Просмотр содержимого документа
«От чего бывают грозы?»
Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение
«Средняя общеобразовательная школа №56»
Индивидуальный проект
тема:
«От чего бывают грозы?»
Работу выполняла:
Смирнова Ксения
Ученица 9 «В» класса
Руководитель:
Сергеева Т. В.
Учитель физики
г. Новокузнецк, 2025 г.
Оглавление
1. Введение - 2
2. Как древние люди заинтересовались грозой - 2
3. Что такое гроза – 3
4. Грозовые облака – 4-5
5. Молния – 5-6
6. Гром – 6
7. Грозовое электричество – 7-9
8. Грозопоражаемость – 9-10
9. Вильсоновская теория – 10
10. Заключение - 11
11. Список используемой литературы - 11
1
1. Введение
Цель данного проекта:
Узнать, что такое гроза, как люди заинтересовались грозой, какими природными явлениями сопровождается гроза.
Задачи:
1. Узнать, как люди заинтересовались грозой.
2. Что такое гроза.
3. Изучить что такое гром и молния.
4. Узнать про грозовое электричество.
2. Как древние люди заинтересовались грозой
Гроза привлекала исследовательское внимание людей с глубокой древности. Предполагается, что до XVIII века люди, с целью своей безопасности, наблюдали за грозовыми явлениями, не имея строгого научного метода в изучении этих событий.
Одним из первых высказал суждение о природе грозы Анаксимен, который рассматривал грозу как результат сгущения воздуха в облаках. Анаксагор, основываясь на взглядах Анаксимена, даже пытался предсказывать появление и развитие гроз. Сократ и Демокрит говорили о столкновении и соединении облаков как о причине возникновения гроз. Аристотель обобщил и развил представление предшественников. Лукреций видел причину генерации гроз в возникновении ветра, который выдавливает из "облаков огненные тельца в виде молнии.
2
3. Что такое гроза
Гроза — атмосферное явление, при котором внутри облаков или между облаками и земной поверхностью возникают электрические разряды — молнии, сопровождаемые громом. Как правило, гроза образуется в мощных кучево-дождевых облаках и связана с ливневым дождём, градом и шквальным усилением ветра. Грозу без осадков называют «сухая гроза».
Гроза возникает от того, что в одном месте воздух сильно нагревается, в другом – сильно охлаждается. И там, где встречается теплый и влажный воздух с сухим и холодным, образуется грозовая туча. В результате очень быстрого повышения давления на пути молнии, вследствие нагревания воздуха электрическим током. Гром является взрывной волной, которая при ударении от разряда молнии вырождается в звуковую волну.
Гроза— одно из самых опасных для человека явлений, связанных с погодой: по количеству зарегистрированных смертельных случаев только внезапные наводнения приводят к большим людским потерям.
Одновременно на Земле действует около полутора тысяч гроз, средняя интенсивность разрядов оценивается как 100 молний в секунду. По поверхности планеты грозы распределяются неравномерно. Над океаном гроз наблюдается приблизительно в десять раз меньше, чем над континентами. В тропической и экваториальной зоне сосредоточено около 78 % всех молниевых разрядов. Максимум грозовой активности приходится на Центральную Африку. В полярных районах Арктики и Антарктики и над полюсами гроз практически не бывает. Интенсивность гроз следует за солнцем: максимум гроз приходится на лето (в средних широтах) и дневные послеполуденные часы. Минимум зарегистрированных гроз приходится на время перед восходом солнца. На грозы влияют также географические особенности местности: сильные грозовые центры находятся в горных районах Гималаев и Кордильер.
Сухая гроза — гроза, которая наблюдается без осадков или при минимальном их количестве. Возникает при высокой температуре (выше 30 °C) и низкой относительной влажности воздуха (обычно менее 30 — 40 %). Осадки при этом не успевают достичь поверхности земли, испаряясь в атмосфере. Молнии в таких условиях часто становятся причиной крупных пожаров, а сопровождающий грозу сильный ветер способствует быстрому неконтролируемому распространению огня. Сухая гроза, в частности, стала причиной крупнейшего в Португалии лесного пожара в 2017 году и также лесных пожаров в Сибири в 2019 году.
3
4. Грозовые облака
Все грозовые облака, независимо от их типа, последовательно проходят 3 стадии:
1. Кучевое облако.
2. Зрелое грозовое облако.
3. Распад.
Стадии развития грозового облака.
Необходимыми условиями для возникновения грозового облака является наличие условий для развития конвекции или иного механизма, создающего восходящие потоки запаса влаги, достаточного для образования осадков, и наличия структуры, в которой часть облачных частиц находится в жидком состоянии, а часть — в ледяном. Конвекция, приводящая к развитию гроз, возникает в следующих случаях:
При неравномерном нагревании приземного слоя воздуха над различной подстилающей поверхностью. Например, над водной поверхностью и сушей из-за различий в температуре воды и почвы. Также при перемещении холодных воздушных масс на тёплую земную поверхность и над прогретой сушей. Над крупными городами интенсивность конвекции значительно выше, чем в окрестностях города.
