Что наука знает о грозе
Романтикам, тем, кто любит грозу в начале мая или любого другого месяца, уместно было бы вспомнить, что гроза не только очищает атмосферу и озонирует окружающую действительность, но и может быть разрушителем и даже убийцей. Хотя с научной точки зрения это всего лишь более или менее хорошо изученное природное явление, определяемое как электрические разряды в мощных кучево-дождевых облаках, сопровождаемые вспышкой света (молнией) и резкими звуковыми раскатами (громом).
Учёные научились по своему желанию провоцировать молнии, не прикасаясь к облакам. Испытания прошли на Лысой горе – правда, в США, а не в →
Молния — гигантская искра
Грозы имеют свою классификацию. Ученые разделяют их на одноячеечные, многоячеечные линейные, многоячеечные кластерные и — самые опасные — сверхмногоячеечные. Возникающие во время гроз молнии особенной классификации не имеют (если не брать в расчет таинственные шаровые молнии), однако сам процесс возникновения этих электрических разрядов и их параметры тоже изучены, казалось бы, достаточно хорошо.
Фактически молния — это просто гигантская искра, возникающая либо внутри наэлектризованного грозового облака, либо между ним и Землей. Длина этой искры достигает порой 10–20 км, ток, протекающий внутри ее канала, исчисляется десятками и сотнями килоампер, а напряжение, вызывающее разряд, достигает десятков миллионов вольт. На больших высотах молнии даже способны вызывать термоядерные вспышки, за которыми следят специальные спутники.
Кто заряжает облака: лед или космос?
При всей кажущейся простоте процесса у исследователей к молниям остается еще много вопросов. Например, не совсем ясен механизм образования грозовых облаков и возникновения молниевых разрядов.
Существует множество версий, отвечающих на эти вопросы, ни одна из них не лишена недостатков, но в основном исследователи сходятся в том, что главную роль здесь играет конвекция — перемещение воздушных масс.
Очень распространены, например, версии, объясняющие электризацию облака мелкими льдинками, находящимися внутри него, быстро перемещающимися, сталкивающимися между собой и с водяными каплями и, соответственно, наэлектризовывающими друг друга.
Но ни одна из существующих версий не объясняет, каким образом грозовое облако растет и каким образом образуются молниевые разряды.
Возможно, ответ на эти вопросы лежит в теории, предложенной российскими физиками из ФИАН, по которой катализатором молний является космическое излучение. По этой теории, частица космического излучения, сталкиваясь на околосветовой скорости с молекулой воздуха, ионизирует ее, выбивая из нее электроны с высокой энергией. В свою очередь, они ионизируют путь своего движения, увлекая за собой лавину электронов, движущихся к земле и создавая канал для разряда.
Интересно, что из наблюдений известно, что молнии в облаках возникают при напряженностях электрического поля, не превышающих 3 киловольта на сантиметр, тогда как на тех высотах пробивное напряжение воздуха в 10 раз больше.
Убивает в основном мужчин
При всей кажущейся простоте процесса у исследователей к молниям остается еще много вопросов. Например, не имеется четкого ответа на их гендерные пристрастия.
Композитные материалы, инертный газ и медная проволока: «Газета.Ru» разобралась, почему попадание молнии в самолет не так страшно. →
Как известно, молния порой убивает. По статистике, от удара молнии в год на Земле погибает примерно 3 тыс. человек. Так, во время нынешней грозы в Москве погиб мужчина. И та же статистика утверждает, что 70% людей, погибших от удара молнии, — мужчины. Почему так — ответа нет, хотя версий, разумеется, предостаточно, в качестве «приманки» подозревают даже тестостерон.
Причем, возможно, число жертв со временем будет увеличиваться. Прошлой осенью журнал Science опубликовал статью группы климатологов из Беркли, утверждающих, что глобальное потепление умножает число молний и что если глобальное потепление не закончится, то к концу столетия это число возрастет на 50%. В этом смысле несколько утешает недавно появившееся сообщение о том, что на самом деле глобальному потеплению осталось быть недолго и что лет через двадцать-тридцать Земля начнет замерзать.
