Текст книги "Молния и гром"

Автор книги: И. Стекольников

сообщить о нарушении

Текущая страница: 2 (всего у книги 3 страниц)

2. Отчего происходит молния?

Подходя близко к высокому дереву или дому, грозовая туча, заряженная электричеством, действует на него совершенно так же, как в рассмотренном нами последнем опыте заряженная палочка действовала на электроскоп. На верхней части дерева или на крыше дома получается через влияние электричество иного рода, чем то, которое несёт на себе туча. Так, например, на рис. 9 туча, заряженная отрицательным электричеством, притягивает к крыше положительное электричество, а отрицательное электричество дома уйдёт в землю.

Оба электричества – в туче и в крыше дома – стремятся притянуться друг к другу. Если электричества в туче много, то и на доме образуется через влияние много электричества. Подобно тому, как прибывающая вода может размыть плотину и ринуться бурным потоком, затопляя долину в своём безудержном движении, так и электричество, всё в большем количестве накапливающееся в туче, в конце концов, может прорвать слой воздуха, отделяющий его от поверхности земли, и устремиться вниз навстречу земле, к противоположному электричеству. Произойдёт сильный разряд – между тучей и домом проскочит электрическая искра.

Это и есть молния, ударившая в дом.

Разряды молнии могут происходить не только между тучей и землёй, но и между двумя тучами, заряженными электричествами разного рода.

3. Как развивается молния?

Чаще всего молнии, ударяющие в землю, происходят от туч, заряженных отрицательным электричеством. Молния, ударяющая из такой тучи, развивается так.

Сначала из тучи по направлению к земле начинают течь электроны в небольшом количестве, в узком канале, образуя в воздухе нечто подобное ручейку. На рис. 10 показано это начало образования молнии. В той части тучи, где начинается образование канала, скопились электроны, обладающие большой скоростью движения, благодаря которой они, сталкиваясь с атомами воздуха, разбивают их на ядра и электроны. Освобождающиеся при этом электроны устремляются также по направлению к земле и, снова сталкиваясь с атомами воздуха, расщепляют их. Это похоже на падение снега в горах, когда сначала небольшой ком, катясь вниз, обрастает прилипающими к нему снежинками, и, всё ускоряя свой бег, превращается в грозную лавину. И здесь электронная лавина захватывает всё новые объёмы воздуха, расщепляя его атомы на части. При этом воздух разогревается, а при повышении температуры его проводимость усиливается; он из изолятора превращается в проводник. Через полученный проводящий канал воздуха из тучи начинает стекать электричество всё в большем количестве. Электричество приближается к земле с огромной скоростью, достигающей 100 километров в секунду. Для сравнения напомним, что скорость полёта снаряда из современных орудий не превышает двух километров в секунду.

Рис. 10. В туче начинается образование молнии.

Через сотые доли секунды электронная лавина достигает земли. Этим заканчивается только первая, так сказать, «подготовительная» часть молнии: молния пробила себе дорогу к земле. Вторая, главная часть развития молнии ещё впереди.

Рассмотренную часть образования молнии называют лидером. Это иностранное слово означает по-русски «ведущий». Лидер проложил дорожку второй, более мощной части молнии; эту часть называют главной.

Как только канал дошёл до земли, электричество начинает протекать через него гораздо более бурно и быстро. Теперь происходит соединение отрицательного электричества, скопившегося в канале, и положительного электричества, которое попало в землю с каплями дождя и путём электрического влияния – происходит разряд электричества между тучей и землёй. Такой разряд представляет собою электрический ток огромной силы – эта сила гораздо больше, чем сила тока в обычной электрической сети. Ток, протекающий в канале, очень быстро нарастает, а достигнув наибольшей силы, начинает постепенно спадать. Канал молнии, через который протекает такой сильный ток, очень разогревается и поэтому ярко светится. Но время протекания тока в грозовом разряде очень мало. Разряд длится очень малые доли секунды, и поэтому электрическая энергия, которая получается при разряде, сравнительно невелика.

На рис. 11 показано постепенное продвижение лидера молнии по направлению к земле (первые три рисунка слева). На трёх последних рисунках видны отдельные моменты образования второй (главной) части молнии.

