Молния: природа, виды и влияние на окружающую среду.

Молния: природное явление, вызванное электростатическими разрядами в атмосфере. Энергия, свет, гром, причины возникновения и связь с погодой и вулканами.

33 мин чтения

100%

Источник: Lightning — Wikipedia

Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.

Содержание

Введение

Феномен погоды, связанный с электростатическими разрядами

Молния – это природное явление, формирующееся в результате электростатических разрядов в атмосфере между двумя электрически заряженными областями, как внутри атмосферы, так и между атмосферой и землей, временно нейтрализующими эти заряды в почти мгновенном высвобождении энергии, в среднем от 200 мегаджоулей до 7 гигаджоулей, в зависимости от типа. Этот разряд может генерировать широкий спектр электромагнитного излучения, от тепла, создаваемого быстрым движением электронов, до ярких вспышек видимого света в виде теплового излучения. Молния вызывает гром – звук, возникающий от ударной волны, развивающейся при резком повышении давления в газах вблизи разряда. Молния часто наблюдается во время гроз, а также в других энергичных погодных системах, однако вулканическая молния может возникать и во время извержений вулканов. Молния является атмосферным электрическим явлением и вносит вклад в глобальную атмосферную электрическую цепь. Три основных типа молний различаются по месту их возникновения: внутри одного грозового облака (внутриоблачная молния), между двумя облаками (межоблачная молния) или между облаком и землей (молния, ударяющая в землю), в последнем случае она называется ударом молнии. Существует множество других наблюдаемых вариантов, включая "тепловую молнию", которую можно видеть на большом расстоянии, но не слышать; сухую молнию, способную вызывать лесные пожары; и шаровую молнию, которая редко наблюдается научными методами. На протяжении тысячелетий люди обожествляли молнию. Идиоматические выражения, связанные с молнией, такие как английское "bolt from the blue", широко распространены в разных языках. Во все времена люди восхищались зрелищностью и мощью молнии. Страх перед молнией называется астрафобией. Первая известная фотография молнии была сделана в 1847 году Томасом Мартином Истерли. Первая сохранившаяся фотография датируется 1882 годом и принадлежит Уильяму Николсону Дженнингсу, фотографу, посвятившему половину своей жизни съемке молний и доказательству их разнообразия. Растет количество данных, свидетельствующих о том, что активность молний усиливается из-за выбросов твердых частиц (одной из форм загрязнения воздуха). Однако молния также может улучшать качество воздуха и очищать атмосферу от парниковых газов, таких как метан, одновременно образуя оксиды азота и озон. Молния является основной причиной возникновения лесных пожаров, которые, в свою очередь, могут способствовать изменению климата. Для уточнения взаимосвязи между этими явлениями необходимы дальнейшие исследования.

Lightning is a natural phenomenon formed by electrostatic discharges through the atmosphere between two electrically charged regions, either both in the atmosphere or one in the atmosphere and one on the ground, temporarily neutralizing these in a near instantaneous release of an average of between 200 megajoules and 7 gigajoules of energy, depending on the type. This discharge may produce a wide range of electromagnetic radiation, from heat created by the rapid movement of electrons, to brilliant flashes of visible light in the form of black body radiation. Lightning causes thunder, a sound from the shock wave which develops as gases in the vicinity of the discharge experience a sudden increase in pressure. Lightning occurs commonly during thunderstorms as well as other types of energetic weather systems, but volcanic lightning can also occur during volcanic eruptions. Lightning is an atmospheric electrical phenomenon and contributes to the global atmospheric electrical circuit. The three main kinds of lightning are distinguished by where they occur: either inside a single thundercloud (intra cloud), between two clouds (cloud to cloud), or between a cloud and the ground (cloud to ground), in which case it is referred to as a lightning strike. Many other observational variants are recognized, including "heat lightning", which can be seen from a great distance but not heard; dry lightning, which can cause forest fires; and ball lightning, which is rarely observed scientifically. Humans have deified lightning for millennia. Idiomatic expressions derived from lightning, such as the English expression "bolt from the blue", are common across languages. At all times people have been fascinated by the sight and difference of lightning. The fear of lightning is called astraphobia. The first known photograph of lightning is from 1847, by Thomas Martin Easterly. The first surviving photograph is from 1882, by William Nicholson Jennings, a photographer who spent half his life capturing pictures of lightning and proving its diversity. There is growing evidence that lightning activity is increased by particulate emissions (a form of air pollution). However, lightning may also improve air quality and clean greenhouse gases such as methane from the atmosphere, while creating nitrogen oxide and ozone at the same time. Lightning is also the major cause of wildfire, and wildfire can contribute to climate change as well. More studies are warranted to clarify their relationship.

Электрификация

Ученые все еще изучают детали процесса зарядки, но существует общее согласие относительно некоторых основных концепций электрификации грозы. Электрификация может происходить за счет трибоэлектрического эффекта, приводящего к переносу электронов или ионов между сталкивающимися телами. Незаряженные капли воды, сталкиваясь, могут заряжаться из-за переноса заряда между ними (в виде водных ионов) в электрическом поле, характерном для грозового облака. Основная область зарядки в грозе находится в центральной части шторма, где воздух быстро поднимается вверх (восходящий поток) и температура колеблется от; см. Рисунок 1. В этой области сочетание температуры и быстрого восходящего движения воздуха создает смесь переохлажденных облачных капель (маленьких капель воды ниже точки замерзания), мелких кристаллов льда и граупеля (мягкого града). Восходящий поток поднимает переохлажденные облачные капли и очень мелкие кристаллы льда. В то же время граупель, значительно большего размера и плотности, имеет тенденцию падать или оставаться во взвешенном состоянии в поднимающемся воздухе. Различия в движении осадков приводят к столкновениям. При столкновении восходящих кристаллов льда с граупелем, кристаллы льда приобретают положительный заряд, а граупель – отрицательный; см. Рисунок 2. Восходящий поток переносит положительно заряженные кристаллы льда вверх, к вершине грозового облака. Более крупный и плотный граупель либо остается во взвешенном состоянии в средней части грозового облака, либо опускается к нижней его части. Уильям Томсон (лорд Кельвин) продемонстрировал, что разделение зарядов в воде происходит в обычных электрических полях на поверхности Земли, и разработал непрерывный прибор для измерения электрического поля, используя эти знания. Кельвин продемонстрировал физическое разделение заряда на различные области с использованием жидкой воды с помощью капли воды Кельвина. Наиболее вероятными носителями заряда считались водный ион водорода и водный ион гидроксида. Также рассматривалась возможность электрической зарядки твердого водяного льда. В качестве заряженных частиц снова рассматривались ион водорода и ион гидроксида. Электрон нестабилен в жидкой воде по отношению к иону гидроксида и растворенному водороду в масштабах времени, характерных для гроз. Носителем заряда в молнии являются преимущественно электроны в плазме. Процесс перехода от заряда в виде ионов (положительного иона водорода и отрицательного иона гидроксида), связанных с жидкой или твердой водой, к заряду в виде электронов, связанных с молнией, должен включать в себя ту или иную форму электрохимии, то есть окисление и/или восстановление химических видов. Поскольку гидроксид является основанием, а углекислый газ – кислотным газом, возможно, что заряженные водяные облака, в которых отрицательный заряд представлен в виде водного иона гидроксида, взаимодействуют с атмосферным углекислым газом, образуя водные ионы карбоната и водные ионы гидрокарбоната.

