Беременность и дети

Почему бывает гроза. Как образуется гроза

Гроза — атмосферное явление, при котором внутри облаков или между облаком и земной поверхностью возникают электрические разряды — молнии, сопровождаемые громом. Как правило, гроза образуется в мощных кучево-дождевых облаках и связана с ливневым дождём, градом и шквальным усилением ветра.

Гроза относится к одним из самых опасных для человека природных явлений: по количеству зарегистрированных смертных случаев только наводнения приводят к бо́льшим людским потерям.

Гроза

Одновременно на Земле действует около полутора тысяч гроз, средняя интенсивность разрядов оценивается как 100 молний в секунду. По поверхности планеты грозы распределяются неравномерно.

Распределение грозовых разрядов по поверхности Земли

Над океаном гроз наблюдается приблизительно в десять раз меньше, чем над континентами. В тропической и экваториальной зоне (от 30° северной широты до 30° южной широты) сосредоточено около 78% всех молниевых разрядов. Максимум грозовой активности приходится на Центральную Африку. В полярных районах Арктики и Антарктики и над полюсами гроз практически не бывает. Интенсивность гроз следует за солнцем: максимум гроз приходится на лето (в средних широтах) и дневные послеполуденные часы. Минимум зарегистрированных гроз приходится на время перед восходом солнца. На грозы влияют также географические особенности местности: сильные грозовые центры находятся в горных районах Гималаев и Кордильер.

Стадии развития грозового облака

Необходимыми условиями для возникновения грозового облака является наличие условий для развития конвекции или иного механизма, создающего восходящие потоки запаса влаги, достаточного для образования осадков, и наличия структуры, в которой часть облачных частиц находится в жидком состоянии, а часть — в ледяном. Конвекция, приводящая к развитию гроз, возникает в следующих случаях:

При неравномерном нагревании приземного слоя воздуха над различной подстилающей поверхностью. Например, над водной поверхностью и сушей из-за различий в температуре воды и почвы. Над крупными городами интенсивность конвекции значительно выше, чем в окрестностях города.

При подъёме или вытеснении тёплого воздуха холодным на атмосферных фронтах. Атмосферная конвекция на атмосферных фронтах значительно интенсивнее и чаще, чем при внутримассовой конвекции. Часто фронтальная конвекция развивается одновременно со слоисто-дождевыми облаками и обложными осадками, что маскирует образующиеся кучево-дождевые облака.

При подъёме воздуха в районах горных массивов. Даже небольшие возвышенности на местности приводят к усилению образования облаков (за счёт вынужденной конвекции). Высокие горы создают особенно сложные условия для развития конвекции и почти всегда увеличивают её повторяемость и интенсивность.

Все грозовые облака, независимо от их типа, последовательно проходят стадии кучевого облака, стадию зрелого грозового облака и стадию распада.

Классификация грозовых облаков

Одно время грозы классифицировались в соответствии с тем, где они наблюдались, — например, локальные, фронтальные или орографические. В настоящее время более принято классифицировать грозы в соответствии с характеристиками самих гроз, и эти характеристики в основном зависят от метеорологического окружения, в котором развивается гроза.

Основным необходимым условием для образования грозовых облаков является состояние неустойчивости атмосферы, формирующее восходящие потоки. В зависимости от величины и мощности таких потоков формируются грозовые облака различных типов.

Одноячейковое облако

Одноячейковые кучево-дождевые облака развиваются в дни со слабым ветром в малоградиентном барическом поле. Их называют ещё внутримассовыми или локальными грозами. Они состоят из конвективной ячейки с восходящим потоком в центральной своей части. Они могут достигать грозовой и градовой интенсивности и быстро разрушаться с выпадением осадков. Размеры такого облака: поперечный — 5—20 км, вертикальный — 8—12 км, продолжительность жизни — около 30 минут, иногда — до 1 часа. Серьёзных изменений погоды после грозы не происходит.

Цикл жизни одноячейкового облака

Гроза начинается с возникновения кучевого облака хорошей погоды (Cumulus humilis). При благоприятных условиях возникшие кучевые облака быстро растут как в вертикальном, так и в горизонтальном направлении, при этом восходящие потоки находятся почти по всему объёму облака и увеличиваются от 5 м/с до 15-20 м/с. Нисходящие потоки очень слабы. Окружающий воздух активно проникает внутрь облака за счёт смешения на границе и вершине облака. Облако переходит в стадию Cumulus mediocris. Образующиеся в результате конденсации мельчайшие водяные капли в таком облаке сливаются в более крупные, которые уносятся мощными восходящими потоками вверх. Облако ещё однородное, состоит из капель воды, удерживаемых восходящим потоком, — осадки не выпадают. В верхней части облака при попадании частиц воды в зону отрицательных температур капли постепенно начинают превращаться в кристаллы льда. Облако переходит в стадию мощно-кучевого облака (Cumulus congestus). Смешанный состав облака приводит к укрупнению облачных элементов и созданию условий для выпадения осадков. Такое облако называют кучево-дождевым (Cumulonimbus) или кучево-дождевым лысым (Cumulonimbus calvus). Вертикальные потоки в нём достигают 25 м/с, а уровень вершины достигает высоты 7—8 км.

Испаряющиеся частицы осадков охлаждают окружающий воздух, что приводит к дальнейшему усилению нисходящих потоков. На стадии зрелости в облаке одновременно присутствуют и восходящие, и нисходящие воздушные потоки.

На стадии распада в облаке преобладают нисходящие потоки, которые постепенно охватывают все облако.

