Їхні види та особливості Блискавки. Молнія гігантський електричний іскровий розряд в атмосфері, зазвичай, може відбуватися під час грози, що виявляється яскравою. Базові знання про блискавкозахист. Блискавковідвід як основний захист від блискавок

Швидше за все, багато читачів сайту Новини наук про Землю» знають, що є кілька видів блискавок, проте навіть найосвіченіші люди іноді не підозрюють про те, скільки ж насправді буває видів блискавок. Виявляється, їх більше десяти видів, і огляди найцікавіших блискавок наводяться у цій статті. Звісно, ​​тут не лише голі факти, а й реальні фотографії реальних блискавок. Чесно кажучи, у авторів викликає подив професіоналізм фотографів, здатних сфотографувати ці атмосферні явища настільки чітко.

Отже, види блискавок будуть розглядатися по порядку, від лінійних блискавок, що найчастіше зустрічаються, до рідкісних спрайтових блискавок. Кожному виду блискавок наводиться одне або більше фото, які допомагають зрозуміти, що ж насправді така блискавка.

Отже, почнемо з лінійної блискавки хмара-земля

Як отримати таку блискавку? Та дуже просто — все, що потрібно, це кілька сотень кубічних кілометрів повітря, достатня для утворення блискавки висота і потужний тепловий двигун — ну, наприклад, Земля. Чи готові? Тепер візьмемо повітря та послідовно почнемо його нагрівати. Коли він почне підніматися, то з кожним метром підйому нагріте повітря охолоджується, поступово стаючи холоднішим і холоднішим. Вода конденсується у дедалі більші краплі, утворюючи грозові хмари. Пам'ятаєте ті темні хмари над горизонтом, побачивши яких замовкають птахи і перестають шелестіти дерева? Так ось, це і є грозові хмари, які народжують блискавки та грім.

Вчені вважають, що блискавки утворюються в результаті розподілу електронів у хмарі, зазвичай позитивно заряджений верх хмари, а негативно -. В результаті отримуємо дуже потужний конденсатор, який може іноді розряджатися в результаті стрибкоподібного перетворення звичайного повітря в плазму (це відбувається через все сильнішу іонізації атмосферних шарів, близьких до грозових хмар). Плазма утворює своєрідні канали, які, при поєднанні із землею, і є відмінним провідником для електрики. Хмари постійно розряджаються цими каналами, і бачимо зовнішні прояви даних атмосферних явищ як блискавок.

До речі, температура повітря в місці проходження заряду (блискавки) досягає 30 тисяч градусів, а швидкість розповсюдження блискавки – 200 тисяч кілометрів на годину. Загалом, кількох блискавок цілком вистачило для електропостачання невеликого міста на кілька місяців.

Блискавка земля-хмара

І такі блискавки бувають. Утворюються вони в результаті електростатичного заряду, що накопичується, на вершині найвищого об'єкта на землі, що робить його дуже «привабливим» для блискавки. Такі блискавки утворюються в результаті «пробивання» повітряного прошарку між вершиною зарядженого об'єкта та нижньою частиною грозової хмари.

Чим вище об'єкт, тим більша ймовірність того, що блискавка вдарить в нього. Тож правду кажуть – не варто ховатися від дощу під високими деревами.

Блискавка хмара-хмара

Так, блискавками можуть "обмінюватися" і окремі хмари, що вражають електричними зарядами один одного. Все просто — оскільки верхня частина хмари заряджена позитивно, а нижня — негативно, грозові хмари, що стоять поруч, можуть прострілювати електричними зарядами один одного.

Досить частим явищем є блискавка, що пробиває одну хмару, і набагато рідкісним явищем є блискавка, яка походить від однієї хмари до іншої.

Горизонтальна блискавка

Ця блискавка не б'є в землю, вона поширюється у горизонтальній площині по небу. Іноді така блискавка може поширюватися чистому небу, Виходячи від однієї грозової хмари. Такі блискавки дуже потужні та дуже небезпечні.

Стрічкова блискавка

Ця блискавка виглядає як кілька блискавок, що йдуть паралельно. В освіті їх немає жодної загадки – якщо дме сильний вітер, він може розширювати канали з плазми, про які ми писали вище, і в результаті утворюється ось така диференційована блискавка.

Бісерна (пунктирна блискавка)

Це дуже, дуже рідкісна блискавка, існує так, але як вона утворюється — поки що можна лише здогадуватися. Вчені припускають, що пунктирна блискавка утворюється в результаті швидкого остигання деяких ділянок треку блискавки, що і перетворює звичайну блискавку на пунктирну. Як бачимо, таке пояснення явно потребує доопрацювання та доповнення.

Спрайтові блискавки

Досі ми говорили лише про те, що трапляється нижче хмар, або на їхньому рівні. Але виявляється, що деякі види блискавок бувають і вищими за хмари. Про них було відомо з часу появи реактивної авіації, але сфотографовані і зняті на відео ці блискавки були тільки в 1994 році. Найбільше вони схожі на медуз, правда? Висота утворення таких блискавок – близько 100 кілометрів. Поки що не дуже зрозуміло, що вони являють собою.

Ось фото та навіть відео унікальних спрайтових блискавок. Дуже красиво, чи не так?

Кульові блискавки

Деякі люди стверджують, що кульових блискавок не буває. Інші розміщують відео кульових блискавок на YouTube та доводять, що все це – реальність. Загалом, вчені поки що твердо не впевнені в існуванні кульових блискавок, а найвідомішим доказом їхньої реальності є фото, зроблене японським студентом.

Вогні Святого Ельму

Це, в принципі, і не блискавки, а просто явище розряду, що тліє, на кінці різних гострих об'єктів. Вогні Святого Ельма були відомі в давнину, зараз вони детально описані та зображені на плівку.

Вулканічні блискавки

Це дуже красиві блискавки, які з'являються під час виверження вулкана. Ймовірно, газо-пиловий заряджений купол, який пробиває відразу кілька шарів атмосфери, викликає обурення, оскільки сам несе досить значний заряд. Виглядає все це дуже красиво, але моторошно. Вчені поки не знають точно, чому такі блискавки утворюються, і існує відразу кілька теорій, одна з яких викладена вище.

Ось кілька цікавих фактів про блискавки, які не так часто публікуються:

* Типова блискавка триває близько чверті секунди та складається з 3-4 розрядів.

* Середня гроза подорожує зі швидкістю 40 км на годину.

* Прямо зараз у світі гримлять 1800 гроз.

* В американський Емпайр-стейт-білдинг блискавка вдаряє в середньому 23 рази на рік.

* У літаки блискавка потрапляє в середньому один раз на кожні 5-10 тисяч льотних годин.

* Імовірність бути вбитим блискавкою становить 1 до 2 000 000. Такі самі шанси у кожного з нас померти від падіння з ліжка.

* Імовірність побачити кульову блискавку хоча б раз у житті становить 1 до 10 000.

* Люди, у яких потрапила блискавка, вважалися відзначеними богом. А якщо вони гинули, то нібито попадали прямо на небеса. У давнину жертв блискавки ховали на місці загибелі.

