Люблю грозу в начале мая

Среди большого количества школьных предметов нет, разумеется, ни одного «ненужного». В этом сходятся все школьные учителя. И если уж уважаемые педагоги и спорят, то только о том, какая же дисциплина «нужнее».

Сами школяры хоть и ворчат по поводу чрезмерных нагрузок, но, по большому счету, полезность всех дисциплин и курсов не отрицают. Однако всякий школьник имеет любимый предмет и искренне верит в его первостепенную важность.

Я люблю физику. Ясное дело, что именно физика – самый главный урок в школе! Потому что физика объясняет устройство мира вокруг нас. Что же может быть важнее? Жаль, что для большинства моих сверстников наука эта ассоциируется с чем-то уж совсем «технократическим» - адронным калайдером, например. В массовом сознании (школьном, разумеется), физика существует в стенах лабораторий и никак не представлена в живой повседневности. Попробуй, объясни ботанику физическую сущность процесса подъема питательных растворов от корней дерева к кроне, - и слушать не станет! Обидно Какой-нибудь юный художник или поэт, любуясь чудными красками заката, ничего не хочет знать о световых волнах, преломлении, рассеивании и прочем. Просто – красиво! А так хочется, чтобы люди поняли физическую основу красоты и, может быть, через это пришли к пониманию красоты самой физики.

Задумавшись над этим, я решил, что кроме школьного учебника физики должен быть еще какой-то другой, где материал излагался бы не от научной теории к жизни, а наоборот – от обычной и даже обыденной жизни к науке. Например, очень бы хотелось увидеть книжку «Физика человеческого тела», или «Физические основы кулинарии», или «Физика ремесел», или вариантов множество.

Написать такие книги (хотя бы брошюры!) – дело профессиональных популяризаторов науки. Но даже школьник может попробовать себя в качестве автора, вернее – составителя, пособия, перелопатив значительное количество литературы и сделав выборку на интересующую тему. Работа компилятивная, но полезная для «ботаников» всех мастей.

Я попробовал. Поскольку люблю грозу, то и тему выбрал соответствующую. Я искренне верю, что это совместимо: можно любоваться меняющими форму облаками, смотреть, как они наливаются свинцом, лиловеют и превращаются в грозовые тучи, слушать музыку тугих струй ливня, восхищаться волшебством радуги, - и при этом пытливо думать о физической основе происходящих в природе явлений.

Итак, любуемся, пытаемся понять сущность явления и даже ответить на каверзные вопросы.

Люблю грозу в начале мая

Все начинается с облаков. С давних времен человек знал: облака и тучи дают дождь, который так нужен посевам, травам, деревьям. Поэтому он считал, что боги облаков и дождевых туч — добрые боги. Он благодарил их, возносил им хвалу, сочинял в их честь гимны.

Красота и причудливость облаков, необычные сочетания форм и оттенков — все это всегда привлекало внимание, вызывало восхищение, будило воображение. Дети любят разглядывать облака и узнавать в них фигуры зверей, подчас диковинных, человеческие лица, те или иные предметы. Вспомним у В. В. Маяковского:

Плыли по небу тучки.

Тучек — четыре штучки:

От первой до третьей — люди,

Четвертая был верблюдик.

К ним, любопытством объятая,

По дороге пристала пятая;

От нее в небосинем лоне

Разбежались за слоником слоник.

Прекрасное стихотворение посвятил облаку английский поэт П. Шелли. В нем есть выразительные строки:

Я землей рождено, я водой вспоено,

Взращено средь небесной равнины,

Отдыхаю в горах, исчезаю в морях;

Я меняюсь, но нет мне кончины.

В этих строках много не только поэзии. В них хорошо отражена также физика красивого и удивительного явления природы, называемого облаком. Внимательно посмотрим на облачное небо.

В толковом словаре В. Даля дано короткое и в то же время достаточно точное определение облака: «Облако — туман в высоте». Как и туман, облако представляет собой взвесь в воздухе мелких и мельчайших капелек воды. Наряду с водяными капельками в облаке могут находиться также мелкие кристаллики льда. Облако может целиком состоять из таких кристалликов.

При всем сходстве с туманом облако все же существенно отличается от него. Это видно уже из того, что существует много видов облаков. Строго говоря, на туман похожи лишь слоистые облака. Они образуются близко от земной поверхности и представляют собой белесые или серые однородные горизонтальные полосы (слои).

Расстояние от земли до облачной полосы не превышает обычно нескольких сотен метров, но может составлять и всего десятки метров. Толщина слоистого облака порядка 100 м. 1 км, зато его горизонтальная протяженность может достигать 100 км. Слоистые облака часто возникают на склонах гор. Осадки из слоистых облаков не выпадают, если не считать мелкой мороси.

Значительно более мощные слои образуют слоисто-дождевые облака. Они темно-серые, плотные, иногда почти черные, с размытой нижней границей. Эти облака могут обкладывать весь небосвод, покрывая его темными пятнами; именно с такими облаками мы и связываем представление о пасмурной погоде.