Китайские ученые впервые в мире сняли спектр шаровой молнии, случайно появившейся во время их экспериментов. Они полагают, что в самой молнии нет →
Самое молниеносное место
Еще одна загадка — молнии озера Маракайбо на севере Венесуэлы. Это самое молниеносное место нашей планеты. Над озером эти молнии бьют практически постоянно. Ночные грозы бывают здесь до 260 суток в год, создавая по 280 молний в час. По другим оценкам, в каждый квадратный километр озера и его болотистых берегов ежегодно ударяет по 180 молний. Молнии бьют в основном с вечера и до четырех часов утра, так что у местных жителей нет надобности в ночных фонарях.
Почему молнии выбрали для своего буйства именно это озеро, никто не знает.
На Сатурне уже почти полгода не прекращаются грозы, почти каждую секунду атмосферу пронзают разряды в тысячи раз мощнее земных молний. Если →
Молния вместо «Бука» и ядерной бомбы
Но исследования продолжаются, и будем надеяться, что со временем все тайны молний будут разгаданы. Более того, есть подозрение, что в конце концов человек даже сможет приручить молнию. На сегодня извилистый путь, который чертит молния в небе, совершенно непредсказуем.
Однако в прошлом месяце журнал Science Advances опубликовал статью французских физиков во главе с профессором Роберто Морадотти, которые придумали способ направлять путь электрического разряда с помощью хитроумной системы лазеров.
Ученые утверждают, что направляемые ими электрические разряды способны даже обходить препятствия.
Сегодня это может восприниматься фантастикой, но если такую лазерную технологию или другую более продвинутую технологию будущего применить к молнии и протоптать для нее дорожку, то можно будет не только спасать леса от пожаров и людей от ударов, но и сделать молнию управляемым оружием, от которого громоотводы уже не спасут.
Источник: https://www.gazeta.ru/science/2015/07/27_a_7659085.shtml
Как потушить огонь молнией
С тех пор как Прометей подарил людям огонь, человечество далеко ушло по пути прогресса. Но когда своенравный дар титана выходит из-под контроля, люди по‑прежнему борются с ним древними методами. Так почему бы не призвать на помощь инструменты Зевса?
Ущерб, наносимый пожарами, трудно переоценить. Человечество постоянно воюет с огнем, обеспечивая пожарные службы на передовой новейшим вооружением — от мощных водяных пушек и длинных автолестниц до индивидуальных дыхательных аппаратов и костюмов из жаропрочных материалов. Но вот «боеприпасы» используются все те же.
Вода гасит горящие материалы, охлаждая их до температуры ниже точки горения, пена изолирует очаги огня от кислорода, газ вытесняет воздух, лишая огонь поддерживающего горение кислорода (как и порошок, который при нагревании выделяет негорючие газы).
В принципе, эти дедовские методы не так уж и плохи — они недороги и довольно эффективны, пока речь идет об относительно «простых» пожарах.
Между тем в современном мире часты случаи, когда вода или пена категорически противопоказаны: например, при пожарах в центрах обработки данных или на электростанциях используется газ (обычно углекислый) или порошок.
Людовико Кадемартири, адъюнкт-профессор факультета материаловедения Университета штата Айова, научный сотрудник Лаборатории министерства энергетики США в Эймсе: «Контроль пламени с помощью электрических полей весьма перспективен в тех случаях, когда традиционные технологии с пожаротушением справляются плохо: например, пожары в тесных внутренних помещениях кораблей или самолетов. Эта технология особенно пригодится в тех случаях, когда нам нужно не гасить огонь, а именно управлять им, — в двигателях внутреннего сгорания, на ТЭС, в горелках газовой сварки и резки».
А уж конструкции из современных легких сплавов — это настоящий кошмар для пожарных: горящий магний способен успешно извлекать необходимый для горения кислород из воды или углекислого газа.
