МАРАФОН-2006:
НАЧАЛЬНАЯ
СПЕЦИАЛИЗАЦИЯ
Синтез наук – оружие познания XXI
века
Элективный курс, 10–11-й классы,
естественнонаучный профиль (136 ч, 2 ч/нед.)
Уроки 9–10, 11-й класс. Молния:
больше вопросов, чем ответов.
В любое время в разных точках Земли
одновременно сверкают молнии более двух тысяч
гроз. Каждую секунду около 50 молний ударяются в
поверхность Земли, и в среднем каждый квадратный
километр поражается молнией около шести раз в
году. Ещё Б.Франклин показал, что молнии, бьющие в
Землю из грозовых облаков, – это электрические
разряды, переносящие отрицательный заряд.
При этом каждый разряд снабжает Землю
несколькими десятками кулонов, а амплитуда тока
при ударе молнии доходит до 100 кА. Скоростная
фотосъёмка показала, что разряд молнии длится
несколько десятых долей секунды и состоит из
нескольких коротких разрядов. Молнии издавна
интересуют учёных, но и в наше время об их природе
мы знаем лишь немного больше, чем 250 лет тому
назад, хотя смогли обнаружить их даже на других
планетах.
Молния – вечный источник
подзарядки Земли. С помощью измерительных
приборов, установленных на 
атмосферных зондах,
в начале ХХ в. было измерено электрическое поле
Земли, и напряжённость поля у поверхности
оказалась около 100 В/м, что соответствует
суммарному заряду планеты примерно 400 000 Кл.
Переносчиками зарядов в атмосфере Земли
являются ионы, их концентрация увеличивается с
высотой и достигает максимума на 50 км, где под
действием космического излучения образовался
электропроводящий слой, ионосфера. Поэтому
электрическое поле Земли – это поле
сферического конденсатора с приложенным к нему
напряжением около 400 кВ. Под действием этого
напряжения из верхних слоёв в нижние всё время
течёт ток силой 2–4 кА и плотностью (1–2) • 10–12
А/м2, в результате чего выделяется мощность
до 1,5 ГВт. И это электрическое поле исчезло бы,
если бы не было молний – в хорошую погоду
электрический конденсатор Земли разряжается, а
при грозе – заряжается.
Человек не чувствует электрического
поля Земли, т.к. является хорошим проводником.
Поэтому заряд Земли находится и на поверхности
тела человека, локально искажая электрическое
поле. Под грозовым облаком плотность наведённых
на земле положительных зарядов может
значительно возрастать, а напряжённость
электрического поля может превышать 100 кВ/м, т.е.
быть в 1000 раз больше, чем в хорошую погоду. В
результате во столько же раз увеличивается
положительный заряд каждого волоска на голове
человека, стоящего под грозовой тучей, и они,
отталкиваясь друг от друга… встают дыбом
(«Фейнмановские лекции по физике». – М.: 1966, т. 5, с.
172).
Электризация – удаление
«заряженной» пыли. Чтобы понять, как облако
разделяет электрические заряды, вспомним, что
такое электризация. Легче всего зарядить тело,
потерев его о другое. Электризация трением –
самый старый способ получения электрических
зарядов. Само слово «электрон» в переводе с
греческого на русский означает «янтарь», т.к.
янтарь всегда заряжался отрицательно при трении
о шерсть или шёлк. Величина заряда и его знак
зависят от природы трущихся тел. Если из
перечисленных в таблице материалов составлять
пары и тереть друг о друга, то материал,
находящийся в таблице выше, заряжается
положительно.
Считается, что тело, до того как его
стали тереть о другое, электронейтрально.
Действительно, если оставить заряженное тело в
воздухе, то к нему начнут прилипать
противоположно заряженные частицы пыли и ионы, в
результате чего через некоторое время тело
окажется электронейтральным. Таким образом, на
поверхности любого тела находится слой
«заряженной» пыли, нейтрализующий заряд тела.
Поэтому электризация трением – это процесс
частичного удаления «заряженной» пыли с обоих
тел. При этом результат будет зависеть от того,
насколько лучше или хуже снимается «заряженная»
пыль с трущихся тел.
Облако – фабрика по производству
электрических зарядов. Трудно представить,
что в облаке находится пара материалов из
перечисленных в таблице. Однако природа
«заряженной» пыли может быть различной, даже
если тела сделаны из одного и того же материала,
– достаточно, чтобы отличались микроструктуры
их поверхностей. Например, при трении гладкого
тела о шероховатое электризоваться будут оба. 
Грозовое облако – это огромное
количество пара, часть которого
конденсировалась в виде мельчайших капелек или
льдинок. Верх грозового облака может находиться
на высоте 6–7 км, а низ – нависать над Землёй на
высоте 0,5–1 км. На высоте более 3–4 км облака
состоят из льдинок разного размера, т.к.
