Короче, про молнии (и почему я 23 года всё понимала неправильно)

До 23 лет я боялась грозы. Не то чтобы визжала и пряталась под кровать, но отходила от окна, выключала комп (типа берегу технику, ага, на самом деле просто страшно было), вообще вела себя не очень адекватно. Думала, что все понимаю: грозовая туча накапливает заряд, молния бьет сверху вниз, поэтому под деревом стоять нельзя, в воде быть нельзя, понятно-логично-страшно.

И вот в универе была лекция по физике атмосферы. Сижу я значит, записываю про облака и всякое такое. Препод доходит до молний и выдает: «Молния, которую вы видите, идет снизу вверх».

Я подняла голову от конспекта и уставилась на него. Решила что ослышалась или он приколется. Потому что ну серьезно, как это вообще может быть правдой? Все же знают что молния бьет сверху вниз. Это как… базовое знание о мире, уровень «вода мокрая».

Оказалось, нет.

Препод не прикалывался. И следующие 40 минут я сидела с выражением лица где-то между «вы мне врёте» и «боже мой вся моя жизнь была ложью».

Проблема в том, что вы слишком медленные

Начну с плохих новостей: вы, как измерительный прибор, отстой. Конкретно для наблюдения за молниями.

Человеческий глаз имеет инерцию зрения примерно 40-50 миллисекунд. Это значит что все что происходит быстрее этого времени, вы видите как одну слитную картинку. На этом, кстати, основано кино — вам показывают 24 кадра в секунду (то есть каждый кадр примерно 42 миллисекунды), и вы видите плавное движение, хотя на самом деле это просто очень быстрое слайд-шоу.

Теперь про молнию. Та самая яркая вспышка, которая ослепляет, от которой вы зажмуриваетесь, которая освещает всё вокруг как днём — она длится десятки МИКРОсекунд. Микросекунда это одна миллионная доля секунды. Посчитайте: вспышка молнии короче порога вашего восприятия примерно в тысячу раз.

В ТЫСЯЧУ.

То есть молния для вас это не процесс, который можно наблюдать, а просто вспышка. Бах — и всё, картинка готова. Как будто махнули бенгальским огнем в темноте — вы же видите светящийся след, размазанный, а не саму искру которая реально движется? Вот и с молнией так же.

А на самом деле там, в этих микросекундах, целая последовательность событий происходит. С этапами. С направлением. Просто всё это быстрее чем вы способны различить, поэтому вы видите результат, а не процесс.

Как это происходит на самом деле (подробно и по порядку)

Этап 1: Подготовка (вы ничего не видите)

В грозовой туче накапливается электрический заряд. Как именно — это отдельная большая тема (там частицы льда трутся друг о друга, восходящие и нисходящие потоки разносят заряды, всё сложно), но суть в том что в результате в нижней части облака скапливается отрицательный заряд. Много. Десятки и сотни миллионов вольт.

На земле под облаком, соответственно, индуцируется положительный заряд. Между ними километра 2-3 воздуха, который в нормальных условиях изолятор и проводить ток не хочет.

Но в какой-то момент напряжение становится настолько большим, что воздух начинает пробиваться.

Этап 2: Ступенчатый лидер (вы всё еще ничего не видите)

Из облака вниз начинает двигаться штука, которая называется «ступенчатый лидер».

И вот тут интересно. Он не летит вниз лучом, не прет напролом. Он движется рывками, ступенями — отсюда и название. Метров 50 вниз, остановка на микросекунды, еще метров 50, остановка. Шаг-пауза-шаг-пауза.

По дороге он ветвится. Пускает отростки в разные стороны, нащупывает путь, как корень растения ищет воду. Где-то тупик, где-то дорога дальше. Вот эти ветки на фотографиях молний — они отсюда. Это лидер искал оптимальный путь вниз, пробовал варианты.

Скорость вроде бы быстрая для человеческого восприятия — порядка 100-200 километров в секунду. Но для молнии это черепашьи темпы.

И главное — он тусклый. Очень тусклый. Если бы вы могли смотреть замедленную съемку, вы бы увидели бледную, призрачную ниточку, которая дергается вниз. Слабое голубоватое свечение, которое ветвится и ищет путь.

Но обычным глазом в реальном времени вы его вообще не замечаете. Слишком быстро, слишком тусклый, и главное — ваш мозг еще не знает что надо смотреть именно туда, молния еще «не началась» в вашем понимании.

Лидер ползет вниз. Метр за метром. Прокладывает канал из ионизированного воздуха — такую дорожку из заряженных частиц, по которой может пойти ток.

Этап 3: Встречный лидер (вы ВСЁЁЁ ЕЩЕ ничего не видите, представляете?)

Пока ступенчатый лидер движется вниз, напряженность электрического поля у поверхности земли растет. Особенно сильно — на высоких и острых предметах. Деревья, шпили, антенны, мачты. Иногда люди, если они стоят на открытом месте (и да, это плохо, очень плохо).

И в какой-то момент, когда лидер подходит достаточно близко (обычно метров на 50-100 до земли), земля «не выдерживает». С этих высоких точек вверх выстреливают встречные лидеры.

