перемещаться на километры.
До сих пор не было окончательного объяснения, но физик плазмы из Университета Южной Австралии опубликовал знаменательную статью, которая решает обе загадки. Новое исследование опубликованное в журнале Journal of Physics D: Applied Physics дает объяснение.
Интенсивные электрические поля в грозовых облаках возбуждают электроны, чтобы иметь достаточно энергии для создания так называемых «синглетных дельта-молекул кислорода».
Эти молекулы и электроны образуют короткую высокопроводящую ступеньку, которая ярко вспыхивает на миллионную долю секунды.
В конце ступеньки 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.
Увеличение атмосферной влаги и тепла вызывает более интенсивные штормы. Фото: Public Domain.
Что приводит к удару молнии?
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 неотчетливых «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 по «ступеням» длиной около 50 метров. Каждая ступенька становится яркой на миллионную долю секунды, но потом наступает почти полная темнота.
Еще через 50 миллионных долей секунды образуется еще одна ступенька в конце предыдущей ступеньки, но предыдущие ступеньки остаются темными.
Почему такие ступеньки? Что происходит в темные пероды между ступеньками? Как ступеньки 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, а это 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 отцепляет 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 процента кислорода в воздухе находится в метастабильном состоянии, воздух может проводить электричество.
Таким образом, молниеносные ступеньки происходят по мере того, как создается достаточное количество метастабильных состояний, чтобы отсоединить значительное количество электронов. Во время темной части ступеньки плотность метастабильных состояний и электронов растет.
Через 50 миллионных долей секунды, ступенька может проводить электричество — и электрический потенциал на кончике ступеньки увеличивается примерно до потенциала облака и создает следующую ступеньку.
Возбужденные молекулы, созданные на предыдущих ступеньках, образуют столбик вплоть до облака. В этом случае весь столбик является электропроводящим, не требует электрического поля и имеет небольшое излучение света.
Заставляя воду внутри строений кипеть, удар молнии может разрушать деревья и здания. Фото: Public Domain.
Защита людей и имущества.
Понимание формирования молнии важно для проектирования защиты зданий, самолетов, а также людей.
Хотя молнии редко поражают людей, в здания попадают много раз, особенно в высокие и изолированные (Эмпайр-стейт-билдинг молния поражает около 25 раз в год).
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.
Решение по защите сооружений от ударов молнии оставалось неизменным на протяжении сотен лет. Громоотвод, изобретенный Бенджамином Франклином в 1752 году, представляет собой толстую проволоку, 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 по молниезащите рекомендует заземлять такие укрытия.
«Улучшение молниезащиты так важно сейчас из-за более экстремальных погодных явлений из-за изменения климата. Чем больше мы знаем о том, как возникает молния, тем лучше мы будем информированы при проектировании нашей искусственной среды», - говорят исследователи.
Источник: The Conversation