Рис. 11. Постепенное развитие лидера молнии (первые три рисунка) и её главной части (последние три рисунка).

Человек, смотрящий на молнию, конечно, не сможет различить её лидера от главной части, так как они следуют друг за другом чрезвычайно быстро, по одному и тому же пути. Но с помощью фотографического аппарата можно отчётливо видеть оба процесса. Фотографический аппарат применяется в этих случаях особенный. Главное его отличие от обычных фотоаппаратов заключается в том, что его пластинка имеет круглую форму и во время съёмки вращается – совершенно так же, как граммофонная пластинка. Поэтому снимок, сделанный таким аппаратом, растягивается, «размазывается».

После соединения двух электричеств разного рода ток обрывается. Однако, молния обычно на этом не заканчивается. Часто по пути, проложенному первым разрядом, сразу же устремляется новый лидер, а за ним, по тому же пути, идёт снова главная часть разряда. Так завершается второй разряд.

Таких отдельных разрядов, состоящих каждый из своего лидера и главной части, может образовываться до 50 штук. Чаще же всего их бывает 2–3 штуки. Появление отдельных разрядов делает молнию прерывистой, и часто человек, смотрящий на молнию, видит её мерцание.

Вот какова причина мерцания молнии.

Так как молния состоит из нескольких быстро чередующихся вспышек света, то на вращающейся фотографической пластинке появляются отдельные изображения, находящиеся на определённом расстоянии одно от другого. Расстояние между изображениями будет тем большим, чем быстрее вращается пластинка.

Время между образованием отдельных разрядов очень мало; оно не превышает сотых долей секунды. Если число разрядов очень велико, то длительность молнии может достигать целой секунды и даже нескольких секунд. Уж не так «быстра» молния, как это представляли себе раньше!

Мы рассмотрели лишь один вид молнии, который наиболее часто встречается. Эта молния называется линейной молнией, потому что невооружённому глазу она представляется в виде линии – узкой яркой полосы белого, светло-голубого или ярко-розового цвета. Линейная молния имеет длину от сотен метров до многих километров. Путь молнии обычно зигзагообразный. Часто молния имеет много разветвлений. Как было уже сказано, разряды линейной молнии могут происходить не только между тучей и землёй, но и между тучами.

На рис. 12 изображена линейная молния.

Рис. 12. Линейная молния.

4. Отчего происходит гром?

Линейная молния обычно сопровождается сильным раскатистым звуком, который называется громом. Гром возникает по следующей причине. Мы видели, что ток в канале молнии образуется в течение очень короткого промежутка времени. При этом в канале воздух очень быстро и сильно нагревается, а от нагревания он расширяется. Расширение протекает так быстро, что оно напоминает взрыв. Этот взрыв даёт сотрясение воздуха, которое сопровождается сильными звуками. После внезапного прекращения тока температура в канале молнии быстро падает, так как тепло уходит в атмосферу. Канал быстро охлаждается, и воздух в нём поэтому резко сжимается. Это также вызывает сотрясение воздуха, которое снова образует звук. Понятно, что многократные разряды молнии могут вызвать продолжительный грохот и шум. В свою очередь, звук отражается от туч, земли, домов и других предметов и, создавая многократные эхо, удлиняет гром. Поэтому и происходят раскаты грома.

Как всякий звук, гром распространяется в воздухе с сравнительно небольшой скоростью – приблизительно 330 метров в секунду. Эта скорость лишь в полтора раза больше скорости современного самолёта. Если наблюдатель видит сначала молнию и только через некоторое время слышит гром, то он может определить расстояние, которое отделяет его от молнии. Пусть, например, между молнией и громом прошло 5 секунд. Так как за каждую секунду звук пробегает 330 метров, то за пять секунд гром прошёл расстояние в пять раз большее, а именно 1650 метров. Значит, молния ударила меньше чем в двух километрах от наблюдателя.

В тихую погоду гром доносится через 70–90 секунд, проходя 25–30 километров. Грозы, которые проходят от наблюдателя на расстоянии меньшем, чем три километра, считаются близкими, а грозы, проходящие на большем расстоянии – дальними.

5. Шаровая молния

Кроме линейной, бывают, правда гораздо реже, молнии других видов. Из них мы рассмотрим одну, наиболее интересную – шаровую молнию.