Они намного короче основного — метров 50, может 100, редко больше. Но они важны. Они тянутся вверх навстречу нисходящему лидеру.

Какой-то из встречных лидеров (их может быть несколько с разных точек) соединяется с основным лидером.

Контакт.

Всё. Есть непрерывный проводящий канал от облака до земли.

И ВОТ ТУТ начинается то, что вы собственно называете молнией.

Этап 4: Возвратный удар (НАКОНЕЦ-ТО вы что-то видите)

В момент контакта по каналу, как по проводу который воткнули в розетку, устремляется ток.

Огромный ток. Десятки тысяч ампер. Иногда больше ста тысяч. Для сравнения: в розетке у вас дома максимум ампер 16, и то предохранители стоят чтобы не было пожара.

Этот разряд называется «возвратный удар».

И вот внимание, самое главное: он идет ВВЕРХ.

От точки контакта у земли к облаку. По готовому каналу, который лидер проложил сверху.

Скорость возвратного удара — примерно треть скорости света. Это около 100 000 километров в секунду. Канал вспыхивает не весь сразу, а волной снизу вверх, просто волна настолько быстрая что для вас это выглядит как одномоментная вспышка по всей длине.

Воздух в канале нагревается практически мгновенно. До температуры около 30 000 градусов Цельсия. Это в пять раз горячее поверхности Солнца. Серьезно, поверхность Солнца около 6000 градусов, а канал молнии — 30 000.

Когда воздух так быстро и сильно нагревается, он взрывообразно расширяется. Это расширение создает ударную волну, которая распространяется от канала молнии во все стороны. Вы слышите её как гром.

Вот и вся история.

То что вы видите — ослепительная белая вспышка — это возвратный удар. Снизу вверх. Яркий, горячий, быстрый, мощный. Именно он делает эти фотографии молний. Именно от него вспышка которая освещает всё вокруг.

А невидимый ступенчатый лидер сверху — всего лишь курьер, который проложил путь. Подготовительная работа. Техническая часть.

То есть получается схема такая:

1. Тусклый невидимый лидер медленно (для молнии) прокладывает путь сверху вниз — вы его не видите

2. Встречный разряд снизу вверх — тоже не видите

3. Контакт где-то метрах в 50-100 над землей — не видите

4. БАБАХ возвратный удар снизу вверх — ВОТ ЭТО вы видите

5. Гром от ударной волны — это вы слышите

Можно сравнить с фитилем и взрывом:

• Фитиль (лидер) горит медленно, подбирается к цели, его почти не видно

• Взрыв (возвратный удар) — быстрый, яркий, громкий

Вы видите взрыв и думаете что это всё. Что это и есть молния, целиком. А на самом деле это финальный аккорд, кульминация. Вся подготовка прошла незаметно для вас.

Когда я это поняла, первая мысль была

«Погодите. То есть молния уже почти готова ударить, а я еще ничего не вижу? Не знаю об этом?»

Да. Именно так.

Пока лидер ползет вниз, вы можете видеть дерево, в которое он целится, и не знать об этом. Вообще никак не знать. Никаких признаков. Ну, кроме того что гроза вокруг, но это вы и так в курсе.

А потом бах — и возвратный удар. И вы видите результат. Молния «уже ударила», с вашей точки зрения мгновенно.

Это немного пугает, если честно. Но и завораживает одновременно.

Мерцающие молнии

Наверняка вы замечали что иногда молния как будто мерцает. Не одна вспышка, а быстрое тра-та-та-та, несколько вспышек подряд.

Это молния бьет несколько раз в один и тот же канал. Обычно 3-4 раза, иногда больше. Всё происходит за какие-то доли секунды.

Но есть разница. Первый удар идет по полной программе: ступенчатый лидер медленно прокладывает путь, возвратный удар, всё как описано выше.

А следующие удары проще и быстрее. Лидер уже не ступенчатый, а «стреловидный» — он летит по уже готовому, еще не остывшему каналу, поэтому движется быстрее и не ветвится. А дальше опять возвратный удар снизу вверх.

Вот это мерцание — это как раз серия возвратных ударов.

А бывает молния не достигает земли вообще

Да. Более того, таких молний большинство.

Внутриоблачные молнии — это когда разряд происходит между разными частями одного облака. Или между двумя облаками. До земли не доходит вообще.

Вы их видите как свечение изнутри облака. Облако вспыхивает, подсвечивается. Иногда это называют «зарницы», хотя это не совсем точный термин.

Физика там в целом похожая — есть лидер, есть основной разряд. Просто всё происходит в облаке, не спускается вниз. И таких разрядов в обычной грозе происходит больше чем тех что бьют в землю.

Спрайты, эльфы и джеты (это вообще отдельная история)

Долгое время считалось что молния — это разряд который идет вниз, от облака к земле (ну вы поняли что не совсем так, но всё же). Или внутри облака. Вверх молнии не бывает.

А потом в 1989 году совершенно случайно на видео засняли красную вспышку НАД грозовым облаком. Огромную. Размером в десятки километров.