Расстояние от земной поверхности до слоисто-дождевых облаков обычно составляет примерно 100 М. 1 км, толщина облаков порядка километра, горизонтальная протяженность достигает 100. 1000 км. Как видно уже из названия, эти облака дают дождь. Облака могут существовать сутки и более; выпадающие из них дожди могут быть длительными, обложными. При определенных условиях из слоисто-дождевых облаков выпадает снег.

В отличие от слоистых облаков, являющихся, как правило, капельными, слоисто-дождевые облака — смешанные: в нижней своей части они состоят из капелек воды, а в верхней — из кристалликов льда.

Кроме этих двух типов облаков существуют еще кучевые, высококучевые и перистые облака. Они перечислены в порядке возрастания высоты пребывания.

Все эти облака образуются в пределах нижнего слоя атмосферы, называемого тропосферой. В более высоких слоях атмосферы облаков почти нет; лишь на высотах около 30 км можно обнаружить перламутровые облака да на высотах около 80 км — серебристые облака. Перламутровые облака очень тонкие, они просвечивают; в сумерки вблизи солнца они окрашиваются в красный, золотистый и зеленоватый цвета. Серебристые облака также очень тонкие. Они светятся серебристым цветом ночью, вскоре после захода солнца или незадолго до восхода. Это рассеянный облаками солнечный свет.

Облака переносятся ветрами на огромные расстояния, в результате чего осуществляется постоянный влагообмен между различными областями нашей планеты. Крайне упрощенная схема влагообмена такова: вода из моря попадает в облака, образующиеся над поверхностью моря, затем ветры переносят эти облака на материк, где они изливаются дождями, наконец, через реки вода возвращается обратно в море.

Облачный покров нашей планеты достаточно велик. Облака покрывают в среднем около половины всего небосвода, В них содержится во взвешенном состоянии 1012 кг воды (льда).

Процесс образования облака начинается с того, что некоторая масса достаточно влажного воздуха поднимается вверх. По мере подъема будет происходить расширение воздуха. Это расширение можно считать адиабатным, так как воздух поднимается относительно быстро, и при достаточно большом его объеме (а в образовании облака принимает участие действительно большой объем воздуха) теплообмен между рассматриваемым воздухом и окружающей средой за время подъема попросту не успевает произойти.

Как мы уже знаем, при адиабатном расширении газа его температура понижается. Значит, поднимающийся вверх влажный воздух будет охлаждаться. Когда температура охлаждающегося воздуха понизится до точки росы, станет возможным процесс конденсации пара, содержащегося в воздухе. При наличии в атмосфере достаточного количества ядер конденсации этот процесс действительно начинается. Если ядер конденсации в атмосфере мало, конденсация начинается не при температуре, равной точке росы, а при более низких температурах.

Различают микрофизику и макрофизику облаков. Макрофизика изучает перемещения воздушных масс, приводящие к образованию, росту и испарению облака в целом. Микрофизика рассматривает микроструктуру облака, исследует процессы образования, слияния, испарения водяных капель. В частности, микрофизика изучает условия формирования тех или иных осадков.

Облака могут состоять из капелек воды (водяные, или капельные облака), ледяных кристалликов (ледяные, или кристаллические облака), а также одновременно из капель и из кристалликов (смешанные облака). Водяные облака существуют не только при плюсовой температуре, но и при температурах ниже нуля (примерно до —20 °С) -это переохлажденные водяные облака. Например, при —10 °С облака в 50% случаев водяные, в 30% смешанные и только в 20% ледяные.

Водяные капли в облаке имеют различные диаметры — от долей ' микрометра до нескольких миллиметров. Ледяные кристаллики облака чаще всего имеют форму шестигранных призм-столбиков длиной порядка 0,1 мм и шестиугольных пластинок размером 0,1. 0,5 мм.

Задачи.

Задача. Белые облака. Почему облака в основном белые, а не голубые, как небо? Почему грозовые тучи черные?

Ответ. Рассеяние света на объектах, много меньших длины волны видимого света, описывается рэлеевской моделью рассеяния. Размеры водяных капель в облаке обычно больше, и свет просто отражается от их внешней поверхности. При таком отражении свет не разлагается на составляющие цвета, а остается белым. Очень плотные облака кажутся черными потому, что они пропускают мало солнечного света — он либо поглощается каплями воды в облаке, либо отражается вверх.

Задача. Что удерживает облако? Почему облако не «рассыпается»? Почему в малооблачную погоду часть неба закрыта облаками, а часть — совершенно чистая. Не кажется ли вам, что облака должны были бы распределяться по небесному своду более равномерно?

Ответ. В восходящих потоках теплый влажный воздух охлаждается, расширяясь по мере понижения атмосферного давления с высотой. Из-за понижения температуры водяной пар частично конденсируется, образуя облака, а воздух несколько согревается за счет скрытой теплоты испарения, высвобождаемой при конденсации. Поэтому все время происходит процесс образования новых облаков.