Иногда наблюдаются грозовые разряды, представляющие собой огненные шары. Как образуются шаровые молнии – пока ещё не изучено, но имеющиеся наблюдения над этим интересным видом грозового разряда позволяют сделать некоторые выводы. Приведём здесь одно из наиболее интересных описаний шаровой молнии.

Вот что сообщает знаменитый французский учёный Фламмарион:

«7-го июня 1886 года в половине восьмого вечера, во время грозы, разразившейся над французским городом Грей, небо вдруг осветилось широкой красной молнией, и при страшном треске с неба упал огненный шар, поперечником, повидимому, в 30–40 сантиметров. Рассыпая искры, он ударился о конец конька крыши, отбил от её главной балки кусок более чем в полметра длиной, расщепил его на мелкие кусочки, засыпал чердак обломками и обрушил штукатурку с потолка верхнего этажа. Затем этот шар перескочил на крышу подъезда, пробил в ней дыру, упал на улицу и, прокатившись по ней на некоторое расстояние, постепенно исчез. Пожара шар не произвёл и никому не повредил, несмотря на то, что на улице было много народа».

На рис. 13 изображена шаровая молния, заснятая фотографическим аппаратом, а на рис. 14 изображена картина художника, нарисовавшего шаровую молнию, которая упала во двор.

Рис. 13. Шаровая молния.

Рис. 14. Шаровая молния. (С картины художника.)

Чаще всего шаровая молния имеет форму арбуза или груши. Длится она сравнительно долго – от небольшой доли секунды до нескольких минут. Наиболее обычное время длительности шаровой молнии – от 3 до 5 секунд. Шаровая молния чаще всего появляется в конце грозы в виде красных светящихся шаров поперечником от 10 до 20 сантиметров. В более редких случаях она имеет и большие размеры. Была, например, сфотографирована молния поперечником около 10 метров.

Шар может быть иногда ослепительно белым и иметь очень резкий контур. Обычно шаровая молния издаёт свистящий, жужжащий или шипящий звук.

Шаровая молния может исчезать тихо, но может издавать при этом слабый треск или даже оглушающий взрыв. Исчезая, она часто оставляет остро пахнущую дымку. Вблизи земли или в закрытых помещениях шаровая молния движется со скоростью бегущего человека – приблизительно два метра в секунду. Она может оставаться в покое в течение некоторого времени, и такой «осевший» шар шипит и выбрасывает искры до тех пор, пока не исчезнет. Иногда кажется, что шаровую молнию гонит ветер, но обычно её движение от ветра не зависит.

Шаровые молнии притягиваются к закрытым помещениям, в которые они проникают через открытые окна или двери, а иногда даже через небольшие щели. Трубы представляют для них хороший путь; поэтому шаровые молнии часто появляются из печей в кухнях. Покружившись по комнате, шаровая молния оставляет помещение, уходя часто по тому самому пути, по которому она вошла.

Иногда молния два-три раза поднимается и опускается на расстояния от нескольких сантиметров до нескольких метров. Одновременно с этими подъёмами и спусками огненный шар передвигается иногда и в горизонтальном направлении, и тогда кажется, что шаровая молния делает скачки.

Часто шаровые молнии «оседают» на проводниках, предпочитая наиболее высокие точки, или катятся вдоль проводников, например – по водосточным трубам. Двигаясь по телам людей, иногда под одеждами, шаровые молнии вызывают сильные ожоги и даже смерть. Имеются многие описания случаев смертельного поражения людей и животных шаровой молнией. Шаровые молнии могут причинить очень сильные разрушения зданий.

Законченного научного объяснения шаровой молнии ещё нет. Учёные упорно изучали шаровую молнию, однако до сих пор все разнообразные её проявления объяснить не удалось. В этой области предстоит ещё большая научная работа. Конечно, ничего таинственного, «сверхъестественного» и в шаровой молнии нет. Это – электрический разряд, происхождение которого такое же, как и у линейной молнии. Несомненно, в недалёком будущем учёные смогут объяснить все подробности шаровой молнии так же хорошо, как они сумели объяснить все подробности линейной молнии.

III. Действия, производимые молнией

1. Как часто возникает молния?

