Озадачивая лучших ученых на 50 лет: физики разгадывают молниеносную загадку
Город молний

Молния – это природное явление, возникающее во время грозы, когда разряд электричества в атмосфере вызывает яркую вспышку света. Он обычно сопровождается громом, который представляет собой звук, производимый расширением быстро нагретого воздуха, вызванного разрядом электричества. Молния вызывается накоплением положительных и отрицательных зарядов внутри облака или между облаком и землей. Когда разница в этих зарядах становится слишком большой, возникает разряд электричества, который может проявиться в виде молнии.

Каждый день на планете происходит около 8,6 миллионов ударов молнии, каждая из которых движется со скоростью более 320 000 километров в час и генерирует огромное количество электроэнергии.

Вы когда-нибудь задумывались, почему молнии идут зигзагами? Ученые спорят о причинах, почему молния движется зигзагами и как это связано с грозовым облаком наверху в течение последних 50 лет.

До сих пор не было окончательного объяснения, поскольку физик плазмы из Университета Южной Австралии (UniSA) опубликовал знаменательную статью, которая решает обе загадки.

Доктор Джон Лоук, бывший научный сотрудник CSIRO, а ныне адъюнкт-профессор UniSA, говорит, что физика молнии десятилетиями ставила в тупик лучшие научные умы.

«Есть несколько учебников по молнии, но ни в одном из них не объясняется, как формируются зигзаги (называемые ступенями), почему электропроводящая колонна, соединяющая ступени с облаком, остается темной и как молния может распространяться на километры», — доктор Лоук. говорит.

Ответ? Синглет-дельта метастабильные молекулы кислорода.

По сути, молния возникает, когда электроны ударяются о молекулы кислорода с достаточной энергией, чтобы создать высокоэнергетические синглетные дельта-молекулы кислорода. После столкновения с молекулами «оторвавшиеся» электроны образуют высокопроводящую ступеньку — первоначально светящуюся — которая перераспределяет электрическое поле, вызывая последовательные ступеньки.

Проводящий столбик, соединяющий ступеньку с облаком, остается темным, когда электроны присоединяются к нейтральным молекулам кислорода, после чего происходит немедленный отрыв электронов синглетными дельта-молекулами.

Почему это важно?

«Нам нужно понять, как инициируется молния, чтобы мы могли понять, как лучше защитить здания, самолеты, небоскребы, ценные церкви и людей», — говорит доктор Лоук.

Хотя люди редко поражаются молнией, в здания попадают много раз, особенно в высокие и изолированные (Эмпайр-стейт-билдинг поражает около 25 раз в год).

Решение по защите сооружений от ударов молнии оставалось неизменным на протяжении сотен лет.

Громоотвод, изобретенный Бенджамином Франклином в 1752 году, представляет собой толстую проволоку для ограждения, прикрепленную к крыше здания и соединенную с землей. Он призван притягивать молнии и заземлять электрический заряд, спасая здание от разрушения.

«Эти стержни Франклина необходимы сегодня для всех зданий и церквей, но неясным фактором является то, сколько их необходимо для каждой конструкции», — говорит доктор Лоук.

Есть также сотни построек, которые в настоящее время не защищены, в том числе навесы в парках, часто сделанные из оцинкованного железа и поддерживаемые деревянными столбами.

Это может измениться с появлением новых австралийских стандартов молниезащиты, в которых рекомендуется заземлять эти крыши. Доктор Лоук был членом комитета Standards Australia, рекомендовавшим это изменение.

«Улучшение молниезащиты так важно сейчас из-за более экстремальных погодных явлений из-за изменения климата. Кроме того, в то время как разработка экологически чистых композитных материалов в самолетах повышает эффективность использования топлива, эти материалы значительно увеличивают риск повреждения от молнии, поэтому нам необходимо рассмотреть дополнительные меры защиты.

«Чем больше мы знаем о том, как возникает молния, тем лучше мы будем информированы при проектировании нашей искусственной среды», — говорит доктор Лоук.

Ссылка: «К теории «ступенчатых лидеров» в молниях» Джона Дж. Лоука и Эндре Дж. Сили, 13 декабря 2022 г., Journal of Physics D: Applied Physics .
DOI: 10.1088/1361-6463/aca103

Изменение климата
Дата публикации: 2022.12.24