¿Por qué las tiras de luces emiten poca luz por la noche cuando no están encendidas? Y siguió parpadeando toda la noche, y la luz era demasiado fuerte durante el día para ver con claridad.
Si aplicamos un alto voltaje entre dos electrodos, acercándolos. Cuando dos electrodos están cerca de una cierta distancia, aparecerá una chispa eléctrica entre ellos. Este fenómeno se llama "descarga de arco".
El relámpago producido por las nubes de tormenta es muy similar a la descarga del arco mencionada anteriormente, excepto que el relámpago es fugaz, pero las chispas entre los electrodos pueden existir durante mucho tiempo. Debido a que el alto voltaje entre los dos electrodos puede mantenerse artificialmente durante mucho tiempo, es difícil reponer la carga en la nube de tormenta inmediatamente después de la descarga. Cuando la carga acumulada alcanza una determinada cantidad, se forma un fuerte campo eléctrico entre diferentes partes de la nube o entre la nube y el suelo. La intensidad media del campo eléctrico puede alcanzar varios miles de voltios/cm y, en algunas zonas, puede llegar hasta los 10.000 voltios/cm. Un campo eléctrico tan fuerte es suficiente para atravesar la atmósfera dentro y fuera de la nube, estimulando así destellos de luz deslumbrantes entre la nube y el suelo o entre diferentes partes de la nube, o entre diferentes nubes. Esto es lo que la gente suele llamar relámpago.
El proceso de ver un rayo a simple vista es muy complicado. Cuando una nube de tormenta se mueve hacia algún lugar, la parte media e inferior de la nube es un fuerte centro de carga negativa, y la superficie subyacente opuesta a la base de la nube se convierte en un centro de carga positiva, formando un fuerte campo eléctrico entre la base de la nube y el suelo. A medida que aumenta la carga eléctrica y el campo eléctrico se vuelve más fuerte, en la parte inferior de la nube aparece por primera vez una columna de aire con una fuerte ionización atmosférica, que se denomina líder en cascada. Esta columna de aire ionizado se extiende paso a paso hasta el suelo. Cada paso está precedido por un tenue haz de luz de unos 5 metros de diámetro, 50 metros de largo y unos 100 amperios. Se extiende hacia el suelo paso a paso a una velocidad media alta de unos 150.000 metros/segundo. Cuando estaba a unos 5-50 metros del suelo, el suelo de repente golpeó. El canal para el contraataque es desde el suelo hasta la base de las nubes, a lo largo. El golpe de retorno se precipitó desde el suelo hasta la base de la nube a una velocidad superior a 50.000 km/s, emitiendo un rayo extremadamente brillante que duró 40 microsegundos y pasó más de 10.000 amperios de corriente. Este fue el primer rayo. Unos segundos más tarde, un tenue rayo de luz emitido desde la nube, transportando una enorme corriente, voló al suelo a lo largo del camino del primer rayo. Este es el llamado líder directo. Cuando estaba a unos 5-50 metros del suelo, el suelo volvió a golpear, formando un rayo brillante. Este fue el segundo rayo. Luego, como el segundo, hubo un tercer y cuarto rayo. Por lo general, 3 o 4 rayos constituyen un proceso relámpago. Un proceso relámpago dura aproximadamente 0,25 segundos. Durante este corto período de tiempo, se liberará una gran cantidad de energía eléctrica del estrecho canal del rayo, lo que provocará una fuerte explosión, generará ondas de choque y luego formará ondas sonoras que se propagarán. ¿Es esto un trueno o "trueno"?
