Доступность
Эмоциональная дистанция
Конкретика
Прошлым летом в Баварских Альпах я наблюдал грозу с метеостанции на высоте 1800 метров. Между первой вспышкой и ударом грома прошло три секунды – молния била в километре от нас. За эти три секунды произошло столько физических процессов, что их хватило бы на целый учебник. Но давайте разберём всё по порядку.
Как начинается электрическая буря
«Молния – это не просто разряд. Это результат сложной электрической машины, которая работает в облаке», – объясняет доктор Клаус Штайнмюллер из Института физики атмосферы Общества Макса Планка в Мюнхене, с которым я встретился на следующий день после той памятной грозы.
Всё начинается с движения воздушных масс внутри грозового облака. Восходящие потоки поднимают мелкие капли воды и кристаллы льда вверх, где температура достигает −40 °C. Нисходящие потоки увлекают более крупные частицы вниз.
При столкновениях происходит перенос электронов – физический процесс, который называется трибоэлектризацией. Представьте, как вы натираете воздушный шарик о шерстяной свитер, только в масштабах, где «шарик» размером с футбольное поле, а «свитер» – это миллиарды ледяных кристаллов.
Результат предсказуем: верхняя часть облака накапливает положительный заряд, нижняя – отрицательный. Разность потенциалов достигает 100 миллионов вольт. Для сравнения: в бытовой розетке – 230 вольт.
Невидимые ступени к земле
«То, что мы видим как молнию, на самом деле финал длинного процесса», – говорит Штайнмюллер, показывая высокоскоростную съёмку разряда. На записи видно то, что не различает человеческий глаз: молния движется ступенями.
Сначала из облака к земле начинает продвигаться невидимый канал ионизированного воздуха – ступенчатый лидер. Он движется зигзагами, словно ищет путь наименьшего электрического сопротивления. Скорость – около 50 000 метров в секунду. Звучит быстро, но по меркам электричества это черепашья скорость.
Лидер продвигается порциями по 50–100 метров, затем останавливается на микросекунды, потом снова прыгает вперёд. На каждой остановке он «оценивает» обстановку: где воздух более влажный, где больше пыли, где меньше плотность молекул. Именно поэтому молния имеет ломаную форму – она обходит препятствия на молекулярном уровне.
Когда лидер приближается к земле на расстояние 100–200 метров, происходит нечто интересное. Навстречу ему с высоких объектов – деревьев, зданий, громоотводов – поднимается встречный разряд. Это восходящий лидер, который движется значительно медленнее, со скоростью около 10 000 метров в секунду.
Момент контакта
«Когда лидеры встречаются, начинается настоящее представление», – комментирует физик. В точке контакта мгновенно формируется проводящий канал диаметром 2–5 сантиметров. По нему со скоростью света – 300 миллионов метров в секунду – устремляется обратный разряд от земли к облаку.
Именно этот обратный разряд мы и видим как молнию. Он несёт ток силой от 20 000 до 200 000 ампер. Для сравнения: обычная лампочка потребляет меньше одного ампера, а сварочный аппарат – около 200 ампер.
Температура канала мгновенно поднимается до 30 000 °C – в пять раз выше температуры поверхности Солнца. Воздух взрывообразно расширяется, создавая ударную волну, которую мы слышим как гром.
Весь процесс – от первого движения лидера до завершения обратного разряда – занимает около 0,2 секунды. Но человек воспринимает только последние 0,0002 секунды, когда светится главный канал.
Почему молния бьёт именно сюда
В детстве нам говорили: молния бьёт в самую высокую точку. Это правда, но не вся. «Высота – только один из факторов, – поясняет Штайнмюллер. – Электрическое поле учитывает форму объекта, материал, влажность окружающего воздуха».
Острые предметы создают более сильное электрическое поле на своих концах – физическое явление, которое называется эффектом острия. Именно поэтому молния чаще попадает в шпили, антенны, одиноко стоящие деревья. Но она может ударить и в плоскую поверхность, если там сложились подходящие условия.
