ОСТАННІЙ ПОДКАСТ
Підписуйся на найнауковішу розсилку!
І отримуй щотижневі новини науки і технологій

    Ми під'їдаємо крихти cookies за вами. Навіщо це нам?

    Читати

    Пардон за відволікалочку. Допоможи Куншт бути незалежним!

    Пардон за відволікалочку. Допоможи Куншт бути незалежним!

    Повідомлення успішно надіслано

    Для пошуку
    введіть назву запису
    Фізика — 02.11.20
    ТЕКСТ: В'ячеслав Катречко
    Ілюстрації: Каталіна Маєвська
    Ми любимо тексти без помилок. Якщо ви все ж таки щось знайшли, виділіть фрагмент і натисніть
    Ctrl+Enter.
    Миттєве ураження

    Щосекунди в поверхню землі вдаряють близько 50 блискавок. Кожний її квадратний кілометр блискавка вражає у середньому шість разів за рік. Існує ще багато дивовижних фактів про це атмосферне явище. Розповідаємо, звідки беруться блискавки та чому їхня природа досі не дає спокою вченим.

    Експерименти Франкліна

     

    Люди завжди захоплено сприймали природні явища. Наші предки у печерах ховались від грому та блискавки, вважаючи їх втіленням божественного невдоволення. Достатньо згадати давньогрецького верховного бога Зевса, що керував цією стихією, або слов’янського Перуна. Сьогодні кожен вчений знає, що атмосферні явища – це ніякий не прояв божественного втручання, а цілком конкретні фізичні ефекти.

     

    Ще у XVIII сторіччі Бенджамін Франклін (той самий лідер боротьби за незалежність США) показав, що блискавка – це звичайний електричний розряд. Втім, його все-таки важко назвати цілком звичайно: амплітуда струму під час удару блискавки сягає сотень тисяч ампер, а напруга – мільярдів вольт (у розетці, як відомо, їх лише 220 і вони розраховані на 10-16 ампер струму). Однак за своєю природою це звичайна іскра, просто гігантських розмірів і величини заряду, що робить її небезпечною як для людського життя, так і для нашої інфраструктури.

     

    Пояснити, що таке блискавка, й описати її суть намагались багато відомих вчених, як-от Міхаіл Ломоносов чи Джозеф Прістлі. Але саме Бенджамін Франклін першим провів один знаменитий дослід. Він закріпив на повітряному змії мідний стрижень, а до протилежного кінця троса, який утримував змія в повітрі, прив’язав металевий ключ. Задум був простий: якщо блискавка – це електричний розряд, то після її удару заряд попрямує по мокрому тросу, і на ключі можна буде побачити розряд.

     

    П’ятнадцятого червня 1752 року Франклін запустив змія з вікна власного будинку просто вглиб грозової хмари. Експеримент вдався. Ба більше, вчений, на відміну від безлічі своїх колег, які вивчали атмосферну електрику, здогадався убезпечити себе громовідводом і залишився живий (блискавка вбила, наприклад, фізика і викладача Львівської реальної школи Здіслава Тульє, сина відомого інженера Максиміліана Тульє).1 

     

    Цікавий випадок стався у невеличкому місті Сент-Оморе, що у Франції. Надворі був 1780 рік. Один із місцевих мешканців встановив на своєму будинку громовідвід, чим сильно налякав сусідів. Дійшло до суду, який тривав майже чотири роки і наробив багато галасу. За підсумком, сусіди програли справу, громовідвід визнали законним. Відтоді ці елементи почали масово використовувати для захисту будівель від блискавок.

     

    На початку XIX сторіччя наукова спільнота вже не сумнівалася в електричній природі явища. Відкритим залишалось лише питання механізму вироблення заряду.

     

    Чому спершу бачимо, а потім чуємо?

     

    Для виникнення блискавки потрібно, щоб у невеликому об’ємі хмари утворилось електричне поле з величиною, достатньою для створення електричного розряду. У процесі електрична енергія блискавки перетворюється на теплову, світлову та звукову. Швидкісна зйомка показала, що розряд блискавки триває лише кілька десятих часток секунди і складається з декількох ще коротших розрядів. Але людське око цього майже не помічає. А ось що ми зауважуємо з дитинства: спершу йде спалах, а потім вже – грім. Чому так? Відповідь дуже проста: швидкість світла набагато більша за швидкість звуку.