Многоячейковые кластерные грозы

Схема многоячейковой грозовой структуры

Это наиболее распространённый тип гроз, связанный с мезомасштабными (имеющими масштаб от 10 до 1000 км) возмущениями. Многоячейковый кластер состоит из группы грозовых ячеек, двигающихся как единое целое, хотя каждая ячейка в кластере находится на разных стадиях развития грозового облака. Грозовые ячейки, находящиеся в стадии зрелости, обычно располагаются в центральной части кластера, а распадающиеся ячейки — с подветренной стороны кластера. Они имеют поперечные размеры 20—40 км, их вершины нередко поднимаются до тропопаузы и проникают в стратосферу. Многоячейковые кластерные грозы могут давать град, ливневые дожди и относительно слабые шквальные порывы ветра. Каждая отдельная ячейка в многоячейковом кластере находится в зрелом состоянии около 20 минут; сам многоячейковый кластер может существовать в течение нескольких часов. Данный тип грозы обычно более интенсивен, чем одноячейковая гроза, но много слабее суперъячейковой грозы.

Многоячейковые линейные грозы (линии шквалов)

Многоячейковые линейные грозы представляют собой линию гроз с продолжительным, хорошо развитым фронтом порывов ветра на передней линии фронта. Линия шквалов может быть сплошной или содержать бреши. Приближающаяся многоячейковая линия выглядит как тёмная стена облаков, обычно покрывающая горизонт с западной стороны (в северном полушарии). Большое число близко расположенных восходящих/нисходящих потоков воздуха позволяет квалифицировать данный комплекс гроз как многоячеечный, хотя его грозовая структура резко отличается от многоячейковой кластерной грозы. Линии шквалов могут давать крупный град и интенсивные ливни, но больше они известны как системы, создающие сильные нисходящие потоки. Линия шквалов близка по свойствам к холодному фронту, но является локальным результатом грозовой деятельности. Часто линия шквалов возникает впереди холодного фронта. На радарных снимках эта система напоминает изогнутый лук (bow echo). Данное явление характерно для Северной Америки, на территории Европы и Европейской территории России наблюдается реже.

Суперъячейковые грозы

Вертикальная и горизонтальная структура суперъячейкового облака

Суперъячейка — наиболее высокоорганизованное грозовое облако. Суперъячейковые облака относительно редки, но представляют наибольшую угрозу для здоровья и жизни человека и его имущества. Суперъячейковое облако схоже с одноячейковым тем, что оба имеют одну зону восходящего потока. Различие состоит в том, что размер ячейки огромен: диаметр порядка 50 км, высота — 10—15 км (нередко верхняя граница проникает в стратосферу) с единой полукруглой наковальней. Скорость восходящего потока в суперъячейковом облаке значительно выше, чем в других типах грозовых облаков: до 40—60 м/с. Основной особенностью, отличающей суперъячейковое облако от облаков других типов, является наличие вращения. Вращающийся восходящий поток в суперъячейковом облаке (в радарной терминологии называемый мезоциклоном ), создаёт экстремальные по силе погодные явления, такие, как гигантский град (более 5 см в диаметре), шквальный ветер до 40 м/с и сильные разрушительные смерчи. Окружающие условия являются основным фактором в образовании суперъячейкового облака. Необходима очень сильная конвективная неустойчивость воздуха. Температура воздуха у земли (до грозы) должна быть +27…+30 и выше, но главным необходимым условием является ветер переменного направления, вызывающий вращение. Такие условия достигаются при сдвиге ветра в средней тропосфере. Осадки, образующиеся в восходящем потоке, переносятся по верхнему уровню облака сильным потоком в зону нисходящего потока. Таким образом, зоны восходящего и нисходящего потоков оказываются разделёнными в пространстве, что обеспечивает жизнь облака в течение длительного периода времени. Обычно на передней кромке суперъячейкового облака наблюдается слабый дождь. Ливневые осадки выпадают вблизи зоны восходящего потока, а наиболее сильные осадки и крупный град выпадают к северо-востоку от зоны основного восходящего потока. Наиболее опасные условия наблюдаются неподалёку от зоны основного восходящего потока (обычно смещённые к задней части грозы).

Суперселл (англ. super и cell — ячейка) — разновидность грозы, характеризующаяся наличием мезоциклона — глубокого, сильно вращающегося восходящего потока. По этой причине подобные бури иногда называют вращающимися грозами. Из четырёх видов грозы согласно западным классификациям (суперселл, скуаллайн, мультселл и синглселл) суперселлы встречаются наименее часто и могут представлять наибольшую опасность. Суперселлы часто изолированы от других гроз и могут иметь фронт размахом до 32 километров.

Суперселл на закате

Суперселлы часто подразделяют на три типа: классические; с низким уровнем осадков (LP); и с высоким уровнем осадков (HP). Суперселлы типа LP обычно образуются в более засушливом климате, таком как в высокогорных долинах США, а суперселлы типа HP более характерны для более влажного климата. Суперселлы могут наблюдаться в любой точке земного шара, если там возникнут подходящие для их образования погодные условия, но наиболее распространены они в области Великих равнин США — в районе, известном как Долина Торнадо. Также они могут наблюдаться в равнинах в Аргентине, Уругвае и на юге Бразилии.

Физические характеристики грозовых облаков

Самолётные и радарные исследования показывают, что единичная грозовая ячейка обычно достигает высоты порядка 8—10 км и живёт порядка 30 минут. Изолированная гроза обычно состоит из нескольких ячеек, находящихся в различных стадиях развития, и длится порядка часа. Крупные грозы могут достигать в диаметре десятков километров, их вершина может достигать высоты свыше 18 км, и они могут длиться много часов.

