Спрайты и джеты научная передача. Спрайты. Необычные молнии. Механизм возникновения спрайтов

Правообладатель иллюстрации ESA/NASA Image caption МКС делает уникальные снимки природных явлений

Грозы с молниями - одно из наиболее зрелищных явлений природы. Однако с поверхности Земли мы можем видеть лишь "верхушку айсберга".

В верхних слоях атмосферы происходят невероятные вещи. Именно их должна изучить новая космическая обсерватория.

В понедельник на Международную космическую станцию (МКС) отправилось оборудование для изучения влияния грозовых штормов на земную атмосферу, так называемый монитор исследования атмосферно-космических взаимодействий (ASIM).

• 2 апреля ракета-носитель доставила на МКС беспилотник Dragon с 2,6 тоннами груза на борту, в числе которого - провиант для космонавтов и новая техника.

Небесная лаборатория

Находясь на высоте всего 400 км над Землей, МКС предоставляет отличную возможность увидеть изменения в погодных системах.

Система ASIM должна заработать на борту станции уже в этом месяце.

Media playback is unsupported on your device

В частности, на станции часто наблюдают электрические явления в атмосфере, возникающие во время грозы.

Но когда появляется молния, над облаками происходят совершенно иные процессы.

Так называемые переходные люминесцентные явления (Transient Luminous Events, TLEs) ученые обнаружили в 1989 году, совершенно случайно.

Американский профессор из Университета Миннесоты Джон Рэндольф Уинклер в преддверии запуска ракеты проверял работу телекамеры. Неожиданно ученый заметил, что два кадра запечатлели яркие полоски света, находившиеся над отдаленным от них штормовым облаком.

Это открытие потрясло ученых, в том числе ведущего исследователя команды ASIM Торстена Нойберта, физика из Датского технического университета.

"Это всех нас очень удивило. Как это возможно, что такое существует, а мы об этом до сих пор не знали? Похоже, это явление известно пилотам - есть несколько рассказов очевидцев [подобных процессов - Ред.]", - прокомментировал Нойберт.

Добрую половину века до снимков Уинклера те, кто замечал подобные вспышки (переходные люминесцентные явления (TLE), обычно описывали их как восходящие лучи, или "молнии наоборот" - направленные не вниз, к Земле, а вверх.

Из-за их быстротечной природы и загадочности эти явления назвали "спрайтами" и "эльфами".

• Название "спрайт" произошло от английского sprite, то есть "фея", "эльф". С точки зрения физики, это вид электрических разрядов холодной плазмы, бьющей в мезосфере и термосфере. В русскоязычной литературе их иногда также называют "призраками" и "красными призраками" - Ред.

Однако, несмотря на уменьшительно-ласкательное название, которым прозвали феномен, на самом деле вспышки эти совсем не маленькие: они простираются в атмосфере на десятки километров.

Красные призраки, эльфы и голубые струи

Итак, как же образуются эти явления?

"Они несколько отличаются от молний, - рассказывает Би-би-си физик Торстен Нойберт. - Это пульсация электрического поля, движущаяся вверх. В месте, где атмосфера становится тонкой, в поле может образоваться электрический разряд. В таком случае мы говорим о спрайте".

Спрайты, или красные призраки, возникают через миллисекунды после мощного удара молнии.

Эльфы, в свою очередь, образуются вследствие уже не электрической, а электромагнитной пульсации, вызванной ударом молнии. Мгновенный, подобный ауре, ареол эльфа невозможно заметить невооруженным глазом. Возникая в ионосфере, он длится менее одной миллисекунды.

Но, несмотря на свою неуловимость, природу эльфов удалось на удивление хорошо изучить, считает Мартин Фуллекруг из Университета Бата в Великобритании.

Это наиболее распространённые вспышки TLE, возникающие, по мнению ученых, вдвое чаще, чем спрайты.

Наименее изучены так называемые голубые струи (англ. Blue jets - Ред), или джеты. Это восходящие электрические разряды, начинающиеся у вершин облаков.

"Джеты не слишком хорошо изучены, поскольку они едва заметны. Чаще всего они голубого цвета. Кроме того, они не всегда связаны с молнией. Они появляются неожиданно и очень загадочны", - уточняет Фуллекруг.

Эльфов обычно замечают над теплыми водами океанов, красные призраки (или спрайты) чаще появляются над сушей.

Лучше всего их наблюдать из Северной Америки, Демократической Республики Конго и Южной Африки.

Но их можно видеть и из других мест.

Обычная летняя гроза в Великобритании, как правило, простирается над территорией протяженностью около 10 километров. Красные призраки возникают над мезомасштабными конвективными системами (МКС) - штормовыми облаками, покрывающими в 10 раз большее расстояние.

• Мезомасштабными конвективными систем ами (или комплексами) метеорологи называют большие скопления кучеряво-дождевых облаков с почти круговой формой, возникающие в тропиках и в умеренных широтах. - Ред.

"В Британии время от времени тоже случаются такие грозы, - уточняет доктор Фуллекруг. - Сейчас мы исследуем одну из них, произошедшую в мае прошлого года. Во время нее образовалась прекрасная череда спрайтов" [над графством Корнуолл на юго-западе Англии - Ред.].

Тогда красных призраков удалось запечатлеть наблюдателям метеоритов, камеры которых были настроены таким образом, чтобы можно было видеть след падающих звезд.

Космические охотники за грозами

Главная задача ASIM - изучить физику переходных люминесцентных явлений (TLE) и свойства гроз, которые их порождают.

В составе спецоборудования - две камеры, способные делать 12 фотографий в секунду, рентген и детектор гамма-излучений.

Эта техника позволит международной команде ученых, для многих из которых это исследование является кульминацией десятков лет работы, определить, где именно в облаках возникают красные призраки и голубые стрелы.

