Гроза. Молния.
Прилагательное "грозный" образовано от существительного "гроза". После такого тонкого лингвистического наблюдения и глубокомысленного вывода сразу вспоминаются прекрасные стихи Ф.И. Тютчева: "Люблю грозу в начале мая..." Конечно, гроза бывает в любое время года, даже зимой, но весной, когда природа цветёт, гроза особенно красива, что и подметил поет.
Что же представляет собой красивое, величественное и одновременно опасное явление природы, называемое грозой? Об этом учёные и простые люди задумывались давно. Не понимая причин сущности грозы, люди в давние времена постоянно испытывали священный ужас перед этим явлением природы. И было от чего приходить в ужас: последствиями сильных гроз нередко бывали разрушения жилищ и хозяйственных построек, пожары, гибель людей и домашних животных.
Только в XVIII веке учёные установили, что молния - это искровой разряд атмосферного электричества. Изучением атмосферного электричества занимались многие ученые, в том числе М.В. Ломоносов, который высказал правильную догадку о вертикальных течениях в атмосфере и появлении электрических зарядов на облаках. На опытах, проведённых в 1752-1753 годах, М.В. Ломоносов и американский исследователь и государственный деятель Вениамин Франклин (1706-1790) одновременно и независимо друг от друга доказали, что грозовая молния - это гигантская электрическая искра, которая ничем кроме размеров и, соответственно, энергии не отличается от искры, проскакивающей между шарами лабораторной электрической машины.
Ломоносов построил "громовую машину", представлявшую собой конденсатор, который заряжался атмосферным электричеством через провод, конец которого был поднят над землёй на высоком шесте. Конденсатор находился в кабинете Ломоносова. Во время грозы можно было извлекать искры из конденсатора, когда к нему приближались руками. Во время таких опытов в 1753 году на глазах у Ломоносова погиб работавший вместе с ним его друг, немецкий ученый Георг Рихман.
Не менее опасный опыт проводил в Америке примерно в то же время Франклин. Он запустил во время грозы на бечёвке бумажного змея, который был снабжён железным остриём. К нижнему концу бечёвки был привязан металлический предмет (дверной ключ). Когда бечёвка намокла и превратилась в проводник электрического тока, Франклин смог извлечь из ключа электрические искры и зарядить лейденские банки для дальнейших опытов с электрической машиной. Ясно, что Франклин сильно рисковал, т.к. молния могла ударить в змей, и тогда электрический ток большой величины прошёл бы в землю через тело экспериментатора.
Опыты Ломоносова и Франклина показали, что грозовые облака сильно заряжены электричеством.
В дальнейшем было установлено, что разные части грозового облака несут заряды различных знаков. Чаще всего нижняя часть облака (обращённая к земле) бывает заряжена отрицательно, а верхняя положительно. Напомним, что Земля в целом обладает отрицательным зарядом. Если два облака сближаются разноимённо заряженными частями, то между ними проскакивает молния. Но грозовой разряд может произойти и иначе. Проходя над землёй, грозовое облако создаёт на её поверхности большие индукционные заряды. Облако и поверхность земли образуют как бы две обкладки большого конденсатора. Разность потенциалов между облаком и землёй достигает огромных значений, достигающих сотен миллионов вольт, и в воздухе возникает сильное электрическое поле. Если напряжённость этого поля достигает определенного предела, то происходит пробой, т.е. молния ударяет в землю. О возможных последствиях такого удара для людей и окружающих предметов мы уже упоминали.
Многочисленные и многолетние исследования показывают, что искровой разряд в молнии имеет следующие средние параметры:
Напряжение между облаком и землёй — 100 000 000 (сто миллионов) вольт;
Сила тока в молнии — 100 000 (сто тысяч) ампер;
Продолжительность электрического разряда — 10-6 (одна миллионная) секунды;
Диаметр светящегося канала — 10-20 см.
Гром, возникающий после молнии, объясняется тем, что воздух внутри и вокруг канала молнии сильно нагревается и быстро расширяется, создавая звуковые волны. Когда эти волны отражаются от облаков или объектов на поверхности земли, то возникает эхо, воспринимаемое нашим слухом как громовые раскаты. Сокрушительный грохот этих раскатов косвенно говорит о том, насколько чудовищны значения электрических величин, породивших молнию.
Электрическое поле Земли.
Исследователями установлено, что между различными точками земной атмосферы, находящимися на разной высоте, имеется разность потенциалов, т.е. около земной поверхности существует электрическое поле. Величина изменения потенциала с высотой различна в разное время года и для разных местностей и имеет вблизи земной поверхности среднее значение 130 вольт на каждый метр. Другими словами, напряженность поля вблизи Земли равна 1,3 в/см. По мере подъема над Землёй поле это быстро ослабевает, и уже на высоте 1 км напряжённость его равна только 0,4 в/см, а на высоте 10 км оно становится ничтожно слабым. Знак этого изменения соответствует отрицательному заряду Земли. Таким образом, мы постоянно живём и работаем в электрическом поле довольно значительной напряженности.
