Что такое гром с точки зрения физики
Гром и молния: что об этом нужно знать
В теплое время года довольно часто бывают грозы ‑ впечатляющие природные явления, тем не менее, вызывающие не только любопытство, но и страх. Во время грозы между облаками и Землей возникают электрические разряды, которые хорошо видно и слышно: молния наблюдается в виде ветвящихся светящихся линий, пронизывающих небо, а несколько позже мы слышим раскатистый звук грома. При этом, как правило, наблюдается ливневый дождь, сопровождающийся шквальным ветром и градом. Гроза является одним из наиболее опасных атмосферных явлений: только наводнения связаны с большим, чем у гроз количеством человеческих жертв. Интерес к изучению природного электричества возник еще в давние времена. Первым, кто исследовал электрическую природу молнии, был Бенджамин Франклин – американский политический деятель, но вместе с тем ученый и изобретатель. Именно он еще в 1752 году предложил первый проект молниеотвода. Давайте попробуем разобраться, какую опасность несет гроза, и что нужно знать и делать, чтобы себя обезопасить.
Одновременно на Земле действует около полутора тысяч гроз, средняя интенсивность разрядов оценивается как 100 молний в секунду или свыше 8 миллионов в день. По поверхности планеты грозы распределяются неравномерно. Над океаном гроз наблюдается приблизительно в десять раз меньше, чем над континентами. В тропической и экваториальной зоне (от 30° северной широты до 30° южной широты) сосредоточено около 78 % всех молниевых разрядов. Максимум грозовой активности приходится на Центральную Африку. В полярных районах Арктики и Антарктики и над полюсами гроз практически не бывает. Интенсивность гроз следует за солнцем: максимум гроз приходится на лето (в средних широтах) и дневные послеполуденные часы. Минимум зарегистрированных гроз приходится на время перед восходом солнца. На грозы влияют также географические особенности местности: сильные грозовые центры находятся в горных районах Гималаев и Кордильер.
Во время грозы между тучами и Землей возникает огромное напряжение, достигающее значения в 1000000000 В. При таком напряжении воздух ионизируется, превращаясь в плазму, и возникает гигантский электрический разряд с силой тока до 300000 А. Температура плазмы в молнии превышает 10000 °С. Молния проявляется яркой вспышкой света и ударной звуковой волной, которую несколько позднее слышно в качестве грома. Опасна молния еще и тем, что она может ударить совершенно неожиданно, и ее путь может быть непредсказуем. Однако расстояние до грозового фронта и скорость его приближения или удаления можно легко определить при помощи секундомера. Для этого необходимо засечь время между вспышкой света молнии и раскатом грома. Скорость звука в воздухе составляет примерно 340 м/с, поэтому, если вы услышали гром через 10 с после вспышки света, то до грозового фронта примерно 3,4 км. Измеряя таким образом время между вспышкой света и громом, а также время между разными ударами молнии, можно определить не только расстояние до них, но и скорость приближения или удаления грозового фронта:
где 
– скорость звука, 
– время между вспышкой света и громом первой молнии, 
– время между вспышкой света и громом второй молнии, 
– время между молниями. Если значение скорости получится положительным, то грозовой фронт приближается, а если отрицательным – удаляется. При этом необходимо учитывать, что направление ветра не всегда совпадает с направлением движения грозы.
Если все-таки вы попали в грозу, то следует соблюдать ряд простых правил, чтобы себя обезопасить:
Во-первых, во время грозы желательно избегать открытой местности. Молния с большей вероятностью бьет в самую высокую точку, одинокий человек в поле – это и есть та самая точка. Если Вы по какой-то причине остались в поле один на один с грозой, спрячьтесь в любом возможном углублении: канавке, ложбинке или самом низком месте поля, сядьте на корточки и пригните голову. При этом следует помнить, что песчаная и каменная почвы имеют меньшую электропроводность, а значит, они безопаснее, чем глинистая. Не следует прятаться под отдельно стоящими деревьями, так как они в первую очередь подвержены ударам молнии. А если вы находитесь в лесу, то лучше всего прятаться под низкорослыми деревьями с густой кроной.