Восходящие и нисходящие потоки

Восходящие и нисходящие потоки в изолированных грозах обычно имеют диаметр от 0.5 до 2.5 км и высоту от 3 до 8 км. Иногда диаметр восходящего потока может достигать 4 км. Вблизи поверхности земли потоки обычно увеличиваются в диаметре, а скорость в них падает по сравнению с выше расположенными потоками. Характерная скорость восходящего потока лежит в диапазоне от 5 до 10 м/с и доходит до 20 м/с в верхней части крупных гроз. Исследовательские самолёты, пролетающие сквозь грозовое облако на высоте 10 000 м, регистрируют скорость восходящих потоков свыше 30 м/с. Наиболее сильные восходящие потоки наблюдаются в организованных грозах.

Шквалы

Перед августовским шквалом 2010 года в Гатчине

В некоторых грозах возникают интенсивные нисходящие воздушные потоки, создающие на поверхности земли ветер разрушительной силы. В зависимости от размера такие нисходящие потоки называются шквалами или микрошквалами. Шквал диаметром более 4 км может создавать ветер до 60 м/с. Микрошквалы имеют меньшие размеры, но создают ветер скоростью до 75 м/с. Если порождающая шквал гроза образуется из достаточно тёплого и влажного воздуха, то микрошквал будет сопровождаться интенсивным ливневым дождём. Однако, если гроза формируется из сухого воздуха, осадки во время выпадения могут испариться (испаряющиеся в воздухе полосы осадков или virga), и микрошквал будет сухим. Нисходящие воздушные потоки являются серьёзной опасностью для самолётов, особенно во время взлёта или посадки, так как они создают вблизи земли ветер с сильными внезапными изменениями скорости и направления.

Вертикальное развитие

В общем случае, активное конвективное облако будет подниматься до тех пор, пока оно не утратит плавучесть. Потеря плавучести связана с нагрузкой, создаваемой образовавшимися в облачной среде осадками, или смешением с окружающим сухим холодным воздухом, или комбинацией этих двух процессов. Рост облака также может быть остановлен слоем блокирующей инверсии, то есть слоем, где температура воздуха растёт с высотой. Обычно грозовые облака достигают высоты порядка 10 км, но иногда достигают высот более 20 км. Когда влагосодержание и нестабильность атмосферы высоки, то при благоприятном ветре облако может вырасти до тропопаузы, слоя, отделяющего тропосферу от стратосферы. Тропопауза характеризуется температурой, остающейся приблизительно постоянной с ростом высоты и известной как область высокой стабильности. Как только восходящий поток начинает приближаться к стратосфере, то довольно скоро воздух в вершине облака становится холоднее и тяжелее окружающего воздуха, и рост вершины останавливается. Высота тропопаузы зависит от широты местности и от сезона года. Она варьируется от 8 км в полярных регионах до 18 км и выше вблизи экватора.

Когда кучевое конвективное облако достигает блокирующего слоя инверсии тропопаузы, оно начинает растекаться в стороны и образует характерную для грозовых облаков «наковальню». Ветер, дующий на высоте наковальни, обычно сносит облачный материал по направлению ветра.

Турбулентность

Самолёт, пролетающий сквозь грозовое облако (залетать в кучево-дождевые облака запрещается), обычно попадает в болтанку, бросающую самолёт вверх, вниз и в стороны под действием турбулентных потоков облака. Атмосферная турбулентность создаёт ощущение дискомфорта для экипажа самолёта и пассажиров и вызывает нежелательные нагрузки на самолёт. Турбулентность измеряется разными единицами, но чаще её определяют в единицах g — ускорения свободного падения (1g = 9,8 м/с 2). Шквал в один g создаёт опасную для самолётов турбулентность. В верхней части интенсивных гроз зарегистрированы вертикальные ускорения до трёх g.

Движение гроз

Скорость и движение грозового облака зависит от направления земли, прежде всего, взаимодействием восходящего и нисходящего потоков облака с несущими воздушными потоками в средних слоях атмосферы, в которых развивается гроза. Скорость перемещения изолированной грозы обычно порядка 20 км/час, но некоторые грозы двигаются гораздо быстрее. В экстремальных ситуациях грозовое облако может двигаться со скоростями 65—80 км/час — во время прохождения активных холодных фронтов. В большинстве гроз по мере рассеивания старых грозовых ячеек последовательно возникают новые грозовые ячейки. При слабом ветре отдельная ячейка за время своей жизни может пройти совсем небольшой путь, меньше двух километров; однако в более крупных грозах новые ячейки запускаются нисходящим потоком, вытекающим из зрелой ячейки, что создаёт впечатление быстрого движения, не всегда совпадающего с направлением ветра. В больших многоячейковых грозах существует закономерность, когда новая ячейка формируется справа по направлению несущего воздушного потока в северном полушарии и слева от направления несущего потока в Южном полушарии.

Энергия

Энергия, которая приводит в действие грозу, заключена в скрытой теплоте, высвобождающейся, когда водяной пар конденсируется и образует облачные капли. На каждый грамм конденсирующейся в атмосфере воды высвобождается приблизительно 600 калорий тепла. Когда водяные капли замерзают в верхней части облака, дополнительно высвобождается ещё около 80 калорий на грамм. Высвобождающаяся скрытая тепловая энергия частично преобразуется в кинетическую энергию восходящего потока. Грубая оценка общей энергии грозы может быть сделана на основе общего количества воды, выпавшей в виде осадков из облака. Типичной является энергия порядка 100 миллионов киловатт-часов, что по приблизительной оценке эквивалентно ядерному заряду в 20 килотонн (правда, эта энергия выделяется в гораздо большем объёме пространства и за гораздо большее время). Большие многоячейковые грозы могут обладать энергией и в 10 и в 100 раз большей.

