В грозовом облаке сталкиваются капли и частицы льда, разделяются электрические заряды. Когда возникает разряд, мы видим молнию; воздух вдоль её пути резко нагревается и создаёт гром. Свет доходит раньше звука, поэтому вспышку мы замечаем первой.
Вечером небо на секунду становится белым, а гром приходит позже. Это два следствия одного события. В грозовом облаке разделились электрические заряды, между областями с разным зарядом возник разряд, и воздух вдоль его пути мгновенно нагрелся. Свет от разряда мы увидели почти сразу; звуковой волне понадобилось время, чтобы добраться до нас. Разберём этот путь по шагам и выясним, что действительно можно понять по вспышке и звуку.
В статье вы узнаете:
Грозовое облако растёт вверх благодаря сильным восходящим потокам. Внизу в нём могут быть жидкие капли, выше встречаются переохлаждённые капли, которые остаются жидкими даже при температуре ниже 0 °C, и разные частицы льда. Воздух постоянно перемешивает их: мелкие кристаллы поднимаются, более тяжёлые ледяные крупинки и градины падают или задерживаются потоком. Столкновения частиц помогают передавать электрический заряд между ними. Упрощённо верхняя часть облака часто получает положительный заряд, а область ниже отрицательный. У самого основания иногда появляется и небольшая положительная область. Реальное распределение меняется по ходу грозы.
Представьте два конца батарейки, разделённые промежутком воздуха, только в облаке всё гораздо крупнее и не так аккуратно устроено. Заряды действуют на окружающее пространство; это действие называют электрическим полем. Чем сильнее различается электрическое состояние областей, тем сильнее поле между ними. Воздух обычно служит изолятором: заряды не могут просто беспрепятственно перетечь через всё пространство. Но при достаточно сильном поле в воздухе появляются проводящие участки. Из них складывается путь будущего разряда.
Это не означает, что любая тёмная туча произведёт молнию. Цвет облака говорит главным образом о том, сколько света прошло через его толщу и что находится за ним. Для грозы нужны подходящие движения воздуха и электрические условия. Поэтому по одному тёмному цвету нельзя честно предсказать ни молнию, ни время её появления. Как облако вообще даёт дождь, мы разбираем отдельно: осадки и электрический разряд связаны с одним мощным облаком, но это разные процессы.
Разряд не похож на готовую светящуюся верёвку, которую облако бросило вниз. В распространённом варианте молнии между облаком и землёй от облака развивается слабосветящийся ветвящийся канал. Его передний конец продвигается короткими шагами и ищет путь через воздух. Навстречу могут подниматься проводящие каналы от деревьев, крыш, мачт и других предметов. Когда пути соединяются, по созданному каналу проходит мощный ток. Яркий импульс, который мы обычно видим, распространяется по каналу вверх от точки соединения.
Это звучит неожиданно: молния на рисунке «бьёт сверху вниз», а яркая часть движения может идти снизу вверх. Противоречия нет. Сначала вниз развивается сравнительно тусклый канал, затем соединение с землёй даёт яркий обратный импульс. Всё занимает доли секунды, поэтому глаз видит вспышку как одно событие. Национальная метеослужба США показывает эту последовательность на материалах высокоскоростной съёмки.
Иногда по тому же пути проходят ещё импульсы. Из-за этого молния кажется мерцающей, хотя для нас это всё ещё одна вспышка. А ветки, которые не дошли до земли, могут оставаться видимыми по сторонам главного канала. Именно поэтому на снимке молния похожа на дерево с разветвлениями, а не на ровную линию. Как возникает её зигзагообразная форма, разбираем отдельно.
Электрический ток быстро нагревает узкий канал воздуха вокруг молнии. Воздух резко расширяется и толкает соседние слои. Возникает волна давления: сначала очень резкая, затем она ослабевает и превращается в знакомый звук. Это и есть гром. Сам свет «не издаёт звук»; общий источник света и грома находится в электрическом разряде и его действии на воздух.
Можно представить короткий хлопок от лопнувшего шарика: воздух резко пришёл в движение, и до уха дошла волна. У молнии энергия и длина канала несравнимо больше. Сравнение помогает понять волну, но шарик не воспроизводит ни электрический разряд, ни температуру внутри молнии. NOAA объясняет гром быстрым нагреванием, расширением и последующим сжатием воздуха вдоль канала.
Молния и гром возникают почти одновременно. Мы видим их по очереди из-за разной скорости распространения света и звука. Свет проходит расстояние от облака до нас за ничтожную долю секунды. Звук в воздухе при обычных условиях идёт примерно 340 метров в секунду, и на каждый километр ему нужны около трёх секунд. Для сравнения можно открыть скорость света в километрах в секунду: она огромна по отношению к скорости звука. При оценке расстояния до грозы это позволяет пренебречь временем пути света.
Если вы уже в безопасном помещении, можно оценить расстояние до услышанной молнии. Засеките секунды от вспышки до первого звука грома и разделите на три. Задержка девять секунд даёт примерно три километра. При шести секундах получается около двух километров. Это удобный ориентир, а не точные координаты удара: разряд растянут в пространстве, звук приходит от разных частей канала, а скорость звука зависит от состояния воздуха.