Що робити при наближенні блискавки?

В будинку

* Закрийте всі вікна та двері.
* Вимкніть з розеток усі електроприлади. Не торкайтеся їх, у тому числі телефонів, під час грози.
* Не підходьте до ванн, кранів та раковин, оскільки металеві труби можуть проводити електрику.
* Якщо в кімнату залетіла кульова блискавкаПостарайтеся вийти швидше і зачиніть двері з іншого боку. Якщо не вдається — хоч би замріть на місці.

На вулиці

* Постарайтеся зайти до будинку чи машини. У машині не торкайтеся металевих частин. Автомобіль не повинен бути припаркований під деревом: раптом блискавка вдарить у нього і дерево впаде прямо на вас.
* Якщо укриття немає, вийдіть на відкритий простір і, зігнувшись, притисніть землю. Але просто лягати не можна!
* У лісі краще сховатися під низькими кущами. НІКОЛИ не стійте під деревом, що окремо стоїть.
* Уникайте веж, огорож, високих дерев, телефонних та електричних проводів, автобусних зупинок.
* Тримайтеся подалі від велосипедів, мангалів, інших металевих предметів.
* Не підходьте до озера, річки або інших водойм.
* Зніміть із себе все металеве.
* Не стійте в натовпі.
* Якщо ви знаходитесь у відкритому місці і раптом відчуваєте, що волосся стало дибки, або чуєте дивний шум, що виходить від предметів (це значить, блискавка ось-ось вдарить!), нахилиться вперед, поклавши руки на коліна (але не на землю). Ноги повинні бути разом, п'яти притиснуті один до одного (якщо ноги не стикаються, розряд пройде через тіло).
* Якщо гроза застала вас у човні і до берега припливти ви вже не встигаєте, пригніть до дна човна, з'єднайте ноги і накрийте голову та вуха.

Молінія гігантський електричний іскровий розряд в атмосфері, зазвичай, може відбуватися під час грози, що виявляється яскравим спалахом світла і супроводжуючим її громом. Блискавки також були зафіксовані на Венері, Юпітері, Сатурні та Урані та ін. Струм у розряді блискавки досягає тисяч ампер, напруга від десятків мільйонів до мільярда вольт. Що таке молінія?

Електрична природа блискавки була розкрита в дослідженнях американського фізика Б. Франкліна (1), за ідеєю якого був проведений досвід із вилучення електрики з грозової хмари. Широко відомий досвід Франкліна щодо з'ясування електричної природи блискавки. В 1750 їм опублікована робота, в якій описаний експеримент з використанням повітряного змія, запущеного в грозу. Досвід Франкліна був описаний у роботі Джозефа Прістлі(2) Як була відкрита 12

Найчастіше молинія виникає у купово-дощових хмарах, тоді вони називаються грозовими; іноді молінія утворюється в шарувато-дощових хмарах, а також при вулканічних виверженнях, торнадо та пилових бурях. Зазвичай спостерігаються лінійні блискавки, які відносяться до так званих безелектродних розрядів, оскільки вони починаються (і закінчуються) у скупченнях заряджених частинок. Це визначає їх деякі досі не пояснені властивості, що відрізняють блискавки від розрядів між електродами. Так, блискавки не бувають коротшими за кілька сотень метрів; вони виникають в електричних полях значно слабших, ніж поля при міжелектродних розрядах; збирання зарядів, що переносяться блискавкою, відбувається за тисячні частки секунди з мільярдів дрібних, добре ізольованих один від одного частинок, розташованих в обсязі кількох км³. Найбільш вивчений процес розвитку блискавки в грозових хмарах, при цьому блискавки можуть проходити в самих хмарах внутрішньохмарних блискавок, а можуть вдаряти в землю наземні блискавки. Для виникнення блискавки необхідно, щоб у відносно малому (але не менше деякого критичного) обсягу хмари утворилося електричне поле (див. атмосферну електрику) з напруженістю, достатньою для початку електричного розряду (~ 1 МВ/м), а в значній частині хмари існувало б поле із середньою напруженістю, достатньою для підтримки розряду, що почався (~ 0,10,2 МВ/м). У блискавці електрична енергія хмари перетворюється на теплову, світлову та звукову.

Процес розвитку наземної блискавки складається із кількох стадій. На першій стадії, в зоні, де електричне поле досягає критичного значення, починається ударна іонізація, створювана спочатку вільними зарядами, що завжди є в невеликій кількості в повітрі, які під дією електричного поля набувають значних швидкостей у напрямку до землі і, стикаючись з молекулами, що становлять повітря, іонізують їх. Наземні блискавки

Внутріхмарні блискавки включають зазвичай лише лідерні стадії; їхня довжина коливається від 1 до 150 км. Частка внутрішньохмарних блискавок зростає зі зсувом до екватора, змінюючись від 0,5 в помірних широтах до 0,9 в екваторіальній смузі. Проходження блискавки супроводжується змінами електричних та магнітних полів та радіовипромінюванням, так званими атмосфериками. Імовірність ураження блискавкою наземного об'єкта зростає в міру збільшення його висоти та зі збільшенням електропровідності ґрунту на поверхні або на деякій глибині (на цих факторах заснована дія громовідведення). Якщо в хмарі існує електричне поле, достатнє для підтримки розряду, але недостатнє для його виникнення, роль ініціатора блискавки може виконати довгий металевий трос або літак особливо, якщо він сильно заряджений електрично. Таким чином іноді «провокуються» блискавки в шарувато-дощових та потужних купових хмарах. Внутріхмарні блискавки

Ельфи (англ. Elves; Emissions of Light and Very Low Frequency Perturbations from Electromagnetic Pulse Sources) являють собою величезні, але слабкі спалахи-конуси діаметром близько 400 км, які з'являються безпосередньо з верхньої частини грозової хмари. Висота ельфів може досягати 100 км, тривалість спалахів до 5 мс (загалом 3 мс). Ельфи

Джети є трубки-конуси синього кольору. Висота джетів може досягати кілометрів (нижня межа іоносфери), живуть джети відносно довше ельфів. Джет

Спрайти важко помітні, але вони з'являються майже будь-яку грозу на висоті від 55 до 130 кілометрів (висота утворення «звичайних» блискавок не більше 16 кілометрів). Це якась подоба блискавки, що б'є з хмари нагору. Вперше це явище було зафіксовано у 1989 році випадково. Зараз про фізичну природу спрайтів відомо дуже мало. Спрайти

Блискавки Кататумбо (ісп. Relámpago del Catatumbo) природне явище, що виникає над місцем впадання річки Кататумбо в озеро Маракайбо ( Південна Америка). Феномен виявляється у виникненні світіння на висоті близько п'яти кілометрів без акустичних ефектів. Блискавки з'являються майже щоночі (до двохсот днів на рік) і тривають близько десяти годин. У сумі виходить близько 1,2 мільйонів розрядів на рік. Блискавки видно з відстані до 400 кілометрів. Їх навіть використовували для навігації, через що явище також відоме під назвою "Маяк Маракайбо". Блискавки Кататумбо