Нисходящие потоки и шквальные фронты

Шквальный фронт мощной грозы

Нисходящие потоки в грозах возникают на высотах, где температура воздуха ниже, чем температура в окружающем пространстве, и этот поток становится ещё холоднее, когда в нём начинают таять ледяные частицы осадков и испаряться облачные капли. Воздух в нисходящем потоке не только более плотный, чем окружающий воздух, но и он несёт ещё горизонтальный момент количества движения, отличающийся от окружающего воздуха. Если нисходящий поток возникает, например, на высоте 10 км, то он достигнет поверхности земли с горизонтальной скоростью, заметно большей, чем скорость ветра у земли. У земли этот воздух выносится вперёд перед грозой со скоростью, большей, чем скорость движения всего облака. Именно поэтому наблюдатель на земле ощутит приближение грозы по потоку холодного воздуха ещё до того, как грозовое облако окажется у него над головой. Распространяющийся по земле нисходящий поток образует зону глубиной от 500 метров до 2 км с отчётливым различием между холодным воздухом потока и тёплым влажным воздухом, из которого формируется гроза. Прохождение такого шквального фронта легко определяется по усилению ветра и внезапному падению температуры. За пять минут температура воздуха может понизиться на 5°C или больше. Шквал образует характерный шквальный ворот с горизонтальной осью, резким падением температуры и изменением направления ветра.

В экстремальных случаях фронт шквала, созданный нисходящим потоком, может достичь скорости, превышающей 50 м/с, и приносит разрушения домам и посевам. Более часто сильные шквалы возникают, когда организованная линия гроз развивается в условиях сильного ветра на средних высотах. При этом люди могут подумать, что эти разрушения вызваны смерчем. Если нет свидетелей, видевших характерное воронкообразное облако смерча, то причину разрушения можно определить по характеру разрушений, вызванных ветром. В смерчах разрушения имеют круговую картину, а грозовой шквал, вызванный нисходящим потоком, несёт разрушения преимущественно в одном направлении. Следом за холодным воздухом обычно начинается дождь. В некоторых случаях дождевые капли полностью испаряются во время падения, что приводит к сухой грозе. В противоположной ситуации, характерной для сильных многоячейковых и суперъячейковых гроз, идёт проливной дождь с градом, вызывающий внезапные наводнения.

Смерчи

Смерч — это сильный маломасштабный вихрь под грозовыми облаками с приблизительно вертикальной, но часто изогнутой осью. От периферии к центру смерча наблюдается перепад давления в 100—200 гПа. Скорость ветра в смерчах может превышать 100 м/с, теоретически может доходить до скорости звука. В России смерчи возникают сравнительно редко, но приносят колоссальный ущерб. Наибольшая повторяемость смерчей приходится на юг европейской части России.

Ливни

В небольших грозах пятиминутный пик интенсивных осадков может превосходить 120 мм/час, но весь остальной дождь имеет на порядок меньшую интенсивность. Средняя гроза даёт порядка 2,000 кубометров осадков, но крупная гроза может дать в десять раз больше. Большие организованные грозы, связанные с мезомасштабными конвективными системами, могут создать от 10 до 1000 миллионов кубометров осадков.

Электрическая структура грозового облака

Структура зарядов в грозовых облаках в различных регионах

Распределение и движение электрических зарядов внутри и вокруг грозового облака является сложным непрерывно меняющимся процессом. Тем не менее, можно представить обобщённую картину распределения электрических зарядов на стадии зрелости облака. Доминирует положительная дипольная структура, в которой положительный заряд находится в верхней части облака, а отрицательный заряд находится под ним внутри облака. В основании облака и под ним наблюдается нижний положительный заряд. Атмосферные ионы, двигаясь под действием электрического поля, формируют на границах облака экранирующие слои, маскирующие электрическую структуру облака от внешнего наблюдателя. Измерения показывают, что в различных географических условиях основной отрицательный заряд грозового облака расположен на высотах с температурой окружающего воздуха от −5 до −17 °C. Чем больше скорость восходящего потока в облаке, тем на большей высоте находится центр отрицательного заряда. Плотность объёмного заряда лежит в диапазоне 1-10 Кл/км³. Существует заметная доля гроз с инверсной структурой зарядов: — отрицательным зарядом в верхней части облака и положительным зарядом во внутренней части облака, а также со сложной структурой с четырьмя и более зонами объёмных зарядов разной полярности.

