Почему гремит гром и сверкает молния

Содержание

История механизмов громообразования

Выводы касательно грома

За очевидным и простым утверждением «гром появляется как следствие электрического разряда огромной силы, как следствие молнии» стоит немало очень интересных подробностей.

Причем подробностей далеко не очевидных, для их выяснения потребовались кропотливые исследования и немало времени.

Достаточно сказать, что даже преуспевающая физика начала нашего века не могла однозначно ответить на такой, казалось бы, простой вопрос: каков конкретный механизм генерирования звуковых волн при разряде молнии, как устроен сверхмощный громкоговоритель грозы?

История механизмов громообразования

В то время обсуждались четыре возможных механизма, так сказать, громообразования, вот короткое изложение их сущности.

Гром возникает из-за того, что в области шнура молнии образуется вакуум, в него затем устремляется воздух, и тем самым создается звуковая волна.
Водяные капли, нагретые самой молнией, то есть сильнейшим электрическим током, превращаются в пар, и его расширение создает мощную звуковую волну.
Под действием молнии происходит электролиз воды, ее разложение на водород и кислород, то есть образуется гремучий газ, который затем взрывается, сильно сотрясая воздух.
Воздух имеет определенное электрическое сопротивление, и, проходя по нему, молния, как и любой электрический ток, выделяет тепло в полном соответствии с законом Джоуля – Ленца (Q = 0,24 I ² х R х t) поскольку ток очень силен, то и тепла выделяется много, нагреваясь, воздух быстро расширяется и гонит впереди себя звуковую волну.

Теперь известно, что возникновение грома в основном связано именно с этим последним процессом — резким увеличением температуры (до 30 тысяч градусов) и давления (в 10 — 100 раз больше атмосферного) в канале молнии.

Но и три остальных процесса тоже происходят при грозовом разряде, это подтверждено экспериментально. В частности, линии кислорода и водорода обнаруживаются при изучении спектра молнии.

Само возникновение звуковой волны при резком расширении воздуха — процесс многоступенчатый. Во всяком случае, в нем явно выделяются два этапа. Сначала расширяющийся воздух создает ударную волну — частицы воздуха расходятся от места «взрыва» со сверхзвуковой скоростью, но такое движение еще не есть звук.

Ударная волна сжимает и нагревает воздух и в итоге достаточно быстро растрачивает свою энергию на различные физические эффекты, в том числе и на генерирование звуковых волн.

К счастью, этот процесс характеризуется сравнительно низким коэффициентом полезного действия — только 1% энергии ударной волны расходуется на генерирование звука, остальная энергия в основном уходит на нагревание воздуха вблизи канала молнии.

Можно представить себе, какой безумный грохот стоял бы во время грозы, если бы звук генерировался с более высоким КПД, если бы ему, например, доставалась половина или даже четверть энергии ударной волны. Ударной волне удается уйти от огненного шнура молнии не более чем на метр, а звуковые волны зарождаются еще дальше от шнура, где-то на расстоянии от 1 метра до 5 — 8 метров.

Сам процесс громообразования и важнейшие характеристики звука, в частности его основная частота, основной тон, зависят от первопричины — от разряда молнии, от его энергии, а также от атмосферного давления в районе разряда: чем больше мощность разряда и чем ниже давление, тем грубее голос грома, тем меньше его основная частота.

Так что сравнительно высокий, резковатый тон грома говорит о том, что он рожден не самой мощной молнией. Чаще всего основная звуковая частота грома — 60 герц. Это чуть выше, чем гудение плохо стянутого трансформатора или дросселей у ламп дневного света.

Примерно такую частоту можно получить, ударив по девятой слева рояльной клавише, которой соответствует «си» контроктавы. Но основной тон грома, конечно, окрашен многими более высокочастотными и более низкочастотными звуками так же, например, как звучание барабана.

Основная мелодия грома — его перекаты, периодические всплески и затухания зависят главным образом от геометрии молнии. Об этой зависимости и ее экспериментальной проверке подробно рассказано в опубликованной в журнале «Scientific American» статье профессора Райсского университета (США) А. Фью «Гром».

