Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

ПЕТРОЗАВОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Линейная молния.

Её рождение и методы использования.
 
                                                         Петрозаводск  2009 год

Список исполнителей:
1.    Егорова Елена,

  1 курс, гр.21102

2.    Лебедев Павел,

  1 курс, гр.21112

3.    Шелегина Ирина,

  1 курс, гр.21102
                                                  

Содержание:
1.    Молния. Общие сведения…………………………………….4

2.    История. Теории происхождения……………………………5

3.    Формирование молнии……………………………………….6

…….
1.   Молния. Общие сведения
  Молния - это искровой разряд статического электричества, аккумулированного в грозовых облаках.
·        Длина линейной молнии составляет несколько километров, но может достигать 20 км и более.

·        Форма молнии обычно похожа на разветвленные корни разросшегося в поднебесье дерева.

·        Основной канал молнии имеет несколько ответвлений длиной 2-3 км.

·        Диаметр канала молнии составляет от 10 до 45 см.

·        Длительность существования молнии составляет десятые доли секунды.

·        Средняя скорость движения молнии 150 км/с.

·         Сила тока внутри канала молнии доходит до 200000 А.

·        Температура плазмы в молнии превышает 10000°С.

·        Напряженность электрического поля внутри грозового облака составляет от 100 до 300 вольт/см, но перед разрядом молнии в отдельных небольших объемах она может доходить до 1600 вольт/см.

·        Средний заряд грозового облака составляет 30-50 кулонов. В каждом разряде молнии переносится от 1 до 10 кулонов электричества.

·        Наряду с наиболее распространенной линейной молнией иногда встречаются ракетообразная, четочная и шаровая молнии. Ракетообразная молния наблюдается очень редко. Она длится 1-1,5 сек и представляет собой медленно развивающийся между облаками разряд. К весьма редким видам молнии следует отнести и четочную. Она имеет общую длительность 0,5 сек и представляется глазу на фоне облаков в виде светящихся четок диаметром около 7 см. Шаровая молния в большинстве случаев представляет собой сферическое образование диаметром у земной поверхности 10-20 см, а на высоте облаков до 10 м.

·        На Земле ежесекундно наблюдается в среднем около 100 разрядов линейной молнии, средняя мощность, которая затрачивается в масштабе всей Земли на образование гроз равняется 1018 эрг/сек. То есть, энергия, выделяющаяся при выпадении осадков из грозового облака, значительно превышает его электрическую энергию.
2.  История изучения природы молний и первоначальные  «теории» обьяснения этого природного явления

    

   Молния и гром первоначально воспринимались людьми как выражение воли богов и,

в частности, как проявление божьего гнева. Вместе с тем пытливый человеческий

ум с давних времен пытался постичь природу молний и грома, понять их

естественные причины. В древние века над этим размышлял Аристотель. Над

природой молний задумывался Лукреций. Весьма наивно представляются его

попытки объяснить гром как следствие того, что «тучи сшибаются там 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 в низ, к поверхности земли. В 1929 Дж.Симпсон предложил теорию, которая объясняет электризацию дроблением дождевых капель потоками воздуха. В результате дробления падающие более крупные капли заряжаются положительно, а остающиеся в верхней части облака более мелкие – отрицательно. В теории свободной ионизации Ч.Вильсона предполагается, что электризация возникает как результат избирательного накопления ионов находящимися в атмосфере капельками разных размеров. Возможно, что электризация грозовых облаков осуществляется совместным действием всех этих механизмов, а основным из них является падение достаточно крупных частиц, электризуемых трением об атмосферный воздух.

   

    В 1752 г Бенджамин Франклин экспериментально доказал, что молния – это

сильный электрический разряд. Ученый выполнил знаменитый опыт с воздушным

змеем, который был запущен в воздух при приближении грозы.

Опыт: На крестовине змея была укреплена заостренная проволочка,

к концу веревки привязаны ключ и шелковая лента, которую он удерживал рукой.

Как только грозовая туча оказалась над змеем, заостренная проволока стала

извлекать из нее электрический заряд, и змей вместе с бечевой наэлектризуется.

После того, как дождь смочит змея вместе с бечевкой, сделав их тем самым

свободными проводить электрический заряд, можно наблюдать как электрический

заряд будет «стекать» при приближении пальца.