La estructura del rayo
Se ha estudiado en detalle el rayo lineal. Tomémoslo como ejemplo para hablar de la estructura del rayo. Los rayos son un fenómeno de descarga pulsada en la atmósfera. Los rayos se componen de múltiples impulsos de descarga separados por intervalos muy cortos de sólo unas pocas centésimas de segundo. Un pulso sigue al otro, y los pulsos posteriores siguen la trayectoria del primer pulso. Ahora se ha estudiado claramente que cada impulso de descarga consta de un "pionero" y un "contraataque". Antes de que estalle el primer impulso de descarga, hay una etapa de preparación: el proceso de descarga "paso a paso": impulsadas por un fuerte campo eléctrico, las cargas libres en la nube se mueven rápidamente hacia el suelo. Durante su movimiento, los electrones chocan con las moléculas de aire, lo que hace que el aire se ionice ligeramente y emita luz. El líder del primer pulso de descarga se propaga hacia abajo paso a paso, como una lengua brillante. Al principio, la lengua suave tenía sólo una docena de metros de largo. Después de unas milésimas de segundo o menos, la suave lengua desapareció. Luego, en la misma sección, apareció una lengua más larga y ligera (de unos 30 metros de largo) y desapareció en un abrir y cerrar de ojos; luego apareció una lengua más larga y suave... La lengua suave se movió "royendo" hacia el escalón del suelo; a paso. Después de muchas descargas-desapariciones, la suave lengua finalmente tocó el suelo. Debido a que el líder de este primer pulso de descarga se propaga paso a paso desde la nube hasta el suelo, se le llama "líder de paso". En el canal de la lengua luminosa, el aire ha sido fuertemente ionizado y su conductividad aumenta considerablemente. El proceso de ionización continua del aire sólo se produce en un canal muy estrecho, por lo que la intensidad de la corriente es muy alta.
Cuando el primer piloto, el piloto de escalera, llega al suelo, una gran cantidad de carga eléctrica fluye inmediatamente desde el suelo hasta las nubes a través de canales de aire altamente ionizado. Esta corriente era tan fuerte que las vías respiratorias estallaron en llamas y apareció un rayo de luz delgado y sinuoso. Esta etapa se llama etapa de "contraataque", también llamada etapa de "descarga de fuerza principal". El piloto de escalera más el primer contraataque constituyen todo el proceso de la primera descarga de impulso, que dura sólo una centésima de segundo.
740)this width = 740 " border = undefinido >Después del primer proceso de descarga de pulso, el segundo proceso de descarga de pulso ocurre solo después de un tiempo muy corto (4 segundos). El segundo El pulso también comienza desde el piloto y finaliza el viaje de regreso, pero tras la descarga del primer pulso, "se ha roto el hielo y se ha abierto la ruta", por lo que el piloto del segundo pulso no bajará paso a paso, sino que llegará directamente desde Las nubes y el suelo. Este tipo de piloto se llama "piloto de canal directo". Después de que el piloto directo llega al suelo, tarda unas pocas milésimas de segundo en contraatacar, y luego el proceso de descarga del tercer y cuarto segundo. .Carreras de avance y retorno en línea recta para completar múltiples procesos de descarga de pulsos.
Dado que cada descarga de pulso consume una gran cantidad de carga acumulada en la nube de tormenta, el futuro proceso de descarga principal se vuelve cada vez más débil. Hasta que se agote la reserva de carga en la nube de tormenta, la descarga de pulso puede detenerse, finalizando así un proceso de relámpago.
