Молнии. Чем они грозят?

Молнии - самое частое и опасное явление на Земле. Каждую секунду молния 100 раз бьёт в землю и 1000 раз внутри облаков. Они могут простираться на десятки километров и стать причиной пожаров. В отличие от других опасных явлений, которые локализованы в малой области (такие как цунами, вулканы и другие), люди практически нигде не застрахованы от ударов молний.

Рассмотрим для начала несколько интересных фактов и рекордов, а также новых явлений, которые связаны с молниями.

Наиболее изучены молнии, возникающие в грозовых облаках. Но они также могут возникать в вулканических извержениях, торнадо, пылевых бурях и даже при совершенно ясном небе! Кроме того, существуют молнии, которые бьют не в землю, а в космос! А группа российских учёных под руководством А.Гуревича пояснила, что молнии рождаются под действием космического излучения.

В последнее время тучи становятся массивнее и обширнее и сильнее заряжаются электричеством. От этого молнии усиливаются и становятся длиннее. Задумайтесь, всего за 10 лет, молнии стали в 2 раза длиннее и продолжительнее.

Новый рекорд длины был установлен в США 29 апреля 2020 года. Молния протянулась на 768 километров, охватив штаты Миссисипи, Луизиана и Техас.

А рекорд наиболее продолжительной одиночной вспышки молнии 17,10 секунды был зафиксирован 18 июня 2020 года во время грозы над Уругваем и северной Аргентиной.

Количество молний возрастает. В Квинсленде, Австралия 04 января 2023 за одну ночь произошло 200 000 ударов молнии, которые вызвали 16 000 отключений электроэнергии.

А рекордсменом по постоянству гроз с молниями занимает озеро Маракайбо в Венесуэле. На озере, находящемся в горной котловине, грозы развиваются в среднем 297 дней в году. Спутниковые данные показывают, что средняя частота ударов молний на площади в квадратный километр здесь может достигать нескольких десятков тысяч раз в год или около 90 молний в день. Также велика вероятность молний в Африке, с максимальной частотой во впадине Конго.

Над океаном вертикальные молнии происходят в 2-3 раза реже, чем над сушей, но они сильнее по мощности.

Появились супермолнии, мощность которых больше обычных в 1000 раз. Наблюдался удар молнии мощностью 3 ТВт, что больше мощности всех электростанций Земли. Удар супермолнии в штате Оклахома 31 мая 2012 года был похож на землетрясение — автомобильная сигнализация сработала в радиусе километра от места удара, а в некоторых домах выбило стекла.

Во время извержения вулкана Хунга Тонга в Тихом океане за 3 дня января 2022 г. зафиксировали 590 000 молний, причем 400 000 из них произошли в течение 6 часов.

В майском небе над Оклахомой в 2018 году из облака вверх в космос ударил мощнейший из когда-либо наблюдаемых учёными разряд (гигантский джет) рекордной силы - случай из ряда вон выходящий…

И сверкают молнии не всегда. Индийские учёные зарегистрировали так называемые “тёмные” молнии, которые представляют собой движение нейтронов, а не заряженных частиц.

Сейчас мы наблюдаем увеличение грозовой активности. Расширяется не только география, но и сезоны, когда наблюдаются молнии. Всё чаще появляется информация о грозах зимой или ранней весной. Апрельская гроза в 2016 году в Братске случилась впервые за 80 с лишним лет метеонаблюдений, а 10 декабря 2015 впервые за всю историю метеонаблюдений - в Новосибирске. Недавно, в январе жители Москвы стали свидетелями грозы. Такие сообщения появляются все чаще и чаще.

Учёные заметили, что происходит резкое изменение количества и физики грозовых процессов. В грозовых облаках формируются высокочастотные молниевые разряды (более 300-350 в минуту). Хотя по господствующей теории молнеобразования их не может быть более 12 в минуту. Появилось более 40 новых видов различных грозовых разрядов, которые начинаются с поверхности земли и заканчиваются в космосе. При количестве ударов больше 200 в минуту начинают формироваться потоки ультрафиолетового, рентгеновского излучения и даже гамма-импульсы.

Как образуется молния

Рассмотрим процесс развития обычной молнии, он состоит из следующих стадий:

1. Разделение и нарастание зарядов:

Формирование молний происходит, как правило, в грозовых облаках. За счёт постоянного движения воздушных масс возникает трение между частицами, и происходит отрыв электронов от молекул и атомов. Так возникают электрические заряды. Согласно исследованиям, положительный заряд распределяется в туче на высоте 6-7 км над землей, а отрицательный - на высоте 3-4 км. За счет накопления на туче большого заряда формируется разница потенциалов между грозовым облаком и землей, которая может достигать 100 млн.вольт, что в 500 000 больше напряжения тока в домашней розетки. Чем больше разность высот, тем больше напряжение электрического поля.