Задача. «Сжигание» облаков.

Когда ранним летним утром небо бывало затянуто низкими облаками, моя бабушка говорила, что солнце их «сожжет» и день будет солнечным. И действительно, чуть позже облака часто исчезали. Может быть, бабушка была права и облака на самом деле «сгорали» от поглощаемого ими тепла? Верно ли это?

Ответ. Большая часть видимого солнечного света, падающего на облака, проходит сквозь них и поглощается землей. По мере согревания земли ее тепловое (длинноволновое) излучение возрастает. Облака поглощают это излучение, и со временем разность температур между основанием и вершиной облака становится достаточной для того, чтобы возникли турбулентные потоки. Они и разрушают облака.

Задача. «Дорожки» в облаках.

Иногда небо покрывается длинными, ровными дорожками кучевых облаков. Что «заставляет» облака выстраиваться таким образом; чем, в частности, определяется расстояние между облачными дорожками? Почему они возникают сравнительно редко?

Ответ. «Дорожки» в облаках создаются горизонтальными вихревыми потоками — рядами вихрей, оси вращения которых горизонтальны и ориентированы по направлению ветра. Там, где циркуляция между двумя смежными вихрями направлена вверх, воздух при расширении охлаждается и часть содержащегося в нем пара конденсируется, образуя облако. Там же, где циркуляция между двумя смежными вихрями направлена вниз, облака не возникают. Вихри обусловлены тепловой циркуляцией, при которой теплый воздух поднимается вверх, а холодный опускается вниз. Горизонтально дующий ветер растягивает эти вихри в горизонтальные потоки.

Облако меняется, как настроение капризного ребенка, и превращается в грозовую тучу.

Оставим теперь в стороне настроения, которые вызывает гроза. Понаблюдаем внимательнее, как она развивается. В ее развитии достаточно четко выделяются четыре последовательных этапа.

Первый этап — предгрозье. С утра жарко и душно, стоит полная тишина. «Парит! Быть грозе»,— уверенно предсказывают бывалые люди. На данном этапе происходит зарождение грозовой тучи. Оно хорошо описано в стихотворении В. С. Шефнера:

На кустиках нежных синеет черника,

Ни шороха ветра, ни птичьего крика.

Над гладкой рекой, над лесными местами

Легла тишина голубыми пластами.

Шагаю — а зной над лесными холмами

Прозрачными к небу восходит волнами,

И зреет зерно неминуемой бури

В дремучем покое, в недвижной лазури.

Второй этап — начальное развитие грозовой тучи, ее формирование. Воздух становится влажным, в нем как бы разливается слабый туман. В вышине возникает, растет, постепенно темнеет кучево-дождевое облако, превращаясь в грозовую тучу. Увеличивающаяся туча закрывает солнце, и все вокруг сразу становится мрачным, устрашающим. Возникает теплый ветер, поднимающий вверх сухие листья и травинки. Замолкли птицы, вся природа словно бы затаилась в ожидании. Этот этап очень точно описан в стихотворении И. С. Тургенева:

Уже давно вдали толпились тучи

Тяжелые — росли, темнели грозно.

Вот сорвалась и двинулась громада.

Шумя, плывет и солнце закрывает

Передовое облако. Внезапный

Туман разлился в воздухе. Кружатся

Сухие листья. Птицы притаились.

Из-под ворот выглядывают люди,

Спускают окна, запирают двери.

Третий этап — зрелая грозовая туча. Сверху из тучи устремляются к земле мощные потоки холодного воздуха.

Потоки холодного воздуха ударяются о поверхность земли и порождают пылевые вихри. И тут же начинается сильный дождь, а иногда и град. Сверкают молнии, гремит гром.

Четвертый этап — разрушение грозовой тучи. Туча заметно уменьшилась (разрушилась). Ее верхушка вытянулась горизонтально. Дождь ослабел, ветер заметно стих. Еще немного, и в просветах туч появляется солнце. Вся природа оживает. Остатки тучи уходят вдаль. В воздухе необычайная свежесть.

Грозовая туча образуется в жаркий день, когда воздух у поверхности земли сильно прогрет и хорошо насыщен водяными парами. Происходит мощная конвекция: потоки нагретого влажного воздуха устремляются вверх. Подъем теплых воздушных масс еще более усилится, если ветер пригонит холодный воздух. Массы пришедшего холодного воздуха, стелющегося у самой поверхности земли, проникают под нагретую воздушную массу и приподнимают ее вверх. Недаром именно на холодных фронтах наиболее часто образуются кучево-дождевые облака, перерастающие в грозовые тучи.

Рассмотрим же, что происходит внутри грозовой тучи на разных этапах ее «жизни» — от зарождения до разрушения. Ранее мы говорили о следующих этапах: этапе формирования тучи (этапе ее начального развития), этапе зрелости, этапе разрушения. Именно эти этапы мы и будем теперь иметь в виду, анализируя происходящие в туче физические процессы.