The details of the charging process are still being studied by scientists, but there is general agreement on some of the basic concepts of thunderstorm electrification. Electrification can be by the triboelectric effect leading to electron or ion transfer between colliding bodies. Uncharged, colliding water drops can become charged because of charge transfer between them (as aqueous ions) in an electric field as would exist in a thunder cloud. The main charging area in a thunderstorm occurs in the central part of the storm where air is moving upward rapidly (updraft) and temperatures range from ; see Figure 1. In that area, the combination of temperature and rapid upward air movement produces a mixture of super cooled cloud droplets (small water droplets below freezing), small ice crystals, and graupel (soft hail). The updraft carries the super cooled cloud droplets and very small ice crystals upward. At the same time, the graupel, which is considerably larger and denser, tends to fall or be suspended in the rising air. The differences in the movement of the precipitation cause collisions to occur. When the rising ice crystals collide with graupel, the ice crystals become positively charged and the graupel becomes negatively charged; see Figure 2. The updraft carries the positively charged ice crystals upward toward the top of the storm cloud. The larger and denser graupel is either suspended in the middle of the thunderstorm cloud or falls toward the lower part of the storm. William Thomson (Lord Kelvin) demonstrated that charge separation in water occurs in the usual electric fields at the Earth's surface and developed a continuous electric field measuring device using that knowledge. The physical separation of charge into different regions using liquid water was demonstrated by Kelvin with the Kelvin water dropper. The most likely charge carrying species were considered to be the aqueous hydrogen ion and the aqueous hydroxide ion. The electrical charging of solid water ice has also been considered. The charged species were again considered to be the hydrogen ion and the hydroxide ion. An electron is not stable in liquid water with respect to a hydroxide ion plus dissolved hydrogen for the time scales involved in thunder storms. The charge carrier in lightning is mainly electrons in a plasma. The process of going from charge as ions (positive hydrogen ion and negative hydroxide ion) associated with liquid water or solid water to charge as electrons associated with lightning must involve some form of electro chemistry, that is, the oxidation and/or the reduction of chemical species. As hydroxide functions as a base and carbon dioxide is an acidic gas, it is possible that charged water clouds in which the negative charge is in the form of the aqueous hydroxide ion, interact with atmospheric carbon dioxide to form aqueous carbonate ions and aqueous hydrogen carbonate ions.

Общие соображения

Типичная вспышка молнии от облака к земле завершается образованием электрически проводящего плазменного канала в воздухе высотой более чем в , от облака до поверхности земли. Фактический разряд – это заключительный этап очень сложного процесса. В пик активности обычная гроза производит три или более удара о Землю в минуту. Молния возникает преимущественно при смешении теплого воздуха с холодными воздушными массами, что приводит к атмосферным возмущениям, необходимым для поляризации атмосферы. Молния также может возникать во время пыльных бурь, лесных пожаров, торнадо, извержений вулканов и даже зимой, когда молния известна как гроза со снегом. Ураганы обычно генерируют некоторое количество молний, в основном в дождевых полосах, но также и вблизи центра.

Распространение, частота и масштабы

Молния не распределяется равномерно по Земле. На Земле частота молний составляет приблизительно 44 (± 5) раза в секунду, или почти 1,4 миллиарда вспышек в год, а средняя продолжительность составляет 0,52 секунды, состоящая из ряда гораздо более коротких вспышек (импульсов) около 60–70 микросекунд. Многие факторы влияют на частоту, распределение, силу и физические свойства типичной вспышки молнии в определенном регионе мира. К ним относятся высота над уровнем моря, широта, преобладающие ветровые потоки, относительная влажность и близость к теплым и холодным водоемам. В определенной степени пропорции внутриоблачных, облако-облачных и облако-земных молний также могут меняться в зависимости от сезона в средних широтах. Поскольку люди живут на Земле, и большая часть их имущества находится на Земле, где молния может повредить или уничтожить его, молния облако-земля (CG) является наиболее изученным и понятным из трех типов, хотя внутриоблачные (IC) и облако-облачные (CC) молнии более распространены. Относительная непредсказуемость молнии ограничивает полное объяснение того, как и почему она возникает, даже после сотен лет научных исследований. Около 70% молний происходит над сушей в тропиках, где атмосферная конвекция наиболее интенсивна. Это происходит из-за смешения теплых и холодных воздушных масс, а также различий в концентрации влаги, и обычно наблюдается на границах между ними. Теплые океанические течения, проходящие мимо более сухих континентальных массивов, такие как Гольфстрим, частично объясняют повышенную частоту молний в юго-восточных Соединенных Штатах. Поскольку крупные водоемы лишены топографических различий, которые привели бы к атмосферному смешению, молния встречается гораздо реже над мировым океаном, чем над сушей. Северный и Южный полюсы ограничены в охвате грозовыми облаками, что приводит к областям с наименьшим количеством молний. В целом, на молнии CG приходится только 25% от общего числа молний во всем мире. Поскольку основание грозового облака обычно имеет отрицательный заряд, именно там происходит большинство молний CG. Этот регион обычно находится на высоте, где происходит замерзание внутри облака. Замерзание в сочетании со столкновениями между льдом и водой, по-видимому, является критически важной частью процесса начального развития и разделения заряда. Во время столкновений, вызванных ветром, кристаллы льда, как правило, приобретают положительный заряд, в то время как более тяжелая, рыхлая смесь льда и воды (называемая граупелем) приобретает отрицательный заряд. Восходящие потоки внутри грозового облака отделяют более легкие кристаллы льда от более тяжелого граупеля, в результате чего верхняя часть облака накапливает положительный объемный заряд, а нижний уровень – отрицательный объемный заряд. Поскольку концентрированный заряд в облаке должен превышать диэлектрическую проницаемость воздуха, и это увеличивается пропорционально расстоянию между облаком и землей, доля ударов CG (по сравнению с разрядами CC или IC) увеличивается, когда облако находится ближе к земле. В тропиках, где уровень замерзания обычно выше в атмосфере, только 10% вспышек молнии являются CG. На широте Норвегии (около 60° северной широты), где уровень замерзания ниже, 50% молний – CG. Молния обычно образуется кучево-дождевыми облаками, основания которых обычно находятся над землей, а вершины достигают высоты до . Место на Земле, где молния происходит наиболее часто, – это озеро Маракайбо, где явление молний Кататумбо производит 250 ударов молнии в день. Эта активность происходит в среднем 297 дней в году. Вторая по величине плотность молний наблюдается вблизи деревни Кифука в горах восточной части Демократической Республики Конго, где высота составляет около . В среднем этот регион получает . Другие очаги молний включают Сингапур и «Лайтнинг-Аллею» в Центральной Флориде. По данным Всемирной метеорологической организации, 29 апреля 2020 года в южной части США был зафиксирован разряд молнии длиной 768 км (477,2 мили), что на шестьдесят км (37 миль) длиннее предыдущего рекорда (южная Бразилия, 31 октября 2018 года).

