Τι είναι ο κεραυνός και πώς εμφανίζεται;

Η προέλευση των κεραυνών

Η ομίχλη που υψώνεται ψηλά πάνω από το έδαφος αποτελείται από σωματίδια νερού και σχηματίζει σύννεφα. Τα μεγαλύτερα και βαρύτερα σύννεφα ονομάζονται σωρευτικά σύννεφα. Μερικά σύννεφα είναι απλά—δεν προκαλούν κεραυνούς ή βροντές. Άλλες ονομάζονται καταιγίδες γιατί δημιουργούν καταιγίδα, σχηματίζουν κεραυνούς και βροντές. Τα νέφη με κεραυνούς διαφέρουν από τα συνηθισμένα σύννεφα βροχής στο ότι είναι φορτισμένα με ηλεκτρισμό: μερικά είναι θετικά, άλλα είναι αρνητικά.

Πώς σχηματίζονται τα σύννεφα; Όλοι γνωρίζουν πόσο δυνατός είναι ο άνεμος κατά τη διάρκεια μιας καταιγίδας. Αλλά ακόμη πιο ισχυρές δίνες αέρα σχηματίζονται ψηλότερα πάνω από το έδαφος, όπου τα δάση και τα βουνά δεν εμποδίζουν την κίνηση του αέρα. Αυτός ο άνεμος παράγει κυρίως θετικό και αρνητικό ηλεκτρισμό στα σύννεφα.

Υπάρχει θετικός ηλεκτρισμός στο κέντρο κάθε σταγόνας και ίση ποσότητα αρνητικού ηλεκτρισμού βρίσκεται κατά μήκος της επιφάνειας της σταγόνας. Οι σταγόνες βροχής που πέφτουν πιάνονται από τον άνεμο και πέφτουν σε ρεύματα αέρα. Ο άνεμος, χτυπώντας με δύναμη τη σταγόνα, τη σπάει σε κομμάτια.Σε αυτή την περίπτωση, τα αποκολλημένα εξωτερικά σωματίδια του σταγονιδίου φορτίζονται με αρνητικό ηλεκτρισμό.

Το υπόλοιπο μεγαλύτερο και βαρύτερο μέρος του σταγονιδίου φορτίζεται με θετικό ηλεκτρισμό. Το τμήμα του νέφους όπου συσσωρεύονται βαριά σταγονίδια είναι φορτισμένο με θετικό ηλεκτρισμό. Η βροχή που πέφτει από το σύννεφο μεταφέρει μέρος της ηλεκτρικής ενέργειας του σύννεφου στο έδαφος και έτσι δημιουργείται μια ηλεκτρική έλξη μεταξύ του νέφους και του εδάφους.

Στο σχ. 1 δείχνει την κατανομή του ηλεκτρισμού σε ένα σύννεφο και στην επιφάνεια της γης. Εάν ένα σύννεφο είναι φορτισμένο με αρνητικό ηλεκτρισμό, τότε, προσπαθώντας να έλκεται από αυτό, ο θετικός ηλεκτρισμός της γης θα κατανεμηθεί στην επιφάνεια όλων των ανυψωμένων αντικειμένων που διεξάγουν ηλεκτρικό ρεύμα. Όσο υψηλότερο είναι το αντικείμενο που στέκεται στο έδαφος, τόσο μικρότερη είναι η απόσταση μεταξύ της κορυφής και του κάτω μέρους του σύννεφου και τόσο μικρότερο είναι το στρώμα αέρα που παραμένει εδώ, εκπέμποντας τον αντίθετο ηλεκτρισμό. Είναι προφανές ότι οι κεραυνοί διαπερνούν το έδαφος πιο εύκολα σε τέτοια σημεία. Θα σας πούμε περισσότερα για αυτό αργότερα.

Ρύζι. 1. Κατανομή ηλεκτρικής ενέργειας σε ένα κεραυνό και επίγεια αντικείμενα

Τι προκαλεί τον κεραυνό;

Πλησιάζοντας ένα ψηλό δέντρο ή ένα σπίτι, ένα κεραυνόνεφο φορτισμένο με ηλεκτρισμό δρα σε αυτό. Στο σχ. 1 σύννεφο φορτισμένο με αρνητικό ηλεκτρισμό προσελκύει θετικό ηλεκτρισμό στην οροφή και ο αρνητικός ηλεκτρισμός του σπιτιού θα πάει στο έδαφος.

