Як утворюється блискавка та грім

З давніх-давен поняття блискавки пов’язувалося з надприродним, реальним проявом сили та могутності богів.

У стародавніх греків блискавка — яскравий спалах світла, вважалася зброєю верховного бога Зевса, за допомогою якої він карав своїх ворогів. Грім при цьому частіше пов’язувався з ім’ям бога морів Посейдона.

У скандинавській міфології блискавка була молотом головного бога — Тора, який він кидав у ворогів-велетнів.

Подібні історії притаманні міфології Індії, давнім легендам народів майя та ацтеків. Це було єдино зрозумілим поясненням природи цього атмосферного явища рівня пізнання природи людиною тих часів.

Але й сьогодні, сучасні гіпершвидкісні та надчутливі прилади не дають точного та однозначного пояснення процесам, що відбуваються з моменту зародження потужного потенціалу атмосферної електрики до його розряду та зникнення.

Що таке блискавка

Сліпучий спалах світла, що супроводжується гучними звуком низької частоти, що нагадує вибух, це дуже великий аналог іскри, яка виникає при замиканні контактів батареї кишенькового ліхтаря. Тільки у ролі полюсів батареї виступають атмосферні об’єкти, які набагато перевищують своїми розмірами їх габарити та мають в тисячі разів більший електричний потенціал.

Вчені виділяють безліч видів грозових розрядів: діляться блискавки як за напрямом поширення енергетичного потоку (хмара-Земля, Земля-хмара, хмара-хмара), так і за зовнішнім виглядом лінії розряду, що світиться: лінійні, горизонтальні, стрічкові, пунктирні, шторові тощо.

Небезпечними для життя людини вважаються всі відомі види блискавок, за винятком тих, що поширюються траєкторією хмара-хмара.

Що таке грім

Грім визначається як акустичне супроводження грозового розряду. Іншими словами, це звукові коливання, спричинені зміною атмосферного тиску по всій траєкторії проходження потоку іонізованих атмосферних газів. Через малу тривалість часового інтервалу створюється ефект “ударної акустичної хвилі”, що нагадує вибух.

Оскільки швидкість світла набагато вища за швидкість звуку, спалах блискавки з’являється для спостерігача раніше гуркоту від удару грому. За тривалістю цього часового інтервалу можна розрахувати відстань до епіцентру грози.

Як виникають блискавка та грім

Зароджуються блискавки у перенасичених вологою дощових хмарах. Такі утворення, як правило мають великий розмір, відрізняються насиченим темним кольором (через велику кількість кристалів льоду, в які перетворюється водяна пара на великій висоті). Перепади висоти на верхньому та нижньому рівнях грозової хмари (такий фронт може досягати 7 км) призводять до виникнення різниці температур, при цьому тепле повітря мчить догори, тягнучі за собою дрібні крижинки, великі, при цьому, відповідно, опускаються вниз. Зіштовхуючись між собою, через силу тертя крижані кристали електризуються — між верхньою та нижньою межами хмари виникає різниця електричних потенціалів, яка досягає гігантських значень. Таке пояснення є дуже приблизним, оскільки оптичні заходи спостереження не здатні зареєструвати хід процесів всередині хмари, а правильність теоретичних розрахунків не завжди підтверджується на практиці.

Далі починається рух заряду між хмарою та землею. Електричний струм, який виникає через різницю потенціалів нагріває повітря, сприяючи його подальшій іонізації. Цей процес поширюється стрибкоподібно, тому спостерігач бачить з поверхні Землі ламану електричну дугу, яка випромінює яскраве світло.

В результаті втрати повітряним шаром електроізоляційних властивостей, повітря електричним струмом миттєво нагрівається до температури приблизно 30 000 С⁰. Різка зміна температури супроводжується перепадом атмосферного тиску в  області розряду. Прагнучи вирівняти цей перепад повітряні маси спрямовуються з області високого тиску в область низького, створюючи при цьому акустичну хвилю. Кожна зміна напрямку руху електричного розряду в просторі супроводжується черговим гуркотом грому.