Благодаря помощи Европейского космического агентства, миссия ASIM запланирована как минимум на два года.

За это время ученые надеются исследовать по одной вспышке TLE в день, хотя в мире они происходят, по существующим оценкам, ежеминутно.

Для физика Нойберта это время будет невероятно захватывающим.

"Мы ведь толком не знаем, как устроена молния. Она возникает так быстро, и так опасна… Добраться до физических процессов, которые происходят внутри нее, довольно сложно", - говорит ученый.

В тонких верхних слоях атмосферы вспышки TLE шире, и лучше поддаются исследованиям.

При этом сам Нойберт признается: "Для меня это окно, позволяющее заглянуть внутрь молнии".

Мы рассказали в общих чертах о молниях и их природе. Молнии - это достаточно загадочное природное явление, и их свойства до сих пор полностью не изучены. Но в грозовую погоду, оказывается, можно наблюдать еще более таинственные явления - спрайты - которые и станут предметом обсуждения данной статьи.

Начиная с начала XVIII века в литературе начали встречаться упоминания о странных свечениях над грозовыми облаками. Так, в 1730 году немецкий историк, юрист Иоганн Георг Эстор отправился на вершину одной из самых высоких гор Фогельсберга, которая имела название «Седло». Вершина горы скрывалась за грозовыми облаками. Поднявшись на вершину, перед ним открылся вид на синее небо сверху и на грозовое облако внизу, которое выглядело, как белое море. В своей книге он описал увиденные им вспышки на поверхности облака, которые уходили высоко в небо, а внизу били в землю.

В XX веке человек сумел взлететь выше облаков и долетел не только до высших слоев атмосферы, но и начал осваивать космос. В результате научного прогресса увеличилось количество сообщений о странных свечений над облаками, которые, по словам очевидцев, были похожи на танцующие красные шары со щупальцами или голубые струи, направленные вверх. Подобные свидетельства обычно списывали на интенсивные галлюцинации.

В 1925 г. английским физиком и метеорологом Уилсоном на основе теоретических данных было выдвинуто предположение, что молнии берут свое начало в верхних слоях атмосферы. В 1956 он был свидетелем того, что в будущем назовут спрайтом, и попытался описать данное явление с физической точки зрения.

Визуально отличие подобных вспышек от обычных линейных молний заключается в том, что они возникают над грозовыми облаками, имеют характерное красное (реже синее) свечение и имеют гораздо более внушительные размеры. К вышесказанному следует добавить также их причудливые формы, напоминающие газовые шлейфы космических кораблей.

Феи и эльфы, как разновидность молнии

В наше время насчитывают 5 разновидностей атмосферных вспышек: красные спрайты, голубые спрайты, голубые джеты, гигантские джеты, эльфы. Название «спрайт» впервые было предложено в 1994 доктором Дэвисом Сентманом, так как описанные атмосферные явления своей эфемерностью и неуловимостью напоминали мифических духов воздуха - фей (sprite). Что касается эльфов, с одной стороны принцип в выборе названия тот же, однако не все так просто. Западные ученые любят изощряться в звучных аббревиатурах. Название ELVEs является бэкронимом, то есть аббревиатурой, составленной на основе уже существующего красивого слова Elves (эльфы), и расшифровывается как E missions of L ight and V ery Low Frequency Perturbations due to E lectromagnetic Pulse S ource , что переводится, как световые излучения и сверхнизкочастотные возмущения импульсных электромагнитных источников . В том же году был получен первый цветной снимок этого явления. Что касается джетов, то здесь все банально просто. Jet в переводе с английского означает струя. Цвет подобных явлений зависит от высоты их возникновения. Ведь в составе воздуха в более высоких слоях атмосферы преобладает азот, и при возникновении электрического разряда именно азот излучает красный свет.

Спрайты возникают спустя несколько десятых долей секунды после разряда молнии на высоте 30-130 км (высота залегания полярного сияния около 100 км, а линейных молний - менее 16 км) и длятся не более 100 мс. Имеют длину до 60 км, диаметр до 100 км. Именно вследствие малого времени существования спрайтов их смогли запечатлеть на пленку лишь в 1989 году. Во время тестирования высокоскоростной TV камеры, предназначенной для зондирующих ракет, совершенно случайно и были замечены красные спрайты. Тогда этому не придали особого значения, а описание явления было представлено только спустя год.

Гигантские джеты могут «прошивать» всю ионосферу от грозовых облаков, достигая в высоту 90 км, и внешне напоминают что-то среднее между спрайтами и джетами.

Эльфы представляют собой крупнейшие из подобных вспышек, однако у них самое слабое свечение. Они имеют плоскую расширяющуюся форму с диаметром около 400 км, образуются на высоте около 100 км. Время их существования обычно не более 3 мс, но в редких случаях доходит до 5 мс.

Синие джеты (струи) возникают на высоте 40-70 км и представляют собой конусообразные струи направленные вверх. Время жизни джетов больше, чем у эльфов. Однако это явление достаточно редкое, и, в целом, его труднее заметить.

Если быть предельно внимательным, то можно самому стать свидетелем этих гигантских плазменных «медуз». Для этого достаточно наблюдать со стороны за грозовой тучей при условиях, когда над ней чистое небо, не засвеченное антропогенными источниками.

Спрайты возникают в тех случаях, когда удар молнии разряжает положительно заряженное облако, тогда как стандартная молния разряжает отрицательно заряженное облако. В результате такого разряда отрицательный заряд уходит в верхние слои атмосферы, где происходит рекомбинация (объединение с ионами кислорода или азота), сопровождаемая характерным свечением. Подобные случаи приходятся примерно раз на каждые десять обыкновенных «отрицательных» молний. В целом, спрайты ближе к флуоресцентным лампам, чем к электрическим разрядам вроде молний.