Causas de los rayos
El campo eléctrico atmosférico durante una tormenta es significativamente diferente al de un día soleado. La razón de esta diferencia es la acumulación de cargas eléctricas en las nubes de tormenta, que forma la polaridad de las nubes de tormenta, genera rayos y provoca enormes cambios en el campo eléctrico atmosférico. Pero, ¿cómo obtienen electricidad las nubes de tormenta? En otras palabras, ¿cuáles son los procesos físicos en las nubes de tormenta que hacen que se carguen? ¿Por qué se puede acumular tanta carga en las nubes de tormenta y formar una distribución regular? Esta sección responderá a estas preguntas. Como dijimos antes, el proceso macroscópico de formación de las nubes de tormenta y el proceso microfísico en las nubes de tormenta están estrechamente relacionados con la carga de las nubes. Los científicos han realizado una gran cantidad de observaciones y experimentos sobre el mecanismo de carga de las nubes de tormenta y la distribución regular de las cargas, han acumulado una gran cantidad de datos y han propuesto varias explicaciones, algunas de las cuales aún son controvertidas. En resumen, los principales mecanismos de electrificación de las nubes incluyen los siguientes:
A. Hipótesis del "flujo de iones" en la etapa inicial de las nubes convectivas
Siempre hay un gran número de positivos. partículas en la atmósfera iones e iones negativos. En las gotas de agua en la nube, la distribución de carga es desigual: las moléculas más externas están cargadas negativamente, la capa interna está cargada positivamente y la diferencia de potencial entre las capas interna y externa es de aproximadamente 0,25 voltios. Para equilibrar esta diferencia de potencial, las gotas de agua deben absorber "preferentemente" iones negativos en la atmósfera, lo que hace que las gotas de agua se carguen gradualmente de forma negativa. Cuando comienza la convección, la corriente ascendente lleva gradualmente los iones positivos más ligeros a la parte superior de la nube, mientras que las gotas de la nube cargadas negativamente permanecen en la parte inferior porque son más pesadas, provocando la separación de cargas positivas y negativas.
B. Acumulación de carga en nubes frías
Cuando la convección se desarrolla hasta cierto punto y la nube alcanza una altura superior a 0°C, se forman gotas de agua sobreenfriada, partículas de graupel y cristales de hielo. en la nube. Este tipo de nube, que está compuesta por vapor de agua condensado en diferentes fases y tiene una temperatura inferior a 0°C, se llama nube fría. El proceso de formación y acumulación de carga de las nubes frías es el siguiente:
A. Carga por colisión por fricción entre cristales de hielo y partículas de graupel
Las partículas de graupel están compuestas por gotas de agua congelada, de color blanco o negro. De color blanco lechoso, con una estructura más quebradiza. Debido a que las gotas de agua sobreenfriada a menudo chocan con él y liberan calor latente, su temperatura es generalmente más alta que la de los cristales de hielo. Los cristales de hielo contienen una cierta cantidad de iones libres (OH- u OH+), y la cantidad de iones aumenta a medida que aumenta la temperatura. Debido a la diferencia de temperatura entre la parte de contacto entre el graupel y el cristal de hielo, debe haber más iones libres en el extremo de alta temperatura que en el extremo de baja temperatura, por lo que los iones deben migrar desde el extremo de alta temperatura al extremo de baja temperatura. Durante la migración de iones, los iones de hidrógeno más ligeros y cargados positivamente se mueven más rápido, mientras que los iones de hidróxido (OH-) más pesados y cargados negativamente se mueven más lentamente. Por lo tanto, dentro de un cierto período de tiempo, hay un exceso de iones H+ en el extremo frío, lo que resulta en una polarización negativa en el extremo de alta temperatura y una polarización positiva en el extremo de baja temperatura. Cuando los cristales de hielo y las partículas de graupel entran en contacto y se separan, las partículas de graupel de mayor temperatura tienen carga negativa y los cristales de hielo de menor temperatura tienen carga positiva. Bajo la acción de la gravedad y las corrientes ascendentes, los cristales de hielo más ligeros y cargados positivamente se concentran en la parte superior de la nube, mientras que las partículas de neblina más pesadas y cargadas negativamente permanecen en la parte inferior de la nube, provocando que la parte superior de la nube fría se estar cargado positivamente y la parte inferior cargada negativamente.
b.Las gotas de agua sobreenfriada chocan con partículas de graupel para congelarse y generar electricidad.
