Електрика, гроза та блискавка: що каже наука?

Сьогодні людству відомо, що блискавка є різновидом електричного розряду. Однак науково довести це вдалося зовсім недавно у історичному представленні. Тим не менш, інтерес до цього явища ніколи не згасав, займаючи уми кращих вчених та простого народу. Далі ми розповімо про те, якою є історія розвитку знань людини про грозу та усі процеси, які відбуваються при ній.

Основна кількість гроз припадає на теплу пору року, тому що саме тоді складаються оптимальні умови для накопичення розряду у хмарах. Літні грози одночасно викликають у нас захоплення, страх та цікавість – причому з найдавніших часів. Явище супроводжується звуковими та візуальними ефектами, на які просто неможливо ніяк не реагувати. Вважається, що саме наслідки грози, а точніше – удару блискавки у сухе дерево, подарували людині перший вогонь. З нього наші предки зуміли зробити багаття для приготування їжі та освітлення, а потім перетворити його на скіпки, свічки, лампади та світильники.

Природа явища та історія збору даних про нього

Протягом грози у небі між рівнем хмар та поверхнею нашої планети формуються сильні електричні розряди. Вони зазвичай розходяться вниз у вигляді яскравих кривих, що розгалужуються, та які можна роздивитися тільки за обмежений проміжок часу. Зливовий дощ та сильний поривчастий вітер, які також супроводжують грозу, у даному контексті нас цікавитимуть лише опосередковано – як явища, здатні посилити негативні наслідки для довкілля та людини.

За усього інтересу до грози та блискавки, вивчати їх детально не наважувалися протягом багатьох століть. Вважається, що перші насправді серйозні досліди у цій сфері зумів поставити добре нам відомий американський вчений, винахідник та політичний діяч Бенджамін Франклін. Влітку 1751-го року він проводив час із сім'єю у Філадельфії, паралельно займаючись питаннями науки та держави. Запускаючи зі своїм сином повітряного змія з паперу, Франклін зовсім несподівано для себе поставив один з перших експериментів із блискавками. Змій був прив'язаний за шовкову нитку, а рукояткою для керування ним служив важкий металевий ключ від садової хвіртки. У процесі гри погода різко змінилася, розігрався сильний вітер, який допомагав тримати змій у повітрі, і вчений помітив, що з приходом грозової хмари між його пальцем та ключем проскакувала ледь помітна іскра. За кілька хвилин, коли гроза підійшла ще ближче, за такою іскрою пішов невеликий щипок, а іскра стала помітнішою. Маючи до цього року певні попередні напрацювання, Франклін нарешті отримав переконливі докази своїх припущень про електричну природу блискавки та продовжив подібні експерименти.

Слід зазначити, що дослід із повітряним змієм під час грози на практиці є зовсім не безпечним. Десятки людей у ​​минулі століття гинули у схожих ситуаціях, якщо блискавка припадала просто на їхню іграшку. І навіть зараз періодично трапляються подібні випадки, тому ми настійно рекомендуємо утриматися від експериментів такого роду у якості розваги при грозі.

Відкриття Франкліна не залишилося поза увагою і набуло розвитку найближчими роками. Вже у 1752 році вчений зміг підвести достатню наукову базу, щоб довести широкому загалу, що блискавка за своєю природою є різновидом електричної іскри. Він підтвердив свої здогади щодо того, що грозові хмари мають певний заряд, і саме блискавка здійснює їхній розряд, пролітаючи до поверхі землі. Крім того, продовживши свої дослідження, він зміг детальніше описати ті механізми, які спостерігаються у блискавці, вивчити її природу та структуру на високому для того періоду науково-теоретичному рівні.

Сьогодні структура блискавки описується ще детальніше. Спочатку із зарядженої хмари у бік землі по криволінійній траєкторії різко спрямовується стартовий промінь. Його називають «лідером», оскільки саме за ним піде уся решта заряду. По дорозі від лідера відщеплюються тонші іскри, розходячись, наче гілки дерева. Після того, як лідер пройшов близько 100-120 метрів, він трохи сповільнюється, накопичуючи енергію променів, які підходять зверху, а потім продовжує свій рух вниз, попутно «ухиляючись» від зон з великим опором. Опір повітря безпосередньо впливає на загальну траєкторію падіння блискавки: іскра згортає туди, де такий опір є меншим, часом звиваючись химерним чином. Загальна довжина шляху у такому випадку може сягати декількох десятків кілометрів.

Наблизившись до поверхні землі на відстань у кілька десятків метрів, лідер ініціює зустрічний за напрямом та полярністю розряд. Останній повинен виходити з певної височини, щоб полегшити та прискорити контакт. У момент зустрічі лідера із зустрічним зарядом, який піднімається, утворюється так званий «струмовий стовбур» – своєрідний аналог дроту або кабелю у класичній електричній схемі. Сила струму у такому стовбурі може сягати кількох сотень тисяч ампер. При цьому час розряду – тобто, майже усе існування блискавки – здатне обчислюватися лише тисячними долями секунди. Саме у цей момент ми встигаємо її роздивитися. Якщо розряду вдалося протриматися десяту долю секунди, його вже вважають тривалим.

Людей завжди цікавило питання: за яким принципом блискавка «обирає», куди їй слід вдарити. На розгадку суті пішло набагато менше часу, аніж на її детальне роз'яснення. Насамперед, це пов'язано з тим, що людина, яка спостерігає блискавку, завжди покладала усі надії на рушійну силу у ній самій. Насправді ж виявилося, що велике значення має зустрічний заряд. Він виникає десь під лідером при наближенні того до землі, і насправді являє собою певний індукований електричний заряд, властивості якого обмежені характеристиками височини. Насправді таких зарядів безліч, але вони розподіляються по-різному з урахуванням висот рельєфу та хімічного складу матеріалів, з яких складаються точки височини. Там, де за ті самі долі секунд індукованого заряду встигло накопичитися найбільше, формується область з підвищеною напруженістю електричного поля. Ще через одну мить у цій зоні відбувається пробій повітря.

Ідеальні для пробою точки – не просто височини, а гострі об'єкти – вершини будівель, кінці гілок дерев, камені, що стирчать зі скель. За усіма правилами електротехніки саме на кінчиках тонких об'єктів зазвичай збирається максимальний заряд, а це суттєво підвищує ймовірність, що блискавка вдарить якраз туди. Однак не варто забувати, що це лише ймовірність, а не гарантія. Блискавка під час грози – складне явище, тому до уваги слід брати й інші фактори. Лідер рухається занадто швидко, щоб мати можливість «аналізувати» напруженість полів у зоні падіння. Тому у кінцевому підсумку він часто прямує у той бік, де вигідно збігаються і висота об'єкта, і якомога більша електропровідність повітря, і якнайменший його опір.

На порівняно рівній поверхні (наприклад, у рівнині чи на полі) особливе значення матимуть характеристики ґрунтів. Якщо під поверхневим шаром землі залягає металева руда, ймовірність, що блискавка при грозі спрямується саме у цю зону, набагато вища. У той самий час, у область із сухим піском, який має дуже невисоку електропровідність, блискавка навряд чи вдарить. Такий ґрунт не забезпечує провідності, достатньої для того, щоб зібрати та просунути індукований заряд до найвищої точки місцевості. За інших рівних блискавка цілком може обійти досить високий піщаний пагорб, вдаривши у струмок, який протікає неподалік, навіть якщо той знаходиться не просто у низині, а у нижній її частині. Саме тут стає очевидним, що провідність матеріалу вносить у кінцевий результат набагато більший внесок, ніж геометрична висота об'єкта над поверхнею.

Хоча остання думка ясно доводить, що звичне сприйняття питання про ймовірність удару у конкретне місце може бути поставлене під сумнів, захист об'єктів здійснюють саме за висотою. Усі сучасні будівлі складаються із залізобетону, тобто, мають армуючий каркас із металу, який добре проводить струм. При цьому вони височіють над рівнем землі, притягуючи до себе лідерів. Не варто також забувати, що всередині споруд є вже готова інфраструктура для проходження струму: по усіх поверхах щільною мережею тягнеться проводка, з'єднуючи між собою розетки, світильники, вимикачі та електроприлади. Причому у частині з останніх є свої компоненти, які індукують електричне поле. Для заряду з блискавки така система є вельми привабливою.

Знизити шанси на те, що блискавка вдарить безпосередньо у будівлю, порівняно легко: потрібно надати їй такий об'єкт, який буде вищий за споруду. Друга важлива властивість – висока електропровідність. Благо, у наш час немає проблем із металом, тому для цих цілей цілком підійде міцна металева конструкція, встановлена ​​просто на даху будівлі. Такі споруди звуться блискавковідводами, хоча фактично є скоріше приманками для блискавок. Вироби виконують у вигляді довгих гострих штирів, які приєднані до спеціального заземлення. Виконувати останнє заведено дуже якісно, ​​використовуючи фрагменти металу досить великої площі. Такий контур зазвичай вкопують дуже глибоко, щоб на рівні занурення завжди була присутня досить висока вологість ґрунту. Це допоможе якнайшвидше розподілити небезпечний заряд по ґрунту, фактично нівелювавши його величину.

Зону захисту блискавковідводу оцінюють за правилом конуса. Вершиною фігури у цьому випадку буде пік блискавковідводу, а промені, які виходять з неї в бік поверхні землі, сформують захищену область. Така схема передбачає, що більше 99,99% блискавок, які б'ють у цю зону, будуть притягнуті вістрям блискавковідводу. Потрапити іскрою у захищену зону практично нереально – ймовірність, що це може статися, з'являється тільки у тому випадку, коли хмарочос виявиться настільки високим, що грозові хмари будуть розташовуватися нижче за його дах. І то важливою умовою тут буде близькість будівлі та хмари – за достатньої відстані блискавка може вдарити навіть трохи вгору, зовсім не торкнувшись розташованих нижче поверхів.

На підставі викладених тут фактів можна легко зрозуміти, чому блискавковідвід є настільки ефективним. Навколо його вістря під час грози швидко збирається електричне поле з найвищою у досить великому радіусі напруженістю. Тому саме звідти найпростіше назустріч лідеру вирватися зустрічному індукованому розряду, спрямовуючи блискавку найбезпечнішим шляхом. Блискавковідвід буквально «зустрічає» загрозу і сам же «проводжає» її у землю, не даючи завдати шкоди. Така концепція була запропонована Франкліном, і до цього дня вона демонструє свою ефективність. Статистика підтверджує, що при правильному зведенні подібної споруди будівля буде захищена від блискавок щонайменше на два сторіччя.

Щодня на нашій планеті відбувається величезна кількість гроз. У гідрометцентрах стверджують, що кожної хвилини на Землі починається близько 1500 гроз, за ​​яких щомиті з хмар виривається близько сотні блискавок. За день їхня кількість перевищує значення 8 млн, проте реальних збитків завдають лише десятки. Розподіл гроз нерівномірний: над сушею їх у 10 разів більше, ніж над водою, а у тропіках та на екваторі концентрується близько 78% від загальної кількості розрядів. На полюсах нашої планети грози практично не трапляються, а найбільші їхні центри поза екваторіальною частиною планети розташовуються поблизу великих гірських масивів – у Кордильєрах та Гімалаях.

У нашій наступній статті ми продовжимо цю тему не лише навівши ще більше цікавих фактів про блискавки, але й розповівши про те, яких заходів безпеки слід дотримуватись, щоб уберегти себе під час грози.