Proč je hrom z blízkého blesku ostrý, ale z vzdáleného blesku se valí? / Habr

Pravděpodobně jste se ve svém životě setkali s deštěm a také s tak markantními projevy špatného počasí, jako jsou hromy a blesky. Přemýšleli jste někdy nad tím, proč blesky z různých vzdáleností vypadají přibližně stejně (samozřejmě čím blíže, tím jasněji) a zvuk hromu z blízkého úderu blesku – ostrý, jako když kladivo naráží do železa – není vůbec podobný kutálení? zvuk z bouřky přicházející z dálky?

Pro tento jev můžete přijít s několika vysvětleními, ale pouze jedno z nich bude správné.

Zvuk je obecně vlna procházející nějakým médiem: plynem (například vzduchem), kapalinou (například vodou) nebo pevnou látkou (například Zemí). Pokud jste někdy přemýšleli o seismických vlnách procházejících Zemí, pak možná znáte alespoň dva typy vln.

1. Podélná vlna (nebo P-vlna) je série stlačení a zředění. Pokud vezmete známou pružinovou hračku, položíte ji na stůl, mírně natáhnete a začnete její částí pohybovat tam a zpět po ploše stolu, uvidíte podobné vlny.
2. Příčná vlna (nebo S-vlna), což je řada posunů – vrcholů a propadů. Pokud s přítelem uchopíte opačné konce pružiny a začnete pohybovat rukou nahoru a dolů, uvidíte příčné vlny.

Zatímco podélné vlny P mohou procházet pevnými látkami, kapalinami a plyny, příčné vlny S mohou cestovat pouze pevnými látkami. Zvuk hromu se šíří pouze vzduchem a pro případ, kdy nemáme příčné S-vlny, toto vysvětlení neplatí.

Hrom je zvuk vytvářený úderem blesku: rychlý přenos obrovského množství elektrického náboje za malý zlomek sekundy. Když blesk udeří do mraku nebo z mraku na zem, typicky proudí až několik coulombů (tj. více než ~10 19 jednotlivých elektronů). Při rychlém pohybu elektrony zahřívají a dokonce ionizují molekuly vzduchu kolem sebe, čímž vzniká velmi krátkodobý plazmatický stav a vzduch se rychle rozpíná.

Tato rychlá expanze vytlačí okolní vzduch ven a poté (protože podél cesty blesku byla vytvořena oblast s nízkou hustotou) se vzduch řítí zpět, aby vyplnil výsledný řídký prostor. Rychlá expanze a komprese vytváří rázovou vlnu – tlakovou vlnu, ve které se střídají jevy komprese vzduchu (tj. „hustší“ části) a řídnutí vzduchu (tj. méně husté nebo více „roztažené“ části) a šíří se vzduchem. .

Tento pohyb vzduchu tlačí částice podél řetězu a tyto stlačení a řídnutí putují vzduchem, dokud nedosáhnou ušního bubínku člověka, kde změny tlaku způsobí, že bubínek vibruje – a pak uslyšíte hrom.

Člověk by se proto mohl ptát, zda může existovat nějaká odchylka v rychlosti zvuku, která by mohla ovlivnit to, jak jej slyší různí pozorovatelé. Co když například rychlost zvuku závisí na frekvenci? Jinými slovy, co když „basové“, nízkofrekvenční vlny šíří jinou rychlostí než zvuky středního rozsahu nebo vysoké?

K tomuto efektu dochází a jeho praktický význam je patrný zejména v podmínkách nízké hustoty atmosféry – například na Marsu. V atmosféře Marsu se vysokofrekvenční zvuk šíří asi o 4 % rychleji než nízkofrekvenční zvuk, což znamená, že doba příchodu různých zvuků se prodlužuje, čím dále jste od zdroje zvuku.

Ale na Zemi se rychlost zvuku téměř nemění v závislosti na frekvenci, protože naše atmosféra je mnohem hustší než atmosféra Marsu. Od ultranízké frekvence 10 Hz (pod prahem lidského sluchu, jehož hranice se pohybuje kolem 20 Hz) do malé frekvence 100 Hz se rychlost zvuku mění pouze o 0,1 % a poté ze 100 Hz na nejvyšších frekvencí, které může slyšet osoba s neporušeným sluchem (asi 20 000 Hz), zůstává rychlost zvuku konstantní. Na Zemi je tato závislost na frekvenci zanedbatelná a nemůže být příčinou „natahovacího“ efektu zvuku.

Pokud chcete sami slyšet rozdíl, kanadská vládní stránka má záznam stejného hromového zvuku, který vzniká úderem blesku z mraku na zem, protože je slyšet na různé vzdálenosti:

• ze vzdálenosti 8 km,
• ze vzdálenosti 3 km,
• ze vzdálenosti 2 km,
• ze vzdálenosti 1,6 km,
• ze vzdálenosti pouhých 300 m.

Závislost rychlosti zvuku na teplotě

Závislost rychlosti zvuku na vlhkosti

Závislost rychlosti zvuku na frekvenci (zdroji)

To je skutečný efekt, ale není to způsobeno tím, že vlny putují zemskou atmosférou rychleji nebo pomaleji v závislosti na jejich frekvenci. To je způsobeno pohybem částic vzduchu: je snazší pohybovat částicemi tam a zpět několikrát za sekundu než mnohokrát za sekundu. Jinými slovy, zvukové vlny vyšších frekvencí jsou snáze absorbovány a rozptylovány prostředím (včetně zemské atmosféry), kterým procházejí, než zvukové vlny nižších frekvencí.

Kromě toho přítomnost vody v atmosféře – vlhkosti – také pohlcuje zvukové vlny v závislosti na frekvenci. To vysvětluje, proč je z dálky slyšet jen basové dunění, ale ne z blízka, ale nevysvětluje to, proč se vzdálenější zvukové vlny táhnou asi třikrát déle než bližší.

Existují však tři velmi reálné věci, které mění rychlost zvuku v médiu, jako je vzduch: vítr, hustota a teplota.

Vítr má doplňkový účinek: fouká-li od vás směrem ke zdroji blesku, trvá zvuku hromu déle, než se k vám dostane. Pokud k vám fouká vítr ze zdroje blesku, šíří se zvuk hromu rychleji. Vítr se však nešíří ve všech bodech stejnou univerzální rychlostí, a to je důležité, protože úder blesku neovlivní pouze bod, ale „čáru“ v trojrozměrném prostoru. Pokud je rychlost větru na linii pohledu od posluchače do různých bodů na dráze blesku různá, pak zvuk z nich dorazí dříve nebo později, v závislosti na rychlosti větru mezi posluchačem a místy, kudy blesk prošel.

Hustota se obvykle mění s nadmořskou výškou: čím výše se dostanete nad hladinu moře, tím je vzduch řidší a čím blíže se blížíte hladině moře, tím je hustší. To znamená, že zvuk z horních částí blesku se obvykle šíří pomaleji (a proto dorazí později) než zvuk z blesku v nižších výškách (který dorazí dříve). Když blesk udeří z mraků na zem, zejména pokud jsou mraky v relativně vysokých nadmořských výškách nad zemí, může tento efekt přispívat k efektu „zpoždění“.

Ale ani vítr a hustota dohromady nemohou vysvětlit většinu pozorovaného zpoždění. Největší vliv na rychlost zvuku má teplota, kde vyšší teplota vzduchu odpovídá vyšší rychlosti zvuku v tomto prostředí. I změna teploty o 1°C na Zemi změní rychlost zvuku o 2,2 km/h. Pokud vás někdy zastihla bouřka, nepochybně jste pocítili vítr vanoucí mezi teplejšími a chladnějšími teplotami, protože bouřky se obvykle vyskytují při interakci teplého a studeného vzduchu.

I malé teplotní výkyvy o pouhých několik stupňů, nashromážděné na vzdálenost několika kilometrů, mohou prodloužit dobu příchodu zvukových vln o několik sekund. V kombinaci s větrem a změnami hustoty mohou tyto tři efekty společně vysvětlit, proč se doba příchodu zvuku prodlužuje, čím dále jste od samotného úderu blesku.

Je tu však jeden aspekt bouřek, který to nevysvětluje: proč někdy slyšíte hlasité, ostré tleskání hromu a někdy není žádné, jen tiché, dlouhé dunění.

Je důležité si uvědomit, že ačkoli to, co vidíme jako „blesk“, je obecně jednorozměrná čára (někdy s větvemi), tato čára existuje v našem trojrozměrném prostoru. Výměna dat může být modelována jako dokonale vertikální (mrak k zemi) nebo dokonale horizontální (mrak k mraku), ale často má tato čára také hloubku: kde jedna část blesku je blíže vám, pozorovateli, a druhá část je dále od vás.

S blesky mezi mraky a zemí je tato „hloubka“ poměrně malá. Blesky mezi mrakem a zemí mají obvykle vertikální směr: pohybují se podél pomyslné čáry spojující mrak se středem Země. Proč? Protože toto je v podstatě cesta nejmenšího odporu pro elektrický proud: nejkratší cesta k povrchu Země.

V důsledku toho jsou zvukové vlny generované úderem blesku z mraku na zem:

• neprocházejí extrémně vlhkými mraky, takže jejich vysokofrekvenční zvuky nejsou příliš tlumeny;
• dosáhnout ve velmi krátkém časovém úseku, protože vzdálenost od blesku k pozorovateli je velmi blízká stejné pro všechny body blesku.

Na druhou stranu blesk z mraku do mraku je obvykle jednorozměrná vodorovná čára, která není stejně vzdálená od pozorovatele (a posluchače) a její „hloubková“ orientace je náhodná. Jeden konec blesku je zpravidla blíže k pozorovateli a druhý je vzdálenější. Zatímco vertikální blesky mezi mrakem a zemí mají obvykle délku ne více než 3-5 km, horizontální blesky mezi mrakem a mrakem mohou být mnohem, mnohem delší. V důsledku analýzy bouřky v roce 2020 byl tedy objeven rekordní horizontální blesk neuvěřitelné délky – a to není překlep – 719 km!

Zvuk blesků z mraku na oblak je většinou dunivý, protože vysokofrekvenční „prask“ bouřky je z velké části tlumen vlhkostí v samotných mracích. Doba trvání zvuku se stále prodlužuje v závislosti na vzdálenosti k blesku, vlivu větru, rozdílech v hustotě vzduchu a změnách rychlosti zvuku v závislosti na teplotě. Existuje však také rozdíl ve vzdálenosti mezi „blízkým“ a „vzdáleným“ koncem oblačného blesku, když tyto zvuky dosáhnou pozorovatele.

Doba trvání hromu, který slyšíte, je určena nejen tím, jak moc je zvuk „natažený“ efekty spojenými s jeho šířením vzduchem, ale také délkou a geometrickou orientací samotného blesku vzhledem k místu, kde se nacházíte.

Samozřejmě existuje horní hranice, jak dlouho může bouřka trvat, protože čím dále jsou blesky od vás, tím méně intenzivní jsou zvukové vlny dopadající na váš bubínek. V závislosti na podmínkách vzduchu může být hrom slyšet ze vzdálenosti ~20 km, pokud jsou podmínky příznivé, nebo pouze ~8 km, pokud jsou podmínky nepříznivé. Pamatujte, že energie zvukové vlny klesá jako druhá mocnina vzdálenosti od zdroje, takže při dvojnásobné vzdálenosti získáte pouze čtvrtinu intenzity zvuku; na vzdálenost 10x větší, přijímáte pouze jednu setinu původní intenzity zvuku.

Vezmeme-li v úvahu, že zvuk se táhne delší dobu a tím silněji se tlumí, čím dále od zdroje – vlivem větru, hustoty, vlhkosti a teploty – pak to společně vede k tomu, že vzdálené údery blesku jsou tišší, hlasitější a znějí déle.

Pokud byste chtěli izolovat jediný nejdůležitější faktor, který ovlivňuje prodloužení zvuku hromu a závisí na vzdálenosti k blesku, byla by to teplota vzduchu. Ale ve skutečnosti hrají roli všechny tyto efekty, které způsobují, že se zvukové vlny ohýbají, pohlcují a narážejí na bubínek s různou intenzitou a frekvencí. Pamatujte na to nejdůležitější: čím blíže je hrom, tím naléhavěji potřebujete vstoupit do místnosti. Koneckonců, přibližně 1 z každých 15 000 lidí bude během svého života zasažen bleskem.

Blesky v zimě nejsou častým jevem. Mnoho lidí o bouřkové aktivitě v zimních měsících ani netuší. Měsíc květen je právem považován za výchozí bod bouřkové aktivity.

Podle meteorologů dochází k tvorbě bouřkové fronty v zimě stejným způsobem jako v teplém období. Teplejší a vlhčí vzduch od země stoupá a setkává se s proudy studeného vzduchu. V důsledku toho kondenzuje vlhkost. Navzdory teplotám pod bodem mrazu se objeví mrak se studenou vodou v kapalném agregátním stavu, která se poté mění na malé ledové krystalky. Koncentrace takové směsi v oblacích vede v zimě ke vzniku náboje a úderům blesku.

Sněhová bouře se vyznačuje silným sněžením, doprovázeným hromy, blesky a silnými poryvy větru. Hromy jsou v zimě mnohem méně slyšitelné než v létě, protože šíření zvukových vln je bráněno sněhem.

Za určitých podmínek se zimní blesky a sněhové bouře vyskytují mnohem častěji. Hlavním faktorem ovlivňujícím výskyt blesků v zimě je teplotní rozdíl ve vrstvách vzdušných proudů. Takové proudy vznikají a vyskytují se nejčastěji v blízkosti pobřeží moří a oceánů.

Národní znaky

Blesk v zimě byl vždy neobvyklým jevem. Od starověku byl takový jev interpretován jako extrémně nepříznivý. Blesk v zimě podle víry věští katastrofy, války a hladomor.

• zimní bouřky na holých stromech – k hladu;
• hrom na začátku ledna znamená válku, nepokoje, konflikty;
• od severu se ozývá hrom, přichází chladné léto;
• Hromy z jihu znamenají slunečné a teplé léto.

Aby se naši předkové chránili před hromy a blesky, chovali ve svých domovech černé kočky a psy. Tito mazlíčci měli silnou energii, kterou chránili domácnost.

Obytné a komerční budovy byly před údery blesku chráněny březovými větvemi, které byly dříve zapáleny v kostele na Nejsvětější Trojici. Zapálené větve byly umístěny na střechy a okenice.

Blesk a ochrana před bleskem v zimě

Je třeba poznamenat, že primární následky způsobené přímým úderem blesku (DLS) a sekundární následky vedoucí k pulznímu přepětí v zimě nejsou o nic méně nebezpečné než v létě. Výboj blesku v jakémkoli ročním období s sebou nese nebezpečí úderu blesku pro lidi a zvířata. V 90 % případů je smrt a poškození zdraví živých bytostí způsobeno výsledným krokovým napětím.

Krokové napětí, které nevyhnutelně vzniká při úderu blesku, je potenciálový rozdíl zemních ploch. Bleskový proud se v zemi rychle a nerovnoměrně šíří, čímž vytváří oblast s vysokým, neidentickým elektrickým potenciálem. Jednoduše řečeno, země, kterou procházejí bleskové proudy, má oblasti se záporným nábojem. To s pomocí vodiče vede ke vzniku obvodu. Takovým vodičem může být člověk nebo zvíře. Bleskový proud zcela volně vstupuje do jedné nohy a vystupuje druhou. V takových případech tělo působí jako zátěž. Údery bleskového proudu vedou k mimovolní svalové kontrakci, v důsledku čehož člověk spadne na zem. V takových případech proud prochází srdcem a způsobuje jeho fibrilaci.

Výrazným příkladem následků způsobených krokovým napětím po úderu blesku je smrt 323 sobů v norském národním parku Hardangervidd. Blesk udeřil do mokré země a všechna zvířata v okruhu šedesáti metrů okamžitě zemřela na zástavu srdce. Aby se těmto následkům během bouřky předešlo, je třeba chodit „husím krokem“, aniž bychom zvedli paty ze země, a patu jedné nohy položit na špičku druhé. Tím se zmenší potenciálový rozdíl mezi chodidly.

V blízkosti budov a staveb vybavených ochranou před bleskem je během bouřky nebezpečí zasažení krokovým napětím malé. Pouze v případě, že bylo vyrovnání potenciálů provedeno během instalace ochrany před bleskem v domě, jako součást uzemnění ochrany před bleskem. K vyrovnání potenciálů se nelze uchýlit, ale pouze pokud je splněna podmínka co nejnižšího odporu nezávislých zdrojů uzemnění ochrany před bleskem. Nízkého ohmického odporu se dosahuje instalací hlubokého modulárního kolíkového uzemnění. Volba zemnícího materiálu, stejně jako jeho délka a průměr, se vypočítávají po změření měrného odporu půdy. Je důležité říci, že hodnota zemnícího odporu by se měla nezměnit, a to jak v létě, tak v zimě.

Při výpočtu uzemnění je nutné vzít v úvahu sezónní zamrzání půdy. Je třeba si uvědomit, že horní vrstva půdy v zimě může zamrznout v závislosti na regionu Ruska o více než 1,5 m. Voda při teplotách pod bodem mrazu přechází do pevného agregátního stavu a led je zase svými fyzikálními vlastnostmi dielektrikum s vysokým ohmickým odporem. Jednoduše řečeno, součást uzemňovacího zařízení ochrany před bleskem budov a staveb v zimě není schopna plně plnit funkci, která jí je přiřazena. Účinnost takových uzemňovacích zařízení při odvádění bleskového proudu do země se snižuje. Vzhledem k tomu, že obvod ochranného uzemnění (PE) a uzemňovací obvod ochrany před bleskem jsou často kombinovány, je nízký odpor uzemňovacího zařízení (GD) nezbytným předpokladem. Při úderu blesku v zimě není uzemnění ochrany před bleskem s vysokou hodnotou odporu schopno odvést většinu bleskového proudu do země, což znamená, že vysoká impulzní přepětí volně proniknou do domu. Přepěťové impulsy způsobené údery blesku vyřazují z provozu domácí a počítačové vybavení, a to i to, které je v režimu spánku. Aby se zabránilo selhání elektronických zařízení, měla by být instalována vnitřní ochrana před bleskem. Vnitřní ochrana před bleskem je přepěťová ochrana (SPD).

V zimě jsou hromosvody vystaveny především zatížení větrem a sněhem, zejména hromosvodová síť. V zimě sníh padající ze šikmé plechové střechy ji ze střechy strhává. Často je v důsledku konstrukčních chyb a zanedbání pokynů k ochraně před bleskem volba hromosvodové sítě na šikmých střechách chybná. Blesk nerozlišuje mezi objekty vyvýšenými minimálně nad střechou a přímý úder blesku chráněný objekt jistě zasáhne. Stupeň ochrany šikmých střech s hromosvodovou sítí nepřesahuje 50 %. Většina budov a staveb patří do třetí kategorie ochrany před bleskem, která odpovídá stupni ochrany nejméně 90 %.

Abyste ochránili svůj domov před bleskem v kteroukoli roční dobu, nevěřte pověrám a spoléhejte se na lidová znamení. Místo březových větví na střechu bude mnohem efektivnější instalovat hromosvody. Instalací systému svodů, uzemnění bleskojistky a instalací přepěťových svodičů budete v bezpečí vy, vaši blízcí a majetek. Na základě norem a pravidel a také rozsáhlých zkušeností s ochranou budov a staveb před bleskem, bez tančení s tamburínami, naši specialisté navrhnou a nainstalují ochranu před bleskem jakékoli složitosti v Petrohradu a Leningradské oblasti.