Дивіться також

Кульова блискавка: чи існує вона і як від неї вберегтися

Коли заряд віддаляється від місця свого зародження, його електричні параметри знижуються і канал розряду досягає об’єктів на земній поверхні, через які відбувається остаточне вирівнювання потенціалів, через це струм в іонізованому каналі хмара-Земля припиняється. Саме цей момент, який за тривалістю не перевищує частки секунди і є найнебезпечнішим: струм величезної величини, що проходить через матеріальний об’єкт чи живий організм, завдає максимальної шкоди, викликаючи пожежі та смертельні випадки.

Чому спалах блискавки супроводжується громом

У момент утворення блискавки відбувається неконтрольоване короткочасне нагрівання навколишнього повітря до екстремальних температур, що викликає швидке розширення та стиск повітряних шарів. Ці зміни тиску створюють акустичний імпульс, який розповсюджується у просторі, відбиваючись  від навколишніх предметів.

Оскільки процес іонізації повітряних шарів має випадковий характер на кожній “сходинці” траєкторії світлового потоку, виникає свій “звуковий удар”, який сприймається спостерігачем на поверхні Землі, як “гуркіт” грому.

Як уберегтися від блискавки

Щоб уникнути поразки електричним розрядом під час  попадання блискавки, сучасні дослідники блискавок зробили такі рекомендації:

• не варто шукати притулку поблизу самотньо розташованих високих об’єктів;
• на відкритій місцевості слід прийняти максимально наближене до Землі положення (наприклад сісти навпочіпки, притискаючи голову до колін);
• позбутися довгих предметів, виготовлених з матеріалів, що проводять електричний струм;
• не використовувати під час грози прилади, що випромінюють у простір електромагнітні поля;
• триматися якомога далі від водойм.

Цікаві факти про блискавку

1. Попри різний хімічний склад атмосфери наявність блискавок зафіксовано як на Землі, так й на інших планетах Сонячної системи.
2. Розряд блискавки, який пройшов найбільшу відстань, зафіксований в Оклахомі (США) — 321 км.
3. Найдовше тривала блискавка зафіксована у Швейцарських Альпах — 7,74 секунди, при тому, що час існування звичайного спалаху рідко перевищує 0,2-0,3 секунди (за цей час відбувається 3-4 розряди).
4. Виміряна швидкість переміщення розряду блискавки у просторі досягає 56 000 км/с, тоді, як швидкість переміщення всього грозового фронту рідко перевищує 40 км/год. Середня довжина одного грозового розряду зафіксована на рівні 9,5 км.
5. На берегах річки Катумбо, що впадає в озеро Маракайбо (Венесуела), цілий рік спостерігається рекордна кількість блискавок, що спалахують безперервно тривалий час. Їхня кількість сягає 250 ударів на 1 км² за рік. 
6. Грозові розряди вивільняють енергію, подібну до ядерного заряду у 20 кілотонн.
7. Всупереч поширеній думці блискавка нерідко потрапляє в те саме місце. Так фермеру Мартієнсу ван Віку, жителю Південної Африки вдалося вижити після того, як блискавка вразила його двічі. Перший удар стався у п’ятницю 13-го, коли бідолаха ремонтував огорожу на своїй фермі у Вентерсдорпі. Він був відкинутий убік і на кілька секунд знепритомнів. Але це не зупинило чоловіка — наступного дня, вирішивши незважаючи ні на що закінчити роботу, він повернувся на те саме місце. На цей раз розряд потрапив у стовп огорожі, практично йому по руках. Ван Вік залишився живим і дякує Богові за своє чудове спасіння.
8. Над островами Тіві поблизу узбережжя Австралії щодня на тому ж самому місці формується грозова хмара. Місцеві пілоти використовують її як постійний орієнтир і навіть дали їй ім’я — “Гектор”.