Что такое гром с точки зрения физики

Что такое гром с точки зрения физики

Вероятно, все знают, что гром — это звук молнии. Сначала происходит яркая вспышка света, а позже, в зависимости от расстояния до молнии, слышны мощные раскаты. Это явление имеет электрическую, довольно сложную, но и интересную природу. Прежде чем разобраться в нем, давайте познакомимся с его «братом меньшим» — электрическим разрядом.

В самом общем виде электрическим газовым разрядом называют прохождение электрического тока через газы. Что такое ток и газ, мы уже знаем. Ток в веществе возникает при выполнении двух условий: наличия в нем свободных зарядов; присутствия электрического поля, гоняющего эти заряды, как пастух свое стадо.

В газах, в том числе в воздухе, всегда имеется некоторое количество носителей зарядов — электронов и ионов. Если газ находится в электрическом поле, то они будут ускоряться, приобретая дополнительную кинетическую энергию. Если поле достаточно сильное, то электроны и ионы при столкновении с атомами ионизируют их, превращая в положительно заряженные частицы — ионы. Чем сильнее поле, тем большую энергию приобретают электроны и тем большее количество атомов они ионизируют. Количество заряженных частиц увеличивается. Под действием электрического поля отрицательные и положительные заряды движутся в противоположных направлениях — в газе возникает электрический ток.

При некоторой величине напряженности электрического поля скорость образования носителей за счет ионизации резко возрастает. Такое электрическое поле называют пробивным. Возникает шквал электронов — электронная лавина. Это и есть начало электрического разряда. Поскольку энергия электронов в нем велика, они не только ионизируют атомы, но и своими ударами заставляют их излучать свет. Вот почему разряды так ярко светятся.

Источник

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.

Источник

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.

Источник

Как образуется молния?

Что такое гроза?

Гроза – это атмосферное явление, которое сопровождается светомузыкальными эффектами под названиями молния и гром. Еще при грозе частенько бушует ветер и льется дождь. В общем-то каждый и сам все видел и все это знает. С дождем и ветром более менее понятно, но возникает вопрос откуда берутся молния и гром? Обычно люди, которые знают, что электричество живет в розетке, делают серьезное лицо и выдают ответ: “Это облака сталкиваются, поэтому сверкает.” Неплохой ответ конечно, но давайте ответим на этот вопрос с физической точки зрения.

Что такое молния?

Молния – это электрический разряд. Но откуда же он берется? А все начинается с облаков. С поверхности земли испаряется влага, которая поднимается вверх в виде капелек. “Стая” таких капелек собирается на определенной высоте и становится видна с земли в виде облака (в одном облаке просто невероятное количество капель). К облакам постоянно присоединяются новые капли, а старые могут отрываться от них. Если их присоединяется больше, чем отрывается, то облако растет. Размер облака по вертикали может достигать нескольких километров (расстояние от земли до нижней части облака примерно 0.5 – 2 км). В облаках температура может быть ниже нуля градусов по Цельсию, поэтому капельки замерзают и становятся льдинками. Эти льдинки находятся в постоянном движении, поэтому очень часто сталкиваются друг с другом. В результате этих столкновений одни капли/льдинки заряжаются положительно (они более легкие, поэтому поднимаются вверх), а другие отрицательно (они более тяжелые, поэтому скапливаются в нижней части облака).

При этом процессе нижняя часть облака заряжается отрицательно, а верхняя – положительно. При этом такое облако уже имеет большие размеры и становится грозовым. Нужно понимать, что не каждое облако становиться грозовым, так как этот процесс занимает длительное время, и нужно, чтобы сложились благоприятные условия (чтобы облако не распалось раньше, чем оно накопит достаточный заряд и наберет достаточную массу).

Теперь вернемся к молнии. Если два таких грозовых облака подходят на достаточно близкое расстояние (да еще одно подходит отрицательной стороной, а другое – положительной), заряженные частицы (электроны и ионы) начинают проскакивать через воздушную прослойку между двумя облаками (ведь плюс и минус, как мы знаем, должны притягиваться). Даже воздушная прослойка не может их остановить, настолько большие заряды у облаков!

Обычно первые частицы являются “полководцами”, так как они прокладывают канал между облаками, по которому сразу же устремляются миллиарды других заряженных частиц.

В этот момент мы и видим молнию!

Часто случается такое, что молния бьет прямо в землю. В этом случае сама земля выступает в качестве скопления положительного заряда, а остальное происходит как описано выше.

Почему молния имеет изломы?

Когда заряженные частицы летят через воздушную прослойку между облаками, они могут сталкиваться с молекулами воздуха или каплями (льдинками) воды. От этих столкновений меняется направление движения заряженных частиц, но в целом они продолжают двигаться в сторону второго облака, чтобы замкнуться на нем.

Почему мы слышим гром?

Гром – это звуковое сопровождение молнии, без которого невозможно достигнуть необходимого порога страха. Именно грома человек боится больше, чем светящейся полоски на небе.

При прохождении электрического разряда (молнии) происходит резкое повышение температуры окружающего воздуха до нескольких тысяч или даже миллионов градусов. Этот температурный скачок приводит к локальному расширению нагретого воздуха (взрыв), которое вызывает ударную волну (раскат грома). Если молния имеет много изломов, то мы слышим несколько раскатов грома при каждой резкой смене направления возникает новый “взрыв“.

Так как скорость звука в воздухе меньше скорости света, мы слышим гром немного позже самой вспышки. По времени задержки грома можно примерно посчитать расстояние до того места, где появилась молния. Для этого нужно посчитать: через сколько секунд слышится гром после вспышки. Каждые 3 секунды примерно равны расстоянию в 1 километр.

То есть, если после вспышки прошло 9 секунд до того как прогремел гром, то молния сверкнула на расстоянии 3 км.

Источник