Физик находит золото, разгадывая 50-летнюю загадку молнии

Шансы быть пораженными молнией составляют менее одного на миллион, но в этом месяце эти шансы значительно сократились, когда в выходные дни 12-13 ноября в каждом австралийском штате и территории было зарегистрировано более 4,2 миллиона ударов молнии.

Если учесть, что каждый удар молнии распространяется со скоростью более 320 000 километров в час, это огромное количество электричества.

Вы когда-нибудь задумывались о молнии?

В течение последних 50 лет ученые всего мира спорили о том, почему молния движется зигзагом и как это связано с грозовым облаком наверху.

До сих пор не было окончательного объяснения, поскольку физик плазмы из Университета Южной Австралии 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 электропроводящий столб, соединяющий ступени с облаком, остается темным и как молния может распространяться на километры», — говорит доктор Лоук. .

Ответ? Синглет-дельта метастабильные молекулы кислорода.

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

Проводящий столбик, соединяющий ступеньку с облаком, остается темным, когда электроны присоединяются к нейтральным молекулам кислорода с последующим немедленным отрывом электронов синглетными дельта-молекулами.

Почему это важно?

«Нам нужно понять, как инициируется молния, чтобы мы могли 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. Д-р 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.

В журнале была опубликована статья «К теории ступенчатых лидеров в молниях». Журнал физики D: Прикладная физика.