2. Ионизация воздуха:

Когда разность потенциалов между грозовой тучей и поверхностью Земли достигает критического значения, начинается ударная ионизация. По современным представлениям ионизация может стартовать под влиянием высокоэнергетического космического излучения, выбивающего электроны из молекул и атомов. Двигаясь в электрическом поле, заряженные частицы приобретают значительные энергии и скорости, сталкиваются с нейтральными молекулами воздуха и ионизируют их, тем самым создавая каскад из заряженных частиц, который в свою очередь формирует плазменный канал.

3. Формирование канала молнии:

От облака до земли образуется плазменный канал, представляющий нечто похожее на ионизированный проводник. Процесс его формирования ещё называют ступенчатым лидером. Ионизация неравномерна, поэтому лидер может разветвляться. Двигаясь к земле, он ищет наиболее эффективный (с минимальным электрическим сопротивлением) возможный маршрут. Он делает это, путешествуя по 50-100 метров за раз, затем останавливаясь примерно на 50 микросекунд, затем преодолевая ещё 50-100 метров. Электропроводность в зоне плазменного канала значительно больше, чем в окружающем пространстве. Такой горячий плазменный канал формируется с огромной скоростью 100–500 км/с.

Сверху спускается отрицательный лидер. К нему с земли притягиваются положительные заряды, которые скапливаются на высоких объектах. Эти положительные заряды с высоких объектов начинают формировать от Земли вверх положительный лидер. Два разнозаряженные лидера стремятся навстречу друг к другу и соединяются.

4. Прохождение тока:

Когда плазменный канал молнии полностью формируется от тучи до земли, по нему стекает заряд, возникает электрический ток. Во время разряда выделяется большое количество энергии и выбрасывается огромное количество разных частиц и электромагнитных волн различной длины - от радиоволн до рентгеновского излучения.

Температура внутри канала достигает 30 000 градусов, в то время как на поверхности Солнца она "всего" 6 000 градусов. Воздух быстро нагревается, расширяется и формирует звуковую волну, которую мы воспринимаем как гром.

Всё чаще стали встречаться восходящие молнии. Это молнии, которые идут не сверху вниз, а снизу вверх. Восходящая молния связана с очень высокими башнями и сооружениями. Молния начинается с вершины башни, и распространяется вверх, в облако. Часто восходящая молния использует ещё не остывший плазменный канал от обычной молнии, как путь с наименьшим электрическим сопротивлением. Раньше такие молнии были редчайшим явлением, но теперь их количество нарастает. Это связано с тем, что процесс нестабильности нашего ядра растёт, все больше происходит глубокофокусных землетрясений или правильнее взрывов, высвобождается огромное количество энергии, которая выходит наружу, и статическое напряжение на коре Земли, вернее на почве нашей планеты, будет нарастать.

При извержении вулканов происходит резкий выброс газов с избыточным давлением, содержащихся в извергающейся магме. В таком газе плотность изменяется скачкообразно, следовательно, наблюдается движение частиц газа и их трение. Это приводит к его ионизации и образованию молний.

Супермолнии

Часто стали появлятся сверхмощные молнии. Их выделили в отдельный класс - супермолнии или суперболты. Впервые их зафиксировали из космоса в 1970-х. Такая молния в 5 раз дольше, а мощность удара до 1000 раз сильнее обычных молний и может достигать 3 тераватт, что больше мощности всех электростанций Земли. Такие молнии случаются примерно 1 раз на 300 обычных разрядов молний.

Удар суперболта в Оклахоме 31 мая 2012 году был больше похож на землетрясение - автомобильная сигнализация сработала в радиусе километра от места удара, а в некоторых домах выбило стекла. Суперболт в штате Иллинойс спустя год оставил в земле кратер глубиной 30 см и шириной 2 м.

Интересно, что чаще они возникают не летом, а в конце зимы, не на суше, а в море. Они начинаются мегавспышками, которые тянутся на сотни километров по горизонтали. Анализ карты показывает, что существует большое скопление супермолний в районе 40-й параллели, особенно в Южной Америке и на Аравийском полуострове. Суперболты распространены в Средиземном море, северо-восточной Атлантике и в Андах.

Предполагается, что суперболты возникают в областях с высокой концентрацией влаги и аэрозолей, например, в морских районах. Эти условия способствуют образованию и накоплению электрического заряда в атмосфере, что приводит к более мощным и длительным молниям.