В-третьих, если гроза застала Вас в машине, то она достаточно хорошо защищает от молнии, так как даже при ударе молнии разряд идет по поверхности металла. Поэтому закройте окна, отключите радиоприёмник и GPS-навигатор. Не следует дотрагиваться до любых металлических деталей автомобиля. Очень опасно во время грозы разговаривать по мобильному телефону. Лучше всего во время грозы его тоже выключить. Были случаи, когда входящий звонок становился причиной попадания молнии. Велосипед и мотоцикл в отличие от машины от грозы вас не спасут. Необходимо слезть, уложить транспорт на землю и отойти на расстояние примерно 30 м от него.
В природе существуют разные виды молний: линейные (наземные, внутриоблачные, молнии в верхней атмосфере) и шаровые молнии – светящиеся плавающие в воздухе образования, уникально редкое природное явление. Если природа линейной молнии ясна и ее поведение более предсказуемо, то природа шаровой молнии до сих пор хранит в себе множество тайн. Несмотря на то, что вероятность поражения человека шаровой молнией мала, тем не менее, она представляет серьезную опасность, так как не существует надежных методов и правил защиты от нее.
Поведение шаровой молнии непредсказуемо. Она может неожиданно появляться где угодно, в том числе в закрытых помещениях. Отмечены случаи появления шаровой молнии из телефонной трубки, электрической бритвы, выключателя, розетки, репродуктора. Достаточно часто она проникает в здания через трубы, открытые окна и двери. Известны случаи, когда шаровая молния проникала в помещение через узкие щели и даже замочную скважину. Размеры шаровой молнии могут быть различными: от нескольких сантиметров до нескольких метров. В большинстве случаев шаровая молния легко парит или катится над землей, иногда подскакивая, но может и зависнуть над поверхностью земли. Как утверждают очевидцы, шаровая молния реагирует на ветер, сквозняк, восходящие и нисходящие потоки воздуха. Но это не всегда так: известны случаи, кода шаровая молния никак не реагировала на потоки воздуха.
Шаровая молния может внезапно появиться и так же внезапно исчезнуть, не нанеся вреда человеку или помещению. Например, может залететь в окно и вылететь из помещения через открытую дверь или дымовую трубу, пролетев мимо Вас. При этом следует знать, что всякий контакт с человеком приводит к тяжелым травмам, ожогам, а в большинстве случаев к смертельному исходу. Поэтому, если вы увидели шаровую молнию, безопаснее всего удалиться от нее на максимально возможное расстояние.
Кроме того шаровая молния часто взрывается. Возникающая при этом ударная воздушная волна может травмировать человека или привести к разрушениям. Например, известны случаи взрывов молний в печках, дымоходах, что привело к серьезным разрушениям. Температура внутри шаровой молнии достигает 5000 °С, поэтому она может стать причиной пожара. Статистика поведения шаровой молнии говорит о том, что в 80% случаев взрывы не были опасны, однако тяжелые последствия все-таки возникали в 10% взрывов.
По предложенному методу мы предлагаем вам рассчитать расстояние до грозового разряда и его скорость, если первый гром был слышен через 20 секунд после наблюдения первой молнии, а второй через 15 секунд после наблюдения второй молнии. Время между молниями составляет 1 минуту.
Автор: Матвеев К.В., методист ГМЦ ДО г. Москвы
Как появляется молния и гром
Обновлено: 01 Июня 2021
Такое явление, как гроза, одновременно пугает и завораживает. Вспышки молний, расчерчивающих потемневшее небо, и страшные раскаты грома. В древности люди думали, что так боги проявляют свой гнев на жителей Земли. В настоящее время наука может дать точное описание и объяснение этому природному явлению.
