Оригинальное название: The Hidden Dramas of Thunderstorms

Грозы являются одними из самых распространенных, но мощных метеорологических событий на Земле, происходящих примерно 16 миллионов раз в год. В то время как молнии, громовые грохоты и сильный дождь знакомы каждому, кто испытал шторм, атмосфера иногда производит явления настолько странные и редкие, что они бросают вызов нашему пониманию электричества и физики. Эти необычные проявления грозы резко различаются по континентам - в форме местной географии, климата и сложной динамики грозовых облаков. Они показывают замечательную сложность атмосферных электрических систем Земли и продолжают очаровывать как ученых, так и любителей штормов.

В этой статье рассматриваются некоторые из самых увлекательных и менее известных грозовых явлений, подчеркивая, где они чаще всего наблюдаются, их физические характеристики и то, что современная наука узнала о них.От призрачных светящихся сфер до молний, которые достигают края пространства, эти явления открывают окно в необычайное разнообразие электрической активности в нашей атмосфере.

Оригинальное название: Ball Lightning: The Ghostly Glowing Sphere

Немногие явления грозы столь же загадочны и противоречивы, как шаровая молния. Свидетели описывают ее как светящийся, сферический объект, размером от мяча для гольфа до небольшого автомобиля, который появляется во время интенсивных гроз, часто после удара молнии. Светящийся шар может плавать или дрейфовать на малой высоте, иногда вращаясь медленно, и он может длиться несколько секунд, прежде чем исчезнуть тихо или с громким поп. В отличие от обычной молнии, которая представляет собой быстрый электрический разряд между облаками и землей, шаровая молния является автономным, светящимся плазменным явлением, которое может происходить в помещении и на открытом воздухе, даже внутри кают самолетов.

Глобальные доклады и научные теории

Шаровая молния была задокументирована на каждом обитаемом континенте, с особенно заметными концентрациями в Северной Америке , Европе , Китае и Японии. Исторические отчеты восходят к древней Греции и средневековой Европе, с описаниями, появляющимися в фольклоре, рассказах моряков и научных записях. Современные свидетельства очевидцев продолжают интриговать исследователей и подтверждаются фотографическими и видеодоказательствами, хотя такие записи остаются редкими из-за непредсказуемости и короткой продолжительности явления.

Точная причина шаровой молнии остается неуловимой, но за эти годы появилось несколько ведущих гипотез. Одна широко изученная теория предполагает, что шаровая молния образуется, когда удар молнии испаряет богатую кремнием почву, производя светящийся шар из кремниевого пара, который окисляется в воздухе. Другие теории предполагают, что шаровая молния состоит из концентрированного облака заряженной плазмы, стабилизированной магнитными полями, или что она включает микроволновое излучение, пойманное в пузырь ионизированного воздуха. Лабораторные эксперименты успешно создали небольшие светящиеся шары плазмы в контролируемых условиях, оказывая поддержку некоторым из этих идей, но ни одна теория еще не получила универсального признания.

Непредсказуемый внешний вид шаровой молнии и ее разнообразное поведение продолжают бросать вызов ученым-атмосферологам. В некоторых отчетах описывается явление, проходящее через закрытые окна или стены, в то время как другие упоминают, что оно вызывает незначительные повреждения или электрические сбои. Эти отчеты предполагают, что шаровая молния может иметь сложные взаимодействия с материалами и электромагнитными полями, которые еще не полностью поняты.

Для более глубокого погружения в документированные случаи и научных попыток повторить шаровую молнию читатели могут изучить статью НАСА о шаровой молнии , которая предоставляет исторические примеры и понимание текущих исследований.

Спрайты и синие джеты: молния, которая поднимается к краю космоса

Большинство разрядов молнии происходят в нижней атмосфере, между облаками и землей или в самих облаках. Однако увлекательное семейство электрических явлений, известных как , сверхатмосферные молнии , проецирует электрические разряды вверх от вершин грозовых облаков в стратосферу и мезосферу. Наиболее впечатляющими из них являются приты и синие струи , переходные световые события, которые показывают вертикальный охват штормового электричества за пределами того, что мы обычно можем видеть.

