Короткие замыкания в небесной канцелярии

По официальной статистике грозы занимают второе место среди природных факторов, угрожающих жизни человека. На первом месте — наводнения. А от ударов молнии, оказывается, гибнет больше людей, чем от смерчей и ураганов вместе взятых. Даже в США и даже нынешний, весьма неспокойный с точки зрения разнообразных атмосферных явлений год не изменил обычного положения дел. А поэтому задача изучения атмосферного электричества самым прямым образом связана с проблемами личной безопасности. И задача эта пока далека от разрешения.
В каждую секунду в поверхность нашей планет бьет в среднем сорок шесть молний. Количество высвобождающейся энергии колоссально, хотя и вдвое меньше, чем думали в прошлом веке. Фото (Creative Commons license): elsie.
В каждую секунду в поверхность нашей планет бьет в среднем сорок шесть молний. Количество высвобождающейся энергии колоссально, хотя и вдвое меньше, чем думали в прошлом веке. Фото (Creative Commons license): elsie.
Заниматься ею начали довольно давно. Ещё в далеком 1708 году некий доктор Уильям Уолл (William Wall) представил Лондонскому Королевскому обществу «сообщение», которое было опубликовано в первом в истории научном журнале, называвшемся «Philosophical Transactions», и благодаря которому нам известно о самом существовании этого доктора. Там, в частности, говорится, что «свет и треск наэлектризованных тел можно до некоторой степени уподобить молнии и грому».

К середине XVIII столетия появились первые громоотводы, за широкое распространение которых мы должны быть признательны выдающемуся американскому физику и политическому деятелю Бенджамину Франклину (Benjamin Franklin, 1706–1790).

При всем том предложенную Франклиным конструкцию громоотвода — а равно и его теорию атмосферного электричества — многие современники Франклина признавать отказывались. Например, английский король Георг III признавал лишь громоотводы с шарами на концах (в то время как Франклин предлагал делать их заостренными). Несогласие же с Франклином петербургских академиков Георга Вильгельма Рихмана (1711–1753) и Михаила Васильевича Ломоносова (1711–1765) имело далеко идущие последствия: судя по всему именно этим объясняется трагическая гибель Рихмана, пытавшегося во время грозы измерять «электрическую силу атмосферы».

Кстати, Франклин тоже имел все шансы быть убитым молнией во время своих рискованных опытов с воздушными змеями во время грозы.

Бенджамин Фарнклин измеряет при помощи воздушного змея изменение напряженности электрического поля вблизи земной поверхности во время грозы.
Бенджамин Фарнклин измеряет при помощи воздушного змея изменение напряженности электрического поля вблизи земной поверхности во время грозы.
Непосредственное отношение к дискуссиям вокруг природы атмосферного электричества имеет и известное постановление Парижской академии наук (Acade’mie des sciences de Paris), отказавшейся в 1772 года регистрировать сообщения о «падающих с неба камнях». В наши дни это решение часто приводится как пример, когда из-за чересчур ретивой борьбы со лженаукой из корыта с мыльной водой выплескивается и ребенок. Это постановление надолго лишило академию ценной информации о падающих на Землю метеоритах.

На самом же деле решение французских академиков было заметным вкладом в борьбу с устаревшими научными теориями. До XVIII столетия камни, падавшие с неба, именовались «камнями грома», поскольку считалось, что они образуются во время грозы из рассеянных в атмосфере веществ.

По мере того как электрическая природа молнии стала для физиков очевидной, образ «камней грома» превращался в архаику. Создатель лейденской банки Питер Ван Мушенбрук (Pieter van Musschenbroek, 1692–1761) писал ещё в 1739 году: «Я вовсе ничего не буду говорить о камнях грома и молнии, якобы падающих с неба… потому что все это нельзя считать ничем иным, кроме как занимательными сказками». Отказываясь обсуждать сообщения о камнях грома, парижские академики демонстрировали свое нежелание оказывать, хотя бы и косвенную, поддержку антинаучным, по мнению Академии, описаниям природных явлений.

Со временем выяснилось, что хотя камни и могут падать с неба, это явление не имеет никакого отношения к атмосферному электричеству и грозам. А громами и молниями уже занимались отдельным образом. Причем эта наука привлекала к себе большое число дилетантов. Даже отец «вождя мирового пролетариата» Илья Николаевич Ульянов отметился на этом поприще, написав в 1861 году небольшой «мемуар» «О грозе и громоотводах». Впрочем, в то время эта тема имела непосредственное отношение к его общественному положению: он заведовал Пензенской метеорологической обсерваторией.

