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 высоковольт-ной 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

Есть контакт! От клеточной адгезии к нетоксичной терапии рака Есть контакт! От клеточной адгезии к нетоксичной терапии рака

Есть ли вещества, которые могут содействовать здоровой адгезии при лечении рака?

Наука и жизнь
Алексей Сазанов: Ожидания от налоговых новаций в целом оправдались Алексей Сазанов: Ожидания от налоговых новаций в целом оправдались

Замминистра финансов Алексей Сазанов — о налоговых реформах и их результатах

Ведомости
Звездная наука Звездная наука

Что объединяет Мэйя, Гейтса и Мартина вне сцены, кода и фэнтези?

ТехИнсайдер
«Профессия научила отстаивать свое мнение»: как женщины работают сварщицами «Профессия научила отстаивать свое мнение»: как женщины работают сварщицами

Как сварщицы борются со стереотипами и за что любят свою работу

Forbes
Всё не так однозначно… Всё не так однозначно…

И 60 лет спустя конспирология в убийстве Кеннеди никуда не делась

Дилетант
15 уроков периода высоких ставок глазами банкира 15 уроков периода высоких ставок глазами банкира

Что мы поняли за годы высоких ставок?

Ведомости
Сеньоры на потоке Сеньоры на потоке

Зачем Минцифры запускает новые программы подготовки IT-кадров

Ведомости
Сезон слабого зернового экспорта Сезон слабого зернового экспорта

Основная причина сокращения поставок зерна по итогам сезона 2024/25

Агроинвестор
Карманные мозги, что управляют всем: микроконтроллеры от первых 4-бит до IoT-революции Карманные мозги, что управляют всем: микроконтроллеры от первых 4-бит до IoT-революции

История микроконтроллеров от их зарождения до современных тенденций

Наука и техника
Гелий Гелий

Известно, что каждый элемент имеет свой, только ему одному принадлежащий спектр

Наука и жизнь
Американские горки Американские горки

Группа БКС возобновила торги американскими бумагами через свой инвестбанк

Ведомости
Россия на Ближнем Востоке играет в Realpolitik Россия на Ближнем Востоке играет в Realpolitik

Есть ли у России своя стратегия на Ближнем Востоке?

Монокль
Весна императора Весна императора

Цезарь — политик-хищник, с чьим именем неотрывно связана Римская империя

Знание – сила
Как накормить искусственный интеллект Как накормить искусственный интеллект

Как обеспечить непрерывную работу ИИ и центров обработки данных?

Ведомости
Кадровый агропотенциал Кадровый агропотенциал

Роль государства и бизнеса в решении проблемы дефицита персонала

Агроинвестор
Таблетки на ветер? Таблетки на ветер?

Как правильно выбрасывать лекарства из аптечки?

Лиза
Узорочье древних славянок Узорочье древних славянок

Древняя мода: как выглядела одежда на Руси до XIII века

Знание – сила
Как работает автофокус в фотоаппарате? От сенсора до мотора в объективе Как работает автофокус в фотоаппарате? От сенсора до мотора в объективе

Как работает автофокус: подробно и со схемами

ТехИнсайдер
Дача под боком Дача под боком

Идеи оформления балкона, которые перенесут тебя за город

Лиза
Инфляция в белых халатах Инфляция в белых халатах

Медицинская инфляция может ускориться до 14% к концу года

Ведомости
Изумрудный истребитель Изумрудный истребитель

Какой рыбак не знает зимородка, этого красавца в изумрудно-синем камзоле?

Наука и жизнь
Ткать узор дальше Ткать узор дальше

Почему последствия ссоры с Россией окажутся болезненными для Азербайджана?

Монокль
Мы из девяностых: 8 смешных, злых и мимишных версий «Оки» Мы из девяностых: 8 смешных, злых и мимишных версий «Оки»

Самые яркие проекты модернизации «Оки»

ТехИнсайдер
Сделано с заботой: о новой отчетной нагрузке Сделано с заботой: о новой отчетной нагрузке

Постараемся разобраться в правовой основе требований для налогоплательщиков

Ведомости
Александр Лабас: не авангардист, не соцреалист Александр Лабас: не авангардист, не соцреалист

Голос А. Лабаса — сложный, полифоничный, подчас ускользающий от прямых смыслов

Монокль
Традиционная стабильность Традиционная стабильность

Какое место в энергетике будущего будут занимать уголь, нефть и газ

Ведомости
Скелетные мышцы самолета – система управления Скелетные мышцы самолета – система управления

Зачем самолетам демпферы, гидроусилители, закрылки и предкрылки?

Наука и техника
Маленькие шаги к переменам Маленькие шаги к переменам

Интервью с создателем инклюзивных раскрасок и игрушек Натальей Пониной

Лиза
В ожидании Меркурия В ожидании Меркурия

Меркурий единственная планета Солнечной системы без атмосферы с магнитным полем

Наука и жизнь
Пифагор, или Теорема с одним неизвестным Пифагор, или Теорема с одним неизвестным

«Нет ни одной детали в жизни Пифагора, которая не была бы опровергнута»

Дилетант
Открыть в приложении