СУХИЕ МОЛНИИ

В 2023 году в Канаде произошли самые масштабные лесные пожары, часто они были вызваны сухими молниями. Всего за одни выходные в июле они вызвали более ста новых очагов возгорания.

Сухие молнии - это новый класс молний, которые возникают без дождя. Их количество растёт. В жаркую погоду, воздух у поверхности земли нагревается настолько, что падающие капли дождя испаряются, не достигая поверхности земли. В атмосфере накапливается статическое электричество и образуются сухие молнии.

Сухие молнии переносят положительный заряд, который сильнее в 10 раз, чем у обычных "мокрых" молний.

В чем состоит опасность сухих гроз?

Если молния ударяет во время "мокрых" гроз и вызывает возгорание, то оно быстро тушится дождём и не распространяется благодаря влажной растительности. Однако, при ударе сухой молнии большой мощности по сухой растительности, возникает очаг, который ничем не ограничивается и превращается в большой пожар.

Такие пожары характерны для США, Канады, России. В Якутии, Россия в 2 случаях из 3 причиной возгорания становятся сухие грозы. Они же наносят большой ущерб, становясь причиной пожаров в западных штатах США и Мексике.

Особую опасность представляют сухие грозы для Арктики. Пожары на землях вечной мерзлоты, вызванные ими в летний период, способствуют выделению большого количества метана и углерода. Эти вещества поддерживают горение, в результате такие пожары очень сложно остановить. Вследствие этого меняется кормовая база: северные олени и карибу, лишившиеся ягеля, уходят на юг, а на их место мигрируют «более теплолюбивые» звери. Одновременно меняется и структура леса — одни породы деревьев замещают другие и приносят с собой новые болезни. В результате Арктика постепенно разрушается.

В последнее время всё чаще людей шокируют сухие молнии, которые появляются при ясном небе. Как правило, это "положительная молния", доля которых составляет 5-10% от общего их числа. В грозовом облаке отрицательные заряды находятся в нижней части, а положительные - в верхней. Поэтому молнии чаще образуются отрицательными зарядами, которые ближе к поверхности. Но иногда, при определенных обстоятельствах (например, при сильном ветре или в конце грозы), положительно заряженный верх тучи может сместиться так, что отрицательные заряды уже не будут преграждать положительным путь к земле. И тогда положительно заряженная молния ударяет в землю, перенося весь огромный заряд, который был накоплен. Такие молнии несут гораздо больше энергии, и являются более продолжительными и яркими. В то время как отрицательная молния производит 300 миллионов вольт и 30 000 ампер, положительная молния может производить почти миллиард вольт и 300 000 ампер . Встречается реже, но и более смертоносна. Так, 26 июля 1995 года молния ударила рядом со зданием Национальной метеорологической службы в американском Мельбурне, штат Флорида. Грозовые облака в тот момент находились на расстоянии около 40 километров, а в самом Мельбурне светило солнце. Таким образом, молния родилась в грозовом облаке за 40 км от города, прошла это расстояние и ударила при солнечной погоде!

Отдельная тема - это молнии, возникающие при извержениях вулканов. Взрывные извержения создают высокоскоростные потоки газа с избыточным давлением. Газы, содержавшиеся в магме, вырываются наружу и своим движением приводят к ионизации частиц, которые становятся источниками молний. Извержение вулкана Хунга-Тонга 13-15 января 2022 года сопровождалось крупнейшими когда-либо зарегистрированными разрядами молний.

В течение 3 дней было зафиксировано 590 000 разрядов, причем 400 000 из них произошли в течение 6 часов! Таким образом в среднем ежеминутно било по 1100 молний, а в пик извержений зафиксировали 25 000 ударов за 5 минут. Это самое большое событие, связанное с молниями.

МОЛНИИ У СЕВЕРНОГО ПОЛЮСА

В 2019 году были зарегистрированы рекордные 48 ударов молнии за два дня в районе Северного полюса (в радиусе 300 морских миль от него) и около 1000 в радиусе 600 морских миль.

В районе Северного полюса молнии фиксировались до этого крайне редко, они исчислялись в среднем 1-2 ударами в год или не случались вообще. Максимальное количество не превышало 6 раз за год. Это обусловлено тем, что для образования молний необходимо взаимодействие холодного сухого воздуха с теплым и влажным. На Северном полюсе такое явление происходит крайне редко, либо не случается вообще.

Образование молний связано со столкновением тёплых влажных воздушных масс с холодным воздухом. Когда тёплый воздух из более южных широт поднимаются над охлажденным льдом воздухом приполярных широт, они иногда создают условия для образования молний. Ранее воды Северного Ледовитого океана были покрыты большей частью льдами даже в летние месяцы, и это остужало и останавливало продвижение тёплых и влажных воздушных масс дальше на север.