  Одновременно с Франклином, исследованием электрической природы молнии

занимались М.В. Ломоносов и Г.В.Рихман. Благодаря их исследованиям в середине 18 века была доказана электрическая природа молнии. С этого времени стало ясно, что молния представляет собой мощный электрический разряд, возникающий при достаточно сильной электризации туч. 

 
3. Формирование молнии
  Наиболее часто молния возникает в кучево-дождевых облаках, тогда они называются грозовыми; иногда молния образуются в слоисто-дождевых облаках, а также при вулканических извержениях, торнадо и пылевых бурях.
  Обычно наблюдаются линейные молнии, которые относятся к безэлектродным разрядам, так как они начинаются (и кончаются) в скоплениях заряженных частиц. Это определяет их некоторые, до сих пор необъяснённые свойства, отличающие молнии от разрядов между электродами. Так, молнии не бывают короче нескольких сотен метров; они возникают в электрических полях значительно более слабых, чем поля при межэлектродных разрядах; сбор зарядов, переносимых молнией, происходит за тысячные доли секунды с мириадов мелких, хорошо изолированных друг от друга частиц, расположенных в объёме несколько км3. Наиболее изучен процесс развития молнии в грозовых облаках, при этом молнии могут проходить в самих облаках — внутриоблачные молнии, а могут ударять в землю — наземные молнии.

 Для возникновения молнии необходимо, чтобы в относительно малом (но не меньше некоторого критического) объёме облака образовалось электрическое поле с напряжённостью, достаточной для начала электрического разряда (~ 1 МВ/м), а в значительной части облака существовало бы поле со средней напряжённостью, достаточной для поддержания начавшегося разряда (~ 0,1-0,2 МВ/м). В молнии электрическая энергия облака превращается в тепловую и световую.
  Разряды молний могут происходить между соседними наэлектризованными облаками или между наэлектризованным облаком и землей. Разряду предшествует возникновение значительной разности электрических потенциалов между соседними облаками или между облаком и землей вследствие разделения и накопления атмосферного электричества в результате таких природных процессов, как дождь, снегопад и т.д. Возникшая таким образом разность потенциалов может достигать миллиарда вольт, а последующий разряд накопленной электрической энергии через атмосферу может создавать кратковременные токи от 3 до 200 кА.
4.Основные фазы первого и последующих

компонентов молнии
Родство молнии с искровым разрядом доказано еще работами Бенджамина Франклина два с половиной века назад. Произнося подобную фразу сегодня, правильнее упоминать две эти формы электрического разряда в обратной последовательности, ибо наиболее важные структурные элементы искры первоначально наблюдались у молнии и только затем были обнаружены в лаборатории. Причина столь нестандартной последовательности событий проста:  разряд молнии имеет существенно большую длину, его развитие занимает больше времени, а потому для оптических регистрации молнии не требуется аппаратуры с особо высокой пространственной и временной разрешающей способностью. Первые и до сих пор впечатляющие развертки во времени разрядов молнии были выполнены с помощью простых фотокамер с механическим взаимным перемещение мобъектива и пленки (камер Бойса) еще в 30~е годы. Они позволили выявить две основные фазы процесса: лидерную и главную стадии.

В течение лидерной стадии в промежутке облако-земля или между облаками прорастает проводящий плазменный канал — лидер. Он рождается в области сильного электрического поля, безусловно достаточного для ионизации воздуха электронным ударом, но основную часть пути лидеру приходится прокладывать там, где напряженность внешнего поля (от заряда грозовых облаков) не превышает нескольких сотен вольт на сантиметр. Тем не менее, длина лидерного канала увеличивается, а это значит, что у его головки идет интенсивная ионизация, превращающая нейтральный воздух в хорошо проводящую плазму. Такое возможно, потому что лидер сам несет свое сильное поле. Оно создается объемным зарядом, сконцентрированным в области головки канала, и перемещается вместе с ней. Функцию проводника, гальванически связывающего головку лидера с точкой старта молнии, выполняет плазменный канал лидера. Лидер растет достаточно долго, до 0,01 с — целая вечность в масштабе быстротечных явлений импульсного электрического разряда. Все это время плазма в канале должна сохранять высокую проводимость. Такое невозможно без разогрева газа до температур, приближающихся к температурам электрической дуги (свыше 5000-6000 К). Вопрос о балансе энергии в канале, которая требуется для

его разогрева и для компенсации потерь, — один из самых важных в теории лидера.

