Как молния находит молниеотвод среди множества других привлекательных целей?

Наука и жизньНаука

Как молния выбирает цель

Кандидат физико-математических наук Алексей Понятов

Фото: KillamarshianUK /flickr.com/ CC BY 2.0

По современным спутниковым наблюдениям в год на Земле возникает примерно 1,4 миллиарда молний, четверть из которых бьют в землю. И хотя чаще всего молнии встречаются в тропиках, в наших краях они тоже нередки. Сверкающие, часто ветвящиеся ослепительные линии молний не только грандиозное зрелище, но и очень опасное явление, ведь сила тока в канале молнии в среднем составляет 30 000 ампер, а в максимуме до 200 000 ампер (для сравнения: в мощном электрическом чайнике ток около 10 ампер). Воздух вокруг молнии быстро разогревается до 30 000°C. И хотя вспышки молнии кратковременны, в них успевает выделиться до 7 гигаджоулей энергии. Такого её количества достаточно, чтобы вскипятить почти 20 тонн воды.

Совершенно очевидно, что удар молнии может вывести из строя или даже уничтожить, например сжечь, объекты, в которые она попадает. Поэтому их защита от молний — важная задача. В простейшем случае для этого используют молниеотвод, представляющий собой металлический штырь, соединённый с землёй проводом (заземлённый). Некоторые люди до сих пор называют его устаревшим словом громоотвод. Связано это с тем, что долгое время громом называли саму молнию или грозовой разряд. Недаром богов Зевса и Перуна именовали громовержцами, а, скажем, Н. В. Гоголь в повести «Тарас Бульба» писал про дерево, «вершину которого разбило громом». Но в настоящее время так называют только звук, возникающий при ударе молнии, поэтому использовать слово громоотвод неверно.

Распределение зарядов в грозовом облаке и формирование отрицательного канала — ступенчатого лидера в направлении земли. Навстречу ему тянется стример положительного заряда. Изображение: NOAA (с изменениями)

В детстве меня всегда интересовало, а как молния находит молниеотвод среди множества других привлекательных целей? И вообще, как она выбирает объект, по которому ударит? Поискав ответы на вопрос «Куда бьёт молния?», я обнаружил, что большинство найденных можно свести к трём вариантам.

  • Молния бьёт в самый высокий объект поблизости. (Иногда к этому добавляют пояснение, что молния должна идти по кратчайшему пути, поэтому и выбирает самую высокую точку, наиболее близкую к туче.)
  • Молния идёт по пути наименьшего электрического сопротивления, именно поэтому она выбирает объекты, проводящие ток: металлические конструкции, деревья, человека и тому подобное.
  • Молнию притягивают к себе предметы с высокой электропроводностью.

Хотя в каждом из этих ответов есть доля правды, в общем случае они не верны, к тому же, не разъясняют физику процесса. Действительно, молния часто бьёт в самый высокий объект, но далеко не всегда. Не всегда молния идёт и по кратчайшему пути. Второе объяснение справедливо на конечном этапе, когда уже создан проводящий канал, но не поясняет, как он образуется в воздухе, который изначально — диэлектрик, не пропускающий ток и имеющий примерно одинаковые свойства по всем направлениям. Что касается третьего объяснения, то, действительно, на конце проводящих тел в грозу индуцируется электрический заряд, который влияет на попадание молнии. Вот только дело не в её притяжении.

Фото Андрея Лисинского

Рождение молнии

Для понимания того, как молния «выбирает» цель на самом деле, придётся сначала разобраться с механизмом её распространения между облаком и землёй. Другие виды молний мы здесь рассматривать не будем.

Молния — это мощная электрическая искра или, как говорят физики, искровой разряд, возникающий в атмосфере. С подобными искрами вы сталкивались, если видели, как искрят электрические контакты, на пример в выключателях или розетках. Похожа молния и на электрическую дугу электросварки, только длящуюся очень короткое время. Но во всех этих случаях искры порождают напряжение, создаваемое генераторами. Молния же возникает из-за заряда, который накапливается в облаках.

Образование зарядов в облаке — сложный комплексный процесс, до конца пока не изученный. При поднятии и охлаждении водяного пара происходит конденсация, а потом замерзание капелек воды, выделяется тепло и образуются восходящие струи со скоростями от 10 до 40 м/с, закручивающиеся в вихри. Возникает эдакая турбулентная машина, которая питается теплом пара. В этой машине кристаллики льда разного размера трутся, ударяются, деформируются, разрушаются и в результате теряют электроны — электризуются. Более чем в 90% случаев нижняя часть грозового облака получается заряженной отрицательно, поскольку электроны, несущие отрицательный заряд, отрываются от движущихся вверх мелких частиц и собираются на более крупных падающих частицах. Процесс разделения зарядов в результате столкновений частиц облака обычно называют механизмом неиндуктивной зарядки, так как для него не требуется предварительно существующего электрического поля. При этом на поверхности земли индуцируется равный по величине положительный заряд, поскольку она обладает относительной проводимостью и по ней может перемещаться заряд, притягиваемый к облаку. Эту ситуацию часто сравнивают с огромным конденсатором, обкладками которого служат облако и поверхность земли.