Некоторые люди боятся гроз. Другие восхищаются ими, считая удивительным проявлением силы природы. Всем мы хорошо помним молнии, которыми сопровождается большинство гроз. Однако существует множество разных типов этого явления. Возможно, некоторые из них вы видели, хоть и не знали про них; или не видели, но чувствовали.

Тип молнии, который ассоциируется у большинства людей с грозой, называется облачно-земной. Это отрицательный заряд, ударяющий в землю и притягивающий к себе заряженные объекты. (Тепловая молния – это та же облачно-земная, но возникающая достаточно далеко, в результате чего гром от нее не слышен). Существуют также межоблачные молнии, никогда не достигающие земли, и внутриоблачные, не покидающие своей «родной» тучи.

Иногда молния несет в себе и положительный заряд, особенно когда бьет из вершины грозовой тучи. В таком случае она не спускается на землю, а движется вдоль горизонта. Она получила довольно изящное название «молния из синевы».

Наверное, кто-нибудь из вас видел красноватую вспышку высоко-высоко в небе. Это еще один тип молнии – красный спрайт. Его цвет часто соответствует названию, но совсем не обязательно. Обычно такая вспышка длится несколько секунд – намного больше, чем большинство других типов молний. По сути, хорошо различить можно только самые яркие из спрайтов. Часто их описывают как нечто, похожее на гигантских медуз на самой вершине бури.

Синие струи – еще один тип молнии, который вы, возможно, видели, но не знали об этом. Особенно если вам приходится много летать на самолетах. Эти разряды также выстреливают вверх из грозовых туч и длятся лишь долю секунды. Но за это время они могут преодолеть более 40 километров.

Если вы часто летаете, вы, вероятно, сталкивались и с темной молнией. Это явление было изучено довольно недавно. Увидеть такую молнию невозможно, поскольку она длится всего около 10-100 микросекунд. Лишь изредка можно заметить отчетливую фиолетовую вспышку. Однако она испускает радиацию – примерно столько же, как на компьютерной томографии в больнице. Это не так уж и много, но темные молнии очень распространены, причем именно на тех высотах, где летают самолеты. А это делает их немалой потенциальной угрозой.

Еще выше можно встретить так называемых «эльфов». Это массивные электрические импульсы в форме дисков. Они были засняты камерами космических шаттлов только в 1992 году.

Чтобы быть таинственными, молниям не обязательно возникать в ионосфере. Ученые все еще пытаются понять, что такое шаровая молния и каков ее принцип действия. Только недавно ее смогли воссоздать в лабораторных условиях. Обычно такие молнии ассоциируются с грозами, но их связывают и с другими, более мистическими вещами.

Считается, что очень многие предполагаемые НЛО были на самом деле шаровыми молниями, ведь они могут летать по небу, появляться и исчезать за считанные секунды и окрашиваться в разные цвета. Возможно, это явление также принимали за блуждающиее огоньки, которые, как правило, появляются в болотистых районах и считаются злыми духами. Сейчас мы знаем, что шаровые молнии существуют, но не можем точно сказать, как они формируются и по какой причине. Это говорит о том, что некоторые виды молний остались такими же загадочными, как и много веков назад.

Было также замечено, что металлизированные (в те годы - в основном, позолоченные) купола реже поражаются молнией.

Большой толчок в изучении молнии дало развитие мореплавания. Во-первых, мореплаватели столкнулись с грозами невиданной на суше силы, во-вторых, обнаружили, что грозы неравномерно распределены по географическим широтам, в-третьих, заметили, что при недалеком ударе молнии стрелка компаса испытывает сильные возмущения, в-четвертых, четко связали появление огней святого эльма и надвигающейся грозы. Кроме того, именно мореплаватели первыми обратили внимание, что перед грозой возникали явления, похожие на те, что возникают при электризации стекла или шерсти от трения.

Развитие физики в XVII - XVIII веках позволило выдвинуть гипотезу о связи молнии и электричества. В частности, такого представления придерживался М.В. Ломоносов . Электрическая природа молнии была раскрыта в исследованиях американского физика Б. Франклина , по идее которого был проведён опыт по извлечению электричества из грозового облака. Широко известен опыт Франклина по выяснению электрической природы молнии. В 1750 году им опубликована работа, в которой описан эксперимент с использованием воздушного змея, запущенного в грозу. Опыт Франклина был описан в работе Джозефа Пристли .

К началу XIX века большинство ученых уже не сомневались в электрической природе молнии (хотя существовали и альтернативные гипотезы, например, химическая) и основными вопросами исследования стали механизм выработки электричества в грозовых облаках и параметры грозового разряда.

Молния 1882 (с) фотограф: Уильям Н. Дженнингс, Си. 1882

В конце XX века при изучении молнии было открыто новое физическое явление - пробой на убегающих электронах.

Для изучения физики молнии применяются методы наблюдения со спутников.

Виды

Наиболее часто молния возникает в кучево-дождевых облаках , тогда они называются грозовыми; иногда молния образуется в слоисто-дождевых облаках, а также при вулканических извержениях , торнадо и пылевых бурях.

Обычно наблюдаются линейные молнии, которые относятся к так называемым безэлектродным разрядам , так как они начинаются (и заканчиваются) в скоплениях заряженных частиц. Это определяет их некоторые до сих пор не объяснённые свойства, отличающие молнии от разрядов между электродами. Так, молнии не бывают короче нескольких сотен метров; они возникают в электрических полях значительно более слабых, чем поля при межэлектродных разрядах; сбор зарядов, переносимых молнией, происходит за тысячные доли секунды с миллиардов мелких, хорошо изолированных друг от друга частиц, расположенных в объёме нескольких км³. Наиболее изучен процесс развития молнии в грозовых облаках , при этом молнии могут проходить в самих облаках - внутриоблачные молнии , а могут ударять в землю - молния облако-земля . Для возникновения молнии необходимо, чтобы в относительно малом (но не меньше некоторого критического) объёме облака образовалось электрическое поле (см. атмосферное электричество) с напряжённостью, достаточной для начала электрического разряда (~ 1 МВ/м), а в значительной части облака существовало бы поле со средней напряжённостью, достаточной для поддержания начавшегося разряда (~ 0,1-0,2 МВ/м). В молнии электрическая энергия облака превращается в тепловую, световую и звуковую.

