Учебно-исследовательская работа по физике: "Небесное электричество".

Учебно-исследовательская работа по физике

ученицы 10 А класса Зекиной Екатерины по теме:

«Небесное электричество»

Научный руководитель: учитель физики

Калякина Наталия Святославовна.

МОУ СОШ №5, 2009г.

Содержание:

1. Гипотеза.

2. Грозовая туча.

1. Этапы развития грозовой тучи;
2. Воздушные потоки в грозовой туче;
3. Электрические заряды в туче;
4. Атмосферное электричество.

3. Молнии.

1. Историческая справка;
2. Виды молний;
3. «Паспортные данные» линейной молнии;
4. Механизм образования линейной молнии;
5. Гром.

4.  Вывод.

5.  Перспективы применения энергии молний.

1. Гипотеза.

 …Молния, как бы созревши,

Вдруг разорвет облака, и проноситься пламенем ярким

Быстро сверканье ее, заливая окрестности светом.

Следует тяжкий удар, как будто бы, лопнув внезапно,

Рушиться весь небосвод и грозит обвалиться на землю.

                                                                             Лукреций.

Моя гипотеза заключается в том, чтобы разрушить доводы автора вышеприведенного стихотворения и попробовать доказать свою гипотезу. Она состоит в том, что молния   начинает свое движение не сверху вниз, а совершенно наоборот - снизу вверх.

2. Грозовая туча.

Огромная черная туча закрывает половину небосвода. Она надвигается, ширится, растет на глазах и вот уже зловеще нависает над головой. Дует порывами сильный ветер, несутся по воздуху листья и обломанные ветки, поднимаются столбы пыли. Ярко вспыхивает молния, разрывая мгновенным  ослепительным светом сгустившие сумерки. Оглушительно гремит гром. И вот обрушиваются сверху потоки воды…

1. Этапы развития грозовой тучи.

Первый этап - предгрозье. С утра жарко и душно, стоит полнея тишина. «Парит! Быть грозе»,- предсказывают бывалые люди. На данном этапе происходит зарождение грозовой тучи.

Второй этап - начальное развитее грозовой тучи, ее формирование. Воздух становиться влажным, в нем как бы разливается слабый туман. В вышине возникает, растет, постепенно темнеет кучево-дождевое облако, превращаясь в грозовую тучу. Увеличивающая туча закрывает солнце, и все вокруг сразу становиться мрачным, устрашающим. Возникает теплый ветер, поднимающий вверх сухие листья и травинки. Замолкли птицы, вся природа словно бы затаилась в ожидании.

Третий этап - зрелая грозовая туча. Сверху из тучи устремляются к земле мощные потоки холодного воздуха.

Четвертый этап - разрушение грозовой тучи. Туча заметно уменьшалась (разрушилась). Ее верхушка вытянулась горизонтально. Дождь ослабел, ветер заметно стих. Еще немного, и в просветах туч проявляется солнце. Вся природа оживает. Остатки тучи уходят вдаль. В воздухе необычайная свежесть.

Потоки холодного воздуха ударяются о поверхность земли и порождают пылевые вихри. И тут же начинается сильный дождь, а иногда и град. Сверкают молнии, гремит гром.

2. Воздушные потоки в грозовой туче.

Грозовая туча образуется в жаркий день, когда воздух  у поверхности земли сильно прогрет и хорошо насыщен водяными парами. Происходит мощная конвекция: потоки нагретого влажного воздуха устремляются вверх. Подъем теплых воздушных масс еще более усилиться, если ветер пригонит холодный воздух. Массы пришедшего холодного воздуха, стелющегося у самой поверхности земли, проникают под нагретую воздушную массу и приподнимают ее вверх. Недаром именно на холодных фронтах наиболее часто образуются кучево-дождевые облака, перерастающие в грозовые тучи.

Рассмотрим же, что происходит внутри грозовой тучи на разных этапах ее «жизни»- от зарождения до разрушения. Ранее говорилось о следующих этапах: этапе формирования тучи, этапе зрелости, этапе разрушения. Именно эти этапы и будем теперь иметь в виду, анализируя происходящее в туче физические процессы.