Сприты — это крупные вспышки красного или оранжевого света, часто в форме медуз или моркови, происходящие на высотах от 50 до 90 километров над активными грозами. Обычно они длятся всего несколько миллисекунд и вызываются мощными положительными ударами молний облако-земля. Спрайты освещают обширные области верхней атмосферы и состоят из сложных нитевидных структур, созданных процессами ионизации в разреженном воздухе.

Голубые струи представляют собой более узкие, конусообразные разряды, которые извергаются из вершин грозовых облаков, достигая высот до 50 км. В отличие от спрайтов, которые возникают над грозой, синие струи распространяются вверх от вершин облаков, а их синий цвет является результатом возбуждения молекул азота в стратосфере. Синие струи менее распространены и их труднее наблюдать, чем спрайты из-за их короткой продолжительности и слабости.

Где их можно увидеть

Спрайты и синие струи наиболее часто наблюдаются в тропических и субтропических регионах , где интенсивные грозы с сильной конвекцией являются общими. Известные горячие точки наблюдения включают Центральную Америку , Юго-Восточную Азию и юго-восточные Соединенные Штаты . Эти регионы имеют мощные мезомасштабные конвективные системы, которые производят положительные удары молнии, связанные с генерацией спрайта.

Обнаружение и изучение этих явлений требуют специализированных высокоскоростных камер и чувствительного оборудования при слабом освещении, часто устанавливаемого на самолёты, воздушные шары или спутники. Пилоты и астронавты время от времени сообщали о наблюдениях спрайтов и синих джетов, но первые подробные научные записи были сделаны во время исследовательских полётов в 1990-х годах. Текущие спутниковые миссии и наземные обсерватории продолжают расширять наше понимание этих молниеносных событий в верхних слоях атмосферы.

Для получения дополнительной информации и потрясающих изображений NOAA предоставляет отличный ресурс на странице Наука о безопасности молнии , демонстрируя науку о спрайтах и синих струях.

Ballooning Lightning: Расширяющийся разряд

В отличие от резко определенных разветвленных каналов обычной молнии, некоторые удары демонстрируют своеобразный эффект «баллонирования» или «расширения», при котором молниеносный канал заметно расширяется или раздувается перед доставкой основного тока на землю.Это явление, иногда называемое , более редкое, чем обычная молния, и было зарегистрировано в основном в Австралии и частях Африки , хотя оно может происходить в любом месте при правильных атмосферных условиях.

Высокоскоростные видеозаписи показывают, что вместо узкого, зазубренного пути, молниеносный канал расширяется в светящуюся трубку сигарообразной формы, иногда охватывая десятки метров в ширину, прежде чем сжиматься до тонкого канала, который завершает удар.Весь процесс разворачивается в течение миллисекунд, но дает ценное понимание сложных электрических и жидкостных динамических процессов в грозовых облаках.

Что это вызывает?

Исследователи выдвигают гипотезу, что раздувание молнии является результатом изменений в распределении электрического заряда и содержания влаги в штормовом облаке. Поскольку ступенчатый лидер — начальный, невидимый путь ионизированного воздуха, спускающегося из облака — сталкивается с локализованными карманами высокой влажности или интенсивными электрическими полями, он временно расширяется боково. Это расширение может быть аналогично внезапному увеличению давления или электромагнитному эффекту, который вызывает увеличение диаметра канала.

Один яркий пример был зафиксирован в северо-австралийском регионе Кимберли, где молниеносный канал расширился до более чем 30 метров в ширину, прежде чем обрушиться на обычный удар. Такие дисплеи подчеркивают динамичный и неоднородный характер интерьеров грозового облака и подчеркивают необходимость более детальных наблюдательных исследований.

Эффект раздувания шаров может также влиять на интенсивность и распределение энергии разряда молнии, потенциально влияя на электрические опасности наземного уровня, связанные с ударами.Понимание этих механизмов может улучшить модели прогнозирования молний и протоколы безопасности в подверженных штормам регионах.

Необычные шаблоны молний: раздвоенная, лента и молния из бусин

В то время как классическое изображение молнии имеет зубчатый, раздвоенный болт, разветвляющийся к нескольким точкам на земле, грозы могут создавать множество необычных шаблонов молний, каждый с уникальными визуальными характеристиками и основными физическими причинами.