Lightning is not distributed evenly around Earth. On Earth, the lightning frequency is approximately 44 (± 5) times per second, or nearly 1.4 billion flashes per year and the median duration is 0.52 seconds made up from a number of much shorter flashes (strokes) of around 60 to 70 microseconds. Many factors affect the frequency, distribution, strength and physical properties of a typical lightning flash in a particular region of the world. These factors include ground elevation, latitude, prevailing wind currents, relative humidity, and proximity to warm and cold bodies of water. To a certain degree, the proportions of intra cloud, cloud to cloud, and cloud to ground lightning may also vary by season in middle latitudes. Because human beings are terrestrial and most of their possessions are on the Earth where lightning can damage or destroy them, cloud to ground (CG) lightning is the most studied and best understood of the three types, even though in cloud (IC) and cloud to cloud (CC) are more common types of lightning. Lightning's relative unpredictability limits a complete explanation of how or why it occurs, even after hundreds of years of scientific investigation. About 70% of lightning occurs over land in the tropics where atmospheric convection is the greatest. This occurs from both the mixture of warmer and colder air masses, as well as differences in moisture concentrations, and it generally happens at the boundaries between them. The flow of warm ocean currents past drier land masses, such as the Gulf Stream, partially explains the elevated frequency of lightning in the Southeast United States. Because large bodies of water lack the topographic variation that would result in atmospheric mixing, lightning is notably less frequent over the world's oceans than over land. The North and South Poles are limited in their coverage of thunderstorms and therefore result in areas with the least lightning. In general, CG lightning flashes account for only 25% of all total lightning flashes worldwide. Since the base of a thunderstorm is usually negatively charged, this is where most CG lightning originates. This region is typically at the elevation where freezing occurs within the cloud. Freezing, combined with collisions between ice and water, appears to be a critical part of the initial charge development and separation process. During wind driven collisions, ice crystals tend to develop a positive charge, while a heavier, slushy mixture of ice and water (called graupel) develops a negative charge. Updrafts within a storm cloud separate the lighter ice crystals from the heavier graupel, causing the top region of the cloud to accumulate a positive space charge while the lower level accumulates a negative space charge. Because the concentrated charge within the cloud must exceed the insulating properties of air, and this increases proportionally to the distance between the cloud and the ground, the proportion of CG strikes (versus CC or IC discharges) becomes greater when the cloud is closer to the ground. In the tropics, where the freezing level is generally higher in the atmosphere, only 10% of lightning flashes are CG. At the latitude of Norway (around 60° North latitude), where the freezing elevation is lower, 50% of lightning is CG. Lightning is usually produced by cumulonimbus clouds, which have bases that are typically above the ground and tops up to in height. The place on Earth where lightning occurs most often is over Lake Maracaibo, wherein the Catatumbo lightning phenomenon produces 250 bolts of lightning a day. This activity occurs on average, 297 days a year. The second most lightning density is near the village of Kifuka in the mountains of the eastern Democratic Republic of the Congo, where the elevation is around On average, this region receives Other lightning hotspots include Singapore and Lightning Alley in Central Florida. According to the World Meteorological Organization, on April 29, 2020, a bolt 768 km (477.2 mi) long was observed in the southern U. S.—sixty km (37 mi) longer than the previous distance record (southern Brazil, October 31, 2018).

Производство электрического поля

Когда грозовое облако движется над поверхностью Земли, на поверхности Земли под облаком индуцируется равный по величине, но противоположный по знаку электрический заряд. Величина индуцированного положительного поверхностного заряда, измеренная относительно фиксированной точки, будет небольшой при приближении грозового облака, увеличиваясь по мере приближения центра грозы и уменьшаясь по мере удаления облака. Зависимость величины индуцированного поверхностного заряда от времени можно приблизительно представить в виде кривой, близкой к нормальному распределению (колоколообразной кривой). Области с противоположными зарядами создают электрическое поле в воздухе между ними. Это электрическое поле изменяется пропорционально силе поверхностного заряда на основании грозового облака – чем больше накопленный заряд, тем сильнее электрическое поле.

Вспышки и удары

Наиболее изученной и понятной формой молнии является молния от облака к земле (CG). Хотя внутриоблачные (IC) и межоблачные (CC) вспышки более распространены, их очень сложно изучать из-за отсутствия "физических" точек для наблюдения внутри облаков. Кроме того, учитывая крайне низкую вероятность повторного и последовательного удара молнии в одну и ту же точку, научные исследования затруднены даже в районах с высокой частотой молний CG.

Начальники молний

В процессе, который недостаточно хорошо изучен, между противоположно заряженными областями в грозовом облаке создается двунаправленный канал ионизированного воздуха, называемый "лидером". Лидеры – это электрически проводящие каналы ионизированного газа, которые распространяются через или иным образом притягиваются к областям с зарядом, противоположным заряду кончика лидера. Отрицательный конец двунаправленного лидера заполняет область положительного заряда, также называемую "колодцем", внутри облака, в то время как положительный конец заполняет колодец отрицательного заряда. Лидеры часто разделяются, образуя ветви в древовидном узоре. Кроме того, отрицательные и некоторые положительные лидеры перемещаются прерывисто, в процессе, называемом "ступенчатостью". В результате, рывковое движение лидеров можно легко наблюдать в замедленных видеосъемках молний. Возможно, что один конец лидера полностью заполнит противоположно заряженный колодец, в то время как другой конец все еще активен. Когда это происходит, конец лидера, заполнивший колодец, может распространиться за пределы грозового облака и привести либо к вспышке молнии от облака к воздуху, либо к вспышке от облака к земле. В типичной вспышке молнии от облака к земле двунаправленный лидер возникает между основными отрицательными и нижними положительными областями заряда в грозовом облаке. Более слабая область положительного заряда быстро заполняется отрицательным лидером, который затем распространяется к индуктивно заряженной земле. Положительно и отрицательно заряженные лидеры движутся в противоположных направлениях: положительный – вверх внутри облака, а отрицательный – к земле. Оба ионных канала продвигаются в своих направлениях в виде серии последовательных импульсов. Каждый лидер "накапливает" ионы на своих ведущих концах, выпуская один или несколько новых лидеров, временно снова накапливая их для концентрации заряженных ионов, а затем выпуская другой лидер. Отрицательный лидер продолжает распространяться и разделяться по мере движения вниз, часто ускоряясь по мере приближения к поверхности Земли. Примерно 90% длины ионных каналов между "пулами" составляют около [укажите единицу измерения длины, если она есть в оригинале]. Установление ионного канала занимает относительно большое время (сотни миллисекунд) по сравнению с последующим разрядом, который происходит в течение нескольких десятков микросекунд. Электрический ток, необходимый для установления канала, измеряемый десятками или сотнями ампер, незначителен по сравнению с последующими токами во время фактического разряда. Механизм инициации лидера молнии недостаточно хорошо изучен. Напряженность электрического поля внутри грозового облака обычно недостаточно велика, чтобы самостоятельно инициировать этот процесс. Было предложено множество гипотез. Одна из гипотез предполагает, что ливни релятивистских электронов создаются космическими лучами, а затем ускоряются до более высоких скоростей посредством процесса, называемого "пробой по каскаду". Когда эти релятивистские электроны сталкиваются и ионизируют нейтральные молекулы воздуха, они инициируют формирование лидера. Другая гипотеза предполагает образование локально усиленных электрических полей вблизи вытянутых капель воды или кристаллов льда. Теория перколяции, особенно в случае смещенной перколяции, описывает случайные явления связности, которые приводят к эволюции связанных структур, аналогичных ударам молнии. Модель лавинного потока в последнее время подтверждается данными наблюдений, полученными LOFAR во время гроз.

