Как образуется молния: откуда берётся гром и как вести себя в грозу

Как устроена молния

Молния — разновидность электрического разряда, как искра, которая проскакивает между пальцем и дверной ручкой зимой, только в миллионы раз мощнее. Длина канала бывает несколько километров, сила тока — десятки тысяч ампер, а нагрев воздуха в канале — до 30 тысяч градусов, это в несколько раз горячее поверхности Солнца. Всё занимает сотые доли секунды.

Чтобы разряд случился, нужны две вещи: облако, в котором заряды разделены, и напряжение, достаточное для пробоя воздуха. Обе появляются в грозовом облаке.

Из чего складывается гроза

Участник	Что делает
Грозовое облако (кучево-дождевое)	высокое, до десяти километров и больше, с мощными потоками воздуха вверх и вниз
Ледяные кристаллы и крупа	лёгкие льдинки поднимаются, а более тяжёлые ледяные зёрна опускаются
Переохлаждённые капли	жидкая вода, которая остаётся жидкой при температуре ниже нуля
Восходящие потоки	несут вверх тёплый влажный воздух и сталкивают частицы
Воздух	обычно изолятор, но при очень сильном поле пробивается

Кучево-дождевое облако растёт, когда тёплый влажный воздух быстро поднимается и остывает. Как это связано с дождём, рассказано в статье о том, откуда берётся дождь.

Как это работает: от заряда до вспышки

1. Частицы сталкиваются. В облаке идёт мощный восходящий поток. Мелкие льдинки летят вверх, а более тяжёлые ледяные крупинки падают вниз, они сталкиваются и обмениваются электрическими зарядами.
2. Заряды разделяются. Лёгкие льдинки уносят положительный заряд в верхнюю часть облака, а тяжёлые крупинки уносят отрицательный в нижнюю. Получается облако-«батарейка»: плюс сверху, минус снизу.
3. Земля отвечает. Отрицательный заряд основания облака отталкивает от себя электроны на поверхности Земли и наводит там положительный заряд. Электрическое поле между облаком и землёй нарастает.
4. Начинается лидер. Когда поле становится слишком сильным, воздух начинает пропускать ток: от облака к земле «прорастает» слабо светящийся канал, ступенями по несколько десятков метров. Его называют ступенчатым лидером.
5. Встречный разряд. С земли, обычно с высокого предмета, навстречу поднимается ответный разряд. Когда они встречаются, цепь замкнута.
6. Главный разряд. По готовому пути от земли вверх бежит мощный ток: это и есть яркая вспышка молнии. Часто за ней следуют ещё несколько разрядов по тому же каналу, поэтому молния мерцает.
7. Гром. Воздух в канале мгновенно раскаляется и расширяется, порождая ударную волну. Мы слышим её как гром.

Для человека всё это происходит слишком быстро, поэтому мы видим одну вспышку. Как устроены электрические заряды и почему атомы электрически нейтральны, показано в статье о строении атома.

Виды молний

Тип	Где проходит	Что важно
Внутриоблачная	внутри облака между заряженными областями	самая частая; в темноте освещает всё облако
Облако — земля (линейная)	между облаком и землёй	самая опасная для людей и построек
Между облаками	из одного облака в другое	видна издалека
Шаровая	светящийся шар размером с мяч и больше	редкая, природа не выяснена

Шаровую молнию очевидцы описывают как светящийся шар, который плывёт по воздуху и исчезает, иногда с хлопком. Рассказы противоречивы, поэтому об её устройстве есть только гипотезы.

Молния, которая бьёт вниз, обычно поражает самое высокое место в округе: дерево на поле, мачту, крышу. Не потому что их «притягивает», а потому что путь от облака до них короче.

Почему гром слышен позже

Свет и звук вылетают из молнии одновременно, но идут с разной скоростью. Свет проходит около 300 тысяч километров в секунду: мы видим вспышку почти мгновенно. Звук идёт около 340 метров в секунду, то есть примерно километр за три секунды. Значит, чем дальше гроза, тем длиннее пауза между вспышкой и громом.