  • Раздвоенная молния: Наиболее распространенный рисунок, где ступенчатый лидер разветвляется на несколько каналов, которые достигают разных точек земли, создавая древовидную структуру.
  • Риббоновая молния: Возникает, когда сильные перпендикулярные ветры дуют в видимый молниеносный канал вбок во время последовательных обратных ударов, вызывая параллельные полосы, которые появляются в виде лент, дрейфующих горизонтально.Такая картина часто наблюдается в регионах с сильными штормовыми оттоками, например, во время гроз суперклеток.
  • Бусиновая молния: Характеризуется тем, что молниеносный канал распадается на вереницу светящихся, бусинообразных сегментов по мере рассеивания тока.Это явление часто видно во время фазы затухания молниеносной вспышки и связано с быстрым охлаждением и рекомбинацией ионизированного воздуха.
  • Лайтнинг листа: Не отдельный тип молнии, а скорее освещение всего облака или облачного слоя внутренней молниеносной активностью, создающей рассеянное свечение без видимых каналов.
  • Вулканическая молния:] Генерируется в вулканических облаках пепла при трении между частицами пепла, создавая статическое электричество. Хотя не производится грозами, вулканическая молния имеет много электрических характеристик с традиционной молнией и может создавать впечатляющие, интенсивные разряды.

Региональные горячие точки для шаблонов молний

Каждый узор молнии имеет тенденцию возникать там, где сходятся конкретные метеорологические и географические факторы.

  • Южная Америка: Регион озера Маракайбо в Венесуэле и на бразильском нагорье являются одними из самых активных горячих точек молнии в мире, производя частые раздвоенные, ленточные и бусиновые молнии. Интенсивная конвекция и обильная влажность в этих тропических зонах создают сложные электрические среды.
  • Среднезападные Соединенные Штаты: Грозы суперэлементов здесь часто генерируют ленточные молнии из-за сильных ветров низкого уровня, взаимодействующих с каналом молнии во время обратных ударов.
  • Высокие равнины Техаса и Колорадо: Засушливый климат и сухой воздух способствуют молнии бусин, так как быстрое рассеивание канала и охлаждение вызывают распад молнии на сегментированные бусины.

Эти модели не только дают представление о динамике шторма, но и влияют на стратегии обнаружения молний и безопасности. Например, увеличенная продолжительность и визуальная ясность ленточной молнии облегчают наблюдение, в то время как молния бусинки подчеркивает важность понимания поведения электрических каналов во время фазы рассеивания.

Огонь Святого Эльмо: невидимое электрическое предупреждение

До и во время грозы светящийся электрический разряд, известный как Огонь Святого Эльмо, может появляться на высоких заостренных объектах, таких как корабельные мачты, церковные шпили, громовые стержни, кончики крыла самолета и даже рога скота.В отличие от молний, Огонь Святого Эльмо является формой разряда короны - непрерывного электрического свечения с низким током, производимого, когда электрическое поле вблизи поверхности объекта становится достаточно сильным, чтобы ионизировать окружающие молекулы воздуха.

Это явление проявляется как устойчивое синее или фиолетовое свечение, иногда сопровождающееся слабым шипением или жужжащим звуком. Оно часто появляется перед ударами молнии, служа видимым индикатором высокого электрического потенциала в атмосфере. Пока оно доброкачественное по сравнению с прямым ударом молнии, его присутствие сигнализирует о потенциально опасных штормовых условиях.

Историческое и современное значение

Исторически моряки считали Огонь Святого Эльма хорошим предзнаменованием, полагая, что это было защитное присутствие Святого Эразма (также известного как Святой Эльмо), покровителя моряков. Его появление часто предшествовало успокаиванию штормов или интерпретировалось как божественный знак безопасности.

В наше время Огонь Святого Эльмо является важным явлением для авиации и электротехники. Пилоты обучены распознавать его как предупреждение об усиленной электрической активности, которая может привести к ударам молнии по самолетам. Он регулярно наблюдается на высоких структурах в подверженных штормам районах, включая Великие равнины Северной Америки, бассейн Амазонки и экваториальной Африки .

Ученые изучают Огонь Святого Эльмо в высоковольтных лабораториях, чтобы лучше понять разряды короны и улучшить системы молниезащиты для электрических сетей, коммуникационных вышек и самолетов. Его исследование также имеет передовые знания в физике плазмы и атмосферном электричестве.