In a process not well understood, a bidirectional channel of ionized air, called a "leader", is initiated between oppositely charged regions in a thundercloud. Leaders are electrically conductive channels of ionized gas that propagate through, or are otherwise attracted to, regions with a charge opposite of that of the leader tip. The negative end of the bidirectional leader fills a positive charge region, also called a well, inside the cloud while the positive end fills a negative charge well. Leaders often split, forming branches in a tree like pattern. In addition, negative and some positive leaders travel in a discontinuous fashion, in a process called "stepping". The resulting jerky movement of the leaders can be readily observed in slow motion videos of lightning flashes. It is possible for one end of the leader to fill the oppositely charged well entirely while the other end is still active. When this happens, the leader end which filled the well may propagate outside of the thundercloud and result in either a cloud to air flash or a cloud to ground flash. In a typical cloud to ground flash, a bidirectional leader initiates between the main negative and lower positive charge regions in a thundercloud. The weaker positive charge region is filled quickly by the negative leader which then propagates toward the inductively charged ground. The positively and negatively charged leaders proceed in opposite directions, positive upwards within the cloud and negative towards the earth. Both ionic channels proceed, in their respective directions, in a number of successive spurts. Each leader "pools" ions at the leading tips, shooting out one or more new leaders, momentarily pooling again to concentrate charged ions, then shooting out another leader. The negative leader continues to propagate and split as it heads downward, often speeding up as it gets closer to the Earth's surface. About 90% of ionic channel lengths between "pools" are approximately in length. The establishment of the ionic channel takes a comparatively long amount of time (hundreds of milliseconds) in comparison to the resulting discharge, which occurs within a few dozen microseconds. The electric current needed to establish the channel, measured in the tens or hundreds of amperes, is dwarfed by subsequent currents during the actual discharge. Initiation of the lightning leader is not well understood. The electric field strength within the thundercloud is not typically large enough to initiate this process by itself. Many hypotheses have been proposed. One hypothesis postulates that showers of relativistic electrons are created by cosmic rays and are then accelerated to higher velocities via a process called runaway breakdown. As these relativistic electrons collide and ionize neutral air molecules, they initiate leader formation. Another hypothesis involves locally enhanced electric fields being formed near elongated water droplets or ice crystals. Percolation theory, especially for the case of biased percolation, describes random connectivity phenomena, which produce an evolution of connected structures similar to that of lightning strikes. A streamer avalanche model has recently been favored by observational data taken by LOFAR during storms.

Вверх поток

Когда ступенчатый лидер приближается к земле, наличие зарядов противоположного знака на земле усиливает напряженность электрического поля. Электрическое поле наиболее сильно на заземленных объектах, вершины которых находятся ближе всего к основанию грозового облака, таких как деревья и высокие здания. Если напряженность электрического поля достаточно велика, из этих точек может развиться положительно заряженный ионный канал, называемый положительным или восходящим стримером. Это было впервые теоретически предсказано Хайнцем Каземиром. По мере приближения отрицательно заряженных лидеров и увеличения локальной напряженности электрического поля, заземленные объекты, уже испытывающие коронный разряд, превысят пороговое значение и сформируют восходящие стримеры.

Привязка

Как только нисходящий лидер соединяется с доступным восходящим лидером, процесс, называемый прикреплением, формирует путь с низким сопротивлением, и может произойти разряд. На фотографиях отчетливо видны не прикрепившиеся стриймеры. Неприсоединенные нисходящие лидеры также видны в разветвленной молнии, ни один из которых фактически не соединен с землей, хотя может создаваться такое впечатление. Высокоскоростные видеозаписи позволяют наблюдать процесс прикрепления в реальном времени.

Обратный ход

Как только проводящий канал замыкает воздушный промежуток между избытком отрицательного заряда в облаке и избытком положительного заряда на поверхности земли, сопротивление в канале молнии резко падает. В результате электроны быстро ускоряются в зоне, начинающейся в точке соединения, которая расширяется по всей сети лидера со скоростью до одной трети скорости света. Это и есть "обратный удар", самая яркая и заметная часть молниевого разряда. Большой электрический заряд течет по плазменному каналу от облака к земле, нейтрализуя положительный заряд земли по мере того, как электроны расходятся от точки удара в окружающую область. Этот огромный скачок тока создает большие радиальные разности потенциалов на поверхности земли. Эти разности потенциалов, называемые шаговым напряжением, приводят к большему количеству травм и смертей в группах людей или животных, чем сам удар молнии. Электричество ищет все доступные пути. Шаговое напряжение часто заставляет ток проходить через одну ногу и выходить из другой, что приводит к поражению электрическим током несчастного человека или животного, стоящего рядом с местом удара молнии. Сила тока обратного удара в среднем составляет 30 килоампер для типичной молнии типа "облако-земля" (CG) с отрицательной полярностью, часто называемой "отрицательной CG". В некоторых случаях молния типа "земля-облако" (GC) может возникать из положительно заряженной области на земле под грозовым облаком. Такие разряды обычно исходят с вершин очень высоких сооружений, таких как коммуникационные антенны. Было установлено, что скорость распространения тока обратного удара составляет около 100 000 км/с (одна треть скорости света). Массивный поток электрического тока, возникающий во время обратного удара, в сочетании с его скоростью (измеряемой в микросекундах) быстро перегревает завершенный канал лидера, формируя высокопроводящий плазменный канал. Температура ядра плазмы во время обратного удара может превышать , что вызывает излучение ярким, голубовато-белым светом. Как только поток электрического тока прекращается, канал остывает и рассеивается в течение десятков или сотен миллисекунд, часто исчезая в виде фрагментированных участков светящегося газа. Практически мгновенный нагрев во время обратного удара вызывает взрывное расширение воздуха, создавая мощную ударную волну, которую мы слышим как гром.

Once a conductive channel bridges the air gap between the negative charge excess in the cloud and the positive surface charge excess below, there is a large drop in resistance across the lightning channel. Electrons accelerate rapidly as a result in a zone beginning at the point of attachment, which expands across the entire leader network at up to one third of the speed of light. This is the "return stroke" and it is the most luminous and noticeable part of the lightning discharge. A large electric charge flows along the plasma channel, from the cloud to the ground, neutralising the positive ground charge as electrons flow away from the strike point to the surrounding area. This huge surge of current creates large radial voltage differences along the surface of the ground. Called step potentials, they are responsible for more injuries and deaths in groups of people or of other animals than the strike itself. Electricity takes every path available to it. Such step potentials will often cause current to flow through one leg and out another, electrocuting an unlucky human or animal standing near the point where the lightning strikes. The electric current of the return stroke averages 30 kiloamperes for a typical negative CG flash, often referred to as "negative CG" lightning. In some cases, a ground to cloud (GC) lightning flash may originate from a positively charged region on the ground below a storm. These discharges normally originate from the tops of very tall structures, such as communications antennas. The rate at which the return stroke current travels has been found to be around 100,000 km/s (one third of the speed of light). The massive flow of electric current occurring during the return stroke combined with the rate at which it occurs (measured in microseconds) rapidly superheats the completed leader channel, forming a highly electrically conductive plasma channel. The core temperature of the plasma during the return stroke may exceed , causing it to radiate with a brilliant, blue white color. Once the electric current stops flowing, the channel cools and dissipates over tens or hundreds of milliseconds, often disappearing as fragmented patches of glowing gas. The nearly instantaneous heating during the return stroke causes the air to expand explosively, producing a powerful shock wave which is heard as thunder.

Повторный удар .

Видеозаписи высокой скорости (изученные покадрово) показывают, что большинство отрицательных молний типа CG состоит из 3 или 4 отдельных импульсов, хотя их может быть до 30. Каждый повторный импульс разделен относительно большим интервалом времени, обычно от 40 до 50 миллисекунд, поскольку другие заряженные области в облаке разряжаются в последующих импульсах. Повторные импульсы часто вызывают заметный стробоскопический эффект. Чтобы понять, почему несколько обратных импульсов используют один и тот же канал молнии, необходимо понимать поведение положительных лидеров, которые фактически становятся типичными наземными разрядами после соединения отрицательного лидера с землей. Положительные лидеры затухают быстрее, чем отрицательные. По причинам, которые до конца не ясны, двунаправленные лидеры, как правило, возникают на концах затухших положительных лидеров, где отрицательный конец пытается повторно ионизировать сеть лидеров. Эти лидеры, также называемые лидерами обратного хода, обычно затухают вскоре после своего формирования. Когда им удается установить контакт с проводящей частью основной сети лидеров, происходит процесс, подобный обратному импульсу, и стрелочный лидер проходит по всей или части длины исходного лидера. Стрелочные лидеры, соединяющиеся с землей, являются причиной большинства последующих обратных импульсов. Каждому последующему импульсу предшествуют промежуточные стрелочные импульсы, которые имеют более быстрое время нарастания, но меньшую амплитуду, чем первоначальный обратный импульс. Каждый последующий импульс обычно использует канал разряда, пройденный предыдущим, но канал может быть смещен от своего предыдущего положения из-за смещения горячего канала ветром. Поскольку процессы обратного хода и стрелочных лидеров не происходят в отрицательных лидерах, последующие обратные импульсы очень редко используют тот же канал в положительных наземных разрядах, которые объясняются позже в статье. Это скачок напряжения, который чаще всего приводит к повреждению чувствительной электроники, электроприборов или электродвигателей. Устройства, известные как устройства защиты от импульсных перенапряжений (SPD) или подавители переходных перенапряжений (TVSS), подключенные параллельно к этим линиям, могут обнаруживать переходный нерегулярный ток от удара молнии и, изменяя свои физические свойства, направлять импульс на подключенное заземление, тем самым защищая оборудование от повреждений.