Молнии облако-земля

Процесс развития такой молнии состоит из нескольких стадий. На первой стадии в зоне, где электрическое поле достигает критического значения, начинается ударная ионизация , создаваемая вначале свободными зарядами, всегда имеющимися в небольшом количестве в воздухе, которые под действием электрического поля приобретают значительные скорости по направлению к земле и, сталкиваясь с молекулами, составляющими воздух, ионизуют их.

По более современным представлениям, ионизация атмосферы для прохождения разряда происходит под влиянием высокоэнергетического космического излучения - частиц с энергиями 10 12 -10 15 эВ , формирующих широкий атмосферный ливень с понижением пробивного напряжения воздуха на порядок от такового при нормальных условиях .

Запуск молнии происходит от высокоэнергетических частиц, вызывающих пробой на убегающих электронах («спусковым крючком» процесса при этом являются космические лучи) . Таким образом возникают электронные лавины , переходящие в нити электрических разрядов - стримеры , представляющие собой хорошо проводящие каналы, которые, сливаясь, дают начало яркому термоионизованному каналу с высокой проводимостью - ступенчатому лидеру молнии .

Движение лидера к земной поверхности происходит ступенями в несколько десятков метров со скоростью ~ 50 000 километров в секунду, после чего его движение приостанавливается на несколько десятков микросекунд, а свечение сильно ослабевает; затем в последующей стадии лидер снова продвигается на несколько десятков метров. Яркое свечение охватывает при этом все пройденные ступени; затем следуют снова остановка и ослабление свечения. Эти процессы повторяются при движении лидера до поверхности земли со средней скоростью 200 000 метров в секунду.

По мере продвижения лидера к земле напряжённость поля на его конце усиливается и под его действием из выступающих на поверхности Земли предметов выбрасывается ответный стример , соединяющийся с лидером. Эта особенность молнии используется для создания молниеотвода .

В заключительной стадии по ионизованному лидером каналу следует обратный (снизу вверх), или главный, разряд молнии , характеризующийся токами от десятков до сотен тысяч ампер, яркостью, заметно превышающей яркость лидера , и большой скоростью продвижения, вначале доходящей до ~ 100 000 километров в секунду, а в конце уменьшающейся до ~ 10 000 километров в секунду. Температура канала при главном разряде может превышать 20000-30000 °C. Длина канала молнии может быть от 1 до 10 км, диаметр - несколько сантиметров. После прохождения импульса тока ионизация канала и его свечение ослабевают. В финальной стадии ток молнии может длиться сотые и даже десятые доли секунды, достигая сотен и тысяч ампер. Такие молнии называют затяжными, они наиболее часто вызывают пожары. Но земля не является заряженной, поэтому принято считать, что разряд молнии происходит от облака по направлению к земле (сверху вниз).

Главный разряд разряжает нередко только часть облака. Заряды, расположенные на больших высотах, могут дать начало новому (стреловидному) лидеру, движущемуся непрерывно со скоростью в тысячи километров в секунду. Яркость его свечения близка к яркости ступенчатого лидера. Когда стреловидный лидер доходит до поверхности земли, следует второй главный удар, подобный первому. Обычно молния включает несколько повторных разрядов, но их число может доходить и до нескольких десятков. Длительность многократной молнии может превышать 1 секунду. Смещение канала многократной молнии ветром создаёт так называемую ленточную молнию - светящуюся полосу.

Внутриоблачные молнии

Полёт из Калькутты в Мумбаи

Внутриоблачные молнии включают в себя обычно только лидерные стадии; их длина колеблется от 1 до 150 км. Доля внутриоблачных молний растёт по мере смещения к экватору , меняясь от 0,5 в умеренных широтах до 0,9 в экваториальной полосе . Прохождение молнии сопровождается изменениями электрических и магнитных полей и радиоизлучением , так называемыми атмосфериками .

Вероятность поражения молнией наземного объекта растёт по мере увеличения его высоты и с увеличением электропроводности почвы на поверхности или на некоторой глубине (на этих факторах основано действие молниеотвода). Если в облаке существует электрическое поле, достаточное для поддержания разряда, но недостаточное для его возникновения, роль инициатора молнии может выполнить длинный металлический трос или самолёт - особенно, если он сильно электрически заряжен. Таким образом иногда «провоцируются» молнии в слоисто-дождевых и мощных кучевых облаках .

В верхней атмосфере

Молнии и электрические разряды в верхних слоях атмосферы

Вспышки в верхних слоях атмосферы: стратосфере , мезосфере и термосфере , направленные вверх, вниз и горизонтально, очень слабо изучены. Они подразделяются на спрайты, джеты и эльфы . Окраска вспышек и их форма зависит от высоты, на которой они происходят. В отличие от наблюдаемых на Земле молний, эти вспышки имеют яркий цвет, обычно красный или синий, и покрывают большие пространства в верхних слоях атмосферы, а иногда простираются до границы с космосом .

«Эльфы»

Джеты

Джеты представляют собой трубки-конусы синего цвета. Высота джетов может достигать 40-70 км (нижняя граница ионосферы), продолжительность джетов больше, чем у эльфов .

Спрайты

Спрайты трудно различимы, но они появляются почти в любую грозу на высоте от 55 до 130 километров (высота образования «обычных» молний - не более 16 километров). Это некое подобие молнии, бьющей из облака вверх. Впервые это явление было зафиксировано в 1989 году случайно. Сейчас о физической природе спрайтов известно крайне мало .

