O que é relâmpago? Como é formado e de onde vem esse fenômeno natural. Física atmosférica: como, por que e de onde vem o relâmpago

O relâmpago é uma descarga de faísca elétrica gigante na atmosfera, geralmente pode ocorrer durante uma tempestade, manifestada por um flash de luz brilhante e o trovão que o acompanha. O relâmpago também foi registrado em Vênus, Júpiter, Saturno e Urano, etc. A corrente em uma descarga de raio atinge 10-100 mil amperes, a tensão é de dezenas de milhões a bilhões de volts, no entanto, apenas 47,3% morrem após um raio uma pessoa. de pessoas

História:
A natureza elétrica dos raios foi revelada em pesquisas físico americano B. Franklin, em cuja ideia foi realizado um experimento para extrair eletricidade de uma nuvem de tempestade. A experiência de Franklin em elucidar a natureza elétrica do relâmpago é amplamente conhecida. Em 1750, ele publicou um trabalho descrevendo um experimento usando uma pipa lançada em uma tempestade. A experiência de Franklin foi descrita na obra de Joseph Priestley.

Propriedades físicas do raio:

O comprimento médio do raio é de 2,5 km, algumas descargas se estendem na atmosfera por uma distância de até 20 km.

Formação do Relâmpago:
Na maioria das vezes, os raios ocorrem em nuvens cumulonimbus, então eles são chamados de nuvens de trovoada; às vezes o relâmpago é formado em nuvens nimbostratus, bem como durante erupções vulcânicas, tornados e tempestades de poeira.

Geralmente são observados relâmpagos lineares, que pertencem às chamadas descargas sem eletrodos, pois começam (e terminam) em aglomerados de partículas carregadas. Isso determina algumas de suas propriedades ainda inexplicáveis ​​que distinguem o relâmpago das descargas entre eletrodos. Assim, o raio não é menor que algumas centenas de metros; eles surgem em campos elétricos muito mais fracos do que os campos durante as descargas intereletrodos; a coleta de cargas transportadas pelo raio ocorre em milésimos de segundo a partir de bilhões de partículas pequenas, bem isoladas umas das outras, localizadas em um volume de vários quilômetros. O processo de desenvolvimento de raios em nuvens de trovoada foi o mais estudado, enquanto os raios podem passar nas próprias nuvens - raios intranuvens, e podem atingir o solo - raios terrestres. Para que os raios ocorram, é necessário que em um volume relativamente pequeno (mas não inferior a um certo volume crítico) de uma nuvem, campo elétrico(ver eletricidade atmosférica) com força suficiente para iniciar uma descarga elétrica (~ 1 MV/m), e em uma parte significativa da nuvem haveria um campo com força média suficiente para manter a descarga que havia começado (~ 0,1 -0,2 MV/m). Em relâmpagos Energia elétrica as nuvens se transformam em calor, luz e som.

Relâmpago Terrestre:
O processo de desenvolvimento de raios terrestres consiste em várias etapas. No primeiro estágio, na zona onde o campo elétrico atinge crítico, inicia-se a ionização por impacto, inicialmente criada por cargas livres, sempre presentes em pequena quantidade no ar, que, sob a influência de um campo elétrico, adquirem velocidades significativas em direção ao solo e, colidindo com as moléculas que compõem o ar, ionizam eles.

Segundo conceitos mais modernos, a ionização da atmosfera para a passagem de uma descarga ocorre sob a influência de radiação cósmica de alta energia - partículas com energias de 1012-1015 eV, que formam um extenso chuveiro de ar (EAS) com diminuição da a tensão de ruptura do ar por uma ordem de magnitude daquela em condições normais.

De acordo com uma hipótese, as partículas desencadeiam um processo chamado colapso descontrolado (o "gatilho" do processo, neste caso, são os raios cósmicos). Assim, surgem avalanches de elétrons, transformando-se em fios de descargas elétricas - streamers, que são canais bem condutores, que, se fundindo, dão origem a um canal ionizado termicamente brilhante com alta condutividade - um líder de relâmpago escalonado.

O movimento do líder para a superfície da Terra ocorre em etapas de várias dezenas de metros a uma velocidade de ~ 50.000 quilômetros por segundo, após o que seu movimento para por várias dezenas de microssegundos e o brilho é bastante enfraquecido; então, no estágio subsequente, o líder avança novamente várias dezenas de metros. Ao mesmo tempo, um brilho intenso cobre todos os passos passados; então uma parada e um enfraquecimento do brilho seguem novamente. Esses processos se repetem quando o líder se move para a superfície da Terra a uma velocidade média de 200.000 metros por segundo.

À medida que o líder se move em direção ao solo, a força do campo em sua extremidade aumenta e sob sua ação uma serpentina de resposta é lançada dos objetos salientes na superfície da Terra, conectando-se ao líder. Este recurso de relâmpago é usado para criar um pára-raios.

Na fase final, o canal ionizado líder é seguido por uma descarga de raio reversa (de baixo para cima), ou principal, caracterizada por correntes de dezenas a centenas de milhares de amperes, um brilho que é visivelmente maior que o brilho de o líder, e uma alta velocidade de avanço, atingindo inicialmente ~ 100.000 quilômetros por segundo, e no final diminuindo para ~ 10.000 quilômetros por segundo. A temperatura do canal durante a descarga principal pode exceder 20.000-30.000 °C. O comprimento do canal de raios pode ser de 1 a 10 km, o diâmetro é de vários centímetros. Após a passagem do pulso de corrente, a ionização do canal e seu brilho enfraquecem. Na fase final, a corrente do raio pode durar centésimos e até décimos de segundo, chegando a centenas e milhares de amperes. Esses raios são chamados de prolongados, na maioria das vezes causam incêndios. Mas a terra não está carregada, por isso é geralmente aceito que a descarga do raio vem da nuvem em direção à terra (de cima para baixo).

A descarga principal geralmente descarrega apenas parte da nuvem. Cargas localizadas em grandes altitudes podem dar origem a um novo líder (em forma de seta) movendo-se continuamente a uma velocidade de milhares de quilômetros por segundo. O brilho de seu brilho está próximo ao brilho do líder escalonado. Quando o líder varrido atinge a superfície da terra, segue-se um segundo golpe principal, semelhante ao primeiro. O relâmpago geralmente inclui várias descargas repetidas, mas seu número pode chegar a várias dezenas. A duração de vários raios pode exceder 1 segundo. O deslocamento do canal de múltiplos raios pelo vento cria o chamado raio de fita - uma faixa luminosa.

Relâmpagos intranuvem:
O relâmpago intranuvem geralmente inclui apenas estágios líderes; seu comprimento varia de 1 a 150 km. A proporção de raios intranuvens aumenta com o deslocamento para o equador, passando de 0,5 nas latitudes temperadas para 0,9 na faixa equatorial. A passagem de um raio é acompanhada por mudanças nos campos elétricos e magnéticos e na emissão de rádio, os chamados atmosféricos.
Voo de Calcutá a Bombaim.

A probabilidade de um objeto terrestre ser atingido por um raio aumenta à medida que sua altura aumenta e com o aumento da condutividade elétrica do solo na superfície ou a uma certa profundidade (a ação de um pára-raios é baseada nesses fatores). Se houver um campo elétrico na nuvem que seja suficiente para manter a descarga, mas não o suficiente para fazer com que ela ocorra, um longo cabo de metal ou um avião pode desempenhar o papel de iniciador do raio - especialmente se estiver altamente carregado eletricamente. Assim, os raios às vezes são “provocados” em nimbostratus e poderosas nuvens cumulus.

Relâmpagos na atmosfera superior:
Em 1989 foi descoberto tipo especial relâmpago - elfos, relâmpagos na atmosfera superior. Em 1995, outro tipo de relâmpago na atmosfera superior foi descoberto - jatos.

elfos:
Elfos (English Elves; Emissions of Light and Very Low Frequency Perturbations from Electromagnetic Pulse Sources) são cones de flash enormes, mas fracamente luminosos, com um diâmetro de cerca de 400 km, que aparecem diretamente do topo de uma nuvem de trovoada. A altura dos elfos pode chegar a 100 km, a duração dos flashes é de até 5 ms (3 ms em média).

Jatos:
Jatos são cones tubulares de cor azul. A altura dos jatos pode chegar a 40-70 km (limite inferior da ionosfera), os jatos vivem relativamente mais que os elfos.

Sprites:
Sprites são difíceis de distinguir, mas aparecem em quase qualquer tempestade a uma altitude de 55 a 130 quilômetros (a altura da formação de raios "comuns" não é superior a 16 quilômetros). Este é um tipo de relâmpago que dispara da nuvem. Pela primeira vez este fenômeno foi registrado em 1989 por acidente. Muito pouco se sabe sobre a natureza física dos sprites.

O relâmpago linear geralmente é acompanhado por um forte som de rolamento chamado trovão. O trovão ocorre pelo seguinte motivo. Vimos que a corrente no canal do raio é formada em um período de tempo muito curto. Ao mesmo tempo, o ar no canal aquece muito rápida e fortemente e, com o aquecimento, se expande. A expansão é tão rápida que parece uma explosão. Esta explosão dá uma sacudida no ar, que é acompanhada por sons fortes. Após a interrupção repentina da corrente, a temperatura no canal do raio cai rapidamente à medida que o calor escapa para a atmosfera. O canal esfria rapidamente e, portanto, o ar nele é fortemente comprimido. Isso também causa uma agitação do ar, que novamente forma o som. É claro que repetidos relâmpagos podem causar um rugido e ruído prolongados. Por sua vez, o som é refletido das nuvens, da terra, das casas e de outros objetos e, criando múltiplos ecos, alonga o trovão. Portanto, rolam trovões ocorrem.[ ...]