Измерения с помощью космических спутников позволили обнаружить большую неоднородность в распределении частоты ударов молний в земную поверхность от географического положения. В качестве единицы измерения принималось количество вспышек над одним квадратным километром в год. Фото: NASA/NSSTC Lightning Team.
Измерения с помощью космических спутников позволили обнаружить большую неоднородность в распределении частоты ударов молний в земную поверхность от географического положения. В качестве единицы измерения принималось количество вспышек над одним квадратным километром в год. Фото: NASA/NSSTC Lightning Team.
Что же касается ХХ столетия, то именно очарование зрелищными атмосферными явлениями и попытки воспроизвести их в лабораторных условиях привели Чарльза Вильсона (Charles Thomson Rees Wilson, 1869–1959) к созданию одного из самых совершенных приборов, позволяющих измерять параметры элементарных частиц — «камеры Вильсона» (Нобелевская премия по физике 1927 года). Немного позже похожим путем пошел и Виктор Гесс (Victor Franz Hess, 1883–1964) — к открытию космических лучей (Нобелевская премия по физике 1936 года).

И все же надо признать, что об атмосферном электричестве современной физике известно очень мало. По части наблюдений сколько-нибудь значительный успех был достигнут благодаря наблюдениям со спутников. Например, совсем недавно удалось измерить глобальную среднегодовую частоту вспышек молний — 46 с-1, что более чем в два раза ниже теоретической оценки, использовавшейся на протяжении последних восьмидесяти лет. Установлен регион максимальной грозовой активности — это Африка, в первую очередь бассейн реки Конго.

Наблюдения со спутников показывают также, что над сушей молнии сверкают существенно чаще, особенно если суша расположена в тропических широтах. Причины таких закономерностей физикам ещё предстоит объяснить.

Информацией со спутников «космические» интересы исследователей атмосферного электричества не исчерпываются. На Кавказе и на Тянь-Шане физики ведут непрерывный мониторинг космических лучей, поскольку именно приходящее из глубин космоса излучение в значительной степени ответственно за образование в земной атмосфере участков повышенной электрической проводимости — тех участков, в которых и возникают разряды молний.

Фотография красного спрайта над Техасом летом 1994 года. Спрайт — это некое подобие молнии, только бьющей из облаков вверх. Фото NASA.
Фотография красного спрайта над Техасом летом 1994 года. Спрайт — это некое подобие молнии, только бьющей из облаков вверх. Фото NASA.
И именно поэтому «глобальную атмосферную электрическую цепь» вместе с Институтом прикладной физики РАН изучают ещё две академические организации: Тянь-Шанская высокогорная научная станция Физического института РАН и Баксанская нейтринная обсерватория Института ядерных исследований РАН.

В ходе этих работ удалось установить скорость, с которой электроэнергия в атмосфере сначала вырабатывается, а потом преобразуется в другие формы — например, в механическую энергию разрушений или в тепло. Эта константа атмосферного энергетического баланса составляет четыреста тысяч мегаватт, что превышает скорость рассеяния энергии в земной коре в тектонических и магматических процессах.

Авторы недавней публикации в журнале «Природа» нижегородские геофизики Евгений Анатольевич Мареев и Виктор Юрьевич Трахтенгерц отмечают в связи с этим, что такая высокая энергоемкость «характеризует глобальную электрическую сеть Земли как чрезвычайно динамичную систему с очень малым временем обновления электрической энергии».

Малость этих времен означает также, что формирование молнии может проходить на значительном удалении от самого разряда, а значит и информацию о ней тоже можно получать издалека. Установлено, например, что разряды молний сопровождаются миллисекундными электрическими вспышками на высоте от 50 до 100 километров (что намного выше грозового облака).

