Ученые раскрывают тайны того, как работают молнии и грозы

Фото: Bernardo de Menezes Petrucci/Wikimedia

Молнии и грозы становятся все более распространенным явлением и у ученых есть предположения, что в результате глобального потепления их будет еще больше.

В 2014 году профессор Дэвид Ромпс из Калифорнийского университета в Беркли, США, разработал атмосферную модель, согласно которой количество молний будет возрастать на 12% при каждом увеличении температуры воздуха на Земле, пишет Phys. org.  

Он и его коллеги из Нидерландов изучили количество пожаров, вызванных молнией в лесах Аляски и Канады, и обнаружили, что за последние 40 лет они увеличивались на 2–4% в год. 

Если, например, снять удар молнии и воспроизвести его в сверхзамедленной съемке, то можно заметить, что он происходит ступенчато. По словам доктора Алехандро Луке из Института астрофизики Андалусии в Гранаде, Испания, прежде чем двигаться дальше, удар на некоторое время останавливается. Но никто не знает, почему это происходит.

Спрайты 

Спрайты — это огромные цветные струи света, которые возникают на высоте от 50 до 90 км над землей, что значительно выше образования гроз. Так как их трудно увидеть с земли, в течение многих лет их существование было поставлено под сомнение. 

Доктор Луке изучал их в основном, глядя на фотографии, сделанные с исследовательских самолетов. Физику спрайтов изучать легче, чем физику молний, поскольку на такой высоте электрические разряды происходят медленно и при низких температурах. К тому же, во время вспышки температура молнии выше, чем на поверхности Солнца. 

Читайте также:Как от Киева до Донецка. Ученые зафиксировали самую длинную молнию

Но по словам доктора Луке, разрядные каналы спрайтов имеют почти такую же температуру, как и окружающий воздух. В спрайтах есть каналы, состоящие из множества крошечных нитей — стримеров. По мере их распространения яркие вспышки внутри них становятся интенсивнее. 

В спрайтах яркое свечение происходит благодаря поведению электронов, они прикрепляются к молекулам воздуха, и это увеличивает силу электрического поля, производя более яркий свет. 

Ступени молнии 

Это объяснение бесспорное, говорит Доктор Люк, но никто не знает может ли аналогичный процесс объяснить, почему сама молния протекает ступенчато. 

В контексте молнии на более низких высотах молекул воздуха больше, и прикрепление к ним электронов может происходить несколько иначе, создавая ступенчатый рисунок. 

С помощью своего проекта eLightning Доктор Луке хочет узнать это наверняка. Сейчас его команда работает над созданием вычислительной модели молнии, чтобы проверить, может ли ожидаемый ими процесс, объяснить ее ступенчатость.  

Читайте также:Смерть с небес: в Индии за день от ударов молний погибли более 100 человек

Стоит отметить, что понимание этого процесса, не поможет ученым сделать его менее опасным, однако оно может быть полезным в других областях. 

Так, например, разряды могут образовываться вокруг линий электропередач, и поэтому они должны быть спроектированы таким образом, чтобы свести это к минимуму. Такие разряды также используются в промышленности, например, для очистки отработанных промышленных газов и даже в фотокопировальных аппаратах.

Разряды молний могут показаться одним из самых опасных явлений, но они также создают необычно сильные ветра. В европейской погоде преобладают внетропические циклоны, спиральные воздушные потоки, которые приносят с собой ветер и дождь.

Всякий раз, когда в Европе строится здание, проектировщики должны убедиться, что оно сможет выдержать сильные ветра, а модели, которые они используют для этого, основаны на внетропических циклонах. Проблема в том, что они учитывают ветра, которые считаются редкими, например, грозы.

Читайте также:Молния убила четырех горилл находящегося на грани вымирания вида

Грозы 

Для начала нужно понять разницу между циклонами и грозами. Во-первых, циклоны менее интенсивны и могут продолжаться 3 дня, в то время как грозы длятся около 20 минут. Поэтому вместо умеренного, устойчивого ветра получаются очень сильные шквалы. Во-вторых, сила ветра меняется в зависимости от высоты. Циклоны становятся все сильнее и сильнее.  

Грозы, с другой стороны, порождают ветер, зарождающийся на высоте примерно 100 м и дующий вниз, причем ветер усиливается по мере спуска.

«Обычный ветер дует параллельно земле, но гроза дует к низу. Это совершенно другой процесс», — отметил профессор Джованни Солари из Университета Генуи в Италии. 

По его словам, люди чрезмерно увлеклись проектированием  высоких зданий, особенно небоскребов. Верхние 200 метров 300-метрового небоскреба, вероятно, не обдуваются ветрами от грозы, но люди проектируют их так, как будто они будут обдуваться, потому что модели предполагают, что выше ветер становится сильнее. 

Солари считает, что люди делают здания слишком безопасными. Но с другой стороны, небольшие подъемные краны могут опрокинуться из-за грозы, которая создает самый сильный ветер на уровне земли. 

Цель Солари в рамках проекта THUNDERR — сделать строительство более эффективным и менее дорогостоящим, создав модель грозового ветра, которую можно использовать для проектирования зданий. 

Первый шаг состоял в том, чтобы взять искусственную грозу, созданную в аэродинамической трубе мирового класса в университете Онтарио, Канада, и создать ее модель. 

По словам Солари, этот шаг уже выполнен. Теперь он переходит к моделированию настоящих гроз, которые очень разнообразны. Чтобы упростить работу, профессор Солари и его команда построили сеть из 45 метеорологических вышек, расположенных вокруг побережья Средиземного моря, предназначенных для сбора данных о ветрах, создаваемых грозами.

«Теперь наш план состоит в том, чтобы скорректировать исходную модель, учесть все виды гроз и сделать ее как можно больше правдоподобной», — добавил профессор.