Как появляется молния и гром: краткое описание явления
Искровой разряд
Молния — это гигантский электрический разряд, всегда сопровождающийся яркой вспышкой и звуковыми раскатами — громом. Вспышка молнии редко бывает одиночной, обычно они бывают от 2-3 до нескольких десятков разрядов. Образование этого явления возможно в кучево-дождевых облаках или слоисто-дождевых тучах огромных размеров (до 7 км в высоту). Такие облака и тучи легко выделить среди других по насыщенному темно-синему цвету.
Молнии могут образовываться:
Грозовые облака состоят из пара, который в верхних слоях тучи из-за низкой температуры конденсирован в виде кристалликов льда. Для того чтобы туча стала грозовой, ледяные кристаллы внутри нее должны начать активно двигаться. Этому способствуют потоки теплого воздуха, поднимающиеся с нагретой поверхности. Теплые массы воздуха влекут за собой вверх более мелкие кристаллики льда, которые наталкиваются на более крупные. В результате этого процесса маленькие кристаллы оказываются положительно заряженными, крупные — отрицательно заряженными.
При этом маленькие кристаллики льда концентрируются в верхней части тучи, которая становится положительно заряженной, а большие — в нижней, отрицательно заряженной. Напряженность электрического поля в таком облаке достигает огромных значений: 1 миллион вольт на 1 метр. При соприкосновении противоположно заряженных слоев в местах столкновения ионы и электроны образуют канал, все заряженные частицы устремляются по нему вниз, и образуется мощный электрический разряд — молния.
Полученный канал раскаляется до 30000 градусов Цельсия и образует яркий свет, который видно доли секунды. После того, как канал образован, грозовая туча начинает разряжаться: за первым ударом молнии следуют два и более разрядов.
Звук разряда
Через несколько секунд после вспышки молнии возникает гром. Гром — это взрывоподобные колебания воздуха, которые происходят из-за резкого повышения давления вдоль канала, чему способствует разогрев атмосферы до 30000 градусов Цельсия.
Сколько молний возникает ежедневно
Благодаря данным со спутников ученые узнали, что в каждую секунду на Земле происходит 44 ± 5 ударов молнии. То есть за сутки случается более 3,5 миллионов разрядов, а их количество в год составляет порядка 1,4 миллиарда. При этом около 25% ударяют в землю и примерно 75% вспыхивают среди облаков.
Природа молнии в физике
Молния не образуется мгновенно из ничего, хоть все и происходит очень быстро. Один электрический разряд можно разделить на 2 стадии:
Ступенчатый лидер
Обратная вспышка
Когда ступенчатый лидер достигает поверхности земли, по проложенному им каналу начинает течь ток. В этот момент и можно видеть основную вспышку молнии, которая сопровождается огромным выделением энергии и высокими показателями силы тока. При этом лидер всегда распространяется от тучи к земле, а яркая вспышка, которую мы называем молнией, наоборот, от земли к туче.
Молния — это явление, которое идет не от тучи к земле, а происходит между ними.
Почему возникает гром
Удар молнии всегда сопровождается звуками грома. Объясним, как возникает гром.
При вспышке молнии происходит резкий скачок температуры окружающего воздуха до огромных значений, что приводит к расширению нагретого воздуха по типу взрыва, вызывающему ударную волну или раскат грома. Почти всегда громкость звука увеличивается к концу раската из-за отражения звука от облаков и поверхности земли. Чем большее число молний прошло по каналу, тем продолжительнее будет сотрясение воздуха. При значительной длине электрического разряда звук с разных его участков доходит в разное время и образуются громовые раскаты.
Скорость света и скорость звука
Из-за того, что скорость звука (330 метров в секунду) гораздо меньше скорости света (299 792 458 метров в секунду), гром всегда появляется немного позже молнии.
По времени задержки грома от молнии можно рассчитать расстояние до того места, куда ударил разряд. Для этого нужно посчитать, сколько секунд прошло между вспышкой и звуками грома. 3 секунды будут примерно равны расстоянию в 1 километр.
Разновидности молний
На Земле существует несколько разновидностей молний.
