Бьют прямо в космос и превращают в магниты ножи: топ фактов о молниях

Гроза для обычного человека — это молния, гром и дождь. Для физика — сложнейший природный феномен, внутри которого происходят процессы, невидимые глазу, но меняющие атмосферу, радиосвязь и даже химический состав воздуха. Сотрудники Пермского национального исследовательского политехнического университета объяснили, что скрывается за привычной вспышкой и почему земной шар работает как гигантский конденсатор.

Планета-конденсатор и молнии-невидимки

Земля вместе с ионосферой образует сферический конденсатор — природный накопитель электричества. Положительный заряд создаётся космическими частицами и излучениями, отрицательный возникает по закону сохранения. Однако из-за того, что проводящий слой находится в десятках километров над поверхностью, электрическое поле у земли остаётся слабым — человек его не ощущает.

Самая распространённая молния — отрицательная. Она бьёт из нижней части грозового облака в землю, несёт ток 20-30 тысяч ампер, длится около 0,2 секунды и передаёт почве отрицательный заряд. Но существуют и другие виды — гораздо более мощные и опасные.

Положительные мегамолнии зарождаются в верхней части облака, в так называемой наковальне — зоне, где нет осадков и видимых туч. На фоне ясного неба в 20-30 километрах от грозы может возникнуть гигантский разряд. Его лидер — проводящий канал — проходит десятки километров горизонтально, а затем резко уходит вертикально вниз. Ток такой молнии превышает 300 тысяч ампер, длится 1-2 секунды, а удельная энергия в 100-1000 раз выше, чем у обычной. Она способна взрывным образом плавить металл, расщеплять бетон и вызывать пожары — и при этом не имеет грозовых предвестников.

Красные призраки, синие струи и удары в космос

Над большими грозами возникают экзотические разряды, которые долгое время считались мифом. Спрайты — красноватые вертикальные столбы на высоте 50-90 километров. Эльфы — быстро расширяющиеся световые кольца. Они рождаются, когда мощный удар в землю или разряд внутри тучи резко меняет её электрический заряд, вызывая пробои в разреженном воздухе. Для человека эти явления не опасны — они происходят гораздо выше любых民航 маршрутов.

Но есть и те, что бьют прямо в космос. Синие струи — плотные конусообразные фонтаны ярко-синего цвета, поднимающиеся на 40-50 километров. Гигантские джеты — их более мощная разновидность с синим низом и красноватым верхом, достигающая границы с космосом. Они порождаются мощным положительным разрядом, который создаёт электрическое поле в миллионы вольт на метр. В разреженной атмосфере электроны разгоняются, отрывают частицы от атомов, и воздух начинает мерцать. В нижних, плотных слоях преобладает азот — поэтому свечение синее. В верхних, разреженных — кислород, поэтому свечение становится красноватым.

С земли эти явления почти не видны. Их наблюдают с Международной космической станции или из высокогорных обсерваторий. Но они влияют на нас: гигантские джеты ионизируют верхние слои атмосферы, из-за чего короткие радиоволны поглощаются и радиосвязь прерывается. Кроме того, вместе с другими разрядами они производят оксид азота, который ускоряет разрушение озонового слоя.

Одна молния как серия выстрелов и грозовой магнит

Большинство людей думает, что молния бьёт один раз. На самом деле это серия быстрых ударов, идущих по одному пути. После первого разряда канал остаётся горячим и хорошо проводит электричество, и заряды продолжают бегать между облаком и землёй — как мячик, быстро отскакивающий от пола. Частота таких колебаний — около восьми герц, и на этом принципе основана радиосвязь.

После близкого удара молнии металлические предметы могут намагнититься. Ток разряда создаёт колоссальное вихревое магнитное поле, которое превращает в источники притяжения предметы из ферромагнитных материалов — например, стальные ножи или отвёртки. Серебро и нержавеющие сплавы не подвержены этому эффекту. Для банковских карт и электроники опасны не сами поля, а их резкие изменения: возникающее напряжение способно повредить тончайшие контакты и полупроводниковые слои внутри микросхем.

Вулканические грозы, гамма-излучение и стеклянные капсулы

При мощных извержениях вулканов над кратером возникают грозы — без единой капли воды. Электричество рождается от трения частиц пепла, вулканических пород и кристаллов льда. Тот же принцип работает на мукомольных заводах: частицы муки трутся друг о друга, накапливают статический заряд, и разряд может привести к взрыву. Сила вулканических молний зависит от объёма запылённого воздуха — а при извержении он огромен.

Во время грозы на короткое мгновение возникает гамма-излучение. При пробое воздух превращается в раскалённую плазму. Некоторые атомы теряют электроны, другие переходят в возбуждённое состояние, накапливая избыток энергии. Когда электрон возвращается в норму, он излучает квант — порцию энергии, которая может быть и обычным светом, и рентгеновскими лучами, и гамма-излучением. Для человека и пассажиров самолёта эти лучи не опасны — корпус создаёт дополнительную защиту. Реальную угрозу представляют резкие скачки напряжения в проводах и приборах.

Удар молнии в песок нагревает его примерно до 30 тысяч градусов Цельсия. Кварц плавится, а вода и воздух между песчинками расширяются. Расплавленная масса застывает быстрее снаружи, чем внутри, образуя полую трубку с гладкой стеклянной внутренней стенкой — фульгурит. В пузырьках газа внутри стекла сохраняется состав древней атмосферы: азот, кислород, аргон. По количеству микротрещин и включений учёные определяют интенсивность разрядов тысячелетней давности. Такие стеклянные капсулы времени — единственное, что остаётся от одной из самых мощных сил природы.