Поскольку поле вблизи Земли имеет напряженность около 130 в/м, то между точками, в которых находятся голова и ноги каждого из нас, должно было бы быть напряжение свыше 200 вольт. Почему же мы не ощущаем этого поля, в то время как прикосновение к проводнику, включенному в сеть с напряжением 100-120 вольт может оказаться не просто болезненным, но и смертельно опасным? Оказывается, дело в том, что тело человека является проводником и поэтому поверхность его в поле при равновесии зарядов должна быть эквипотенциальной поверхностью, т.е. такой, для любой пары точек которой разность потенциалов равна нулю. Поэтому между отдельными точками поверхности тела (головой и ногами) не может быть разности потенциалов. Земной шар в целом является проводником, поэтому поверхность Земли есть также эквипотенциальная поверхность.
Опытное исследование электрического поля Земли и соответствующие расчеты показывают, что Земля в целом обладает отрицательным зарядом, средняя величина которого оценивается в полмиллиона кулонов (около 4,5x105). Этот заряд поддерживается приблизительно неизменным благодаря ряду процессов в атмосфере Земли и вне её (в мировом пространстве), которые ещё далеко не полностью выяснены.
Где же расположены соответствующие положительные заряды? Эти заряды находятся в так называемой ионосфере, т.е. в слое ионизированных (положительно заряженных) молекул, находящемся в нескольких десятках километров над Землёй. Объёмный положительный заряд этого слоя атмосферы и компенсирует отрицательный заряд Земли. Линии земного электрического поля идут от этого слоя к поверхности Земли (от положительного заряда к отрицательному).
Радуга.
Обычно после дождя на небе появляется радуга, эта красочная арка из воды и света. С незапамятных времён радуга волновала умы исследователей и мифотворцев. Аристотель, например, считал радугу отражением солнечного света облаками. Это, конечно, слишком большое упрощение действительного явления. По современным представлениям белый свет является смесью различных излучений со своими длинами волн. Попадая во взвешенную в воздухе водяную капельку, луч белого света преломляется как в призме. Попадая на внутреннюю стенку капли, он отражается и распадается на одноцветные излучения, которые под разными углами направляются к противоположной стенке. Эти излучения при выходе наружу обладают цветом, соответствующим их собственной длине волны. Они и образуют разноцветную палитру радуги. С помощью точных приборов исследователи определили, что угол отражения красного луча равен 137о58`, фиолетового — 139о43`. Так возникает хрупкая, неизменно повторяющаяся строгая последовательность цветов: по внутреннему краю радуги — фиолетовый, постепенно переходящий в синий, зелёный, желтый, оранжевый, и по наружному краю — красный.
Точно так же синий ореол над далёкими вершинами или над морским горизонтом возникает при столкновении лучей определённой длины волны с частицами, образованными молекулами воздуха. Если бы свет не отражался от капель и частиц, то небо казалось бы нам таким же чёрным, как и межпланетное пространство, которое наблюдают космонавты за пределами земной атмосферы.
Научное объяснение радуги дал ещё в 1635 году Рене Декарт в своем труде «Метеоры» в главе «О радуге», представленной на нашем сайте.
Световые волны — это электромагнитные колебания. Воспринятые глазом и обработанные мозгом, они создают воспринимаемую нами трёхмерную красочную картину мира. Радуга — это упорядоченная серия электромагнитных колебаний с длинами волн от 8x10-5 см для красного цвета до 4x10-5 см для фиолетового. Длины волн для других цветов находятся в промежутке между указанными величинами. Человеческий глаз — это немыслимо сложный физический прибор, способный обнаруживать различие в цвете, даже в оттенках цвета, которым соответствует совершенно незначительная разница в длине световых волн: около 10-6 (около одной миллионной!) сантиметра. Вообще говоря, в природе никаких красок не существует, есть только волны разной длины. Видимые нами цвета — это измеренная глазом и истолкованная мозгом энергия световой волны. Удивительная игра красок реализуется нашим глазом лишь в узкой полосе частот световых колебаний. А как мог выглядеть окружающий мир, если бы человеческому глазу был доступен более широкий спектр частот для перевода их в цветовую гамму? Такую ситуацию мы вообразить не в состоянии.
А теперь несколько слов о других явлениях природы, связанных с функционированием биосферы. В продолжение темы атмосферных осадков необходимо сказать о снегопадах и выпадениях града. Физически оба этих вида осадков едины, т.к. представляют собой выпадение из облаков той же воды, превращенной низкими температурами воздуха в другое агрегатное состояние. При повышении температуры примерно до 0о-1о Цельсия снег и град снова превращается в воду, т.е. в жидкую фазу.
Для земледельцев обильные снегопады в начале зимы — признак хорошего будущего урожая: ведь семена озимых теперь хорошо укрыты от морозов. "Снег глубок - и хлеб хорош" — так исстари говорили в русских деревнях. А покрытые снегом деревья напоминают очаровательную зимнюю сказку. Сколько радости у детей, когда они имеют возможность слепить снежную бабу, или поиграть в снежки!
Но не только радость приносят снегопады. Если они слишком обильны, продолжительны и вьюжны — чего уж тут хорошего. Метровые сугробы и заносы на дорогах, перерывы в работе наземного и воздушного транспорта, обрывы электропроводов, сходы снежных лавин в горах, нередко приводящие к пленению, а иногда и гибели людей в снежной массе. Для диких животных и птиц затрудняется поиск корма. Всё это мы наблюдаем и переживаем почти ежегодно в самых разнообразных районах земного шара.
Крупный град, особенно если он выпадает весной, способен нанести большой вред урожаю садов и полей, а то и вызвать повреждения построек, автомобилей, стоящих под открытым небом и т.д.