Як з’являється блискавка та грім

Таке явище, як гроза, одночасно лякає та заворожує. Спалах блискавок, що розкреслюють потемніле небо, і страшні гуркіт грому… У давнину люди думали, що так боги виявляють свій гнів на мешканців Землі. В даний час наука може дати точне опис та пояснення цього природного явища.

Як з’являється блискавка та грім: короткий опис явища

Іскровий розряд

Блискавка – це гігантський електричний розряд, що завжди супроводжується яскравим спалахом і звуковими гуркотом – громом . Спалах блискавки рідко буває одиночним, зазвичай вони бувають від 2-3 до декількох десятків розрядів. Утворення цього явища можливе в купчасто-дощових хмарах або шарувато-дощових хмарах величезних розмірів (до 7 км заввишки). Такі хмари та хмари легко виділити серед інших за насиченим темно-синім кольором. 

Блискавки можуть утворюватися:

1. Всередині однієї хмари.
2. Між сусідніми електризованими хмарами.
3. Між хмарами та поверхнею землі. 

Грозові хмари складаються з пари, яка у верхніх шарах хмари через низьку температуру конденсована у вигляді кристаликів льоду. Щоб хмара стала грозової, крижані кристали всередині неї повинні почати активно рухатися. Цьому сприяють потоки теплого повітря, що піднімаються з нагрітої поверхні. Теплі маси повітря тягнуть за собою вгору дрібніші кристалики льоду, які наштовхуються на більші. Внаслідок цього процесу маленькі кристали виявляються позитивно зарядженими, великі — негативно зарядженими.

При цьому маленькі кристалики льоду концентруються у верхній частині хмари, яка стає позитивно зарядженою, а великі – у нижній, негативно зарядженій. Напруженість електричного поля в такій хмарі досягає величезних значень: 1 мільйон вольт на 1 метр. При зіткненні протилежно заряджених шарів у місцях зіткнення іони та електрони утворюють канал, всі заряджені частинки прямують униз, і утворюється потужний електричний розряд — блискавка. 

Отриманий канал розжарюється до 30000 градусів Цельсія та утворює яскраве світло, яке видно частки секунди. Після того, як канал утворений, грозова хмара починає розряджатися: за першим ударом блискавки йдуть два і більше розрядів. 

Звук розряду

Через кілька секунд після спалаху блискавки з’являється грім. 

Грім – це вибухоподібні коливання повітря, що відбуваються через різке підвищення тиску вздовж каналу, що сприяє розігріву атмосфери до 30000 градусів Цельсія. 

Удар блискавки – це свого роду вибух, який викликає ударну хвилю, дуже небезпечну для людини або тварини, що опинилася поблизу. Перебуваючи на віддаленій відстані від епіцентру грози, ми не можемо відчути ударну хвилю електричного розряду, але добре чуємо звукову, яку називаємо громом або громовими гуркотами.

Скільки блискавок виникає щодня

Завдяки даним із супутників вчені дізналися, що кожної секунди на Землі відбувається 44±5 ударів блискавки. Тобто за добу трапляється понад 3,5 мільйона розрядів, а їх кількість на рік становить близько 1,4 мільярда. При цьому близько 25% вдаряють у землю та приблизно 75% спалахують серед хмар.

Природа блискавки у фізиці

Блискавка не утворюється миттєво з нічого, хоч і відбувається дуже швидко. Один електричний розряд можна розділити на 2 стадії:

1. Ступінчастий лідер.
2. Зворотній спалах.

Ступінчастий лідер

Перед спалахом блискавки в небі можна побачити невелику пляму, що рухається від хмари до землі. Цю пляму називають «ступінчастим лідером», вона є тим самим каналом, яким трохи пізніше буде вироблений електричний розряд. Лідер може розгалужуватися, як і наступний удар блискавки цим каналом. Відбувається це через нерівномірну іонізацію повітря. 

Зворотній спалах

Коли ступінчастий лідер досягає поверхні землі, прокладеним ним каналу починає текти струм. У цей момент і можна бачити основний спалах блискавки, який супроводжується величезним виділенням енергії та високими показниками сили струму. При цьому лідер завжди поширюється від хмари до землі, а яскравий спалах, який ми називаємо блискавкою, навпаки, від землі до хмари.

Блискавка – це явище, яке йде не від хмари до землі, а відбувається між ними.

Чому виникає грім

Удар блискавки завжди супроводжується звуками грому. Пояснимо, як з’являється грім.

При спалаху блискавки відбувається різкий стрибок температури навколишнього повітря до величезних значень, що призводить до розширення нагрітого повітря типу вибуху, що викликає ударну хвилю або гуркіт грому. Майже завжди гучність звуку збільшується до кінця гуркоту через відображення звуку від хмар та поверхні землі. Чим більше блискавок пройшло каналом, тим тривалішим буде струс повітря. При значній довжині електричного розряду звук із різних його ділянок доходить у різний час і утворюються громові гуркіти.

Швидкість світла та швидкість звуку

Через швидкість звуку (330 метрів за секунду) набагато менше швидкості світла (299 792 458 метрів за секунду), грім завжди з’являється трохи пізніше за блискавку. 

За час затримки грому від блискавки можна розрахувати відстань до місця, куди вдарив розряд. Для цього потрібно порахувати скільки секунд пройшло між спалахом і звуками грому. 3 секунди будуть приблизно рівними відстані в 1 кілометр.

Різновиди блискавок

На Землі існує кілька різновидів блискавок. 

1. Наземні (становлять лише близько 25% від загальної кількості).
2. Внутрішньохмарні (найпоширеніше явище).
3. Блискавки, що утворюються у вищих шарах атмосфери, які можна побачити лише за допомогою спеціальних приладів.
4. Вулканічні.
5. Вогні святого Ельма.
6. Кульові.

До наземних  відносяться:

Лінійна. Частий вид, освіту якого ми якраз і наводили вище, описуючи розряд між небом та землею. Блискавка є вигнутою лінією з відгалуженнями, один кінець якої знаходиться в небі, інший – на поверхні землі. 

Блискавка “земля-хмара”  утворюється, коли розряд потрапляє в об’єкт, розташований на великій висоті. Високі предмети накопичують електростатичний заряд і цим приманюють блискавки.

Стрічкова. Цікавий рідкісний вид блискавки, який є рядом однакових каналів, що знаходяться на невеликій відстані і паралельних один одному. Вчені вважають, що причиною цього явища є сильний вітер, який значно розширює канали.

Пунктирна або перлинна . Дуже рідкісний вид, який є не суцільним розрядом, а лінією, що складається з частих проміжків, схожих на пунктири. Вчені припускають, що такий ефект можливий через швидке остигання деяких ділянок блискавки. 

Шторова. На відміну з інших видів виникає над хмарами. Зовні виглядає ефектно як мережа розрядів. За неї можна чути тихий гул. Таку блискавку вперше сфотографували лише 1994 року.

Внутрішньохмарні або міжхмарні електричні розряди бувають 2-х видів:

«Хмара-хмара» . Найпоширеніший вид блискавок, коли обидва кінці електричного розряду перебувають у небі. Це відбувається тому, що сусідні хмари мають різні заряди та пробивають один одного. Такий вид блискавки не є небезпечним для людини, тому що не досягає поверхні землі.

Горизонтальна . Нагадує собою блискавку «хмара-земля», але не досягає землі. Спалахи по небу розповсюджуються в різні боки, такий розряд виглядає дуже ефектно і вважається надзвичайно потужним. 