Uma descarga elétrica visível entre nuvens, partes separadas da mesma nuvem ou entre uma nuvem e a superfície da Terra. O mais frequente visão típica relâmpago - relâmpago linear - uma descarga de faísca com galhos, um comprimento médio de 2-3 km e às vezes até 20 km ou mais; O diâmetro de M. é da ordem de dezenas de centímetros. M plano, de quatro precisão e esférico têm um caractere especial (ver). Além disso, é dito sobre o M linear.[ ...]

Além dos lineares, existem, embora com muito menos frequência, raios de outros tipos. Destes, consideraremos um, o mais interessante - relâmpago de bola.[ ...]

Além de raios lineares, raios planos são observados em nuvens de trovoada. O observador vê como a nuvem cumulonimbus se expande de dentro para fora em uma espessura significativa. O raio planar é o efeito cumulativo da ação simultânea de um grande número de descargas corona na massa intranuvem. Nesse caso, uma parte significativa da nuvem é iluminada por dentro e, por fora da nuvem, um brilho avermelhado vem na forma de um flash. O raio plano não cria efeitos acústicos. Relâmpagos planos, iluminando a nuvem por dentro, não devem ser confundidos com relâmpagos - reflexos de outros relâmpagos, às vezes além do horizonte, iluminando a nuvem de fora, assim como o céu próximo ao horizonte.[ ...]

ZÍPER LISO. Descarga elétrica na superfície das nuvens, que não tem caráter linear e, aparentemente, consiste em descargas luminosas silenciosas emitidas por gotículas individuais. O espectro de P.M. é listrado, principalmente de bandas de nitrogênio. P.M. não deve ser confundido com relâmpago, que é a iluminação de nuvens distantes por relâmpagos lineares.[ ...]

BOLA FOGO. Um fenômeno às vezes observado durante uma tempestade; É uma bola brilhantemente luminosa de várias cores e tamanhos (perto da superfície da Terra, geralmente com cerca de dezenas de centímetros). Sh. M. aparece após uma descarga linear de raio; move-se no ar lenta e silenciosamente, pode penetrar no interior de edifícios através de rachaduras, chaminés, canos, às vezes estoura com um estrondo ensurdecedor. O fenômeno pode durar de alguns segundos a meio minuto. Este é um processo físico-químico ainda pouco estudado no ar, acompanhado de uma descarga elétrica.[ ...]

Se o raio da bola consiste em partículas carregadas, na ausência de um influxo de energia externa, essas partículas devem se recombinar e transferir rapidamente o calor liberado neste caso para a atmosfera circundante (o tempo de recombinação é de 10 10-10-11 s, e levando em consideração o tempo de remoção de energia do volume - não mais que 10 -3 s). Assim, após o término da corrente, o canal de um raio linear esfria e desaparece em um tempo da ordem de vários milissegundos.[ ...]

Assim, o raio esférico nem sempre ocorre em conexão com uma descarga linear de raio, embora, talvez, na maioria dos casos, esse seja o caso. Pode-se supor que ocorre onde significativa cargas eletricas. A lenta propagação dessas cargas leva à coroação ou ao aparecimento dos incêndios de St. Elmo, a rápida propagação leva ao aparecimento de relâmpagos esféricos. Isso pode ocorrer, por exemplo, naqueles locais onde o canal linear de raios é interrompido repentinamente e uma carga significativa é ejetada em uma área relativamente pequena de ar por uma poderosa descarga corona. No entanto, é provável que situações semelhantes possam ocorrer sem uma descarga linear linear.[ ...]

Além disso, o relâmpago de bola é silencioso. Seu movimento é completamente silencioso ou acompanhado por um leve chiado ou crepitação. Embora em casos raros os raios esféricos voem várias dezenas de metros por segundo e formem uma faixa luminosa curta com vários metros de comprimento (isso se deve à incapacidade de nossos analisadores visuais de distinguir eventos separados por um intervalo de tempo inferior a 0,1 s), no entanto, esta banda não pode ser confundida com um relâmpago linear de canal, cuja formação é acompanhada por um trovão ensurdecedor. As consequências de uma explosão de raio esférico também são, via de regra, muito mais fracas do que de uma descarga linear de raio. Em particular, uma explosão é mais frequentemente um estrondo, em casos fortes - um tiro de rifle ou pistola, enquanto o trovão de um relâmpago linear próximo é mais como o rugido de um projétil explodindo.[ ...]

Como o relâmpago esférico é mais frequentemente associado a raios e trovoadas, era natural que os primeiros pesquisadores tentassem usar relâmpagos atmosféricos em experimentos de laboratório. Nos trabalhos, o primeiro estudo cientificamente registrado de um fenômeno semelhante ao raio esférico está associado ao nome do professor Richman de São Petersburgo. Acredita-se que a descarga, semelhante a um raio de bola, foi formada acidentalmente durante uma tempestade. Este caso tornou-se amplamente conhecido entre os pesquisadores de fenômenos associados a raios lineares e esféricos. Tal fama se deve não tanto aos resultados do experimento em si, mas ao fato de que um raio de bola teria atingido Richmann na testa, como resultado do qual ele morreu em 6 de agosto de 1753.[ ...]

O aparecimento de relâmpagos esféricos geralmente está associado à atividade de tempestades. As estatísticas mostram que 73% de 513 casos de acordo com McNillie, 62% de 112 casos de acordo com Reilly e 70% de 1006 de acordo com Stakhanov são tempestades. De acordo com Barry, em 90% dos casos que ele coletou, relâmpagos esféricos foram observados durante uma tempestade. Ao mesmo tempo, em muitos trabalhos foi relatado que o raio de bola ocorreu imediatamente após um relâmpago linear.[ ...]

Observe que o raio esférico não apareceu imediatamente, mas 3-4 s após a descarga linear do raio. Além disso, o autor da carta deu muitos detalhes do evento, de modo que dificilmente se pode considerar o que ele viu como uma alucinação. Tais observações não são isoladas.[ ...]

A formação de relâmpagos esféricos a partir do canal de relâmpagos lineares do ponto de vista considerado é representada da seguinte forma. Algum ar quente dissociado jogado para fora onda de choque do canal do relâmpago linear, mistura-se com o ar frio circundante e esfria tão rapidamente que uma pequena fração do oxigênio atômico nele não tem tempo para se recombinar. De acordo com as considerações acima, este oxigênio deve ser convertido em ozônio em 10 5 s. A proporção permitida de ar quente na mistura resultante é muito limitada, pois a temperatura da mistura não deve exceder 400 K, caso contrário, o ozônio resultante se decomporá rapidamente. Isso limita a quantidade de ozônio na mistura a cerca de 0,5-1%. Para obter maiores concentrações de ozônio, considera-se a excitação do oxigênio por uma corrente de raio. O autor chega à conclusão de que isso pode levar à formação de uma mistura contendo até 2,6% de ozônio. Assim, neste caso, a descarga atmosférica é de fato incluída no esquema proposto como parte necessária pinturas. Isso distingue favoravelmente a hipótese em consideração de outras hipóteses químicas, onde a descarga em si, à primeira vista, não desempenha nenhum papel e ainda não está claro por que o raio bola está tão intimamente associado a uma tempestade.[ ...]

O relâmpago de bola real aparece, como regra, durante uma tempestade, muitas vezes com um vento forte. O canal de relâmpago linear é renovado pelo líder varrido a cada 30-40 ms e existe por não mais que 0,1 - 0,2 s.[ ...]

A ocorrência de relâmpagos esféricos pode ser representada deste ponto de vista da seguinte forma. Após um relâmpago linear, uma pequena parte de seu canal permanece aquecida a uma alta temperatura. Com o fim da descarga, a corrente não para. Agora, uma descarga de faísca brilhante é substituída por uma descarga escura e não luminosa, na qual a corrente flui ao longo do canal extinto de um raio linear. O ar aqui contém um número maior de íons que não tiveram tempo de se recombinar. A condutividade desta coluna de ar cheia de íons, cuja largura é considerada muito maior que o diâmetro inicial do canal do raio, é de cerca de 10"3--10 4 m 1 Ohm 1. O movimento de bola relâmpago ocorre a partir da ação do campo magnético da corrente sobre a mesma corrente quando a simetria cilíndrica é violada. A explosão é considerada como um colapso como resultado da cessação da corrente. No entanto, com um aumento acentuado e forte da corrente, pode ocorrer uma explosão no sentido usual da palavra. A extinção silenciosa ocorre quando a corrente é interrompida lentamente.[ ...]

Sabe-se que a descarga de um relâmpago linear comum tem uma trajetória complexa, às vezes muito tortuosa na atmosfera. O desenvolvimento da descarga pode ser estudado fotografando com câmeras de alta velocidade. Nas câmeras usadas para capturar raios, o filme pode se mover rapidamente na direção horizontal ou vertical. Uma velocidade típica de filme é de 500-1000 cm/s. Esta velocidade é necessária porque a velocidade de avanço do canal do raio atinge 5 108 cm/s.[ ...]