     

    А звідки береться такий яскравий спалах та грім? Для відповіді на це питання потрібно розглянути, як формується блискавка і як вона досягає землі. 

     

    По-перше, зауважимо, що електричний струм буває позитивного (носії – іони) та від’ємного (носії – електрони) заряду. Оскільки електрони значно більш рухливі за іони, у природі частіше трапляються блискавки з від’ємним зарядом. Тому природу таких блискавок вчені дослідили детальніше.

     

    Грозовий розряд розвивається у три стадії, котрі завжди йдуть послідовно. Починається блискавка з появи струмового каналу, або лідера (ведучого). Він з’являється тому, що атмосферні умови призводять до зростання напруженості електричного поля, далі виникає пробій каналу, через який починає бігти струм. Лідер має тепловий, механічний та електричний вплив на об’єкти, через які проходить. Канал лідера – це плазма, через яку біжить струм, він проростає аж до землі й пробиває проміжок між нею та хмарою. Пробивна властивість досягається великою напругою та струмом – сотні мегавольт та десятки кілоампер. Тривалість розвитку лідера – декілька мілісекунд. 

     

    Далі – головна стадія розвитку блискавки. Вона вважається і найбільш небезпечною, тому що це процес на кшталт короткого замикання. Високотемпературний плазмовий шнур замикається на землю і провокує розряд у каналі, який раніше створив лідер. На цій стадії імпульс струму протікає з тривалістю в декілька мікросекунд та амплітудою у сотні кілоампер. Швидкість його поширення близька до швидкості світла. Саме головна стадія супроводжується спалахами, яскравим світінням та гуркотом грому. Грім, своєю чергою, є наслідком коливання повітря: нагріта блискавкою хвиля стикається з холодним атмосферним повітрям. 

     

    Фінальна стадія розвитку блискавки також проходить з перенесенням заряду від хмари до землі, але зі значно меншою амплітудою та більшою тривалістю. На цьому етапі блискавка також видима. Світло йде від процесу рекомбінації та переходів електрона з більшого енергетичного рівня на менший. За менших енергій (що і маємо на цій стадії) ці процеси відбуваються більш активно.

    Найбільш протяжна блискавка зафіксована у 2012 році в Альпах, її тривалість становила рекордних 7,74 секунди.

    Від неба до землі і не тільки

     

    Ми звикли до потужних грозових розрядів від хмар до землі, але найчастіше блискавка виникає між купчасто-дощовими хмарамиКупчасто-дощові хмари – різновид хмар, основи яких перебувають на висоті 100–200 м і складаються з водяних крапель, а вершини сягають висоти 8–10 км і складаються з льодяних кристалів. Ці хмари пов’язані з грозами та наявністю нестабільності в атмосфері, утворюючись за допомогою потужних висхідних потоків.. Їхня довжина коливається між 1 та 150 кілометрами, а спровокувати виникнення може навіть літак, що пролітає поруч. До речі, над сушею шанс «зловити» блискавку набагато більший, аніж над водою, адже у повітрі багато пилу, що призводить до більш високої іонізації повітря. У природі ми інколи можемо спостерігати грозу під час вулканічних викидів, торнадо та пилових бур. 

     

    До речі, у сонячній системі, крім нашої планети, блискавки були зафіксовані на Венері, Сатурні, Урані та деяких інших космічних тілах. Чого тільки варта відома гроза, що постійно бушує на поверхні Юпітера (її розмір сягає масштабів нашої планети). Зіткнення крапель води, аміаку і частинок льоду призводять до поділу електричного заряду і електрифікації хмар, що і є причиною блискавок на Юпітері. Для Землі такі блискавки не характерні.