High speed videos (examined frame by frame) show that most negative CG lightning flashes are made up of 3 or 4 individual strokes, though there may be as many as 30. Each re strike is separated by a relatively large amount of time, typically 40 to 50 milliseconds, as other charged regions in the cloud are discharged in subsequent strokes. Re strikes often cause a noticeable "strobe light" effect. To understand why multiple return strokes utilize the same lightning channel, one needs to understand the behavior of positive leaders, which a typical ground flash effectively becomes following the negative leader's connection with the ground. Positive leaders decay more rapidly than negative leaders do. For reasons not well understood, bidirectional leaders tend to initiate on the tips of the decayed positive leaders in which the negative end attempts to re ionize the leader network. These leaders, also called recoil leaders, usually decay shortly after their formation. When they do manage to make contact with a conductive portion of the main leader network, a return stroke like process occurs and a dart leader travels across all or a portion of the length of the original leader. The dart leaders making connections with the ground are what cause a majority of subsequent return strokes. Each successive stroke is preceded by intermediate dart leader strokes that have a faster rise time but lower amplitude than the initial return stroke. Each subsequent stroke usually re uses the discharge channel taken by the previous one, but the channel may be offset from its previous position as wind displaces the hot channel. Since recoil and dart leader processes do not occur on negative leaders, subsequent return strokes very seldom utilize the same channel on positive ground flashes which are explained later in the article. This is the surge that, more often than not, results in the destruction of delicate electronics, electrical appliances, or electric motors. Devices known as surge protectors (SPD) or transient voltage surge suppressors (TVSS) attached in parallel with these lines can detect the lightning flash's transient irregular current, and, through alteration of its physical properties, route the spike to an attached earthing ground, thereby protecting the equipment from damage.

Типы

Три основных типа молний определяются "точкой начала" и "точкой окончания" канала вспышки. Молния внутри облака (IC) или в облаке происходит внутри единого грозового облака. Молния между облаками (CC) или межоблачная молния начинается и заканчивается между двумя различными "функциональными" грозовыми облаками. Молния из облака на землю (CG) в основном возникает в грозовом облаке и завершается на поверхности Земли, но также может происходить и в обратном направлении – от земли к облаку. Существуют различные варианты каждого типа, такие как "положительные" и "отрицательные" вспышки CG, которые обладают различными физическими характеристиками, общими для каждого из них и поддающимися измерению. Различные общепринятые названия, используемые для описания конкретного явления молнии, могут относиться к одному и тому же или к разным событиям.

Облако - земля (CG)

Молния из облака к земле (КГ) – это электрический разряд между грозовым облаком и землей. Она начинается со ступенчатого лидера, движущегося вниз от облака, который встречается с восходящим стримером от земли. КГ – наименее распространенный, но наиболее изученный тип молнии. Его легче исследовать научно, поскольку он завершается на физическом объекте, то есть на Земле, и его можно измерять наземными приборами. Из трех основных типов молнии он представляет наибольшую опасность для жизни и имущества, поскольку достигает Земли, или, как говорят, "падает" на землю. Полный разряд, называемый вспышкой, состоит из ряда процессов, таких как предварительный пробой, ступенчатые лидеры, соединяющие лидеры, обратные удары, импульсные лидеры и последующие обратные удары. Электрическая проводимость земли – будь то почва, пресная или соленая вода – может влиять на частоту разрядов молнии и, следовательно, на ее видимые характеристики.

Положительная и отрицательная молния

Молния облака к земле (CG) может быть как положительной, так и отрицательной, в зависимости от направления обычного электрического тока между облаком и землей. Большинство молний CG отрицательные, то есть отрицательный заряд передается на землю, и электроны движутся вниз по каналу молнии (обычно ток течет от земли к облаку). В положительной CG-вспышке происходит обратное: электроны движутся вверх по каналу молнии, и положительный заряд передается на землю (обычно ток течет от облака к земле). Положительная молния встречается реже отрицательной и составляет в среднем менее 5% всех ударов молнии. Существует шесть теоретических механизмов, приводящих к образованию положительной молнии. Вертикальный сдвиг ветра смещает верхнюю область положительного заряда грозового облака, обнажая ее для земли внизу. Потеря нижних областей заряда на стадии рассеивания грозы, оставляющая первичную положительную область заряда. Сложная структура областей заряда в грозовом облаке, фактически приводящая к инвертированному диполю или инвертированному триполю, в котором основная область отрицательного заряда находится над основной областью положительного заряда, а не под ней. Необычно большая нижняя область положительного заряда в грозовом облаке. Прекращение распространения протяженного отрицательного лидера от его источника, что создает новый двунаправленный лидер, положительный конец которого ударяет в землю – часто наблюдается в «паучьих» вспышках на наковальне. Начало нисходящей положительной ветви от внутриоблачной (IC) молнии. Вопреки распространенному мнению, положительные вспышки молнии не обязательно возникают из наковальни или верхней области положительного заряда и не поражают участки без дождя за пределами грозы. Это убеждение основано на устаревшей идее о том, что лидеры молнии однополярны и происходят из соответствующих областей заряда. Положительные удары молнии, как правило, гораздо интенсивнее отрицательных. Средний разряд отрицательной молнии несет электрический ток в 30 000 ампер (30 кА) и передает 15 Кл (кулонов) электрического заряда и 1 гигаджоуль энергии. Мощные разряды положительной молнии могут нести до 120 кА и 350 Кл. Средняя положительная заземляющая вспышка имеет примерно вдвое больший пиковый ток, чем типичная отрицательная вспышка, и может создавать пиковые токи до 400 кА и заряды в несколько сотен кулонов. Кроме того, положительные заземляющие вспышки с высокими пиковыми токами часто сопровождаются длительными непрерывными токами, что не наблюдается при отрицательных заземляющих вспышках. Из-за большей мощности положительные удары молнии значительно опаснее отрицательных. Положительная молния создает как более высокие пиковые токи, так и более длительные непрерывные токи, что позволяет ей нагревать поверхности до гораздо более высоких температур, увеличивая вероятность возгорания. Большие расстояния, на которые положительная молния может распространяться в чистом воздухе, объясняют, почему ее называют «молнией из голубого неба», поскольку она не дает наблюдателям никакого предупреждения. Несмотря на распространенное заблуждение, что это положительные удары молнии из-за их кажущегося происхождения из области положительного заряда, наблюдения показали, что это на самом деле отрицательные вспышки. Они начинаются как IC-вспышки внутри облака, затем отрицательный лидер выходит из облака из области положительного заряда, прежде чем распространиться через чистый воздух и ударить в землю на некотором расстоянии. Положительная молния также может вызывать восходящие молнии с вершин высоких сооружений и в значительной степени ответственна за возникновение спрайтов на высоте нескольких десятков километров над землей. Положительная молния чаще встречается в зимних штормах, например, при грозе снегом, во время сильных торнадо и на стадии рассеивания грозы. Также генерируются огромные количества радиоволн сверхнизких (ELF) и очень низких (VLF) частот.

