Как образуются грозы?

Гроза с молнией и громом пугает и завораживает нас одновременно. Основными составляющими грозовых облаков являются восходящий воздух и водяной пар. Но что вызывает молнии и как они попадают на землю?

Грозы могут образовываться, когда влажные воздушные массы, которые теплее окружающей среды, сходятся и поднимаются. Когда водяной пар в воздухе конденсируется, сначала образуется кучевое облако, которое метеорологи называют «кучевыми облаками». Если внешние условия благоприятны, влажный воздух будет продолжать подниматься вверх, а над облаком вырастет «крыша» в виде наковальни, состоящая из мельчайших кристалликов льда. Кучевое облако становится «кучево-дождевым» — грозовым облаком.

В зависимости от того, находитесь ли вы в средних широтах или в тропиках, высота кучево-дождевых облаков может достигать от 10 до 20 километров. Пока грозовое облако накапливается, заряды внутри него разделяются в результате трения, удара и распыления частиц воды: кристаллики льда заряжаются положительно, капли - отрицательно. Это создает область положительного заряда в холодной верхней части облака, тогда как у земли преобладает отрицательный заряд.

Между ними формируется электрическое поле, которое в конечном итоге достигает критического порога около 170 000 вольт на метр. О себе объявляет гигантское короткое замыкание: вспышка. Он может разряжаться внутри облака или между облаком и землей.

Молния поймана

Существуют разные типы молний, ​​но один из них является наиболее распространенным — «отрицательная молния облако-земля». Во-первых, носители отрицательного заряда резко движутся к земле в так называемой опережающей молнии и подготавливают ионизированный канал. Ионизация означает, что атомы и молекулы в воздухе высвобождают электроны, позволяя течь электрическому току. Между тем, земля под грозой заряжается положительно. Этот электростатический эффект смещения заряда в электрическом поле также известен как индукция.

Электрическое поле особенно велико в открытых местах, например, на церковных башнях. С таких точек у лидера вспыхивает положительный заряд — так называемый улавливающий разряд. Он устанавливает связь между облаком и землей и, таким образом, закрывает канал молнии. Теперь идет основной разряд, который часто состоит из нескольких отдельных разрядов. Сила тока может достигать 100 000 ампер.

В течение от десяти до сотен миллионных долей секунды температура в Блицканале может достигать 30 000 градусов по Цельсию. Воздух становится плазмой — физическим состоянием материи, при котором атомные ядра и электроны больше не связаны друг с другом. Кроме того, создается огромное избыточное давление, из-за которого воздух взрывным образом расширяется и вызывает в воздухе ударные волны: гремит. Время, прошедшее между молнией и громом, можно использовать для расчета расстояния до молнии. Поскольку звук движется по воздуху со скоростью около 340 метров в секунду, то есть гораздо медленнее, чем свет со скоростью 300 000 километров в секунду: деление количества секунд на три примерно дает расстояние в километрах.

Вопреки тому, что интуитивно ожидается, среднее электрическое напряжение между атмосферой и землей не уменьшается во время грозы, а увеличивается: потому что вместе грозы действуют как электростатические генераторы. В среднем удары молнии переносят отрицательные заряды из воздуха на землю. Хотя напряжение между облаком и землей разряжается локально, гроза ничего не «чувствует» от глобального электрического поля. Следовательно, с глобальной точки зрения это плата. Это приводит к тому, что атмосфера становится положительно заряженной, а земля – отрицательной. В погодных условиях без грозы это напряжение снова медленно снижается за счет переноса ионов, то есть электрически заряженных атомов или молекул.

Молнии в исследованиях

Большинство ударов молнии происходит над тропическими массивами суши, где грозовые условия — влажный восходящий воздух — особенно благоприятны. Самая высокая плотность молний на планете преобладает над озером Маракайбо в Венесуэле, где грозы бывают в среднем почти каждую вторую ночь в течение года.

Молния в первую очередь исследуется для прогнозирования погоды и защиты от молнии. Для этой цели в высоковольтных лабораториях также генерируются искусственные вспышки. С другой стороны, с помощью сенсорных сетей, таких как BLIDS, количество и место ударов молнии можно определить в режиме реального времени. Это также должно улучшить краткосрочный прогноз опасностей, связанных с грозами. Кроме того, спутники наблюдают за молниями, чтобы регистрировать грозовую активность на больших территориях мира.