При подъёме или вытеснении тёплого воздуха холодным на атмосферных фронтах. Атмосферная конвекция на атмосферных фронтах значительно интенсивнее и чаще, чем при внутримассовой конвекции. Часто фронтальная конвекция развивается одновременно со слоисто-дождевыми облаками и обложными осадками, что маскирует образующиеся кучево-дождевые облака.
При подъёме воздуха в районах горных массивов. Даже небольшие возвышенности на местности приводят к усилению образования облаков (за счёт вынужденной конвекции). Высокие горы создают особенно сложные условия для развития конвекции и почти всегда увеличивают её повторяемость и интенсивность.
4Физические характеристики грозовых облаков.
Самолётные и радарные исследования показывают, что единичная грозовая ячейка обычно достигает высоты порядка 8—10 км и живёт порядка 30 минут. Изолированная гроза обычно состоит из нескольких ячеек, находящихся в различных стадиях развития, и длится порядка часа. Крупные грозы могут достигать в диаметре десятков километров, их вершина может достигать высоты свыше 18 км, и они могут длиться много часов.
Восходящие и нисходящие потоки.
Восходящие и нисходящие потоки в изолированных грозах обычно имеют диаметр от 0,5 до 2,5 км и высоту от 3 до 8 км. Иногда диаметр восходящего потока может достигать 4 км. Вблизи поверхности земли потоки обычно увеличиваются в диаметре, а скорость в них падает по сравнению с выше расположенными потоками. Характерная скорость восходящего потока лежит в диапазоне от 5 до 10 м/с и доходит до 20 м/с в верхней части крупных гроз. Исследовательские самолёты, пролетающие сквозь грозовое облако на высоте 10 000 м, регистрируют скорость восходящих потоков свыше 30 м/с. Наиболее сильные восходящие потоки наблюдаются в организованных грозах.
5. Молния
В 1746 году начался очередной этап в изучении грозовых разрядов - молний. Молния — электрический искровой заряд в атмосфере, происходит во время грозы, проявляющийся яркой вспышкой света и сопровождающим её громом. Сила тока в разряде молнии на Земле составляет в среднем 30 кА, иногда достигает 200 кА, напряжение — от десятков миллионов до миллиарда вольт.
До XVIII века для мировой физики был характерен описательный характер изучения атмосферных электрических явлений. Первый в мире электроизмерительный прибор был изобретен в 1745 году Санкт-Петербургским ученым Рихманом. В Филадельфии Франклин пришел к заключению о том, что гром и молния - это проявление электрических процессов в атмосфере. Почти одновременно с Франклином, другие исследователи: Де Ром, Делибар, Рихман и Ломоносов экспериментально
5
доказали наличие электрической составляющей в природе молнии.
Ломоносов в "Слове о воздушных явлениях, от электрической силы происходящих", опубликованном в 1753, выдвигает теорию образования электрических разрядов при восходящих и нисходящих течениях воздуха. Ломоносов особо подчеркивал, что разделение электрических зарядов и образование сильного электрического поля происходит только при интенсивных вертикальных восходящих и нисходящих воздушных течениях. Это положение во многом согласуется с современными представлениями о возникновении гроз.
6. Гром
Гром — звуковое явление в атмосфере, сопровождающее разряд молнии. Возникает в результате очень быстрого повышения давления на пути молнии, вследствие нагревания воздуха электрическим током. Гром является взрывной волной, которая при ударении от разряда молнии вырождается в звуковую волну. Гром образуется аналогично характерному «треску» искрового разряда — совокупности ударных волн от расширяющихся искровых каналов. В физике бегущая звуковая волна, создаваемая искровым разрядом, носит название акустический импульс. Раскаты грома возникают из-за того, что молния имеет значительную длину. Возникновению раскатов способствуют также рефракция звуковых волн в атмосфере, фокусировка и дефокусировка звуковых волн из-за кривизны канала молнии. Кроме этого, сам разряд происходит не мгновенно, а продолжается некоторое время. Громкость раскатов грома может достигать 140 децибел.
Изначально древние люди панически боялись этих природных явлений. Они боялись совершенно безобидного, но очень громкого грома больше, чем смертельной и существующей доли секунд молнии. Люди не могли объяснить эти явления и их проявления начали приписывать разным мистическим существам. Так возникали верования. Со временем это привело к тому, что в некоторых культурах верховным богом являлся бог, который управлял громом и молнией. Согласно верованию, он следил сверху за действиями людей и карал их за плохие поступки. Боги, которые управляли этими явлениями были почти во всех культурах.