На этапе начального развития наблюдаются мощные восходящие потоки воздуха. Содержащиеся в них водяные пары, начиная с некоторой высоты конденсируются. Процесс конденсации паров продолжается при дальнейшем подъеме воздушных масс, вследствие чего облако быстро растет в высоту, постепенно превращаясь в грозовую тучу. По мере подъема скорость восходящих воздушных потоков внутри зарождающейся тучи возрастает. Обратим внимание также на приток с боков более холодного воздуха, окружающего тучу.

Впрочем, все это совершается в вышине, а земной наблюдатель видит лишь постепенно разрастающееся, приобретающее все более темный цвет облако, и, кроме того, ощущает горизонтальные потоки ветра. Это приповерхностный воздух устремляется под тучу — в область пониженного давления, образовавшуюся благодаря подъему воздушных масс. Если под тучу проникает откуда-нибудь с водоема сравнительно холодный воздух, то будет происходить некоторое охлаждение поднимающихся вверх теплых и влажных воздушных масс; в результате может возникнуть легкая туманная дымка. Все это как раз и отмечалось в приводившемся ранее стихотворении Тургенева:

. Внезапный

Туман разлился в воздухе. Кружатся

Сухие листья.

Мощные восходящие потоки теплого влажного воздуха обусловливают сильный рост грозовой тучи в высоту. Верхняя граница тучи оказывается на высоте 10. 15 км, она может достигать даже 20 км. На таких высотах восходящие воздушные потоки затухают. Там образуются большие скопления ледяных кристалликов, которые начинают падать сквозь тучу вниз, увлекая за собой некоторое количество холодного воздуха. Важно отметить, что возникший у вершины тучи нисходящий поток холодного воздуха, попадая в нижние «этажи» тучи, не затухает, а, напротив, усиливается. Таким образом, наблюдается довольно сложная картина — наряду с восходящими потоками воздуха, нагретого у поверхности земли, возникают нисходящие потоки воздуха, охлажденного в верхней части тучи. Такая ситуация соответствует созревшей грозовой туче.

Нисходящий холодный воздушный поток, выходя из тучи, мощно ударяет по поверхности земли — появляется сильный порывистый ветер, возникают пылевые вихри. Одновременно из тучи начинаются интенсивные осадки — ливень, иногда град. В приводившемся ранее стихотворении Тургенева все это описано весьма точно:

. Помчалась пыль столбами по дорогам;

Поднялся вихрь и по стенам и крышам

Ударил злобно. Хлынули потоки

Дождя. Запрыгал угловатый град.

Крутятся, бьются, мечутся деревья.

Падающие вниз сквозь тучу холодные воздушные массы, вызывая ливень и град, в то же время гасят встречные восходящие потоки воздуха. А это означает, что туча начинает разрушаться — за этапом созревания очень быстро следует этап разрушения тучи. Теперь внутри тучи существуют лишь нисходящие воздушные потоки. Постепенно деятельность ветра прекращается, дождь стихает. Туча буквально на глазах «худеет», ее вершина вытягивается по направлению ветра, образуя «наковальню». Недолгая жизнь грозовой тучи подошла к концу.

Подчеркнем, что разделение жизни тучи на отдельные этапы является вполне четким. На этапе начального развития, когда туча еще только формируется, в ней наблюдаются лишь восходящие воздушные потоки, притом весьма мощные. На этапе зрелости, наряду с восходящими, возникают также нисходящие потоки, вызывающие бурное выпадение осадков. Наконец, на этапе разрушения восходящие потоки прекращаются, остаются только нисходящие.

Задачи.

Задача. Куда дует ветер в грозу?

Если гроза происходит где-то в нескольких километрах от вас и движется о направлению к вам, то куда дует ветер: в сторону грозы или в вашу сторону? Скорее всего, вы заметите, что по мере приближения грозы направление ветра меняется. Почему?

Ответ. Если грозовое облако находится от вас на расстоянии нескольких километров, то там, где вы стоите, ветер направлен в сторону облака, так как воздушный поток на переднем фронте облака движется вверх. Когда же туча расположена достаточно близко к вам, то ветер дует со стороны тучи, поскольку поток холодного воздуха, увлекаемого дождем, направлен вниз.

Задача. «Светящийся дождь».

Возможно, вам приходилось когда-нибудь видеть дождь, идущий вдалеке? Когда эта далекая стена дождя освещена прямым солнечным светом, можно заметить, что выше некоторой отчетливой горизонтальной линии дождь кажется гораздо более светлым, чем внизу. Как это можно объяснить?

Ответ. Эта горизонтальная линия соответствует высоте, на которой падающий снег тает. Выше этой линии находится снег, который отражает свет лучше, чем водяные капли, образующиеся ниже нее.