Механизм электризации

Для объяснения формирования электрической структуры грозового облака предлагалось много механизмов, и до сих пор эта область науки является областью активных исследований. Основная гипотеза основана на том, что если более крупные и тяжёлые облачные частицы заряжаются преимущественно отрицательно, а более лёгкие мелкие частицы несут положительный заряд, то пространственное разделение объёмных зарядов возникает за счёт того, что крупные частицы падают с большей скоростью, чем мелкие облачные компоненты. Этот механизм, в целом, согласуется с лабораторными экспериментами, которые показывают сильную передачу заряда при взаимодействии частиц ледяной крупы (крупа — пористые частицы из замёрзших водяных капелек) или града с ледяными кристаллами в присутствии переохлаждённых водяных капель. Знак и величина передаваемого при контактах заряда зависят от температуры окружающего воздуха и водности облака, но также и от размеров ледяных кристаллов, скорости столкновения и других факторов. Возможно также действие и других механизмов электризации. Когда величина накопившегося в облаке объёмного электрического заряда становится достаточно большой, между областями, заряженными противоположным знаком, происходит молниевый разряд. Разряд может произойти также между облаком и землёй, облаком и нейтральной атмосферой, облаком и ионосферой. В типичной грозе от двух третей до 100 процентов разрядов приходятся на внутриоблачные разряды, межоблачные разряды или разряды облако — воздух. Оставшаяся часть — это разряды облако-земля. В последние годы стало понятно, что молния может быть искусственно инициирована в облаке, которое в обычных условиях не переходит в грозовую стадию. В облаках, имеющих зоны электризации и создающих электрические поля, молнии могут быть инициированы горами, высотными сооружениями, самолётами или ракетами, оказавшимися в зоне сильных электрических полей.

Зарница — мгновенные вспышки света на горизонте при отдаленной грозе.

При зарницах раскатов грома не слышно из-за дальности, но можно увидеть вспышки молний, свет которых отражается от кучево-дождевых облаков (преимущественно их вершин). Явление наблюдается в тёмное время суток, преимущественно после 5-го июля, в пору сбора урожая зерновых культур, поэтому зарницу в народе приурочивали к концу лета, началу сбора урожая и иногда называют хлебозарами.

Снеговая гроза

Схема формирования снеговой грозы

Снежная гроза (также снеговая гроза) — гроза, очень редкое метеорологическое явление, бывает в мире 5-6 раз в год. Вместо ливневого дождя выпадает ливневой снег, ледяной дождь или ледяная крупа. Термин используется в основном в научно-популярной и зарубежной литературе (англ. thundersnow ). В профессиональной российской метеорологии данного термина нет: в таких случаях отмечается одновременно гроза и ливневой снег.

Случаи зимних гроз отмечаются в старинных русских летописях: грозы зимой в 1383 году (был «гром страшен очень и вихрь силен вельми»), в 1396 году (в Москве 25 декабря «…был гром, а туча от полуденной страны»), в 1447 году (в Новгороде 13 ноября «…в полночь страшный гром и молния велико зело»), в 1491 году (во Пскове 2 января слышали гром).

Вот еще недавно чистое, ясное небо затянули облака. Упали первые капли дождя. А в скором времени стихия продемонстрировала земле свою силу. Гром и молния пронзили грозовое небо. Откуда приходят подобные явления? Человечество множество веков видело в них проявление божественной силы. Сегодня мы знаем о возникновении таких явлений.

Происхождение грозовых туч

Облака появляются в небе из конденсата, поднимающегося высоко над землей, и парят в небе. Тучи же более тяжелые и большие. Они приносят с собой все "спецэффекты", присущие непогоде.

Грозовые облака отличаются от обычных наличием заряда электричества. Причем есть тучи с положительным зарядом, а есть с отрицательным.

Чтобы понять, откуда берутся гром и молния, следует подняться выше над землей. В небе, где нет препятствий для вольного полета, дуют ветра сильнее, чем на земле. Именно они провоцируют заряд в облаках.

Происхождение грома и молнии может объяснить всего одна капля воды. Она имеет положительный заряд электричества в центре и отрицательный снаружи. Ветер разбивает ее на части. Одна из них остается с отрицательным зарядом и имеет меньший вес. Более тяжелые положительно заряженные капли образуют такие же тучи.

Дождь и электричество

До того как в грозовом небе появятся гром и молния, ветер разделяет облака на положительно и отрицательно заряженные. Дождь, падающий на землю, уносит часть этого электричества с собой. Между тучей и поверхностью земли образовывается притяжение.

Отрицательный заряд тучи будет притягивать положительный на земле. Это притяжение будет располагаться равномерно на всех поверхностях, находящихся на возвышенности, и проводящих ток.

И вот дождь создает все условия для появления грома и молнии. Чем выше предмет к туче, тем легче молнии пробиться к нему.

Происхождение молнии

Погода подготовила все условия, которые помогут появиться всем ее эффектам. Она создала тучи, откуда берутся гром и молния.

Заряженная отрицательным электричеством крыша притягивает к себе положительный заряд наиболее возвышенного предмета. Его отрицательное электричество уйдет в землю.

Обе эти противоположности стремятся притянуться друг к другу. Чем больше в туче электричества, тем больше его и в самом возвышенном предмете.

Накапливаясь в туче, электричество может прорвать слой воздуха, находящийся между ней и предметом, и появится сверкающая молния, прогремит гром.

Как развивается молния

Когда бушует гроза, молния, гром сопровождают ее беспрестанно. Чаще всего искра происходит из отрицательно заряженной тучи. Она развивается постепенно.

Сначала из тучи по каналу, направленному к земле, течет небольшой поток электронов. В этом месте тучи скапливаются электроны, двигающиеся с большой скоростью. Благодаря этому электроны сталкиваются с атомами воздуха и разбивают их. Получаются отдельные ядра, а также электроны. Последние также устремляются к земле. Пока они движутся по каналу, все первичные и вторичные электроны снова расщепляют стоящие у них на пути атомы воздуха на ядра и электроны.

Весь процесс похож на лавину. Он двигается по нарастающей. Воздух разогревается, его проводимость увеличивается.