Здесь важна небольшая, но полезная мысль: считать надо до начала грома, а не до конца раската. И сравнивать лучше вспышку со звуком именно от неё. Когда гроза активная и вспышек много, легко принять гром одной молнии за ответ на другую и получить бессмысленную цифру. В таком случае арифметику лучше оставить и просто сохранять укрытие.
Расстояние в три километра не означает, что безопасно выйти на улицу. Молния может ударить в стороне от дождевой полосы и от ближайшей видимой вспышки. Сам факт слышимого грома означает, что гроза достаточно близка для осторожных действий. Расчёт нужен, чтобы понять задержку света и звука, а не чтобы выбирать момент для выхода из укрытия.
Молния занимает длинный ветвящийся путь, а не одну точку. Разные части этого пути находятся от вас на разном расстоянии. Звук от ближайшего участка приходит раньше, от дальнего позже. Поэтому один разряд способен дать продолжительный раскат. К нему могут добавиться отражения звука от поверхности и облаков, а воздух по дороге лучше пропускает одни частоты и слабее другие.
Резкий треск или хлопок часто означает, что часть канала была близко. Далёкий гром звучит глуше и растягивается. Но по одному виду звука нельзя вычислить точное место удара: влияет форма канала, рельеф и состояние воздуха. Если гром сразу после вспышки ударил почти без задержки, молния была очень близко. Это повод оставаться в защищённом месте, а не идти смотреть, куда она попала.
Да. Молнии могут возникать внутри одного облака, между облаками и между облаком и землёй. Разряды внутри облака нередко освещают его изнутри: человек видит, как на мгновение вспыхнула целая туча, но не различает яркого канала. Это всё равно молния, а не отдельное явление. Самая знакомая на плакатах линия от тучи до дерева показывает лишь один тип разряда.
Иногда вдали видно зарево или вспышку, а грома не слышно. В этом случае звук мог ослабеть на пути, потеряться за шумом или прийти из слишком далёкой грозы. Выражение «зарница без грома» описывает наше наблюдение, а не молнию, которая физически не нагрела воздух. При этом нельзя судить о безопасности только по отсутствию звука: следите за официальным предупреждением и ближайшими грозовыми облаками.
И ещё одна путаница: молния не обязана бить в самую высокую точку всей местности. Высокие предметы чаще оказываются удобным местом соединения канала, но путь конкретного разряда зависит от сложной электрической обстановки. Открытое поле, одинокое дерево и вершина холма остаются плохими местами для ожидания грозы.
Лучшее действие начинается до первого близкого удара: зайдите в капитальное здание или в закрытый автомобиль с металлической крышей и поднятыми окнами. Открытая беседка, навес или одиночное дерево не дают такой защиты. Если слышен гром, гроза уже достаточно близка, чтобы прекратить прогулку, купание и занятия на открытой площадке. По рекомендациям NOAA, возвращаться наружу стоит не раньше чем через 30 минут после последнего грома. Новое звучание грома перезапускает отсчёт.
В помещении держитесь подальше от проводной электропроводки и сантехники: разряд может пройти по инженерным системам. Телефон без проводного подключения обычно можно использовать, но не стоит одновременно заряжать его от розетки во время грозы. Если безопасного укрытия поблизости нет, нельзя обещать универсальную позу, которая сделает открытое пространство безопасным. Ищите путь к капитальному зданию или закрытому автомобилю и следуйте местным предупреждениям.
Математика «вспышка, девять секунд, значит три километра» здесь не отменяет правила. Следующий разряд может пройти другим путём. Расстояние до уже случившейся молнии не сообщает, где появится следующая.
У молнии есть несколько привычных загадок, которые проще решить, если разделять электрический разряд, свет и звук.
Да. Разряд может выйти из боковой части грозового облака и достичь места в стороне от сильного дождя. Если видите грозу поблизости или слышите гром, сухая площадка не делает прогулку безопасной.
Гром возникает из-за молнии. Вспышка могла произойти внутри облака, за домом или вне поля зрения, а звук до вас дошёл. Солнце и синий участок неба над головой тоже не исключают грозу поблизости.
Звуку нужна среда, в которой распространяется волна давления. В почти пустом космическом пространстве привычный воздушный гром не распространялся бы. В земной атмосфере средой служит воздух.
Около одного километра до части канала, звук от которой вы услышали первой. Это грубая оценка. При таком коротком интервале оставайтесь внутри надёжного укрытия.
По одному проводящему пути могут пройти несколько быстрых импульсов. Глаз воспринимает их как повторные вспышки или мерцание одной молнии.
Теперь грозу можно мысленно прочитать в прямом порядке: столкновения частиц помогают разделить заряды в облаке, разряд создаёт яркий канал, нагретый воздух порождает звуковую волну. Вспышка приходит первой, гром догоняет её позже. А практический вывод короткий: если вы уже слышите гром, сначала найдите укрытие; разбираться в секундах можно изнутри.
Напишите своё мнение, комментарий или предложение.