От ударов молнии, оказывается, гибнет больше людей, чем от смерчей и ураганов вместе взятых
От ударов молнии, оказывается, гибнет больше людей, чем от смерчей и ураганов вместе взятых
Эльфы, спрайты и джеты (так именуются вспышки в специальной физической литературе) иногда удалены на десятки километров от области непосредственного молниевого разряда. Изучение эльфов, спрайтов и джетов приносит весьма ценную информацию об устройстве молнии и здесь для физиков главным становится умение получить эту информацию за те миллисекунды, которые «живет» вспышка…

Однако — и это, пожалуй, самое интересное в истории с молниями — все эти последние исследования так и не дали ответа на вопрос: можно ли электрический разряд в газе считать адекватной моделью грозы? Например, электрическая искра между двумя заряженными шарами проскакивает только при достижении достаточно высоких значений напряженности электрического поля между ними. Его называют уровнем пробоя. Наблюдения показывают, что в грозовом облаке напряженность поля в шесть раз меньше напряженности пробоя, а молнии все равно возникают.

Можно предположить, что напряженность электрического «подскакивает» до уровня пробоя на очень короткое время, и приборы не успевают фиксировать эти скачки. В пользу этой гипотезы говорят некоторые очень быстрые процессы в эльфах, спрайтах и джетах, тем не менее проверить её пока не удалось.

Можно, впрочем, надеяться, что ответы на подобные вопросы будут найдены в некоторых модельных экспериментах. В 1960 году физики впервые инициировали разряд молнии — для этого в грозовое облако была запущена ракета, за которой тянулся заземленный провод. Недавние эксперименты в ИПФ РАН выглядят существенно более «компактно». Проводящий канал в атмосферном воздухе удалось создать с помощью мощного лазера, генерирующего фемтосекундные импульсы. Создание канала, в свою очередь, позволило инициировать в воздухе электрический разряд, причем измерения показали снижение напряженности пробоя в несколько раз.

Глобальная атмосферная электрическая цепь объединяет в одно целое весьма разные по своим временным и пространственным масштабам процессы. Для понимания, как эта цепь функционирует, в равной степени важны и сведения о космических лучах, и информация о «живущих» тысячные доли секунды электрических вспышках.

Поэтому процессы в грозовом облаке естественно описывать с помощью теории самоорганизованной критичности. Основной идея теории в том, что система из большого числа элементов неизбежно приобретает «целостные», «системные» характеристики, которые к сумме свойств отдельных её элементов уже несводимы.

Разработанную датским математиком Пером Баком (Per Bak, 1948–2002) теорию самоорганизованной критичности нередко упоминают как символ междисциплинарности современных методов изучения природы. О самоорганизованной критичности говорят экономисты, рассчитывающие научиться с её помощью прогнозировать обвалы на бирже. К теории Бака обращаются и геологи в попытках предсказать подвижки земной коры.

Что же касается грозового облака, то теория самоорганизованой критичности представляет его системой большого числа электрических ячеек. Случайный разряд между парой ячеек порождает, по словам Мареева и Трахтенгерца, «эпидемию внутриоблачных микроразрядов». В результате происходит «быстрый переход облачной среды в состояние, напоминающее объемную паутину из динамичных проводящих нитей, на фоне которых и формируется видимый глазом лидерный канал молнии». Впрочем, это пока ещё не теория, а только красивая метафора, или, выражаясь языком Эйнштейна, руководящая идея, которую ещё предстоит преобразовать в контуры будущей концепции.

   
автор: Борис Булюбаш
Кроме того...
Новый прибор поборол рак мозга
Специалисты из израильской компании NovoCure, а также ряда научных и медицинских учреждений Европы и США провели первые клинические испытания...
Потепление требует встречи без галстуков
Принято считать, что главные проблемы галстука – это сложность его завязывания и то, что он, собака, душит....
Пищевая химия
Три килограмма химических веществ. Вот то количество, которое проглатывается за год среднестатистическим потребителем самых разных, порой...
  • Текущие обсуждения статей
Бионическая рука-протез
Телепортация - фантастика или реальность?
Ученые вывели формулу удачи
Смех не лечит раковых больных
Приливы и отливы вызывают сейсмические колебания
Нью-Йорк и Лос-Анджелес уйдут под воду к 2015-му году
Посмотреть весь форум