К наземным относятся:
Линейная. Частый вид, образование которого мы как раз и приводили выше, описывая разряд между небом и землей. Молния представляет собой изогнутую линию с ответвлениями, один конец которой находится в небе, другой — на поверхности земли.
Молния «земля-облако» образуется, когда разряд попадает в объект, расположенный на большой высоте. Высокие предметы накапливают электростатический заряд и тем самым приманивают молнии.
Ленточная. Интересный редкий вид молнии, который представляет собой ряд одинаковых каналов, находящихся на небольшом расстоянии и параллельных друг другу. Ученые считают, что причиной данного явления выступает сильный ветер, который значительно расширяет каналы.
Пунктирная или жемчужная. Очень редкий вид, который представляет собой не сплошной разряд, а линию, состоящую из частых промежутков, похожих на пунктиры. Ученые предполагают, что такой эффект возможен по причине быстрого остывания некоторых участков молнии.
Шторовая. В отличие от других видов возникает над облаками. Внешне выглядит эффектно — как сеть разрядов. При ней можно слышать негромкий гул. Такую молнию впервые сфотографировали только в 1994 году.
Внутриоблачные или межоблачные электрические разряды бывают 2-х видов:
«Облако-облако». Самый распространенный вид молний, когда оба концы электрического разряда находятся в небе. Это происходит потому, что соседние облака имеют разные заряды и пробивают друга друга. Такой вид молнии не опасен для человека, так как не достигает поверхности земли.
Горизонтальная. Напоминает собой молнию «облако-земля», но при этом не достигает земли. Вспышки по небу распространяются в разные стороны, выглядит такой разряд очень эффектно и считается чрезвычайно мощным.
Вспышки, которые образуются на высоте 40 км и выше от поверхности земли, делятся на:
Спрайты. Привычные нам электрические разряды образуются на высоте порядка 16 км. Спрайты же возникают гораздо выше, от 50 до 130 км над землей. Это вспышки холодной плазмы, которые бьют из облаков вверх. Они образуются группами при сильной грозе и появляются спустя несколько секунд после мощной молнии. Обладают следующими параметрами: средняя длина вспышки составляет 60 км, длительность — до 100 миллисекунд, диаметр — до 100 км.
Эльфы. Представляют собой масштабные разряды в виде конусов со слабым красным светом. Их диаметр около 400 км. Возникают в верхних частях грозовых облаков. Их высота составляет 100 км, длительность — 3 миллисекунды.
Джеты. Вспышки с синим свечением и трубчато-конусной формой. В высоту достигают 40-70 км. Длятся чуть дольше эльфов.
Необычными видами электрических разрядов считаются:
Вулканическая. Такой вид образуется при извержении вулкана. Связано это со столкновением электрических зарядов, которые несут в себе пепел и магма.
Огни Святого Эльма. Это разряды, возникающие на острых концах высоких объектов (вершины скал, мачты судов, деревья, башни и т.п.). Возникают по причине высокой напряженности электрического поля во время грозы летом или метели зимой.
Шаровая. Этот вид электрического разряда представляет собой шарообразный сгусток плазмы диаметром 10-20 см, который свободно перемещается по воздуху, имеет непредсказуемую траекторию движения и способен взрываться. С уверенностью можно говорить о том, что это самый интересный и малоизученный вид молний.
Интересные факты о молниях в небе
Если в вашей учебе наметилась непогода, срочно обращайтесь за помощью к образовательному сервису Феникс.Хелп. Как надежный громоотвод, мы возьмем всю вашу учебную нагрузку на себя.
Гроза, гром, молния
Многие люди при наблюдении грозы испытывают подсознательный страх, даже находясь дома, в безопасности, а не на улице. Суеверный ужас перед величественным природным явлением живет в человечестве с начала времен. Раньше стихия причиняла большой ущерб, вызывала пожары и наводнения, сегодня, благодаря науке, ее удалось присмирить. Однако человеческие жертвы случаются до сих пор, и связаны они с неправильным поведением во время грозы.