Cloud to ground (CG) lightning is either positive or negative, as defined by the direction of the conventional electric current between cloud and ground. Most CG lightning is negative, meaning that a negative charge is transferred to ground and electrons travel downward along the lightning channel (conventionally the current flows from the ground to the cloud). The reverse happens in a positive CG flash, where electrons travel upward along the lightning channel and a positive charge is transferred to the ground (conventionally the current flows from the cloud to the ground). Positive lightning is less common than negative lightning, and on average makes up less than 5% of all lightning strikes. There are six different mechanisms theorized to result in the formation of positive lightning. Vertical wind shear displacing the upper positive charge region of a thundercloud, exposing it to the ground below. The loss of lower charge regions in the dissipating stage of a thunderstorm, leaving the primary positive charge region. A complex arrangement of charge regions in a thundercloud, effectively resulting in an inverted dipole or inverted tripole in which the main negative charge region is above the main positive charge region instead of beneath it. An unusually large lower positive charge region in the thundercloud. Cutoff of an extended negative leader from its origin which creates a new bidirectional leader in which the positive end strikes the ground, commonly seen in anvil crawler spider flashes. The initiation of a downward positive branch from an IC lightning flash. Contrary to popular belief, positive lightning flashes do not necessarily originate from the anvil or the upper positive charge region and strike a rain free area outside of the thunderstorm. This belief is based on the outdated idea that lightning leaders are unipolar and originate from their respective charge region. Positive lightning strikes tend to be much more intense than their negative counterparts. An average bolt of negative lightning carries an electric current of 30,000 amperes (30 kA), and transfers 15 C (coulombs) of electric charge and 1 gigajoule of energy. Large bolts of positive lightning can carry up to 120 kA and 350 C. The average positive ground flash has roughly double the peak current of a typical negative flash, and can produce peak currents up to 400 kA and charges of several hundred coulombs. Furthermore, positive ground flashes with high peak currents are commonly followed by long continuing currents, a correlation not seen in negative ground flashes. As a result of their greater power, positive lightning strikes are considerably more dangerous than negative strikes. Positive lightning produces both higher peak currents and longer continuing currents, making them capable of heating surfaces to much higher levels which increases the likelihood of a fire being ignited. The long distances positive lightning can propagate through clear air explains why they are known as "bolts from the blue", giving no warning to observers. Despite the popular misconception that these are positive lightning strikes due to them seemingly originating from the positive charge region, observations have shown that these are in fact negative flashes. They begin as IC flashes within the cloud, the negative leader then exits the cloud from the positive charge region before propagating through clear air and striking the ground some distance away. Positive lightning has also been shown to trigger the occurrence of upward lightning flashes from the tops of tall structures and is largely responsible for the initiation of sprites several tens of km above ground level. Positive lightning tends to occur more frequently in winter storms, as with thundersnow, during intense tornadoes and in the dissipation stage of a thunderstorm. Huge quantities of extremely low frequency (ELF) and very low frequency (VLF) radio waves are also generated.

Облако в облако (CC) и внутри облака (IC)

Разряды молнии могут происходить между областями облаков, не достигая земли. Если это происходит между двумя отдельными облаками, это называется молнией «облако-облако» (CC) или межоблачной молнией; если это происходит между областями с разным электрическим потенциалом внутри одного облака, это называется внутриоблачной молнией (IC). Внутриоблачные молнии (IC) – наиболее распространенный тип. Благодаря проводящим свойствам алюминиевого сплава, фюзеляж действует как клетка Фарадея. Современные самолеты строятся с учетом защиты от удара молнии, и пассажиры обычно даже не замечают, что это произошло.

Влияние на животных

Хотя 90% людей, пострадавших от удара молнии, выживают, животные, включая человека, могут получить серьезные повреждения внутренних органов и нервной системы.

Другие эффекты

Молния играет важную роль в круговороте азота, окисляя двухатомный азот в воздухе до нитратов, которые выпадают с дождем и могут способствовать росту растений и других организмов.

Гром

Поскольку электростатический разряд земной молнии мгновенно нагревает воздух до температуры плазмы вдоль канала разряда, кинетическая теория предсказывает, что газообразные молекулы испытывают резкое увеличение давления и, следовательно, расширяются от молнии, создавая ударную волну, воспринимаемую как гром. Поскольку звуковые волны распространяются не от единичного точечного источника, а вдоль всего пути молнии, переменное расстояние от источника звука до наблюдателя может создавать эффект раскатов или грохота. Восприятие звуковых характеристик дополнительно усложняется нерегулярной и, возможно, разветвленной геометрией канала молнии, акустическим эхом от рельефа местности и, как правило, многократностью разрядов при ударе молнии. Свет распространяется со скоростью примерно , а звук в воздухе – примерно . Наблюдатель может приблизительно оценить расстояние до разряда, измеряя интервал времени между видимой молнией и последующим громом. Молния, опережающая гром на одну секунду, находится на расстоянии примерно ; задержка в три секунды указывает на расстояние около (3 × 343 м). Молния, опережающая гром на пять секунд, находится на расстоянии приблизительно (5 × 343 м). Следовательно, удар молнии, наблюдаемый на близком расстоянии, сопровождается резким раскатом грома, практически без ощутимой задержки, и, возможно, запахом озона (O3). Молния, находящаяся на значительном расстоянии, может быть видна, но не слышна; имеются данные, что грозовой фронт можно наблюдать на расстоянии более , в то время как гром распространяется примерно . Существует множество случаев, когда люди сообщают, что "буря была прямо над головой или вокруг, но грома не было". Поскольку кучево-дождевые облака могут достигать высоты 20 км, молния, возникающая высоко в облаке, может казаться близкой, но на самом деле находится слишком далеко, чтобы произвести слышимый гром.

Радио

Разряды молний генерируют радиочастотные импульсы, которые могут приниматься на расстоянии тысяч километров от источника в виде радиоатмосферных сигналов и свистов.

Высокоэнергетическое излучение

К. Т. Р. Уилсон предсказал возникновение рентгеновского излучения при ударе молнии еще в 1925 году, но подтверждение этому было получено лишь в 2001–2002 годах, когда исследователи из Института горного дела и технологий Нью-Мексико зафиксировали рентгеновское излучение, возникающее при искусственно вызванной молнии, направленной по заземленному проводу, тянущемуся за ракетой, запущенной в грозовое облако. В том же году исследователи из Университета Флориды и Флоридского технологического университета использовали сеть детекторов электрического поля и рентгеновского излучения на базе по изучению молний в Северной Флориде, чтобы подтвердить, что естественная молния производит рентгеновское излучение в значительных количествах во время распространения ступенчатых лидеров. Природа рентгеновского излучения до сих пор остается предметом исследований, поскольку температура молнии недостаточна для объяснения наблюдаемого уровня излучения. Многочисленные наблюдения с помощью космических телескопов выявили еще более мощные гамма-всплески, известные как земные гамма-вспышки (TGF). Эти наблюдения ставят под сомнение современные теории молний, особенно в свете недавнего открытия четких признаков антиматерии, образующейся при молниях. Последние исследования показали, что вторичные частицы, генерируемые этими TGF, такие как электроны, позитроны, нейтроны или протоны, могут достигать энергий вплоть до нескольких десятков МэВ.

Озон и оксиды азота

Очень высокие температуры, возникающие при молниях, приводят к значительному локальному увеличению концентрации озона и оксидов азота. Каждая молния в умеренных и субтропических областях производит в среднем 7 кг оксидов азота. В тропосфере влияние молний может увеличить концентрацию оксидов азота на 90%, а озона – на 30%.