Τόσο ο ηλεκτρισμός — στο σύννεφο και στην οροφή του σπιτιού — τείνουν να ελκύουν ο ένας τον άλλον. Εάν υπάρχει πολύς ηλεκτρισμός στο σύννεφο, τότε πολύ ηλεκτρισμός σχηματίζεται στο σπίτι μέσω της επιρροής.

Ακριβώς όπως το εισερχόμενο νερό μπορεί να διαβρώσει ένα φράγμα και να ορμήσει σε έναν χείμαρρο, πλημμυρίζοντας μια κοιλάδα στην απεριόριστη κίνησή του, έτσι και η ηλεκτρική ενέργεια, που συσσωρεύεται όλο και περισσότερο σε ένα σύννεφο, μπορεί τελικά να διαπεράσει το στρώμα αέρα που το χωρίζει από την επιφάνεια της γης και να ορμήσει κάτω στη γη, στον αντίθετο ηλεκτρισμό. Θα συμβεί μια ισχυρή εκκένωση - ένας ηλεκτρικός σπινθήρας θα γλιστρήσει ανάμεσα στο σύννεφο και το σπίτι.

Αυτός είναι ο κεραυνός που χτυπάει το σπίτι. Εκκενώσεις κεραυνών μπορούν να συμβούν όχι μόνο μεταξύ ενός σύννεφου και του εδάφους, αλλά και μεταξύ δύο σύννεφων φορτισμένων με διαφορετικούς τύπους ηλεκτρισμού.

Όσο πιο δυνατός είναι ο άνεμος, τόσο πιο γρήγορα το σύννεφο φορτίζεται με ηλεκτρισμό. Ο άνεμος δαπανά μια ορισμένη ποσότητα εργασίας, η οποία πηγαίνει στον διαχωρισμό του θετικού και αρνητικού ηλεκτρισμού.

Πώς αναπτύσσεται ο κεραυνός;

Τις περισσότερες φορές, οι κεραυνοί που χτυπούν το έδαφος προέρχονται από σύννεφα φορτισμένα με αρνητικό ηλεκτρισμό. Ο κεραυνός που χτυπά από ένα τέτοιο σύννεφο αναπτύσσεται με αυτόν τον τρόπο.

Πρώτον, μικρές ποσότητες ηλεκτρονίων αρχίζουν να ρέουν από το σύννεφο προς το έδαφος, σε ένα στενό κανάλι, σχηματίζοντας ένα είδος ρεύματος στον αέρα.

Στο σχ. 2 δείχνει αυτή την έναρξη του σχηματισμού κεραυνών. Στο τμήμα του νέφους όπου αρχίζει να σχηματίζεται το κανάλι, έχουν συσσωρευτεί ηλεκτρόνια που διαθέτουν υψηλή ταχύτητα κίνησης, λόγω των οποίων, συγκρουόμενοι με άτομα αέρα, τα σπάνε σε πυρήνες και ηλεκτρόνια.

Ρύζι. 2. Ο κεραυνός αρχίζει να σχηματίζεται σε ένα σύννεφο

Τα ηλεκτρόνια που απελευθερώνονται σε αυτή την περίπτωση ορμούν επίσης στο έδαφος και, ξανασυγκρουσμένα με τα άτομα του αέρα, τα χωρίζουν.Είναι σαν να πέφτει το χιόνι στα βουνά, όταν στην αρχή ένα μικρό κομμάτι, κυλιόμενο προς τα κάτω, μεγαλώνει καλυμμένο με νιφάδες χιονιού κολλημένες πάνω του και, επιταχύνοντας την πτήση του, γίνεται μια μεγάλη χιονοστιβάδα.

Και εδώ η χιονοστιβάδα ηλεκτρονίων συλλαμβάνει νέους όγκους αέρα, χωρίζοντας τα άτομα του σε κομμάτια. Σε αυτή την περίπτωση, ο αέρας θερμαίνεται και όσο αυξάνεται η θερμοκρασία, αυξάνεται η αγωγιμότητά του. Μετατρέπεται από μονωτή σε αγωγό. Μέσω του προκύπτοντος αγώγιμου καναλιού αέρα από το σύννεφο, η ηλεκτρική ενέργεια αρχίζει να αποστραγγίζεται όλο και περισσότερο. Ο ηλεκτρισμός πλησιάζει τη γη με τρομερή ταχύτητα, φτάνοντας τα 100 χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο.

