Тема дня: молнии
Оригинал: Today's topic: LightningНасколько в действительности опасно находиться в бассейне в грозу?
— Джей Генгельбах
Что случится, если вы будете принимать душ (или стоять под водопадом) в тот момент, когда в вас ударит молния?
— same3chords
Что произойдет, если молния поразит лодку или самолет, в которых вы находитесь? А если это будет подводная лодка?
— SoobNauce
А что, если вы будете менять лампу на вершине радиовышки, а в нее в этот момент ударит молния? А если вы будете делать сальто назад? Или стоять на графитовом поле? Или смотреть прямо вверх на разряд?
— Денни Видул
Что произойдет, если молния ударит в пулю, летящую в воздухе?
— Тимоти Кэмпбелл
Что случится, если молния ударит, когда вы перепрошиваете BIOS в грозу?
— njsg
Перед тем, как мы продолжим, я бы хотел подчеркнуть один важный момент.
Я не эксперт по защите от молний. Я — парень, который рисует картинки в Интернете. Мне нравится, когда что-то загорается и взрывается, но это не значит, что меня волнуют ваши интересы. Эксперты по защите от молний работают в Национальной метеорологической службе США.
http://www.lightningsafety.noaa.gov/
Ладно, с этим закончили.
Чтобы ответить на заданные вопросы, нужно понять, куда скорее всего попадет молния. Для определения можно воспользоваться одним ловким фокусом, с описания которого я и начну. Возьмите воображаемую 60-метровую сферу, разместите на местности и взгляните на точки ее соприкосновения с различными предметами.
Говорят, что молния бьет в самую высокую точку на местности. Раздражающе небрежное заявление, оно сразу же порождает гору вопросов. Во-первых, насколько велики размеры «местности». Я хочу сказать, не каждая молния бьет в Эверест. Но будет ли она бить в самого высокого человека в толпе? Самым высоким из всех, кого я знаю, скорее всего является Райан Норт[#]↲Райан Норт — автор веб-комиксов про тираннозавра (согласно Википедии эти животные были до 6 метров высотой). — Прим. пер.↳ (палеонтологи полагают, что он был около 5 метров в холке). Стоит ли мне тусоваться около него, надеясь спастись от молнии? А как насчет прочих факторов? (Вероятно, именно поэтому вы, а не я сам, задаете вопросы в этом блоге.)
Но как же все-таки молния выбирает цель?
Видео, записанное Томом Уорнером — вероятно, одно из самых клевых, которые я видел в своей жизни. В нем показан записанный с частотой 7 207 кадров в секунду разряд молнии. То есть фактически 33-секундное видео соответствует 1/10 секунды реального времени. Существует огромное количество видео, где в замедленном времени демонстрируются разряды молний, но это лучшее из тех, что я находил.
Видео Тома дает нам возможность понять путь молнии. Она начинается с ветвящегося пучка зарядов — «лидера», — который выходит из облака. Его вы можете наблюдать в первой части видео. Он распространяется вниз со скоростью в несколько десятков или сотен километров в секунду, преодолевая километры до земли всего за несколько десятков миллисекунд.
В «лидере» протекает сравнительно небольшой ток, порядка 200 ампер. Его вполне достаточно, чтобы убить вас, но это ничто по сравнению с тем, что будет дальше. В момент соприкосновения «лидера» с землей потенциалы облака и земли выравниваются с внушительным разрядом в 20 000 ампер. Это и есть та ослепляющая вспышка. На скорости, сравнимой со скоростью света, она поднимается по созданному каналу меньше чем за миллисекунду — в течение одного кадра видео.
(Техническая деталь: несмотря на то, что это движение называется «обратным ходом», заряд по-прежнему течет вниз. Однако сам разряд выглядит так, как будто распространяется в направлении облака. Эффект очень похож на то, как начинают двигаться автомобили при включении зеленого (или такого) цвета: сначала начинают ехать машины, находящиеся ближе всего к светофору, затем те, что дальше, так что кажется, будто движение распространяется назад.)
Таким образом, то место на земле, в которое, как нам кажется, «бьет» молния, — это точка, где происходит первое соприкосновение «лидера» с поверхностью. «Лидер» пробирается через толщу воздуха маленькими прыжками. Он безусловно чувствует, как ему преодолеть путь к (обычно) положительному заряду в земле. Однако, его «чувство» заряда ограничено радиусом в несколько десятков метров от вершины. Если в этом радиусе окажется что-то, соединенное с землей — заряд переместится туда. Иначе же он сдвинется в каком-то почти произвольном направлении и продолжит движение.
Отсюда и берется идея о 60-метровой сфере. Она — способ представить, какие точки первыми почувствует «лидер»; точки, в которые он может переместиться на следующем (возможно, последнем) шаге.