Задача. Стоит ли бежать под дождем? Допустим, вам нужно перейти улицу под дождем, а зонта у вас нет. Как поступить: бежать или идти шагом? Если вы побежите, то проведете под дождем меньше времени. Тем не менее может случиться, что вы намокнете сильнее, чем если бы шли шагом, так как вы «набегаете» на дождевые струи. Попробуйте произвести грубый подсчет, рассматривая свое тело как прямоугольный параллелепипед соответствующих размеров. Зависит ли ваш ответ от того, какой идет дождь: косой или вертикальный?

Ответ. Предположим для простоты, что вы надели шляпу и поэтому капли дождя, падающие на голову вас не беспокоят. Тогда, если дождь идет навстречу или падает вертикально, следует как можно быстрее бежать к укрытию. Если же дождь бьет в спину, то нужно двигаться со скоростью, равной горизонтальной составляющей скорости дождевых струй.

Не бывает грозы без молнии и грома. Эти природные явления так потрясали людей, что издревле им приписывалось божественное происхождение.

Самый главный бог древних греков— Зевс (Зевес) — был также богом молнии и грома. Его называли громовержцем, тучегонителем. Зевс хмурит брови — и сгущаются тучи. В гневе он поражает молнией, устрашает громом.

У римлян богом-громовержцем был Юпитер. Как у древних греков Зевс, так у римлян Юпитер считался главным богом. Точно так же главную роль отводили своим богам-громовержцам индусы (бог Индра), скандинавы (бог Тор), славяне (бог Перун).

В представлении древних эстов молния и гром связывались не с одним, а с двумя богами. Богом молнии был Пикне, а богом грома Эйке; действовали они, конечно, всегда вместе.

Вполне понятно, что молния и гром первоначально воспринимались людьми как выражение воли богов и, в частности, как проявление божьего гнева. Вместе с тем пытливый человеческий ум с давних времен пытался постичь природу молнии и грома, понять их естественные причины. В древние века над этим размышлял Аристотель. Над природой молнии и грома задумывался Лукреций. Но в те далекие времена разгадать эту природу ученым было не под силу. Как признавался Лукреций, «скудость познания мысль беспокоит тревожным сомненьем. ».

Перед нами старинный учебник физики. Он издан в 1760 г. в Санкт-Петербурге и имеет длинное витиеватое название: «Вольфианская теоретическая физика с немецкого подлинника на латынском языке сокращенная, переведена на российский язык Императорской Академии Наук переводчиком Борисом Волковым». На странице 110 учебника читаем: «Что молния есть действительно огонь, оное из того явствует, что она по прикосновении своем к телам оные зажигает. А что огонь сей состоит из серных загоревшихся частиц, оное из серного запаха, который исходит от тел, молнией пораженных, ясно познается». Итак, как утверждается в учебнике физики, молния есть огонь, который «состоит из серных загоревшихся частиц». Здесь мы встречаемся с любопытным курьезом. Дело в том, что это утверждение переведено на русский язык в 1760 г. , т. е. восемь лет спустя после того, как была установлена электрическая природа молнии. Думается, что переводчик императорской Академии наук должен был бы знать об этом, тем более что исследования природы молнии проводились в эти годы не только на Западе, но и в России.

В 1752 г. Бенджамин Франклин экспериментально доказал, что молния — это сильный электрический разряд. Ученый выполнил знаменитый опыт с воздушным змеем, который был запущен в воздух при приближении грозы. На крестовине змея была укреплена заостренная проволока, к концу бечевки привязаны ключ и шелковая лента. Ленту ученый удерживал рукой. В письме к одному из своих друзей Франклин писал: «Как только грозовая туча окажется над змеем, заостренная проволока станет извлекать из нее электрический огонь, и змей вместе с бечевой наэлектризуется. А когда дождь смочит змей вместе с бечевой, сделав их тем самым способными свободно проводить электрический огонь, Вы увидите, как он обильно стекает с ключа при приближении вашего пальца». Встречающееся в этом письме словосочетание «электрический огонь» мы сегодня переводим как «электрический заряд».

Опыт Франклина с некоторыми изменениями был немедленно повторен рядом ученых. Так, француз Далибар установил в саду на изолирующей подставке железный шест высотой 40 футов; во время грозы из шеста вылетали искры. Одновременно с Франклином исследованиями электрической природы молнии занимались М. В. Ломоносов и Г. В. Рихман. Во время одного из опытов, проводившегося в грозу, Рихман был убит молнией. Благодаря исследованиям Франклина, Ломоносова, Рихмана в середине XVIII в. была доказана электрическая природа молнии. С этого времени стало ясно, что молния представляет собой мощный электрический разряд, возникающий при достаточно сильной электризации туч. В заключение отметим, что установление электрической природы молнии позволило Франклину создать громоотвод, который правильнее было бы называть «молниеотводом». Это был длинный металлический стержень, который предохранял постройки от поражения молнией.