Заметим, что рассматривается изолированная (одиночная) грозовая туча; ее горизонтальная протяженность 5…10 км. Такое рассмотрение годиться и тогда, когда в действительности образуется целая гряда грозовых туч. В этом случае тучи можно представить состоящими из отдельных грозовых ячеек, которые, хотя и примыкают друг к другу своими боками, однако могут считаться взаимно независимыми. Все процессы происходящие в одной грозовой ячейки, совершаются и в других - разве лишь со сдвигом во времени. Наша одиночная грозовая туча- это, по сути дела, одна из грозовых ячеек.

Три этапа «жизни» грозовой тучи показаны на рисунке 1 а, б, в.

                             1 а.                                   1 б.                                       1 в.

Стрелками изображены воздушные потоки, причем длина каждой стрелки примерно пропорциональна скорости соответствующего потока. Красным цветом закрашен объем тучи, в которые имеются только водяные капли, а оранжевым - объем, в котором на ряду  с каплями присутствует снег, желтым - объем, содержащий только ледяные кристаллики.

На этапе начального развития наблюдаются мощные восходящие потоки воздуха. Содержащиеся в них водяные пары, начиная с некоторой высоты Н, конденсируются. Процесс продолжается при дальнейшем подъеме воздушных масс, вследствие чего облако быстро растет в высоту, постепенно превращаясь в грозовую тучу. Из рисунка 1а. видно, что по мере подъема скорость восходящих воздушных потоков внутри зарождающей тучи возрастает.

Все это совершается в вышине, а земной наблюдатель видит лишь постепенно разрастающееся темного цвета облако, и, кроме того, ощущает горизонтальные потоки ветра. Это приповерхностный воздух устремляется под тучу - в область пониженного давления, образовавшуюся благодаря подъему воздушных масс. Если под тучу проникает из водоема сравнительно холодный воздух, то будет происходить некоторое охлаждение поднимающихся вверх теплых и влажных воздушных масс.

Мощные восходящие потоки теплого влажного воздуха обусловливают сильный рост грозовой тучи в высоту: верхняя часть тучи оказывается на высоте  10…15 км., она может достигать  даже 20 км. На таких высотах восходящие воздушные потоки затухают. Там образуются скопление ледяных кристалликов, которые начинают падать сквозь тучу вниз, увлекая за собой некоторое количество холодного воздуха. Возникший у вершины тучи нисходящий поток холодного воздуха, попадая в нижние «этажи» тучи, не затухает, а, напротив, усиливается. Наблюдается в этой ситуации такая картина - наряду с восходящими потоками воздуха, нагретого у поверхности земли, возникают нисходящие потоки воздуха, охлажденного в верхней части тучи. Ситуация созревшая грозовая туча видна на рисунке 1б.

Нисходящий холодный воздушный поток, выходя из тучи, мощно ударяет по поверхности земли - появляется сильный порывистый ветер, возникают пылевые вихри. Одновременно из тучи начинаются интенсивные осадки - ливень иногда град. В то же время гасят встречные восходящие потоки воздуха. А это значит, что туча начинает разрушаться - за этапом созревания очень быстро следует этап разрушения тучи рисунок 1в. Теперь внутри тучи существуют лишь нисходящие воздушные потоки. Постепенно деятельность ветра прекращается, дождь стихает. Туча будто «худеет», ее вершина вытягивается по направлению ветра, образуя «наковальню». Жизнь грозовой тучи подошла к концу.

Разделение жизни тучи на отдельные этапы является вполне четким. На этапе начального развития, когда туча еще только формируется, в ней наблюдаются лишь восходящие воздушные потоки, притом весьма мощные. На этапе зрелости, на ряду с восходящими потоками, возникают также нисходящие потоки, вызывающие бурное выпадение осадков. Наконец, на этапе разрушения восходящие потоки прекращаются, остаются только нисходящие.   

3. Электрические заряды в туче.

Картина восходящих и нисходящих воздушных потоков позволяет довольно четко выделить основной этап жизни тучи - этап ее зрелости. У него есть еще одна, и при том очень важная, особенность. Речь идет о молниях. Они наблюдаются именно в зрелой грозовой туче. Молнии - характерная черта грозовой активности; их можно рассматривать в качестве определяющего признака грозы.

Возникновение молнии говорит о том, что в тучах накапливаются значительные электрические заряды. Впрочем, отсутствие молнии еще не означает, что зарядов нет. И в грозовых тучах, и в различных видах облаков, в частности в слоистых и слоисто - дождевых, накапливаются электрические заряды. Просто в грозовой туче этих зарядов немного больше, чем, например, в слоистом облаке. До сих пор я не затрагивала вопроса об электризации туч и облаков. Теперь пришло время поговорить об электрических процессах, происходящих в облачном покрове Земли, а также в самой земной атмосфере.

Нужно заметить, что уже в чистой атмосфере, где вообще нет никаких облаков, имеются свободные электрические заряды. В слоистых и слоисто - дождевых облаках объемная плотность зарядов примерно в 100 раз выше, чем в чистой атмосфере.  Степень электризации облака увеличивается по мере укрупнения его частиц, роста толщины облака, усиление осадков из него. Наибольший заряд содержат грозовые тучи. Для возникновения молнии необходимы заряды 10..100Кл, разнесенные друг от друга на расстояния от 1 км до 10 км.

На рисунке 2 упрощенно показано, как распределяются заряды в грозовой туче. Верхняя часть тучи заряжена положительно, а нижняя отрицательно. Центр положительных зарядов находится на высоте 7…10 км, где температура составляет -20…-30 0С. Центр отрицательных зарядов находится  на высоте 3…4 км, где температура 0…-10 0С. Вообще-то распределение зарядов в туче более сложное. Например, в самом ее низу есть небольшой объем, заряженный положительно.

                            Рисунок 2.

Нижнюю часть тучи и земную поверхность можно уподобить пластинам своеобразного конденсатора; верхняя пластина заряжена отрицательно, а нижняя положительно. Конденсатор разряжается,  во – первых, за счет молний, проскакивающих между тучей и земной поверхностью, а во - вторых, за счет осадков. И в том и в другом случае положительные заряды переносятся с поверхности земли в тучу. Между ними работают силы электростатического притяжения.

Главный вопрос, связанный с электризацией туч и облаков, состоит в том, каким именно образом происходит в них разделение электрических зарядов. Каков тот физический механизм, который заставляет положительные заряды группироваться в верхней части тучи, а отрицательные в нижней?

Вопрос этот достаточно сложен; прежде чем перейти к нему, необходимо поговорить об атмосферном электричестве.

4. Атмосферное электричество.

Представим себе ясный безветренный день, на чистом небе ни единого облачка. Кажется, что атмосфера совершенно спокойна, неподвижна. Но эта неподвижность обманчива: все воздушное пространство над земной поверхностью пронизывает электрические токи, текущие сверху вниз – от «небес» к Земле. Сила этих токов незначительна – всего около 10 -12А на каждый квадратный метр земной поверхности (на каждый квадратный метр поверхности ежесекундно приходит положительный заряд, равный 10-12 Кл). Однако земная поверхность велика, поэтому в расчете на всю поверхность нашей планеты получаем весьма внушительную силу атмосферного тока – 1800 А.

Если через атмосферу течет электрический ток, то это означает, что, во-первых, в ней имеется электрическое поле, направленное по вертикали, и, во-вторых, атмосфера обладает электропроводностью.

Электропроводность атмосферы обеспечивается ионами. Именно космические лучи (потоки заряженных частиц и жесткого электромагнитного излучения), приходящие к нам из мирового пространства и в частности от Солнца, непрерывно снабжают земную атмосферу ионами.

Итак, из-за ионизации воздуха космическими лучами электропроводность атмосферы быстро растет с высотой. Фактически уже на высоте 50 км воздух становится хорошим проводником, так что эта высота может рассматриваться как нижняя граница ионосферы. Между ионосферой (точнее говоря, ее нижней границей) и земной поверхностью имеется разность потенциалов около 4*105 В, причем ионосфера заряжена положительно, а земная поверхность отрицательно. Полный отрицательный заряд Земли (как и положительный заряд ионосферы) составляет примерно 105Кл. Данная разность потенциалов как раз и обуславливает положительный ток, текущий через атмосферу нижней границы ионосферы к Земле. Напряженность поля принимает вблизи земной поверхности 10 -12 А   ; в условиях чистой атмосферы она равна примерно 100 В/м.

Токи разрядки существуют в тех областях земли, где в данный момент стоит хорошая погода, а токи зарядки возникают в областях нарушенной погоды.

Области нарушенной погоды – понятие довольно широкое. Прежде всего, к ним относятся области, где в данный момент происходят грозы, сверкают молнии. Осадки и молнии переносят положительный заряд с земной поверхности в нижнюю часть тучи, после чего он переходит в ее верхнюю часть и, в конечном счете, обуславливает появление положительных токов от тучи к нижней границы ионосферы. Это и есть те самые  токи зарядки, о которых  только что говорилось.  Во время грозы напряженность поля вблизи земной поверхности превышает 104В/м, причем направлено поле не вниз (как в случае хорошей погоды), а вверх.