Все сильнее электричество из тучи стекается к земле со скоростью 100 км/с. В этот момент молния пробивает себе канал к земле. По этой дороге, проложенной лидером, электричество начинает течь еще быстрее. Происходит разряд, имеющий огромную силу. Достигая своего пика, разряд уменьшается. Канал, разогретый таким мощным током, светится. И в небе становится видно молнию. Протекает такой разряд недолго.

После первого разряда часто следует второй по проложенному каналу.

Как появляется гром

Гром, молния, дождь неразлучны при грозе.

Гром возникает по следующей причине. Ток в канале молнии образуется очень быстро. Воздух при этом очень нагревается. От этого он расширяется.

Это происходит так быстро, что напоминает взрыв. Такой толчок сильно сотрясает воздух. Эти колебания и приводят к появлению громкого звука. Вот откуда берутся молния и гром.

Как только электричество из тучи достигнет земли и исчезнет из канала, он очень быстро охлаждается. Сжатие воздуха также приводит к раскатам грома.

Чем больше молний прошло по каналу (их может быть до 50 штук), тем продолжительнее сотрясения воздуха. Этот звук отражается от предметов и туч, и происходит эхо.

Почему есть интервал между молнией и громом

В грозу за появлением молнии следует гром. Опоздание его от молнии происходит из-за разных скоростей их движения. Звук движется с относительно небольшой скоростью (330 м/с). Это всего в 1,5 раза быстрее движения современного "Боинга". Скорость света гораздо больше скорости звука.

Благодаря такому интервалу можно определить, как далеко от наблюдателя находятся сверкающие молнии и гром.

Например, если между молнией и громом прошло 5 с, это значит, что звук прошел 330 м 5 раз. Путем умножения легко посчитать, что молнии от наблюдателя были на расстоянии 1650 м. Если гроза проходит ближе, чем 3 км от человека, она считается близкой. Если расстояние в соответствии с появлением молнии и грома дальше, то и гроза дальняя.

Молния в цифрах

Гром и молния были изменены учеными, и результаты их исследований представлены общественности.

Было установлено, что разница потенциалов, предшествующих молнии, достигает миллиардов вольт. Сила тока при этом в момент разряда достигает 100 тыс. А.

Температура в канале разогревается до 30 тыс. градусов и превышает температуру на поверхности Солнца. От облаков до земли молния проходит со скоростью 1000 км/с (за 0,002 с).

Внутренний канал, по которому течет ток, не превышает 1 см, хотя видимый достигает 1 м.

В мире непрерывно происходит около 1800 гроз. Вероятность быть убитым молнией составляет 1:2000000 (такая же, как умереть при падении с кровати). Вероятность увидеть шаровую молнию равна 1 к 10000.

Шаровая молния

На пути изучения того, откуда гром и молния происходят в природе, самым загадочным явлением выступает шаровая молния. Эти круглые огненные разряды до конца еще не изучены.

Чаще всего форма такой молнии напоминает грушу или арбуз. Она существует до нескольких минут. Появляется в конце грозы в виде красных сгустков от 10 до 20 см в поперечнике. Наибольшая шаровая молния, сфотографированная однажды, была около 10 м в диаметре. Она издает жужжащий, шипящий звук.

Исчезнуть может тихо или с небольшим треском, оставляя запах гари и дымок.

Движение молнии не зависит от ветра. Их тянет в закрытые помещения через окна, двери и даже щели. Если соприкасаются с человеком, оставляют сильные ожоги и могут привести к летальному исходу.

До сих пор причины появления шаровой молнии были неизвестны. Однако это не является свидетельством ее мистического происхождения. В этой области ведутся исследования, которые смогут объяснить сущность такого явления.

Ознакомившись с такими явлениями, как гром и молния, можно понять механизм их возникновения. Это последовательный и довольно сложный физико-химический процесс. Он представляет собой одно из самых интересных явлений природы, которое встречается повсеместно и потому затрагивает практически каждого человека на планете. Ученые разгадали загадки практически всех видов молний и даже измеряли их. Шаровая молния на сегодняшний день выступает единственной нераскрытой тайной природы в области образования подобных явлений природы.

Май–июль в этом году практически на большей территории республики отмечены сильными ливнями, грозами и шквальными ветрами. Это еще раз свидетельствует о том, что мы живем в мире природных, техногенных, социальных и иных опасностей, часто угрожающих нашему здоровью и жизни. При этом природные явления неизбежны, так как они связаны с естественными процессами, происходящими в географической оболочке Земли.

Угроза природных явлений для жизни человека зависит от характера природных процессов и готовности человека обеспечить свою безопасность.

Гроза представляет собой бурное ненастье с дождем, громом и молниями. Она обязательно сопровождается раскатами грома и порывами ветра. Обычно можно заранее понять, что собирается гроза: солнце сильно печет, в воздухе накапливается влага, становится тихо и душно. На горизонте можно заметить скопление мощных кучево-дождевых облаков. Они быстро надвигаются и вскоре занимают все небо, которое начинает по-особенному меняться и даже чувствуется особый - предгрозовой свет. Ветер начинает дуть порывами, резко меняет направление, а затем усиливается, поднимает тучи пыли, срывает листья и ломает ветки деревьев, может сорвать покрытие крыш у домов. Затем сверху из надвинувшейся тучи обрушивается стена проливного дождя, иногда с градом. Сверкают молнии, раздаются оглушительные раскаты грома.

