Могут ли облака на крыльях самолета производить молнии?

Молния возникает, когда внутри облака накапливается электрический заряд из-за статического электричества, генерируемого переохлажденными каплями воды, сталкивающимися с кристаллами льда вблизи точки замерзания. Когда накапливается достаточно большой заряд, возникает большой разряд, который можно рассматривать как молнию (из Википедии ).

Таким образом, для возникновения молнии необходимы две вещи: накопление заряда в месте и градиент заряда (разница в заряде, например, между двумя облаками или облаком и поверхностью) для возникновения молнии.

Исходя из этого, маловероятно какое-либо накопление и разрядка заряда в конденсате над крыльями - он слишком недолговечен для любого накопления заряда внутри себя, а заряды на крыльях самолета рассеиваются статическими фитилями на задних кромках - поэтому также нет шансов, что «облако» попадет на поверхность крыла.

Трение создает статическое электричество

В принципе вы правы: электроны отделяются от молекул воздуха или водяного пара за счет трения, происходящего в пограничном слое и других зонах трения. Мгновенно возникают два типа статического электричества: отрицательное, где расположены некоторые оторванные электроны, и положительное, где расположены молекулы воздуха с недостающим электроном (эти молекулы называются «ионами», чтобы указать на их электронный дисбаланс).

Ионы естественным образом нейтрализуются

Однако противоположные заряды притягиваются друг к другу, ионы вскоре рекомбинируют со своими отделенными электронами за самолетом, количество изолированных ионов или электронов — «электрический потенциал» — в любой момент времени не увеличивается, так что разность потенциалов с земли, другой массы или между ионами и электронами достаточно, чтобы создать значительный электростатический разряд.

^{Обратите внимание, что рекомбинация ускоряется водой в воздухе, поскольку вода с примесями является лучшим проводником электричества, чем сухой воздух. Конденсация не способствует созданию статического заряда на самолетах.}

Для молнии необходимы огромные разности потенциалов.

Разность потенциалов измеряется в вольтах*. Для инициирования электростатического пробоя требуется 3000 В на каждый миллиметр сухого воздуха — напряжение, используемое в автомобильной свече зажигания, примерно в 10 раз превышает это значение, чтобы обеспечить хорошую искру, — или 3 ГВ на км.

^{Источник}

Если бы электроны были захвачены на поверхности самолета, потенциал самолета достиг бы значения, необходимого для создания молнии с землей :-)

Итак, почему молнии случаются с облаками, а не с самолетами?

Поверхность трения от крыльев смехотворно мала по сравнению с поверхностью трения в огромном кучево-дождевом облаке. Создаваемое статическое электричество не имеет такого же порядка величины. Это первая причина, но есть и существенная разница в поведении зарядов.

При естественной молнии электроны и положительные ионы создаются сильным ветром внутри определенных облаков. Однако, в отличие от того, что происходит с самолетом, и по еще не совсем понятным причинам , заряженные частицы затем физически разделяются : положительные ионы движутся в верхней части облака, а отрицательные заряды движутся в центре, где они временно объединяются с нейтральными молекулами, образуя отрицательные ионы.

На дно также движется меньшее количество положительных ионов. Эта положительная нижняя часть облака также перемещает отрицательные заряды земли в ее надире, что, в свою очередь, уменьшает толщину слоя воздуха, через который необходимо пройти, и в то же время увеличивает градиент электрического поля.

^{Источник}

Поскольку трение в облаке продолжается, электрический потенциал увеличивается до тех пор, пока разность потенциалов между нижней частью облака и землей не достигнет порога напряжения, необходимого для пробоя. Огромная теплота лавинного пробоя создает плазму, используемую частицами в избытке, чтобы присоединиться к притягательной земле. Это явление сложное и до сих пор не полностью объяснено.

^{*: Вольт — это электрический потенциал, необходимый для создания работы в один джоуль при заряде в один кулон. Смотрите эту красивую страницу для более подробной информации.}

Может ли это облако, сформировавшееся над крылом самолета, вызывать молниеносную активность, как и некоторые другие виды «обычных облаков»?

Нет. Для молнии требуются большие долгоживущие облака, в которых теплый влажный воздух может подниматься, конденсироваться и снова опускаться. Такая структура не может существовать в таком маленьком и временном облаке, как инверсионный след.

Страница Википедии о грозах содержит много информации о том, что необходимо.

То, что вы видите над крыльями, — это конденсат , но технически это не облако.

Облака взвешены в атмосфере из-за длительного насыщения. Не локальное мгновенное падение давления.