Темна молінія - електричні розряди в земній атмосфері тривалістю 0,2-3,5 мс з енергією до 20 МеВ, що є на думку дослідників причиною тимчасового виходу з ладу датчиків супутників на низьких навколоземних орбітах. На відміну від звичайних блискавок ці електричні розряди в атмосфері дають дуже мало випромінювання у видимому спектральному діапазоні та практично непомітні у хмарному шарі. Темна молінія

Шарова молінія вогненна куля, що світиться плаваючою в повітрі, унікально рідкісне природне явище. Єдиної фізичної теорії виникнення та протікання цього явища на сьогодні не представлено, також існують наукові теорії, які зводять феномен до галюцинацій. Існує близько 400 теорій, що пояснюють явище, але жодна з них не отримала абсолютного визнання в академічному середовищі. У лабораторних умовах схожі, але короткочасні явища вдалося отримати декількома різними способами, тому питання про природу кульової блискавки залишається відкритим. Станом на кінець XX століття не було створено жодного досвідченого стенду, на якому це природне явище штучно відтворювалося відповідно до описів очевидців кульової блискавки. Кульова молінія

Блискавки серйозна загроза життю людей. Поразка людини або тварини блискавкою часто відбувається на відкритих просторах, Оскільки електричний струм іде найкоротшим шляхом «грозова хмара-земля». Часто молінія потрапляє в дерева та трансформаторні установки на залізницівикликаючи їх загоряння. Поразка звичайною лінійною блискавкою всередині будівлі неможлива, проте існує думка, що так звана кульова молінія може проникати через щілини та відкриті вікна. Звичайний грозовий розряд небезпечний для телевізійних та радіоантен, розташованих на дахах висотних будівель, а також для мережного обладнання. В організмі постраждалих відзначаються такі ж патологічні зміни, як при ураженні електрострумом. Жертва втрачає свідомість, падає, можуть відзначатися судоми, часто зупиняється дихання та серцебиття. На тілі зазвичай можна виявити "мітки струму", місця входу та виходу електрики. У разі смертельного результату причиною припинення основних життєвих функцій є раптова зупинка дихання та серцебиття, від прямої дії блискавки на дихальний та судинний 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 діб після смерті). Вони результат розширення капілярів у зоні контакту блискавки з тілом. Люди та молінія

У міфології та літературі: Асклепій, Ескулап син Аполлона бог лікарів та лікарського мистецтва, не тільки зцілював, а й пожвавлював мертвих. Щоб відновити порушений світовий порядок, Зевс вразив його своєю блискавкою. Фаетон син бога Сонця Геліоса одного разу взявся керувати сонячною колісницею свого батька, але не стримав вогнедишних коней і ледь не занапастив у страшному полум'ї Землю. Розгніваний Зевс пронизав Фаетона молініями. Історичні особи: Казанський губернатор Сергій Голіцин 1(12) липня 1738 року загинув під час полювання від удару блискавки. Російський академік Г. В. Ріхман у 1753 році загинув від удару блискавки під час проведення наукового експерименту. Народний депутат України, екс-губернатор Рівненської області В. Червоній 4 липня 2009 року загинув від удару блискавки. Жертви блискавок

Високі дерева є частою метою для блискавок. На реліктових деревах-довгожителя легко можна знайти множинні шрами від блискавок громобоїни. Вважається, що дерево, що одиноко стоїть, частіше уражається блискавкою, хоча в деяких лісових районах громобоїни можна побачити майже на кожному дереві. Сухі дерева від удару блискавки спалахують. Найчастіше удари блискавки бувають спрямовані в дуб, найрідше в бук, що, мабуть, залежить від різної кількості жирних олій у них, що становлять великий опір електриці. Молінія проходить у стовбурі дерева шляхом найменшого електричного опору, з виділенням великої кількостітепла, перетворюючи воду на пару, яка розколює стовбур дерева чи частіше відриває від нього ділянки кори, показуючи шлях блискавки. У наступні сезони дерева зазвичай відновлюють ушкоджені тканини і можуть закривати рану цілком, залишивши лише вертикальний шрам. Якщо збиток є надто серйозним, вітер та шкідники зрештою вбивають дерево. Дерева є природними громовідводами і, як відомо, забезпечують захист від удару блискавки для прилеглих будівель. Висаджені біля будівлі високі дерева вловлюють блискавки, а висока біомаса кореневої системи допомагає заземлювати розряд блискавки. З цієї причини не можна ховатись від дощу під деревами під час грози, особливо під високими чи одиночними на відкритій місцевості. Дерева та молінія

Рой Салліван залишився живим після семи ударів блискавкою. Американський майор Саммерфорд помер після тривалої хвороби (результат удару третьою блискавкою). Четверта молінія зруйнувала його пам'ятник на цвинтарі. У індіанців Анд удар блискавкою вважається за необхідне досягнення вищих рівнів шаманської ініціації. Цікаві факти

Блискавкозахист (громозахист, грозозахист) це комплекс технічних рішень і спеціальних пристосувань для забезпечення безпеки будівлі, а також майна та людей, що знаходяться в ньому. На земній кулі щороку відбувається до 16 мільйонів гроз, тобто близько 44 тисяч на день. Небезпека для будівель (споруд) внаслідок прямого удару блискавки може призвести до: пошкодження будівлі (споруди) та її частин, відмови в електричних та електронних частин, загибелі та травмування живих істот, що знаходяться безпосередньо в будівлі (споруді) або поблизу неї. Блискавкозахист

Сторінка 2 з 7

I. блискавка - ДЖЕРЕЛО НАВЧАЛЬНИХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНЬ

Утворення грозових хмар.

Грозові розряди- блискавки викликаються електричними зарядами, які у великій кількості накопичуються у хмарах. Механізм накопичення та поділу позитивних та негативних зарядів в основному пояснюється наявністю в грозових хмарах висхідних потоків повітря. В даний час існує багато теорій, які виходячи з наявності висхідних потоків повітря, по-різному в деталях висвітлюють електризацію хмар, але такої теорії, яка задовільно пояснювала б це явище, що спостерігається в природі, поки що немає.
Одне з поширених припущень освіти електричних набоїв у хмарах виходить з того, що цей фізичний процес відбувається в постійному електричному полі землі, яке виявив ще М. В. Ломоносов при дослідах, які він проводив.
Наша планета має негативний заряд. Напруженість електричного поля поблизу поверхні землі становить середньому 100 В/м (поле «ясної погоди»). Вона обумовлена ​​зарядами землі і мало залежить від пори року та доби та майже однакова для будь-якої точки земної поверхні. Повітря, що оточує Землю, має вільні заряди, що рухаються у напрямку електричного поля Землі. Кожен кубічний сантиметр повітря поблизу земної поверхні містить близько 600 пар позитивно та негативно заряджених частинок. З віддаленням від земної поверхні щільність заряджених частинок повітря зростає. У землі провідність повітря мала, але на відстані 80 км від земної поверхні вона збільшується в 3 млрд. разів і досягає провідності прісної води.
Таким чином, Землю з навколишньою атмосферою за електричними властивостями можна представити як шаровий конденсатор колосальних розмірів, обкладками якого є Земля і шар повітря, що проводить на відстані 80 км від поверхні Землі. Ізолюючим прошарком між цими обкладками служить мало-провідний електрику шар повітря товщиною 80 км. Між обкладками такого конденсатора напруга становить близько 200 кВ, а струм, що проходить під впливом цієї напруги, дорівнює 1,4 кА. Потужність конденсатора становить близько 300 МВт. В електричному полі цього конденсатора в інтервалі від I до 8 км від поверхні Землі утворюються грозові хмари та відбуваються грозові явища.

