Доповідь
Грім і блискавка
Грім - звукове явище в атмосфері, що супроводжує розряд блискавки. Грім являє собою коливання повітря під впливом дуже швидкого підвищення тиску на шляху блискавки, внаслідок нагрівання приблизно до 30 000 ° С. Гуркіт грому виникають через те, що блискавка має значну довжину і звук від різних її ділянок і доходить до вуха спостерігача не одночасно, крім того виникнення розкатів сприяє відображення звуку від хмар, а також тому, що через рефракції звукова хвиля поширюється по різними шляхами і приходить з різними запізнюваннями, крім того сам розряд відбувається не миттєво, а триває кінцевий час.
Гучність гуркоту грому може досягати 120 децибел.
Вимірюючи інтервал часу минув між спалахом блискавки і ударом грому можна приблизно визначити відстань, на якому знаходиться гроза. Так як швидкість світла дуже велика в порівнянні зі швидкістю звуку, то нею можна знехтувати, враховуючи лише швидкість звуку, яка складає приблизно 350 метрів в секунду. (Але швидкість звуку дуже мінлива, залежить від температури повітря, чим вона нижча, тим менше швидкість.) Таким чином, помноживши час між спалахом блискавки і ударом грому в секундах на цю величину, можна судити про близькість грози [1], а зіставляючи подібні вимірювання, можна судити про те, чи наближається гроза до спостерігача (інтервал між блискавкою і громом скорочується) або віддаляється (інтервал збільшується) [2]. Як правило, грім чути на відстані до 15-20 кілометрів, таким чином, якщо спостерігач бачить блискавку, але не чує грому, то гроза знаходиться на відстані не менше 20 кілометрів.
Іскровий розряд (іскра електрична) - нестаціонарна форма електричного розряду, яка відбувається в газах. Такий розряд виникає зазвичай при тиску порядку атмосферного і супроводжується характерним звуковим ефектом - «тріском» іскри. Температура в головному каналі іскрового розряду може досягати 10 000 К. У природі іскрові розряди часто виникають у вигляді блискавок. Відстань "пробиває" іскрою в повітрі залежить від напруги і вважається рівним 10 кВ на 1 сантиметр.
Іcкровой розряд зазвичай відбувається, якщо потужність джерела енергії недостатня для підтримання стаціонарного дугового розряду або тліючого розряду. У цьому разі одночасно з різким зростанням розрядного струму напруга на розрядному проміжку протягом дуже короткого часу (від кількох мікросекунд до декількох сотень мікросекунд) падає нижче напруги згасання іскрового розряду, що призводить до припинення розряду. Потім різниця потенціалів між електродами знову зростає, досягає напруги запалювання і процес повторюється. В інших випадках, коли потужність джерела енергії достатньо велика, також спостерігається вся сукупність явищ, характерних для цього розряду, але вони є лише перехідним процесом, що призводить до встановлення розряду іншого типу - найчастіше дугового. Якщо джерело струму не здатний підтримувати самостійний електричний розряд протягом тривалого часу, то спостерігається форма самостійного розряду, звана іскровим розрядом.
Іскровий розряд являє собою пучок яскравих, швидко зникаючих або змінюють один одного ниткоподібних, часто сильно розгалужених смужок - іскрових каналів. Ці канали заповнені плазмою, до складу якої в потужному іскровому розряді входять не тільки іони вихідного газу, але і іони речовини електродів, інтенсивно випаровується під дією розряду. Механізм формування іскрових каналів (і, отже, виникнення іскрового розряду) пояснюється стримерного теорією електричного пробою газів. Відповідно до цієї теорії, з електронних лавин, що виникають в електричному полі розрядного проміжку, при певних умовах утворюються стрімери - тьмяно світяться тонкі розгалужені канали, які містять іонізовані атоми газу й отщепленим від них вільні електрони. Серед них можна виділити т. н. лідер - слабо світиться розряд, «прокладає» шлях для основного розряду. Він, рухаючись від одного електрода до іншого, перекриває розрядний проміжок і з'єднує електроди безперервним проводять каналом. Потім у зворотному напрямку по прокладеному шляху проходить головний розряд, супроводжуваний різким зростанням сили струму та кількості енергії, що виділяється в них. Кожен канал швидко розширюється, в результаті чого на його кордонах виникає ударна хвиля. Сукупність ударних хвиль від розширюються іскрових каналів породжує звук, що сприймається як «тріск» іскри (у разі блискавки - грім).
Напруга запалювання іскрового розряду, як правило, досить велике. Напруженість електричного поля в іскрі знижується від кількох десятків кіловольт на сантиметр (кв / см) у момент пробою до ~ 100 вольт на сантиметр (в / см) через кілька мікросекунд. Максимальна сила струму в потужному іскровому розряді може досягати значень порядку декількох сотень тисяч ампер.