Можно упрощенно рассматривать земную поверхность и нижнюю границу ионосферы как обкладки гигантского сферического конденсатора, который разряжается в областях хорошей погоды и заряжается в областях грозовой активности. Этот «конденсатор» схематически показан на рисунке 3. Здесь 1 – точки разрядки, 2 – точки зарядки.

                            Рисунок 3.

Следует заметить, что молния и осадки не единственный механизм токов зарядки. Такую же роль выполняют пылевые бури и извержения вулканов (кстати говоря, тоже сопровождаемые иногда молниями). Кроме того, при приповерхностной напряженности около 500 В/м происходят почти бесшумные электрические разряды с различный «острых» предметов, находящихся на поверхности: деревьев, труб, мачт и даже травы. В этом случае заряды тихо стекают в атмосферу, внося вклад в токи зарядки.

3.  МОЛНИИ.

5. Историческая справка.

Вполне понятно, что молния и гром первоначально воспринималась людьми как выражение воли богов и, в частности, как проявление божьего гнева. Вместе с тем пытливый человеческий ум с давних времён пытался постичь природу молнии и грома, понять их естественные причины. В древние века над этим размышлял Аристотель. Над природой молнии и грома задумывался Лукреций. Но в те далёкие времена разгадать эту природу учёным стало не под силу. Как признавался Лукреций, «скудость познания мысль беспокоит тревожным сомнением…». Весьма наивными представляются сегодня попытки Лукреция объяснить гром как следствие того, что «тучи сшибаются под натиском ветров».    Многие столетия, включая и средние века, считалось, что молния – это огненный пар, зажатый в водяных парах туч. Расширяясь, он прорывает их в наиболее слабом месте и быстро устремляется вниз, к поверхности земли.

Есть старинный учебник физики. Он издан в 1760 г. В  Санкт- Петербурге и  имеет длинное витиеватое название: «Вольфианская теоретическая физика с немецкого подлинника на латинском языке сокращённая, переведена на российский язык Императорской академии переводчиком Борисом Волковым». «Молния есть действительно огонь, оное из того явствует, что она по прикосновении своём к телам оные зажигает. А что огонь сей состоит из серных загоревшихся частиц, оное из серного запаха, который исходит от тел, молнией поражённых, ясно познаётся». Итак, молния есть огонь, который «состоит из серных загоревшихся частиц». Здесь  встречается  любопытный курьёз. Дело в том, что это утверждение переведено на русский язык в 1760 г., т. е. восемь лет спустя после того, как была установлена электрическая природа молнии. Думается, что переводчик императорской академии должен был знать об этом, тем более что исследования природы молнии проводились не только на западе, но и  России.

В 1752 г. Бенджамин Франклин экспериментально доказал, что молния - это сильный электрический разряд. Учёный выполнил знаменитый опыт с воздушным змеем, который был запущен в воздух при приближении грозы. На крестовине змея была укреплена заострённая проволока, к концу бечевки ключ и шёлковая лента. Ленты учёный удерживал рукой. В письме к одному из своих друзей Франклин писал: «Как только грозовая туча окажется над змеем, заострённая проволока станет извлекать из неё электрический огонь, и змей вместе наэлектризуется... А когда дождь смочит змей вместе с бечевой, сделав их тем самым способными свободно проводить электрический огонь, Вы увидите, как он обильно стекает с ключа при приближении вашего пальца». Встречающееся в этом письме словосочетание «электрический огонь» мы сегодня переводим как «электрический заряд».

Опыт Франклина с некоторыми изменениями был немедленно повторен рядом учёных. Так, француз Далибар установил в саду на изолирующей подставке железный шест высотой 40 футов; во время грозы из шеста вылетали искры. Одновременно с Франклином исследованиями электрической природы молнии занимались М.В. Ломоносов и Г.В. Рихман. Во время одного из опытов, проводившихся в грозу, Рихман был убит молнией. Благодаря исследованиям Франклина, Ломоносова, Рихмана в середине XVIII в. была доказана электрическая природа молнии. С этого времени стало ясно, что молния представляет собой мощный электрический разряд, возникающий при достаточно сильной электризации туч. В заключение отметим, что установление электрической природы молнии позволило Франклину создать громоотвод, который правильнее было назвать «молниеотводом». Это был длинный металлический стержень, который предохранял постройки от поражения молнией.  (И теперь все высотные здания, котельные  и другие объекты снабжают молниеотводами для отвода небесных электрических зарядов).