Чтобы понять, куда вероятнее всего ударит молния, мы устанавливаем на местности 60-метровую воображаемую сферу (из соображений безопасности не используйте настоящую сферу). Она не проходит сквозь предметы и не сгибает их, разворачиваясь поверх, а точки соприкосновения с предметами — верхушки деревьев, стойки ограждения или гольфисты в поле — наиболее вероятные мишени для молнии.
Следовательно, мы можем вычислить «тень» молнии, создаваемую объектом высотой h на плоской поверхности.
Тень — это участок земной поверхности, где «лидер» скорее ударит в высокий объект, а не в землю вокруг него.
$$ \text{Радиус тени}=\sqrt{-h(h-2r)} $$
Да, это вовсе не значит, что вы в безопасности, находясь в области тени. Более того: верно обратное. Когда ток попадает в высокий объект, он стекает в землю. Если в этот момент недалеко от этого места вы касаетесь земли, то он может протечь сквозь ваше тело. Из 28 человек, убитых молнией в этом году, 13 стояло около дерева или под ним.
Собрав в кучу все эти рассуждения, давайте определим возможные пути молнии для всех заданных вопросов.
Насколько в действительности опасно находиться в бассейне в грозу?
Довольно опасно. Вода является проводником, но это не самая большая проблема. Самое страшное то, что когда вы плаваете, ваша голова возвышается над большой плоской поверхностью. Но даже если молния ударит в воду рядом с вами, вам все равно будет плохо. Высвободится 20 000 ампер — в основном над поверхностью — но насколько сильными будут повреждения на том или ином расстоянии довольно тяжело подсчитать.
Мне кажется, что в радиусе ближайших 12 метров вы будете в наибольшей опасности, а в пресной воде это расстояние увеличивается, так как току с наибольшей вероятностью захочется пройти именно через ваше тело.
Что случится, если вы будете принимать душ (или стоять под водопадом) в тот момент, когда в вас ударит молния?
Брызги вам не опасны, они представляют собой лишь капельки воды в воздухе. Ванна, в которой вы стоите и водяные лужи, стекающие в водопровод — вот где реальная угроза.
Что произойдет, если молния поразит лодку или самолет, в которых вы находитесь? А если это будет подводная лодка?
Лодка без каюты примерно так же безопасна, как поле для гольфа. Лодка с закрытой каютой и системой защиты от молнии примерно так же безопасна, как автомобиль. Подлодка настолько же безопасна, как погруженный под воду сейф (а сейф под водой — это не то же самое, что сейф в подлодке: сейф в подлодке намного безопаснее, чем погруженный под воду сейф)[#].↲Непереводимая игра слов. В США существует программа сертификации подводных лодок, которая называется submarine safe или SUBSAFE. Таким образом, словосочетание submarine safe может означать эту программу, подводную лодку, в которой вы находитесь в безопасности, сейф, находящийся в подводной лодке, и сейф, находящийся под водой. К сожалению, перевести эту адскую игру слов на русский язык просто невозможно ввиду отсутствия у нас необходимых контекстов. — Прим. пер.
А что, если вы будете менять лампу на вершине радиовышки, а в нее в этот момент ударит молния? А если вы будете делать сальто назад? Или стоять на графитовом поле? Или смотреть прямо вверх на разряд?
Что произойдет, если молния ударит в пулю, летящую в воздухе?
Пуля не повлияет на путь молнии. Каким-то образом нужно угадать момент выстрела так, чтобы пуля оказалась в середине разряда на обратном ходу молнии.
Ядро разряда молнии составляет всего несколько сантиметров в диаметре. Пуля, выпущенная из АК-47[#],↲Учитывая национальность автора, трудно ставить ему в укор ошибку, уже ставшую классической, — называть автомат Калашникова АК-47. — Прим. пер.↳ имеет длину около 26 мм и летит со скоростью примерно 700 миллиметров в миллисекунду.
Пуля имеет свинцовый сердечник с медным покрытием. Медь — невероятно хороший проводник электричества, и большая часть 20 000 ампер сможет с легкостью пройти через пулю.
Удивительно, но с пулей практически ничего не случится. Если бы она не двигалась, ток быстро разогрел бы и расплавил металл. Но она летит настолько быстро, что выходит из канала до того, как будет нагрета на несколько градусов. Пуля продолжает лететь к своей цели так, как будто ничего и не было. Конечно, есть некоторые интересные электромагнитные силы, порожденные магнитным полем вокруг разряда и током, протекающим через пулю, но из тех, что я обсчитал, ни одна в достаточной степени не поменяла общую картину.
Что случится, если молния ударит, когда вы перепрошиваете BIOS в грозу?