Особливий вид іскрового розряду - ковзний іскровий розряд, що виникає уздовж поверхні розділу газу та твердого діелектрика, поміщеного між електродами, за умови перевищення напруженістю поля пробивний міцності повітря. Області ковзаючого іскрового розряду, в яких переважають заряди якого-небудь одного знака, індукують на поверхні діелектрика заряди іншого знака, внаслідок чого іскрові канали стеляться по поверхні діелектрика, утворюючи при цьому так звані фігури Ліхтенберга. Процеси, близькі до відбуваються при іскровому розряді, властиві також кистьовому розряду, який є перехідною стадією між коронним та іскровим.
Блискавка - гігантський електричний іскровий розряд в атмосфері, зазвичай відбувається під час грози, виявляється яскравим спалахом світла і супроводжуючим її громом. Блискавки також були зафіксовані на Венері, Юпітері, Сатурні і Урані. Струм в розряді блискавки досягає 10-20 тисяч ампер, тому мало кому з людей вдається вижити після поразки їх блискавкою.
Електрична природа блискавки була розкрита в дослідженнях американського фізика Б. Франкліна, по ідеї якого був проведений досвід по вилученню електрики з грозової хмари. Широко відомий досвід Франкліна щодо з'ясування електричної природи блискавки. У 1750 році їм опублікована робота, в якій описано експеримент з використанням повітряного змія, запущеного в грозу. Досвід Франкліна був описаний в роботі Джозефа Прістлі.
Середня довжина блискавки 2,5 км, деякі розряди тягнуться в атмосфері на відстань до 20 км. Струм в розряді блискавки досягає 10-20 тисяч ампер.
Формування блискавки
Найбільш часто блискавка виникає в купчасто-дощових хмарах, тоді вони називаються грозовими; іноді блискавка утворюється в шарувато-дощових хмарах, а також при вулканічних виверженнях, торнадо і пилових бурях.
Зазвичай спостерігаються лінійні блискавки, які відносяться до так званих безелектродним розрядами, так як вони починаються (і закінчуються) в скупченнях заряджених частинок. Це визначає їх деякі до цих пір не пояснені властивості, що відрізняють блискавки від розрядів між електродами. Так, блискавки не бувають коротше декількох сотень метрів, вони виникають в електричних полях значно слабших, ніж поля при міжелектродних розрядах; збір зарядів, що переносяться блискавкою, відбувається за тисячні частки секунди з мільярдів дрібних, добре ізольованих один від одного частинок, розташованих в об'ємі кілька км ³. Найбільш вивчений процес розвитку блискавки в грозових хмарах, при цьому блискавки можуть проходити в самих хмарах - внутріоблачние блискавки, а можуть бити в землю - наземні блискавки. Для виникнення блискавки необхідно, щоб у відносно малому (але не менше деякого критичного) обсязі хмари утворилося електричне поле (див. атмосферну електрику) з напругою, достатньою для початку електричного розряду (~ 1 МВ / м), а в значній частині хмари існувало б полі з середньою напруженістю, достатньої для підтримки почався розряду (~ 0,1-0,2 МВ / м). У блискавки електрична енергія хмари перетворюється на теплову і світлову.
Наземні блискавки
Процес розвитку наземної блискавки складається з декількох стадій. На першій стадії, в зоні, де електричне поле досягає критичного значення, починається ударна іонізація, створювана спочатку вільними зарядами, завжди наявними в невеликій кількості в повітрі, які під дією електричного поля набувають значні швидкості у напрямку до землі і, зіштовхуючись із молекулами, що становлять повітря, іонізують їх. За більш сучасним уявленням, розряд ініціюють високоенергетичні космічні промені, які запускають процес, який отримав назву пробою на тікають електронах [1]. Таким чином виникають електронні лавини, що переходять в нитки електричних розрядів - стримери, що представляють собою добре провідні канали, які, зливаючись, дають початок яскравому термоіонізованному каналу з високою провідністю - ступінчастому лідеру блискавки.
Рух лідера до земної поверхні відбувається ступенями в кілька десятків метрів зі швидкістю ~ 50 000 кілометрів на секунду, після чого його рух припиняється на кілька десятків мікросекунд, а свічення сильно слабшає, потім в наступній стадії лідер знову просувається на кілька десятків метрів. Яскраве світіння охоплює при цьому всі пройдені ступені; потім слідують знову зупинка і ослаблення світіння. Ці процеси повторюються при русі лідера до поверхні землі з середньою швидкістю 200 000 метрів в секунду.
У міру просування лідера до землі напруженість поля на його кінці посилюється і під його дією з виступаючих на поверхні Землі предметів викидається у відповідь стример, що з'єднується з лідером. Ця особливість блискавки використовується для створення блискавковідводу.
У заключній стадії за ионизованном лідером каналу відбувається зворотний (знизу вгору), або головний, розряд блискавки, характеризується струмами від десятків до сотень тисяч ампер, яскравістю, що помітно перевищує яскравість лідера, і великою швидкістю просування, спочатку доходить до ~ 100 000 кілометрів в секунду , а в кінці зменшується до ~ 10 000 кілометрів в секунду. Температура каналу при головному розряді може перевищувати 25 000 ° C. Довжина каналу блискавки може бути від 1 до 10 км, діаметр - кілька сантиметрів. Після проходження імпульсу струму іонізація каналу і його світіння слабшають. У фінальній стадії струм блискавки може тривати соті і навіть десяті частки секунди, досягаючи сотень і тисяч ампер. Такі блискавки називають затяжними, вони найбільш часто викликають пожежі.