Молнии разнообразны.

Большинство молний возникают между тучей и земной поверхностью, однако есть молнии, возникающие между тучами. Все эти молнии принято называть линейными. Длина отдельной линейной молнии может измеряться километрами.

Так называемая ленточная молния. При этом наблюдается такая картина, как если бы возникли несколько почти одинаковых линейных молний, сдвинутых относительно друг друга.

Существует еще один вид молний, отличающийся своей загадочностью. Это так называемая шаровая молния. Она совершенно не похожа ни на линейную, ни на ленточную молнии. До сих пор природа этой молнии не разгадана, а главное, мы пока не умеем воспроизводить ее искусственно.

Задачи.

Задача. Молния — настолько привычное для нас явление, что порой мы не замечаем ее красоты. Поэтому, прежде чем обращаться к странным или парадоксальным явлениям, связанным с молнией, попробуем выяснить несколько простых вопросов, касающихся ее общих свойств. Разряд молнии состоит по меньшей мере из двух разрядов: «лидера» и «обратного» разряда. Какой из них мы видим и почему не оба? Почему мы вообще видим молнию, что в этом процессе создает видимый свет? Как направлен видимый разряд: снизу вверх или сверху вниз? Почему он так сильно изломан? Каков ток разряда молнии? Какова яркость вспышки? Какова толщина видимого канала молнии: 100 м, 1 м или всего несколько миллиметров? Как долго длится вспышка молнии: несколько секунд, несколько миллисекунд или около микросекунды?

Ответ. При обычном разряде молнии заряды в облаке распределяются следующим образом: в основании облака сосредоточено некоторое количество положительных зарядов, середина облака несет значительный отрицательный заряд, а его вершина — значительный положительный заряд. Вначале возникает разряд между основанием облака и его отрицательно заряженной серединой. При этом электроны переходят в основание облака. Далее разряд продолжается из нижней части облака вниз в виде ступенчатого лидера, который прыгает скачками порядка 50 м, приостанавливаясьпосле каждого скачка примерно на 50 мкс, и всякий раз отрицательный заряд перемещается из облака в нижнюю часть оставленного лидером канала. Светится лишь нижняя часть лидера, однако движение на этой и последующих стадиях разряда происходит столь быстро, что мы видим канал светящимся полностью. Лидер движется по ломаной линии, так как он отклоняется под действием положительного заряда, местами сосредоточенного в воздухе. Если этот заряд достаточно велик, то лидер может даже изменить направление движения на горизонтальное.

Когда лидер подходит к земле, электрическое поле около заостренных предметов может достигать такой величины, что происходит электрический пробой и навстречу лидеру устремляется положительный заряд. В области, где они встречаются, возникает яркая вспышка, продолжающаяся, пока отрицательно заряженный лидер не нейтрализуется и электроны не уйдут в землю. Эта ярко светящаяся область движется вверх по каналу лидера и достигает облака. Однако наблюдателю из-за неспособности человеческого глаза следить за столь быстрым движением светящимся кажется весь канал. Движение лидера вниз совершается примерно за 20 мс, а обратный разряд продолжается всего 100 мкс. Свечение исходит от центральной части канала лидера, диаметр которой, по-видимому, не превышает нескольких сантиметров.

Задача. Молния без грома.

Нередко мы видим вспышку молнии, но не слышим грома. Как правило, раскаты грома редко распространяются на расстояния более 25 км. Почему? Неужели 25 км — такое уж большое расстояние для звука? Нет, орудийные выстрелы и разрывы снарядов доносятся значительно дальше. Почему же на таком расстоянии не слышен гром?

Ответ. Здесь действуют те же причины, которые мы уже рассматривали в задачах 1. 28 и 1. 29: звуковые волны, возникающие при разряде молнии, отклоняются вверх в теплых слоях воздуха у поверхности земли. За пределами области радиусом примерно 25 км звук отклоняется настолько, что уже не слышен на земле.

Задача. Раскаты грома. Когда я был маленьким, мама объясняла мне, что гром как-то связан с молнией. Как же возникает гром, и почему его раскаты слышны довольно длительное время? Всегда ли гром грохочет? Я читал, что в радиусе 100 м от места удара молнии вначале слышен щелчок, затем — треск (как от пастушьего кнута) и только потом — грохот. Что вызывает щелчок и треск?

Ответ. В настоящее время явление грома стало предметом внимательного изучения. Предполагается, что электрический разряд молнии вызывает сильное нагревание и резкое расширение воздуха; в результате создается цилиндрическая ударная волна, которая и служит основным источником грома. Недалеко от места удара молнии можно также расслышать шипение и щелчок — видимо, это звук движущегося вверх «лидера». Длительное звучание грома (рокот и раскаты), вероятно, обусловлено отражением звука от окружающих объектов.