Проводимость материала тоже важна. Металлические конструкции притягивают разряд сильнее деревянных. Влажная почва проводит электричество лучше сухой. Поэтому в дождь вероятность удара в конкретное место возрастает.
Интересный факт: молния может ударить в одно место несколько раз подряд. Знаменитый небоскрёб Эмпайр-стейт-билдинг в Нью-Йорке принимает около 25 ударов молний в год, иногда по несколько раз за одну грозу.
Что происходит с током в земле
После удара электрический ток не исчезает – он растекается по земле радиально от точки попадания. «Ток ищет путь обратно к облаку через любые проводящие объекты, – объясняет физик. – Металлические трубы, корни деревьев, подземные кабели».
В радиусе 30 метров от точки удара напряжение может достигать нескольких тысяч вольт. Это объясняет, почему опасно находиться рядом с местом, куда ударила молния, даже если сам разряд вас не коснулся.
Особенно опасно шаговое напряжение – разность потенциалов между двумя точками на поверхности земли, находящимися на расстоянии шага. Если встать так, чтобы ноги оказались на разном расстоянии от точки удара, через тело потечёт электрический ток.
Именно поэтому спасатели рекомендуют при грозе сидеть на корточках, сведя ноги вместе. Так минимизируется площадь контакта с землёй и вероятность попасть под шаговое напряжение.
Разные типы молний
То, что мы обычно называем молнией, физики классифицируют на несколько типов. Самые распространённые – негативные молнии, которые переносят отрицательный заряд от облака к земле. Они составляют около 90 % всех разрядов.
Позитивные молнии встречаются реже, но они мощнее. Ток в них может достигать 300 000 ампер, а длительность разряда – до полусекунды. Они бьют из верхней, положительно заряженной части облака и могут преодолевать расстояния до 25 километров.
«Позитивная молния может ударить из, казалось бы, ясного неба, – предупреждает Штайнмюллер. – Грозовое облако висит далеко, а разряд бьёт в десятках километров от него».
Существуют также внутриоблачные молнии – разряды между разноимённо заряженными областями одного облака. Их не видно с земли, но они составляют до 75 % всех электрических разрядов во время грозы. И межоблачные молнии, которые соединяют соседние грозовые ячейки.
Редкие формы разрядов
Помимо обычных молний, в атмосфере происходят более экзотические электрические явления. Спрайты – красные вспышки над грозовыми облаками на высоте 50–90 километров. Их открыли только в 1989 году, потому что они длятся всего несколько миллисекунд и видны только из космоса или с очень больших расстояний.
Эльфы – кольцевые вспышки на высоте около 100 километров, которые распространяются со скоростью света и достигают диаметра 400 километров. Синие джеты поднимаются от верхушек грозовых облаков до высоты 40–50 километров со скоростью около 100 километров в секунду.
«Мы открываем новые типы разрядов каждые несколько лет, – говорит Штайнмюллер. – Атмосфера – более сложная электрическая система, чем мы думали ещё 30 лет назад».
Энергия молнии: миф о практическом использовании
Часто можно услышать идею: а что если собирать энергию молний? Цифры кажутся впечатляющими: разряд несёт от 1 до 5 миллиардов джоулей энергии. Но тут есть подвох.
Во-первых, большая часть энергии уходит на нагрев воздуха, световое и звуковое излучение. До земли доходит всего около 250 киловатт-часов – столько потребляет средний дом в Германии за неделю.
Во-вторых, молния непредсказуема. Нельзя заранее знать, когда и где она ударит. В-третьих, пиковая мощность разряда огромна, но длится он микросекунды. Существующие технологии не позволяют эффективно накапливать такую энергию.
«Попытки использовать энергию молний – это как пытаться наполнить стакан из пожарного гидранта, – образно поясняет физик. – Теоретически возможно, практически бессмысленно».
Защита от молний: как работает громоотвод
Громоотвод изобрёл Бенджамин Франклин в 1752 году, и принцип его работы не изменился. Это металлический стержень, установленный в высшей точке здания и соединённый с землёй проводником большого сечения.