Рис. 1.

За характером походження грози поділяються на теплові та фронтальні. Розвиток теплової грози показано на рис. 1. Внаслідок нагрівання сонцем земної поверхні розігріваються нижні шари повітря. Теплі маси повітря розширюються і прагнуть піднятися нагору. На висоті 2 км і більше потрапляють у область негативних температур. Волога, що відноситься цими потоками повітря, конденсується і утворює грозові хмари, що складаються з найдрібніших водяних електрично заряджених крапель. Такі хмари утворюються в спекотну літню пору, переважно в другій половині дня, і займають порівняно невеликі простори.

Рис. 2.

Фронтальні грози утворюються у тих випадках, коли два потоки повітря з різною температурою рухаються назустріч один одному та стикаються своїми фронтовими частинами. При цьому потік повітря, що має нижчу температуру, прагне опуститися вниз і займає простір у безпосередній близькості від поверхні землі, а теплі маси повітря спрямовуються вгору та утворюють завихрення (мал. 2). Досягши висоти з нижчими температурами, віднесена з поверхні землі волога конденсується і утворює грозові хмари.
Фронтальні грози охоплюють широкі площі земної поверхні та рухаються зі швидкістю від 5-6 до 100-150 км/год і більше. Такі грози можуть виникати будь-якої доби. Волога, що сконденсувалася, на висотах з нижчими температурами утворює краплі різних розмірів. Перебуваючи в електричному полі «конденсатора», краплі поляризуються (рис. 3, а): нижні частини мають позитивний заряд, а верхні - негативний. Дрібні краплі висхідними потоками повітря відносяться вгору, а великі, важчі краплі падають униз. При русі вгору поляризовані краплі верхньою негативно зарядженою частиною зустрічають своєму шляху негативні і позитивні вільні заряди; перші їх відштовхуються, як мають однойменний заряд, а другі- притягуються, і краплі поступово стають позитивно зарядженими. Ті краплі, що рухаються вниз, навпаки, притягують негативні заряди та стають негативно зарядженими.

Рис. 3. :
а – поляризація дощових крапель; б - електричне поле хмари із розділеними зарядами

Отже, відбувається поділ зарядів у хмарі: у верхніх шарах його накопичуються позитивні заряди, а нижніх - негативні. Оскільки хмара є ізолятором, то на деякий час заряди залишаються на своїх місцях і не нейтралізуються. Електричне поле хмари як сильніше при накладенні на поле «ясної погоди» змінює напрямок останнього в районі свого розташування (рис. 3,6).
Заряди у хмарі розподіляються нерівномірно: у деяких точках їх щільність досягає великого значення, В інших, навпаки, вона незначна. Там, де створилося скупчення зарядів та утворилося електричне поле з напруженістю, що дорівнює критичному значенню (25-30 кВ/см залежно від висоти хмари), створюються умови для розвитку блискавки. Розряд блискавки в основних рисах подібний до довгої іскри, що виникає в повітрі між електродами, що проводять.

Іонізація повітря.

Повітря, як та інші речовини, складається з атомів, об'єднаних у молекули. Кожен атом є позитивно зарядженим ядром (протонами), навколо якого обертаються на деяких «дозволених» орбітах електрони, що мають негативний заряд, кількісно дорівнює позитивному заряду ядра. Відрив електронів від атомів чи молекул називається іонізацією. В результаті іонізації з'являються дві частинки: ядро ​​з електронами, що залишилися, що представляє собою позитивно заряджений іон, і відокремлений негативно заряджений електрон. Для здійснення акту іонізації потрібна витрата певної кількості енергії, яка називається енергією іонізації. Якщо до повітряного проміжку, утвореного двома провідними електродами, прикласти напругу, то вільні в цьому проміжку іони та електрони під впливом напруженості поля почнуть рухатися у напрямку поля. Маса електрона на 4-5 порядків менша за масу ядра. Тому вільний електрон, що рухається в електричному полі повітряного проміжку, має більшу швидкість, ніж ядро. При зіткненні з молекулами повітря електрон здатний відривати від нього нові електрони, т. е. виробляти іонізацію. Такий процес іонізації при зіткненні електрона з атомами чи молекулами називається ударною іонізацією (рис. 4).

Рис. 4.

Рис. 5.:
а - електрон в результаті зіткнення збуджує молекулу: б - при поверненні електрона але стійку орбіту випромінюється фотон, що іонізує іншу збуджену молекулу

Але не при будь-якому зіткненні електрон, що рухається, відриває інший електрон від молекули. Зіткнення може викликати перехід електрона молекули більш віддалену від ядра нестійку орбіту. При цьому віддалений електрон отримує додаткову енергію від електрона, що рухається. Цей процес називається збудженням молекули. Збуджена молекула живе протягом приблизно 10-10 с, після чого відбувається зворотний перехід електрона на стійку орбіту. При поверненні електрона на стійку орбіту збуджена молекула випромінює раніше отриману енергію у вигляді фотона, який за певних умов здатний викликати іонізацію або збудження інших молекул. Цей процес називається фотоіонізації (рис. 5). Фотоіонізацію можуть викликати фотони, що випромінюються молекулами, що беруть участь у газовому розряді, космічні промені, випромінювання радіоактивного розпаду та світлові хвилі в ультрафіолетовій частині спектра (рис. 6).

Рис. 6.
Крім того, іонізація молекул повітря може наступити за високих температур. З підвищенням температури посилюється хаотичний (тепловий) рух молекул та вільних електронів. В цьому випадку в результаті зіткнення молекул з електронами може мати місце іонізація, яка отримала назву термоіонізації.
Процес, обернений іонізації, коли заряди частинок взаємно компенсуються, називається рекомбінацією (нейтралізація зарядів частинок). При рекомбінації випромінюються фотони.

Лавини електронів. Освіта стримерів.

Якщо в повітряному проміжку між плоскими електродами напруженість електричного поля досягає критичного значення, при якому можлива ефективна ударна іонізація, то електрон, що рухається, іонізує молекулу, що призводить до утворення позитивного іона і двох
електронів. Ці електрони, розганяючись в електричному полі, іонізують кожен молекулою. В результаті утворюється три позитивні іони і чотири електрони. Продовжуючи процес іонізації призводить до утворення лавини електронів та іонів (рис. 7). Позитивні іони, що утворилися, переміщуються до негативного електрода, а електрони - до позитивного.

