Что притягивает молнию¶
Что притягивает молнию — вопрос о причинах и условиях возникновения разряда между грозовым облаком и поверхностью Земли. Молния — это высоковольтный электрический разряд в атмосфере, возникающий при накоплении электрического заряда в грозовом облаке. Разряд ищет путь наименьшего сопротивления к земле, и направление его определяется не «желанием» ударить в конкретный объект, а распределением электрического поля в воздухе.
¶Электрическое поле и стадия образования молнии
Грозовое облако представляет собой колоссальный электрический генератор. Внутри него в результате столкновений капель воды и льдинок (теория индукции заряда, разработанная в работах Г. Вильсона и Л. Томсона) возникает разделение зарядов: положительные накапливаются в верхней части облака, отрицательные — в нижней. Нижняя зона облака заряжена преимущественно отрицательно, и именно она «видна» земной поверхности.
Под действием заряженного облака на поверхности Земли возникает наведённый заряд: положительные заряды притягиваются к земле, концентрируясь на выступающих объектах. Формируется вертикальное электрическое поле, интенсивность которого вблизи земли вблизи грозы достигает нескольких киловольт на метр, а вблизи острых предметов — десятков и сотен киловольт на метр.
Развитие молнии проходит несколько стадий:
- Стадия предразрядного тока — в облаке формируется «пилотный лидер», слабо светящийся канал, который спускается к земле ступенчатым образом, выбирая путь по наиболее сильным участкам поля.
- Стадия ступенчатого лидера — канал продвигается вниз отрезками по 30–100 метров, на каждом шаге испуская ветвления.
- Стадия присоединения — когда нижний конец лидера оказывается вблизи поверхности (обычно 10–100 метров), наведённые заряды образуют встречный «стример» — светящийся поток ионов, поднимающийся от земли вверх.
- Стадия главного разряда — по соединённому каналу проходит обратный (положительный) разряд током в десятки килоампер, ярко освещающий канал. Именно этот момент воспринимается как вспышка молнии.
¶Что именно «притягивает» разряд
Молния не выбирает объект по его материалу или назначению. Определяющим фактором является высота, форма и электропроводность объекта, влияющие на локальное усиление электрического поля.
¶Высота
Высокие объекты сильнее искажают линии электрического поля и ближе к облаку, поэтому вероятность удара в них существенно выше. Молнии чаще всего бьют в деревья, мачты, дымовые трубы, высотные здания, подъёмные краны. Статистика показывает, что в открытой местности дерево — самый частый объект удара.
¶Острота формы
На острых концах (шпилях, молниеотводах, остриях антенн) линии поля сильнее сжимаются, и напряжённость поля превышает пробивное напряжение воздуха. Это явление — причина, по которой молниеотвод выполнен в виде тонкого стержня: он сознательно «притягивает» разряд, обеспечивая безопасный путь тока через заземлённый проводник.
¶Электропроводность
Сплошной металлический проводник (например, каркас здания, металлическая крыша) лучше рассеивает наведённый заряд и создаёт более равномерное поле, чем изолированный острый предмет. Однако сама по себе проводность не «притягивает» молнию — она лишь определяет, куда уйдёт ток после удара.
¶Мокрая поверхность
Влажные объекты и мокрая земля проводят ток лучше сухих, что облегчает присоединение встречного стримера. Молнии чаще бьют в объекты, покрытые водой, и в зоны, где почва насыщена влагой.
¶Мифы и заблуждения
- «Молния бьёт только в высокие объекты» — неверно. Разряд может ударить в открытую равнину, в воду, в человека на ровном месте. Высота повышает вероятность, но не является обязательным условием.
- «Металл на теле притягивает молнию» — не подтверждено. Мелкие металлические предметы (украшения, очки) не изменяют электрическое поле настолько, чтобы повлиять на выбор канала. Однако при прямом ударе металл может усилить ожоги.
- «Молния никогда не бьёт дважды в одно место» — миф. Небоскрёб Эмпайр-стейт-бординг в Нью-Йорке поражается молниями до 25 раз в год, а телевышки и молниеотводы регулярно принимают повторные удары.
- «В машине безопасно из-за металлического корпуса» — верно, но не потому, что металл «отталкивает» разряд, а из-за принципа клетки Фарадея: ток течёт по наружной поверхности кузова, не проникая внутрь.
¶Молниеотвод
Наиболее распространённое средство защиты — молниеотвод, предложенный Б. Франклином в 1752 году. Система состоит из трёх элементов: приёмника (острого стержня, установленного над защищаемым объектом), токоведущего проводника и заземлителя. Приёмник сознательно создаёт локальное усиление поля, перехватывая разряд и отводя его в землю, минуя конструкцию здания. В России молниезащита регламентируется сводом правил СП 1.13130 и РД 34.21.122-87.
¶Интересные факты
- Температура канала молнии достигает 30 000 °C, что примерно в пять раз горячее поверхности Солнца.
- Средняя энергия одиночного разряда — около 500 мегаджоулей, чего хватило бы на работу бытового чайника в течение нескольких часов.
- Молния поражает земной шар примерно 8 миллионов раз в сутки, то есть около 100 раз в секунду.
- Наиболее грозовые районы мира — озеро Маракайбо в Венесуэле («Молниевый катакомб») и гора Марсель в Демократической Республике Конго.
Источники:
- Ричардс У. Дж. «Всё о молнии: как, почему и что делать»
- Гвоздев В. А. «Атмосферная электрическая полярность и молния»
- СП 1.13130.2020 «Системы противопожарной защиты. Молниезащита зданий и сооружений»
- Библиотека Всемирной метеорологической организации (WMO) по атмосферной электричеству