Лидер — необходимый элемент любой молнии. У многокомпонентной вспышки с лидерного процесса начинается не только первый, но и все последующие компоненты. В зависимости от полярности молнии, направления ее развития и номера компонента (первый или какой-либо из последующих) механизм лидера может меняться, но суть явления сохраняется. Она заключается в формировании высокопроводящего плазменного канала за счет локального усиления электрического поля в ближайшей окрестности лидерной головки.

  Главная стадия молнии (return stroke) начинается с момента контакта лидера с поверхностью земли или заземленным объектом. Чаще всего,это не непосредственный контакт. От вершины объекта может возникать и двигаться навстречу лидеру молнии собственный лидерный канал, называемый встречным лидером. Их встреча кладет начало главной стадии. Во время движения в промежутке облако-земля головка лидера молнии несла высокий потенциал, сравнимый с потенциалом грозового

облака в точке старта молнии (они отличаются падением напряжения на канале). После контакта, головка лидера принимает потенциал земли, а ее заряд стекает в землю. Со временем то же случается и с другими

участками канала, обладающими высоком потенциалом. Эта «разгрузка» происходит путем распространения по каналу от земли к облаку волны нейтрализации заряда лидера. Скорость волны приближается к скорости света, до 108 м/с. Между фронтом волны и землей по каналу течет

сильный ток, уносящий к земле заряд с «разгружающихся» участков канала. Амплитуда тока зависит от первоначального распределения потенциала вдоль канала. В среднем она близка к 30 кА, а для наиболее

мощных молний достигает 200-250 кА. Перенос столь сильного тока сопровождается интенсивным выделением энергии. Благодаря этому газ в канале быстро нагревается и расширяется; возникает ударная волна. Раскат грома — одно из ее проявлений. В энергетическом отношении главная стадия наиболее мощная. Она же характеризуется наиболее быстрым изменением тока. Крутизна его нарастания может превысить 1011 А/с — отсюда чрезвычайно мощное электромагнитное излучение, сопровождающее разряд молнии. Вот почему работающий радиоприемник или телевизор реагируют на грозу интенсив-

ными помехами, и это происходит на расстояниях в десятки километров.

  Импульсы тока главной стадии сопровождают не только первый, но и все последующие компоненты нисходящей молнии. Это значит, что лидер каждого очередного компонента заряжает движущийся к земле

канал, а во время главной стадии часть этого заряда нейтрализуется и перераспределяется. Длительные раскаты грома — результат наложения звуковых волн, возбужденных импульсами тока всей совокупности

последующих компонентов. У восходящей молнии картина несколько иная. Лидер первого компонента

стартует от точки с нулевым потенциалом. По мере роста канала потенциал головки меняется постепенно, пока лидерный процесс не затормозится где-то в глубине грозового облака. Никакими быстрыми изменениями заряда это не сопровождается, а потому у первого компонента восходящей молнии главная

стадия отсутствует. Она наблюдается только у последующих компонентов, которые стартуют уже от облака и движутся к земле, ничем не отличаясь от последующих компонентов нисходящих молний.

В научном плане большой интерес представляет главная стадия межоблачных молний. На то что она существует, указывают раскаты грома, не менее громкие, чем при разрядах в землю. Ясно, что лидер межоблачной молнии стартует где-то в объеме одной заряженной области грозового облака (грозовой ячейке) и движется в направлении другой, противоположного знака. Заряженные области в облаке никак нельзя представлять в виде каких-то проводящих тел, подобных пластинам высоковольтного конденсатора, ибо заряды там распределены по объему радиусом в сотни метров и располагаются на малых каплях воды и кристалликах льда (гидрометеорах), не контактирующих друг с другом. Возникновение же главной стадии по своей физической сути необходимо предполагает контакт лидера молнии с высокопроводящим телом большой электрической емкости, сопоставимой или большей емкости лидера. Надо полагать при межоблачном разряде молнии в роли такого тела выступает одновременно возникший какой-либо другой плазменный канал, контактирующий затем с первым.

В измерениях у поверхности земли импульс тока главной стадии снижается по половины амплитудного значения в среднем примерно за 10^-4 с. Разброс этого параметра очень велик — отклонения от среднего в каждую сторону достигают почти порядка величины. Импульсы тока положительных молний, как правило, длительнее отрицательных, а импульсы первых компонентов длятся дольше последующих.