Рис. 7. Схема утворення лавини електронів (а) та розподіл у ній заряджених частинок (б)

Так як рухливість електронів набагато більша за рухливість іонів, то іони при розгляді цього процесу можна вважати нерухомими.
Після того, як електрони підуть на анод, об'ємний позитивний заряд, що залишився поблизу анода сильно спотворює електричне поле і підвищує напруженість. За рахунок випромінювання фотонів в області сильного поля у анода виникає іонізація повітря та утворюються вторинні електрони (рис. 8, а), які дають початок новим вторинним лавинам (рис. 8,6). Виниклі вторинні лавини прямують до області позитивного заряду анода. Електрони вторинних лавин проникають всередину позитивного об'ємного заряду та утворюють вузький ниткоподібний канал, заповнений провідною плазмою*. Такий канал отримав назву стрімера. Оскільки канал стримеру проводить, він як би подовжує анод. Напруженість поля на головці стримеру зростає, що сприяє утворенню нових електронних лавин (рис. 8,е, г), що розвиваються у напрямку голівки стримеру. Електрони нової лавини, змішуючись із позитивними іонами поблизу головки стримеру, знову утворюють плазму, і канал стримеру подовжується. Після того, як стример перекриє весь проміжок, розряд переходить у іскрову стадію (рис. 8, (3), яка характеризується інтенсивною термічною іонізацією та значним підвищенням провідності плазмового каналу.

*Плазма поряд з твердим, рідким і газоподібним станом матерії є четвертим станом і є газом, що складається з рівної кількості іонів та електронів іонізованих молекул.

Рис. 8. :
а - початкова лавина перетнула проміжок: електрони лавини поглинені анодом; голівка лавини інтенсивно випромінює фотони; б-фотоіонізація викликала вторинні лавини; електрони вторинних лавин проникають усередину первинної лавини; почалося утворення плазмового каналу – стрімера; в, г - на кінці плазмового каналу (з боку катода) різко збільшується напруженість поля, що призводить до інтенсивної фотоіонізації та виникнення нових лавин; плазмовий канал швидко проростає до катода (позитивний стример); д - стример досяг катода; розряд переходить у іскрову стадію

Так розвивається розряд у малих проміжках із однорідним електричним полем у однолавинній формі з переходом у стримерну.
За формою електричні поля діляться на однорідні, слабонеоднорідні та різко неоднорідні. Однорідним полем називається таке поле, в якому вздовж силових ліній напруженість поля є постійною. Прикладом такого поля може бути поле в середній частині плоского конденсатора.
Якщо напруженість поля вздовж силових ліній змінюється орієнтовно лише у 2-3 разу, таке полі вважається слабонеоднорідним. Прикладом слабонеоднорідного поля є поле між двома кулями кульового розрядника або поле між жилою та оболонкою кабелю. Різконеоднорідним полем називається поле, у якому напруженість змінюється вздовж силових ліній на кілька порядків. У електроустановках здебільшого електричні поля є різко неоднорідними.
У проміжках з різко неоднорідним полем, де іонізаційні процеси не охоплюють всього проміжку, концентруючись у вузькій зоні поблизу одного або обох електродів, розряд не переходить у іскрову стадію при досягненні у електродів критичного значення напруженості.

Розряд у такій формі отримав назву коронного розряду чи просто корони. Тільки подальше підвищення напруги на проміжку призводить до виникнення стримерів та переходу в стадію іскрового розряду. У проміжках довжиною в десятки сантиметрів іскровий розряд у повітрі відбувається за середньої напруги поля близько 10 кВ/см.

Лідерна стадія розряду.

У повітряних проміжках довжиною в кілька метрів або десятків метрів провідність стримерів, що утворилися, для розвитку розряду виявляється недостатньою і по сліду одного зі стримерів виникає розряд у новій так званій лідерній формі. Термічно іонізована частина каналу стримеру називається лідером. Щільність заряджених частинок у каналі лідера значно вища, ніж у стрімера. Тому потенціал головки зростає і створюються умови для кращого просування стрімера та перетворення цього стрімера на лідер.

Рис. 9. Схематичне зображення поширення негативного лідера у повітрі:
АВ – перша лавина; СД – стример
На рис. 9 показано схему утворення негативного лідера. Потік електронів рухається від негативного електрода (катода) до позитивного (аноду).
Лавини електронів показані у вигляді заштрихованих конусів, а шляхи фотонів - хвилястими лініями.
Усередині лавини (заштриховані конуси) повітря іонізується ударами електронів. Фотони, що вилетіли, також іонізують повітря (наприкінці хвилястої лінії). Електрони, отримані внаслідок іонізації молекул повітря фотонами, дають початок новим лавинам, далеко віддаленим попереду першої лавини, які, розвиваючись, зливаються в суцільний канал. При цьому фотони мають швидкість 3-1010 см/с, а швидкість просування електронів на фронті лавини досягає приблизно 1,5-107 см/с. Стример розвивається швидше, ніж просуваються лавини електронів. З рис. 9 видно, що за час, доки перша лавина пройде шлях АВ, в результаті фотоіонізації утворюється канал стримеру з підвищеною електропровідністю на довжині ЦД. Середня швидкість розвитку стримеру у бік анода дорівнює приблизно 108-109 см/с. При високій концентрації електронів, т. с. при досить великому струмі, виникає інтенсивна термоіонізація в каналі стримеру. В результаті відбувається перетворення каналу стрімера в добре провідний плазмовий канал - лідер.
У міру просування лідера вглиб проміжку на кінці лідера з'являються нові стримери, які потім також перетворюються на лідера. Поступовий поступ негативного лідера в довгому проміжку з нерівномірним полем показано на рис. 10.
По каналу стримеру ТК поширюється лідер 777 (рис. 10 а). Як тільки завершується перетворення каналу стрімера ТК на лідер, починається утворення нових лавин. Електрони з цих лавин йдуть углиб проміжку (рис. 10,6) і виникає новий стример КЛ (рис. 10, в). Траєкторія стримерів носить випадковий характер.
При такому механізмі розвитку розряду в довгих повітряних проміжках лідер може перекривати великі відстані за дуже невеликих середніх напруженостей поля - близько 1-2 кВ/см.
Коли лідер досягає протилежного електрода, закінчується лідерна стадія розряду та починається стадія головного (зворотного) розряду.
У процесі утворення головного розряду по лідерному каналу від землі поширюється електромагнітна хвиляяка знижує потенціал лідера практично до нуля. Між електродами утворюється канал, що має дуже високу провідність, через який проходить струм розряду.

Розвиток грозового розряду.

Розряд блискавки аналогічний в основних рисах розряду довгих проміжках.
Умови для розвитку блискавки створюються там хмари, де утворилися скупчення зарядів та електричне поле з напруженістю, що дорівнює критичному значенню. У цьому місці починається процес ударної іонізації, створюються лавини електронів, під впливом фотоіонізації та термоіонізації утворюються стримери, які перетворюються на лідери.

Рис. 10.