6. Виды молний.

 На рисунке 4 приведена любопытная фотография грозы. Она получена при большой выдержке, благодаря чему на одном и том же снимке оказались заснятыми сразу много молний. Большинство молний на снимке возникают между тучей поверхностью, однако есть молнии, возникающие между тучами. Все эти молнии принято называть линейными. Длина отдельной линейной молнии может измеряться километрами. Кроме линейных молний есть  ленточные молнии.

   Рисунок 4.

Существует ещё один вид молний, отличающийся своей загадочностью. Это так называемая шаровая молния. Она совершенно не похожа ни на линейную, ни на ленточную молнии. До сих пор природа этой молнии не разгадана, а главное, человек пока не умеет воспроизводить её искусственно.

Линейную же молнию сравнительно нетрудно получить искусственно. Для этого надо создать достаточно большую разность между двумя электродами. Если, например, расстояние между электродами равно 1 м, то для возникновения электрического пробоя межэлектродного воздушного промежутка (для создания искусственной молнии) нужна разность потенциалов 105…106 В. На рисунке 5а. изображена такая искусственная молния. Надо заметить, что искусственные молнии весьма разнообразны, они могут иметь причудливую форму - рисунок 5б. 

                                 5 а.                                               5 б.

7. «Паспортные данные» линейной молнии.

Рассмотрим линейную молнию, возникающую между тучей и землёй и имеющую длину, равную нескольким километрам. Разность потенциалов между тучей и Землей достигает, в данном случае, 109 В. Это в тысячи раз превышает разность потенциалов между землёй и нижней границей ионосферы, обеспечивающую атмосферные электрические токи хорошей погоды. Разряд молнии длится около 0,1 с. Средняя сила разряда составляет примерно 10³ А, а общий разряд, переносимый молнией, достигает 100 Кл (в среднем около 20 Кл). Выделяющаяся в канале молнии энергия равна 109…1010 Дж. Канал молнии очень узкий. Видимый канал имеет диаметр около 1м; при этом основной ток протекает по ещё более узкому внутреннему каналу диаметром всего 1 см.

Наблюдая разряд линейной молнии, мы не замечаем, что он состоит из нескольких (иногда до десятка) последовательных импульсов. Длительность каждого импульса составляет всего 10-3 с. Промежутки между импульсами порядка 10-2 с. Во время импульса канал молнии нагревается до 2*104 К; в течение промежутка между импульсами он остывает до 103  К. Максимальная сила тока в импульсе может превышать 105 А.

Предположим, что перпендикулярно к каналу молнии дует сильный ветер, который смещает канал на метр и более в секунду. В этом случае импульсы разряда оказываются пространственно смещёнными относительно друг друга - возникает ленточная молния.

8. Механизм образования линейной молнии.

 Как уже говорилось, линейная молния представляет собой несколько импульсов, быстро следующих друг за другом. Каждый импульс – это пробой воздушного промежутка между тучей и землёй, происходящий в виде искрового разряда. Рассмотрим первый (начальный) импульс. В его развитии есть две стадии: сначала образуется канал разряда между тучей и землёй, а затем по образовавшемуся каналу быстро проходит импульс основного тока.

Первая стадия (образование канала разряда) показана на рисунках 6 а, б, в. Всё начинается с того, что в нижней части тучи формируется электростатическое поле очень большой напряжённости – 105…106 В/м. Свободные электроны получают в таком поле огромные ускорения. Эти ускорения направлены вниз, поскольку нижняя часть тучи заряжена отрицательно, а поверхность земли положительно. На пути от одного столкновения до другого электроны приобретают значительную кинетическую энергию. Поэтому, сталкиваясь с атомами или молекулами, они ионизируют их. В результате рождаются новые (вторичные) электроны, которые, в свою очередь, ускоряются в поле тучи и затем в столкновениях ионизируют новые атомы и молекулы. Возникают целые лавины быстрых электронов, образующие у самого «дна» тучи плазменные «нити» - так называемые стримеры.

Сливаясь друг с другом, стримеры дают начало плазменному каналу, по которому впоследствии пройдёт импульс основного тока (рисунок 6 а.) Этот развивающийся от «дна» тучи к поверхности земли плазменный канал наполнен свободными электронами и ионами и поэтому может хорошо проводить электрический так. Его называют лидером или, точнее, ступенчатым лидером. Дело в том, что канал формируется не плавно, а скачками – «ступенями».