Спалахи, що утворюються на висоті 40 км і вище від поверхні землі, поділяються на:

Спрайти . Звичні нам електричні розряди утворюються на висоті близько 16 км. Спрайти виникають набагато вище, від 50 до 130 км над землею. Це спалахи холодної плазми, які б’ють із хмар угору. Вони утворюються групами при сильній грозі і з’являються через кілька секунд після блискавки. Мають такі параметри: середня довжина спалаху становить 60 км, тривалість – до 100 мілісекунд, діаметр – до 100 км.

Ельфи . Є масштабні розряди у вигляді конусів зі слабким червоним світлом. Їхній діаметр близько 400 км. Виникають у верхніх частинах грозових хмар. Їхня висота становить 100 км, тривалість — 3 мілісекунди.

Джети . Спалах із синім світінням та трубчасто-конусною формою. У висоту сягають 40-70 км. Тривають трохи довше за ельфи.

Незвичайними видами електричних розрядів вважаються:

Вулканічна . Такий вид утворюється під час виверження вулкана. Пов’язано це зі зіткненням електричних зарядів, які несуть у собі попіл та магма.

Вогні Святого Ельму . Це розряди, що виникають на гострих кінцях високих об’єктів (вершини скель, щогли суден, дерева, башти тощо). Виникають через високу напруженість електричного поля під час грози влітку або хуртовини взимку.

Шарова . Цей вид електричного розряду є кулястим згустком плазми діаметром 10-20 см, який вільно переміщається повітрям, має непередбачувану траєкторію руху і здатний вибухати. З упевненістю можна говорити, що це найцікавіший і маловивчений вид блискавок.

Цікаві факти про блискавки в небі

1. Найдовша блискавка на Землі зафіксована у 2007 році в Оклахомі, США. Її довжина становила 321 км.
2. Найдовша блискавка – спостерігалася протягом 7,74 секунд – зафіксована в Альпах.
3. Схожі природні явища утворюються і інших планетах. Вченим вдалося зафіксувати спалахи на Венері, Урані, Сатурні, Юпітері та з’ясувати, що на Сатурні вони набагато потужніші, ніж на Землі.
4. Значення параметрів струму в блискавці дуже високі: сила струму часом досягає сотень тисяч Ампер, напруга дорівнює мільярду Вольт.
5. Температура каналу блискавки досягає рекордних 30000 градусів Цельсія, що майже в 5-6 разів більше температури на Сонці, а ширина каналу, яким проходить струм, – всього 1 сантиметр в діаметрі.
6. Швидкість блискавки складає в середньому близько 56000 км/с, при тому що гроза рухається зі швидкістю близько 40 км/год. Середня довжина електричного розряду дорівнює 9,5 км.
7. Звичайний спалах триває 0,2-0,3 секунд і складається з 3-4 електричних розрядів.
8. У Венесуелі, в гирлі річки Кататумбо, цілий рік уночі можна спостерігати безліч блискавок, які виникають безперервно протягом тривалого часу. Пік незвичайного явища припадає на травень та жовтень.
9. При попаданні електричного розряду в пісок чи гірську породу утворюються фульгурити. Фульгурити являють собою скляні, порожнисті всередині трубочки різноманітних форм та розмірів.
10. Блискавка потрапляє в літаки один раз за 5-10 тисяч льотних годин.
11. Імовірність побачити кульовий потік плазми – 1 до 10 000.
12. Імовірність померти від удару блискавки досить низька: 1 до 2000000.
13. При попаданні електричного розряду безпосередньо в землю або людину залишає хитромудрі сліди, які зовні нагадують блискавку за формою.
14. Блискавка завжди шукає найкоротший шлях для удару між землею та небом. Тому найчастіше б’є у високі об’єкти, що височіють над поверхнею землі. Саме тому під час грози дуже небезпечно перебувати на рівнині або на поверхні води, тому що людина в цьому випадку перетворюється на найвищий об’єкт.
15. Громовідводи були придумані як пастки для блискавок, але стовідсоткової гарантії вони не дають. За спостереженнями вчених 3 заряди з 10 приходять повз.