É geralmente aceito que o relâmpago surge de um canal de relâmpago anômalo entre duas nuvens. Um canal comum de descarga de raios se divide em vários fragmentos luminosos que não estão conectados uns aos outros. A forma completa do relâmpago consiste em um grande número de partes que parecem existir simultaneamente e não é o resultado aparente do movimento de um único objeto luminoso com brilho que muda periodicamente. Para os observadores, aparece como um brilho estável ao longo da trajetória de um relâmpago linear comum, que existe há algum tempo. muito tempo após o último surto. De acordo com relatos, a vida útil de tal relâmpago de contas é de 1-2 s.[ ...]

Segundo relatos, os relâmpagos perolados geralmente aparecem entre duas nuvens, formando uma linha quebrada de "manchas" luminosas que permanecem por algum tempo após o aparecimento de relâmpagos lineares comuns. As "manchas" luminosas têm o mesmo tamanho angular que o diâmetro do canal de relâmpagos lineares, e, de acordo com parecem ser de forma esférica. Cada "ponto" é separado da área não luminosa vizinha. O tamanho da lacuna escura pode ser de vários diâmetros das partes luminosas.[ ...]

O aparecimento de relâmpagos esféricos foi observado quando um relâmpago linear atinge a água. I. A. Gulidov de Kharkov nos contou sobre isso.[ ...]

Em primeiro lugar, notamos que o relâmpago de bola nem sempre aparece após uma certa descarga de relâmpago linear. De acordo com nossos dados, em 75% dos casos, o observador não pode indicar definitivamente se um relâmpago linear precedeu o aparecimento de um raio esférico. Aparentemente, pode aparecer como resultado de uma descarga distante de um raio linear, que não é fixado pelo observador, por exemplo, durante uma descarga entre nuvens, e depois descer ao solo. Em muitos casos (aproximadamente 20-30%) não está associado a uma tempestade. De acordo com nossos dados, isso acontece em cerca de 25% dos casos, aproximadamente o mesmo valor - 30% - dá uma pesquisa no Reino Unido. No entanto, mesmo nos casos em que o relâmpago da bola aparece após um certo golpe de relâmpago linear, o observador nem sempre vê o flash, às vezes ele ouve apenas o trovão. Este foi o caso, por exemplo, de todas as quatro testemunhas oculares que viram relâmpagos no Kremlin (ver nº 1). Os defensores da teoria da inércia da imagem devem, portanto, admitir que a pós-imagem pode surgir não apenas de um relâmpago, mas também do som de um trovão. Às vezes, um relâmpago é separado do aparecimento de um raio esférico por vários segundos, que são necessários para que o raio esférico caia no campo de visão do observador ou preste atenção nele. Aqui estão alguns exemplos da correspondência recebida.[ ...]

Se, como muitas vezes se acredita, o raio esférico é formado pela descarga de um raio linear, a probabilidade de sua observação pode ser significativamente aumentada. Para fazer isso, basta organizar o monitoramento regular dos objetos que são frequentemente atingidos por raios lineares (torres de arranha-céus, torres de televisão, suportes de linhas de transmissão de energia, etc.). Assim, a frequência de raios lineares atingindo a torre Ostankino é de várias dezenas de casos por ano. Se a probabilidade do aparecimento de raios esféricos durante uma descarga linear linear não for inferior a 0,1-0,01, há muitas chances de detectar raios esféricos durante uma estação. Ao mesmo tempo, é claro, é necessário admitir que um raio atingindo a torre não exclui, por uma razão ou outra, o aparecimento de um raio esférico. Além disso, é necessário o uso de equipamentos apropriados, pois, se levarmos em conta a grande altura da torre, o tamanho angular do raio esférico (quando observado do solo) será muito pequeno, e seu brilho será insignificante comparado ao brilho do canal de relâmpago linear.[ ...]

Uma gota de metal fundido, caindo no canal do raio linear, também pode formar uma esfera luminosa, cujo movimento, no entanto, difere significativamente do movimento do raio esférico. Devido à grande gravidade específica, tais gotas inevitavelmente fluirão para baixo ou cairão rapidamente, enquanto os raios esféricos podem pairar, mover-se horizontalmente ou subir. Mesmo se assumirmos que uma gota de metal fundido adquire um momento significativo no momento da formação, seu movimento, devido à sua grande inércia, terá pouca semelhança com os movimentos normalmente atribuídos aos raios esféricos. Finalmente, só podemos falar de relâmpagos de bola neste caso. tamanho pequeno, cujo diâmetro é de vários centímetros, enquanto a grande maioria dos raios é muito maior (10-20 cm, e às vezes mais).[ ...]

Apenas algumas testemunhas oculares que observaram relâmpagos esféricos também veem o momento de sua origem. Das 1.500 respostas ao primeiro questionário, apenas 150 pessoas deram uma resposta definitiva à questão de como ocorre o raio das bolas. Em resposta ao segundo questionário, recebemos uma descrição detalhada de quase todos esses eventos.[ ...]

Não há dúvida de que a origem do raio esférico na maioria dos casos está intimamente relacionada à descarga do raio linear. Quanto à primeira questão, praticamente não há dúvida de que, pelo menos nos casos em que o nascimento de um raio esférico é acompanhado por uma descarga linear de raio, a energia é fornecida a ele através do canal de raio linear e, então, de acordo com a hipótese de cluster , é armazenado na forma de energia de ionização dos íons do cluster. Supondo que a diferença de potencial entre a nuvem e o solo possa atingir 108 V, e a carga transportada por uma descarga atmosférica seja 20-30 K, descobrimos que a energia liberada em uma descarga atmosférica linear é (2h-3) 109 J. Com um comprimento médio de canal de 3-5 km, a energia por unidade de comprimento é cerca de 5-105 J/m. Durante o carregamento, essa energia é distribuída ao longo do canal e pode iniciar a ocorrência de raios esféricos. Em alguns casos, pode ser transmitido através de condutores a uma distância considerável do local da queda do raio linear.[ ...]

O local mais provável para a ocorrência de relâmpagos esféricos é, em nossa opinião, a coroa de uma descarga linear de relâmpagos. Como qualquer condutor sob alto potencial, o canal linear do raio é cercado por uma descarga corona, que ocupa uma ampla área (cerca de 1 m de diâmetro), na qual um grande número de íons é formado durante a descarga. A temperatura desta área é muitas vezes inferior à temperatura do canal de raios e dificilmente excede, especialmente em suas partes periféricas, várias centenas de graus. Sob tais condições: os íons podem ser facilmente cobertos com conchas de hidratação, transformando-se em hidratos iônicos ou outros íons aglomerados. Vemos que ambas as dimensões e condições de temperatura, existentes na coroa, são muito mais adequados para a formação de relâmpagos esféricos do que as condições características do canal de descarga de corrente.[ ...]

Na carta de V. V. Mosharov, é relatado que um raio de bola surgiu após um raio linear na antena de TV.[ ...]

Assim, as correntes de descarga que apareceram durante a explosão do raio esférico também fluíram a uma distância considerável do local da explosão. Neste caso, é absolutamente impossível atribuir essas consequências à descarga linear de raios, uma vez que a tempestade já havia terminado naquele momento. O aparecimento de fortes pulsos de corrente também pode levar ao derretimento de metais, portanto, essas correntes podem, pelo menos em parte, ser responsáveis ​​pelo derretimento causado por raios esféricos. É claro que a energia gasta no derretimento não está contida no próprio raio da bola, e isso pode explicar a grande dispersão na liberação de calor.[ ...]

Observe que, de acordo com a última observação, surgiu um raio esférico, embora próximo à árvore que foi atingida por um raio linear, mas ainda um pouco distante, a dois metros dela.[ ...]

Para proteger as linhas aéreas de danos causados ​​por um raio direto, são utilizados pára-raios tubulares lineares, que são instalados em suportes durante a estação das trovoadas. Os pára-raios são inspecionados em cada próximo desvio das linhas, e especialmente cuidadosamente após uma tempestade.[ ...]

O segundo argumento é que a formação de relâmpagos esféricos leva um intervalo de tempo de vários segundos. Embora o relâmpago esférico apareça após a descarga do relâmpago linear, no entanto, a julgar pelo testemunho de testemunhas oculares, leva algum tempo para que ele “exploda” ou cresça em diâmetro até um tamanho estacionário ou se forme em um corpo esférico independente. Este tempo (1-2 s) é aproximadamente uma ordem de grandeza maior do que a duração total da existência de um canal linear de raios (0,1-0,2 s) e mais de duas ordens de grandeza maior do que o tempo de decaimento do canal (10 EM).[ ...]

Acima, descrevemos principalmente os casos de aparecimento de raios esféricos de condutores durante uma queda próxima de um raio linear ou, pelo menos, quando a possibilidade de tal impacto não foi descartada. Surge a questão se o relâmpago esférico também pode ocorrer sem uma descarga prévia do relâmpago linear. Com base na análise de vários casos, é possível responder afirmativamente a esta questão com total certeza. A título de exemplo, podemos recordar o caso (nº 47) descrito no início do § 2.6, quando "apareceram raios esféricos nos terminais bateria. Aqui estão mais alguns exemplos que descrevem em detalhes a ocorrência de raios esféricos.[ ...]

Voltemos novamente à questão da frequência objetiva de ocorrências de relâmpagos esféricos. Uma escala natural para comparação é a frequência de ocorrência de raios lineares. A pesquisa preliminar realizada pela NABA também incluiu perguntas sobre a observação de raios e a localização da queda de raios lineares. Na última pergunta, eles significam a observação de uma área com cerca de 3 m de diâmetro, localizada onde o canal linear de raios entra no solo ou em objetos localizados sobre ele. Uma resposta afirmativa a esta pergunta significava que o observador via este local com clareza suficiente para poder notar uma pequena bola fracamente luminosa perto da terra.[ ...]