Σε εκατοστά του δευτερολέπτου, η χιονοστιβάδα ηλεκτρονίων φτάνει στο έδαφος. Αυτό τελειώνει μόνο το πρώτο, θα λέγαμε, «προπαρασκευαστικό» μέρος του κεραυνού: ο κεραυνός έχει πάρει το δρόμο του προς το έδαφος. Το δεύτερο, σημαντικό μέρος της ανάπτυξης του Lightning δεν έχει έρθει ακόμη. Το θεωρούμενο μέρος του σχηματισμού κεραυνού ονομάζεται αγωγός. Αυτή η ξένη λέξη σημαίνει "αρχηγός" στα ρωσικά. Ο οδηγός άνοιξε το δρόμο για το δεύτερο, πιο ισχυρό μέρος του κεραυνού. αυτό το μέρος ονομάζεται κύριο μέρος. Μόλις το κανάλι φτάσει στο έδαφος, ο ηλεκτρισμός αρχίζει να ρέει μέσα του πολύ πιο βίαια και γρήγορα.

Τώρα υπάρχει μια σύνδεση μεταξύ του αρνητικού ηλεκτρισμού που συσσωρεύεται στο κανάλι και του θετικού ηλεκτρισμού που έχει πέσει στο έδαφος με σταγόνες βροχής, και με ηλεκτρική ενέργεια υπάρχει μια εκκένωση ηλεκτρισμού μεταξύ του νέφους και του εδάφους. Μια τέτοια εκφόρτιση είναι ένα ηλεκτρικό ρεύμα τεράστιας ισχύος — αυτή η ισχύς είναι πολύ μεγαλύτερη από την ισχύ του ρεύματος σε ένα συμβατικό ηλεκτρικό δίκτυο.

Το ρεύμα που ρέει στο κανάλι αυξάνεται πολύ γρήγορα και αφού φτάσει στη μέγιστη ισχύ, αρχίζει σταδιακά να μειώνεται.Το κανάλι κεραυνού μέσα από το οποίο ρέει ένα τόσο ισχυρό ρεύμα θερμαίνεται πολύ και επομένως λάμπει έντονα. Αλλά ο χρόνος ροής του ρεύματος σε μια εκκένωση κεραυνού είναι πολύ μικρός. Η εκφόρτιση διαρκεί για πολύ μικρά κλάσματα του δευτερολέπτου και επομένως η ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται κατά την εκφόρτιση είναι σχετικά μικρή.

Στο σχ. Το σχήμα 3 δείχνει τη σταδιακή κίνηση του αλεξικέραυνου προς το έδαφος (τα τρία πρώτα σχήματα στα αριστερά).

Ρύζι. 3. Σταδιακή ανάπτυξη του αλεξικέραυνου (τρεις πρώτες φιγούρες) και του κύριου μέρους του (τρεις τελευταίες φιγούρες).

Τα τρία τελευταία σχήματα δείχνουν ξεχωριστές στιγμές σχηματισμού του δεύτερου (κύριου) μέρους του κεραυνού. Ένα άτομο που κοιτάζει το φλας, φυσικά, δεν θα μπορούσε να διακρίνει τον οδηγό του από το κύριο μέρος, αφού ακολουθούν ο ένας τον άλλον εξαιρετικά γρήγορα, στην ίδια διαδρομή.

Μετά τη σύνδεση δύο διαφορετικών τύπων ηλεκτρικής ενέργειας, το ρεύμα διακόπτεται. Συνήθως οι κεραυνοί δεν σταματούν εκεί. Συχνά ένας νέος ηγέτης ορμά αμέσως κατά μήκος του μονοπατιού που άνοιξε με την πρώτη ρίψη και πίσω του, στο ίδιο μονοπάτι, βρίσκεται και πάλι το μάτι της ρίψης. Αυτό ολοκληρώνει τη δεύτερη αποφόρτιση.

Μπορεί να υπάρχουν έως και 50 τέτοιες ξεχωριστές κατηγορίες, καθεμία από τις οποίες αποτελείται από τον δικό της ηγέτη και κύριο σώμα. Τις περισσότερες φορές υπάρχουν 2-3 από αυτά. Η εμφάνιση χωριστών εκκενώσεων κάνει τον κεραυνό διακοπτόμενο και συχνά ένα άτομο που κοιτάζει τον κεραυνό τον βλέπει να τρεμοπαίζει. Αυτό είναι που κάνει το φλας να τρεμοπαίζει.

Ο χρόνος μεταξύ του σχηματισμού ξεχωριστών εκκενώσεων είναι πολύ μικρός. Δεν ξεπερνά τα εκατοστά του δευτερολέπτου Αν ο αριθμός των εκφορτίσεων είναι πολύ μεγάλος, τότε η διάρκεια του κεραυνού μπορεί να φτάσει ένα ολόκληρο δευτερόλεπτο ή και αρκετά δευτερόλεπτα.