Стримерный, или нитевидный разряд, созданный в воздухе лабораторной высоковольтной катушкой Тесла. По своей природе он аналогичен разряду, создаваемому зарядом грозового облака.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Жабрей и зябра, они же пикульники Жабрей и зябра, они же пикульники

Пикульники — настоящие джентльмены среди растения, хотя и каждый со своим нравом

Наука и жизнь
Как уйти от экономических парадоксов Как уйти от экономических парадоксов

Ресурс прежней экономической модели исчерпан — на повестке новые вызовы

Ведомости
Музей как увлечение Музей как увлечение

Единственный в своем роде: музей при Институте космических исследований РАН

Знание – сила
Стремечко назвали идеальной костью для палеогеномного исследования Стремечко назвали идеальной костью для палеогеномного исследования

Почему при анализе древней ДНК нужно отдавать предпочтение стремечку

N+1
Почитать. Топ-10 Почитать. Топ-10

Книги об истории обуви, искусстве и первом кризисе Русской церкви

Дилетант
Михаил Дегтярев: Фонд – это инструмент нашего президента Михаил Дегтярев: Фонд – это инструмент нашего президента

О создании Российского спортивного фонда и трудностях, которые он решит

Ведомости
Бухенвальдская ведьма: история Ильзы Кох, одного из крупнейших монстров Холокоста Бухенвальдская ведьма: история Ильзы Кох, одного из крупнейших монстров Холокоста

Ильза Кох — одна из самых жестких представительниц гитлеровского режима

ТехИнсайдер
Переходи на зеленый Переходи на зеленый

Мода на экосексуальность и привычки, полезные для тебя и для природы

Лиза
Банки на передовой Банки на передовой

Как работала финансовая система СССР во время войны

Эксперт
Влад Прохоров: «Если ты светишься, ты притягиваешь всех — и хороших, и не очень» Влад Прохоров: «Если ты светишься, ты притягиваешь всех — и хороших, и не очень»

«Иногда до меня доходит, что знакомые обсуждают меня за спиной.Но я не обижаюсь»

Караван историй
Если кто-то подавился Если кто-то подавился

Как помочь человеку, если он подавился?

Здоровье
Путешествия Мандевиля Путешествия Мандевиля

Выдуманные странствия: как Джон Мандевиль создал средневековый фейк

Дилетант
Диагнозы не горят Диагнозы не горят

Новый детективный сериал видного сценариста Денниса Лихейна «Дым»

Weekend
Ваши внутренние часы устанавливают время приема пищи, которое снижает риск ожирения и диабета Ваши внутренние часы устанавливают время приема пищи, которое снижает риск ожирения и диабета

Зачем синхронизировать количество потребляемых калорий с циркадным ритмом?

ТехИнсайдер
Стол, стул и — внезапно — лавка Стол, стул и — внезапно — лавка

Как студент МГУ стал ремесленником, почему его первая работа называется «Своды»

Монокль
Как получить максимум пользы для здоровья от велосипеда: 10 самых мудрых (и простых) правил Как получить максимум пользы для здоровья от велосипеда: 10 самых мудрых (и простых) правил

Десять универсальных законов, помогающих всем освоить велосипед

ТехИнсайдер
Андрей Борисов: Театр – это эссенция жизни, субстрат смыслов Андрей Борисов: Театр – это эссенция жизни, субстрат смыслов

Гендиректор МАМТа — о миссии театра, лидерстве и ценностях для нового поколения

Ведомости
Не только портфолио: как еще молодым дизайнерам продвигать себя Не только портфолио: как еще молодым дизайнерам продвигать себя

Как дизайнерам сформировать устойчивый фундамент для самопрезентации

РБК
Лайфхак, как быстро вернуть вещь, которую вы потеряли Лайфхак, как быстро вернуть вещь, которую вы потеряли

Чек-лист для быстрых и успешных поисков потерянной вещи

Maxim
РНК нейрональных предшественников в гиппокампе указала на нейрогенез у взрослых РНК нейрональных предшественников в гиппокампе указала на нейрогенез у взрослых

Как ученые подтвердили нейрогенез у взрослых

N+1
Бесспорный авторитет Бесспорный авторитет

Федор Мартенс — юрист и дипломат на службе мира

Санкт-Петербургский университет
Свой уголок Свой уголок

Что можно обустроить на даче кроме сада и огорода

Лиза
Камни не для всех Камни не для всех

Алмазы подорожают более чем на 50% к 2027 году: надо ли в них инвестировать

Ведомости
Опять и опять «Назад в будущее» Опять и опять «Назад в будущее»

Краткая история ленты «Назад в будущее», вырастившей последнее поколение XX века

Weekend
Ценить свой труд: как Шарлотта Гилман призывала женщин к экономической независимости Ценить свой труд: как Шарлотта Гилман призывала женщин к экономической независимости

Как Шарлота Гилман боролась за женскую свободу вне домашних стен

Forbes
Рабби Давид из люфтваффе Рабби Давид из люфтваффе

В 2019 году Бундестаг одобрил введение в Германии военного раввината

Дилетант
Ученые объяснили, как мозг решает убегать или замереть Ученые объяснили, как мозг решает убегать или замереть

Какой нейронный переключатель контролирует реакцию животных на угрозу?

ТехИнсайдер
Шоу продолжается Шоу продолжается

Эра Бернара Тапи в «Марселе»: взлёт, скандал и резкое падение клуба

Ведомости
Ген-план Ген-план

Почему снижение стоимости технологии прочтения генома не привело к прорыву?

Правила жизни
Лечение изнутри: 5 продуктов, которые следует есть при солнечном ожоге Лечение изнутри: 5 продуктов, которые следует есть при солнечном ожоге

Какие продукты могут ускорить процесс заживления кожи при солнечном ожоге

ТехИнсайдер
Открыть в приложении