температура там всегда ниже нуля. Эти льдинки
находятся в постоянном движении, вызываемом
восходящими потоками тёплого воздуха, нагретого
поверх-ностью Земли. Мелкие льдинки легче, чем
крупные, увлекаются этими потоками и, двигаясь в
верхнюю часть облака, всё время сталкиваются с
крупными. При каждом таком столкновении
происходит электризация, крупные льдинки
заряжаются отрицательно, а мелкие –
положительно. Со временем положительно
заряженные мелкие льдинки оказываются в верхней
части облака, а отрицательно заряженные крупные
– в нижней. Другими словами, верхушка грозового
облака заряжена положительно, а низ –
отрицательно. Всё готово для разряда молнии,
когда происходит пробой воздуха и отрицательный
заряд с нижней части грозовой тучи перетекает на
Землю.
Молния – привет из космоса и
источник рентгеновского излучения. Однако
само облако не в состоянии так наэлектризовать
себя, чтобы вызвать разряд между нижней частью
облака и Землёй. Напряжённость электрического
поля в грозовом облаке никогда не превышает 400
кВ/м, а для электрического пробоя в воздухе
требуется напряжённость больше 2500 кВ/м. Поэтому
для возникновения молнии необходимо что-то ещё,
кроме электрического поля. В 1992 г. российский
учёный А.Гуревич из Физического института им.
П.Н.Лебедева РАН предположил, что триггером для
молнии могут быть космические лучи – частицы
высоких энергий, обрушивающиеся на Землю из
космоса с околосветовыми скоростями. Тысячи
таких частиц каждую секунду бомбардируют каждый
квадратный метр земной атмосферы.
Согласно теории Гуревича, частица
космического излучения, сталкиваясь с молекулой
воздуха, ионизует её, в результате чего
образуется огромное число электронов,
обладающих высокой энергией. Попав в
электрическое поле между облаком и Землёй, такой
электрон ускоряется до околосветовых скоростей,
ионизуя путь своего движения, и, таким образом,
вызывает лавину электронов, движущихся вместе с
ним к Земле. Ионизованный канал сразу же
используется молнией для разряда.
Каждый, кто видел молнию, заметил, что
это не ярко светящаяся прямая, соединяющая
облако и Землю, а ломаная линия. Первичный
проводящий канал, по которому потом идёт разряд
молнии, называют «ступенчатым лидером». Каждая
«ступенька» – это место, где разогнавшиеся до
околосветовых скоростей электроны вынуждены
остановиться из-за столкновений с молекулами
воздуха и изменить направление движения.
Доказательство справедливости такой
интерпретации – вспышки рентгеновского
излучения, совпадающие с моментами, когда молния,
как бы спотыкаясь, изменяет свою траекторию.
Недавние исследования показали, что энергия
фотона рентгеновского излучения молнии может
достигать 250 кэВ, что примерно в два раза больше
той, что используется при рентгене грудной
клетки.
Как можно вызвать разряд молнии?
Изучать то, что произойдёт непонятно где и когда,
очень сложно. А именно так в течение долгих лет
работали учёные, исследующие природу молний.
Считается, что грозой на небе руководит
Илья-пророк, и нам не дано знать его планы. Однако
учёные очень давно пытались заменить
Илью-пророка, создавая проводящий канал между
грозовой тучей и Землёй. Б.Франклин для этого во
время грозы запускал воздушный змей,
оканчивавшийся проволокой и связкой
металлических ключей. Этим он вызывал слабые
разряды по проволоке и первым доказал, что молния
– это отрицательный электрический заряд,
стекающий с облаков на Землю. Опыты Франклина
были чрезвычайно опасными, и один из тех, кто их
пытался повторить, российский академик Г.Рихман,
в 1753 г. погиб от удара молнии...
В 1990-х гг. учёные научились вызывать
молнии, не подвергая опасности свою жизнь. Один
из способов – запустить с Земли небольшую ракету
прямо в грозовую тучу. Вдоль всей своей
траектории ракета ионизует воздух и создаёт
таким образом проводящий канал между тучей и
Землёй. И если отрицательный заряд низа тучи
достаточно велик, то вдоль канала происходит
разряд молнии, все параметры которого
регистрируют приборы, расположенные рядом со
стартовой площадкой ракеты. Чтобы создать ещё
лучшие условия для разряда молнии, такая ракета
несёт хвост – металлический провод, соединяющий
её с Землёй.