Головка лидера выскакивает из тучи и движется к земле с огромной скоростью (порядка 107 м/с). Пройдя около 50 м., она внезапно останавливается, Остановка длится около 50 мкс. Лидер как бы «набирается сил», как бы «размышляет», в каком направлении ему двигаться далее. Затем следует бросок ещё на 50 м., причём совсем не обязательно в направлении предыдущего броска, - и снова остановка на 50 мкс. Так отдельными бросками (ступенями) головка лидера постепенно приближается к поверхности земли, оставляя позади себя канал разряда в виде прихотливой ломаной линии (рисунок 6 б.)  Лидер светится относительно слабо, он почти не виден; при высокоскоростной фотосъёмке его голова выглядит небольшим светлым пятнышком, рывками перемещающимся к земле.

Почему в движении лидера наступают паузы и притом относительно регулярные –  пока не ясно. Но сами физические процессы, происходящие вблизи головки лидера, вполне понятны.

Напряженность поля под тучей достаточно велика - она составляет от 103 ….. 104 В/м; в области пространства непосредственно перед головой лидера она еще больше. Увеличение напряженности поля в одной области объясняет рисунок 7., где штриховыми кривыми показаны сечения эквипотенциальных поверхностей, а сплошными кривыми - линии напряженности поля. В сильном электрическом поле вблизи головки лидера происходит интенсивная  ионизация атомов и молекул воздуха. Она происходит за счет, во - первых, бомбардировки атомов и молекул быстрыми электронами, вылетающими из лидера, и, во - вторых, поглощения атомами и молекулами фотонов ультрафиолетового излучения, испускаемого лидером. Вследствие интенсивной ионизации  встречающихся на пути лидера  атомов и молекул воздуха плазменный канал  растет, лидер движется к поверхности земли.

Но вот лидер, наконец, достиг земли (рисунок 6 в). С учетом остановок по пути ему понадобилось на это время 10…20 мс при расстояние 1 км между тучей и земной поверхностью. Теперь тучу соединяет с землей плазменный канал, прекрасно проводящий ток.

Канал ионизованного газа как бы замкнул тучу с землей накоротко. На этом первая стадия развития начального импульса заканчивается.

Вторая стадия протекает быстро и мощно. По проложенному лидером пути устремляется основной ток (рисунок 6 г.) Импульс тока длится примерно 0,1 мс. Сила тока достигает значений порядка 105А. Выделяется значительное количество энергии (до 109 Дж). Температура газа в канале достигает (1…2)* 104 К.Вот теперь как раз и рождается тот необычайно яркий свет, который мы наблюдаем при разряде молнии, и возникает гром, вызванный резким расширением внезапно нагретого газа.

Существенно, что и свечение, и разогрев плазменного канала развиваются в направлении от земли к туче, т.е. снизу вверх.  Как только канал образовался, головка лидера достигла земли, вниз соскакивают, прежде всего, те электроны, которые находились в самой нижней его части; поэтому нижняя часть канала первой начинает святиться и разогреваться. Затем к земле устремляются электроны из следующей (более высоко находящейся), части канала; начинаются свечение, и разогрев этой части. И так постепенно – от низа до верха - в движение к земле включаются все новые и новые электроны; в результате свечение и разогрев канала распространяются в направлении снизу вверх.

Итак, становится очевидным, что молния бьет не из тучи в землю, как это обычно принято считать, а, наоборот, из земли в тучу.

Зевс, Юпитер, Перун и прочие боги-громовержцы метали свои «молнии», что называется, «от себя» - их  молнии били сверху, из туч.  Так это и изображалось на всевозможных картинках. Действительность оказалось иной – настоящие молнии бьют снизу вверх.

Вернемся к физике молнии. После того как прошел импульс основного тока, наступает пауза длительностью от 10 до 50 мс. За это время канал практически гаснет, его температура падает примерно до 103 К, ионизации канала существенно уменьшается. Однако в туче сохранился большой заряд, поэтому новый лидер устремляется из тучи к земле, готовя дорогу для нового импульса тока. Новый лидер идет по пути, который был проторен начальным лидером, - ведь на этом пути сохранилось еще много ионов. Поэтому новому лидеру, вообще говоря, не приходится «выбирать дороги», он без остановок, за время порядка 1 мс, пробегает весь путь сверху донизу. Его теперь называют не ступенчатым, а стреловидным лидером. И снова следует мощный импульс основного тока, распространяющийся по восстановленному каналу снизу вверх.