Гроза, прежде всего, опасна молниевым разрядом. Его прямое попадание для человека может закончиться трагически. Молнии - гигантские искры, возникающие между разнозаряженными участками грозовых облаков. Для человека молния представляет угрозу только тогда, когда соединяет небо и землю (воду). При ударе молнии опасны высокие температуры (до 30.000°С), большие значения силы тока. От молнии может возникнуть пожар, могут быть повреждены линии электропередач, погибнуть люди.

Одновременно в атмосфере Земли происходит примерно 1800 гроз, и каждую секунду возникает около 100 молний. Данные последних лет говорят о том, что от удара молнии в мире в среднем ежегодно погибают около 3000 человек, причем известны случаи одновременного поражения нескольких человек.

В природе существуют линейные и шаровые молнии

Линейная молния на равнинах, как правило, бьет из облака в землю или воду. Более опасны разряды, проскакивающие от земли в облако. Такое случается на горных вершинах, обнаженных выступах скал.

Если природа линейной молнии ясна и ее поведение предсказуемо, то природа шаровой молнии до сих пор не полностью понятна, а ее поведение не всегда находит объяснение. Такая молния образуется, когда «канал» обычной молнии распадается на отдельные участки - «чётки». Светящиеся шары голубого, зеленого, желтого или красного цветов могут просуществовать несколько секунд и взорваться от столкновения с каким-нибудь предметом.

Шаровая молния может неожиданно появиться где угодно, даже в закрытых помещениях. Были случаи ее появления из телефонной трубки, электробритвы, розетки. Очевидцы утверждают, что шаровая молния может проникнуть в помещение через узкие щели, трубы и даже замочную скважину. Размеры шаровой молнии могут быть от нескольких сантиметров до нескольких метров. Обычно она легко парит или катится над землей, иногда подскакивает. Шаровая молния может появиться и исчезнуть, не нанеся вреда человеку или помещению. А может оставить после себя дырку в двери и запах озона. Она часто взрывается. Статистика утверждает, что в 80% случаев взрывы не были опасны, тяжелые последствия возникали в 10% взрывов.

Что же делать, если началась гроза? Если она застала вас на улице, необходимо поскорее укрыться, желательно в прочном здании. Но и в помещении рекомендуется быть подальше от воды - не мыть посуду и не принимать душ. Не стоит касаться всего, что имеет контакт с внешним миром: телефона, антенны, водопроводных труб, батарей отопления, оконных рам. С приближением грозы следует отключить электроприборы, без которых можно обойтись.

Если гроза застала вас на открытом месте, помните: нельзя идти быстрым шагом, широко расставляя ноги, бежать и стоять в полный рост. Если необходимость двигаться все же существует, то делать это нужно мелкими семенящими шажками. В технике электробезопасности есть такое понятие, как напряжение шага, - это разность потенциалов (электрическое напряжение), существующая между теми точками земли, на которые мы ставим ноги. Ведь ток от ударившей молнии не просто уходит в землю - он растекается по достаточно большой площади, и даже в нескольких сотнях метров от места удара разность потенциалов между широко расставленными ногами может стать угрозой для жизни. Ток отлично проводит вода, поэтому молния, ударившая в паре километров вверх или вниз по течению реки, может мгновенно добраться до любителя экстремальных удовольствий. Если гроза застала вас в водоеме, немедленно выбирайтесь на берег и отходите подальше от воды.

Постарайтесь найти ложбинку без кустов и деревьев. В лесу встаньте под низкое дерево. Если совсем некуда спрятаться, а идти невозможно, садитесь на корточки, поместив руки между коленями, и терпеливо ждите, когда гроза закончится.

Не спешите покидать свое убежище - когда гроза начинает уходить, небесное буйство коварно. Специалисты рекомендуют подождать минут двадцать.

А еще не забывайте, пожалуйста, держаться подальше от линий электропередач и высоких одиночных деревьев, особенно, дубов и тополей. По статистике 54% попаданий молний происходит в дубы, 24 - в тополя, 10 - в ели, 6 - в сосны, а меньше всего - около 1% - в липы, клены и березы.

Почувствовав щекотание кожи, а также то, что у вас волосы поднимаются дыбом, знайте, что молния ударит поблизости от вас. Не раздумывая, бросайтесь ничком на землю - это уменьшит риск вашего поражения.

Если вы застигнуты грозой, будучи на велосипеде или мотоцикле, прекратите движение, покиньте их и переждите грозу на расстоянии примерно 30 метров от них.

Если вы едете в машине, оставайтесь в ней. Закройте окна, опустите автомобильную антенну и остановитесь.

Во время грозы не бегайте, не пользуйтесь зонтиком и немедленно отключите сотовый телефон (были случай, когда входящий звонок был причиной попадания молнии).

При встрече с шаровой молнией сохраняйте спокойствие и не двигайтесь. Не приближайтесь к ней, не касайтесь ее чем-либо, не убегайте от нее.

Если на ваших глазах в кого-то ударила молния, не бойтесь до него дотрагиваться. Заряд в теле пострадавшего не остается. У него надо сразу проверить пульс и дыхание, а также принять все меры для восстановления деятельности сердца и легких. Помогает искусственное дыхание рот в рот.

Наукой и практикой опровергнуто общепринятое мнение, что удар молнии непременно смертелен. Наоборот, 80% пострадавших выживают. Но это не значит, что надо быть беспечным. Как говорится, береженого Бог бережет. Соблюдайте вышеуказанные правила, и все будет в порядке.

Любовь Ануфриева, главный специалист отдела предупреждения ЧС ДЧС СКО

Происхождение грозовых туч

Дождь и электричество

Происхождение молнии

Как развивается молния

После первого разряда часто следует второй по проложенному каналу.