Hay muchas gotas de agua en la nube que no se congelarán cuando la temperatura sea inferior a 0°C. Estas gotas de agua se denominan gotas de agua sobreenfriada. Las gotas de agua sobreenfriada son inestables. Si lo agitas un poco, se congelará inmediatamente en partículas de hielo. Cuando las gotas de agua sobreenfriada chocan con partículas de graupel, se congelan inmediatamente, lo que se denomina congelación por colisión. Cuando ocurre una colisión, el exterior de la gota de agua sobreenfriada se congela inmediatamente formando una capa de hielo, pero su interior permanece temporalmente líquido. Dado que el calor latente liberado por la congelación externa se transfiere al interior, la temperatura del agua líquida interna sobreenfriada es. mayor que la temperatura de la capa de hielo externa. La diferencia de temperatura hace que las gotas de agua congelada sobreenfriada se carguen positivamente en el exterior y negativamente en el interior. Cuando el interior también se congela, las gotas de la nube se expanden y se dividen, y la piel exterior se rompe en muchos pequeños fragmentos de hielo cargados positivamente, que con el flujo de aire vuelan hacia la parte superior de la nube. La parte central de las gotas congeladas cargadas negativamente se adhiere. las partículas de graupel más pesadas, lo que hace que las partículas de graupel tengan carga negativa y permanezcan en las partes media e inferior de la nube.
C. Las gotas de agua se cargan porque contienen sal diluida.
Además de los dos mecanismos de electrificación de las nubes frías mencionados anteriormente, algunas personas han propuesto que el mecanismo de electrificación se debe a la fina sal contenida en las gotas de agua en la atmósfera. Cuando las gotas de las nubes se congelan, la red cristalina del hielo aloja iones de cloruro negativos (Cl-), pero excluye los iones de sodio positivos (Na+). Por lo tanto, la parte congelada de la gota de agua está cargada negativamente y la superficie exterior no congelada está cargada positivamente (cuando la gota de agua se congela, procede de adentro hacia afuera). Durante el proceso de caída, las partículas de graupel congeladas de las gotas de agua se desprenden de la superficie del agua antes de congelarse, formando muchas pequeñas nubes cargadas positivamente, mientras que la parte central congelada está cargada negativamente. Debido a la separación de la gravedad y las corrientes de aire, las gotas de agua cargadas positivamente son transportadas a la parte superior de la nube, mientras que las partículas de graupel cargadas negativamente permanecen en las partes media e inferior de la nube.
D. Acumulación de carga en nubes cálidas
Algunos de los principales mecanismos de generación de energía de las nubes frías se mencionan anteriormente. En los trópicos, algunas nubes se sitúan por encima de los 0°C, por lo que sólo contienen gotas de agua y ninguna partícula sólida de agua. Estas nubes se denominan nubes cálidas o "nubes de agua". Las nubes cálidas también pueden tener relámpagos. En las nubes de tormenta en latitudes medias, la parte de la nube por debajo de la isoterma de 0°C es la zona cálida de la nube. También se produce un proceso de electrificación en las regiones cálidas de la nube.
Durante el desarrollo de las nubes de tormenta, los mecanismos anteriores pueden desempeñar un papel en diferentes etapas de desarrollo. Sin embargo, el principal mecanismo de electrificación sigue siendo causado por la congelación de gotas de agua. Un gran número de hechos observacionales muestran que las nubes pueden convertirse en nubes de tormenta sólo cuando la cima de la nube presenta una estructura de filamentos fibrosos.
Las observaciones aéreas también encontraron que hay una gran cantidad de partículas de nubes compuestas principalmente de hielo, cristales de nieve y partículas de graupel en las nubes de tormenta. La acumulación de una gran cantidad de carga es el mecanismo de carga rápida de las nubes de tormenta solo durante el proceso de crecimiento de las partículas de graupel. , debido a una colisión, puede producirse congelación y fricción.
Extraño rayo.