Вулканический

Вулканическая активность создает условия, благоприятные для образования молний, несколькими способами. Огромное количество измельченного материала и газов, взрывообразно выбрасываемых в атмосферу, формирует плотный шлейф частиц. Плотность пепла и постоянное движение внутри вулканического шлейфа генерируют электрический заряд посредством трения (трибоэлектрификация), что приводит к возникновению очень мощных и частых вспышек, когда облако пытается нейтрализовать свой заряд. Из-за высокого содержания твердых частиц (пепла), в отличие от зон генерации заряда, богатых водой в обычных грозовых облаках, это явление часто называют "грязной грозой". Мощные и частые вспышки в вулканических шлейфах наблюдались еще во время извержения Везувия в 79 году нашей эры, как зафиксировал Плиний Младший. Аналогично, водяные пары и пепел, выходящие из жерл на склонах вулкана, могут вызывать более локальные и менее интенсивные вспышки длиной до 2,9 км. Небольшие, кратковременные искры, недавно задокументированные вблизи свежевыдавленной магмы, свидетельствуют о высокой заряженности материала еще до его попадания в атмосферу. Если вулканический пепел поднимается в зоны с отрицательными температурами, образуются ледяные частицы, которые, сталкиваясь с частицами пепла, вызывают электризацию. Молнии могут возникать при любом взрыве, но дополнительная электризация, вызванная ледяными частицами в пепле, может привести к усилению электрического поля и увеличению частоты регистрируемых молний. Молнии также используются как инструмент для мониторинга вулканов и обнаружения опасных извержений.

Огненная молния

Интенсивные лесные пожары, такие как те, что наблюдались в австралийский сезон лесных пожаров 2019–20 годов, могут создавать собственные погодные системы, способные генерировать молнии и другие погодные явления. Интенсивный жар от пожара вызывает быстрое восхождение воздуха внутри дымового шлейфа, что приводит к образованию пирокумулонимбусных облаков. Более холодный воздух затягивается в этот турбулентный, поднимающийся поток, способствуя охлаждению шлейфа. Поднимающийся шлейф дополнительно охлаждается пониженным атмосферным давлением на больших высотах, что позволяет влаге конденсироваться и образовывать облака. Пирокумулонимбусные облака формируются в нестабильной атмосфере. Эти погодные системы могут вызывать сухие грозы, огненные смерчи, сильные ветры и грязный град. Молнии на Юпитере значительно энергичнее, чем на Земле, хотя, по-видимому, генерируются по тому же механизму. Недавно на Юпитере был обнаружен новый тип молний, предположительно возникающих из "мягких шаров", содержащих аммиак. Существование молний на Венере остаётся предметом споров после десятилетий исследований. В ходе советских миссий "Венера" и американских миссий "Пионер" в 1970-х и 1980-х годах были зафиксированы сигналы, указывающие на возможное наличие молний в верхних слоях атмосферы. Краткий пролёт миссии "Кассини-Гюйгенс" мимо Венеры в 1999 году не выявил признаков молний, однако радиоимпульсы, зарегистрированные космическим аппаратом Venus Express (начавшим вращаться вокруг Венеры в апреле 2006 года), могут быть связаны с молниями на Венере.

Человеческие явления

Также наблюдалось, что следы от самолетов оказывают небольшое влияние на возникновение молний. Плотные водяные пары в конденсационных следах самолетов могут создавать путь с меньшим сопротивлением в атмосфере, оказывая некоторое влияние на формирование ионного канала, по которому распространяется молния. Выхлопные шлейфы ракет служили проводником для молнии, когда молния ударила в ракету "Аполлон-12" вскоре после старта. Термоядерные взрывы, обеспечивая дополнительный материал для электрической проводимости и создавая сильно турбулентную локальную атмосферу, способны вызывать вспышки молнии внутри грибовидного облака. Кроме того, интенсивное гамма-излучение от мощных ядерных взрывов может создавать области с высокой концентрацией заряда в окружающем воздухе посредством комптоновского рассеяния. Эти сильно заряженные области пространства создают множественные разряды молнии в чистом воздухе вскоре после детонации устройства.

Научное исследование

Наука о молнии называется фулминологией.

Свойства

Молния вызывает гром, звук от ударной волны, возникающей при быстром нагреве газов вблизи разряда до очень высоких температур. Гром часто слышен через несколько секунд после самой молнии. Гром воспринимается как раскатистый, постепенно затухающий звук, поскольку звук от различных участков длинного разряда достигает наблюдателя в немного разное время. Когда локальное электрическое поле превышает диэлектрическую прочность влажного воздуха (около 3 МВ/м), происходит электрический разряд, приводящий к удару молнии, за которым часто следуют сопутствующие разряды, ответвляющиеся от основного канала. Механизмы, приводящие к накоплению зарядов, необходимых для возникновения молнии, до сих пор являются предметом научных исследований. Исследование 2016 года подтвердило участие диэлектрического пробоя в этом процессе. Молния может быть вызвана циркуляцией теплого, насыщенного влагой воздуха в электрических полях. Частицы льда или воды затем накапливают электрический заряд, подобно тому, как это происходит в генераторе Ван-де-Граафа. Исследователи из Университета Флориды обнаружили, что конечные одномерные скорости 10 наблюдаемых вспышек составляли от 1,0 до 1,4 м/с, в среднем – 4,4 м/с.

Выявление и мониторинг

Самым ранним детектором, изобретенным для предупреждения о приближении грозы, был молниевой колокол. Бенджамин Франклин установил одно такое устройство в своем доме. Детектор был основан на электростатическом устройстве, названном «электрическими курантами», изобретенном Эндрю Гордоном в 1742 году. Разряды молнии генерируют широкий спектр электромагнитного излучения, включая радиочастотные импульсы. Время прибытия импульса от данного разряда молнии на несколько приемников может быть использовано для определения источника разряда с точностью до метров. Федеральное правительство Соединенных Штатов создало общенациональную сеть таких детекторов молний, позволяющую отслеживать разряды молний в реальном времени на территории континентальной части США.

Кроме того, Blitzortung (частная глобальная система обнаружения, состоящая из более чем 500 станций обнаружения, принадлежащих и управляемых энтузиастами/волонтерами) предоставляет карты молний, близкие к реальному времени, по адресу https://en.blitzortung.org. Земной ионосферный волновод захватывает электромагнитные ВЧ- и ОЧН-волны. Электромагнитные импульсы, генерируемые ударами молнии, распространяются внутри этого волновода. Волновод дисперсионный, то есть групповая скорость волн зависит от частоты. Разница во времени групповой задержки импульса молнии на соседних частотах пропорциональна расстоянию между передатчиком и приемником. В сочетании с методами пеленгации это позволяет определять местоположение ударов молнии на расстоянии до 10 000 км от их источника. Более того, собственные частоты земного ионосферного волновода, резонансы Шумана около 7,5 Гц, используются для определения глобальной грозовой активности. Помимо наземного обнаружения молний, несколько приборов на борту спутников предназначены для наблюдения за распределением молний. К ним относятся оптический переходный детектор (OTD) на спутнике OrbView 1, запущенном 3 апреля 1995 года, и последующий датчик изображения молний (LIS) на борту TRMM, запущенном 28 ноября 1997 года. Начиная с 2016 года, Национальное управление океанических и атмосферных исследований запустило геостационарные оперативные метеорологические спутники серии R (GOES R), оснащенные приборами геостационарного маппера молний (GLM), которые являются оптическими переходными детекторами в ближнем инфракрасном диапазоне, способными обнаруживать мгновенные изменения в оптической сцене, указывающие на наличие молний. Данные обнаружения молний могут быть преобразованы в карту активности молний в реальном времени для Западного полушария; эта техника картографирования была внедрена Национальной метеорологической службой Соединенных Штатов. В 2022 году EUMETSAT планирует запустить Lightning Imager (MTG I LI) на борту Meteosat третьего поколения. Это дополнит GLM от NOAA. MTG I LI будет охватывать Европу и Африку и будет включать продукты, относящиеся к событиям, группам и вспышкам.

