Наука и фотоискусство о молниях

Еще 250 лет назад знаменитый американский ученый и общественный деятель Бенджамин Франклин установил, что молния — это электрический разряд. Но до сих пор раскрыть до конца все тайны, которые хранит молния, не удается: изучать это природное явление сложно и опасно.

1.



ВНУТРИ ТУЧИ

Грозовую тучу не спутаешь с обычным облаком. Ее мрачный, свинцовый цвет объясняется большой толщиной: нижний край такой тучи висит на расстоянии не более километра над землей, верхний же может достигать высоты 6-7 километров.
Что происходит внутри этой тучи? Водяной пар, из которого состоят облака, замерзает и существует в виде ледяных кристаллов. Восходящие потоки воздуха, идущие от нагретой земли, увлекают мелкие льдинки вверх, заставляя их все время сталкиваться с крупными, оседающими вниз.

2.



Кстати, зимой земля нагревается меньше, и в это время года, практически, не образуется мощных восходящих потоков. Поэтому зимние грозы — крайне редкое явление.

В процессе столкновений льдинки электризуются, точно так же, как это происходит при трении различных предметов один о другой, — например, расчески о волосы. Причем, мелкие льдинки приобретают заряд положительный, а крупные — отрицательный. По этой причине верхняя часть молниеобразующего облака приобретает положительный заряд, а нижняя — отрицательный. Возникает разность потенциалов в сотни тысяч вольт на каждом метре расстояния — как между облаком и землей, так и между частями облака.

3. 



РАЗВИТИЕ МОЛНИИ

Развитие молнии начинается с того, что в некотором месте облака возникает очаг с повышенной концентрацией ионов — молекул воды и, составляющих воздух, газов, от которых отняли или к которым добавили электроны.

По одним гипотезам, такой очаг ионизации получается из-за разгона в электрическом поле свободных электронов, всегда имеющихся в воздухе в небольших количествах, и соударением их с нейтральными молекулами, которые сразу же ионизируются.

По другой гипотезе, начальный толчок вызывается космическими лучами, которые все время пронизывают нашу атмосферу, ионизируя молекулы воздуха.

4. 



Ионизированный газ служит неплохим проводником электричества, поэтому через ионизированные области начинает течь ток. Дальше — больше: проходящий ток нагревает область ионизации, вызывая всё новые высокоэнергетичные частицы, которые ионизируют близлежащие области, — канал молнии очень быстро распространяется.

5.



ВСЛЕД ЗА ЛИДЕРОМ

На практике процесс развития молнии происходит в несколько стадий. Сначала передний край проводящего канала, называемый «лидером», продвигается скачками по нескольку десятков метров, каждый раз, немного меняя направление (от этого молния получается извилистой). Причем скорость продвижения «лидера» может, в отдельные моменты, достигать 50 тысяч километров за одну-единственную секунду.
В конце концов, «лидер» достигает земли или другой части облака, но это еще не главная стадия дальнейшего развития молнии. После того, как ионизированный канал, толщина которого может достигать нескольких сантиметров, оказывается «пробит», по нему с огромной скоростью — до 100 тысяч километров в секунду — устремляются заряженные частицы, это и есть сама молния.

6. 



Ток в канале составляет сотни и тысячи ампер, а температура внутри канала, при этом, достигает 25 тысяч градусов — потому молния и дает столь яркую вспышку, видимую за десятки километров. А мгновенные перепады температур, в тысячи градусов, создают сильнейшие перепады давления воздуха, распространяющиеся в виде звуковой волны — грома. Этот этап длится очень недолго — тысячные доли секунды, но энергия, которая при этом выделяется, огромна.

7.



КОНЕЧНАЯ СТАДИЯ

На конечной стадии скорость и интенсивность движения зарядов в канале снижается, но, все равно, остаются достаточно большими. Именно этот момент наиболее опасен: конечная стадия может длиться только десятые (и даже меньше) доли секунды. Такое, достаточно длительное, воздействие на предметы на земле (например, на сухие деревья) часто приводит к пожарам и разрушениям.

Причем, как правило, одним разрядом дело не ограничивается — по проторенному пути могут двинуться новые «лидеры», вызывая в том же самом месте повторные разряды, по количеству доходящих до нескольких десятков.

Несмотря на то, что человечеству известна молния с момента появления самого человека на Земле, до настоящего времени она до конца еще не изучена. Однако сила молний так велика, что они до сих пор вызывают уважение — и удивление. Колоссальные заряды накапливаются высоко в атмосфере, среди опасных турбулентных вихрей, в таких экстремальных условиях, что мы до сих пор плохо понимаем, что же там происходит и как рождается гроза.

8.

«По большому счету мы не знаем даже точного значения напряжений, при которых происходят такие пробои, не знаем детально распределения температур и скоростей ветра внутри грозового облака», — рассказала нам Карина Жильченко из НИИ ядерной физики МГУ. Наблюдения за молниями проводятся с почтительного расстояния, с земли или со спутников, а метеозонды неспособны пройти бурю насквозь, чтобы провести нужные измерения.