После главной стадии по каналу молнии в течение сотых, а иногда и десятых долей секунды может протекать слабо меняющийся ток порядка 100 А. В этой финальной стадии непрерывного тока канал молнии сохраняет свое проводящее состояние, а его температура удерживается на уровне дуговых. Стадия непрерывного тока может следовать за каждым компонентом молнии, в том числе и за первым компонентом восходящей молнии, у которой нет главной стадии. Иногда на фоне непрерывного тока

наблюдаются всплески тока длительностью порядка 10^-3 с и амплитудой до 1 кА. Они сопровождаются увеличением яркости свечения канала.
5. Линейные молнии
 

 Распространенная линейная молния, с которой многократно встречается любой человек, имеет вид разветвляющейся линии. величина силы тока в канале линейной молнии составляет в среднем 60 - 170 кА, зарегистрирована молния с током 290 кА. средняя молния несет энергию 250 кВт/час (900 Мдж). энергия, в основном, реализуется в виде световой, тепловой и звуковой энергий.

   Разряд развивается за несколько тысячных долей секунды; при столь высоких токах воздух в зоне канала молнии практически мгновенно разогревается до температуры 30 000-33 000° С. в результате резко повышается давление, воздух расширяется - возникает ударная волна, сопровождающаяся звуковым импульсом - громом.

   Перед и во время грозы изредка в темное время на вершинах высоких заостренных объектов (макушках деревьев, мачтах, вершинах острых скал в горах, крестах церквей, молниеотводах, иногда в горах у людей на голове, поднятой руке или у животных) можно наблюдать свечение, получившее название «огни святого Эльма». Это название дано в древности моряками, наблюдавшими свечение на вершинах мачт парусников. Свечение возникает из-за того, что на высоких заостренных предметах напряженность электрического поля, создаваемого статическим электрическим зарядом облака, особенно высока; в результате начинается ионизация воздуха, возникает тлеющий разряд и появляются красноватые языки свечения, временами укорачивающиеся и опять удлиняющиеся. не следует пытаться тушить эти огни, т.к. горения нет. при высокой напряженности электрического поля может появиться пучок светящихся нитей - коронный разряд, который сопровождается шипением. линейная молния также изредка может возникнуть и при отсутствии грозовых облаков. не случайно возникла поговорка - «гром среди ясного неба».


Линейные молнии
                   6.Физические процессы при разряде молний.   
 

 Молнии стартуют не только от облака к земле, или от заземленного объекта к облаку,  но и от изолированных от земли тел (самолетов, ракет и др.).  Попыткам прояснить механизмы перечисленных процессов мало помогают экспериментальные данные, относящиеся к самой молнии.  Наблюдений, которые проливали бы свет именно на физическое существо явлений, почти нет. Поэтому приходится строить умозрительные схемы, активно привлекая результаты эксперимента и теории длинной лабораторной искры. Молния очень интересна своим физическим началом, но наиболее важно подробно рассмотреть главную стадию молнии
Главная стадия, или процесс разряда канала молнии, начинается с момента перекрытия промежутка между облаком и землей нисходящим лидером. Коснувшись земли или заземленного объекта, лидерный канал (для определенности пусть это будет отрицательный лидер) должен приобрести их нулевой потенциал, поскольку емкость земли «бесконечна». Нулевой потенциал приобретает и канал восходящего лидера, который является продолжением своего «близнеца»  нисходящего. Заземление лидерного канала, несущего высокий потенциал,  сопровождается сильным изменением распределенного вдоль него заряда.  Перед началом главной стадии вдоль канала был распределен заряд τ₀= C₀ [U_i — U₀ (х)] . Здесь и в дальнейшем принесенный к земле, «начальный» для главной стадии потенциал обозначаем Ui. По-прежнему считаем его постоянным по длине обоих лидеров, игнорируя мало значащее для наших  целей падение напряжения вдоль канала. Допустим, что в ходе главной стадии, как и в лидерной, канал можно характеризовать погонной емкостью Со, которая не меняется ни по его длине, ни во времени. Когда весь канал приобретает нулевой потенциал (U = 0), погонный заряд становится равным τ₁= —CоUо(x). Часть канала, принадлежащая отрицательному нисходящему лидеру, не просто теряет свой отрицательный заряд, но приобретает положительный (Uо < 0, то τ_о< 0, τ₁> 0). Она не только разряжается, но и перезаряжается. Канал сопряженного положительного восходящего лидера высоко в облаке заряжается положительным зарядом еще сильнее (см рис.). Изменение погонного заряда за время главной стадии ∆τ = τ-τ_о= —С_оU_i. При U_i (х) = const изменение заряда одинаково по всей длине канала. Оно такое, как будто полностью разряжается длинный проводник (длинная линия), предварительно заряженный до напряжения  Ui.