Частота

Частота молний на квадратный километр в год по данным спутникового наблюдения за 1995-2003 годы

Чаще всего молнии возникают в тропиках .

Местом, где молнии встречаются чаще всего, является деревня Кифука в горах на востоке Демократической Республики Конго . Там в среднем отмечается 158 ударов молний на квадратный километр в год . Также молнии очень часты на Кататумбо в Венесуэле , в Сингапуре , городе Терезина на севере Бразилии и в «Аллее молний» в центральной Флориде .

Взаимодействие с поверхностью земли и расположенными на ней объектами

Глобальная частота ударов молний (шкала показывает число ударов в год на квадратный километр)

Согласно ранним оценкам, частота ударов молний на Земле составляет 100 раз в секунду. По современным данным, полученным с помощью спутников, которые могут обнаруживать молнии в местах, где не ведётся наземное наблюдение, эта частота составляет в среднем 44 ± 5 раз в секунду, что соответствует примерно 1,4 миллиарда молний в год . 75 % этих молний ударяет между облаками или внутри облаков, а 25 % - в землю .

Самые мощные молнии вызывают рождение фульгуритов .

Зачастую молния, попадая в деревья и трансформаторные установки на железной дороге, вызывает их возгорание. Обычный грозовой разряд опасен для телевизионных и радиоантенн, расположенных на крышах высотных зданий, а также для сетевого оборудования.

Ударная волна

Разряд молнии является электрическим взрывом и в некоторых аспектах похож на детонацию взрывчатого вещества. Он вызывает появление ударной волны , опасной в непосредственной близости. Ударная волна от достаточно мощного грозового разряда на расстояниях до нескольких метров может наносить разрушения, ломать деревья, травмировать и контузить людей даже без непосредственного поражения электрическим током. Например, при скорости нарастания тока 30 тысяч ампер за 0,1 миллисекунду и диаметре канала 10 см могут наблюдаться следующие давления ударной волны :

• на расстоянии от центра 5 см (граница светящегося канала молнии) - 0,93 МПа, что сопоставимо с ударной волной, создаваемой тактическим ядерным оружием,
• на расстоянии 0,5 м - 0,025 МПа, что сопоставимо с ударной волной, вызванной взрывом артиллерийской мины и вызывает разрушение непрочных строительных конструкций и травмы человека,
• на расстоянии 5 м - 0,002 МПа (выбивание стёкол и временное оглушение человека).

На бо́льших расстояниях ударная волна вырождается в звуковую волну - гром .

Люди, животные и молния

Молнии - серьёзная угроза для жизни людей и животных. Поражение человека или животного молнией часто происходит на открытых пространствах, так как электрический ток идёт по каналу наименьшего электрического сопротивления, что в общем случае соответствует кратчайшему пути [ ] «грозовое облако - земля».

Поражение обычной линейной молнией внутри здания невозможно. Однако бытует мнение, что так называемая шаровая молния может проникать внутрь здания через щели и открытые окна.

В организме пострадавших отмечаются такие же патологические изменения, как при поражении электрическим током. Жертва теряет сознание , падает, могут отмечаться судороги , часто останавливается дыхание и сердцебиение . На теле обычно можно обнаружить «метки тока» , места входа и выхода электричества. В случае смертельного исхода причиной прекращения основных жизненных функций является внезапная остановка дыхания и сердцебиения от прямого действия молнии на дыхательный и сосудодвигательный центры продолговатого мозга. На коже часто остаются так называемые знаки молнии , древовидные светло-розовые или красные полосы, исчезающие при надавливании пальцами (сохраняются в течение 1-2 суток после смерти). Они - результат расширения капилляров в зоне контакта молнии с телом.

Пострадавший от удара молнией нуждается в госпитализации, так как подвержен риску расстройств электрической активности сердца. До приезда квалифицированного медика ему может быть оказана первая помощь . В случае остановки дыхания показано проведение реанимации , в более лёгких случаях помощь зависит от состояния и симптомов.

По одним данным, каждый год в мире от удара молнии погибают 24 000 человек и около 240 000 получают травмы . По другим оценкам, в год в мире от удара молнии погибает 6000 человек .

Вероятность, что житель США получит удар молнией в текущем году, оценивается как 1 из 960 000, вероятность того, что он когда-либо в жизни (при продолжительности жизни 80 лет) получит удар молнией, составляет 1 из 12 000 .

Молния проходит в стволе дерева по пути наименьшего электрического сопротивления , с выделением большого количества тепла, превращая воду в пар, который раскалывает ствол дерева или чаще отрывает от него участки коры, показывая путь молнии. В следующие сезоны деревья обычно восстанавливают повреждённые ткани и могут закрывать рану целиком, оставив только вертикальный шрам. Если ущерб является слишком серьёзным, ветер и вредители в конечном итоге убивают дерево. Деревья являются естественными громоотводами , и, как известно, обеспечивают защиту от удара молнии для близлежащих зданий. Посаженные возле здания, высокие деревья улавливают молнии, а высокая биомасса корневой системы помогает заземлять разряд молнии.

По этой причине опасно прятаться от дождя под деревьями во время грозы, особенно под высокими или одиночными на открытой местности .

Из деревьев, поражённых молнией, делают музыкальные инструменты, приписывая им уникальные свойства .

Молния и электрооборудование

Разряды молний представляют большую опасность для электрического и электронного оборудования. При прямом попадании молнии в провода в линии возникает перенапряжение , вызывающее разрушение изоляции электрооборудования, а большие токи обуславливают термические повреждения проводников. В связи с этим аварии и пожары на сложном технологическом оборудовании могут возникать не мгновенно, а в период до восьми часов после попадания молнии. Для защиты от грозовых перенапряжений электрические подстанции и распределительные сети оборудуются различными видами защитного оборудования такими как разрядники , нелинейные ограничители перенапряжения, длинноискровые разрядники. Для защиты от прямого попадания молнии используются молниеотводы и грозозащитные тросы . Для электронных устройств представляет опасность также и электромагнитный импульс , создаваемый молнией, который может повреждать оборудование на расстоянии до нескольких километров от места удара молнии. Достаточно уязвимыми к электромагнитному импульсу молнии являются локальные вычислительные сети.