     

    Окрім типових блискавок хмара–земля та хмара–хмара, виокремлюють блискавки у верхніх шарах атмосфери: стратосфері, мезосфері та термосфері. Вони можуть бути спрямовані вгору, вниз або горизонтально. Віддаленість таких явищ від поверхні землі та зондів, розташованих у нижніх шарах атмосфери, не дозволяє детально дослідити їхню природу. Лише у 1989 році відкрили ельфиЕльфи – великі за розміром, але слабкі за світимістю спалахи, що мають форму конуса та досягають діаметру у 400 кілометрів. Створюються з верхньої частини грозової хмари, можуть мати тривалість від 2 до 5 мілісекунд та висоту до 100 км. та спрайтиСпрайти – явища, схожі на звичайні блискавки, що б’ють з хмари вгору; утворюються на висоті від 55 до 130 кілометрів., а шість років потому – джетиДжети – спалахи синього кольору, що мають форму трубок-конусів. Висота джетів може сягати 40-70 км, що відповідає нижній частині іоносфери, а їхня тривалість більша, ніж у ельфів.. Цікавою особливістю таких блискавок є їхня форма та забарвлення, що дуже відрізняються від тих, які ми бачимо із землі. Вони набагато яскравіші, зазвичай синього або червоного кольору, можуть простягатися аж до меж з космосом.

     

    Реальність на межі з фантастикою

     

    Окрім лінійних, внутрішньохмарних та високоатмосферних блискавок, існують і деякі інші, менш поширені види. Однією з найбільш цікавих та таємничих є кульова блискавка. Це грозові розряди у вигляді вогняних (а точніше, плазмових) куль. Це явище доволі рідкісне, тому більшість інформації про нього походить зі свідчень очевидців. Проте є і поодинокі спостереження, зафіксовані в науковій літературі.3 Схожі явища можна спостерігати і в лабораторних умовах. Наприклад, ми з колегами отримували щось на кшталт кульової блискавки при розряді над поверхнею води за атмосферних умов. Амплітуда імпульсу сягала 10-20 кВ, а ємність батареї ‒ 100 мікрофарадів (переводячи в енергію, отримаємо до 5-20 тисяч джоулів за імпульс). Тривалість цього утворення коливалась від сотень мікросекунд до декількох мілісекунд. Ми називали це явище плазмоїдом. Підтверджених теорій формування кульових блискавок немає, але наявні спостереження дозволяють зробити певні висновки. 

     

    Найчастіше кульова блискавка має форму кавуна або груші. Її тривалість – від декількох часток секунди до декількох хвилин (але в середньому – 3-5 секунд). Побачити її можна після грози у вигляді червоних кульок розміром 10-20 сантиметрів, що світяться. Світимість блискавок може бути сильною й мати чіткий контур. Очевидці розповідають, що зазвичай вона супроводжується свистячим та шиплячим звуком. Зникнення блискавки може відбуватися безшумно або з доволі помітним гулом. Після зникнення повітря поруч з нею на кілька секунд набуває специфічного запаху «димки». Поблизу землі або в закритих приміщеннях кульова блискавка пересувається зі швидкістю людини, що біжить. Але в деяких випадках вона може залишатися нерухомою до свого зникнення. 

     

    Оскільки це доволі загадкове і рідкісне явище, то довкола нього виникає багато міфів. Наприклад, розповідають, що кульові блискавки притягуються до закритих приміщень, в які вони можуть потрапляти через вікна та двері, димоходи. Проте підтверджених випадків такої поведінки кульових блискавок немає.

     

    Є свідчення спостерігачів, що бачили, як кульові блискавки осідають на провідниках, віддаючи перевагу високим точкам (ЛЕП), або пересуваються уздовж водостічних труб. Також багато описів випадків смертельного ураження людей та тварин кульовими блискавками, але підтверджень нам знайти не вдалося.

     

    Оскільки явище маловивчене, є ціла низка гіпотез виникнення кульових блискавок. Однією з найбільш достовірних можна вважати гіпотезу Пєтра Капіци, запропоновану ще у 1955 році. Згідно з нею, між хмарами і землею виникає стояча електромагнітна хвиля, і коли вона досягає критичної амплітуди, в будь-якому місці (частіше за все, ближче до землі) виникає пробій повітря, утворюється газовий розряд. В цьому випадку кульова блискавка буде наче «нанизана» на силові лінії стоячої хвилі і буде рухатися вздовж провідних поверхонь. Стояча хвиля в такому випадку мала б відповідати за енергетичне підживлення кульової блискавки. Цю гіпотезу розвивають і тепер. Зокрема науковці з Гуанчжоу розглядають запропоновану раніше модель кульової блискавки як «бульбашки» плазми, утримуваної мікрохвильовим випромінюванням, і пояснюють, як саме таке випромінювання може виникати під час удару блискавки. У своїй моделі вони пропонують пояснення для багатьох дивних характеристик кульових блискавок, про які згадують очевидці.