6
7. Грозовое электричество
В XVIII веке причину грозового электричества усматривали в электризации воды при испарении. Вольт считал, что электричество входит в состав паров, испаряющихся с поверхности рек, морей и озер. Эти взгляды разделяли Лаплас, Лавуазье, Соссюр и. Пальмиери. В последующем, идея Вольта не выдержала детальную проверку опытом. Многочисленные опыты Фарадея, Пальтье, Калишера, Блейка и других показали, что при испарении не происходит электризации водяного пара.
На связь распределения электричества в облаках с индукционным действием Земли указывал в 1840 году Пальтье. «В 1883 году Сименс высказал предположение, что электризация Земли должна возникать благодаря индукционному действию положительно заряженной поверхности Солнца. Согласно этой гипотезе, возникновение гроз объясняется вторичным индукционным действием со стороны, заряженной земной поверхности на облака».
Но, как оказалось, гипотеза Сименса, не исчерпывающа и во многом, противоречит действительности. В XIX веке были выдвинуты и другие
попытки физического объяснения грозовых явлений с Солнечно-земными связями. Эти предположения получили серьезное обоснование, лишь, в последние 50 лет.
В 1884 году. Лувини и Зоннке независимо друг от друга сформулировали теорию электризации облаков за счет трения льда о воду Зоннке исходил из результатов опытов Фарадея. Впоследствии многочисленные опыты Эльстера и Хомма подтвердили опыты Фарадея и Зоннке, Лувини и Зоннке рассматривали грозовой процесс аналогично объяснительной модели Ломоносова. В 1890 году Гейтель и Эльстер высказывали мысль о сложном процессе перераспределения атмосферных зарядов - большие капли заряжаются отрицательно, а маленькие положительно. Эти предположения поддерживал и развивал. Шуман. Но во взглядах Эльстера и Гейтеля остаются неподтвержденными ни существенное индукционное влияние на электризацию капель электрического поля земной поверхности, ни механизм скольжения малых капель по поверхности больших.
Исследования русского физика Гезехуса открыли новый этап в изучении грозовых процессов. В работе "Атмосферное электричество" Гезехус рассматривает электрические явления в атмосфере в связи с ветром и метелями. Самым замечательным открытием Гезехуса следует считать его исследования электризации водных брызг, которые и обосновали начало современному представлению об электризации облаков и осадков. Он обнаружил, что вблизи водопадов в воздухе имеется свободное отрицательное электричество, появляющееся в результате того,
7
что отрывающиеся от массы воды брызги заряжаются отрицательно. Такой же эффект наблюдается и при разбрызгивании капель воды от какой-либо струи или капель дождя. Отметим, что многие зарубежные исследователи, наблюдавшие эти явления раньше не смогли объяснить данный механизм электризации. И только профессор Томского университета Гезехус со своими учениками обстоятельно изучили это явление и дали ему исчерпывающее объяснение. В ряде учебников по метеорологии появляются уже целые главы, посвященные вопросам атмосферного электричества, например, в книге русского ученого Воейкова "Климаты земного шара".
Длительное накопление наблюдательного и экспериментального материала по регистрации электрических полей атмосферы и значительные теоретические работы, выполненные русскими и зарубежными учеными, позволили лишь к началу XX века нарисовать общую картину распределения электрических зарядов в атмосфере и тех возмущений электрического поля, которые приводят к образованию электрических разрядов (молний).
С 1909 года проблемой электризации облаков занимался Симпсон.
Но согласно наблюдательным данным, оказалось, что предложенный им сценарий не соответствует действительной электрической структуре облаков. Кроме того, теория. Симпсона относится только к капельному облаку, к кристаллам же она вообще не применима. В 1920 году разрабатываемая теория Симпсона нашла своего последователя в лице Вильсона, который считал, что падающая электрически поляризованная капля заряжается отрицательно, а поднимающаяся - положительно. Кроме того, Вильсон полагал, что положительный заряд верхней части облака притягивает отрицательные ионы из ионосферного слоя Хевисайда, а отрицательный заряд нижней части облака притягивает положительный заряд с земной поверхности, оставляя ее заряженной отрицательно. Легко усмотреть, что теория Вильсона имеет ряд недостатков. Например, для высокочастотных разрядов образования молнии (более 300 в минуту), в естественной среде необходимо наличие механизма регенерации зарядов, на порядки превышающие скорости регенерации зарядов в облаке, чем по теории Вильсона. В последующем, Чалмерс установил, что механизм заряжения облачных частиц, разработанный Вильсоном, пригоден для частиц любого агрегатного состояния, что повышает ценность результатов работ автора зарядного механизма, но вопрос скоростной регенерации зарядов, после разрядной деполяризации, остался открытым.