Что такое гроза
Гроза – это природное явление, представляющее собой возникновение электрических разрядов между намагниченными кучево-дождевыми облаками и земной поверхностью. Стихия сопровождается ливнями, градом, порывистым ветром.
Характеристики у атмосферного явления следующие:
Большая часть гроз образуется над материковой поверхностью в экваториальных и тропических широтах. Наиболее мощные и опасные грозовые фронты наблюдаются над гористыми местностями.
Как возникает гроза
Грозовой процесс происходит в облаке. Теплая воздушная масса, несущая с планетарной поверхности вверх водяной пар, в высоких атмосферных слоях охлаждается. Происходит конденсация: пар превращается в капли воды, выпадающие на землю в виде осадков.
Однозначно сказать, как происходят грозы, ученые не могут до сих пор. Существует теория электризации облака. В центральной части облака накапливается заряд, который стремительно поднимается с восходящим воздушным потоком. На высоте в облаке из-за низкой температуры образуются капли воды, частицы льда, градины. Водяные и ледяные формирования восходят с воздухом, а градины из-за большей тяжести устремляются вниз. Градины сталкиваются с частицами льда, отбирают у них электроны, в итоге верхняя половина облака, накапливающая лед, становится положительно заряженной, а нижняя, через которую проходят градины, – отрицательно.
Таким образом, причиной возникновения грозы является напряжение, сформированное между двумя «полюсами» облака. Заряженные частицы двигаются, образуя электрический ток. Движение тока наблюдается как между частями облака с разными зарядами, так и между облаком и земными объектами. То есть следует говорить об электрической природе грозы.
Классификация
Одно время грозы делились на типы по территории наблюдения. Выделялись орфографические, локальные, фронтальные явления. Сегодня эта классификация не применяется. Грозы делят на виды по метеорологической обстановке, способствующей их появлению. Главное условие формирования грозового облака – неустойчивость атмосферных потоков. Исходя из силы и величины этих потоков, образуются разные виды грозовых туч. Ниже приводится список, раскрывающий вопрос, какие бывают грозы:
В природе существует также явление, называемое сухая гроза. Оно возникает нечасто, наблюдается в областях муссонного климата. Сухая гроза возникает, когда осадки из-за высокой температуры не долетают до земной поверхности, испаряются на лету.
Что такое молния
Молния представляет собой атмосферный разряд гигантского размера, сопровождающийся световой вспышкой и звуковым сопровождением. Каналы молнии на небе выглядят как сияющие ветви дерева.
Образование канала почти всегда многократное: за одной вспышкой следуют от 2 – 3 до нескольких десятков новых.
Как появляется молния
Разряд молнии в большинстве случаев исходит из кучево-дождевого, реже из слоисто-дождевого крупного облака. Возникновение явления природы отмечается в пределах тучи, между заряженными облаками, между облаком и земными объектами. Для напряжения молнии характерны невероятно высокие значения. Говоря, сколько вольт у молний, произносят страшное число – 1 млн. на метр.
Когда в туче при движении ледяных частиц и градин в противоположные стороны происходит столкновение зон с разным зарядом, в точках столкновения электроны и ионы формируют канал. По нему вниз идут заряженные частицы, образуя грозовой разряд. Вот откуда берутся молнии.
Сказать, из чего состоят разряды, можно однозначно – из электричества. При формировании одного канала выделяется количество энергии, достаточное для 90-дневной беспрерывной работы лампочки 100 Вт. Значение силы тока в разряде составляет от 10 до 100 тысяч ампер. Температура канала достигает 30000°C (то есть в миг прохождения вспышки образуется тепловой поток, в 5 раз превышающий температуру Солнца).
Какие бывают молнии
По определению, молния – разряд между определенными объектами. Разряды по положению в пространстве и физике делятся на несколько видов. Ниже приводятся самые распространенные виды молний:
Существуют также цветовые виды молний:
Что такое гром
Гром – звуковое сопровождение молнии в атмосфере. Происхождение этого явления связано с температурными изменениями воздушного пространства. При разряде воздушная масса так сильно нагревается, что взрывается с мощным звуком. Вот откуда берется гром.