     

    Серед гіпотез радянських вчених цікавими є також гіпотеза Широносова та гіпотеза Смірнова. За гіпотезою Широносова, у першому наближенні кульову блискавку можна розглядати як стійку плазму, що «утримує» сама себе у власних резонансних змінних і постійних магнітних полях. Резонансна самоузгоджена модель кульової блискавки, дозволяє пояснити, як можна її отримати в умовах експерименту, так само, як і інші стійкі плазмові резонансні утворення, керовані електромагнітними полями.

     

    За гіпотезою Смірнова, ядро кульової блискавки – це переплетена комірчаста структура, щось на зразок аерогеля, яка забезпечує міцний каркас за малої ваги. Тільки нитки каркасу – це плазма, а не тверде тіло. І енергетичний запас кульової блискавки цілком ховається у величезній поверхневої енергії такої мікропористої структури.

     

    Ще одну гіпотезу, запропонував у 1960-х роках Джуліо Рубінстайн, Девід Фінкелстайн та Джеймс Пауелл. Вона розглядає кульову блискавку як різновид вогню святого Ельма, не «прив’язаного» до фізичних предметів. Її ще називають гіпотезою солітона. Солітон – це структурно стійка відокремлена хвиля, що поширюється в нелінійному середовищі і може поводитися схоже до частинок. 

     

    Базуючись на власних спостереженнях, фізик Домокос Тар зі Швейцарського федерального технологічного інституту запропонував гіпотезу, згідно з якою кульові блискавки виникають через специфічні явища аеродинамічної турбулентності поряд з ударом звичайної блискавки. Проте ті скромні експериментальні дані, які вдалося здобути у спостереженні кульової блискавки за допомогою спектрографів у Китаї в 2012 році, підтримують радше гіпотезу, що це самоспалахування кремнієвої пари, яка вивільняється від удару блискавки в ґрунт. Зафіксована спектрограма кульової блискавки справді виявила присутність кремнію та інших елементів, що зазвичай містяться в ґрунті. Ба більше, ще у 2007 році науковцям з Бразилії вдалося отримати у цей спосіб явище, схоже на кульову блискавку, в лабораторних умовах. 

     

    Мабуть, найхимернішою є гіпотеза, що більшість кульових блискавок – це галюцинації. У 2008 році шведські дослідники зауважили схожість між описами кульових блискавок і галюцинаціями, які переживають пацієнти з епілепсією, і висловили гіпотезу, що швидка зміна магнітного поля поблизу удару блискавки може викликати епілептичний приступ. У 2010 дослідники з Іннсбруку провели розрахунки, які підтверджували цю гіпотезу, але, врешті, виявилися хибними. У виправленні до статті вони пропонують інший механізм стимуляції таких видінь – від впливу безпосередньо на сітківку, проте експериментальних підтверджень цієї гіпотези поки немає. Цей довгий список – лише невелика частка усіх наявних на сьогодні гіпотез виникнення кульових блискавок, тож це загадкове явище ще довго буде розбурхувати уяву науковців.

     

    Чим небезпечні блискавки

     

    Блискавка, як і будь-який високовольтний розряд, становить серйозну небезпеку для життя людей та тварин. Згідно з офіційними даними,4 щороку від неї помирають від шести до 24 тисяч людей, а ще 240 тисяч отримують травми. Американець Рой Салліван відомий тим, що на протязі 35 років був сім раз вражений блискавкою та не зазнав серйозних проблем зі здоров’ям, і за це його навіть згадали у Книзі рекордів Гіннеса.5 Найчастіше ураження відбувається на відкритих просторах, оскільки електричний струм йде по каналу найменшого електричного опору, що відповідає найкоротшому шляху від хмари до землі.