Громовой снег: Молния среди снежинок

В то время как большинство гроз связаны с теплой погодой и дождем, гроза является редким и поразительным метеорологическим событием, в котором метель производит молнии и гром. Это явление требует конкретных атмосферных условий, которые позволяют сильной конвекции и разделения заряда, несмотря на морозы.

Громовержец обычно возникает, когда сильная инверсия температуры улавливает влажный, теплый воздух под холодным воздухом в воздухе, создавая нестабильность в нижней атмосфере. Это в сочетании с обильной влагой и подъемными механизмами, такими как холодные фронты или снег, вызывающий эффект озера, генерирует электрификацию, необходимую для молнии. Результатом является зимняя гроза со снегом вместо дождя.

Где и как наблюдать грозу

Наиболее известные события грозы происходят в регионах, подверженных влиянию снега и гористой местности, на которых расположены озёра. Известные места включают в себя Великие озера регион Северной Америки, Японское море и Канадские Скалистые горы. В США снежные пояса Нью-Йорка, Мичигана и Огайо зафиксировали несколько эпизодов грозы во время сильных метель.

Молнии во время грозы часто частично затуманиваются сильным снегопадом и могут появляться как яркие, диффузные свечения. Громовые звуки приглушены и менее резки из-за изолирующего эффекта снега, производя более приглушенный грохот. Сама молния имеет тенденцию быть слабее, чем в летние штормы, снижая риск травм, но сопровождающее ее накопление снега может создать опасные условия для путешествий и жизни.

Прогнозирование грозового снега остается сложной задачей, поскольку требуемые атмосферные условия менее распространены и более сложны, чем для типичных гроз. Достижения в области радиолокационной технологии и численных моделей прогнозирования погоды улучшают возможности обнаружения и предупреждения этого редкого, но увлекательного зимнего события.

Другие редкие явления: молниеносные оптические эффекты и другие

Помимо уже обсуждаемых явлений, грозы могут вызывать другие необычные и захватывающие электрические эффекты, которые варьируются в зависимости от региона и типа шторма.

  • Индуцированные молнией оптические явления:] Иногда молния взаимодействует с атмосферными частицами для создания необычных визуальных эффектов, таких как «изображения призраков» или послесвечения, которые кратковременно сохраняются после удара.
  • Вариации молнии ленты и бисера:] В некоторых регионах, особенно вблизи вулканической активности, молния может принимать уникальные формы под влиянием частиц пепла и состава атмосферы.
  • Электрофные звуки: Редко, молния сопровождается слышимыми звуками — такими как шипение или треск — слышимыми одновременно со вспышкой, вызванной очень низкочастотными радиоволнами, воздействующими на близлежащие проводящие объекты.
  • Вулканическая молния:] Происходит в пепловых облаках во время извержений вулканов, вызванных зарядкой частиц пепла.Это зрелищное явление имеет много общих черт с грозовой молнией, но обусловлено различными физическими процессами.

Такие явления продолжают оставаться предметом активных исследований, требующих междисциплинарных подходов, сочетающих метеорологию, физику атмосферы и электротехнику.

Оригинальное название: The Unending Surprises of the Storm

От светящихся сфер, которые бесшумно дрейфуют по гостиным до восходящих струй, которые рисуют край пространства, разнообразие необычных явлений грозы показывает, как много нам еще предстоит узнать об электрических процессах в нашей атмосфере.Каждый континент предлагает свои собственные отличительные дисплеи, сформированные местной географией, климатом и сложной динамикой штормовых облаков.

В то время как ученые добились значительного прогресса в документировании и объяснении спрайтов, шаровых молний и связанных с ними редкостей, многие аспекты остаются загадочными, что способствует постоянным исследованиям, которые сочетают полевые наблюдения, лабораторные эксперименты и теоретическое моделирование.

В следующий раз, когда наступит гроза, посмотрите за пределы привычных вспышек и ударов грома. Вы можете стать свидетелем явления, которое бросает вызов ожиданиям, мимолетного взгляда на необыкновенный электрический оркестр, играющий над нами каждый день.

Для дальнейшего чтения о науке молнии и текущих исследованиях явлений грозы, страница ресурса National Geographic Lightning и сайт Earthworks Lightning Safety Education предоставляют отличные обзоры и советы по безопасности.