Esta classe de fotografias é caracterizada pela presença próxima ao traço de um raio linear comum de uma pequena área luminosa separada, claramente formada por um raio e permanecendo como algo separado da descarga principal.[ ...]

IP Stakhanov analisou especialmente a descrição das observações de raios esféricos do ponto de vista de sua ocorrência. Ele selecionou 67 casos em que o momento do aparecimento do relâmpago da bola foi registrado. Destes, em 31 casos o raio bola surgiu nas imediações do canal linear de raio, em 29 casos surgiu a partir de objetos e dispositivos metálicos - tomadas, rádios, antenas, telefones, etc., em 7 casos acendeu no ar "do nada".[ ...]

canal Lightning, ou seja, o caminho ao longo do qual a descarga de faísca salta, a julgar pelas fotografias de raios feitas por câmeras especiais, tem um diâmetro de 0,1 a 0,4 m. A duração da descarga é estimada em microssegundos. Observações de raios se desenvolvendo em tão pouco tempo não contradizem a teoria da visibilidade na atmosfera, onde o tempo necessário para a observação, como foi considerado anteriormente, deveria exceder 0,5 s. Durante os microssegundos de desenvolvimento do relâmpago, uma área muito brilhante do canal do relâmpago tem um efeito tão forte no aparelho visual humano que durante o tempo necessário para a readaptação da visão, ele tem tempo para compreender o que aconteceu. Semelhante a isso é o efeito visual de cegar, digamos, com um flash. Pela mesma razão, o raio linear é percebido por nós como uma única descarga de faísca, menos frequentemente duas, embora, de acordo com fotografias especiais, quase sempre consista em 2-3 ou mais pulsos, até dezenas.[ ...]

Os estudos realizados permitem responder inequivocamente à questão de saber se o raio esférico existe como um fenômeno físico. Ao mesmo tempo, foi apresentada uma hipótese de que o relâmpago esférico é ilusão de óptica. Esta hipótese ainda existe (ver, por exemplo,). A essência desta hipótese é que um forte relâmpago linear como resultado de processos fotoquímicos pode deixar um rastro na retina do olho do observador, que permanece nele na forma de um ponto por 2-10 s; este ponto é percebido como um raio de bola. Tal afirmação é rejeitada por todos os autores de revisões e monografias sobre raios de bola, que foram processadas preliminarmente grande número observações. Isso é feito por dois motivos. Primeiro, cada uma das numerosas observações usadas como argumento a favor da existência de um raio esférico, no processo de observá-lo, inclui muitos detalhes que não poderiam ter surgido no cérebro do observador como efeito posterior de um relâmpago esférico. Em segundo lugar, existem várias fotografias confiáveis ​​​​de raios esféricos, e isso prova objetivamente sua existência. Assim, com base na totalidade dos dados sobre a observação de relâmpagos esféricos e sua análise, pode-se afirmar com plena confiança que o relâmpago esférico é um fenômeno real.[ ...]

Ao montar seus experimentos, Andrianov e Sinitsyn partiram da suposição de que o raio esférico surge como um efeito secundário do raio linear do material evaporado após sua ação. Para simular esse fenômeno, os autores usaram a chamada descarga erosiva - uma descarga pulsada que cria um plasma a partir de um material em evaporação. A energia armazenada nas condições experimentais foi de 5 kJ, a diferença de potencial foi de 12 kV e a capacitância do capacitor descarregado foi de 80 μF. A descarga foi direcionada para o material dielétrico, a corrente máxima de descarga foi de 12 kA. A região de descarga foi primeiramente separada da atmosfera normal por uma fina membrana, que foi rasgada quando a descarga foi ligada, de modo que o plasma erosivo foi ejetado para a atmosfera. A região luminosa em movimento assumiu uma forma esférica ou toroidal, e radiação visível plasma foi observado por um tempo da ordem de 0,01 s, e em geral o brilho do plasma foi registrado por não mais que 0,4 s. Esses experimentos mais uma vez mostram que o tempo de vida das formações de plasma no ar atmosférico é significativamente menor do que o tempo de vida observado dos raios esféricos.[ ...]

Na fig. 2.4 mostra uma fotografia das características da imagem em que se aproximam das características descritas do relâmpago de cordão. O brilho intermitente foi observado em conjunto com o relâmpago linear normal. Como você pode ver, a trilha de relâmpagos, ao contrário das descargas de raios comuns, não se ramifica. Esta característica, completamente incomum para o traço de relâmpagos comuns, de acordo com as observações de testemunhas oculares, é uma característica distintiva do relâmpago de contas. No entanto, a origem deste traço especial na Fig. 2.4 é questionável, pois na parte superior da fotografia há uma parte da trilha que repete a trilha que acabamos de descrever (sua forma coincide claramente com a forma da imagem principal do relâmpago frisado). É inacreditável que duas ou mais descargas adquiram formas tão semelhantes sob a ação de campos elétricos atmosféricos e cargas espaciais distantes umas das outras. Assim, a fotografia da Fig. 2.4 é duvidoso. Aparentemente está relacionado ao movimento da câmera, e não representa um verdadeiro traço de um raio perolado.[ ...]

Não é difícil encontrar esta água perto da terra. Pode estar contido no ar e na superfície da terra, nas folhas em forma de orvalho e em outros objetos. Durante a descarga atmosférica (0,1-0,2 s) ele evapora e pode preencher um volume significativo. No ar (principalmente nas nuvens), a água é distribuída na forma de gotículas e vapores. Como a substância do raio esférico tem tensão superficial, ele tenderá a se acumular em um lugar como um filme elástico esticado. Portanto, pode-se pensar que os íons que compõem o relâmpago de bola são formados e vestidos em conchas de hidratação em um volume bastante grande, muitas vezes maior que o volume do próprio relâmpago de bola, e somente depois disso são comprimidos e combinados em um corpo. Testemunhas oculares também apontam para isso (ver Capítulo 2). Lembre-se de que um deles, em particular, diz que após um raio linear em um campo arado, “luzes” corriam ao longo de sua superfície, que então se reuniam em uma bola, que se desprendeu do chão e flutuou pelo ar (ver No. . 67).

Agência Federal de Educação

Instituição estadual de ensino superior profissionalizante

UNIVERSIDADE ESTADUAL DE PETROZAVODSK

Relâmpagos lineares.

Seu nascimento e métodos de uso.

Petrozavodsk 2009

Lista de intérpretes:

Egorova Elena,

1 curso, grupo 21102

Lebedev Pavel,

1 curso, grupo 21112

Shelegina Irina,

1 curso, grupo 21102

Raio. Informações gerais…………………………………….4

História. Teorias de origem ……………………………… 5

Formação de relâmpagos……………………………………….6

Raio. Informação geral

Raioé uma descarga de faísca de eletricidade estática acumulada em nuvens de trovoada.

O comprimento do raio linear é de vários quilômetros, mas pode chegar a 20 km ou mais.

A forma do relâmpago é geralmente semelhante às raízes ramificadas de uma árvore que cresceu no céu.

O canal principal do relâmpago tem várias ramificações de 2 a 3 km de comprimento.

O diâmetro do canal do raio é de 10 a 45 cm.

A duração da existência de um raio é de décimos de segundo.

A velocidade média do raio é de 150 km/s.

A intensidade da corrente dentro do canal do raio atinge 200.000 A.

A temperatura do plasma no relâmpago excede 10.000°C.

A intensidade do campo elétrico dentro de uma nuvem de trovoada varia de 100 a 300 volts/cm, mas antes de uma descarga de raio em pequenos volumes separados pode atingir até 1600 volts/cm.

A carga média de uma nuvem de tempestade é de 30 a 50 coulombs. Em cada descarga de raio, 1 a 10 coulombs de eletricidade são transferidos.

Junto com os relâmpagos lineares mais comuns, às vezes há relâmpagos de foguetes, contas e bolas. Relâmpagos de foguetes são muito raros. Dura de 1 a 1,5 segundos e é uma descarga que se desenvolve lentamente entre as nuvens. O relâmpago frisado também deve ser atribuído a tipos muito raros de relâmpago. Tem uma duração total de 0,5 segundos e aparece aos olhos contra o fundo das nuvens na forma de contas luminosas com um diâmetro de cerca de 7 cm. O relâmpago esférico na maioria dos casos é uma formação esférica com um diâmetro de 10-20 cm em a superfície da terra, e até 10 m na altura das nuvens.

Na Terra, cerca de 100 descargas lineares de raios são observadas a cada segundo, a potência média que é gasta na escala de toda a Terra para a formação de trovoadas é de 1018 erg / seg. Ou seja, a energia liberada durante a precipitação de uma nuvem de trovoada excede significativamente sua energia elétrica.

2. A história do estudo da natureza do relâmpago e as "teorias" iniciais da explicação deste fenômeno natural

Relâmpagos e trovões foram originalmente percebidos pelas pessoas como uma expressão da vontade dos deuses e,

em particular, como uma manifestação da ira de Deus. Ao mesmo tempo, um ser humano curioso

a mente desde os tempos antigos tentou compreender a natureza do relâmpago e do trovão, para entendê-los

causas naturais. Nos tempos antigos, Aristóteles pensava sobre isso. Acima de

Lucrécio pensou na natureza do relâmpago. Muito ingenuamente

tenta explicar o trovão como consequência do fato de que "nuvens colidem lá sob

a investida dos ventos."