Рис. 11. :
а – оптична картина; б - струмова картина; /л - струм лідера; / р р-ток головного розряду; /_ - Струм після світіння

Блискавка може мати довжину від кількох сотень метрів до кількох кілометрів (загалом 5 км). Лідерна форма розвитку блискавки дозволяє їй перекривати такі відстані.
Оку людини блискавка представляється у вигляді суцільної безперервної лінії - вузької яскравої смуги або кількох смуг білого, світло-блакитного або яскраво-рожевого кольору. Насправді розряд блискавки складається з кількох окремих імпульсів.
Кожен імпульс має дві стадії: початкову, яка називається лідерною, та головний розряд.
Якщо імпульси розгорнути у часі, як показано на рис. 11, то видно, що розряд лідерної стадії першого імпульсу розвивається ступенями. Середня лінія щаблі становить приблизно 50 м, а пауза між окремими сходами – 30-90 мкс. Середня швидкість просування лідера складає 107-108 см/с. Затримки у розвитку ступінчастого лідера пояснюються по-різному.
Згідно з однією гіпотезою, затримка відбувається через те, що для розвитку лідера має відбуватися рух електронів вниз каналом провідного стримеру, щоб забезпечити виникнення необхідного градієнта потенціалу, а на це потрібен деякий час. Цей час і є паузою між окремими ступенями. Другий та наступні імпульси мають стрілоподібну форму лідерної стадії, а не ступінчасту. Оскільки вони розвиваються іонізованим каналом, то необхідність у ступінчастому лідері відпадає. При досягненні землі лідером першого імпульсу утворюється іонізований канал, що добре проводить. Заряд із кінця лідера швидко стікає у землю. Цей момент є початком другої стадії грозового розряду, що називається головним (зворотним) розрядом. Головний розряд поширюється у вигляді суцільної лінії, що світиться від землі до хмари (лінійна блискавка). Щойно головний розряд досягає хмари, світіння каналу слабшає. Фаза слабкого світіння називається післясвіченням.
Повторних імпульсів в одному розряді блискавки може бути до 20 і більше тривалість одного розряду блискавки досягає 1,33 с. Приблизно в 40% випадків розряд блискавки має багаторазовий характер, у середньому із трьома-чотирма імпульсами в одному розряді.
Походження повторних імпульсів пояснюється поступовим припливом зарядів у хмарі каналу блискавки.

Вибірковість грозового розряду.

На перших стадіях розвитку лідерного каналу блискавки напруженість електричного поля на його головці визначається власними зарядами лідера і скупченнями об'ємних зарядів, що знаходяться під хмарою. Напрямок розряду визначається максимальним напруженням електричного поля. На висотах цей напрямок встановлюється виключно самим каналом лідера (рис. 12,а). При наближенні лідерного каналу блискавки до земної поверхні з його електричне полі починають впливати поля землі та наземних споруд. Максимальні напруженості на шляху лідера блискавки і, отже, його напрямок визначаються не лише його власними зарядами, а й зарядами, що накопичилися на землі та на наземних спорудах (рис. 12,6).
Висота Н голівки лідера над землею, при якій вплив на поле лідера електричного поля зарядів, що накопичилися на землі та на наземних спорудах, стає таким, що у напрямку одного з наземних об'єктів відбувається найбільше посилення напруженості поля та орієнтування лідера в цьому напрямку, називається висотою орієнтування блискавки. Ця висота тим більше, що більше електричних зарядів містить канал лідера.

Рис. 12. :
а – лідер на великій висоті; б - лідер на малій висоті

Поступове просування лідера блискавки за характером до землі і головного розряду від землі до хмари у разі рівної поверхні землі показано на рис. 13.
При розвитку грозового розряду в якусь наземну споруду, наприклад, у опору лінії електропередачі, назустріч лідеру, що рухається з хмари до землі, розвивається лідер від опори, як показано на рис. 14. У цьому випадку головний розряд починається від точки дотику лідерів і поширюється як вгору, так і вниз.
З розвитку грозового розряду видно, що місце удару блискавки визначається лідерної стадією. Якщо під хмарою виявиться якась наземна споруда, то лідер, що розвивається з хмари, буде просуватися до землі по найкоротшому шляху, тобто назустріч лідеру, що йде від наземної споруди вгору. Тим самим буде визначено точку, у якій відбудеться розряд блискавки.
Досвід показує, що блискавка найчастіше вражає ті об'єкти, які добре заземлені і є хорошими провідниками електрики. Якщо об'єкти мають однакову висоту, то блискавка зазвичай вдаряє в той із них, який має найкраще заземлення та більшу провідність. Якщо ж об'єкти мають різну висоту і ґрунт навколо них має різний питомий опір, то може бути розряд в об'єкт із меншою висотою, але з кращою провідністю ґрунту (рис. 15).

Рис. 14. Розвиток лідера блискавки (три верхні малюнки) та її головного розряду (три нижніх малюнки) при ударі блискавки в металеву опору

Це пояснюється тим, що в лідерній стадії розряду струми провідності, що замикають струми зміщення в ґрунті, протікають переважно по шляхах з підвищеною провідністю і на обмежених ділянках земної поверхні накопичується більшість зарядів, індуктованих лідером. В результаті цього на електричне поле лідера з хмари, що розвивається, більший вплив надає електричне поле зарядів з більшою щільністю, які зосереджуються в місцях з кращою провідністю.
Таким чином можна пояснити вибірковість грозового розряду. Вибірково уражаються ділянки поверхні землі та наземні споруди з кращою провідністю. Спостереженнями встановлено, що на лініях електропередач високої напруги блискавкою уражаються 25-30 % опор і лише на певних ділянках траси.

Рис. 15. :
а - ґрунт з хорошою провідністю; б - ґрунт з поганою провідністю

Рис. 16. а – до розряду блискавки; б - при розряді блискавки

Теорія виборчої вражає поверхні землі була перевірена в Енергетичному інституті АН СРСР у зв'язку з розробкою грозозахисту нафтових озер. При цьому було встановлено, що поразка блискавкою нафтових озер є малоймовірною. Рідкісна поразка нафтових озер пояснюється малою провідністю нафти. На рис. 16 показано електричне поле між хмарою та землею, що містить включення нафти до розряду блискавки та при розряді блискавки. При повільному зміні електричного поля хмари (до розряду) провідність нафти забезпечує підтікання необхідної кількості зарядів у зв'язку зі зміною поля хмари. У момент розряду відбувається швидка зміна поля, і перерозподіл зарядів не встигає статися через низьку провідність нафти. Заряди зосереджуються на «берегах» нафтових озер, що призводить до посилення електричного поля між хмарою та «берегами» нафтового озера, як показано на рис. 16,6, і розряд відбувається над поверхню озера, а його «берега». Це підтверджує теорію вибірковості ударів блискавки, яка стверджує, що за інших рівних умов розряди блискавки завжди вражають місця з підвищеною провідністю ґрунту.

Параметри блискавки.