Έχουμε εξετάσει μόνο έναν τύπο κεραυνού, ο οποίος είναι ο πιο κοινός.Αυτή η αστραπή ονομάζεται γραμμική αστραπή επειδή εμφανίζεται με γυμνό μάτι ως μια γραμμή—μια στενή, φωτεινή ζώνη λευκού, γαλάζιου ή έντονο ροζ.

Ο κεραυνός γραμμής έχει μήκος από εκατοντάδες μέτρα έως πολλά χιλιόμετρα. Το μονοπάτι του κεραυνού είναι συνήθως ζιγκ-ζαγκ. Ο κεραυνός έχει συχνά πολλά κλαδιά. Όπως ήδη αναφέρθηκε, γραμμικές εκκενώσεις κεραυνών μπορούν να συμβούν όχι μόνο μεταξύ του νέφους και του εδάφους, αλλά και μεταξύ των νεφών.

Αστραπή μπάλας

Εκτός από τη γραμμική, υπάρχουν, ωστόσο, πολύ λιγότερο συχνά και άλλοι τύποι κεραυνών. Θα εξετάσουμε ένα από αυτά, το πιο ενδιαφέρον - τον κεραυνό μπάλας.

Μερικές φορές υπάρχουν αστραπιαίες εκκενώσεις που είναι βολίδες. Το πώς σχηματίζεται ο κεραυνός μπάλας δεν έχει ακόμη μελετηθεί, αλλά οι διαθέσιμες παρατηρήσεις αυτού του ενδιαφέροντος τύπου εκκένωσης κεραυνού μας επιτρέπουν να βγάλουμε ορισμένα συμπεράσματα.

Τις περισσότερες φορές, ο κεραυνός μπάλας έχει σχήμα καρπούζι ή αχλάδι. Διαρκεί σχετικά πολύ — από κλάσμα του δευτερολέπτου έως αρκετά λεπτά.

Η πιο συνηθισμένη διάρκεια του κεραυνού μπάλας είναι 3 έως 5 δευτερόλεπτα. Τις περισσότερες φορές, ο κεραυνός μπάλας εμφανίζεται στο τέλος μιας καταιγίδας με τη μορφή κόκκινων λαμπερών σφαιρών με διάμετρο 10 έως 20 εκατοστών. Σε πιο σπάνιες περιπτώσεις είναι και μεγάλο. Για παράδειγμα, φωτογραφήθηκε ένας κεραυνός με διάμετρο περίπου 10 μέτρων.

Η μπάλα μπορεί μερικές φορές να είναι εκτυφλωτικά λευκή και να έχει πολύ έντονα περιγράμματα. Ο κεραυνός μπάλας συνήθως κάνει έναν ήχο συριγμού, βουητού ή συριγμού.

Ο κεραυνός μπάλας μπορεί να εξασθενίσει σιωπηλά, αλλά μπορεί να εκπέμψει ένα αχνό τρίξιμο ή ακόμα και μια εκκωφαντική έκρηξη. Όταν εξαφανίζεται, αφήνει συχνά μια έντονη μυρωδιά ομίχλης. Κοντά στο έδαφος ή σε εσωτερικούς χώρους, ο κεραυνός μπάλας κινείται με την ταχύτητα ενός τρέχοντος ανθρώπου — περίπου δύο μέτρα ανά δευτερόλεπτο.Μπορεί να παραμείνει σε ηρεμία για λίγο, και μια τέτοια «σταθερή» μπάλα σφυρίζει και πετάει σπίθες μέχρι να εξαφανιστεί. Μερικές φορές ο κεραυνός μπάλας φαίνεται να οδηγείται από τον άνεμο, αλλά συνήθως η κίνησή του είναι ανεξάρτητη από τον άνεμο.

Οι σφαιρικοί κεραυνοί έλκονται από κλειστούς χώρους, όπου διεισδύουν από ανοιχτά παράθυρα ή πόρτες, και μερικές φορές ακόμη και από μικρές ρωγμές. Οι σωλήνες είναι ένας καλός τρόπος για αυτούς. γι' αυτό οι βολίδες βγαίνουν συχνά από τους φούρνους στις κουζίνες. Αφού ταξιδέψει γύρω από το δωμάτιο, η μπάλα του κεραυνού φεύγει από το δωμάτιο, συχνά βγαίνοντας κατά μήκος του ίδιου μονοπατιού που μπήκε.