Por muitos séculos, incluindo a Idade Média, acreditou-se que o relâmpago é um fogo

vapor preso em nuvens de vapor de água. Expandindo-se, rompe-os da forma mais

ponto fraco e rapidamente desce para a superfície da terra. Em 1929, J. Simpson propôs uma teoria que explica a eletrificação pelo esmagamento de gotas de chuva por correntes de ar. Como resultado do esmagamento, as gotas maiores que caem são carregadas positivamente, enquanto as menores que permanecem na parte superior da nuvem são carregadas negativamente. Na teoria de ionização livre de Ch. Wilson, assume-se que a eletrização ocorre como resultado do acúmulo seletivo de íons por gotículas na atmosfera tamanhos diferentes. É possível que a eletrificação das nuvens de trovoada seja realizada pela ação conjunta de todos esses mecanismos, sendo o principal a queda de partículas bastante grandes eletrificadas por atrito contra o ar atmosférico.

Em 1752, Benjamin Franklin provou experimentalmente que o relâmpago é

forte descarga elétrica. O cientista realizou o famoso experimento com ar

uma pipa que foi lançada no ar com a aproximação de uma tempestade.

Experiência: Um fio pontiagudo foi fixado na travessa da cobra,

uma chave e uma fita de seda estavam amarradas na ponta da corda, que ele segurava com a mão.

Assim que a nuvem de trovoada estava acima da pipa, o fio afiado tornou-se

extraia uma carga elétrica dele, e a pipa, junto com o cabo de reboque, ficará eletrificada.

Depois que a chuva molha a cobra junto com o barbante, tornando-os assim

livre para conduzir uma carga elétrica, pode ser observado como um

a carga "drenará" à medida que o dedo se aproximar.

Simultaneamente com Franklin, o estudo da natureza elétrica dos raios

estavam envolvidos em M.V. Lomonosov e G. V. Richman. Graças à sua pesquisa em meados do século 18, a natureza elétrica do raio foi comprovada. Desde então, ficou claro que o relâmpago é uma poderosa descarga elétrica que ocorre quando as nuvens estão suficientemente eletrificadas.

3. Forma de relâmpago

Na maioria das vezes, os raios ocorrem em nuvens cumulonimbus, então eles são chamados de nuvens de trovoada; às vezes o relâmpago é formado em nuvens nimbostratus, bem como durante erupções vulcânicas, tornados e tempestades de poeira.

Geralmente são observados relâmpagos lineares, que pertencem a descargas sem eletrodos, pois começam (e terminam) em aglomerados de partículas carregadas. Isso determina algumas de suas propriedades ainda inexplicáveis ​​que distinguem o relâmpago das descargas entre eletrodos. Assim, o raio não é menor que algumas centenas de metros; eles surgem em campos elétricos muito mais fracos do que os campos durante as descargas intereletrodos; A coleta de cargas transportadas pelo raio ocorre em milésimos de segundo a partir de miríades de pequenas partículas bem isoladas localizadas em um volume de vários km3. O processo de desenvolvimento de raios em nuvens de trovoada foi o mais estudado, enquanto os raios podem passar nas próprias nuvens - raios intranuvens, e podem atingir o solo - raios terrestres.

Para que um raio ocorra, é necessário que em um volume relativamente pequeno (mas não inferior a algum crítico) da nuvem seja formado um campo elétrico com força suficiente para iniciar uma descarga elétrica (~ 1 MV / m) e em um parte significativa da nuvem existe um campo com uma força média suficiente para manter a descarga que começou (~ 0,1-0,2 MV / m). No relâmpago, a energia elétrica da nuvem é convertida em calor e luz.

Descargas de raios podem ocorrer entre nuvens eletrificadas vizinhas ou entre uma nuvem eletrificada e o solo. A descarga é precedida pela ocorrência de uma diferença significativa de potenciais elétricos entre nuvens vizinhas ou entre uma nuvem e o solo devido à separação e acúmulo de eletricidade atmosférica como resultado de processos naturais como chuva, queda de neve, etc. A diferença de potencial resultante pode chegar a um bilhão de volts, e a subsequente descarga da energia elétrica acumulada pela atmosfera pode criar correntes de curto prazo de 3 a 200 kA.

4. Principais fases da primeira e subsequentes

componentes de relâmpago

A afinidade do relâmpago com uma descarga de faísca foi comprovada pelos trabalhos de Benjamin Franklin há dois séculos e meio. Ao dizer tal frase hoje, é mais correto mencionar essas duas formas de descarga elétrica em ordem inversa, pois os elementos estruturais mais importantes de uma faísca foram originalmente observados em raios e só então foram descobertos em laboratório. A razão para uma sequência de eventos tão fora do padrão é simples: a descarga do raio tem um comprimento significativamente maior, seu desenvolvimento é mais demorado e, portanto, a gravação óptica de um raio não requer equipamentos com uma resolução espacial e temporal particularmente alta. As primeiras e ainda impressionantes varreduras de tempo de descargas de raios foram realizadas usando câmeras simples com um movimento mecânico mútuo da lente e do filme (câmeras Boyce) nos anos 30. Eles permitiram identificar duas fases principais do processo: líder e casa estágios.

No decorrer líder estágio no intervalo nuvem-solo ou entre as nuvens germina um canal de plasma condutor - o líder. Nasce na região de um forte campo elétrico, o que certamente é suficiente para ionizar o ar com um impacto de elétrons, mas o líder tem que pavimentar a parte principal do caminho onde a força do campo externo (da carga das nuvens de trovoada ) não exceda várias centenas de volts por centímetro. No entanto, o comprimento do canal líder aumenta, o que significa que ocorre intensa ionização em sua cabeça, transformando o ar neutro em um plasma altamente condutor. Isso é possível porque o próprio líder carrega seu próprio campo forte. Ele é criado por uma carga de volume concentrada na região da cabeça do canal e se move junto com ela. A função de um condutor, conectando galvanicamente a cabeça do líder com o ponto inicial do raio, é realizada pelo canal de plasma do líder. O líder cresce por um longo tempo, até 0,01 s - uma eternidade na escala dos fenômenos fugazes de uma descarga elétrica pulsada. Todo esse tempo, o plasma no canal deve manter alta condutividade. Isso é impossível sem aquecer o gás a temperaturas próximas às temperaturas de um arco elétrico (acima de 5000-6000 K). A questão do equilíbrio de energia no canal, que é necessário para

seu aquecimento e para compensar as perdas - uma das mais importantes na teoria do líder.

O líder é um elemento necessário de qualquer relâmpago. Em um flare multicomponente, não apenas o primeiro, mas também todos os componentes subsequentes começam com o processo líder. Dependendo da polaridade do raio, da direção de seu desenvolvimento e do número do componente (o primeiro ou qualquer um dos subsequentes), o mecanismo líder pode mudar, mas a essência do fenômeno permanece a mesma. Consiste na formação de um canal de plasma altamente condutor devido à amplificação local do campo elétrico nas imediações da cabeça líder.

Palco principal do relâmpago(curso de retorno) começa a partir do momento em que o condutor entra em contato com o solo ou um objeto aterrado. Na maioria das vezes, isso não é contato direto. Do topo do objeto, seu próprio canal líder, chamado de contra-líder, pode surgir e se mover em direção ao líder relâmpago. O encontro marca o início do palco principal. Enquanto se movia na lacuna nuvem-solo, a cabeça do líder do raio carregava um alto potencial, comparável ao potencial de uma tempestade.

nuvens no ponto inicial do relâmpago (elas diferem na queda de tensão no canal). Após o contato, a cabeça líder assume o potencial do solo e sua carga é drenada para o solo. Com o tempo, a mesma coisa acontece com os outros.

trechos do canal com alto potencial. Esse "descarregamento" ocorre através da propagação da onda de neutralização de carga do líder pelo canal desde o solo até a nuvem. A velocidade da onda se aproxima da velocidade da luz, até 108 m/s. Entre a frente de onda e a terra flui através do canal

uma forte corrente que carrega uma carga para o solo das seções de “descarregamento” do canal. A amplitude da corrente depende da distribuição de potencial inicial ao longo do canal. Em média, é próximo de 30 kA, e para a maioria

relâmpagos poderosos atingem 200-250 kA. A transferência de uma corrente tão forte é acompanhada por uma intensa liberação de energia. Devido a isso, o gás no canal aquece e se expande rapidamente; ocorre uma onda de choque. O ribombar do trovão é uma de suas manifestações. Energeticamente, o palco principal é o mais poderoso. Também é caracterizada pela mudança mais rápida na corrente. A inclinação de sua ascensão pode exceder 1011 A / s - daí a radiação eletromagnética extremamente poderosa que acompanha uma descarga atmosférica. É por isso que um rádio ou TV funcionando reage intensamente a uma tempestade.

interferência, e isso ocorre a distâncias de dezenas de quilômetros.