 
        Измерения у земли показывают, что канал нисходящего лидера разряжается очень сильным током. В случае отрицательных молний импульс тока главной стадии с амплитудой IM ~ 10—100 кА длится 50-100 мкс по уровню 0,5. В течение примерно такого же времени вверх по каналу бежит хорошо видимый на фоторазвертках короткий яркий участок—головка главного канала. Скорость его v_r ≈(1-0,5)с всего лишь в несколько раз меньше скорости света. Это естественно интерпретировать как распространение по каналу волны разряда, т.е. волны уменьшения потенциала и возникновения сильного тока. В области фронта волны, где потенциал резко падает по величине от U_i и формируется сильный ток, вследствие интенсивного энергии выделения бывший лидерный канал разогревается до высокой температуры (по измерениям — до 30-35 кК). Потому фронт волны так ярко светится. Позади него канал, расширяясь, остывает и, теряя энергию на излучение, светится слабее. У процесса главной стадии имеется много общего с разрядом обычной длинной линии, образованной металлическим проводником.

  Разряд линии также имеет волновой характер, и этот процесс послужил прототипом при формировании представлений о главной стадии молнии. Канал молнии разряжается много скорее, чем он заряжался во время своего роста со скоростью лидеров v_l 10^-3-10^-2)v_r. Но изменения потенциала и погонного заряда в ходе заряжения и разряда — величины одного порядка: τ_o=∆t. Соответственно скорости канал разряжается в v_t/v_l ~ 10² —-10³ раз более сильным током i_M ~ ∆tv_r нежели лидерный i_L ~ t₀V_L ~ 100 А. Во столько же раз ориентировочно уменьшается и погонное сопротивление канала R₀ при переходе от лидерной стадии к главной. Причиной уменьшения сопротивления является нагрев канала при прохождении сильного тока, от чего возрастает проводимость плазмы. Сравнимы, следовательно, и сопротивления канала и стримерной зоны, по которым идет один и тот же ток. Значит, в единице длины лидерного канала диссипируется такая же по порядку величины энергия

и она выражается через параметры лидера  

Это дает Получается также, что среднее электрическое поле в канале лидера и за волной разряда в уже преобразованном канале одного порядка. Это согласуется с аналогичным заключением, которое можно сделать, рассматривая непосредственным образом установившиеся состояния в каналах лидерной и главной стадий молнии. Ситуация там подобна той, что имеет место в стационарной дуге. Но в сильноточных  дугах поле в канале самом деле слабо зависит от тока. Из сказанного вытекает, что если в лидере  и  , то в установившемся состоянии за фронтом волны главной стадии должно быть , а полное омическое сопротивление всего канала молнии длиной в несколько километров оказывается порядка 102 Ом. Это сравнимо с волновым сопротивлением идеально проводящей длинной линии в воздухе Z, тогда как для лидерного канала той же длины полное сопротивление на 2 порядка больше Z. Соотношение между омическим сопротивлением участка линии, пройденного волной,  и волновым сопротивлением характеризует степень затухания волны при распространении вдоль линии Если бы сопротивление канала не менялось, оставаясь на уровне лидерного, волна разряда канала молнии затухала бы и расплывалась, не пройдя и небольшой доли канала. Слишком быстро затухал бы и ток через точку замыкания канала на землю. Опыт говорит об обратном: видимая светящаяся головка имеет резкий фронт, и большой ток у земли регистрируется в течение всего времени ее подъема. Преобразование лидерного канала во время прохождения волны, приводящее к резкому уменьшения его погонного сопротивления, определяет весь ход процесса главной стадии молнии.
7.   Опасные факторы воздействия молнии.
  В связи с тем, что молния характеризуется большими величинами токов, напряжений и температур разряда, воздействие молнии на человека, как правило, завершается очень тяжелыми последствиями — обычно смертью. от удара молнии в мире в среднем ежегодно погибает около 3 000 человек, причем известны случаи одновременного поражения нескольких человек.
   Разряд молнии проходит по пути наименьшего электрического сопротивления. так как между высоким объектом и грозовым облаком расстояние, а следовательно, и электрическое сопротивление, меньше, то молния, как правило, ударяет в высокие объекты, но не обязательно. например, если расположить рядом две мачты - металлическую и более высокую деревянную, то молния скорее всего ударит в металлическую мачту, хотя она ниже, потому что электропроводимость металла выше. молния также значительно чаще ударяет в глинистые и влажные участки, чем в сухие и песчаные, т.к. первые обладают большей электропроводностью.



  

Например, в лесу молния действует тоже избирательно. Дерево при ударе молнии расщепляется. механизм этого следующий: древесный сок и влага на участке прохождения разряда мгновенно испаряются и расширяются, при этом создаются огромные давления,

которые и разрывают древесину.  Аналогичный эффект, сопровождающийся разлетом щепок, может иметь место при ударе молнии в стену деревянного строения. поэтому нахождение под высоким деревом во время грозы опасно.
  

    Опасно находиться во время грозы на воде или вблизи нее, т.к. вода и участки земли у воды имеют большую электропроводность. в то же время нахождение во время грозы внутри железобетонных зданий, металлических строений (например, металлических гаражей) безопасно для человека.

   Кроме поражения людей и животных линейная молния довольно часто является причиной возникновения лесных пожаров, а также жилых и производственных зданий, особенно в сельской местности.
   Во время грозы находиться в городе менее опасно, чем на открытой местности, так как стальные конструкции и высокие здания хорошо выполняют функцию молниеотводов.

   Полностью или частично закрытая электропроводная поверхность образует так называемую «камеру фарадея» внутри которой не может образоваться сколько-нибудь значительный и опасный для человека потенциал. поэтому пассажиры внутри автомобиля с цельнометаллическим кузовом, трамвая, троллейбуса, вагона поезда находятся во время грозы в безопасности, пока не выйдут наружу или не начнут открывать окна.

  Молния может ударить в самолет, но так как современные самолеты является цельнометаллическими, пассажиры достаточно надежно защищены от поражения разрядом.

статистика показывает, что на 5000-10000 летных часов приходится один удар молнии в самолет, к счастью, почти все поврежденные самолеты продолжают полет. среди различных причин авиакатастроф, таких, как оледенение, ливень, туман, снег, буря, смерч, молния занимает последнее место, но все равно полеты самолетов во время грозы запрещаются.


 В известную всему миру Эйфелеву башню в Париже при грозе молнии ударяют почти всегда, но для находящихся на смотровой площадке людей это не представляет опасности, т.к. ажурная металлическая решетка башни образует камеру фарадея, являющуюся великолепной защитой от поражения электрической молнией.
 Признаком того, что вы находитесь в электрическом поле, могут послужить вставшие дыбом волосы, которые начнут издавать легкое потрескивание. Но это только сухие волосы.

  Если молния вас задела, но вы еще в состоянии думать, следует как можно скорее обратиться к врачу. Медики полагают, что человек, выживший после удара молнии, даже не получив сильных ожогов головы и тела, впоследствии может получить осложнения в виде отклонений в сердечно-сосудистой и невралгической деятельности от нормы.
Молния ударяет в Эйфелеву башню, фотография 1902 г.
8.Как часто поражает молния?
   Удары молнии в наземные сооружения. Из повседневного опыта известно, что чаще всего молния ударяет в высокие сооружения, особенно в те, что главенствуют над окружающей местностью. На равнине большинство ударов приходится в отдельно стоящие мачты, башни, дымовые трубы и т.п. В горной местности часто страдают и невысокие сооружения, если они стоят на отдельных высоких холмах или на вершине горы. На житейском уровне объяснение тому простое: электрическому разряду, каковым является молния, легче перекрыть более короткое расстояние до возвышающегося объекта. Так, в мачту высотой 30 м в среднем  по Европе приходится 0,1 удар молнии за год (одно поражение за 10 лет), тогда как для уединенного стометрового объекта их почти в 10 раз больше. При более внимательном отношении столь резкая зависимость числа ударов от высоты уже не кажется тривиальной. Средняя высота точки старта нисходящей молнии около 3 км и даже 100 метровая высота—лишь 3 % расстояния между облаком и землей. Случайные искривления меняют полную  длину траектории в десятки раз сильнее. Приходится допустить, что конечная приземная стадия развития молнии отличается какими-то особыми процессами, которые достаточно жестко предопределяют последний участок пути. Эти процессы приводят к ориентировке нисходящего лидера, его притяжению к высоким объектам.