«Громоотвод не отводит молнию, – объясняет Штайнмюллер. – Он создаёт предпочтительный путь для разряда». Когда ступенчатый лидер приближается к зданию, с острого конца громоотвода поднимается встречный разряд. Молния бьёт в громоотвод, а ток безопасно уходит в землю.
Зона защиты громоотвода имеет форму конуса с углом около 45°. Здание высотой 20 метров нуждается в громоотводе высотой не менее 2 метров над самой высокой точкой крыши.
Современные системы молниезащиты включают не только громоотводы, но и сетки из металлических проводников, которые опоясывают всё здание. Такая система называется клеткой Фарадея и обеспечивает защиту даже при прямом попадании молнии.
Молния и человек: статистика выживания
Вопреки распространённому мнению, удар молнии не всегда смертелен. По данным американского Национального управления океанических и атмосферных исследований, выживаемость составляет около 90 %.
«Человек – плохой проводник электричества, – поясняет доктор Штайнмюллер. – Ток чаще проходит по поверхности тела, чем через внутренние органы». Это явление называется внешним флэшовером.
Самые частые последствия удара молнии – ожоги кожи, временный паралич, нарушения сердечного ритма. Серьёзные внутренние повреждения происходят, когда ток проходит через тело – например, от руки к ноге.
Интересный факт: некоторые люди переживали удар молнии несколько раз. Рой Салливан, рейнджер из национального парка Шенандоа, был поражён молнией семь раз в период с 1942 по 1977 год и все семь раз выжил.
Как предсказать молнию
Современные метеорологи могут предсказать грозу за 6–12 часов, но точное место и время удара молнии – за несколько секунд. Для этого используются детекторы электромагнитных импульсов.
«Каждая молния излучает радиоволны в широком диапазоне частот, – объясняет Штайнмюллер. – Сеть детекторов засекает эти импульсы и вычисляет местоположение разряда методом триангуляции».
В Европе работает сеть EUCLID, которая включает более 160 детекторов. Точность определения места удара – около 150 метров, время обработки – менее 10 секунд. Данные используются для предупреждения авиации, энергетиков, организаторов массовых мероприятий.
Персональные детекторы молний, которые продаются для туристов и спортсменов, работают по тому же принципу. Они засекают электромагнитные импульсы на расстоянии до 65 километров и предупреждают о приближении грозы за 8–20 минут.
Мифы и заблуждения
Вокруг молний сложилось множество мифов. «Молния не может ударить дважды в одно место» – неправда. Наоборот, место, куда уже попадала молния, имеет повышенные шансы быть поражённым снова.
«Резиновая обувь защищает от молнии» – тоже миф. При напряжении в миллионы вольт несколько миллиметров резины не играют никакой роли.
«В машине безопасно из-за резиновых шин» – неточно. Автомобиль защищает не резина, а металлический каркас, который работает как клетка Фарадея. Ток проходит по металлу и уходит в землю через шины.
«Молния предпочитает металлические предметы» – частично правда. Металл не притягивает молнию, но обеспечивает лучший путь для тока. Поэтому высокие металлические объекты поражаются чаще.
Молнии на других планетах
Земля – не единственное место во Вселенной, где происходят электрические разряды. Космический аппарат «Кассини» зафиксировал молнии на Сатурне. Некоторые из них длились более часа и были в тысячу раз мощнее земных.
На Венере молний больше, чем на Земле, несмотря на плотную атмосферу из углекислого газа. На Юпитере грозы могут быть размером с Землю и продолжаться месяцами.
«Молния – универсальное явление везде, где есть атмосфера и движение газов, – комментирует физик. – Изучение молний на других планетах помогает понять физику электрических разрядов в экстремальных условиях».
Когда я покидал лабораторию в Институте Макса Планка, за окном снова собирались грозовые облака. Теперь я смотрел на них другими глазами – понимая, какая сложная физическая машина работает там, наверху, готовясь продемонстрировать одно из самых впечатляющих шоу природы.
Каждая вспышка в небе – это результат миллиардов столкновений частиц, точных расчётов электрического поля и мгновенного нагрева воздуха до температуры звезды. И всё это происходит за время, которое человек даже не успевает осознать.