Эти конденсаты рассеиваются так же быстро, как и образуются, им не хватает времени для зарядки.

TL-DR : молния возможна не благодаря наличию свободных электронов (очень частое явление в природе и в атмосфере в частности), а благодаря существованию некоторой неэлектрической силы, которая разделяет положительные и отрицательные ионы (несмотря на их электростатическое притяжение) в масштабах, достаточно больших, чтобы вызвать резкое увеличение числа свободных энергичных электронов, как только будет достигнуто пороговое значение электрического поля. Над поверхностью металла таких сил не существует.

Все предыдущие ответы верны, но они касаются мимоходом (и не все, при этом) ключевой предпосылки образования молнии: поддержания крупномасштабного разделения зарядов, т . е . в масштабе километров.

Ионизовать газы довольно легко, и всевозможные силы способны разорвать связи между самыми внешними (и наименее связанными) электронами и их (метко названными) донорными атомами. Но это происходит довольно равномерно в обычном газе, подобном земной атмосфере, а это означает, что в любом заданном микроскопическом объеме положительных ионов столько же, сколько отрицательных. Возникающее электрическое поле почти исчезает, и достижение большого электрического поля, необходимого для грозового разряда (примерно 3 ГВ на км, как указано mins ), невозможно.

Например, на крыле самолета, которое является отличным проводником, электрические силы будут стремиться удерживать положительные и отрицательные (= электроны) ионы очень близко друг к другу, и никакого крупномасштабного электрического поля никогда не будет.

Ключ к объяснению молнии заключается в том, что существуют другие силы, которые стремятся развести электроны и положительные ионы на очень большие расстояния. Это было сказано уже минами (хотя я полагаю менее ясно), и Дэвидом Рикерби . Тот факт, что природа этих сил до конца не изучена, не умаляет того факта, что именно благодаря им возможна молния.

Легко понять, почему необходимы такие большие электрические поля: электрон, сталкивающийся с нейтральным атомом, может ионизировать его, тем самым освобождая еще один электрон, который будет производить в два раза больше свободных электронов, чем наша исходная ситуация, когда у нас есть только электрон. Но при ионизации нейтрального атома первоначальный электрон потеряет энергию и, возможно, не сможет ионизировать другой атом, когда произойдет следующее столкновение, и/или он может породить новый электрон, у которого также недостаточно кинетической энергии для ионизации следующего. она попадает в нейтральное положение: таким образом, нет каскада, поэтому нет увеличения числа электронов, следовательно, нет молнии.

Если только… электрическое поле настолько сильное, что восполняет энергию первоначального электрона (и, конечно, также его вновь образованных собратьев) в промежутках между столкновениями, достаточную для ионизации следующего нейтрала. Другими словами, электроны пополняют запасы энергии между столкновениями благодаря электрическому полю, чтобы снова начать процесс. Это объясняет 3 ГВ на км: энергия, необходимая для ионизации слабо связанного электрона, составляет примерно 3 эВ, а расстояние между столкновениями в атмосфере составляет примерно 0,0001 см. Это означает, что один электрон приобретет 3 ГэВ на км (благодаря электрическому полю), что соответствует падению потенциала на 3 ГВ на 1 км, т. е. ровно на мин .

Вышеизложенное также объясняет внезапный разряд : когда электрическое поле превышает указанное выше пороговое значение, количество электронов удваивается при каждом столкновении: типичное расстояние в воздухе между столкновениями составляет 0,0001 см , так что на протяжении 1 км хорошее значение для толщина облака, один единственный электрон произвел бы каскад из 2^10^9 электронов. Это число нереально велико (общее количество произведенных свободных электронов ограничено конечным количеством доступной энергии, примерно равной конденсатору размером 1 км и электрическому полю 3 ГВ на км), но оно дает хорошее представление о том, как внезапно возникает молния. вышел. Это по сути каскад, внезапный срыв вакуума. При более низких значениях электрического поля у вновь образованных электронов не будет достаточно энергии, чтобы ионизировать следующий нейтрал, с которым они столкнутся; для больших значений они будут, что приведет к внезапному увеличению их числа.

Самолет производит молнию? ДА. Электрическое поле грозы усиливается самолетом и может вызвать молнию.
https://www.scientificamerican.com/article/what-happens-when-lightni/

Облака, образующиеся над крылом самолета, вызывают молниеносную активность, как и некоторые другие виды «обычных облаков»? НЕТ. Заряд, который он может гипотетически произвести, на порядок меньше, если даже будет создан.