9. Карина Жильченко — инженер, сотрудник НИИ ядерной физики им. Скобельцына (НИИЯФ) МГУ; Владислав Оседло — кандидат физико-математических наук, замдиректора по научной работе НИИЯФ МГУ. 



Как заряд моментально собирается в жгуте диаметром пару десятков сантиметров? Как он растягивается на километры, а то и десятки километров? Что происходит при ионизации молекул атмосферы разрядом? Немалая часть наших знаний о молниях — всего лишь теория. Например, с их разрядами связывают появление коротких, но необычайно мощных гамма-вспышек и вызываемых ими потоков электронов и позитронов. Однако в воздухе эти частицы далеко не распространяются, и наблюдений, подтверждающих эту связь, пока недостаточно.

«Еще интереснее ситуация с нейтронами, — добавляет научный руководитель проекта «Гроза» Владислав Оседло. — Возможно, молния может инициировать ядерные реакции, которые сопровождаются испусканием этих частиц. Однако в атмосфере они быстро рассеиваются и до сих пор тоже не наблюдались». Чтобы впервые произвести нужные измерения, инженеры и физики НИИЯФ намерены отправить в центр грозы живого человека.
Эксперимент будет проведен с помощью планера Blaník, оснащенного кислородным оборудованием и научной аппаратурой. Его отбуксируют к воронке в сердце растущего грозового фронта, где в течение 30−40 минут держатся стабильные восходящие потоки. За это время летчик, защищенный цельнометаллическим корпусом самолета, поднимется по спирали диаметром от 250 до 1000 м на высоту около 11 км, пройдя грозу насквозь и измерив происходящее во всем объеме.

Решительный и опытный планерист уже найден: заслуженный мастер спорта Юрий Кузнецов не раз уже пробовал использовать восходящие потоки в эпицентре грозы, поднимаясь на высоту до 3 км. Готова и большая часть научных инструментов, и дело осталось за самим планером и его подготовкой. Средства на это организаторы ищут на краудфандинговой площадке Boomstarter и, чтобы привлечь внимание участников, обещают установить на самолете камеры GoPro. Если финансирование найдется, то уже в будущем году мы впервые во всех деталях рассмотрим грозу изнутри и увидим молнию в момент рождения.

Но, это, если можно так выразиться, взгляд на молнию с современной научной точки зрения.
Давайте посмотрим на молнию и с художественной точки зрения.

Молния – захватывающее и интересное  явление природы, и многие фотографы мечтают сделать красивый снимок. Представляем такие красивые фото молнии, которые углубляют взгляд на это явление природы.     

10. Попадание молнии в Эйфелеву башню.

11. Красивая молния на побережье Брунея. 

12. Гроза в Гранд-Каньоне, Аризона, США. 



13. Фото молний в Центре Феникса, Аризона. 



14. Грозовое облако в Неваде, США. 



15. Молнии в Техасе, США. 



16. Молния ударила в Си-Эн Тауэр в Торонто, Онтарио, Канада. 



17. Несколько молний одновременно в Чикаго, США. 



18. Олимпийский стадион, Афины, Греция. 



19. Красивая молния в Централ-Сити, Небраска, США. 



20. Кардифф, Новый Южный Уэльс, Австралия. 



Фотографу Джей Файн удалось запечатлеть уникальный кадр – удар молнии в Статую Свободы (Statue of Liberty), Нью-Йорк, США. 58-летний Файн не оставлял попыток сделать эту эффектную фотографию в течение последних 40 лет. В ночь с 22-го на 23 сентября 2012 года ему удалось запечатлеть попадание молнии в Статую Свободы. Файну пришлось провести несколько часов в нижнем Манхэттене в Бэттери-Парк-Сити, чтобы поймать в объектив молнию, ударяющую в знаменитую статую. Несмотря на ненастную погоду, Джей Файн продолжал снимать. Он сделал около 80 фотографий, прежде чем ему подвернулась удача и он смог запечатлеть  удар молнии  в Статую Свободы.

21. На снимке изображено  «прямое попадание»  молнии в Статую Свободы. Известно, что ежегодно в символ Америки ударяет около 600 молний.



Другая известная статуя, которая тоже регулярно страдает от молний: изваяние Христа-искупителя высотой 38 метров, расположенное на вершине горы Корковаду, на отметке 700 метров над уровнем моря (Рио-де-жанейро, Бразилия). Молнии бьют в статую регулярно. В 1999 году молния ударила в третий палец правой руки статуи, после чего  потребовалась реставрация. В связи с этим же в 2010 году была проведена реконструкция статуи, которая обошлась в 4 миллиона долларов. По сообщениям  бразильской газеты «O Globo » в 2014 году молния ударила в большой палец правой руки Христа и отбила его. 

22.



А это видео замедленной съемки молнии: