Kodėl žaibas zigzaguoja? Pagaliau atsakymas į paslaptį


Kreditas: Shutterstock

Visi matė žaibą ir stebėjosi jo galia. Tačiau nepaisant dažnumo (kasdien visame pasaulyje įvyksta apie 8,6 mln. žaibo), kodėl žaibas žengia žingsniais nuo perkūnijos debesies iki žemiau esančios žemės, liko paslaptis.

Yra keletas žaibo vadovėlių, tačiau nė viename nepaaiškinama, kaip susidaro šie „zigzagai“ (vadinami žingsniais) ir kaip žaibas gali nukeliauti kilometrus. mano naujų tyrimų pateikia paaiškinimą.

Intensyvūs elektriniai laukai griaustinio debesyse sužadina elektronus, kad jie turėtų pakankamai energijos sukurti vadinamąsias “vienetines delta deguonies molekules”. Šios molekulės ir elektronai kaupiasi, kad sukurtų trumpą, labai laidų žingsnį, kuris intensyviai šviečia milijoną sekundės dalių.

Žingsnio pabaigoje yra pauzė, nes kaupimasis kartojasi, o po to seka dar vienas ryškus, mirksintis šuolis. Procesas kartojamas vėl ir vėl.

Padidėjimas į ekstremalūs oro reiškiniai reiškia, kad apsauga nuo žaibo tampa vis svarbesnė. Žinant, kaip a Žaibo smūgis inicijuotas reiškia, kad galime išsiaiškinti, kaip geriau apsaugoti pastatus, lėktuvus ir žmones. Taip pat gerėja aplinkai nekenksmingų kompozitinių medžiagų naudojimas orlaiviuose kuro efektyvumasšios medžiagos padidinti žaibo žalos rizikątodėl turime pažvelgti į papildomą apsaugą.

Kas veda į žaibo smūgį?

Žaibas trenkia, kai perkūnijos debesys su an elektrinis potencialas milijonai voltų yra prijungti prie žemės. Tarp žemės ir dangaus teka tūkstančių amperų srovė, kurios temperatūra siekia keliasdešimt tūkstančių laipsnių.

Žaibo nuotraukos atskleidžia daugybę plika akimi nepastebėtų detalių. Paprastai iš debesies atsiranda keturi ar penki silpni „lyderiai“. Jie yra šakoti ir zigzagais netaisyklingu keliu link žemės.

Pirmasis iš šių lyderių, pasiekęs žemę, inicijuoja žaibo smūgį. Tada kiti lyderiai užgesinami.

Prieš penkiasdešimt metų didelės spartos fotografija atskleidė dar daugiau sudėtingumo. Lyderiai apie 50 metrų ilgio „žingsniais“ progresuoja žemyn nuo debesies. Kiekvienas žingsnis tampa šviesus milijoninei sekundės daliai, bet tada beveik visiška tamsa. Po dar 50 milijonųjų sekundės ankstesnio žingsnio pabaigoje susidaro kitas žingsnis, tačiau ankstesni žingsniai lieka tamsūs.

Kodėl tokie žingsniai? Kas vyksta tamsiaisiais laikotarpiais tarp žingsnių? Kaip žingsnius galima elektra prijungti prie debesies be matomo ryšio?

Atsakymai į šiuos klausimus slypi suprantant, kas atsitinka, kai energingas elektronas patenka į deguonies molekulę. Jei elektronas turi pakankamai energijos, jis sužadina molekulę į singleto delta būseną. Tai yra „metastabili“ būsena, o tai reiškia, kad ji nėra visiškai stabili, tačiau paprastai ji nepatenka į žemesnės energijos būseną maždaug 45 minutes.

Deguonis šioje singletinėje delta būsenoje atskiria elektronus (reikalingus elektrai tekėti) nuo neigiamų deguonies jonų. Tada šie jonai beveik iš karto pakeičiami elektronais (kurie turi neigiamą krūvį), vėl prisijungia prie deguonies molekulių. Kai daugiau nei 1% deguonies ore yra metastabili būsenaoras gali pravesti elektrą.

Taigi žaibo žingsniai įvyksta, kai susidaro pakankamai metastabilių būsenų, kad atsiskirtų daug elektronų. Tamsiojoje žingsnio dalyje metastabilių būsenų ir elektronų tankis didėja. Po 50 milijonųjų sekundės žingsnių galima pravesti elektrą ir elektrinis potencialas laiptelio gale padidėja iki maždaug debesies ir sukuria kitą žingsnį.

Ankstesniais žingsniais sukurtos sužadintos molekulės sudaro stulpelį iki pat debesies. Tada visa kolona yra laidi elektrai, nereikalaujant elektrinio lauko ir mažai spinduliuojant šviesą.

Apsaugoti žmones ir turtą

Žaibo formavimosi supratimas yra svarbus kuriant pastatų, orlaivių ir žmonių apsaugą. Kol yra retai kada žaibas trenkia į žmonespastatai nukenčia daug kartų, ypač aukšti ir izoliuoti.

Kai žaibas trenkia į medį, medžio viduje užverda sula, o susidarę garai sukuria spaudimą, suskeldami kamieną. Panašiai, kai žaibas trenkia į pastato kampą, į betoną prasiskverbęs lietaus vanduo užverda. Slėgis sprogsta visame pastato kampe, todėl kyla mirtinų griūčių pavojus.

A žaibolaidis išrado Benjaminas Franklinas 1752 m., iš esmės yra stora tvoros viela, pritvirtinta prie pastato viršaus ir sujungta su žeme. Jis skirtas pritraukti žaibą ir įžeminti elektros krūvį. Nukreipdamas srautą per laidą, jis apsaugo pastatą nuo sugadinimo.

Šie Franklino strypai šiandien reikalingi aukštiems pastatams ir bažnyčioms, tačiau neaišku, kiek jų reikia ant kiekvienos konstrukcijos.

Be to, nesaugomi šimtai statinių, įskaitant pastoges parkuose. Šios konstrukcijos dažnai gaminamos iš labai laidžios cinkuotos geležies, kuri pati traukia žaibus, ir remiamos mediniais stulpais.

Naujoji Australijos standartų versija žaibas apsauga rekomenduoja tokias pastoges įžeminti.

Pateikė
Pokalbis

Šis straipsnis perspausdintas iš Pokalbis pagal Creative Commons licenciją. Skaityti originalus straipsnis.Pokalbis

Citata: Kodėl žaibas zigzaguoja? Pagaliau atsakymas į paslaptį (2022 m. gruodžio 2 d.) gautas 2022 m. gruodžio 5 d. iš https://phys.org/news/2022-12-lightning-zigzag-mystery.html

Šis dokumentas yra saugomas autorių teisių. Išskyrus bet kokius sąžiningus sandorius privačių studijų ar mokslinių tyrimų tikslais, jokia dalis negali būti atkuriama be raštiško leidimo. Turinys pateikiamas tik informaciniais tikslais.