Прибавьте к этому сложность и тесноту, скажем, внутренних помещений кораблей и самолетов — и вот он, настоящий ад.
Приведем только один пример: в мае 2008 года на борту американского авианосца «Джордж Вашингтон» начался пожар, который нанес ущерб на $70 млн, поскольку его не могли потушить в течение 12 часов.
Физика вместо химии
В том же 2008 году американское Агентство оборонных инициатив совместно с министерством энергетики объявили о начале финансирования исследовательского проекта IFS (Instant Fire Suppression, «Быстрое подавление огня»), в рамках которого планировалось разработать принципиально новые подходы к тушению пожаров.
Работающие по проекту IFS исследователи сосредоточились не на экзотермической химической реакции, а на том, что с точки зрения физики пламя представляет собой плазму, то есть ионизованный газ. В рамках IFS рассматривались два основных подхода к управлению огнем — электромагнитное и акустическое воздействие.
То, что пламя реагирует на электрическое поле, известно уже почти двести лет, но только в 2011 году этот эффект решили использовать в полезных целях.
На ежегодной конференции Американского химического общества группа исследователей под руководством профессора химии Гарварда Джорджа Уайтсайдса продемонстрировала, как пламя при поднесении электрода, к которому приложено переменное высокое напряжение, изгибается, будто пытаясь отпрянуть, а потом и вовсе гаснет, оторванное от «пищи» электрическими силами: «Причина в том, что пламя — это плазма, то есть ионизованный газ, к тому же содержащий заряженные частицы, такие как сажа, — говорит соавтор работы Людовико Кадемартири. — Нам удалось потушить пламя горящего метана площадью около 10 см², используя достаточно компактный бытовой источник напряжения мощностью около 600 Вт».
Громко крикнуть
Агентство DARPA рассматривало в программе IFS еще один подход — акустический. Оказывается, акустические волны, излучаемые динамиками, вполне способны погасить кювету с горящим жидким топливом. Как выяснили исследования, в основе этого эффекта лежат две основные причины.
Во‑первых, акустические колебания увеличивают скорость воздушных потоков и тем самым уменьшают толщину поверхностного слоя, где происходит горение. Во‑вторых, акустические волны воздействуют и на саму поверхность жидкого топлива, увеличивая скорость испарения, что увеличивает площадь горения но, с другой стороны, понижает температуру пламени.
А это дает возможность сбить пламя при воздействии определенных акустических частот.
В экспериментах, проведенных группой ученых Химического факультета Гарвардского университета, метановая горелка помещалось между двумя электродами, экранированными стеклянной изоляцией. На электроды подавалось электрическое напряжение, создававшее в пространстве электрическое поле напряженностью 75 кВ/м.
На левой картинке показано поведение пламени, снятое с помощью шлирен-фотографии (метод визуализации фазовых искажений в прозрачных средах) при подаче постоянного напряжения на электроды.
На правой — пламя под воздействием переменного напряжения (800 Гц): «ионный» ветер разрывает пламя, сдувая его с горящих материалов.
Дело будущего
Конечно, пока эти эксперименты очень далеки от практического воплощения и больше напоминают цирковые фокусы. «Пока что мы умеем гасить только спички в пепельнице и отклонять пламя, — говорит Мэтью Гудман, менеджер программы IFS со стороны DARPA. — Масштабирование этих эффектов — очень сложная задача». Но первый шаг к тому, чтобы в будущем иметь возможность гасить начавшийся пожар одним нажатием электрического выключателя, уже сделан.
Статья «Гром и молния против огня» опубликована в журнале «Популярная механика» (№9, Сентябрь 2013).
Источник: https://www.popmech.ru/science/14568-grom-i-molniya-protiv-ognya/
Молния как оружие
В мифологии разных стран молния — священное оружие богов, от которого нет защиты. Некоторые ученые, опираясь на археологические раскопки, предполагают, что в войнах наши предки использовали не только традиционное оружие, но гораздо более могучие средства.