Выводы касательно молнии

Сейчас будут коротко пересказаны некоторые выводы профессора А. Фью касательно грома, но перед этим необходимо сказать несколько слов о самой молнии.

Начало молнии дает накопление электрического заряда в облаках, их сильнейшая электризация. Еще и сегодня нет единого мнения, и существует несколько гипотез по поводу механизма электризации облаков.

Согласно одной из них, электризация происходит в результате соприкосновения мельчайших частиц льда, которые входят в состав облака и могут несколько различаться по температуре. При таком соприкосновении на более холодных микрольдинках появляется отрицательный электрический заряд, а на сравнительно теплых — положительный.

И в итоге области облака, имеющие разную температуру, оказываются также обладателями значительных электрических зарядов разного знака.

Согласно другой теории, электризация связана с соударениями твердых частиц (льдинок) или жидких (капелек). Соударения эти происходят при движении частиц в начальном электрическом поле облака, которое затем усиливается скоплением самих заряженных частиц.

Есть также теория, утверждающая, что электризация облака происходит под влиянием электрического заряда прилегающих к земле слоев атмосферы. Слои эти всегда несут положительный электрический заряд, он притягивает отрицательно заряженные льдинки и капельки, которые входят в состав облака, и в итоге облако поляризуется — в его нижней части накапливается достаточно большой отрицательный заряд, в верхней — положительный.

Суммарный заряд, накопленный облаком, — это обычно 30 — 50 кулонов, величина сама по себе не очень большая. Такой заряд, например, проходит по нити лампочки карманного фонаря примерно за З минуты (180 секунд) — ток лампочки обычно 0,15 – 0,25 ампера, а 1 ампер, как известно, соответствует прохождению через какой-либо контрольный пункт, через поперечное сечение проводника заряда в 1 кулон за секунду.

Здесь, кстати, уместно обратить внимание на первое отличие молнии от сравнительно спокойных токов в наших домашних электрических цепях — заряд в 30 — 50 кулонов, накопившийся в облаке, проходит по стволу молнии не за минуту, не за секунду, а за миллионные доли секунды (микросекунды), и поэтому ток молнии — это десятки и сотни тысяч ампер.

Второе отличие в том, что ток в стволе молнии, само движение зарядов, создается электродвижущей силой в сотни миллионов вольт. А электродвижущая сила (напряжение) на равных с током входит в формулу, для подсчета работы, выполняемой электричеством, и его мощности. И нетрудно подсчитать, что мощность молнии — это многие миллионы киловатт.

Все молнии можно разбить на три-четыре большие группы: одни проскакивают между разноименно заряженными частями одного облака, другие — между облаками, третьи — между облаком и землей.

В самом процессе развития молнии (мы коснемся его на примере молнии «облако – земля») можно выделить несколько стадий. Основные события здесь развиваются в сильном электрическом поле, возникающем между обкладками огромного конденсатора, между заряженным облаком и землей.

Сначала под действием этого поля сравнительно небольшое количество свободных электронов движется от облака к земле, ионизируя по пути встречные атомы воздуха. Возникают электронные лавины — их называют стримерами, — из которых складывается ярко светящийся изломанный канал ионизированного воздуха.

Это так называемый лидер, своего рода проводник, который облако быстро прокладывает в сторону земли. Но до земной поверхности лидер обычно не доходит. По мере приближения к ней он, как и полагается проводнику, соединенному с облаком, со всевозрастающей силой тянет к себе положительные заряды (напоминаем — само облако или, во всяком случае, нижняя его часть несет отрицательный заряд) из земли и примыкающего к ней воздуха.

И в какой-то момент под влиянием лидера из земли вырывается и с очень высокой скоростью устремляется по стримеру в сторону облака огромный положительный заряд. Это и есть главный, или иначе, обратный удар — толстый, в несколько сантиметров, электрический шнур, в котором в основном и сосредоточены все эти тысячи ампер тока в линии «облако — земля».

Процесс этот может многократно повторяться: первый главный удар обычно разряжает лишь часть облака, и за ним, случается, в течение нескольких секунд происходит еще 5 — 10, а то и 20 циклов «стример – лидер — главный удар».