  Из опыта научных наблюдений за молниями можно говорить о приблизительно квадратичной зависимости числа ударов N_M от высоты h сосредоточенных объектов (у них h много больше всех других размеров); для протяженных же, длины I, таких как воздушная линия электропередачи, N_M ~ h_i. Это наводит на мысль о существовании некоторого эквивалентного радиуса стягивания молний R_э ~ h. Все молнии, смещенные от объекта по горизонтали на расстояние г < R_э попадают в него, остальные проходят мимо. Такая примитивная схема ориентировки в целом приводит к правильному результату. Для оценок можно использовать R_э ~ 3h, а число ударов молнии на единицу невозмущенной поверхности земли в единицу времени n_м извлечь из данных метеонаблюдений. По ним строятся специальные карты интенсивности грозовой деятельности. В европейской тундре n_м < 1 удара на 1 км² за год, в равнинных областях Европы 2-5, в некоторых предгорных районах, например, на Кавказе — до 10. Башня высотой h = 100 м характеризуется R_э = 0,3 км и для нее

удар за год, если ориентироваться на среднюю цифру n_м = 3,5 км ^-2 • год ^-1 Оценка имеет смысл для равнинной местности и только для не слишком высоких объектов h < 150 м), которые не возбуждают восходящих молний.
8.   Поражение человека
Радиус стягивания молний в человека всего 5-6 м, площадь стягивания — не более 10^-4 км². На деле жертв у молнии намного больше и прямой удар здесь не при чем. Человеческий опыт не рекомендует в грозу находиться в лесу, тем более, на открытой местности, у высоких деревьев. И это правильно. Дерево примерно в 10 раз выше человека и молния попадает в него в 100 раз чаще. Находясь под древесной кроной, человек имеет заметный шанс оказаться в зоне растекания тока молнии, что не безопасно. После удара молнии в вершину дерева ее ток I_M распространяется по неплохо проводящему стволу, а затем через корни растекается в земле. Корневая система дерева становится как бы естественным заземлителем. Благодаря току, в земле появляется электрическое поле , где р — удельное сопротивление грунта, j — плотность тока. Пусть ток растекается в грунте строго симметрично.  Тогда эквипотенциали представляют собой полусферы с диаметральной плоскостью на поверхности земли. Плотность тока на расстоянии г от ствола дерева j(r) =,

разность потенциалов между близкими точками равна ∆
U=. Если, например, человек стоит на расстоянии r ≈ 1 м от центра ствола дерева боком к дереву, а расстояние между его ступнями ∆r ≈ 0,3 м, то для средней по силе молнии с током Iм = 30 кА, перепад напряжения на поверхности грунта с р = составляет . Это напряжение оказывается приложенным к подошвам обуви, а после их неизбежного очень быстрого пробоя — к телу человека. То, что человек пострадает, а скорее всего будет убит, сомнений не вызывает — слишком велико действующее на него напряжение. Заметим, что оно пропорционально ∆r. Это значит, что стоять, широко расставив ноги, много опаснее, чем по стойке смирно с плотно сжатыми ступнями, а лежать по радиусу от дерева еще опаснее, потому что в этом случае расстояние между крайними точками, контактирующими с грунтом, становится равным росту

человека. Лучше всего, подобно аисту, замереть на одной ноге, но такие советы легче давать, чем выполнить. Кстати сказать, крупных животных молния поражает чаще, чем человека, в том числе и потому, что у них больше расстояние между ногами.

 Если у вас дача с молниеотводом и для нее сооружен специальный заземлитель, проследите, чтобы во время грозы поблизости от заземлителя и заземляющего спуска к нему не было людей. Ситуация здесь аналогична только что рассмотренной.
7. Правила поведения во время грозы.
  Вспышку молнии мы видим практически мгновенно, т.к. свет распространяется со скоростью 300 000 км/с. скорость распространения звука в воздухе равна примерно 344 м/с, т.е. примерно за 3 секунды звук проходит 1 километр. таким образом, разделив время в секундах между вспышкой молнии и последовавшим за ней первым раскатом грома, определим расстояние в километрах до нахождения грозы.