После очередной паузы, измеряемой десятками миллисекунд, все повторяется. В итоге высвечиваются несколько мощных импульсов, которые мы, естественно, воспринимаем как единый разряд молнии, как единую яркую вспышку.

Такова в общих чертах физика линейной молнии, возникающей между тучей и землей. Следует отметить, что действительная картина физических процессов оказывается сложнее. Так, не всегда стреловидный лидер следует точно и полностью по пути, проложенному ступенчатым лидером. В какой-то точке этого пути он может вдруг «предпочесть» изменение дальнейшего маршрута. И тогда мы наблюдаем молнию в форме раздвоенной ломаной линии.

   Рисунок 6 а, б, в, г.                                                                

                                               Рисунок 7.

9. Гром.

Гром возникает вследствие резкого расширения воздуха при быстром повышении температуры в канале разряда молнии.

Вспышку молнии мы видим практически как мгновенную вспышку и в тот же момент, когда происходит разряд; когда происходит разряд; ведь свет распространяется со скоростью 3* 108 м/с. Что же касается звука, то он распространяется значительно медленнее. В воздухе его скорость равна 340 м/с.  Поэтому мы слышим гром уже после того, как  сверкнула молния. Чем дальше от нас молния, тем, очевидно, длиннее пауза между вспышкой света и громом и, кроме того, слабее гром. Измеряя длительность таких  пауз, можно приближенно оценить, как далеко от нас в данный момент гроза, насколько быстро она приближается к нам или, напротив, удаляется от нас. Например, увидев вспышку молнии, вы отсчитали 10с, после которых услышали гром. Чтобы найти расстояние до грозы нужно 10с умножить на 340 м/с. Примерное расстояние до эпицентра грозы будет около 3,5 км. Гром от очень далеких молний вообще не доходит – звуковая энергия рассеивается и поглощается на пути. Такие молнии называют зарницами. Их часто можно наблюдать в августе.

Почему мы слышим гром в течение нескольких секунд, тогда как разряд молнии (с учетом всей совокупности последовательных импульсов) длится всего 0,1…0,2 с? Причин тому две. Во-первых, молния имеет большую длину (она измеряется километрами); звук от разных ее участков доходит до нас в разные моменты времени. Во-вторых, происходит   отражение звука от облаков и туч – возникает эхо. Эти две причины и приводят к тому, что вслед за короткой вспышкой молнии слышаться более или менее долгие раскаты грома. Отражением звука от облаков объясняется происхождение иногда усиленной громкости звука в конце громовых раскатов.

4. Вывод.

 Итак, становится очевидным, что молния бьет не из тучи в землю, как это обычно принято считать, а, наоборот, из земли в тучу.

5. Перспективы применения энергии молний.

Еще в 30е годы пожилой, но неугомонный Никола Тесла продемонстрировал публике автомобиль. На нем не было  двигателя, а была небольшая коробочка, из которой торчали два стерженька. “Откуда же берётся энергия?” – спрашивали у Теслы озадаченные коллеги-учёные. Тот отвечал: “Из эфира, который нас окружает”.  

Еще один ученый этих годов Ван де Граф —  создал генератор высокого напряжения, принцип действия которого основан на электризации движущейся диэлектрической ленты.

Применяли генераторы Ван де Графа сначала в ядерных исследованиях для ускорения различных элементарных частиц. В настоящее время  они используются для моделирования процессов происходящих при ударе молний, для имитации грозовых разрядов на земле.

Грозный. Учитель физики Альберт Мачигов. Его имя известно не только читателям Чечни. О нем последние годы говорят и в научных кругах. Он  в домашних условиях собрал энерговыгодный реактор синтеза новой энергии, основанный на выделении энергии микрошаровыми молниями. Его разработка заверена нотариально, находиться в стада апробирования и доработки. Это  разработка 2003 года. Одновременно с Мачиговым подобную установку собрали в 2006 году в США. Такие  реакторы синтеза должны в ближайшее время решить проблему по замене привычных источников энергии экологически чистыми источниками, черпающими энергию «из эфира, который нас окружает». Работы ученых продолжаются.  Молнии ловят и учатся использовать их энергию.