Los relámpagos se presentan en varias formas: los relámpagos lineales (o dendríticos) y los relámpagos laminares son los más comunes, y los relámpagos en forma de bola son una forma de relámpago muy rara. Si se distingue con cuidado, también se puede dividir en relámpagos de tiras, relámpagos de cuentas y relámpagos de cohetes. Los relámpagos lineales o dendríticos son una forma de relámpago que la gente ve a menudo. Tiene una luz deslumbrante y una luz muy fina. Todo el relámpago es como una rama que cuelga horizontalmente o hacia abajo, y en el mapa es como un río con muchos afluentes.
La diferencia entre el rayo lineal y otras descargas es que su intensidad de corriente es especialmente grande, alcanzando decenas de miles de amperios de media y hasta 200.000 amperios en algunos casos. Una intensidad de corriente tan alta. Puede destruir y sacudir árboles y, en ocasiones, herir a personas. Cuando entra en contacto con edificios, suele provocar "rayos" e incendios. Los rayos lineales son principalmente una descarga de nube a tierra.
El rayo laminar también es una forma común de rayo. Parecía como si hubiera un destello de luz sobre las nubes. Este tipo de relámpago puede ser la luz de fondo de descargas de chispas invisibles detrás de la nube, o puede ser la luz difusa producida por el relámpago en la nube al ser bloqueado por las gotas de la nube, o puede ser el fenómeno de descargas independientes agrupadas o intermitentes que aparecen. en la parte superior de la nube. Los relámpagos irregulares a menudo ocurren cuando las nubes se debilitan y las precipitaciones tienden a cesar. Es un fenómeno de descarga débil, principalmente en las nubes.
El relámpago en bola es una forma de relámpago muy rara, pero es la más llamativa. Se parece a una bola de fuego, a veces a un crisantemo "hortensia" brillante y floreciente. Tienen aproximadamente el tamaño de una cabeza humana, en ocasiones de varios metros o incluso decenas de metros de diámetro. A veces, un rayo en forma de bola nada lentamente en el aire y, a veces, permanece completamente quieto. A veces emite luz blanca, a veces emite luz rosa parecida a un meteorito. A los relámpagos en forma de bola "le encanta" hacer agujeros. A veces puede entrar en una casa a través de chimeneas, ventanas y grietas, rodear la casa y luego escaparse. Los relámpagos en forma de bola a veces silban y luego desaparecen con un estallido ahogado; a veces simplemente emite un leve crujido y desaparece antes de que te des cuenta. Después de que el rayo desaparece, es posible que queden en el aire algunos vapores de gas malolientes, un poco como el ozono. La historia de vida de los rayos en bola no es larga, desde segundos hasta minutos.
Cinta relámpago. Consta de múltiples descargas consecutivas. Entre cada rayo, debido a la influencia del viento, la trayectoria del rayo se mueve de modo que cada rayo individual está cerca uno del otro, formando una cinta. El ancho del cinturón es de aproximadamente 10 metros. Si este tipo de rayo cae sobre una casa, puede provocar inmediatamente incendios generalizados.
Los relámpagos de cuentas parecen hilos conectados que se deslizan a través de las nubes o son arrojados al suelo a través de las nubes, o como collares de perlas brillantes. Algunas personas creen que los relámpagos en forma de perlas parecen ser una forma de transición del relámpago lineal al relámpago en forma de bola. Los relámpagos en cuentas a menudo siguen a relámpagos lineales con poca separación de tiempo.
Los rayos de los cohetes son mucho más lentos que otros tipos de rayos y tardan L-1,5 segundos en descargarse por completo. Su actividad es fácil de rastrear y observar a simple vista.
Las personas pueden observar varias formas de relámpagos con sus propios ojos. Sin embargo, para observar los rayos de cerca lo mejor es tomar una foto. Las cámaras de alta velocidad no sólo pueden registrar la forma del rayo, sino también observar su desarrollo. Utilizando algunas cámaras especiales (como las de los teléfonos móviles), también podemos estudiar la estructura de los rayos.