 Если эти промежутки времени уменьшаются, то гроза приближается, и необходимо принять меры защиты от поражения молнией. Молния опасна тогда, когда за вспышкой тут же следует раскат грома, т.е. грозовое облако находится над вами, и опасность удара молнии наиболее вероятна. Ваши действия перед грозой и во время ее должны быть следующими:
o       не выходить из дома, закрыть окна, двери и дымоходы, позаботиться, чтобы не было сквозняка, который может привлечь шаровую молнию.

o       во время грозы не топить печку, т.к. дым, выходящий из трубы, имеет высокую электропроводность, и вероятность удара молнии в возвышающуюся над крышей трубу возрастает;

o       во время грозы подальше держаться от электропроводки, антенн, окон, дверей и всего остального, связанного с внешней средой. не располагаться у стены, рядом с которой растет высокое дерево;

o       радио и телевизоры отключить от сети, не пользоваться электроприборами и телефоном (особенно важно для сельской местности);

o       во время прогулки спрятаться в ближайшем здании. Особенно опасна гроза в поле. При поиске укрытия отдайте предпочтение металлической конструкции больших размеров или конструкции с металлической рамой, жилому дому или другой постройке, защищенной молниеотводом;если нет возможности укрыться в здании, не надо прятаться в небольших сараях, под одинокими деревьями;

o       не находиться на возвышенностях и открытых незащищенных местах, вблизи металлических или сетчатых оград, крупных металлических объектов, влажных стен, заземления молниеотвода;

o       при отсутствии укрытия лечь на землю, при этом предпочтение следует отдать сухому песчаному грунту, удаленному от водоема;

o       если гроза застала вас в лесу, необходимо укрыться на низкорослом участке. Нельзя укрываться под высокими деревьями, особенно соснами, дубами, тополями. Лучше находиться на расстоянии 30 м от отдельного высокого дерева. обратите внимание - нет ли рядом деревьев, ранее пораженных грозой, расщепленных. лучше держаться в таком случае подальше от этого места. обилие пораженных молнией деревьев свидетельствует, что грунт на данном участке имеет высокую электропроводность, и удар молнии в этот участок местности весьма вероятен;

o       во время грозы нельзя находиться на воде и у воды — купаться, ловить рыбу. необходимо подальше отойти от берега;

o       в горах отойдите от горных гребней, острых возвышающихся скал и вершин. при приближении грозы в горах нужно спуститься как можно ниже. металлические предметы - альпинистские крючья, ледорубы, кастрюли, собрать в рюкзак и спустить на веревке на 20-30 м ниже по склону;

o       во время грозы не занимайтесь спортом на открытом воздухе, не бегайте, т.к. считается, что пот и быстрое движение «притягивает» молнию;

o       если вы застигнуты грозой на велосипеде или мотоцикле, прекратите движение и переждите грозу на расстоянии примерно 30 м от них;
8. Технология использования энергии молнии.
Китайские ученые разработали технологию использования энергии молнии в научных и промышленных целях,

"Новая разработка позволяет захватывать молнию в воздухе и перенаправлять ее в коллекторы на земле для исследований и использования", - сообщил сотрудник института атмосферной физики Це Сюшу.

   Для захвата молнии будут использоваться оснащенные специальными громоотводами ракеты, которые будут запускать в центр грозового облака. Ракета YL-1 должна стартовать за несколько минут до удара молнии.

  "Проверки показали, что точность запусков составляет 70%", - сообщили разработчики аппарата.

 Энергия молнии, а также производимое ей электромагнитное излучение будут использоваться для генной модификации сельскохозяйственных пород и производства полупроводников.

  Кроме того, новая технология позволит значительно снизить экономический ущерб от гроз, поскольку разряды будут уходить в безопасные места. По статистике, в КНР от удара молнии ежегодно гибнет около тысячи человек. Экономический ущерб от гроз в Китае достигает 143 миллионов долларов в год.

  Исследователи также пытаются найти способ использования молний в энергетике. По данным ученых, один разряд молнии производит миллиарды киловатт электричества. По всему миру каждую секунду происходит 100 ударов молний - это огромный источник электроэнергии.
Список литературы:
1)    Стекольников И. К., Физика молнии и грозозащита, М. — Л., 1943;

2)    Имянитов И. М., Чубарина Е. В., Шварц Я. М., Электричество облаков, Л., 1971;

3)    Renema.py, Молния.URL: http://www.renema.ru/Info/molniya_priroda.shtml

4)    История молнии. URL: http://ru.wikipedia.org/wiki/Молния

5)    Имянитов И.М., Чубарина Е.В., Шварц Я.М. Электричество облаков. Л., 1971

6)    Наука и техника: Физика. URL: http://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/fizika/MOLNIYA.html

7)    Автономные светящиеся образования в открытом воздухе. URL: http://elibrary.ru/item.asp?id=9199806

8)     Базелян Э.М., Райзер Ю.П. Физика молнии и молниезащиты. М.: Физматлит, 2001.