Почему молния генерирует несколько ветвей?

Я знаю, что это немного больше, чем вы просили, но молнии очень интересны.

Молниеносное событие обычно называется вспышкой и длится около 0,5 секунды. Он состоит из почти невидимого ступенчатого лидера , за которым следует очень яркий обратный ход назад по траектории ступенчатого лидера. После первого штриха во вспышке могут быть дополнительные штрихи, идущие почти по тому же пути, что и первый. Возможны небольшие отклонения из-за других тусклых лидеров, называемых дротиками .

Более половины всех вспышек молний происходят внутри облака и называются разрядами IC. Наиболее важным с практической точки зрения типом вспышки является молния «облако-земля» (CG). Другими более редкими типами молний являются вспышки «облако-облако» и «облако-воздух». Обратите внимание, что яркая вспышка, которую мы видим, является обратным ударом, поэтому будет казаться, что молния, идущая от облака к земле, начинается у земли и поднимается вверх; первоначальный ступенчатый лидер произошел первым, начиная с облака.

Типичное разделение зарядов в кучево-дождевых облаках приводит к тому, что верхняя часть облака имеет суммарный положительный заряд, нижняя часть имеет суммарный отрицательный заряд, а иногда крайний нижний край имеет небольшой положительный заряд. Общий эффект заключается в том, что большой отрицательный заряд (величиной 15 Кл) находится ближе к земле, чем положительный заряд. Эта структура заряда приводит к тому, что земля становится положительно поляризованной, поскольку отрицательные электроны "отталкиваются" облаком.

Обычно воздух является изолятором, но если расстояние между зарядами слишком велико (либо из-за большого заряда, либо из-за малого расстояния), он может стать проводником. Событие инициации неизвестно, но ученые в настоящее время предполагают, что либо атмосферная радиоактивность (из-за радона-222), либо создание ионов в результате стратосферных реакций с космическими лучами (солнечные протоны, другие заряженные частицы или фотоны высокой энергии) могут вызвать вспышку.

В любом случае отрицательный заряд движется ступенями длиной около 50 метров по небольшому токопроводящему пути в воздухе, делая паузы от 20 до 50 микросекунд на каждом шаге, достигая земли за сотые доли секунды. Сила тока в этих лидерах составляет от 100 до 1000 ампер. После каждого шага ведущий меняет направление по мере открытия нового проводящего пути.

После того, как лидер достигает земли, огромный выброс энергии высвобождается при обратном ходе по пути лидера, поскольку положительные ионы в земле и электроны в лидере объединяются. Эта рекомбинация производит ток от 20 000 до 30 000 ампер и температуру до 30 000 К. Температура поверхности Солнца составляет 5800 К. Это мощное высвобождение сопровождается яркой оптической вспышкой, электромагнитным импульсом и быстрым расширение нагретого воздуха. Типичный размер канала обратного хода составляет 1-2 дюйма в диаметре.

Если начальный удар не устраняет разделение зарядов, больше зарядов от облака будет перемещаться на землю по первоначальному пути. Это называется дротик-лидер. Когда он достигает земли (примерно в 10 раз быстрее, чем ступенчатый лидер), по пути происходит дополнительный возвратный ход. Время между ударами составляет сотые доли секунды, но может достигать десятых долей секунды. Любой, кто наблюдает за грозой, видел несколько ударов молнии по одному и тому же пути.

Молния разветвляется, чтобы уменьшить сопротивление на пути к земле. Как известно, при параллельном соединении двух одинаковых резисторов их эквивалентное сопротивление меньше, чем у двух последовательно соединенных. Ветвление по существу делает это. Он создает все больше и больше параллельных путей, по которым могут течь электроны, тем самым уменьшая общее сопротивление пути от неба к земле.

Механизм его разветвления аналогичен механизму разветвления рек. Потоки воды разветвляются, когда они приближаются к твердой массе, так что они могут двигаться с меньшими препятствиями вокруг этой массы.

Это немного запоздалый ответ, но, поскольку теория молнии все еще находится в стадии разработки, не будет никакого вреда в том, чтобы порассуждать о ней еще немного.

Как упоминалось в других ответах, освещение между облаком и землей обычно начинается в облаке как отрицательный ток, направленный вниз.

Давайте посмотрим на это более подробно.

Во-первых, нам нужно понять, откуда берутся эти отрицательные заряды?

Эти заряды вряд ли будут свободными электронами и вряд ли будут молекулами воды: это отрицательные ионы молекул воздуха. Всегда есть несколько отрицательных и положительных ионов, плавающих вокруг, но когда они ускоряются полем, создаваемым заряженным облаком, они расщепляют нейтральные молекулы воздуха и могут инициировать цепную реакцию, которая ионизирует воздух вдоль силовых линий.

В то время как отрицательные ионы устремляются к земле, создавая по пути больше ионных пар, положительные ионы устремляются обратно к облаку, делая почти то же самое. Но в то время как отрицательным ионам предстоит пройти долгий путь, положительные ионы начинают возвращаться в облако и нейтрализовать заряд в облаке, как только начинается процесс.

По мере того, как облако нейтрализуется вокруг источника освещения, новые заряды из других частей облака устремляются внутрь, чтобы поддерживать работу. Но они не прибудут мгновенно, поэтому мы можем предположить, что поле, выталкивающее лидера, немного ослабнет после первоначального всплеска. Возможно, это могло заставить лидера сделать паузу и подождать, пока заряд в его начале в облаке не пополнится. Я не утверждаю, что это объяснение вспыльчивого характера лидера, а просто делаю наблюдение.

Поскольку, как мы предполагаем, поток лидера формируется молекулами воздуха, движущимися вверх и вниз и совершающими много столкновений, можно было бы ожидать, что этот быстро движущийся воздух (ветер) создаст большую турбулентность на своем пути.

Имея это в виду, вполне естественно, что некоторые из ионов могут отклониться от прямого пути и, если они достаточно энергичны, могут инициировать альтернативные пути.

Таким образом, даже если воздух был совершенно однородным до начала освещения, он будет сильно возмущен по мере развития молнии, создавая множество возможностей для ветвления.

Я не знаю, имеет ли место разветвление в конце «шагов», но если бы это происходило, это не было бы нелогичным, поскольку приход новой волны энергии мог потребовать множественных выходов.

Он не разветвляется. Он сливается, как вода, текущая вниз по склону. Поскольку заряд перемещается из большого рассредоточенного пространства (земли) в маленькое концентрированное пространство (облако), подобно тому, как ручей, впадающий в реку, впадающую в более крупную реку, встречает все большую способность к эрозии и меньшее сопротивление. Ветвление является признаком того, что заряд в основном движется ВВЕРХ, а не вниз.

Поскольку воздух в некотором роде похож на стену-монумент для электричества, представьте, что у вас есть пузырь воздуха в замкнутом объеме в твердой стене, и напряжение давления в этом пузыре увеличивается, тогда, когда напряжение будет достаточно большим, давление разрушит стену, поэтому трещина появляется, и чтобы понять глубже, нам нужно понять, что эта стена имеет структуру, подобную твердому телу, поэтому она трескается на определенном пути в соответствии с внутренней структурой, таким образом, воздух или вакуум являются твердой стеной для электричества, также этот процесс в некотором роде хаотическая, физика определенная наука, но есть хаотические процессы, которые непредсказуемы, из-за многих параметров или параметров, которые находятся вне системы.