Теперь несколько подробностей: вспышка молнии обычно начинается в нижней части облака, где-то на высоте 3 — 5 километров от земли; температуры здесь около 10 ℃, главный удар проносится от земли к облаку с огромной, чуть ли не со световой скоростью от 1000 до 100 000 километров в секунду.

Лидер опускается к земле намного медленней, со средней скоростью 200 километров в секунду; это именно средняя скорость — лидер движется к земле рывками, проходит 50 — 100 метров со скоростью около 50 000 километров в секунду, приостанавливается на несколько десятков микросекунд и идет дальше; при каждом таком рывке лидера вниз смещается какая-то часть заряда облака;

за такое прерывистое движение его называют ступенчатым лидером; лидеры, следующие за первым, получаются более ровными, и их называют стреловидными — по проторенной дорожке идти всегда легче.

Заряд высоких участков облака тоже может дать начало непрерывному, стреловидному лидеру, пронизывающему само облако; молния внутри облака нередко ограничивается стадией лидера; его длина в этих случаях может достигать 150 километров; в средних широтах разряды внутри облака составляют в среднем 150 километров от общего числа молний, а по мере приближения к экватору их доля возрастает до 90%.

Сильный ветер может смещать разряды, повторяющиеся в одном канале, образуя широкую, так называемую ленточную молнию; случаются затяжные молнии, у которых сильный ток в канале длится довольно долго, вплоть до десятых долей секунды.

Многократная молния в одном канале может длиться больше секунды; в образование одной молнии вовлекаются электрические заряды из огромного объема облака — до нескольких кубических километров.

И в заключение, о некоторых непонятных пока особенностях молнии, отличающих ее от хорошо изученного в лабораториях разряда между металлическими электродами:

молнии не бывают короче нескольких сот метров;

молния возникает в электрическом поле значительно более слабом, чем необходимо для образования искры между электродами;

молния каким-то способом умудряется за тысячные доли секунды вобрать в себя заряды из огромных объемов облака.

Но хватит, пожалуй, о загадках молнии, пора переходить к загадкам грома.

Видео: Био — люминесцентный кальмар

Выводы касательно грома

Огромный, многокилометровый изогнутый канал молнии состоит как бы из соединенных друг с другом сравнительно прямых кусочков длиной в несколько метров. Они образуют так называемую микроструктуру молнии. А группы таких кусочков образуют более крупные куски, уже меньше похожие на прямую линию, но все же похожие.

Эти относительно прямые куски размером в несколько десятков метров образуют мезоструктуру молнии. Каждый элемент мезоструктуры можно рассматривать как самостоятельный элементарный излучатель звука.

Если принять, что средняя длина этого звукоизлучателя 50 метров, а длина молнии — 5 километров, то получится, что гром создают 100 элементарных излучателей, 100 отдельных «громкоговорителей».

Отсюда можно сделать несколько интересных выводов касательно звучания грома.

Во-первых, ясно, что звуки от разных излучателей придут в разное время, и это одна из причин раскатов грома. Если предположить, что мы находимся недалеко от основания молнии и что длина ее 5 километров, то раскаты грома будут продолжаться как минимум 15 секунд — звук движется со скоростью примерно 330 метров в секунду, и понадобится именно 15 секунд, чтобы до нас добрались звуковые волны от самого далекого элементарного излучателя, самого далекого участка молнии.

Растянутость звучания грома может появляться также из-за отражения звука от облаков или от различных наземных неровностей, но это не главная причина громовых раскатов. И уж, во всяком случае, не единственная.

Другая особенность грома связана с тем, что каждый элементарный источник звука, каждый участок мезоструктуры обладают заметной направленностью излучения. Он излучает звуковые волны главным образом в перпендикулярном направлении, точнее в пределах пространственного угла «+ или –» 30°, прилегающего к перпендикулярной плоскости, то есть всего в растворе угла 60°.

Сами участки мезоструктуры, как правило, расположены под разными углами к человеку, который слышит гром, и поэтому мы с разной громкостью воспринимаем звуковые волны, которые приходят к нам от разных звукоизлучателей.

При желании можно проделать такой эксперимент: сфотографировать молнию, записать на аудио рожденный ею гром, а затем измерить уровень звукового сигнала. Это наверняка позволит отождествить отдельные участки мезоструктуры и их звучание.