Μερικές φορές ο κεραυνός ανεβαίνει και πέφτει δύο ή τρεις φορές σε αποστάσεις από μερικά εκατοστά έως λίγα μέτρα. Ταυτόχρονα με αυτά τα σκαμπανεβάσματα, η βολίδα μερικές φορές κινείται σε οριζόντια κατεύθυνση και στη συνέχεια ο κεραυνός της μπάλας φαίνεται να κάνει άλματα.

Συχνά, οι αστραπές με μπάλα «εγκαθίστανται» στα καλώδια, προτιμώντας τα υψηλότερα σημεία ή κυλάει κατά μήκος των καλωδίων, για παράδειγμα, κατά μήκος των σωλήνων αποστράγγισης. Κινούμενοι κατά μήκος των σωμάτων των ανθρώπων, μερικές φορές κάτω από τα ρούχα, οι βολίδες προκαλούν σοβαρά εγκαύματα, ακόμη και θάνατο. Υπάρχουν πολλές περιγραφές περιπτώσεων θανατηφόρων ζημιών σε ανθρώπους και ζώα από κεραυνό. Οι κεραυνοί θερμότητας μπορούν να προκαλέσουν πολύ σοβαρές ζημιές στα κτίρια.

Πού χτυπάει ο κεραυνός;

Δεδομένου ότι ο κεραυνός είναι μια ηλεκτρική εκκένωση μέσω του πάχους του μονωτή - αέρα, συμβαίνει συχνότερα εκεί όπου το στρώμα αέρα μεταξύ του νέφους και οποιουδήποτε αντικειμένου στην επιφάνεια της γης θα είναι μικρότερο. Οι άμεσες παρατηρήσεις δείχνουν αυτό: οι κεραυνοί τείνουν να χτυπούν ψηλά καμπαναριά, ιστούς, δέντρα και άλλα ψηλά αντικείμενα.

Ωστόσο, ο κεραυνός ορμάει όχι μόνο σε ψηλά αντικείμενα.Από δύο διπλανούς ιστούς ίσου ύψους, ο ένας από ξύλο και ο άλλος από μέταλλο, και που στέκονται όχι μακριά ο ένας από τον άλλον, οι κεραυνοί θα ορμήσουν στο μεταλλικό. Αυτό θα συμβεί για δύο λόγους: Πρώτον, το μέταλλο άγει τον ηλεκτρισμό πολύ καλύτερα από το ξύλο, ακόμη και όταν είναι βρεγμένο. Δεύτερον, ο μεταλλικός ιστός είναι καλά συνδεδεμένος με το έδαφος και η ηλεκτρική ενέργεια από το έδαφος μπορεί να ρέει πιο ελεύθερα στον ιστό κατά την ανάπτυξη του ηγέτη.

Η τελευταία περίσταση χρησιμοποιείται ευρέως για την προστασία διαφόρων κτιρίων από κεραυνούς. Όσο μεγαλύτερη είναι η επιφάνεια του μεταλλικού ιστού σε επαφή με το έδαφος, τόσο πιο εύκολο είναι για το ηλεκτρικό ρεύμα από το σύννεφο να περάσει στο έδαφος.

Αυτό μπορεί να συγκριθεί με το πώς ένα ρεύμα υγρού χύνεται μέσω μιας χοάνης σε ένα μπουκάλι. Εάν το άνοιγμα στο χωνί είναι αρκετά μεγάλο, ο πίδακας θα μπει κατευθείαν στη φιάλη. Εάν το άνοιγμα στο χωνί είναι μικρό, τότε το υγρό θα αρχίσει να ξεχειλίζει πάνω από την άκρη του χωνιού και θα χύνεται στο πάτωμα.

Ο κεραυνός μπορεί να χτυπήσει ακόμη και σε επίπεδη επιφάνεια της γης, αλλά ταυτόχρονα ορμά εκεί όπου η ηλεκτρική αγωγιμότητα του εδάφους είναι μεγαλύτερη. Έτσι, για παράδειγμα, ο υγρός πηλός ή το έλος χτυπιέται από κεραυνό νωρίτερα από την ξηρή άμμο ή το πετρώδες ξηρό έδαφος. Για τον ίδιο λόγο, κεραυνοί χτυπούν τις όχθες των ποταμών και των ρεμάτων, προτιμώντας τα από ψηλά αλλά ξερά δέντρα που δεσπόζουν κοντά τους.

Αυτό το χαρακτηριστικό του κεραυνού — να βιάζεται σε καλά γειωμένα και καλά αγώγιμα σώματα — χρησιμοποιείται ευρέως για την εφαρμογή διαφόρων προστατευτικών συσκευών.