Как появляется гром

Гром, молния, дождь неразлучны при грозе.

Почему есть интервал между молнией и громом

Благодаря такому интервалу можно определить, как далеко от наблюдателя находятся сверкающие молнии и гром.

Молния в цифрах

Гром и молния были изменены учеными, и результаты их исследований представлены общественности.

Внутренний канал, по которому течет ток, не превышает 1 см, хотя видимый достигает 1 м.

Шаровая молния

Исчезнуть может тихо или с небольшим треском, оставляя запах гари и дымок.

Энергия, заключенная в обыкновенном грозовом облаке, равна силе термоядерной мегатонной бомбы.

Гроза - атмосферное явление, при котором в кучевых облаках, находящихся на высоте 7 - 15 км и состоящих из смеси капель и кристаллов, возникают многократные искровые электрические разряды - молнии, сопровождающиеся громом, ливнями, градом и усилением ветра.
Объем грозового облака достигает от сотен до нескольких тысяч км3. Масса водно-ледяных частиц при этом объеме - 106 - 107 т. Потенциальная энергия грозового облака составляет от 1013 до 1014 Дж и равна энергии термоядерной мегатонной бомбы. Электрические заряды, питающие молнии, содержат в себе от 10 до 100 К, а электрические токи, создающие эти заряды, от 10 до 100 А. Напряженность электрического поля внутри облака - 105 В/м.
Молнии, обычно линейные, длиной несколько километров, диаметром десятки сантиметров, относятся к безэлектродным разрядам, так как зарождаются в скоплении заряженных частиц, преобразуя электрическую энергию в тепловую. Особый вид молнии - шаровая. Это светящийся шар диаметром от 10 - 20 см и более, состоящий из неравновесной плазмы, появляющийся после удара линейной.
Гром - звуковое явление, вызванное колебаниями воздуха при повышении давления на пути молнии.
Град - вид осадков, состоящий из сферических частиц льда размером от 5 до 55 мм. В 1 мин. на 1 м2 земной поверхности падает от 500 до 1 000 градин плотностью 0,5 - 0,9 г/см2. Продолжительность выпадания чаще составляет 5 - 10 мин., реже - 60.

На просторах воздушного океана очень часто разыгрываются бурные и грозные явления, порождающие у людей страх еще с самых древних времен. Одно из таких явлений недаром носит название "гроза" . Человек потратил много веков, чтобы разгадать тайну этого грозного явления природы.

Гроза - атмосферное явление, при котором в мощных кучево-дождевых облаках и между облаками и землёй возникают сильные электрические разряды - молнии, сопровождающиеся громом. Как правило, при грозе выпадают интенсивные ливневые осадки, нередко град и наблюдается усиление ветра, часто до шквала.

Средняя продолжительность ливневого дождя - 25 мин., в основном, сильный дождь продолжается от 5-15 мин., затем его интенсивность ослабевает, причем гораздо медленнее, чем нарастает в начале его выпадения.

По условиям развития грозы разделяются: на внутримассовые и фронтальные. Внутримассовые грозы над материком возникают в результате местного прогревания воздуха от земной поверхности, что приводит к развитию в нём восходящих токов местной конвекции и к образованию мощных кучево-дождевых облаков. Поэтому внутримассовые грозы над сушей развиваются преимущественно в послеполуденные часы. Над морями наиболее благоприятные условия для развития конвекции наблюдаются в ночные часы, и максимум в суточном ходе приходится на 4-5 часов утра.

Фронтальные грозы возникают на фронтальных разделах, т. е. на границах между тёплыми и холодными воздушными массами и не имеют регулярного суточного хода. Над материками умеренного пояса они наиболее часты и интенсивны летом, в засушливых районах - весной и осенью. Зимние грозы возникают в исключительных случаях - при прохождении особенно резких холодных фронтов. Вообще зимняя гроза- явление очень редкое, но все же бывает. Жители г.Владивостока могли наблюдать грозу 1 января 1999 г.

Грозы на Земле распределены весьма неравномерно: в Арктике они возникают раз в несколько лет, в умеренном поясе в каждом отдельном пункте бывает несколько десятков дней с грозами. Тропики и экваториальная область являются самыми грозоопасными районами Земли, и получили название "пояс вечных гроз". Есть у них свой "полюс" - район Бютензорга на острове Ява: здесь грозы буйствуют 322 дня в году. В пустыне Сахара гроз вообще почти не бывает.

В Приморском крае сезон гроз начинается со второй половины мая и продолжается до октября. Распределение количества гроз в течение сезона по территории края неравномерно, так максимум грозовой деятельности в континентальных районах приходится на первую половину лета, а для прибрежных районов - июнь, сентябрь, что объясняется максимальным числом вторжений холодных воздушных масс с Охотского моря. Во Владивостока в июне и в сентябре отмечается 6-7 дней с грозами, а в остальные месяцы грозового сезона 1-2 дня.

Самые продолжительные грозы (июнь - июль) наблюдаются в западных районах края 7-11 часов, горных районах - 3-4 часа. В августе в континентальных районах грозовая деятельность ослабевает (1-3 раз в месяц).

В континентальных районах Приморья отмечается обычный суточный ход гроз. Максимум их наступает между 15-18 часами, минимум - между 6-12 часами. Суточный ход гроз в прибрежных районах более сложный, т.к. он определяется взаимоотношением суши и моря, так максимум наблюдается между 18-21 часами, минимум - между 6-12 часами. Во Владивостоке отмечается наличие двух максимумов: один между 15-17 часами, другой - в 23-24 часа.