Не везде на земле грозы бывают одинаково часто.

В некоторых жарких, тропических местах грозы происходят круглый год – почти каждый день. В других же местах, расположенных в северных районах, грозы бывают сравнительно редко. В нашем Союзе с его громадной территорией одни районы отличаются по частоте гроз от других весьма значительно. Так, в горных районах Кавказа (Грузия, Армения) число гроз достигает 60–70 в год. В районе же Кольского полуострова, расположенного севернее Ленинграда, грозы наблюдаются очень редко (5–10 в год). В центральных районах нашей страны грозы происходят 15–20 раз в год.

В течение одной грозы может быть очень много молний. Некоторые из них происходят высоко между тучами и земли не касаются. Мы видим их или узнаём о них по свечению в небе. Такие свечения называются зарницами. В некоторых местах Украины ночью видно так много молний и зарниц, что земля почти всё время освещена их светом.

Учёные установили, что на земном шаре в разных его местах всё время происходят грозы. Одновременно в среднем существует около 1000 гроз. Каждую секунду в землю ударяют около 100 молний.

Наблюдения показывают, что в тех местах, где за один год проходит 45–50 гроз, на каждый квадратный километр поверхности земли ударяет в среднем одна молния. Там, где грозы чаще, там и ударов молнии на один квадратный километр больше, а там, где грозы реже, ударов меньше.

2. Куда ударяет молния?

Так как молния представляет собою электрический разряд через толщу изолятора – воздуха, то он происходит чаще всего там, где слой воздуха между тучей и каким-либо предметом на поверхности земли будет меньше. Непосредственные наблюдения это и показывают: молния стремится поразить высокие колокольни, мачты, деревья и другие высокие предметы.

Однако, молния устремляется не только к высоким предметам. Из двух соседних мачт одинаковой высоты, сделанных одна из дерева, а другая из металла, и стоящих невдалеке одна от другой (рис. 15), молния устремится к металлической. Произойдёт это по двум причинам. Во-первых, металл проводит электрический ток гораздо лучше, чем дерево, даже если оно сырое. Во-вторых, металлическая мачта соединена хорошо с землёй, и электричество из земли может во время развития лидера свободнее подтекать к мачте.

Рис. 15. Молния ударяет в металлическую мачту, а не в деревянную, стоящую рядом.

Последнее обстоятельство широко используют для защиты различных строений от ударов молнии. Чем большая поверхность металла мачты соприкасается с землёй, тем легче электричеству из тучи перейти в землю. Это можно сравнить с тем, как струя жидкости льётся через воронку в бутылку. Если отверстие в воронке достаточно большое, струя будет сразу же уходить в бутылку. Если же отверстие в воронке невелико, то жидкость начнёт переливаться через край воронки и выливаться на пол.

Молния может ударить и в ровную поверхность земли, но при этом она тоже устремляется туда, где электрическая проводимость почвы больше. Так, например, сырая глина или болотистое место поражаются молнией скорее, чем сухой песок или каменистая сухая почва. По той же причине молния поражает берега рек и ручьев, предпочитая их возвышающимся вблизи них высоким, но сухим деревьям.

Эту особенность молнии – устремляться к хорошо соединённым с землёй и хорошо проводящим телам – широко используют для осуществления различных защитных устройств. Об этом будет сказано в последней главе нашей книжки.

3. Пожары, вызываемые молнией

Так как молния состоит из воздуха, раскалённого до очень высокой температуры, то соприкосновение её с различными горючими материалами воспламеняет их. Температура канала разряда достигает десятков тысяч градусов; это – во много раз больше температуры горящей спички, пламенем которой можно зажечь бумагу, солому, дерево, керосин и много других материалов. Правда, каждые отдельные вспышки молнии длятся, как мы видели, очень короткое время, но и за это время многие материалы могут воспламениться.

Даже неполный подсчёт показывает, что в СССР за 1938 и 1939 голы имело место около 6000 пожаров, вызванных грозовыми разрядами.

Наибольшее число пожаров от молнии приходится на сельские местности. Это понятно, так как там строения часто имеют деревянные или соломенные крыши, которые легко загораются.