Основними параметрами, що характеризують струм блискавки, є максимальне значення імпульсу струму, крутизна фронту струму блискавки, тривалість фронту імпульсу і тривалість повного імпульсу, що дорівнює часу зменшення струму до половини максимального значення. Тривалість імпульсу струму блискавки переважно визначається часом поширення зворотного розряду від землі до хмари і становить від 20 до 80-100 мкс. Найчастіше зустрічаються у розрядах блискавки тривалості фронту імпульсу струму становлять 1,5-10 мкс. Середня тривалість імпульсу струму блискавки близька до 50 мкс, що й визначило вибір стандартного повного грозового імпульсу напруги, що застосовується для випробування електричної міцності ізоляції обладнання, що виникає на ізоляції при ударі блискавки і яка повинна витримувати без пошкодження.

Рис. 17.

Для проведення випробувань ізоляції грозовими імпульсами напруги в однакових умовах за міжнародними нормами та ГОСТ 1516.2-76 прийнято стандартний грозовий імпульс напруги, показаний на рис. 17, у якого для зручності обробки лабораторних осцилограм дійсний фронт замінюється еквівалентним косокутним.
І тому на фронті імпульсу лише на рівні 0,3 і 0,9 Umax відзначаються точки, якими проводиться пряма лінія. Перетин цієї прямої з віссю абсцис і з горизонтальною прямою, проведеною на рівні Umnx, визначає тривалість фронту імпульсу Тф. Тривалість імпульсу визначається, як показано на рис. 17.
Умовно параметри стандартного повного грозового імпульсу напруги позначаються 1,2/50, тобто фронт імпульсу Тф=1,2 мкс, а тривалість імпульсу ти= = 50 мкс. Тривалості фронту та імпульсу вимірюються в мікросекундах 11мкс-10-6 с).
Швидкість наростання струму на фронті імпульсу називається крутістю фронту та вимірюється числом ампер в одну мікросекунду.
У табл. 1 наводяться деякі параметри блискавки розрядів для рівнинної місцевості.
У гірських місцевостях амплітудні значення струмів блискавки знижуються приблизно 2 разу проти амплітудними значеннями в рівнинних місцевостях. Це зменшенням відстані від землі до хмар. При менших відстанях блискавки виникають при менших скупченнях зарядів на хмарах, що веде до зниження амплітудних значень струмів блискавки.
Як очевидно з табл. 1 струми блискавки, що протікають по опорах ліній електропередачі при їх ураженні, досягають колосальних величин - понад 200 кА.
Таблиця 1

Слід пам'ятати, що грозові розряди, мають струми великого значення, виникають дуже рідко: струми 100 кА і більше становлять лише 2 % загальної кількості грозових розрядів, а струми 150 кА і більше - 0,5 %.
Імовірнісний розподіл амплітудних значень струмів блискавки показано на рис. 18, з якого видно, що 40% всіх розрядів мають струми з амплітудними значеннями менше 20 кА.

Рис. 18.

Рис. 19. Криві імовірнісного розподілу (у відсотках) крутизна фронту імпульсу струму блискавки:
1 – для рівнинних районів; 2 - для гірських районів

Важливим параметром є крутість фронту імпульсу струму блискавки, від значень якої залежать перенапруги, що у електроустановках. Крутизна змінюється у межах і має слабку тенденцію зростати зі збільшенням амплітудного значення струму блискавки. На рис. 19 показано імовірнісне розподіл крутиз фронту імпульсу струму блискавки.

Вплив струмів блискавки.

Струми блискавки при проходженні через уражені об'єкти надають на них електромагнітні, теплові та механічні дії. Проходячи провідниками, вони виділяють кількість тепла, яке здатне розплавити провідник невеликих перерізів (телеграфні дроти, плавкі запобіжники). Струм блискавки /м, кА, що викликає нагрівання провідника до температури плавлення або випаровування, можна визначити за формулою

де k - коефіцієнт, значення якого становить міді 300-330, для алюмінію 200-230, заліза 115- 438; q - переріз провідника, мм 2; tm – тривалість імпульсу струму, мкс.
Мінімальний переріз провідника (струму відведення), що забезпечує його цілісність при проходженні струму блискавки, зазвичай приймається рівним 28 мм 2 . Сталевий провідник з таким перетином всього за десятки мікросекунд нагрівається до кількох сотень градусів при найбільших значенняхструму блискавки, але не розправляється.
При зіткненні каналу блискавки з металом може виплавлятися на глибину 3-4 мм. Випадки обривів окремих дротів, що спостерігаються в експлуатації, у грозозахисних тросів на лініях електропередачі можуть відбуватися від перепалу їх блискавкою в місці дотику її каналу з тросом. Тому сталеві блискавки, які повинні протистояти термічним впливам каналу блискавки, мають більші, ніж у струмовідводів, перерізу: 35 мм 2 у грозозахисних тросів і не менше 100 мм 2 у стрижневих блискавковідводів. При зіткненні каналу блискавки з деревом, соломою, газоподібним або рідким паливом вони можуть спалахнути і викликати пожежі.
Механічні діїструму блискавки виявляються в розщепленнях дерев, в руйнуванні кам'яних і цегляних будівель та ін. розриває її.
За дощу розщеплення деревини слабше, а без дощу сильніше. Це пояснюється тим, що змочена поверхня деревини має велику провідність і струм блискавки проходить переважно поверхнею і менше ушкоджує деревину.
Розщеплення деревини опор часто обмежується вириванням стрічок товщиною 2-3 см і шириною до 5 см, а іноді стійки та траверси опор блискавка розколює навпіл, при цьому болти та гаки ізоляторів вискакують та падають на землю. Відомий такий випадок, коли блискавка, що вдарила у стару тополю заввишки 30 м і обхопила 3 ​​м, розбила його на дрібні шматки. При проходженні через щілини та вузькі отвори струми блискавки також створюють значні руйнівні зусилля. Прикладом цього можуть бути випадки руйнування блискавкою трубчастих розрядників на лініях електропередачі. Після проходження струмів блискавки в діелектриках (кам'яні, цегляні будівлі) між зарядами, що залишаються, виникають електростатичні сили, що мають ударний характер, які призведуть до руйнування кам'яних і цегляних будівель. У стадії головного розряду струм блискавки за допомогою електромагнітного поля, що виникло, індукує напругу на проводах і провідних конструкціях електроустановок поблизу місця удару, а, проходячи через заземлені об'єкти, створює падіння напруги, які досягають сотень і навіть тисяч кіловольт.
Грозові розряди відбуваються як між хмарою та землею, так і між хмарами. Розряди, що відбуваються між хмарами, не становлять небезпеки для електроустановок. Розряди, що вражають землю, є небезпечними для людей, тварин, а також наземних споруд.

Грозова діяльність.

Інтенсивність грозової діяльності різних місцях нашої планети сильно відрізняється. Найбільш слабка грозова діяльність у північних районах нашої країни поступово збільшується на південь.
Інтенсивність грозової діяльності нині характеризується кількістю днів із грозами на рік. Середня тривалість гроз за один грозовий день на території Радянського Союзу становить 1,5-2 год.
Інтенсивність грозової діяльності будь-якого району Радянського Союзу визначається за картами грозової діяльності, складеним виходячи з багаторічних спостережень метеорологічних станцій (рис. 20).