Кстати, изучение фотографий показало, что соседние мезоструктурные участки повернуты один относительно другого в среднем на 16°. Это намного меньше, чем пространственный угол 60°, в котором сосредоточена основная звуковая мощность каждого участка, а значит, большие группы излучателей направляют звук примерно в одну сторону.

Поэтому мы всю мелодию грома обычно слышим более или менее одинаково громкой, во всяком случае, не слышим резкой трескотни, напоминающей дробь барабана. Если канал молнии изгибается незначительно, то есть если мезоструктурные участки имеют почти одно и то же направление, то мы скорей всего услышим не перекаты, а протяжный гул.

И, конечно же, характер звучания грома, его мелодия и ритмы зависят от того, где вы находитесь, как расположился относительно вас ствол молнии. На характер звучания грома влияет еще и внешняя акустическая обстановка. В частности, может случиться, что какую-то часть грома вы вообще не услышите: звук от некоторых элементарных излучателей может пройти где-то над вами, преломившись в неоднородностях атмосферы.

Кроме того, на характер звучания сильно влияет постепенное затухание в атмосфере, причем чем выше частота звуковых составляющих грома, тем сильнее они затухают. Поэтому гром от далеких участков молнии и тем более от далеких молний слышится более глухим, более басовитым.

Точно так же от далеко шагающего оркестра до нас не доходят даже сильные высокочастотные звуки флейт, кларнетов, труб, а часто слышится лишь один монотонно бубнящий барабан.

Изучая гром, приходится учитывать также и отражение звука прежде всего от такого акустического зеркала, как поверхность земли. Даже ветер сильно влияет на звучание грома: он, во-первых, как бы подгоняет или притормаживает звуковую волну, а во-вторых, обычное изменение скорости ветра с высотой, как и изменение температуры, дает эффект преломления звука.

Суммарный эффект разных внешних факторов приводит к тому, что гром от разрядов, которые происходят на расстоянии 10 — 15 километров, можно и не услышать.

Тщательное изучение грома открывает дополнительные интересные возможности для исследования физики грозовых явлений. Так, например, анализируя запись звуковых сигналов, можно получить информацию о параметрах канала молнии, причем даже в месте вхождения этого канала в облака, которое фактически скрыто от других методов исследования.

Профессор А. Фью рассказал, что, изучая акустические записи гроз, ему удалось выделить информацию о процессах, посредством которых облако накапливает электричество, определить объем, в котором собирается заряд, и время восстановления заряда после удара молнии.

Было также установлено, что молнии, проскакивающие между облаками, в большинстве случаев горизонтальны, что центр отрицательного заряда внизу облака имеет обычно форму диска толщиной около двух километров и диаметром около десяти, что положительный заряд чаще всего размыт по верхней части облака.

Молния на ранней стадии грозы зарождается в нижней, отрицательно заряженной зоне облака, а верхняя положительно заряженная зона становится активной позже. Каналы молний идут из разных участков облака, но часто пересекаются в одном месте. Молния в одной части облака вызывает разряд в другой его части.

Аппаратура для изучения грома не очень-то сложна, однако создание такой аппаратуры, работа с ней и тем более машинная обработка результатов требуют, конечно, профессионального подхода к делу. Но в то же время извлечь кое-какие сведения о громе и молнии можно с помощью собственных своих приборов — глаза и уха, а также собственного и неплохого, кстати, компьютера.

Так, например, памятуя, чему равна скорость звука, ничего не составляет узнать расстояние до ближних и дальних участков молнии (простое правило: если время в секундах между вспышкой молнии и громом разделить на три, то получится расстояние в километрах).

Или по резкому звуку, напоминающему разрыв, определить, что молния где-то недалеко ударила в землю, — такой звук возникает, когда зарождающийся главный возвратный удар своим грохотом перекрывает шум ступенчатого лидера.

Или, наконец, обнаружив несколько таких резких ударов, отметить, что произошло разветвление лидера, к земле поочередно подошло несколько его ветвей и началось несколько главных ударов.

Одним словом, если начать прислушиваться к грому, то постепенно при желании можно научиться многое слышать.

Инженер Р. Чикоруди