  • поиск статей на сайте
Введите фразу, слово или часть слова
Темы этого номера
Лица против паролей
Лица против паролей Лица против паролей
Исследователи из университета ХьюстонаUniversity of Houston разработали новую компьютерную программу под названием URxD, которая, используя трехмерные изображения
Впервые создан беспорядочный магнит
Впервые создан беспорядочный магнит Впервые создан беспорядочный магнит
Впервые удалось создать ферромагнетик с беспорядочным магнитным полем внутри. Первые же эксперименты подтвердили давно предсказанные теоретиками необычные свойства этого магнита
Шаровые молнии своими руками
Шаровые молнии своими руками Шаровые молнии своими руками
Лабораторные опыты с атмосферным электричеством позволяют узнать много
Графеновая бумага
Графеновая бумага Графеновая бумага
Графен был открыт в 2004 году, однако несмотря на свои уникальные электрические и физические свойства до сих пор практически не использовался, так как не удавалось получать его в достаточных количествах
Sony запатентовала "подушку безопасности" для жестких дисков
Sony запатентовала "подушку безопасности" для жестких дисков Sony запатентовала "подушку безопасности" для жестких дисков
Компания Sony запатентовала "подушку безопасности" для компонентов электронных устройств, сообщает The Inquirer. В частности, технология может быть использована для защиты жестких дисков
Робот научился передвигаться по воде
Робот научился передвигаться по воде Робот научился передвигаться по воде
Говорят, что секрет хождения по воде прост. Надо толкаться быстро-быстро, чтобы не успеть проваливаться. В природе этому фокусу научилась небольшая ящерица, а в технике – небольшой робот
Воздушный экран FogScreen: вход через рекламу
Воздушный экран FogScreen: вход через рекламу Воздушный экран FogScreen: вход через рекламу
Все мы мечтали иногда уметь проходить сквозь стены, и теперь такая «стена» есть. Называется она FogScreen (можно перевести как - туманный экран). Экран состоит из водяных паров. Точнее говоря
Американцы научили зонт предсказывать погоду
Американцы научили зонт предсказывать погоду Американцы научили зонт предсказывать погоду
В рукоятку зонта встроено устройство, получающее по беспроводной связи прогноз погоды на ближайшее время. О предстоящих осадках владелец зонта узнает по цвету светодиодного индикатора
Столкнулись четыре галактики
Столкнулись четыре галактики Столкнулись четыре галактики
Друг с другом столкнулись четыре галактики нешуточных размеров — каждая не меньше нашего Млечного Пути. Их слияние ещё продолжается, но некоторые утверждают
Ученые узнали тайну одного из колец Сатурна
Ученые узнали тайну одного из колец Сатурна Ученые узнали тайну одного из колец Сатурна
Группа специалистов Корнелльского университета (Cornell University), США, под руководством Мэттью Хэдмана (Matthew Hedman) разгадали загадку поведения одного из колец Сатурна, пишет BBC News
Открыта самая большая планета во Вселенной
Открыта самая большая планета во Вселенной Открыта самая большая планета во Вселенной
Астрономы Ловелловской обсерватории (Lowell Observatory), штат Аризона, США
Жизнь на Марсе может дорого стоить
Жизнь на Марсе может дорого стоить Жизнь на Марсе может дорого стоить
Космические аппараты, возвращаемые из космоса
Трансплантация генома привела к мутации
Трансплантация генома привела к мутации Трансплантация генома привела к мутации
Генетики сделали огромный шаг к созданию искусственных организмов с заданными свойствами: они смогли превратить один вид бактерии в другой. Правда
Лазером по вирусам
Лазером по вирусам Лазером по вирусам
Учёным удалось разработать новый метод уничтожения вирусов. Их обстреливают импульсами пурпурного лазера. От этого вирусы начинают взрываться. А обычные клетки не страдают, говорят разработчики. Возможно
Через миндалины можно заразиться ВИЧ, занимаясь оральным сексом
Через миндалины можно заразиться ВИЧ, занимаясь оральным сексом Через миндалины можно заразиться ВИЧ, занимаясь оральным сексом
Четверть века потратили ученые, чтобы выяснить способ оральной передачи ВИЧ-инфекции, вызывающей СПИД. До сих пор многие медики в частном порядке сомневались в показаниях некоторых зараженных людей, утверждавших
Обнаружена причина появления речи
Обнаружена причина появления речи Обнаружена причина появления речи
К полутора годам у детей накапливается достаточный для воспроизводства словарный запас, к таким выводам пришли ученые университета Айовы (University of Iowa), США
Короткие замыкания в небесной канцелярии
Короткие замыкания в небесной канцелярии Короткие замыкания в небесной канцелярии
По официальной статистике грозы занимают второе место среди природных факторов, угрожающих жизни человека. На первом месте — наводнения. А от ударов молнии, оказывается, гибнет больше людей
"Террористы-смертники" в природе
"Террористы-смертники" в природе
Ученые обнаружили тлей-самоубийц, которые сидят, притаившись, в капустных листах, готовые погибнуть, но устроить химическую атаку на своих врагов – божьих коровок
«Звездный ливень»: В эти дни в небе над всей Россией наблюдается фантастическое по красоте зрелище
«Звездный ливень»: В эти дни в небе над всей Россией наблюдается фантастическое по красоте зрелище «Звездный ливень»: В эти дни в небе над всей Россией наблюдается фантастическое по красоте зрелище
С минувшего воскресенья на Россию «льется» традиционный августовский звездопад. В этом году вспышки сгорающих метеоритных частиц видны особенно ярко, так как наступило новолуние
Частота возникновения лесных пожаров в Сибири связана с потеплением климата
Частота возникновения лесных пожаров в Сибири связана с потеплением климата Частота возникновения лесных пожаров в Сибири связана с потеплением климата
Потепление климата на территории Сибири происходит быстрее, чем в среднем по остальному земному шару и приводит к увеличению частоты возникновения лесных пожаров
История джинс
История джинс История джинс
За свою недолгую истоpию пятикаpманные штаны успели захватить умы и сеpдца миллионов людей различного возpаста, пола, pоста и комплекции. Сегодня - это одежда для pаботы и отдыха
Малыши умеют предугадывать чужое поведение
Малыши умеют предугадывать чужое поведение Малыши умеют предугадывать чужое поведение
13-месячные дети уже умеют ставить себя на место другого и таким образом предугадывать его поведение. К такому выводу пришла группа итальянских и французских ученых, которые провели эксперимент с участием 56 малышей