Сначала подумали что это какая-то ошибка, артефакт камеры. Потому что серьезно, как это может быть? Откуда над облаком разряды?

Но потом нашли еще записи. И еще. Оказалось что это реальное явление, просто с земли его практически не видно — происходит слишком высоко, облака закрывают, и очень кратковременно.

Спрайты — это разряды в верхних слоях атмосферы, на высоте 50-90 км, над грозовыми облаками. Красного или красно-синего цвета (из-за азота который там светится). Формы причудливые — как медузы, как морковки, как столбы. Длятся миллисекунды.

Потом нашли еще похожие явления и назвали их в том же стиле:

• Эльфы — это вообще аббревиатура, расшифровывается, но не суть. Огромные расширяющиеся кольца света, десятки и сотни километров в диаметре

• Джеты — синие столбы света которые бьют вверх из облака

Открыли всё это только в конце 80-х — начале 90-х годов. То есть буквально 30 с лишним лет назад. А явления существовали всегда, просто никто не знал.

Летчики которые летали высоко иногда видели красные вспышки над грозами, но либо молчали (чтобы не подумали что глюки), либо им не верили.

Сейчас спрайты снимают специально — и с самолетов, и с МКС, и даже с земли если знаешь куда смотреть и есть хорошая камера. Выглядит нереально. Как будто природа рисует что-то в верхних слоях атмосферы, над грозой, невидимое для большинства людей.

Безопасность (раз уж заговорили)

Окей, развлекательная часть закончилась, теперь важное.

Молния опасна. Очень. 30 000 градусов и десятки тысяч ампер это не шутки. Люди от молний умирают, каждый год, регулярно.

Что важно знать:

1. Если видите грозу — считайте секунды между вспышкой и громом

Звук идет примерно 330 метров в секунду. Это значит что каждые 3 секунды между вспышкой и громом = примерно 1 километр до грозы.

Если между молнией и громом меньше 10 секунд — гроза ближе 3 км, это уже опасная близость. Надо в помещение, и желательно быстро.

2. Если вы на открытом месте и волосы встали дыбом

Это очень, ОЧЕНЬ плохой знак. Это значит что электрическое поле вокруг вас сильное, и вполне возможно что откуда-то сверху ползет лидер, который рассматривает вас как удобную точку контакта.

Немедленно: присесть, сгруппироваться, минимизировать контакт с землей (на корточки, можно на рюкзак если есть), обхватить колени. Не ложиться! Лежа вы даете больший контакт с землей, ток может пройти через жизненно важные органы.

Отойти от высоких предметов — деревьев, столбов, мачт. Метров на 30-50 минимум.

3. В помещении тоже есть нюансы

Молния может прийти через провода. Поэтому:

• Не трогать проводку, розетки, электроприборы включенные в сеть

• Не разговаривать по стационарному телефону (мобильный можно)

• Не стоять у окна

• Не принимать душ и вообще держаться подальше от водопровода (вода проводит ток, трубы металлические)

Комп лучше выключить из розетки. Скачок напряжения от удара молнии даже не прямо в дом, а рядом, может спалить электронику.

4. Машина — безопасное место

Если вы в машине во время грозы — это хорошо. Металлический корпус работает как клетка Фарадея. Даже если молния попадет в машину (редко, но бывает), ток пройдет по корпусу и уйдет в землю через колеса. Вас не тронет.

Главное не трогать металлические части и не высовываться наружу.

5. «30-30 правило»

Запомните: 30-30.

• Если между вспышкой и громом меньше 30 секунд (это 10 км) — ищите укрытие

• После последней молнии/грома ждите минимум 30 минут прежде чем выходить на открытое место

Многие попадают под удар потому что выскакивают сразу как гроза «закончилась». А молния может ударить и из отдаляющейся тучи, и вообще в радиусе 10-15 км от грозового фронта.

Что лично для меня изменилось

Когда я всё это узнала и разобралась, страх не исчез полностью. Потому что 30 000 градусов это объективно страшно, и от того что ты понимаешь как это работает, оно менее опасным не становится.

Но страх стал другим.

Раньше это было что-то вроде «неведомая штука может ударить непонятно откуда и попасть в меня». Первобытный такой страх, где нет понимания.

Теперь это «физическое явление, которое происходит по конкретным законам, с этапами, с причинами». Я знаю как оно работает. Знаю что делать чтобы минимизировать риск. Знаю признаки опасности.

Я всё еще отхожу от окна в грозу. Всё еще выключаю комп из розетки. Но теперь это не от страха, а от понимания рисков. Разница небольшая на первый взгляд, но для меня ощущается сильно.

Как увидеть «настоящую» молнию целиком

Если интересно увидеть всё — и лидер, и встречный разряд, и возвратный удар, отдельно, в деталях — поищите на ютубе «stepped leader slow motion» или «lightning slow motion».

Там есть съемки на камеры со скоростью 10 000 кадров в секунду и больше. В таком замедлении видно всё.

Видно как бледная ниточка лидера дергается вниз, ступень за ступенью. Как она ветвится, пробует разные пути. Как снизу выстреливают встречные разряды. Как они соединяются. И как потом снизу вверх прет яркая волна возвратного удара.