В 1955 году Мучник предположил, что грозовой процесс развивается при разрушении капель в электрическом поле за счет их электризации. Но Арабаджи, ссылаясь на Мекки, критикует теорию Мучника. Он утверждает, что электрическое поле будет уменьшаться если следовать теории Мучника, а не возрастать как предполагает последний.
8
В 1960 году вышла монография Арабаджи "Грозы и грозовые процессы", в которой он рассмотрел достаточно широкий спектр вопросов, связанных с грозовыми процессами. Наряду с чисто физическими вопросами грозовой активности он рассмотрел и географические аспекты проявления гроз. В своей работе Арабаджи развивает идеи, заложенные Ломоносовым, ссылается на опыты Симпсона и других. В работе изложена новая теория электризации облаков. Разная плотность зарядов в поверхностном слое капель происходит за счет капиллярных давлений над каплями разной дисперсности. Поэтому при контакте капель разной дисперсности между ними будет происходить обмен зарядами. Таким образом, причиной электризации чисто водяных облаков может быть обмен зарядами при столкновении капель разной дисперсности. От слияния при столкновении капли будет предохранять значительное капиллярное давление над малыми каплями. Оно препятствует деформации и, следовательно и, слиянию. Кроме того, он указывает на большое значение при образовании гроз развитие конвекции в облаках.
В 70-е годы вышла в свет большая книга Чалмерса и монография Мучника, посвященные общим проблемам атмосферного электричества: ионам, зарядам, проводимости, градиенту потенциала, токам проводимости и осадкам, точечному заряду, разделению положительных и отрицательных зарядов в грозовых облаках (молнии). Чалмерс, на наш взгляд преждевременно, подчеркивает, что физическая теория всех этих явлений проста, кроме вопроса о происхождении заряда.
8. Грозопоражаемость
В 1935 году Ганн высказал мысль о связи грозы с сублимацией и выпадением ледяных частиц. В 1938 году Финдейзен высказал предположение, что в частях облака, где преобладает сублимация, кристаллы льда будут приобретать положительный заряд. В 1940 году Баракан провел опыты, которые опровергли мысль об электризации водных капель за счет их испарения и конденсации. В последовательности исследователей гроз сороковых годов ХХ века значительную роль играют работы Стекольникова. Именно Стекольников обратил серьезное внимание на участие геолого-геофизических обстановок в специфике гроз и локализации грозопоражаемости отдельных участков земной поверхности.
В частности, он отметил, что грозопоражаемость участков зависит от электропроводности подстилающих пород. Поэтому в случае перемежаемости песчаных и глинистых грунтов молнии "изберут"
9
высокопроводящие глинистые участки. Так же выделяются в качестве грозопоражаемых участков трещиноватые гранитные массивы, трещины которых заполнены водой. В действительности, резкая контрастность электропроводности этих пород "притянет" грозовые электрические разряды. В отношении избирательности грозопоражаемости Стекольников выразился следующим образом:
"Различные гипотезы, выдвинутые для объяснения избирательной поражаемости, можно разделить на две группы. К первой относятся теории и гипотезы, в составе которых лежит предположение, что путь молнии определяется проводимостью воздуха; по второй - теории и гипотезы, объединяемые идеей о том, что путь молнии предопределяется свойствами почвы".
Это весьма справедливое расширение информационного пространства для изучения природы и физики гроз в свое время не было поддержано приверженцами метеорологических моделей. Но как показывают и наши исследования, в ряде случаев (особенно в горных условиях) грозопоражаемость участков и образование сильно связано с интенсивностью и пространственной неоднородностью электропроводимости грунтов.
9. Вильсоновская теория
В 1946 году Ганн наблюдал, как при плавлении льда на поверхность жидкости поднимались пузырьки воздуха и лопались, сообщая отрицательный заряд воде и положительный окружающему воздуху. Но это наблюдение не может быть использовано для непосредственного объяснения полярности облаков. Обнаруженный эффект может быть использован лишь для объяснения причин возникновения локального положительного заряда, появляющегося на определенной стадии развития грозового облака, особенно в его нижней части, т.е. в области положительных температур.
В 1948 году Валь разработал и дополнил вильсоновскую теорию обоснованием разделения зарядов противоположных знаков в облаке при температуре ниже 0 градусов с учетом пьезо- и пироэлектрических свойств льда. Недостатком модели Валя является ее неспособность объяснить электризацию облачных частиц без воздействия внешнего электрического поля. В противоположность ему Мейсон в 1953 году пришел к выводу, что, лед, образующийся путем сублимации из атмосферной влаги, заряжается отрицательно, а окружающий воздух остается заряженным положительно. Процесс роста и падения ледяных ядер Мейсон считает причиной образования грозы
10
10. Заключение
Мы узнали:что такое гроза, как люди заинтересовались грозой и какими природными явлениями сопровождается гроза.