Как посчитать расстояние: увидели вспышку, начинайте считать секунды, услышали гром, остановитесь. Разделите на три. Если прошло 9 секунд, гроза в трёх километрах. Гром слышен обычно не дальше чем за 15–20 километров, поэтому далёкие молнии «беззвучны»: их называют зарницами.

Гром «перекатывается», потому что молния длинная: звук от разных участков канала приходит с разным запаздыванием, и ещё отражается от туч и земли.

Чем отличается от похожего

Молния и гром. Молния — электрический разряд, гром — звук. Гром сам вреда не приносит: опасность создаёт только молния.

Молния и искра статического электричества. Физика одна: разряд накопленного заряда. Просто в облаке заряды и напряжение в миллионы раз больше.

Молния и огни святого Эльма. Это слабое свечение на острых предметах, например на мачтах кораблей, оно возникает без пробоя, из-за сильного поля.

Гроза и ветер. В грозу ветер часто усиливается порывами, потому что холодный воздух падает из облака вниз. О том, как воздух приходит в движение, рассказано в статье о том, откуда берётся ветер.

Безопасность в грозу

Молния бьёт в людей редко, но последствия тяжёлые, поэтому правила простые.

• Спрячьтесь в здании или в машине с металлическим кузовом. В машине ток уходит по кузову, а не через людей.
• В поле и на открытой местности не стойте одиночкой, не ложитесь на землю плашмя, лучше присесть на корточки, сведя ноги вместе, и не опираться о землю руками.
• Не прячьтесь под одиноким деревом, особенно высоким: в него бьёт чаще всего, и ток растекается по земле.
• Уйдите от воды. Не купайтесь и не сидите в лодке, вода хорошо проводит ток.
• Дома закройте окна и отключите технику из розетки, если гроза рядом.
• Правило 30 на 30. Если между вспышкой и громом меньше 30 секунд, гроза близко, и нужно быть в укрытии. Выходить можно не раньше чем через полчаса после последнего грома.

Громоотвод, который придумал американец Бенджамин Франклин в XVIII веке, спасает дома: он принимает разряд и отводит его по толстому проводу в землю. Но громоотвод защищает здание, а не человека рядом с ним: во время грозы место человека внутри.

Когда бывает гроза

Для грозы нужны тёплый влажный воздух и сильный подъём. Отсюда и три типичных случая. Тепловая гроза летним днём: земля прогрелась, воздух над ней вздымается стеной облаков, и к вечеру гремит. Фронтальная гроза: холодный воздух подрезает тёплый, и тот вынужден резко уходить вверх вдоль границы. Такие грозы идут длинной полосой. Есть и горные грозы, когда воздух вынужден подниматься по склону. Зимой гроза редкость, потому что нет мощных восходящих потоков, хотя иногда молнии бывают и при снегопаде.

Если рядом ударила молния

Человек, в которого попала молния, сам не становится источником тока, его можно трогать. Пострадавшим нужна срочная помощь: звоните 112 или 103. Ещё до приезда врачей смотрите, дышит ли человек, и если нет, начинайте сердечно-лёгочную реанимацию, если умеете. Множество людей, поражённых молнией, выживают, но обследоваться у врача нужно всем: последствия удара, в том числе для сердца и слуха, бывают отсроченными.

Интересные факты

Сорок ударов в секунду. По оценкам, на Земле в среднем происходит около сорока ударов молний в секунду. Больше всего гроз в тропиках, где воздух тёплый и влажный.

Урок для науки. В 1753 году в Петербурге при опытах с атмосферным электричеством от удара молнии погиб физик Георгий Рихман, коллега Михаила Ломоносова. Эта трагедия показала, насколько опасно играть с грозой, и научные опыты с ней с тех пор проводят только с защитой.

Молния помогает растениям. Разряд соединяет азот и кислород воздуха, и дождь приносит эти соединения на землю как удобрение. Отсюда народное наблюдение, что после грозы всё растёт быстрее: доля правды в нём есть, хотя основную часть азота растения берут не из молний.