Задача. Молния и деревья. Существует поверье, что молния предпочитает ударять в дубовые деревья. И правда, среди разбитых молнией деревьев встречается очень много дубов. Трудно, однако, представить, что молния способна отличать дуб от других пород деревьев. Почему же тогда чаще всего разбиваются именно дубы? Как вообще удар молнии разбивает дерево? Разумеется, не всегда удар молнии приводит к гибели дереваКаким образом молния вызывает лесные пожары? Почему не всякий удар молнии в лесу приводит к пожару?

Ответ. Если дерево влажное, ток разряда молнии проходит через воду, и дерево остается невредимым. В сухом дереве ток может пройти в ствол и по древесному соку уйти в землю. При этом сок может нагреваться, испаряться и, расширяясь, «взрывать» дерево. Дуб страдает от молнии чаще, чем другие деревья, так как его кора очень неровная. Если молния ударит в дуб в начале грозы, то может оказаться, что намокнуть успеет только верхняя часть дерева, тогда как дерево с гладкой корой быстро становится мокрым сверху донизу. Поэтому при ударе молнии дуб может «взорваться», а дерево с гладкой корой — остаться целым.

Лесной пожар возникает в тех случаях, когда в канале молнии происходит несколько разрядов, но в промежутках между основными разрядами в канале продолжает течь ток.

Наверное, нет человека, который бы не любовался радугой, расцветившей небо после грозы. Это великолепное красочное явление издавна поражало воображение людей. О радуге слагались легенды, ей приписывали удивительные свойства. У древних греков богиня радуги Ирида выступала как посредница между богами и людьми, передававшая людям волю богов. Глядя на радугу, древние греки верили, что она соединяет небо и землю. По мнению древних эстов, радуга наполняла водой истощенные после дождя облака; вода по радуге якобы поднималась из озера или реки в небеса. С радугой всегда связывалось ощущение радости и освобождения. По библейской легенде, бог Яхве после всемирного потопа повесил на небе радугу в знак того, что он больше не станет так жестоко карать людей: «Я полагаю радугу мою в облаке, чтобы она была знамением вечного согласия между мною и между землею».

Радуга – добрая предвестница. Если она появилась, значит, проглянуло солнце; напоивший посевы дождь, сделав доброе дело, теперь окончится, настанет хорошая погода. Слово «радуга» содержит старославянский корень «радь», что означает «веселый». В старославянском языке есть наречие «радоштами», означающее «радостно». И в наши дни в некоторых местностях на Украине радугу называют «веселкой». А многие люди «расшифровывают» слово «радуга» как «райская дуга».

Конечно, не только о хорошей погоде думали люди, любуясь радугой. С радугой издавна связывались представления о благополучии, о счастье. Существовало поверье, будто в том месте, где радуга как бы уходит одним из своих концов в землю, можно откопать горшок с золотом. А чтобы до окончания жизни быть счастливым и удачливым во всех делах, достаточно хотя бы раз пройти под радугой босиком. Жаль вот только, что никому еще не удавалось пройти под радугой, никто не смог подойти к ее основанию.

Издавна заметили, что радуга наблюдается, только когда выглянуло из-за туч солнце и только в стороне, противоположной солнцу. Если встать лицом к солнцу, то радуги не увидеть. Надо, чтобы солнце было сзади. Радуга возникает, когда солнце освещает завесу дождя. Можно наблюдать также и близкую радугу, возникающую на фоне струй водопада или фонтана.

Сколько у радуги цветов? Обычно говорят о семи цветах, чередующихся в следующем порядке; красный (внешний край радуги), оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый (внутренний край радуги, обращенный к земной поверхности).

Многократно наблюдая радугу, люди, естественно, давно пытались понять физику ее возникновения. В 1571 г. Флетчер из Бреслау опубликовал работу, где утверждал, что наблюдатель видит радугу в результате попадания в его глаз световых лучей, каждый из которых испытал двукратное преломление в одной капле дождя и последующее отражение от другой капли дождя. В начале XVII в итальянец Антонио

Доминико предложил иной (и, заметим, правильный) вариант прохождения светового луча к наблюдателю. Он утверждал, что достаточно рассмотреть одну каплю дождя. Изображение радуги формируется в результате того, что световой луч испытывает в капле дождя двукратное преломление и одно отражение.

Задачи.

Задача. Цвета радуги. Радугу обычно объясняют простым преломлением и отражением солнечных лучей в каплях дождя. Однако, поскольку диапазон углов падения лучей на поверхность капли довольно велик, казалось бы, лучи — пусть даже одного цвета — должны выходить из капли тоже под разными углами. Почему же тогда в радуге каждый цвет занимает совершенно определенное положение?

Кстати дает ли радуга такие же «чистые» цвета, как призма? Если радуга действительно обусловлена простым преломлением, то цвета в ней должны быть чистыми.

