Всем привет, народ!
Это подкаст Звездануло, в котором я перевожу науку на человеческий язык.
Как обычно, ютубчик:
и Яндекс.музыка:
Сегодня, как я и обещал, разберём довольно лёгкую тему. Будем обсуждать всякие атмосферные явления, чтоб не запутаться. Вообще, эта тема началась с запроса «расскажи про северное сияние» и пошло-поехало. Я захотел сделать нормальный экскурс и, кажется, это будет несколько выпусков, посвященных всяким атмосферным явлениям.
Рассмотрим только всякие оптические и электрические явления. И, думаю, выпусков будет три, а то и четыре – не меньше. Этого добра реально дофига.
Сегодня поговорим про молнии. Когда я начинал писать выпуск, я думал уложиться с молниями в один абзац, ан хрен там плавал.
В принципе, молния – это разряд скопившихся неоднородностей электрического поля. Такой же, как, скажем, ветер. Сейчас я вам покажу своё видение этой картины, которого не видел ни у кого. Честно сказать, я практически и не искал, так что думаю, есть много подобных сравнений. Ну ладно. Давайте начнём с сообщающихся сосудов. Есть два стакана, они стоят на столе. У самого донышка в каждом стакане проделано по отверстию. В эти отверстия воткнули трубку и соединили стаканы. Теперь нальем в стаканы воду. Хотя бы в один. Что произойдет? Вода и в одном и в другом стакане будет на одинаковом уровне. Наполнили вы один стакан до половины, а во втором будет тоже половина. Или налили вы половину стакана, а она возьми, да распополамься ровно между стаканами. Ну да, ещё что-то в самой трубке остается. Принцип понятен.
Если мы сделаем отверстия в стаканах не внизу, а где-то в середине – то сначала мы будем заполнять один стакан до этого отверстия, потом будет наполняться второй стакан через трубку, а в первом стакане пока уровень воды не будет повышаться. А потом уровень будет повышаться с одинаковой скоростью. Ну вы понимаете, что мы не учитываем трубку, да?
Давайте внизу стаканов проделаем ещё по одному отверстию и воткнем трубку подлиннее. Как думаете, скорость воды в короткой трубке и в длинной будут одинаковы? Зачем воде течь дольше, если можно быстрее пробежать по короткой трубке? Принцип минимума энергии. Ему подчиняется всё. Зачем идти, когда можно сидеть? Зачем сидеть, когда можно лежать?
Так вот, ветер – это такая же история, просто вместо стаканов у нас – области давления. Где-то воздух давит сильнее, а где-то меньше. В какой-то области самого воздуха получается чуть больше, а в какой-то меньше. В самом низу находится точка, в которой давление начинает стравливать, и воздух, как вода по трубке течет в ту область, где его меньше. Чем больше разница в давлении между двумя областями, тем быстрее воздух будет течь. Тем быстрее будет ветер. Система стремится к равновесию. Ну и тоже по пути наименьшего сопротивления, что логично.
Только дело в том, что у нас нет трубок в воздухе, а значит, путь наименьшего сопротивления будет довольно размазанным. Он будет идти по какому-то графику, вроде как слив в ванной. В одной точке поток будет стремиться строго к сливу, в другой – немного по касательной и так далее. Это я так пытаюсь градиент показать. Грубо говоря, градиент – это вектор, или указатель который, простите за тавтологию, показывает, в каком направлении возрастает та или иная скалярная величина. Скалярная – значит без направления. Масса не имеет никакого направления, например. Температура, давление, в принципе, несложно понять. Возьмем свечку. Вокруг неё тепло, чем дальше – тем холоднее. Градиент температуры будет направлен к самой горячей точке пламени и это будет визуально похоже на то, что в пламя врезаются лучи, какие мы привыкли рисовать от солнышка, или какие можно увидеть у фонарей, сощурив глаза.
Так вот, градиент давления – это как раз направление потока. Воздуха, жидкости – неважно. Куда и как сильно потечет – покажет градиент.
С молниями, в принципе, та же история. Только вместо воздуха у нас тут заряженные частицы. А принцип-то тот же. Есть заряженные частицы с одной стороны, есть заряженные частицы с другой, но поменьше. Только вместо давления воздуха мы пользуемся термином «электрический потенциал». А в принципе система так же стремится к равновесию, и по пути наименьшего сопротивления мы можем увидеть поток заряженных частиц. Это и есть молния. Фактически, мы видим эту трубку между двумя областями электрического напряжения в атмосфере, по которой и идет выравнивание. Но мы же видим не одну линию, да, а вроде как дерево? Правильно. Казалось бы – тот самый градиент наблюдаем, но здесь стоит сказать о пробоях.
Когда мы говорим «молния», мы представляем себе такую ломаную линию. Думаю, мало кто представляет себе прямую-прямую молнию, да? Почему молния идет зигзагом? Почему иногда она ветвится? Я сейчас не буду вдаваться в подробности электризации грозовых облаков, или другие механизмы. Скажу только, что это похоже на то, что облако трётся само об себя и получается статический заряд, вроде как в ситуации с эбонитовой палочкой. Ладно, суть в том, что молния происходит в плазме. Плазма получается в результате так называемого пробоя на убегающих электронах.