Как появляется гром
Когда гром и молния недалеко, то слышится один раскат. Если гроза бушует на значительном расстоянии, то доносится несколько раскатов – это эхо, отраженное от неровностей земной поверхности.
Интересно отметить, почему зимой нет грома и в принципе не бывает грозы как таковой. Для формирования электрических зарядов жидкость в атмосфере должна находиться в трех состояниях: пар, капли, льдинки. Одновременное наличие трех агрегатных состояний возможно только в теплый период года. Зимой и в нижнем, и в верхнем атмосферном слое жидкой и парообразной формы воды нет. Зимний воздух сухой, осадки твердые. Электрическому разряду взяться неоткуда, поэтому гром и молния в зимний период невозможны. А вот осенний гром, вопреки расхожему мнению, бывает.
Почему сначала молния, потом гром
Наблюдателю, видящему множество разрядов на грозовом небе, бывает сложно понять, что идет сначала – молния или гром. Вначале наблюдатель видит молнию, затем слышит раскат. Обусловлено это тем, что световая волна движется быстрее, чем звуковая. Утверждения, что бывает раньше гром, ложные. Просто очевидцы слышат раскат от предыдущей молнии, а затем сразу видят следующую.
Существует предположение, что отсчитывая секунды от разряда до раската, можно узнать на каком расстоянии от наблюдателя находится эпицентр грозы. Оно математически не совсем достоверное. Скорость звука составляет около 330 м/с. То есть звук за 3 сек. проходит километр. Поэтому для вычисления расстояния до молнии нужно посчитать секунды между разрядом и раскатом, затем умножить их на 330.
Бывает, что разряды сверкают, а грома нет. Это физическое явление называется «тихая гроза». Она отмечается, когда молнии бьют выше 20 км над землей. Звуковая волна просто не достигает земной поверхности.
Есть и обратное явление – «холостая гроза». Раскаты слышны, но молний не видно. Существование грома без молнии невозможно, просто в данном случае разряды не видны наблюдателю.
Чем опасна гроза
Грозы обладают мощными поражающими факторами. Они:
Отличие грозы от молнии в плане опасности состоит в том, что гроза, как явление, включает в себя не только гром и молнию, но и обильные осадки. Ливни бывают настолько сильными, что вызывают наводнение. А град способен нанести увечья человеку, повредить урожай и некрепкие конструкции.
Несмотря на свою опасность, грозы – явление полезное для планеты. Электрические разряды приводят к тому, что в стратосферном слое образуется озон – вещество, составляющее основу защитной оболочки Земли. Но для дыхательной системы человека озон, заполняющий собой воздушное пространство после грозы, вреден. Поэтому, как бы ни хотелось вдохнуть свежего воздуха после дождя, лучше закрыть окна и форточки на пару часов.
Правила поведения во время грозы
Главным методом, как избежать ударов молнии, является установка громоотводов. Однако эти конструкции не дают 100-процентной защиты (из 10 разрядов 3 не попадают в ловушку).
Существуют определенные правила, как вести себя при грозе, чтобы не стать ее жертвой. Перечень мер безопасности при грозе следующий:
Снеговая гроза
Зимняя гроза – редчайшее явление, при котором вместо дождя идет снег или ледяная крупка. Возникновение грозы во время снегопада обусловлено сырой и ветреной погодой. Во время зимней стихии может выпасть 5 – 10 см твердых осадков за час.
Термин снеговая или зимняя гроза чаще всего используется в иностранной литературе, а в России метеорологи говорят о грозе со снегом.
Молния зимой — довольно редкое явление:
Гроза – привычное, но непредсказуемое и опасное явление. Частота ее повторяемости в теплый период с каждым годом возрастает, что связано с глобальными климатическими преобразованиями. Синоптики по довольно четким атмосферным признакам определяют наступление грозы, но вычислить, куда ударят молнии, невозможно. Поэтому ежегодно в новостях доводится слышать о жертвах стихии.