Головний розряд розряджає нерідко тільки частина хмари. Заряди, розташовані на великих висотах, можуть дати початок новому (стріловидному) лідерові, який рухається безперервно з швидкістю в тисячі кілометрів на секунду. Яскравість його світіння близька до яскравості ступеневої лідера. Коли стрілоподібний лідер доходить до поверхні землі, слід другий головний удар, подібний до першого. Зазвичай блискавка включає кілька повторних розрядів, але їх кількість може доходити і до декількох десятків. Тривалість багаторазової блискавки може перевищувати 1 сек. Зсув каналу багаторазової блискавки вітром створює так звану стрічкову блискавку - світиться смугу.
Внутріоблачние блискавки
Внутріоблачние блискавки включають в себе зазвичай тільки лідерних стадії; їх довжина коливається від 1 до 150 км. Частка внутріоблачних блискавок зростає в міру зміщення до екватора, змінюючись від 0,5 в помірних широтах до 0,9 в екваторіальній смузі. Проходження блискавки супроводжується змінами електричних і магнітних полів і радіовипромінювання, так званими атмосфериками.
Можливість поразки блискавкою наземного об'єкта зростає в міру збільшення його висоти і з збільшенням електропровідності грунту на поверхні або на деякій глибині (на цих факторах грунтується дію громовідводу). Якщо в хмарі існує електричне поле, достатнє для підтримки розряду, але недостатня для його виникнення, роль ініціатора блискавки може виконати довгий металевий трос або літак - особливо, якщо він сильно електрично заряджений. Таким чином іноді «провокуються» блискавки в шарувато-дощових і потужних купчастих хмарах.
Блискавки у верхній атмосфері
У 1989 році був виявлений особливий вид блискавок - ельфи, блискавки у верхній атмосфері [2]. У 1995 році був відкритий інший вид блискавок у верхній атмосфері - джети [2].
Ельфи
Ельфи (англ. Elves; Emissionsof Lightand VeryLow Frequency Perturbations from Electromagnetic PulseSources) представляють собою величезні, але слабосветящіеся спалаху-конуси діаметром близько 400 км, які з'являються безпосередньо з верхньої частини грозової хмари [2]. Висота ельфів може досягати 100 км, тривалість спалахів - до 5 мс (в середньому 3 мс) [2] [3].
Джети
Джети представляють собою трубки-конуси синього кольору. Висота джетів може досягати 40-70 км (нижня межа іоносфери), живуть джети щодо довше ельфів [4] [5].
Взаємодія блискавки з поверхнею землі та розташованими на ній об'єктами
«У кожну секунду близько 50 блискавок вдаряються в поверхню землі, і в середньому кожен її квадратний кілометр блискавка вражає шість разів за рік» [6].
Найпотужніші блискавки викликають народження фульгуритів. [6]
Люди і блискавка
Блискавки - серйозна загроза для життя людей. Ураження людини або тварини блискавкою часто відбувається на відкритих просторах, так як електричний струм йде по найкоротшому шляху «грозова хмара-земля». Часто блискавка потрапляє в дерева і трансформаторні установки на залізниці, викликаючи їх спалах. Поразка звичайної лінійної блискавкою всередині будівлі неможливо, проте існує думка, що так звана кульова блискавка може проникати через щілини і відкриті вікна. Звичайний грозовий розряд небезпечний для телевізійних і радіоантен, розташованих на дахах висотних будинків, а також для мережевого обладнання.
В організмі потерпілих відзначаються такі ж патологічні зміни, як при ураженні електрострумом. Жертва непритомніє, падає, можуть відзначатися судоми, часто зупиняється дихання і серцебиття. На тілі зазвичай можна виявити «мітки струму», місця входу і виходу електрики. У випадку смертельного результату причиною припинення основних життєвих функцій є раптова зупинка дихання і серцебиття, від прямої дії блискавки на дихальний і судиноруховий центри довгастого мозку. На шкірі часто залишаються так звані знаки блискавки, деревоподібні світло-рожеві або червоні смуги, що зникають при натисканні пальцями (зберігаються протягом 1 - 2 доби після смерті). Вони - результат розширення капілярів в зоні контакту блискавки з тілом.
При ураженні блискавкою перша медична допомога повинна бути нагальною. У важких випадках (зупинка дихання і серцебиття) необхідна реанімація, її повинен надати, не чекаючи медичних працівників, будь-який свідок нещастя. Реанімація ефективна тільки в перші хвилини після поразки блискавкою, розпочата через 10 - 15 хвилин вона, як правило, вже не ефективна. Екстрена госпіталізація необхідна в усіх випадках.