В чем вред и польза молнии

Ожидая электричку, я стоял на платформе. Начал моросить мелкий дождь, и мне пришлось раскрыть зонт. Коснувшись пальцем металлической кнопки для защелки зонта, я почувствовал ощутимый укол электрическим током. Вот она, проверка законов физики на практике!  Ведь  я находился в зоне электрического поля контактного провода высокого напряжения. Мелкие капли дождя, являясь хорошим проводником электричества, создавали поток электронов через мой зонт, который служил в данном случае  мини-громоотводом. 

Что-то подобное наблюдается во время такого завораживающего, но опасного зрелища как гроза. Только здесь источником электронов служит грозовое облако, а молния – это электрический разряд. Откуда же берется электроэнергия в облаке?

Из повседневной жизни вы знаете, что вымытые, но сухие волосы невозможно нормально расчесать и уложить. Они тянутся за пластмассовой расческой, а каждая волосинка старается оттолкнуться друг от друга. Мы говорим, что волосы наэлектризовались вследствие трения о расческу.

Аналогичное действие происходит в облаке. Толщина облака может достигать нескольких километров. Его нижняя граница располагается над Землей на высоте около 1 км и состоит преимущественно из более крупных капель сконденсированной влаги. На высоте 3 – 4 км располагается слой льдинок разного размера. Они находятся в постоянном движении во взвешенном состоянии из-за восходящих потоков воздуха от теплой земли. Мелкие льдинки поднимаются в верхние слои тучи, а более крупные опускаются вниз. Сталкиваясь между собой, льдинки электризуются. При этом верхний слой тучи заряжается положительно, а нижний – отрицательно.

Итак, уже в самом облаке имеется разность потенциалов, которая может вызвать разряд. Разность потенциалов может быть и между отдельными облаками, а также между облаком и поверхностью Земли. Поэтому молнии наблюдаются внутриоблачные, межоблачные и между облаком и Землей. В каждую секунду над Землей сверкают около 2 000 молний, но только 50 – 100 из них достигают Земли.

Теория электризации тел вследствие трения возникла более 250 лет тому назад и остается на сегодня основной, так как легко доказывается примерами. При этом предполагается, что все тела заряжены, но к их поверхности «прилипают» более мелкие частицы (пыль), которые делают тела нейтральными. Трением эта пыль снимается, и тела становятся наэлектризованными. Эту теорию подтверждает и то, что молнии иногда возникают при пылевых бурях. Но как объяснить тогда электризацию льдинок в облаке, где пыли, в принципе, не так много, чтобы очищать ее трением?

Это один из примеров того, что даже сейчас, по истечении более 250 лет после доказанного Бенджамином  Франклином электрического происхождения молний, мы знаем о них не намного больше.

И еще одна загадка, которую ученым удалось разгадать (по мнению на нынешнее время). Дело в том, что напряженность электрического поля даже в большом грозовом облаке примерно в 6 раз ниже, чем требуется для пробоя в воздухе. Так почему же тогда происходит пробой? Объясняется это наличием вокруг Земли, так называемой, ионосферы. Это слой с наибольшей концентрацией ионов, расположенный на высоте 50 км. Образовался он под действием космического излучения.

При столкновении ионов с частицами воздуха происходит их ионизация, вызывая тем самым огромный поток электронов с высокой энергией, которые движутся к земле. Именно это, по мнению ученых,  создает условия для пробоя между электрическими полями и образует канал для разряда молнии.

Но загадки остаются. Так, например, почему длина молнии всегда больше нескольких сотен метров (а ведь чем тоньше непроводящий слой, тем легче его пробить), или каким образом заряды собираются молнией за короткий миг  из объема в несколько кубических километров при скорости самой молнии около одной тысячи километров в секунду? Так что, многие открытия еще впереди, они за вами.

Грозовое облако таит в себе огромное количество энергии. Одна молния при разряде может выделять от 100 до 1000 джоулей. А каждое облако может отправить несколько таких «стрел». Правда, к поверхности земли доходит незначительная часть этой энергии. В основном она превращается в тепловую, световую, звуковую и некоторые другие виды.  Но даже той части энергии, которая поглощается землей, достаточно, чтобы вызвать пожары, нарушить электроснабжение, вывести из строя электронное оборудование, повредить здания, убить человека.

Главная причина разрушительного действия молнии – высокая температура ее канала, которая достигает 30 000 градусов по Цельсию. Даже на поверхности Солнца температура ниже примерно в пять раз. Отсюда ослепительная вспышка, пожар, ударная (на расстоянии до 5 метров) и звуковая (на расстоянии более 5 метров) волна.