Os pulsos de corrente do palco principal acompanham não apenas o primeiro, mas também todos os componentes subsequentes do relâmpago descendente. Isso significa que o líder de cada próximo componente carrega aquele que se move em direção ao solo.

canal, e durante o estágio principal parte dessa carga é neutralizada e redistribuída. Longos estrondos de trovões são o resultado da superposição de ondas sonoras excitadas por pulsos de corrente de toda a população

componentes subsequentes. Para raios ascendentes, a imagem é um pouco diferente. Líder do Primeiro Componente

parte de um ponto com potencial nulo. À medida que o canal cresce, o potencial da cabeça muda gradualmente até que o processo líder desacelere em algum lugar nas profundezas da nuvem de tempestade. Isso não é acompanhado por nenhuma mudança rápida de carga e, portanto, o primeiro componente do relâmpago ascendente tem o principal

fase está faltando. É observado apenas em componentes subsequentes que já começam da nuvem e se movem em direção ao solo, não diferente dos componentes subsequentes de raios descendentes.

Em termos científicos, o estágio principal do relâmpago intercloud é de grande interesse. O fato de existir é indicado por trovões, não menos altos do que durante as descargas no solo. É claro que o líder do relâmpago entre nuvens começa em algum lugar no volume de uma região carregada de uma nuvem de trovoada (uma célula de tempestade) e se move na direção de outro sinal oposto. As regiões carregadas na nuvem não podem de forma alguma ser representadas como algum tipo de corpo condutor, semelhante às placas de um capacitor de alta tensão, porque as cargas ali estão distribuídas em um volume com raio de centenas de metros e estão localizadas em pequenas gotas de água e cristais de gelo (hidrometeoros) que não entram em contato entre si. O surgimento do palco principal à sua maneira essência física envolve necessariamente o contato do líder do raio com um corpo altamente condutor de alta capacidade elétrica, comparável ou maior capacidade líder. Deve-se supor que durante uma descarga atmosférica internuvem, o papel de tal corpo é desempenhado por algum outro canal de plasma que surgiu simultaneamente e depois entra em contato com o primeiro.

Em medições próximas à superfície terrestre, o pulso de corrente do estágio principal diminui pela metade do valor da amplitude, em média, em cerca de 10 -4 s. A propagação desse parâmetro é muito grande - os desvios da média em cada direção atingem quase uma ordem de magnitude. Os pulsos de corrente de raio positivos, como regra, são mais longos que os negativos, e os pulsos dos primeiros componentes duram mais que os subsequentes.

Após o estágio principal, uma corrente ligeiramente variável da ordem de 100 A pode fluir através do canal do raio por centésimos, e às vezes até décimos de segundo. temperatura é mantida no nível do arco. Um estágio de corrente contínua pode seguir cada componente do relâmpago, incluindo o primeiro componente do relâmpago a montante que não possui um estágio principal. Às vezes, no contexto de corrente contínua

rajadas de corrente são observadas com uma duração de cerca de 10 -3 s e uma amplitude de até 1 kA. Eles são acompanhados por um aumento no brilho do brilho do canal.

5. Zíperes lineares

O raio linear generalizado, que qualquer pessoa encontra muitas vezes, parece uma linha de ramificação. a magnitude da corrente no canal do raio linear é em média 60 - 170 kA, o raio foi registrado com uma corrente de 290 kA. um raio médio carrega uma energia de 250 kWh (900 MJ). a energia é realizada principalmente na forma de energias de luz, calor e som.

A descarga se desenvolve em alguns milésimos de segundo; em correntes tão altas, o ar na zona do canal do raio aquece quase instantaneamente até uma temperatura de 30.000-33.000 ° C. Como resultado, a pressão aumenta acentuadamente, o ar se expande - ocorre uma onda de choque, acompanhada por um som impulso - trovão.

Antes e durante tempestades ocasionalmente tempo escuro no topo de objetos pontiagudos (copa de árvores, mastros, picos de rochas afiadas nas montanhas, cruzes de igrejas, pára-raios, às vezes nas montanhas sobre cabeças de pessoas, mãos levantadas ou animais) pode-se observar um brilho chamado "St. . Incêndios de Elmo". Este nome foi dado na antiguidade pelos marinheiros que observavam o brilho no topo dos mastros dos veleiros. O brilho surge devido ao fato de que em objetos altos e pontiagudos, a força do campo elétrico criado pela carga elétrica estática da nuvem é especialmente alta; como resultado, a ionização do ar começa, ocorre uma descarga de brilho e aparecem línguas de brilho avermelhado, às vezes encurtando e novamente alongando. nenhuma tentativa deve ser feita para extinguir esses incêndios, pois não há combustão. em uma alta intensidade de campo elétrico, um feixe de filamentos luminosos pode aparecer - uma descarga de corona, que é acompanhada por um assobio. relâmpagos lineares também podem ocorrer ocasionalmente na ausência de nuvens de trovoada. Não é por acaso que surgiu o ditado - "trovão de um céu claro".

Relâmpago de linha

6.Processos físicos durante a descarga atmosférica.

O relâmpago começa não apenas de uma nuvem para o solo, ou de um objeto aterrado para uma nuvem, mas também de corpos isolados do solo (aeronaves, foguetes, etc.). Tentativas de elucidar os mecanismos desses processos são pouco auxiliadas por dados experimentais relacionados ao próprio raio. Quase não há observações que lancem luz sobre a essência física dos fenômenos. Portanto, é necessário construir esquemas especulativos, envolvendo ativamente os resultados do experimento e a teoria de uma longa faísca de laboratório. O relâmpago é muito interessante em sua origem física, mas é mais importante considerar em detalhes o estágio principal do relâmpago.

G o estágio principal, ou o processo de descarga do canal do raio, começa a partir do momento em que a lacuna entre a nuvem e a terra é fechada pelo líder descendente. Tendo tocado o solo ou um objeto aterrado, o canal líder (por definição, seja um líder negativo) deve adquirir seu potencial zero, pois a capacitância do solo é "infinita". O potencial zero também adquire o canal do líder ascendente, que é uma continuação de seu "gêmeo" do descendente. O aterramento do canal líder, que carrega um alto potencial, é acompanhado por uma forte mudança na carga distribuída ao longo dele. Antes do início do estágio principal, a carga τ 0 = C 0 era distribuída ao longo do canal. Aqui e no que se segue, o potencial “inicial” para o palco principal trazido à terra é denotado por Ui. Como antes, consideramos constante ao longo do comprimento de ambos os líderes, ignorando a queda de tensão ao longo do canal, que é de pouca importância para nossos propósitos. Suponhamos que no decorrer do estágio principal, bem como no estágio líder, o canal possa ser caracterizado pela capacitância Co, que não varia ao longo de seu comprimento ou no tempo. Quando todo o canal adquire potencial zero (U = 0), a carga linear torna-se igual a τ 1 = -CоU®(x). A parte do canal pertencente ao líder descendente negativo não apenas perde sua carga negativa, mas adquire uma carga positiva (U® 0). Ele não apenas descarrega, mas também recarrega. O canal do líder ascendente positivo conjugado no alto da nuvem torna-se ainda mais carregado positivamente (veja a Fig.). Mudança na carga linear durante o estágio principal ∆τ = τ-τ o = -С o U i . Quando U i (x) = const, a mudança de carga é a mesma ao longo de todo o comprimento do canal. É como se um longo condutor (longa linha), pré-carregado a uma tensão Ui, estivesse completamente descarregado.

Medições próximas ao solo mostram que o canal líder descendente está sendo descarregado com uma corrente muito forte. No caso de raios negativos, o pulso de corrente do estágio principal com amplitude IM ~ 10-100 kA dura 50-100 µs a um nível de 0,5. Mais ou menos ao mesmo tempo, uma pequena seção brilhante, a cabeça do canal principal, que é claramente visível em varreduras fotográficas, sobe o canal. Sua velocidade v r≈(1-0,5)s é apenas várias vezes menor que a velocidade da luz. É natural interpretar isso como a propagação de uma onda de descarga ao longo do canal, ou seja, ondas de potencial decrescente e o aparecimento de uma corrente forte. Na região da frente de onda, onde o potencial cai drasticamente em magnitude de U i e uma forte corrente é formada, devido à intensa energia de liberação, o antigo canal líder é aquecido a uma alta temperatura (de acordo com as medições, até 30 -35 kK). Porque a frente da onda brilha muito. Atrás dele, o canal, em expansão, esfria e, perdendo energia para a radiação, brilha mais fraco. O processo do estágio principal tem muito em comum com a descarga de uma longa linha comum formada por um condutor metálico.

A descarga em linha também tem caráter ondulatório, e esse processo serviu de protótipo na formação de ideias sobre o palco principal do raio. O canal relâmpago é descarregado muito mais rápido do que estava carregando durante seu crescimento na velocidade dos líderes v eu 10 -3 -10 -2)v r. Mas as mudanças na carga potencial e linear durante o carregamento e descarregamento são da mesma ordem de magnitude: τ o =∆t. De acordo com a velocidade, o canal é descarregado v t /v l ~ 10 2 -10 3 vezes mais forte corrente i M ~ ∆tv r do que o líder i L ~ t 0 V L ~ 100 A. A resistência linear do canal R 0 diminui aproximadamente pela mesma quantidade na transição do estágio líder para o estágio principal. A razão para a diminuição da resistência é o aquecimento do canal durante a passagem de uma corrente forte, o que aumenta a condutividade do plasma. Portanto, as resistências do canal e da zona streamer, através da qual a mesma corrente flui, também são comparáveis. Isso significa que a mesma ordem de grandeza de energia é dissipada por unidade de comprimento do canal líder e é expressa em termos dos parâmetros líderes

Isso também resulta que o campo elétrico médio no canal líder e atrás da onda de descarga no canal já transformado é da mesma ordem. Isso está de acordo com uma conclusão semelhante que pode ser tirada considerando diretamente os estados estacionários nos canais do líder e dos principais estágios do relâmpago. A situação lá é semelhante à de um arco estacionário. Mas em arcos de alta corrente, o campo no canal é, na verdade, fracamente dependente da corrente. Do que foi dito, segue-se que se no líder e , então no estado estacionário atrás da frente de onda do palco principal deve haver , e a resistência ôhmica total de todo o canal de raios vários quilômetros de comprimento acaba sendo cerca de 102 Ohm. Isso é comparável à impedância de onda Z de uma linha longa perfeitamente condutora no ar, enquanto para um canal líder do mesmo comprimento a impedância é duas ordens de magnitude maior que Z. Se a resistência do canal não mudou, permanecendo no nível de o líder, a onda de descarga do canal do relâmpago amortecia e se espalhava sem passar nem mesmo por uma pequena fração do canal. A corrente através do ponto terra-terra do canal também decairia muito rapidamente. A experiência sugere o contrário: a cabeça luminosa visível tem uma frente nítida e uma grande corrente próxima à terra é registrada durante todo o tempo de sua ascensão. A transformação do canal líder durante a passagem da onda, que leva a uma queda acentuada em sua resistência linear, determina todo o curso do processo do estágio principal do raio.