Но глобальное увеличение температуры, особо ощутимое в арктических широтах, ведёт к тому, что ледяной покров океана отступает и солнечное тепло, отражаемое до этого льдами, поглощается морской водой и нагревает всё сильнее. Открытое ото льда и прогретое пространство воды позволяет тёплому влажному воздуху пройти дальше к северу, и его столкновение с холодным происходит уже ближе к полюсу. Поэтому и молнии бьют около Северного полюса.

Масштабное исследование, проведённое Робертом Хольцвортом, показало, что количество ударов молний за 2010-2020 годы выше 65° широты резко возросло. И они стали фиксироваться не только в летние месяцы, но и вне их.

Доля молний, происходящих к северу от 65° северной широты, увеличилась более чем в три раза за этот период времени.

На диаграмме показано распределение молний выше 75° северной широты за эти годы. Можно заметить, что большая их часть произошла над территорией Сибири в России, с центром на Таймыре. Обратим внимание здесь на то, что смещение ядра Земли в 1995 году произошло в сторону Таймыра.

Интересно, что в районе южного полюса количество молний неизменно осталось крайне малым, а молнии южнее 65° южной широты практически не встречаются. Возможно потому, что южный полюс находится на материке, и открытие моря ото льда не происходит.

Так что же играет в этом процессе главную роль? Из диаграммы видно, что большая часть молний наблюдается над территорией России, особенно на Таймыре. В 1997 году в результате внешнего космического воздействия на планету, произошло смещение ядра Земли в сторону Таймыра. Земная кора начала нагреваться, причём неравномерно. Сейчас Сибирская Арктика нагревается в 3 раза быстрее всего остального мира. Это, безусловно, приводит к более активному формированию тёплых и влажных воздушных масс ближе к северному полюсу.

Шаровые молнии

В последнее время очевидцы все чаще наблюдают шаровые молнии или плазмоиды. Это достаточно редкое явление. Плазмоиды в большинстве случаев образовывались в грозу, но не где угодно, а в конкретных местах с повышенным электромагнитным полем. Часто это связывалось с дополнительной атмосферной энергией, которая высвобождалась привычными для нас молниями. А сейчас всё меняется. Процесс нестабильности нашего ядра нарастает, фиксируется все больше глубокофокусных землетрясений, происходящих в мантии Земли на огромных глубинах, 300-800 км. Глубокофокусные землетрясения высвобождают огромное количество энергии и заряженных частиц. Эта энергия и заряды выталкиваются к поверхности Земли, что приводит к формированию заряженной плазмы, которая и представляет собой шаровую молнию.

Темные молнии

Обычно молнии ассоциируются с яркой вспышкой света. Но так происходит не всегда. Оказывается, существуют так называемые "тёмные" молнии, то есть молнии, которые идут без излучения видимого света. Такие молнии несут нейтроны, а другой их класс - гамма-излучение.

В 1985 году индийские физики сообщили, что обнаружили во время грозы увеличение регистрируемых потоков нейтронов. С тех пор повышение уровня нейтронов в атмосфере во время гроз регистрировалось многократно. Гипотезу о появлении нейтронов в молнии в результате ядерных реакций высказал ещё в 1924 году шотландский физик и нобелевский лауреат Чарльз Вильсон.

Интенсивные гамма-вспышки от грозовых разрядов в 1991 году случайно обнаружила космическая обсерватория (НАСА). Их особенность — малая длительность (от десятков микросекунд до нескольких секунд), сопоставимая с длительностью молний. А в 2012 году был обнаружен и другой тип гамма-излучения от грозовых облаков — так называемое гамма-свечение, которое длится гораздо дольше обычных молний (рекорд — 40 минут). Позднее обнаружили, что оно может начаться более чем за минуту до удара молнии. Это позволяет полагать, что гамма-излучение не связано напрямую с разрядами обычных молний.

В 2017 году японские физики сообщили о том, что обнаружили грозовые позитроны — античастицы электронов. Годом ранее это же явление наблюдали и российские физики. Грозовое гамма-излучение может быть в 1000 раз сильнее обычного фонового излучения. Эти факты позволяют утверждать, что во время гроз формируются условия и идут самые настоящие ядерные реакции. В то время, когда по всему миру происходит усиление грозовой активности, даже страшно подумать, к каким последствиям это может привести при усилении грозовой активности.