Почему в побочной радуге (которая иногда видна за основной) расположение цветов противоположно тому, что наблюдается в основной радуге? Почему так редко удается увидеть побочную радугу? И, кстати, почему вообще возникает одновременно не больше двух радуг? Если основная радуга соответствует однократному отражению лучей внутри капли, а побочная — двукратному, то почему не может быть радуги, обусловленной большим числом внутренних отражений?

Двойную радугу можно также наблюдать ночью при слабом дожде в луче прожектора. Когда луч перемещается по небу, радуги бегают по нему вверх-вниз, иногда исчезая на короткое время. Как объяснить такое перемещение радуги?

Ответ. Свет выходит из капли в широком диапазоне углов, но наибольшая интенсивность наблюдается под углом, соответствующим радуге (выражаясь языком геометрической оптики, плотность пучка выходящих из капли лучей под этим углом максимальна). Так как видимый свет различных длин волн преломляется в капле по-разному (синий преломляется сильнее красного), точное значение угла, под которым интенсивность выходящего пучка максимальна, зависит от длины волны света (то есть цвета). Поэтому под тем углом, под которым видна радуга, цвета не только наиболее ярки, но и слегка разделены, так что мы можем различить их. Однако дисперсия, которой обусловлено разделение цветов, здесь происходит иначе, нежели в призме. Первое указание на истинную причину этой дисперсии дает нам существование дополнительных радуг.

Цвета в побочной радуге располагаются в обратной последовательности, так как она образуется в результате двукратного отражения света внутри каждой капли. В этом случае лучи света выходят из капли под другими углами, чем те, которые дают основную радугу. Так как синий свет преломляется сильнее, чем красный, капли, ответственные за синий цвет в побочной радуге, должны быть видны под большим углом, чем капли, дающие красный цвет. Для основной радуги справедливо обратное, поскольку при ее образовании лучи отражаются внутри капли один раз. Поэтому порядок цветов в основной и побочной радугах разный.

В лабораторных условиях удавалось наблюдать одновременно больше двух радуг. Существует несколько сообщений о наблюдении радуги третьего порядка (соответствующей трехкратному внутреннему отражению). Солнце при этом было низко над горизонтом, под темными облаками. Радуги высших порядков наблюдать не удается, так как они слабее рассеянного света неба и бликов от света, рассеянного от внешней поверхности капель (который вообще не претерпевает отражений внутри капли).

Задача. Чистый красный цвет в радуге. Почему чистый красный цвет обнаруживается лишь в вертикальных участках радуги? Чтобы это было заметным, солнце должно находиться относительно низко, потому что только в этом случае становятся видны вертикальные участки радуги; однако если смотреть на радугу с высокой точки, то солнце может стоять и высоко.

Ответ. Неравномерное распределение красного цвета в радуге объясняется тем, что во время падения капли сплющиваются набегающим потоком воздуха по вертикали. Свет, который образует верхнюю часть дуги, проходит через это сплюснутое сечение, и поэтому красный цвет смещается вниз, внутрь радуги. В результате видимая нами красная полоска радуги сильно ослабляется. Горизонтальное сечение капли остается круглым. Поэтому свет при образовании вертикальных участков радуги проходит через круглое сечение капли, и цвета этих участков нормальные. На капли меньшего размера поток воздуха влияет слабее, поэтому они дают нормальную радугу.

Задача. Расстояние до радуги.

Как далеко от нас образуется радуга, или, другими словами, на каком расстоянии находятся те капли воды, благодаря которым и возникает радуга? Может ли так случиться, что радуга возникнет всего лишь в нескольких метрах от нас?

Если посмотреть на радугу, которую создает струя воды из садового шланга, то иногда можно увидеть две пересекающиеся дуги. Почему они возникают?

Ответ. Расстояние между каплями, которыми обусловлена радуга, и наблюдателем не играет роли. Имеет значение только угол между падающим на каплю солнечным лучом и линией зрения наблюдателя. Капли же могут находиться от наблюдателя на расстоянии от нескольких метров до нескольких километров. Если все капли, создающие радугу, расположены в пределах нескольких метров от наблюдателя (именно это имеет место, когда радуга возникает в струе шланга), то каждый глаз наблюдателя видит «свою» радугу, и эти радуги несколько смещены одна относительно другой.

Задача. Лунная радуга. Лунные радуги очень редки. Почему? Может быть потому, что лунный свет много слабее солнечного, или здесь скрыта какая-то другая причина?

Ответ. Лунные радуги редки не только потому, что лунный свет намного слабее солнечного. Другая причина кроется в той погоде, какая обычно бывает в то время, когда положение Луны благоприятствует образованию лунной радуги. Грозы чаще всего происходят к концу дня, поэтому возможность возникновения лунной радуги уменьшается. Кроме того, интенсивность лунного света зависит от фазы Луны, что еще более снижает вероятность наблюдения лунной радуги.

Мы убеждались, что гроза не только грозная, но и крайне интересна как объект изучения. Впрочем, таково все в природе – прекрасно и интересною. Главное, чтобы это поняли люди, от которых и зависит будущее природы.