Масштабные оплавления найдены на стенах крепостей Дундалк и Экосс, а также на развалинах столицы Хеттов — Хаттусасе. Современные изыскания подтверждают: молнию можно контролировать и направлять.
Более того — опыты Николы Теслы в начале ХХ века доказали, что мощные разряды можно вызывать искусственно!
Молния в древней мифологии
Сила, могущество, скорость — во всех древних культурах молния олицетворяет божественную волю, дает движущую силу всему живому на земле. Разряды трактовали, как добрые или злые знамения с небес, пораженные ударом небес смертные считались избранными. Боги-кузнецы — Гефест, Вулкан, Тор, а также верховные повелители бурь и гроз обладали абсолютным оружием, с помощью которого боролись с демоническими силами, держали в повиновении как людей, так и других богов.
Символические значения:
- оплодотворение земли;
- духовное просвещение;
- разрушение невежества;
- суверенная власть;
- предусмотрительность.
Язычество на Руси
Языческие боги походят внешне на людей, но наравне с этим обладают магическими предметами. Абсолютная власть принадлежала Перуну — покровителю воинов и громовержцу. Образ сочетает в себе черты Зевса и Ареса из античной мифологии. Именно поэтому амуницию и оружие Перуна древние славяне описывают особенно точно и подробно.
Священные молнии позволяли Перуну удерживать власть, наказывать непокорных людей и богов. Небесный огонь темно-синего цвета считался смертельным, посланным для убийства человека, не покорившегося воли вседержителя. Во время сильной грозы, когда разряды скрыты за облаками, но видны отблески и слышны раскаты грома, славяне верили, что Перун ведет битву с врагами на небесах.
Но молниям отводили роль не только оружия: длинные и тонкие разряды белого цвета с золотистым оттенком, спускавшиеся до земли, считались доброй волей Перуна, оплодотворяющим инструментом, посредством которого бог взаимодействовал с землей и стимулировал жизнь.
Античность
Древние Греки воспринимали молнию, как символ верховной власти. В античной мифологии Зевс — бог-олимпиец, повелитель неба и грома — имел убийственное и несокрушимое по силе оружие.
Разрядами Зевс распределял добро и зло на земле, устанавливал общественный порядок и возвещал предначертания судьбы. В Древнем Риме богом-громовержцем считался Юпитер: наблюдая с высокой горы за людьми, он выражал свою волю метанием молний.
Если разряд убивал — пострадавшего хоронили без обрядов: считалось, что он разгневал Юпитера и за это был убит.
Скандинавия
В скандинавских мифах молнию, как оружие использовал Тор — для защиты от Великанов Турсов и прочих недругов, грозящих богам и людям. Также в его подчинении были дождь и ветер.
Индия
В индуизме и буддизме ваджра — важнейший символ, по значимости не уступает кресту у христиан и полумесяцу у мусульман. Ваджра — сокрушительное оружие бога Индры, убивающее без промаха. Это прочный предмет, из которого низвергаются мощные разряды.
Для активации необходимо прочесть особую мантру. Помимо прямых разрушений, Индра способен с помощью ваджры повелевать погодой, изменять течение рек и разрушать горы.
Согласно древнеиндийским мифам, именно благодаря мощному оружию верховному богу удалось без труда одолеть дракона Вритру.
Древний Восток
Вавилоняне ассоциировали молнию с разъяренным быком — Мардуком, на котором перемещался бог бури Адад и вершил великие деяния.
Япония
Бог сострадания Айдзен-мео имел две молнии. Держа в руках ваджру, он пресекал порочные замыслы и желания людей. Вторая молния венчала голову божества.
Мезоамерика
Ацтеки считали, что разряд, ударяя в землю, создает трещины, упрощает путь в преисподнюю. Оружием владел бог Тлалок, сопровождающий усопших в ад. У Индейцев Майя гром ассоциировался с каменной секирой, отбрасываемой на землю, создающей разряды и раскаты.