Пробой примерно похож на цепную реакцию. Собственно, это и есть цепная реакция. Представьте себе толпу на концерте. Все друг с другом сталкиваются. Это не слэм, просто толпа большая и плотная. Среднее расстояние, которое вы можете пройти между столкновениями, будем называть длиной свободного пробега. Вдруг появляется очень быстрый парень, у которого длина свободного пробега больше вашей в сто раз. Он буквально похож на камикадзе, который вбегает в толпу. Если ему повезёт, или не повезёт, я не знаю, что чувствуют камикадзе, когда у них получается то, что они делают… В общем, если повезет – этот парень врежется в кого-то. И раз уж он там так сильно бежал, то получится, что тот, в кого он врезался – тоже резко ускорится. Потихоньку это станет похоже на лавину – по какой-то траектории все начнут толкаться и ускоряться. Что-то вроде потока людей.
В небе та же история примерно происходит с электронами. Важно сказать, что эти электроны-камикадзе движутся с околосветовыми скоростями – поэтому их называют релятивистскими электронами. И при столкновении с частицами они выпинывают, скажем так, из неё аж два релятивистских электрона. Как раз и получается некоторое ветвление, как у дерева.
Откуда появляются первые релятивистские электроны? Их называют затравочными. Сейчас источником затравочных электронов считают космические лучи. Но это для молний, которые бьют из облака в землю. Внутриоблачные молнии могут запуститься и от самолета и ещё много от чего. Сейчас мы поговорим про молнии облако-земля, потому что внутриоблачные похожи на них по принципу, а остальные изучены довольно плохо. Про них скажу позже.
Ещё раз повторюсь, что в области пробоя не обязательно появляется молния. Это-таки плазма. То есть, подготовительный плацдарм, скажем так, для зарождения молнии.
Дальше появляются нити электрических разрядов, которые называются стримерами, потом стримеры сливаются и это уже становится ступенчатым лидером молнии.
Лидер двигается по своей ступенчатой траектории. Он периодически останавливается, заметно затухает, меняет направление, а потом опять продолжает свой путь. Он ищет тот самый поток плазмы, который для молнии подготовил наш пробой. В конце концов, от поверхности Земли навстречу ему выбрасывается ответный стример, который вроде как швейцар встречает основной поток и провожает его к конечному пункту назначения, скажем так. Я сейчас не буду вдаваться в детали возникновения ответного стримера. На этом эффекте работают молниеотводы. Молниеотвод – это электрод – то, что проводит электричество. Это более-менее тонкая штука. Трос, штырь, что-то такое. Во время грозы у поверхности Земли появляется довольно сильное электрическое поле. И вот как раз этот молниеотвод служит своего рода проводником этого электрического поля в небо, скажем так. То есть, это своего рода прям вилка в небо. Вилка, в смысле, которая в розетку, а не в макарошки. Мы, вроде как перехватываем молнию с неба и направляем на молниеотвод. Ещё можно сравнить с ситуацией, когда кто-то плывет к нам, а мы ему протягиваем весло, или палку какую-нибудь, чтобы помочь до нас доплыть. Вот молниеотвод – это как раз палка, которую мы подаем, а, скажем так природные ответные стримеры – это что-то вроде кустов, или деревьев, которые свешиваются над берегом. Вроде тоже можно зацепиться.
В конечном итоге, наш лидер молнии встречается с ответным стримером и происходит главный разряд. Прикол в том, что главный разряд мы видим не сверху вниз, а снизу вверх.
Я же говорил, что у Земли появляется своё электрическое поле? Собственно, космические лучи сверху начинают поток, скажем так, молнии. А когда этот поток достигает Земли – начинается основной процесс выравнивания, скажем так. Помните наши стаканы? Космические лучи – это то, что заставляет появиться дырки в одном стакане, пробой – это те самые трубки наши, ответные стримеры – это такие же трубки из второго стакана. И когда трубки с разных сторон встречаются – происходит тот самый основной разряд. В стаканах выравнивается давление, а в электрическом поле – потенциалы электрические. Тут мощность потока гораздо сильнее. Процесс интенсивнее – путь уже не надо искать.
Вот как-то так оно и происходит. Ладно, давайте потихоньку закругляться. Механизм мы сегодня примерно поняли, а в следующем выпуске я буду рассказывать про то, какие бывают в принципе молнии, и уже пойдём по явлениям. Мне просто очень захотелось рассказать сначала именно механизм, а не сами разновидности.
Давайте переходить к закадру. Он будет довольно коротким.
Пишите лайки, ставьте отзывы, делитесь донатами и отправляйте репосты. Рассказывайте о подкасте всем, кому не лень, отправьте несколько выпусков к себе на стенку, отметьте в сториз, как угодно, в общем) У вас, кстати, уже довольно нехило получается. Статистика на хостинге говорит, что Звездануло чуть ли не прописался в топ-3 подкастов во вкладке Естественные науки в Apple Podcasts. Круто же! И это именно ваша заслуга. Я точно рекламу не давал. Так что, пока никто не придумал стопроцентно работающую схему продвижения подкастов, я прошу именно вас помочь мне в этом деле.
С вами был Роман Юдаев,
Услышимся в следующем выпуске.