     

    Після ураження блискавкою у потерпілих спостерігаються ті самі патологічні відхилення, що й після ураження побутовим електричним струмом. Людина непритомніє, падає, інколи в неї виникають судоми, зупиняється дихання та серцебиття. У багатьох потерпілих після ураження залишаються опіки, де струм входив і виходив із тіла. Після смертельного ураження на тілі часто залишаються деревовидні світло-рожеві або червоні смуги, що є результатом розширення капілярів у зоні контакту шкіри з блискавкою.

     

    Крім прямого ураження, блискавки небезпечні й тим, що можуть вдарити у дерева та інші об’єкти. Особливо сприйнятливим до сильних грозових розрядів є електрообладнання, що може моментально згоріти під дією високої напруги. 

     

    Як захиститися

     

    Для захисту від ураження блискавкою під час грози використовують громовідводи. Це спеціальні металеві штирі, що височіють над будівлею та слугують приманкою для блискавки. Електричний струм йде по шляху найменшого спротиву, потрапляючи спершу на гострий металевий штир, а далі спокійно стікає по заземленому контуру на землю, вирівнюючи потенціал між хмарою і землею. Додатково можуть використовувати розрядники, що під високою напругою замикають усі жили контуру на землю, тим самим відводячи небезпеку від людей та обладнання.

     

    Якщо про металеві громовідводи відомо всім, то громовідвід зі струменю рідини, що буде вистрілювати з землі у грозову хмару, видається елементом наукової фантастики. Але такий спосіб боротьби з блискавками реально розробляється. Це сольовий розчин, в який додані рідкі полімери: сіль для підвищення електропровідності, а полімер – для перешкоди розпаду струменю на окремі крапельки. Такими громовідводами планують оснастити спортивні та дитячі майданчики, де фонтан може вмикатися автоматично, коли напруженість електричного поля становитиме критично високу величину. По рідинному струменю заряд буде стікати з грозової хмари, роблячи блискавку безпечною для людей довкола. До речі, є ідеї щодо створення аналогічного типу захисту, але вже за допомогою лазера. Його струмінь буде іонізувати повітря, створюючи тим самим канал для електричного розряду вдалині від скупчення людей.  

     

    А ось що наразі успішно використовується, так це розпилення полімерного складу розчину з літака. У деяких країнах замість перенесення параду або великого свята, влада використовує цей спосіб для розвіювання грозових хмар. Щоправда, «штучне регулювання погоди» не дає стовідсоткового результату, здебільшого синоптики обмежуються прогнозом приблизно у 80%.   

     

    Блискавка – це природне явище, що завжди буде привертати увагу. А недавні відкриття блискавок у верхніх шарах атмосфери лише посилили наші здогадки, що ми не все про неї знаємо. Руйнівну силу атмосферної електрики важко недооцінити: вона вражає людей, тварин та обладнання. І хоча людство поступово намагається контролювати стихію, вона часто досі виходить переможцем.

    ТЕКСТ: В'ячеслав Катречко
    Ілюстрації: Каталіна Маєвська
    Посилання
    Статті
    Промо
    Проєкт інтелект. Воєнний сезон. Епізод 5: NFT та Україна

    Чи можна написати «Проєкт інтелект» на гривні й продати за мільйони доларів як NFT?

    Людина
    Від батька до сина: що таке генеалогія і як досліджувати свій рід

    Що таке ДНК-генеалогія і як далеко кожний з нас може просунутися у вивченні свого роду?

    Наука
    Екологічно чиста отрута: уривок з книжки «Зоологічна екскурсія супермаркетом»

    Чому краще утриматися від «дикого» промислу морепродуктів, особливо у водоймах, де цвіте вода?

    Наука
    Передумови приходу диктаторів до влади: Італія, Німеччина, РФ

    Що стало передумовами приходу диктаторів до влади на прикладі фашистської Італії, нацистської Німеччини та путінської росії? Розповідає співавтор і ведучий каналу «Історія Без Міфів» Владлен Мараєв.

    Людина
    Як кожен з нас може подякувати військовим і допомогти їм з адаптацією

    Як змінюється світосприйняття військових і що ми можемо зробити, аби висловити їм вдячність і допомогти в адаптації до мирного життя?

    Біологія
    Не тільки в історії. Який слід залишить війна в наших генах

    Як війни, голод та важкі психологічні травми залишають слід у геномі людини й чи можемо ми на це якось повпливати?