Космические молнии

Оказывается, что кроме всем известных молний, бьющих из облака в землю, и молний между облаками, существует целый список молний, направленных вверх, в космос. Впервые их зафиксировал в 1990 году Джон Уинклер, отремонтировав высокоскоростную камеру. Дело в том, что кроме того, что разряды происходят над облаками и потому их трудно наблюдать, эти события очень скоротечны, максимум 600 мс. Многие из разрядов имеют занятные названия и, к сожалению, очень плохо изучены.

· Красные спрайты - это огромные, но слабосветящиеся красноватые вспышки, продолжительностью от 1 до 150 - 200 мс, которые возникают непосредственно над активным грозовым облаком. Они появляются после обычных положительных молний от облака к земле. Средняя высота появления спрайта составляет 50 - 90 км и доходят они до ионосферы. Средняя частота возникновения спрайтов по Земле составляет около 0,5 – 1 случай в минуту.

· Тролли - это красные пятна, возникающие после вспышки особенно мощного спрайта в нижней его части.

· Эльфы - представляют собой огромный расширяющийся красноватый диск или кольцо в ионосфере на высотах 75 - 105 км. Время существования эльфов всего 0,1 - 1 миллисекунды и за этот период диаметр светового кольца увеличивается до 500 - 700 км, поэтому для наблюдателя всё выглядит мгновенно. Обычно эльфы появляются после особенно мощного разряда молнии между облаком и землёй.

· Синие струи (джеты) и стартёры - имеют вид светящихся конусов сине-фиолетовых оттенков. Они развиваются от вершин туч на высоте 16 - 18 км и движутся вверх до высот 40 - 45 км. Время жизни синих джетов примерно в 200 - 300 миллисекунд, что гораздо дольше красных спрайтов, и они не связаны с ударами обычных молний в облаке. Синие стартёры похожи на джеты, однако намного ярче и короче их.

· Гномы и феи. Гномы - короткие почти белые разряды с верхней части тучи продолжительностью 33 – 136 мс. Феи - небольшие фиолетовые пятна свечения, с временем жизни менее 16 мс. И те, и другие не связаны с обычными молниями.

· Зелёные призраки - зеленоватое тусклое свечение, которое остается после спрайта на высоте 85 – 160 км. Плавно угасает в течение 100-200 мс.

· Гигантский джет - был описан как «гибрид синего джета и спрайта». Его верхняя часть имеет тёмнокрасный оттенок и напоминает спрайт, в то время как нижняя часть была подобна синему джету. На нём остановимся подробнее.

Гигантский джет - это один из самых мощных разрядов. Нижняя его часть имеет сине-фиолетовый цвет, а верхняя - красный. Впервые был зафиксирован в 2001 году, в то время когда простые джеты наблюдались уже с 1994. Это несмотря на то, что гигантские джеты и ярче, и длиннее, и продолжительнее. Этот вид разряда с верхней части грозового облака в космос достигает длины 70 км, что в два раза больше обычных синих джетов. Синие джеты переносят положительный заряд и развиваются в том случае, когда в верхней части грозового облака скапливается огромное количество положительного заряда. Напротив, гигантские джеты переносят отрицательный заряд, расположенный в средней области грозового облака.

А в 2018 году во время шторма над Оклахомой запечатлели самый сильный из гигантских джетов. Он устремил в атмосферу 300 кулон заряда! Нужно примерно 60 обычных молний, чтобы перенести такое же количество электрического заряда. Этот вид молний можно считать новым, появившимся в последние годы.

Почему молнии бьют рекорды?

Почему появились гигантские джеты, а молнии становятся длиннее и продолжительнее? Ледники тают и у Северного, и у Южного полюсов, а молнии наблюдаются только у Северного полюса?

На самом деле образование молний связано не только с процессами в атмосфере, но и с тем, что происходит в недрах нашей планеты.

Образование молний требует огромной энергии. В настоящее время наша планета входит в период цикла 12000 лет, во время которого ядро Земли подвергается внешнему космическому воздействию. Это приводит к получению ядром колоссальной энергии, и активизирует процессы на поверхности, такие как землетрясения, усиление штормов, ослабление магнитного поля. Все эти явления оказывают влияние на частоту, энергию и мощность молниевых разрядов.

Из-за смещения и нестабильности ядра происходит всё больше глубокофокусных землетрясений. Такие землетрясения происходят на больших глубинах 300-800 км в мантии Земли. Они высвобождают огромное количество энергии и заряженных частиц, что приводит к перераспределению зарядов, усилению ионизации воздуха и, как следствие, образованию молний.

Итак, формирование молнии зависит не только от атмосферы, но и от процессов, происходящих у нас под ногами.