Несколько разрядов молнии, вызванных
запуском ракеты в грозовую тучу. Самая левая
вертикальная прямая – след от запущенной ракеты
Молния: создатель жизни и
двигатель эволюции. В 1953 г. биохимики
С.Миллер и Г.Ури показали, что одни из
«кирпичиков» жизни, аминокислоты, могут быть
созданы путём пропускания молнии через воду, в
которой растворены газы «первобытной» атмосферы
Земли (метан, аммиак и водород). Спустя 50 лет
другие учёные повторили эти опыты и получили те
же результаты. Таким образом, научная теория
зарождения жизни на Земле отводит удару молнии
основополагающую роль. При пропускании коротких
импульсов тока через бактерии в их оболочке
(мембране) появляются поры, через которые внутрь
могут проходить фрагменты ДНК других бактерий.
Таким образом гены одного вида бактерий могут
переходить к другим, и это может быть одним из
механизмов эволюции.
Фульгурит – след молнии на Земле.
При разряде молнии выделяется энергия 109–1010
Дж. Большая часть этой энергии тратится на гром
(звуковые волны), нагрев воздуха, световую
вспышку и другие электромагнитные волны, и
только маленькая часть выделяется в том месте,
где молния входит в Землю. Однако и этой
«маленькой» части вполне достаточно, чтобы
вызвать пожар, убить человека и разрушить здание.
Молния может разогревать канал, по которому она
движется, до 30 000 °С, что в 5 раз выше, чем
температура на поверхности Солнца. Температура
внутри молнии гораздо выше температуры
плавления песка (1600–2000 °C), но расплавится песок
или нет, зависит также от длительности молнии,
которая может составлять от десятков
микросекунд до долей секунды. Амплитуда тока
молнии обычно равна нескольким десяткам
килоампер, но иногда может превышать и 100 кА.
Самые мощные молнии вызывают рождение
фульгуритов – полых цилиндров из оплавленного
песка. Самые длинные из раскопанных фульгуритов
уходили под землю на глубину более 5 м.
Крупный фульгурит (7,3 кг), найденный автором
на окраине Москвы (слева); полые цилиндрические
фрагменты фульгурита (справа)
Главный редактор газеты «Физика» Н.Д.Козлова
у сосны, расположенной на западной окраине
Москвы. Под сосной находится огромный фульгурит,
поэтому корни дерева уходят в землю на большом
расстоянии от ствола. По мнению автора, семечко
сосны оказалось внутри полого цилиндра
фульгурита, образованного разрядом молнии. В
песке, у корней, множество мелких фульгуритов,
которые и раздавались всем желающим на Марафоне
Почему грозы случаются чаще над
сушей, чем над морем? Чтобы облако
разрядилось, в воздухе под ним должно быть
достаточно ионов. Чистый воздух, состоящий
только из молекул азота и кислорода, не содержит
ионов, его очень трудно ионизовать, даже
прикладывая электрическое поле. А вот если в
воздухе много инородных частиц, например, пыли,
то и ионов тоже много. Ионы образуются при
движении частиц в воздухе аналогично тому, как
электризуются при трении друг о друга различные
материалы. Очевидно, что пыли в воздухе гораздо
больше над сушей, чем над океанами. Потому-то
грозы и гремят над сушей чаще. Замечено также, что
особенно часто молнии бьют в тех местах, где в
воздухе особенно велика концентрация аэрозолей
– выбросов предприятий нефтеперерабатывающей
промышленности.
Почему зимой грозы очень редки? Чтобы
образовалось грозовое облако, необходимы
восходящие потоки влажного воздуха.
Концентрация насыщенных паров растёт с
температурой и максимальна летом. Разница
температур, от которой зависят восходящие потоки
воздуха, тем больше, чем выше его температура
воздуха у поверхности земли, т.к. на высоте
нескольких километров температура не зависит от
времени года. Значит, интенсивность восходящих
потоков максимальна тоже летом. Поэтому и грозы у
нас чаще всего летом, а на севере, где и летом
холодно, грозы довольно редки.
Распределение частоты гроз по поверхности
суши и океанов: в самых тёмных местах на карте –
не более 0,1 грозы в год на квадратный километр, в
самых светлых – более 50
Как Франклин отклонил молнию?
К счастью, большинство разрядов молнии
происходят между облаками и поэтому не угрожают
здоровью людей. Однако считается, что каждый год
молнии убивают более тысячи людей по всему миру.
По крайней мере в США, где ведётся такая
статистика, каждый год от удара молнии страдают
около 1000 человек, а более ста из них погибают.
Учёные давно пытались защитить людей от этой
«кары Божьей». Например, изобретатель первого
электрического конденсатора (лейденской банки)
Питер ван Мушенбрук (1692–1761) в статье об
электричестве, написанной для знаменитой
французской «Энциклопедии», защищал
традиционные способы предотвращения молнии –
колокольный звон и стрельбу из пушек, – которые,
как он считал, были довольно эффективными.