Fatores perigosos de exposição a raios.

Devido ao fato de o raio ser caracterizado por altas correntes, tensões e temperaturas de descarga, o impacto do raio em uma pessoa, como regra, termina em consequências muito graves - geralmente a morte. cerca de 3.000 pessoas morrem todos os anos por um relâmpago no mundo, e são conhecidos casos de derrota simultânea de várias pessoas.

A descarga atmosférica segue o caminho de menor resistência elétrica. como a distância entre um objeto alto e uma nuvem de trovoada e, portanto, a resistência elétrica, é menor, o raio geralmente atinge objetos altos, mas não necessariamente. por exemplo, se você colocar dois mastros lado a lado - um de metal e um de madeira mais alto, é provável que o raio atinja um mastro de metal, embora seja menor, porque a condutividade elétrica do metal é maior. os raios também atingem áreas argilosas e úmidas com muito mais frequência do que áreas secas e arenosas, porque Os primeiros são mais eletricamente condutores.

Por exemplo, na floresta, os raios também atuam seletivamente. Uma árvore se parte quando atingida por um raio. o mecanismo disso é o seguinte: a seiva da árvore e a umidade na área de descarga evaporam e se expandem instantaneamente, criando enormes pressões,

que quebram a madeira. Um efeito semelhante, acompanhado de espalhamento de lascas, pode ocorrer quando um raio atinge a parede de uma estrutura de madeira. portanto, estar sob uma árvore alta durante uma tempestade é perigoso.

É perigoso estar na água ou perto dela durante uma tempestade. água e terra perto da água têm uma alta condutividade elétrica. ao mesmo tempo estar dentro durante uma tempestade construções de concreto armado, edifícios metálicos (por exemplo, garagens metálicas) são seguros para os seres humanos.

Além de causar danos a pessoas e animais, os raios lineares costumam causar incêndios florestais, bem como edifícios residenciais e industriais, principalmente em áreas rurais.

Durante uma tempestade, estar na cidade é menos perigoso do que em área aberta, uma vez que estruturas de aço e edifícios altos funcionam bem como pára-raios.

Uma superfície condutora de eletricidade completa ou parcialmente fechada forma a chamada "câmara de Faraday", dentro da qual nenhum potencial significativo e perigoso para os seres humanos pode se formar. portanto, os passageiros dentro de um carro com uma carroceria totalmente metálica, um bonde, um trólebus, um vagão de trem estão seguros durante uma tempestade até que saiam ou comecem a abrir as janelas.

Um raio pode atingir uma aeronave, mas como as aeronaves modernas são totalmente metálicas, os passageiros estão razoavelmente protegidos de serem atingidos por uma descarga.

as estatísticas mostram que para 5.000-10.000 horas de voo há um raio em uma aeronave, felizmente, quase todas as aeronaves danificadas continuam a voar. entre as várias causas de acidentes aéreos, como glaciação, chuva forte, neblina, neve, tempestade, tornado, raios ocupa o último lugar, mas ainda assim, voos de aeronaves durante uma tempestade são proibidos.

Os relâmpagos quase sempre atingem a mundialmente famosa Torre Eiffel em Paris durante uma tempestade, mas isso não representa um perigo para as pessoas no deck de observação, porque. a treliça metálica a céu aberto da torre forma uma câmara de faraday, que é uma excelente proteção contra raios elétricos.

Um sinal de que você está em um campo elétrico pode ser o cabelo em pé, que começará a fazer um leve crepitar. Mas isso é apenas cabelo seco.

Se você for atingido por um raio, mas ainda conseguir pensar, deve consultar um médico o mais rápido possível. Os médicos acreditam que uma pessoa que sobreviveu após um raio, mesmo sem queimaduras graves na cabeça e no corpo, pode receber complicações na forma de desvios na atividade cardiovascular e nevrálgica da norma.

Relâmpago atinge a Torre Eiffel, fotografia de 1902

8. Com que frequência os raios caem?

Relâmpagos atingem estruturas terrestres. Da experiência cotidiana, sabe-se que os raios atingem com mais frequência estruturas altas, especialmente aquelas que dominam a área circundante. Na planície, a maioria dos golpes cai em mastros, torres, chaminés etc. Em áreas montanhosas, edifícios baixos geralmente sofrem se ficarem em colinas altas separadas ou no topo de uma montanha. Em um nível mundano, a explicação para isso é simples: é mais fácil para uma descarga elétrica, que é um relâmpago, bloquear uma distância menor de um objeto alto. Por exemplo, um mastro de 30 metros de altura em média na Europa tem 0,1 raios por ano (um em 10 anos), enquanto para um objeto solitário de 100 metros há quase 10 vezes mais. Com uma atitude mais cuidadosa, uma dependência tão acentuada do número de impactos na altura não parece mais trivial. A altura média do ponto de partida de um relâmpago descendente é de cerca de 3 km, e mesmo uma altura de 100 metros é apenas 3% da distância entre a nuvem e a terra. As curvaturas aleatórias alteram o comprimento total da trajetória dez vezes mais fortemente. Temos que admitir que o estágio final da superfície do desenvolvimento do relâmpago é distinguido por alguns processos especiais que predeterminam rigidamente a última seção do caminho. Esses processos levam à orientação do líder descendente, sua atração por objetos altos.

A partir da experiência de observações científicas de raios, pode-se falar de uma dependência aproximadamente quadrática do número de golpes N M de altura h objetos concentrados (eles têm h muito maior do que todos os outros tamanhos); para extensos, comprimentos EU, como linha aérea transmissão de energia, N M~hi. Isso sugere a existência de algum raio de contração do raio equivalente R uh~h. Todos os relâmpagos deslocados do objeto horizontalmente por uma distância r R uh cair nele, o resto passa. Um esquema de orientação tão primitivo como um todo leva ao resultado correto. Para classificações, você pode usar R uh~ 3h; Com base neles, são construídos mapas especiais da intensidade da atividade das trovoadas. Na tundra europeia n m R uh= 0,3 km e para ela

impacto por ano, se focarmos no valor médio n m = 3,5 km -2 ano -1 A estimativa faz sentido para terrenos planos e apenas para objetos não muito altos h

Derrota Humana

O raio de constrição do raio em uma pessoa é de apenas 5-6 m, a área de constrição não é superior a 10 -4 km 2 . Na verdade, um raio tem muito mais vítimas e um ataque direto não tem nada a ver com isso. A experiência humana não recomenda estar em uma floresta durante uma tempestade, especialmente em áreas abertas, perto de árvores altas. E está certo. Uma árvore é cerca de 10 vezes mais alta que uma pessoa e um raio a atinge 100 vezes mais. Estando sob a copa de uma árvore, uma pessoa tem uma chance notável de estar na zona de propagação da corrente do raio, o que não é seguro. Após um relâmpago no topo de uma árvore, sua corrente EU M se espalha ao longo de um tronco bem condutor e depois se espalha pelas raízes até o solo. sistema radicular a árvore torna-se como um condutor de aterramento natural. Devido à corrente, um campo elétrico aparece na terra, onde p - resistividade solo, j - densidade de corrente. Deixe a corrente fluir no solo estritamente simetricamente. Então os equipotenciais são hemisférios com um plano diametral na superfície da Terra. A densidade de corrente a uma distância r do tronco da árvore j(r) =,

a diferença de potencial entre pontos próximos é igual a ∆ você=. Se, por exemplo, uma pessoa está a uma distância r ≈ 1 m do centro de um tronco de árvore lateralmente a uma árvore, e a distância entre seus pés é ∆r ≈ 0,3 m, então para uma corrente de raio média EUm\u003d 30 kA, a queda de tensão na superfície do solo com p \u003d é . Essa tensão é aplicada às solas dos sapatos e, após sua inevitável quebra muito rápida - ao corpo humano. O fato de que uma pessoa sofrerá e provavelmente será morta é inquestionável - o estresse agindo sobre ela é muito grande. Note que é proporcional a ∆r. Isso significa que ficar de pé com as pernas afastadas é muito mais perigoso do que ficar em posição de sentido com os pés bem comprimidos, e deitar-se ao longo do raio de uma árvore é ainda mais perigoso, pois neste caso a distância entre os pontos extremos em contato com o solo torna-se igual à altura

pessoa. É melhor, como uma cegonha, congelar em uma perna, mas esse conselho é mais fácil de dar do que de executar. A propósito, raios atingem animais grandes com mais frequência do que humanos, também porque eles têm mais distância entre as pernas.