Итак, суммарная энергия молний на Земном шаре огромная. Одна хорошая гроза «сбрасывает» энергии примерно столько, сколько потребляют жители США за 20 минут. А если каждую секунду в мире наблюдается до 2 000 молний, то, казалось бы, что всю энергию, необходимую для жителей Земли, можно получить за счет молний.  Так ли это на самом деле?

Со времен первобытного человека мы научились использовать молнию только для получения огня, хотя в нынешнее время это превращается в бедствие. Многие ученые пытались и пытаются заставить молнию «работать на человечество». Зарегистрировано много патентов на способы и устройства для сбора и хранения энергии молний. Но практической реализации пока нет.

Можно указать на две глобальные причины отсутствия реализации задумок ученых и изобретателей:
– грозы происходят в разных местах Земли в мало предсказуемое, да еще и сезонное, время;
– продолжительность молнии составляет доли секунды с выделение огромного количества энергии; следовательно, для ее утилизации потребуются слишком дорогостоящие устройства, что делает такой процесс нерентабельным.

Нужно помнить еще и то, что только примерно  одна тридцатая  часть всех молний достигает поверхности земли, а остальная часть энергии гасится в небе. Поэтому «собирать» электрические заряды необходимо в самом облаке до появления молнии.

По такому пути идут ученые Китая. Они планируют запускать в грозовое облако специальные ракеты с громоотводами для сбора электричества. Пока не разглашается, каким образом будет утилизироваться энергия, но направлений ее использования много: от производства полупроводников и генной модификации в сельском хозяйстве до непосредственного использования  в энергетике.

Решение проблемы накопления энергии молний простым способом могло бы значительно ускорить развитие грозовой энергетики. Пока исследования направлены, главным образом, в двух направлениях:
– создание подземных резервуаров с водой, которая вскипала бы при отводе в нее молнии, с последующим использованием пара;
– отвод молнии в электролизеры и разложение воды на кислород и водород.

Все это дорогостоящие объекты с периодическим использованием. В один и тот же громоотвод, даже в местах с интенсивными грозами, молния попадает несколько десятков раз в год. Следовательно, суммарное время работы таких объектов составит несколько секунд в год. О какой их рентабельности можно говорить?  Необходимо искать другие пути.

Вы удивлены вопросу? Действительно, о какой пользе от молнии можно сейчас говорить, если практическая реализация ее энергии ожидается не в ближайшее время? И все же, если на одну чашу весов положить вред от молний, а на другую – пользу, то пока неизвестно, что перевесит.  

Установлено, что Земля имеет свое электрическое поле, которое влияет на все жизненные процессы на планете. С течением времени напряженность поля могла бы ослабевать вследствие рассеивания электронов. Для ее постоянства требуется подпитка со стороны. Выдвинута гипотеза, что такой подпитке способствуют ионы из ионосферы (слой на высоте около 50 км). Именно ионы, сталкиваясь с частицами влажного воздуха, вызывают огромный поток электронов, который вместе с разрядом молнии направляется к земле,  подпитывая тем самым ее электрическое поле. Если это действительно так, то тогда мы обязаны молниям  жизни на нашей планете, что, согласитесь, является очень весомым аргументом в их пользу.

Вред от молний тоже достаточно большой. Это обширные лесные пожары, сбои в работе энергосистем, нарушения электронной связи, прерванные полеты самолетов и даже их повреждение, гибель людей.

Каждый год ударам молний в мире подвергается более 15 000 человек, но  погибает от этого около 3 000 человек. Дело в том, что электрический разряд стекает, главным образом, по коже человека.  Хоть температура в стержне молнии очень высокая, время ее воздействия составляет доли секунды, поэтому не всегда полученные ожоги приводят к смерти. Известны случаи, когда люди оставались живы даже после нескольких попаданий молний.

Но нельзя полагаться на долю случая, необходимо всегда соблюдать правила предосторожности во время грозы.

1. Если гроза застала вас вне дома, не прячьтесь под высоким деревом, лучше укрыться в кустарнике в 15 – 20 метрах от деревьев. Молнии особенно «любят» дуб, сосну, тополь, ель.
2. Отойдите подальше от металлических мачт, больших металлических предметов.
3. Не пользуйтесь зонтом, он может вместе с вами служить громоотводом.
4. На открытом пространстве лучше найти углубленное место (канава, ложбина), присесть там на корточки и ждать окончания грозы.
5. Запрещается купаться, держитесь подальше от водоёмов.
6. Если есть возможность, укройтесь в помещении или в автомобиле.
7. При движении в автомобиле на открытом пространстве лучше остановиться и переждать грозу.
8. Не пользуйтесь мобильным телефоном.
9. В доме необходимо закрыть все окна и двери, отключить электроприборы, в том числе телевизоры, компьютеры.
10.  Не касайтесь кранов, металлических труб  водопровода и центрального отопления.