Зонт с громоотводом. Модель продавалась в XIX
в. и пользовалась спросом
Б.Франклин, пытаясь защитить Капитолий
столицы штата Мэриленд, в 1775 г. закрепил на здании
толстый железный стержень, возвышавшийся над
куполом на несколько метров и соединённый с
землёй. Ученый отказался патентовать своё
изобретение, желая, чтобы оно как можно скорее
начало служить людям. Весть о громоотводе
Франклина (теперь мы его называем молниеотводом,
ибо гром – всего лишь звук, его незачем отводить)
быстро разнеслась по Европе, и его выбрали во все
академии, включая и Российскую. Однако в
некоторых странах набожное население встретило
это изобретение с возмущением. Сама мысль, что
человек так легко и просто может укротить
главное оружие божьего гнева, казалась
кощунственной. Поэтому в разных местах люди из
благочестивых побуждений ломали громоотводы.
Любопытный случай произошёл в 1780 г. в небольшом
городке Сент-Омер на севере Франции, где горожане
потребовали снести железную мачту громоотвода, и
дело дошло до судебного разбирательства. Молодой
адвокат, защищавший громоотвод от нападок
мракобесов, построил защиту на том, что и разум
человека, и его способность покорять силы
природы имеют божественное происхождение. Всё,
что помогает спасти жизнь, во благо – доказывал
молодой адвокат. Он выиграл процесс и снискал
большую известность. Адвоката звали Максимилиан
Робеспьер. Ну а портрет изобретателя громоотвода
– сейчас самая желанная репродукция в мире, ведь
она украшает известную всем стодолларовую
купюру.
Как можно защититься от молнии с
помощью струи и лазера. Учёные предложили
принципиально новый способ борьбы с молниями:
сделать молниеотвод из... струи жидкости, которой
будут стрелять с Земли непосредственно в
грозовые облака. Молниеотводная жидкость
представляет собой солевой раствор с добавками
жидких полимеров (соль предназначена для
увеличения электропроводности, а полимер – для
предотвращения распада струи на отдельные
капельки). Диаметр струи составит примерно 1 см, а
максимальная высота – 300 м. Когда жидкий
молниеотвод будет доработан, им оснастят
спортивные и детские площадки, где струя будет
включаться автоматически, когда напряжённость
электрического поля станет достаточно высокой, а
вероятность удара молнии – большой. По этой
струе с грозового облака заряд будет «стекать»
безопасно для окружающих. Аналогичную защиту от
разряда молнии можно сделать и с помощью лазера,
луч которого, ионизуя воздух, создаёт канал для
электрического разряда вдали от скопления людей.
Выстрел жидкостью или лазером по грозовой
туче, нависшей над стадионом, – и молния прошла
по искусственному каналу
Может ли молния сбить нас с пути? Да,
если вы пользуетесь обычным магнитным компасом.
В известном романе Г.Мелвилла «Моби Дик» описан
именно такой случай, когда разряд молнии,
сопровождавшийся сильным изменением магнитного
поля, перемагнитил стрелку компаса. Однако
капитан судна не растерялся: он взял обычную
швейную иглу, ударил по ней, чтобы намагнитить в
поле Земли, и поставил вместо испорченной
стрелки компаса.
Может ли поразить молния, если вы
находитесь внутри дома или самолёта? К
сожалению, да! Ток грозового разряда может войти
в дом по телефонному проводу от рядом стоящего
столба. Поэтому при грозе старайтесь не
пользоваться обычным телефоном. Считается, что
говорить по радиотелефону или по мобильному
безопаснее. Небезопасно касаться во время грозы
труб центрального отопления, которые тоже
являются электрическими проводниками,
соединяющими дом с землёй. Из этих же соображений
специалисты советуют при грозе выключать все
электрические приборы, в том числе компьютеры и
телевизоры.
Что касается самолёта, то, вообще
говоря, лётчики стараются облетать районы с
грозовой активностью. И всё-таки в среднем раз в
год в каждый из самолётов попадает молния. В
подавляющем большинстве случаев при попадании
молнии ничего не происходит, т.к. алюминий,
покрывающий самолёт снаружи, легко пропускает её
вниз, к земле.
В статье использованы материалы из
журналов и интернета:
Water jets could be lightning conductors. – New Scientist, 31 Jan
2002.
Which way, captain? – New Scientist, 30 Oct 2004.
Lightning: Thunderbolts from space. – New Scientist, 07 May 2005.
Striking planes. – New Scientist, 02 July 2005.
Lightning control with lasers. – Scientific American, 1997, Aug, p. 55.
A bolt out of the blue. – Scientific American, 2005, May, p. 65.
http://www.krugosvet.ru/articles/
http://ru.wikipedia.org/wiki/
http://www.cultinfo.ru/fulltext/