Джирл Уокер - Новый физический фейерверк

На земле в обычных условиях имеется избыток свободных электронов, но когда над каким-то местом повисает заряженная туча, электроны оттуда уходят, поскольку их отталкивают отрицательные заряды, собравшиеся в основании тучи. Так место под тучей становится положительно заряженным. Эти заряды на земле и соответствующее распределение зарядов в туче приводят к появлению большого электрического поля между землей и тучей. Если оно превысит некоторое критическое значение, возникнет разряд, начинающийся у основания тучи.

Рис. 5.1 / Задача 5.1

Затем по направлению к земле начинает распространяться зигзагообразный ступенчатый лидер, который по дороге ионизует атомы , выдирая с их внешних орбит электроны, и переносит вниз часть отрицательных зарядов с тучи. Он слишком слабо светится и невидим для глаза, но сфотографировать его можно. Длина ступенек составляет примерно 50 м (поэтому его называют ступенчатым), причем путей распространения ступенчатого лидера вниз очень много, и они весьма разветвленные. Хотя наблюдателю на земле обычно кажется, что молния идет вертикально вниз, часть ее пути в основном горизонтальна. Лишь когда молния приблизится к поверхности земли, она начинает «замечать» некоторые объекты на земле, например высокие деревья.

От таких объектов вверх вытягиваются каналы, образованные ионизованными атомами, — восходящие стримеры . Когда один из этих стримеров встречается со ступенчатым лидером, канал замыкается, возникает проводящий путь между тучей и землей, и электрическое поле ускоряет электроны, находящиеся у поверхности земли вдоль этого пути. Проводимость канала возрастает, и по нему протекает основной ток, причем в направлении от земли к туче. Этот ток называется возвратным ударом, вот он и есть та молния, которую мы обычно видим. Поскольку электроны ускорены полем, они по пути сталкиваются с молекулами воздуха, выбивают из них электроны и сильно поднимают температуру воздуха на своем пути. При нагревании воздух так быстро расширяется, что возникает ударная волна, которая и образует удар грома. Когда освободившиеся электроны рекомбинируют с молекулами воздуха, вспыхивает ярким светом молния. Хотя молния может быть яркой и мощной, толщина проводящего пути, в котором вся эта активность происходит, около сантиметра в диаметре.

Когда проводящий путь установился, к его верхней части начинают стекаться электроны из других частей тучи, и из нее вниз может быть послано несколько электронных импульсов. Эти множественные импульсы можно увидеть — они проявляются в виде мерцающей молнии. Если во время формирования множественных импульсов проводящий канал будет сдуваться в сторону сильным ветром, вместо единичной молнии можно увидеть несколько параллельных молний, напоминающих свисающую с облака ленту.

В большинстве молний образуется распространяющийся сверху вниз ступенчатый лидер, и электроны перемещаются от тучи к земле. Однако идущий вниз ступенчатый лидер может начаться и в более высоких, положительно заряженных слоях тучи, и тогда электроны будут двигаться от земли к туче. А еще ступенчатый лидер может начаться на земле, скорее всего, в каких-либо высоких точках типа небоскребов, и распространяться от них вверх. Такой ступенчатый лидер, направляющийся к нижней части тучи, переносит электроны на землю, а лидер, направляющийся к верхней ее части, переносит электроны на тучу. Можно определить, что эти ступенчатые лидеры идут от земли, по тому, что они ветвятся снизу вверх . В конце грозы иногда происходят разряды между облаками, и тогда на нижней части грозовых туч можно увидеть молнию-паутину — красивейшую, медленно расширяющуюся во все стороны светящуюся картину.

Почему прямое попадание молнии обычно приводит к смерти? Почему иногда при ударе молнии с человека срывает одежду и обувь? Оказавшись в грозу на улице, что должен сделать человек, чтобы свести опасность удара к минимуму? Например, должен ли он спрятаться под деревом или встать на открытом месте? Должен ли он стоять неподвижно, присесть или убежать? Могут ли у человека волосы встать дыбом и является ли это сигналом опасности?

Почему во время грозы могут пострадать целые группы людей, например бейсболисты во время матча, ведь молния может попасть только в одного игрока? Тем не менее при ударе молнии иногда падают все игроки.

Почему во время грозы коровы, овцы и лошади обычно находятся в большей опасности, чем люди?

Есть много рассказов о том, как Бенджамин Франклин — известный американский ученый и государственный деятель — при приближении грозы запускал воздушного змея, чтобы продемонстрировать электрические свойства молний. Почему его не убило молнией?

ОТВЕТ •Человека может ранить или убить молнией пятью различными способами.

• 1. Наиболее очевидный способ: при прямом попадании молнии большой ток (движущиеся электроны) может пройти через грудь, остановить сердце, парализовать мышцы, с помощью которых человек дышит, и вызвать внутренние ожоги. Впрочем, если одежда человека сильно промокла, то есть стала проводящей, ток может не попасть внутрь тела, и тогда человек может остаться жив.

• 2. Можно получить повреждения, если прикоснуться к предмету, например автомобилю, в момент, когда в него попадает молния. Часть тока при этом пройдет через человека.

• 3. Можно получить повреждения, если стоять рядом с предметом, например с деревом, в который попала молния. Часть тока может пробить воздушный зазор и пройти через человека. Этот разряд называется боковым разрядом . Если повезет, ток в этом случае может оказаться не настолько большим, чтобы убить жертву.

• 4. Менее очевидный способ получить повреждение или погибнуть от удара молнии, связан с током молнии, проходящим по поверхности земли ( земным током ). Если человек одной ногой стоит ближе к месту попадания молнии в землю, а другой дальше, ток может пройти от ближней ноги через тело, а затем вниз по второй ноге (рис. 5.2а). Если этот ток достаточно велик, он может временно парализовать жертву. Ток через землю может сбить с ног целую группу людей, например игроков бейсбольной команды.

• 5. Пятый способ еще более изощренный. Как уже объяснялось выше, обычно при грозе ступенчатый лидер, совершающий свой извилистый путь от тучи вниз, встречается на этом пути с коротким восходящим стримером, в котором молекулы воздуха ионизованы. В момент встречи происходит полноценный разряд с огромным током. Другие восходящие стримеры обычно тоже образуются, но они не входят в контакт со ступенчатым лидером. Хотя ток в этих «тупиковых» стримерах не достигает значения полноценного тока молнии, однако если такой стример пройдет через тело человека, это может привести к летальному исходу.