Южная Америка
В Древнем Перу молнию не считали атрибутом богов, но воспринимали, как слугу Солнца. Метательные оружия ассоциировались с раскатами грома.
Северная Америка
Молния представлялась огромной птицей, ее блеск — морганием великого бога, создателя мира. Раскаты грома — звуки крыльев Птицы Грозы, которая защищает небо.
Никола Тесла — повелитель молний
Передача электричества по воздуху на любые расстояния — именно такую цель ставил перед собой Никола Тесла. В конце XIX века великий ученый разработал резонансный трансформатор, в котором катушки передают ток без проводов. Опыты сопровождались оглушительными раскатами и многометровыми разрядами в миллионы вольт. Искусственные молнии пугали жителей Колорадо-Спрингс, где австрийский ученый проводил эксперименты. Теслу считали мистиком, а его трансформатор называли молниеметом.
История экспериментов
Изучению молнии препятствовали технические и религиозные сложности. Невозможно предугадать, где будет очередной кратковременный разряд, а любые эксперименты сопряжены с большим риском. Кроме того, представители церкви высказывали опасения, считая молнию оружием богов. Именно поэтому знания об этом природном явлении собирались по крупицам, важную роль играли любые данные.
Американский изобретатель Бенджамин Франклин проводил опыты, используя воздушного змея, которого он запускал в небо во время грозы. По проволоке стекал остаточный разряд. Благодаря этим наблюдениям доказано, что молния является электрическим разрядом. Усовершенствовать и вывести исследования на новый уровень в России взялись Михаил Ломоносов и Георг Рихман. Однако один из экспериментов закончился смертельно для последнего.
Современные разработки
В 2012 году в Америке начали тестировать новый вид вооружения. По утверждению военных молнии способны уничтожать бронетехнику и активировать спрятанные мины. Именно такие цели проводят электричество лучше, чем земля. Лазер создает воздушный канал для прохождения заряда и точного попадания в заданную точку.
Молния образуется в местах, где разница потенциалов максимальная. Разряд движется по пути наименьшего сопротивления. С помощью нового устройства такую траекторию ему задают искусственно. Благодаря этому есть возможность предельно точно управлять разрядами. Проблема устройства заключается в огромном потреблении энергии, что значительно усложняет обслуживание оборудования.
Подобное оружие, если удастся решить проблему энергопотребления, наиболее эффективно для перехвата высокоскоростных целей, например, баллистических ракет. Самонаведение с точностью до пары дюймов и удар со скоростью света — вполне реальная перспектива.
Молнию учат защищать
В лабораторных условиях ученые научились направлять молнию в расчетную точку, используя лазеры сверхкоротких импульсов. Сегодня приблизительно подобная система представлена молниеотводными ракетами.
Однако изделия значительно дороже классических громоотводов и при этом уступают им в эффективности.
Если эксперимент с лазерами удастся усовершенствовать и адаптировать для массового использования, устройства смогут составить конкуренцию ракетам и традиционной молниезащите благодаря небольшим расходам на запуск и огромной дальности действия лазера.
Молния под подозрением
В 2012 году, когда Франсуа Олланд стал президентом Франции, первый же его международный визит завершился неудачей: в самолет попала молния, борт был возвращен в Париж. Сорвалась важная политическая встреча с Ангелой Меркель — канцлером Германии. Переговоры имели сверхважное значение и должны были показать единство Европы и важность союза.
Летом 2012 года самолет, следующий по рейсу Франкфурт-на-Майне — Киев пострадал от прямого попадания молнии. Представители от фракции «Зеленых» Ребекка Хармс и Вернер Шульц, которые направлялись на встречу с Юлией Тимошенко. Переговоры сорвались.
Оружие будущего или средство защиты — в любом случае молния обладает колоссальной силой, которая должна использоваться рационально и осмотрительно: попавшие в руки террористов разработки могут привести к самым страшным последствиям.
Источник: https://www.mzke.ru/molniya_kak_oruzhie.html