In addition, Blitzortung (a private global detection system that consists of over 500 detection stations owned and operated by hobbyists/volunteers) provides near real time lightning maps at https://en. blitzortung. org. The Earth ionosphere waveguide traps electromagnetic VLF and ELF waves. Electromagnetic pulses transmitted by lightning strikes propagate within that waveguide. The waveguide is dispersive, which means that their group velocity depends on frequency. The difference of the group time delay of a lightning pulse at adjacent frequencies is proportional to the distance between transmitter and receiver. Together with direction finding methods, this allows locating lightning strikes up to distances of 10,000 km from their origin. Moreover, the eigenfrequencies of the Earth ionospheric waveguide, the Schumann resonances
at about 7.5 Hz, are used to determine the global thunderstorm activity. In addition to ground based lightning detection, several instruments aboard satellites have been constructed to observe lightning distribution. These include the Optical Transient Detector (OTD), aboard the OrbView 1 satellite launched on April 3, 1995, and the subsequent Lightning Imaging Sensor (LIS) aboard TRMM launched on November 28, 1997. Starting in 2016, the National Oceanic and Atmospheric Administration launched Geostationary Operational Environmental Satellite–R Series (GOES R) weather satellites outfitted with Geostationary Lightning Mapper (GLM) instruments which are near infrared optical transient detectors that can detect the momentary changes in an optical scene, indicating the presence of lightning. The lightning detection data can be converted into a real time map of lightning activity across the Western Hemisphere; this mapping technique has been implemented by the United States National Weather Service. In 2022 EUMETSAT plan to launch the Lightning Imager (MTG I LI) on board Meteosat Third Generation. This will complement NOAA's GLM. MTG I LI will cover Europe and Africa and will include products on events, groups and flashes.

Магнетизм

Движение электрических зарядов создает магнитное поле (см. электромагнетизм). Интенсивные токи молнии создают кратковременное, но очень сильное магнитное поле. В тех местах, где путь тока молнии проходит через горные породы, почву или металл, эти материалы могут приобрести остаточную намагниченность. Этот эффект известен как остаточная намагниченность, вызванная молнией, или LIRM. Токи следуют по пути наименьшего сопротивления, часто горизонтально вблизи поверхности, но иногда и вертикально, где разломы, рудные залежи или грунтовые воды предлагают менее сопротивляющийся путь. Одна из теорий предполагает, что естественные магниты, обнаруженные в древности, могли быть созданы именно таким образом. Магнитные аномалии, вызванные молнией, можно картировать на местности, а анализ намагниченных материалов может подтвердить, что источником намагниченности была молния и предоставить оценку пикового тока разряда. Исследования, проведенные в Университете Инсбрука, показали, что магнитные поля, генерируемые плазмой, могут вызывать галлюцинации у людей, находящихся в зоне сильной грозы, подобно тому, что происходит при транскраниальной магнитной стимуляции (ТМС).

Солнечный ветер и космические лучи

Некоторые высокоэнергетические космические лучи, рожденные сверхновыми, а также солнечные частицы солнечного ветра, проникают в атмосферу и электризуют воздух, что может формировать каналы для разрядов молнии.

Молния и изменение климата

Из-за низкого разрешения глобальных климатических моделей, точное представление молний в этих моделях затруднено, в основном из-за их неспособности моделировать конвекцию и облачный лёд, которые являются основополагающими для образования молний. Исследования, проведенные в рамках программы Future Climate for Africa, показывают, что использование модели, допускающей конвекцию над Африкой, позволяет более точно регистрировать конвективные грозы и распределение ледяных частиц. Эти исследования указывают на то, что изменение климата может лишь незначительно увеличить общее количество молний: общее число дней с молниями в год уменьшается, в то время как увеличение количества облачного льда и усиление конвекции приводит к большему числу ударов молнии в дни, когда они происходят. Исследование Университета Вашингтона изучило активность молний в Арктике в период с 2010 по 2020 год. Соотношение между арктическими летними разрядами и общим количеством разрядов по всему миру со временем увеличивалось, что свидетельствует о растущем влиянии молний на этот регион. Было установлено, что доля разрядов выше 65 градусов северной широты линейно возрастает с глобальной температурной аномалией NOAA и увеличилась в три раза при повышении аномалии с 0,65 до 0,95 °C.

Религия и мифология

Во многих культурах молния считалась знаком или частью божества, либо божеством сама по себе. К ним относятся греческий бог Зевс, ацтекский бог Тлалок, бог майя К, Перун в славянской мифологии, балтийские Пэрконс/Перкунас, Тор в скандинавской мифологии, Укко в финской мифологии, индуистский бог Индра, йорубский бог Санго, Иллапа в мифологии инков и синтоистский бог Райдзин. Древние этруски составляли руководства по бронтоскопии и фулгурации для предсказания будущего, основанные на предзнаменованиях, которые, как считалось, проявлялись в громе или молнии, возникающих в определенные дни года или в определенных местах. Такое использование грома и молнии в прорицаниях также известно как церауноскопия – разновидность аэромантии. В традиционной религии африканских племен банту молния рассматривается как знак гнева богов. Священные писания в иудаизме, исламе и христианстве также придают молнии сверхъестественное значение. В христианстве второе пришествие Иисуса уподобляется молнии.

В популярной культуре

Хотя эта идея иногда используется в переносном смысле, утверждение о том, что молния никогда не ударяет в одно и то же место дважды, является распространенным мифом. На самом деле, молния может и часто ударяет в одно и то же место несколько раз. Во время грозы молния с большей вероятностью поражает объекты и места, которые более выделяются или обладают лучшей проводимостью. Например, в Эмпайр-стейт-билдинг в Нью-Йорке в среднем попадает 23 молнии в год. Во французском и итальянском языках выражение "любовь с первого взгляда" – coup de foudre и colpo di fulmine соответственно – буквально переводится как "удар молнии". В некоторых европейских языках существует отдельное слово для обозначения молнии, ударяющей в землю (в отличие от молнии вообще); часто оно является родственным английскому слову "rays" (лучи). Имя самой знаменитой австралийской чистокровной лошади, Фар Лэп, происходит от общего слова для обозначения молнии в языках чжуан и тайском.

Политическая и военная культура

В геральдике молния называется громовым ударом и изображается в виде зигзага с не заостренными концами. Этот символ обычно олицетворяет силу и скорость. Некоторые политические партии используют вспышки молнии как символ власти, например, Партия народного действия в Сингапуре, Британский союз фашистов в 1930-х годах и Партия сторонников прав штатов в Соединенных Штатах в 1950-х годах. Шуцштаффель, военизированное крыло нацистской партии, использовала руну Сиг в своем логотипе, символизирующую молнию. Немецкое слово "блицкриг", означающее "молниеносная война", было основной наступательной стратегией немецкой армии во время Второй мировой войны. Молния – распространенный отличительный знак подразделений военных коммуникаций по всему миру. Молния также является символом НАТО для средства связи.

Данные о травмах и смертях

Самый смертоносный прямой удар молнии произошел, когда 21 человек погиб, укрывшись от непогоды в хижине, в которую попала молния (1975 год, Родезия). В Соединенных Штатах в среднем 23 человека умирали от ударов молнии в год с 2012 по 2021 год.