Молния и авиация

Атмосферное электричество вообще и молнии в частности представляют значительную угрозу для авиации. Попадание молнии в летательный аппарат вызывает растекание тока большой величины по его конструкционным элементам, что может вызвать их разрушение, пожар в топливных баках, отказы оборудования, гибель людей. Для снижения риска металлические элементы наружной обшивки летательных аппаратов тщательно электрически соединяются друг с другом, а неметаллические элементы металлизируются. Таким образом, обеспечивается низкое электрическое сопротивление корпуса. Для стекания тока молнии и другого атмосферного электричества с корпуса летательные аппараты оборудуются разрядниками.

Ввиду того, что электрическая ёмкость самолёта, находящегося в воздухе, невелика, разряд «облако-самолёт» обладает существенно меньшей энергией по сравнению с разрядом «облако-земля». Наиболее опасна молния для низколетящего самолёта или вертолёта, так как в этом случае летательный аппарат может сыграть роль проводника тока молнии из облака в землю. Известно, что самолёты на больших высотах сравнительно часто поражаются молнией и тем не менее, случаи катастроф по этой причине единичны. В то же время известно очень много случаев поражения самолётов молнией на взлёте и посадке, а также на стоянке, которые закончились катастрофами или уничтожением летательного аппарата.

Известные авиационные катастрофы, вызванные молнией:

• Катастрофа Ил-12 под Зугдиди (1953 год) - 18 погибших, в том числе Народная артистка Грузинской ССР и Заслуженная артистка РСФСР Нато Вачнадзе
• Катастрофа L-1649 под Миланом (1959 год) - 69 погибших (официально - 68)
• Катастрофа Boeing 707 в Элктоне (1963 год) - 81 погибший. Занесена в книгу рекордов Гиннесса , как наибольшее число погибших из-за удара молнии. После неё в правила по созданию новых самолётов внесли пункт об испытаниях на попадания молний.

Молния и корабли

Молния также представляет очень большую угрозу для надводных кораблей ввиду того, что последние приподняты над поверхностью моря и имеют много острых элементов (мачты, антенны), являющихся концентраторами напряжённости электрического поля. Во времена деревянных парусников, обладающих высоким удельным сопротивлением корпуса, удар молнии практически всегда заканчивался для корабля трагически: корабль сгорал или разрушался, от поражения электрическим током гибли люди. Клёпаные стальные суда также были уязвимы для молнии. Высокое удельное сопротивление заклёпочных швов вызывало значительное локальное тепловыделение, что приводило к возникновению электрической дуги, пожарам, разрушению заклёпок и появлению водотечности корпуса.

Сварной корпус современных судов обладает низким удельным сопротивлением и обеспечивает безопасное растекание тока молнии. Выступающие элементы надстройки современных судов надёжно электрически соединяются с корпусом и также обеспечивают безопасное растекание тока молнии, а молниеотводы гарантируют защиту людей, находящихся на палубах. Поэтому для современных надводных кораблей молния не опасна.

Деятельность человека, вызывающая молнию

Защита от молний

Техника безопасности при грозе

Большинство гроз обычно происходят без каких либо существенных последствий, тем не менее, необходимо соблюдать ряд правил безопасности:

• Следить за движением грозового облака, оценивая расстояния для места грозовой активности по времени запаздывания грома относительно молнии. Если расстояние уменьшается до 3 километров (запаздывание менее 10 секунд) значит существует риск близкого удара молнии и необходимо незамедлительно принять меры по защите себя и имущества.
• На открытой местности (степь, тундра, большие пляжи) необходимо по возможности переместиться в пониженные места (овраги, балки, складки местности), но не приближаться при этом к водоему.
• В лесу следует переместиться на участок с невысокими молодыми деревьями.
• В населенном пункте, по возможности - укрыться в помещении.
• В горах следует искать укрытие в распадках, расщелинах (однако надо учитывать возможность возникновения в них склонового стока при сильном ливне, сопровождающем грозу) под устойчивыми нависающими камнями, в пещерах.
• При движении на автомобиле следует остановиться (если это позволяет дорожная ситуация и не запрещено правилами), закрыть окна, выключить двигатель. Движение во время близкой грозы очень опасно, поскольку водитель может быть ослеплен яркой вспышкой близкого разряда, а электронные устройства управления современного автомобиля - дать сбой.
• При нахождении на водоеме (река, озеро) на лодках, плотах, байдарках необходимо как можно скорее направляться к берегу, острову, косе или дамбе. Находиться в воде во время грозы очень опасно, поэтому нужно выйти на берег.
• Находясь в помещении следует закрыть окна и отойти от них на расстояние хотя 1 метр, прекратить телевизионный и радиоприем на внешнюю антенну, отключить электронные приборы, питаемые от сети.
• Очень опасно во время грозы находиться возле следующих объектов: отдельно стоящие деревья, опоры линии электропередач, освещения, связи и контактной сети, флагштоки, различные архитектурные столбы, колонны, водонапорные башни, электрические подстанции (здесь дополнительную опасность создает разряд между токоведущими шинами, который может быть инициирован ионизацией воздуха грозовым разрядом), крыши и балконы верхних этажей возвышающихся над городской застройкой зданий.
• Достаточно безопасными и пригодными для укрытия местами являются: водопропускные трубы автомобильных и железных дорог (являются также и неплохой защитой и от дождя), места под пролетными строениями мостов, путепроводов, эстакад, навесы автозаправочных станций.
• Достаточно надежной защитой от молнии может служить любое закрытое транспортное средство (автомобиль, автобус, железнодорожный вагон). Однако транспортных средств с тентовой крышей стоит остерегаться.
• Если гроза застигла в месте, где нет никаких укрытий, следует сесть на корточки, снизив таким образом свою высоту над уровнем земли, но ни в коем случае не ложиться на землю и не опираться руками (чтобы не попасть под действие шагового напряжения), накрыть голову и лицо любым подручным укрытием (капюшон, пакет и т.п.), чтобы защитить их от ожога ультрафиолетовым излучением от возможного близкого разряда. Велосипедистам и мотоциклистам следует отойти от своей техники на расстояние 10-15 м.

Наряду с молнией в эпицентре грозовой активности опасность представляют также нисходящий поток воздуха, создающий порывы шквалистого ветра и интенсивные осадки, в том числе - град от которых тоже требуется защита.

Грозовой фронт проходит достаточно быстро, поэтому особые меры безопасности требуются в течение сравнительно небольшого интервала времени, в умеренном климате обычно не более 3-5 минут.

Защита технических объектов

В древнегреческих мифах

См. также

Примечания

1. Кошкин Н. И., Ширкевич М. Г. Справочник по элементарной физике. 5-е изд. М: Наука, 1972 г. С. 138
2. Ученые назвали самую протяженную и самую продолжительную молнии
3. B. Hariharan, A. Chandra, S. R. Dugad, S. K. Gupta, P. Jagadeesan, A. Jain, P. K. Mohanty, S. D. Morris, P. K. Nayak, P. S. Rakshe, K. Ramesh, B. S. Rao, L. V. Reddy, M. Zuberi, Y. Hayashi, S. Kawakami, S. Ahmad, H. Kojima, A. Oshima, S. Shibata, Y. Muraki, and K. Tanaka (GRAPES-3 Collaboration) Measurement of the Electrical Properties of a Thundercloud Through Muon Imaging by the GRAPES-3 Experiment // Phys. Rev. Lett. , 122, 105101 - Published 15 March 2019
4. Красные Эльфы и Синие Джеты
5. Гуревич А. В., Зыбин К. П. «Пробой на убегающих электронах и электрические разряды во время грозы » // УФН , 171, 1177-1199, (2001)
6. Иудин Д. И., Давыденко С. С., Готлиб В. М., Долгоносов М. С., Зелёный Л. М. «Физика молнии: новые подходы к моделированию и перспективы спутниковых наблюдений » // УФН , 188, 850-864, (2018)
7. Ермаков В. И., Стожков Ю. И. Физика грозовых облаков // , РАН, М., 2004 г. :37
8. В возникновении молний обвинили космические лучи // Lenta.Ru, 09.02.2009
9. Александр Костинский. «Молниеносная жизнь эльфов и гномов» Вокруг света , № 12, 2009.

Информативные . Раздел обновляется ежедневно. Всегда свежие версии самых лучших бесплатных программ для повседневного использования в разделе Необходимые программы . Там практически все, что требуется для повседневной работы. Начните постепенно отказываться от пиратских версий в пользу более удобных и функциональных бесплатных аналогов. Если Вы все еще не пользуетесь нашим чатом , весьма советуем с ним познакомиться. Там Вы найдете много новых друзей. Кроме того, это наиболее быстрый и действенный способ связаться с администраторами проекта. Продолжает работать раздел Обновления антивирусов - всегда актуальные бесплатные обновления для Dr Web и NOD. Не успели что-то прочитать? Полное содержание бегущей строки можно найти по этой ссылке .

Спрайты – одни из красивейших природных явлений на нашей планете – невероятной величины молнии, которые еще называют «небесными духами»

Спрайты над центральной частью Адриатического моря

Общие сведения

Спрайты – необычные молнии, которые способны удивить человека не только своей божественной красотой, но и нестандартным, как для молнии, поведением. Мы привыкли, что обычная молния бьет с облаков вниз на землю. Что касается спрайтов, то здесь дело обстоит иначе – они бьют вверх, создавая в небесной сфере потрясающе красивое зрелище.

Впервые спрайты были зафиксированы в 1989 году. Первым их увидел американский астроном-эксперт Джон Уинклер, который почти полвека проработал в NASA.

Фотография спрайта над Нью-Мехико, автор H. Edens

Ученый обнаружил молнии случайно, когда в целях научных изысканий наблюдал за грозой. Впервые увидев эти направленные вертикально вверх молнии, он не поверил собственным глазам. Удивило Уинклера и то, что такой разряд появлялся на необычайно большой, как для обычной молнии, высоте. Направленный вертикально вверх он мог представлять опасность для аппаратов, запускаемых в космос, самолетов и прочих летательных машин. По этой причине Джон Уинклер решил продолжить изучение этого необычного явления.

В ночь с 22 на 23 сентября 1989 года мистер Уинклер, воспользовавшись высокоскоростной кинокамерой, умудрился заснять огромные вспышки света, которые простирались в небе по направлению снизу-вверх. Ученый, пользовавшийся устаревшей аппаратурой, посчитал, что эти молнии возникли на высоте 14 километров, что вполне допустимо и для обычных молний. Впоследствии, когда изучением спрайтов занялись современные научно-исследовательские центры и лаборатории, было доказано, что эти природные явления появляются на высоте не менее 55 км. На такой высоте вы не сможете встретить ни одного небесного разряда, который был бы направлен в сторону земли.

Механизм возникновения спрайтов

Первое цветное изображение спрайта, снятое с самолёта

Заинтересовавшись данными о спрайтах, которые представил Уинклер сотрудникам NASA, ученые почти сразу же развернули крупномасштабную кампанию по изучению этого природного явления. В первую же ночь исследований они обнаружили около 200 вспышек молний в слоях ионосферы. Вспышки света возникали в основном в пределах 50-130 километров над поверхностью земли. Это зрелище одинаково восхищало и страшило ученых, поскольку в те времена многие из них еще не знали, чего толком можно ждать от спрайтов. Опасения ученых были понятны, так как спрайты имели все шансы на то, чтобы стать прямой угрозой для высотных летательных аппаратов. Чтобы исключить возможность этой угрозы, ученые решили изучить механизм возникновения спрайтов.

Проведя ряд наблюдения за спрайтами, ученые выяснили, что это явление возникает в основном только при очень сильной грозе, шторме или урагане. Большинство обычных молний, которые достигают земли, бьют из отрицательно заряженной части облака. Однако некий их процент берет свое начало в положительно заряженной части. Доказано, что молнии, берущие начало в этой области, обладают более сильным зарядом, а соответственно и силой. Считается, что в положительно заряженной части облака берут свое начало и спрайты.

Различные типы электрических явлений в атмосфере

Детальное исследование спрайтов показало, что они бьют снизу от облака вверх к ионосфере. В некоторых случаях часть этой молнии (хвост спрайта) уходит в низ по направлению к земле, но никогда не достигает ее. Наблюдение и анализ вспышек в верхних слоях атмосферы показали, что молнии, образующиеся в этой области, могут отличаться по цвету, форме, а также высоте, на которой они появляются. Исходя из этих критериев, ученые решили классифицировать верхние молнии, разделив на джеты, спрайты и эльфы.

Джеты, спрайты и эльфы

Голубой джет

Джеты представляют собой вспышки света, наблюдаемые на наиболее близком расстоянии к земле, от 15 до 30 километров. Именно их, скорее всего, зафиксировал Джон Уинклер, который в 1989 году впервые произвел наблюдение вспышек молний в верхних слоях атмосферы. Джеты имеют трубчатую форму. Обычно они сине-белого или голубого оттенка. Известны случаи появления гигантских джетов, которые били в высоту на расстояние около 70 километров.

Спрайт - редкий вид грозовых разрядов

Спрайты – вид молний, о которых мы говорим в этой статье. Они появляются на высоте от 50 до 130 километров и бьют по направлению к ионосфере. Спрайты появляются через доли секунды после удара обычной молнии. Обычно они возникают группами, а не поодиночке. Длина спрайтов, как правило, держится в пределах нескольких десятков километров. Диаметр группы спрайтов может достигать 100 км в поперечнике. Спрайты – это красные вспышки света. Они быстро появляются и быстро исчезают «Продолжительность жизни» спрайта всего около 100 миллисекунд.

Эльф

Эльфы – венец атмосферных молний. Они появляются на высоте свыше 100 км над земной поверхностью. Обычно эльфы появляются группами, напоминающими круг.

Диаметр такой группы может достигать 400 км в поперечнике. Также эльфы могут бить до 100 км в высоту – в самые верхние слои ионосферы. Зафиксировать эльфы крайне сложно, так как «живут» они не дольше пяти миллисекунд. Заснять такое явление можно только при помощи специальных, современных видеоприборов.

Как, где и когда можно наблюдать спрайты

Согласно Географической карте гроз, наибольшими шансами увидеть спрайты обладают жители экваториальной и тропической зоны Земного шара. Именно в этой области случается до 78% всех гроз. Жители России также могут наблюдать спрайты. Пик гроз в нашей стране приходится на июль-август месяц. Именно в это время любители астрономии могут увидеть такое красивое явление как спрайты

Спрайты, свечение неба и галактика Андромеды над городом Ларами, Вайоминг, США

Согласно американскому Справочнику наблюдения за спрайтами и гигантскими джетами, для того, чтобы увидеть спрайты, наблюдатель должен находиться на расстоянии примерно 100 километров от эпицентра грозы. Для того чтобы наблюдать джеты, ему следует навести оптику на 30-35 градусов по направлению к грозовой области. Тогда он сможет наблюдать часть ионосферы на высоте до 50 километров, именно в этой области чаще всего появляются джеты. Чтобы наблюдать спрайты, следует навести бинокль на угол 45-50 градусов, что будет соответствовать области неба на высоте около 80 км – месту, где рождаются спрайты.

Для лучшего и более детального изучения спрайтов, джетов, а тем более эльфов, наблюдателю лучше воспользоваться специальной киноаппаратурой, которая позволит детально зафиксировать небесные вспышки. Наиболее удачное время для охоты за спрайтами в России – период с середины июля по середину августа

Спрайты, как и молнии, встречаются не только на Земле, но и на других планетах Солнечной системы. Предположительно именно спрайты были зафиксированы космическими исследовательскими аппаратами во время сильных штормов на Венере, Сатурне и Юпитере.

Спрайты и эльфы возникают на такой большой высоте из-за сильной ионизации воздуха галактической пылью. На высоте свыше 80 километров проводимость тока в десять миллиардов раз выше, чем в приземных слоях атмосферы.

Название «спрайты» происходит от наименования лесных духов, о которых идет речь в комедии Уильяма Шекспира «Сон в летнюю ночь».

Спрайты были известны человечеству задолго до 1989 года. Люди высказывали разные гипотезы на счет природы этого явления, в том числе и то, что вспышки света являются инопланетными космическими кораблями. И только после того, как Джону Уинклеру удалось снять кадры спрайтов в ионосфере, ученые доказали, что они имеют электрическое происхождение.

Цвет спрайтов, джетов и эльфов разнится от высоты, на которой они появляются. Дело в том, что в околоземной атмосфере сосредоточено больше воздуха, тогда как в верхних слоях ионосферы наблюдается высокая концентрация азота. Воздух горит синим и белым пламенем, азот – красным. По этой причине джеты, которые находятся ниже спрайтов, имеют преимущественно синий цвет, а сами спрайты и, более высокие, эльфы – красноватый оттенок.