 
  • Главные темы / архив
№082текущий номер Технологии
Биоклиматическое здание
    

    

    

    

    

 
  • Человек
  • Через миндалины можно заразиться ВИЧ, занимаясь оральным сексомЧерез миндалины можно заразиться ВИЧ, занимаясь оральным сексом
    Четверть века потратили ученые, чтобы выяснить способ оральной передачи ВИЧ-инфекции, вызывающей СПИД. До сих пор многие медики в частном порядке сомневались в показаниях некоторых зараженных людей, утверждавших
  • Обнаружена причина появления речиОбнаружена причина появления речи
    К полутора годам у детей накапливается достаточный для воспроизводства словарный запас, к таким выводам пришли ученые университета Айовы (University of Iowa), США
  • Лазером по вирусамЛазером по вирусам
    Учёным удалось разработать новый метод уничтожения вирусов. Их обстреливают импульсами пурпурного лазера. От этого вирусы начинают взрываться. А обычные клетки не страдают, говорят разработчики. Возможно
  • Трансплантация генома привела к мутацииТрансплантация генома привела к мутации
    Генетики сделали огромный шаг к созданию искусственных организмов с заданными свойствами: они смогли превратить один вид бактерии в другой. Правда
  • Планета Земля
  • История изобретений
  • История джинсИстория джинс
    За свою недолгую истоpию пятикаpманные штаны успели захватить умы и сеpдца миллионов людей различного возpаста, пола, pоста и комплекции. Сегодня - это одежда для pаботы и отдыха
  • Чёрный ящик
  • Малыши умеют предугадывать чужое поведениеМалыши умеют предугадывать чужое поведение
    13-месячные дети уже умеют ставить себя на место другого и таким образом предугадывать его поведение. К такому выводу пришла группа итальянских и французских ученых, которые провели эксперимент с участием 56 малышей
  • Воля случая
  • Технологии
  • Шаровые молнии своими рукамиШаровые молнии своими руками
    Лабораторные опыты с атмосферным электричеством позволяют узнать много
  • Графеновая бумагаГрафеновая бумага
    Графен был открыт в 2004 году, однако несмотря на свои уникальные электрические и физические свойства до сих пор практически не использовался, так как не удавалось получать его в достаточных количествах
  • Лица против паролейЛица против паролей
    Исследователи из университета ХьюстонаUniversity of Houston разработали новую компьютерную программу под названием URxD, которая, используя трехмерные изображения
  • Впервые создан беспорядочный магнитВпервые создан беспорядочный магнит
    Впервые удалось создать ферромагнетик с беспорядочным магнитным полем внутри. Первые же эксперименты подтвердили давно предсказанные теоретиками необычные свойства этого магнита
  • Техника
  • Космос
003