Рис. 20. Карта грозової діяльності на території Радянського Союзу(Середньорічна тривалість гроз у годинах)

Вважається, що в районах з 30 грозовим годинником на рік на 1 км 2 земної поверхні в середньому відбувається в два роки один удар блискавки.
У земну поверхню щомиті відбувається приблизно 100 ударів блискавки.

Блискавка – цеелектричний розряд, що характеризується надпотужністю. Щоб зрозуміти, як утворюється блискавка, необхідно знати суть понять «електричний потенціал» та «різницю потенціалів».

Блискавка-цеявище, яке виникає у самій хмарі, між сусідніми хмарами або між землею та наелектризованою хмарою. Перед розрядом блискавки між цими об'єктами з'являється різниця електричних потенціалів. Якщо навести побутовий приклад, це нагадує електризацію гребінця і волосся.

Як утворюється блискавка?

Грозові хмари є великим обсягом водяної пари. Причому частина обсягу представлена ​​крижинками. Повітряні потоки, що піднімаються від землі, створюють у хмарі ефект конвекції, тому частки перебувають у русі, стикаючись постійно один з одним. У цьому великі крижані частки отримують негативний заряд, а дрібні – позитивний. Через деякий час грозова хмара, будучи єдиним об'єктом, заряджається зверху позитивно, а знизу негативно. Напруженість електрополя у своїй досягає мільйона В/м. І ось, коли заряджені таким чином хмари наближаються, між ними проскакують деякі іони і електрони, що створюють плазмовий канал, що світиться. Цей канал відкриває шлях для інших частинок. Саме так і відбувається розряд блискавки.
Розряд виділяє до мільярда джоулів енергії, а температура при цьому досягає 10 тисяч кельвін, що створює яскраве світло, яке спостерігається із землі. Розпечене такою температурою середовище розширюється вибухоподібно, що провокує утворення ударної хвилі. Це і є грім.
Ті, хто спостерігав блискавку, наголошували, що вона виглядає не прямою, а ламаною лінією. Такий ефект створюють молекули повітря, про які вдаряються частинки хмари, що рухаються плазмовим каналом, що проводить. Так, блискавка є не що інше, як пробій конденсатора, де повітря – це діелектрик, а земля та хмари – це обкладки. В цілому, конденсатор має невелику ємність, але через величезну напругу запас енергії виходить колосальним.

Види блискавок

Види блискавок залежно від напрямку розряду та форми можуть бути такими: грозова хмара – земля, хмара – хмара, внутрішньохмарні, що йдуть у небо. Близько 80% блискавок відбуваються всередині та між грозовими хмарами. Вони бувають розгалуженими та лінійними. Крім того, існує ще один вид – кульова блискавка. Це відносять до маловивченим і загадковим.

Ще 250 років тому знаменитий американський вчений і громадський діячБенджамін Франклін встановив, що блискавка – це електричний розряд. Але досі розкрити до кінця всі таємниці, які блискавка зберігає, не вдається: вивчати це природне явище складно і небезпечно.

(20 фото блискавок + відео Блискавка у сповільненій зйомці)

Всередині хмари

Грозову хмару не сплутаєш із звичайною хмарою. Її похмурий, свинцевий колір пояснюється великою товщиною: нижній край такої хмари висить на відстані не більше кілометра над землею, верхній може досягати висоти 6-7 кілометрів.

Що відбувається всередині цієї хмари? Водяна пара, з якої складаються хмари, замерзає і існує у вигляді крижаних кристалів. Висхідні потоки повітря, що йдуть від нагрітої землі, захоплюють дрібні крижинки вгору, змушуючи їх постійно стикатися з великими, що осідають вниз.

До речі, взимку земля нагрівається менше, і в цю пору року практично не утворюється потужних висхідних потоків. Тому зимові грози – вкрай рідкісне явище.

У процесі зіткнень крижинки електризуються, так само, як це відбувається при терті різних предметів один про інший, - наприклад, гребінці про волосся. Причому, дрібні крижинки набувають заряду позитивного, а великі — негативного. З цієї причини верхня частина блискавкоутворюючої хмари набуває позитивного заряду, а нижня — негативного. Виникає різниця потенціалів у сотні тисяч вольт на кожному метрі відстані як між хмарою і землею, так і між частинами хмари.

Розвиток блискавки

Розвиток блискавки починається з того, що в деякому місці хмари виникає осередок з підвищеною концентрацією іонів - молекул води і складових повітря, газів, від яких відібрали або до яких додали електрони.

За одними гіпотезами, таке вогнище іонізації виходить через розгін в електричному полі вільних електронів, що завжди є в повітрі в невеликих кількостях, і зіткненням їх з нейтральними молекулами, які відразу ж іонізуються.

За іншою гіпотезою, початковий поштовх викликається космічними променями, які постійно пронизують нашу атмосферу, іонізуючи молекули повітря.

Іонізований газ служить непоганим провідником електрики, тому через іонізовані області починає текти струм. Далі - більше: струм, що проходить, нагріває область іонізації, викликаючи все нові високоенергетичні частинки, які іонізують прилеглі області, - канал блискавки дуже швидко поширюється.

Слідом за лідером

Насправді процес розвитку блискавки відбувається у кілька стадій. Спочатку передній край провідного каналу, званий «лідером», просувається стрибками по кілька десятків метрів, щоразу, трохи змінюючи напрямок (від цього блискавка виходить звивистою). Причому швидкість просування «лідера» може, в окремі моменти, досягати 50 тисяч кілометрів за одну секунду.

Зрештою, "лідер" досягає землі або іншої частини хмари, але це ще не головна стадія подальшого розвитку блискавки. Після того, як іонізований канал, товщина якого може досягати кількох сантиметрів, виявляється «пробіт», по ньому з величезною швидкістю - до 100 тисяч кілометрів всього за одну секунду - прямують заряджені частинки, це і є блискавка.

Струм у каналі складає сотні і тисячі ампер, а температура всередині каналу, при цьому, досягає 25 тисяч градусів — тому блискавка і дає такий яскравий спалах, видимий за десятки кілометрів. А миттєві перепади температур у тисячі градусів створюють найсильніші перепади тиску повітря, що поширюються у вигляді звукової хвилі — грому. Цей етап триває дуже недовго — тисячні частки секунди, але енергія, яка виділяється, величезна.

Кінцева стадія

На кінцевій стадії швидкість і інтенсивність руху зарядів у каналі знижується, але все одно залишаються досить великими. Саме цей момент найбільш небезпечний: кінцева стадія може тривати лише десяті (і навіть менше) частки секунди. Такий, досить тривалий вплив на предмети на землі (наприклад, на сухі дерева) часто призводить до пожеж і руйнувань.

Причому, як правило, одним розрядом справа не обмежується — второваним шляхом можуть рушити нові «лідери», викликаючи в тому ж самому місці повторні розряди, за кількістю доходять до декількох десятків.

Незважаючи на те, що людству відома блискавка з появи самої людини на Землі, до цього часу вона до кінця ще не вивчена.