Se você tiver uma dacha com um pára-raios e um condutor de aterramento especial foi construído para ele, certifique-se de que durante uma tempestade não haja pessoas perto do condutor de aterramento e da descida de aterramento para ele. A situação aqui é semelhante à que acabamos de considerar.

7. Regras de conduta durante uma tempestade.

Vemos um relâmpago quase instantaneamente, porque. luz viaja a uma velocidade de 300.000 km/s. a velocidade de propagação do som no ar é de aproximadamente 344 m/s, ou seja, O som percorre 1 quilômetro em cerca de 3 segundos. assim, dividindo o tempo em segundos entre o relâmpago e o primeiro trovão que o seguiu, determinamos a distância em quilômetros até o local da trovoada.

Se esses intervalos de tempo diminuirem, uma tempestade está se aproximando e é necessário tomar medidas para se proteger contra raios. O relâmpago é perigoso quando um relâmpago de trovão se segue imediatamente, ou seja, uma nuvem de trovoada está acima de você e o perigo de ser atingido por um raio é mais provável. Suas ações antes e durante uma tempestade devem ser as seguintes:

não saia de casa, feche janelas, portas e chaminés, cuide para que não haja corrente de ar que possa atrair raios de bola.

durante uma tempestade, não aqueça o fogão, porque. a fumaça que sai da chaminé tem alta condutividade elétrica e aumenta a probabilidade de um raio atingir uma chaminé que se eleve acima do telhado;

desconecte rádios e TVs da rede, não use aparelhos elétricos e telefones (especialmente importante para áreas rurais);

durante a caminhada, esconda-se no prédio mais próximo. As tempestades são especialmente perigosas no campo. Ao procurar abrigo, opte por uma grande estrutura metálica ou com estrutura metálica, prédio residencial ou outro prédio protegido por um pára-raios; se não for possível se esconder em um prédio, não há necessidade de se esconder em pequenos galpões, sob árvores solitárias;

não estar em colinas e locais abertos desprotegidos, perto de cercas metálicas ou de malha, grandes objetos metálicos, paredes úmidas, aterramento de pára-raios;

na ausência de abrigo, deite-se no chão, dando preferência a solo arenoso seco, distante do reservatório;

se uma tempestade o pegou na floresta, você precisa se proteger em uma área atrofiada. Você não pode se esconder sob árvores altas, especialmente pinheiros, carvalhos, choupos. É melhor estar a uma distância de 30 m de uma única árvore alta. preste atenção se há árvores próximas que foram atingidas anteriormente por uma tempestade, divididas. é melhor ficar longe deste lugar neste caso. a abundância de árvores atingidas por raios indica que o solo nesta área tem uma alta condutividade elétrica, e é muito provável que ocorra um raio nesta área;

durante uma tempestade você não pode estar na água e perto da água - nadar, pescar. é necessário afastar-se da costa;

nas montanhas, afaste-se dos cumes das montanhas, penhascos e picos altos e pontiagudos. ao se aproximar de uma tempestade nas montanhas, você precisa descer o mais baixo possível. objetos de metal - ganchos de escalada, machados de gelo, potes, colete em uma mochila e abaixe em uma corda 20-30 m ladeira abaixo;

Não se exercite durante tempestades ao ar livre, não corra, porque acredita-se que o suor e o movimento rápido "atraem" os raios;

se você for pego em uma tempestade de bicicleta ou motocicleta, pare de se mover e espere a tempestade a uma distância de cerca de 30 m deles;

8. Tecnologia de energia relâmpago.

Cientistas chineses desenvolveram uma tecnologia para usar a energia do raio para fins científicos e industriais,

“O novo desenvolvimento torna possível capturar raios no ar e redirecioná-los para coletores no solo para pesquisa e uso”, disse Tse Xiushu, do Instituto de Física Atmosférica.

Para capturar raios, serão usados ​​foguetes equipados com para-raios especiais, que serão lançados no centro de uma nuvem de trovoada. O míssil YL-1 deve decolar alguns minutos antes do relâmpago.

"As verificações mostraram que a precisão dos lançamentos é de 70%", disseram os desenvolvedores do dispositivo.

A energia do relâmpago, assim como a radiação eletromagnética que produz, será usada para modificar geneticamente culturas agrícolas e produzir semicondutores.

Além disso, a nova tecnologia reduzirá significativamente os danos econômicos das tempestades, uma vez que as descargas irão para locais seguros. Segundo as estatísticas, cerca de mil pessoas morrem todos os anos devido a raios na China. Os danos econômicos causados ​​por tempestades na China chegam a 143 milhões de dólares por ano.

Os pesquisadores também estão tentando encontrar uma maneira de usar raios em energia. Segundo os cientistas, um relâmpago produz bilhões de quilowatts de eletricidade. Em todo o mundo, 100 raios ocorrem a cada segundo - esta é uma enorme fonte de eletricidade.

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Bazelyan E.M., Raiser Yu.P. Física de raios e proteção contra raios. Moscou: Fizmatlit, 2001.

As nuvens abriram suas asas e fecharam o sol de nós...

Por que às vezes ouvimos trovões e vemos relâmpagos quando chove? De onde vêm esses surtos? Agora vamos falar sobre isso em detalhes.

O que é relâmpago?

O que é relâmpago? Este é um fenômeno incrível e muito misterioso da natureza. Quase sempre acontece durante uma tempestade. Algumas pessoas ficam surpresas, outras ficam assustadas. Poetas escrevem sobre raios, cientistas estudam esse fenômeno. Mas muito permanece sem solução.

Uma coisa é certa - é uma faísca gigante. Como se um bilhão de lâmpadas explodissem! Seu comprimento é enorme - várias centenas de quilômetros! E está muito longe de nós. É por isso que primeiro a vemos e só depois a ouvimos. O trovão é a "voz" do relâmpago. Afinal, a luz chega até nós mais rápido que o som.

E há raios em outros planetas. Por exemplo, em Marte ou Vênus. O relâmpago normal dura apenas uma fração de segundo. É composto por várias categorias. O relâmpago aparece às vezes de forma bastante inesperada.

Como é formado o raio?

O relâmpago geralmente nasce em uma nuvem de tempestade, bem acima do solo. Thunderclouds aparecem quando o ar começa a ficar muito quente. É por isso que depois de uma onda de calor há tempestades incríveis. Bilhões de partículas carregadas literalmente migram para o local de onde se originam. E quando há muitos, muitos deles, eles explodem. É daí que vem o relâmpago - de uma nuvem de trovoada. Ela pode bater no chão. A terra a atrai. Mas pode quebrar na própria nuvem. Tudo depende de que tipo de raio é.

O que são relâmpagos?

Existem diferentes tipos de raios. E você precisa saber disso. Esta não é apenas uma "fita" no céu. Todas essas "fitas" são diferentes umas das outras.

O relâmpago é sempre um golpe, é sempre uma descarga entre alguma coisa. São mais de dez! Por enquanto, vamos citar apenas os mais básicos, anexando fotos de raios a eles:

• Entre a nuvem de tempestade e a terra. Estas são as próprias "fitas" a que estamos acostumados.

Entre uma árvore alta e uma nuvem. A mesma "fita", mas o golpe é direcionado na outra direção.

Fita relâmpago - quando não é uma "fita", mas várias em paralelo.

• Entre nuvem e nuvem, ou simplesmente “jogar” em uma nuvem. Este tipo de relâmpago é frequentemente visto durante tempestades. Você só precisa ter cuidado.

• Existem também relâmpagos horizontais que não tocam o solo. Eles são dotados de força colossal e são considerados os mais perigosos

• Todo mundo já ouviu falar de bola relâmpago! Poucas pessoas os viram. Há ainda menos que gostaria de vê-los. E há pessoas que não acreditam em sua existência. Mas bolas de fogo existem! Fotografar tal relâmpago é difícil. Explode rapidamente, embora possa “andar”, mas é melhor que uma pessoa ao lado dela não se mova - é perigoso. Então - não até a câmera aqui.

• Um tipo de relâmpago com um nome muito bonito - "Fogos de St. Elmo". Mas não é realmente um raio. Este é o brilho que aparece no final de uma tempestade em edifícios pontiagudos, lanternas, mastros de navios. Também uma faísca, só que não amortecida e não perigosa. As fogueiras de St. Elmo são muito bonitas.

• Os raios vulcânicos ocorrem quando um vulcão entra em erupção. O próprio vulcão já tem uma carga. Isso é provavelmente o que causa os raios.

• Sprite relâmpago é algo que você não pode ver da Terra. Eles surgem acima das nuvens e até agora poucas pessoas os estudaram. Esses relâmpagos parecem medusas.

• O relâmpago pontilhado quase não é estudado. É extremamente raro vê-lo. Visualmente, realmente parece uma linha pontilhada - como se a fita do relâmpago estivesse derretendo.

Estes são os diferentes tipos de raios. Existe apenas uma lei para eles - uma descarga elétrica.

Conclusão.

Mesmo nos tempos antigos, o relâmpago era considerado um sinal e a fúria dos deuses. Ela era um mistério antes e continua sendo agora. Não importa como eles o decomponham nos menores átomos e moléculas! E é sempre incrivelmente lindo!