Ущерб, приносимый молниями в промышленности, довольно значителен. Например, в Америке 55 % пожаров нефти, за последние 20 лет, вызвано грозовыми разрядами. Из произошедших там в 1937 г. 620 тысяч пожаров около 20 тысяч возникло от молнии.

При ударе молнии в тонкие проволоки, например в телеграфные провода, они нагреваются и могут расплавиться.

Иногда проволока после прохождения по ней грозового разряда совершенно исчезает. Это значит, что она испарилась, превратившись в металлические пары, совершенно так же, как вода улетучивается из кастрюли при кипячении, превратившись в пар.

Падая на землю, молния пробивает некоторый слой почвы и своим жаром спекает или остекляет песок, оставляя длинные трубки. Молния оставляет как бы расписки на земле.

4. Поражение молнией людей и животных

Если молния ударяет в человека или животное, то в большинстве случаев этот удар бывает смертельным. Лишь в тех случаях, когда поражение производится не основной частью молнии, а её ответвлением, можно отделаться сильными ожогами и увечьями, а иногда остаться невредимым.

Вот несколько таких примеров.

1 октября 1868 года во время грозы в окрестности французского города Бонелло семь человек спрятались под громадным буком. Ударившая в дерево молния убила одну женщину, остальные же люди отделались только испугом. Одежда убитой была изорвана в мелкие клочки, из них некоторые были найдены висящими на дереве.

11 августа 1855 года на дороге около другого французского города один прохожий был повален и раздет молнией. Кроме куска подбитого гвоздями сапога и одного рукава рубашки, от его костюма не осталось никаких следов (видимо, одежда сгорела). Придя в себя через десять минут после этого приключения, человек был очень удивлён, что лежит раздетый, и жаловался на холод. Несмотря на некоторые повреждения, он остался жив.

В человека или животное молния попадает редко. Всё же в местностях с большим количеством гроз от удара молнии ежегодно умирает 10–11 человек из каждого миллиона жителей.

Помимо прямого поражения, молния может воздействовать на живые существа другим путём. Представим себе, что грозовой разряд ударил в землю на некотором расстоянии от идущего человека (рис. 16). Электрический ток молнии, вступая в землю и растекаясь в ней, проходит и под ногами человека, находящегося близко от места удара. Здесь электричество входит в одну ногу, идёт по ней через тело человека и выходит через другую ногу снова в землю.

Рис. 16. Поражение человека током молнии через землю.

Чем более влажна обувь, тем больше электричества входит в тело и тем больше опасность смертельного исхода такого повреждения человека. Но если поражение оказалось и не смертельным, то всё же электрический ток в теле человека может вызвать различные повреждения его организма. Чем больше сила тока молнии и чем суше земля в месте удара, тем больше будет «опасная зона». Впрочем, опасность поражения человека или животного молнией в описанном случае не велика уже на расстоянии 5–10 метров от места удара молнии.

5. Разрушения, вызываемые молнией

Разрушительное действие молнии проявляется в самых разнообразных видах. Известен, например, случай, когда молния, ударившая в старый тополь высотою в 30 метров и обхватом в 3 метра, разбила его на мелкие куски.

При ударе молнии в какое-нибудь здание или предмет, расположенный на земной поверхности, этот предмет разрушается тем больше, чем меньше его проводимость, т. е. чем труднее по нему проходить электричеству. На металлических частях обычно не остаётся и следа от прошедших через них токов молнии. При ударе же молнии в изоляторы или предметы, плохо проводящие электрический ток, часто происходят значительные повреждения.

На рис. 17 слева показан результат удара молнии в высокую кирпичную трубу. Молния совершенно разрушила верхнюю часть трубы длиною около 30 метров. Следующие 15 метров разрушены наполовину, а в нижней части получилась трещина. Отдельные небольшие камни разлетелись на 200–300 метров. Отвалившаяся кирпичная кладка трубы повредила крышу соседнего здания.

Рис. 17. Слева: молния разрушила высокую дымовую трубу; наверху справа: молния, подобно пуле, пробила оконное стекло; внизу справа: молния расщепила пень.

На этом же рисунке видно, как молния пробила оконное стекло подобно пуле, оставив в нём лишь небольшое отверстие (наверху справа). На рис. 17 (внизу справа) показано, как искусственная молния, осуществлённая в лаборатории, расщепила пень.