Тема: Электрические явления в атмосфере.
Цель и задачи: Научить учащихся видеть проявление изучаемых
явлений в окружающей жизни. Воспитание бережного отношения к природной среде.
Развивать умение применять знания в новой ситуации.
Тип: Комбинированный.
Методы: Словесный, частично- поисковый.
Оборудование: Презентация.
Ход: 1. Орг. момент.
2. Проверка Д/З
1. Когда тела
электризуются? (При натирании тела электризуются)
2. Сколько тел
участвует в электризации? ( 2)
3. Какие
электрические заряды существуют? ( + - )
4. Что такое
электрический ток? ( Упорядоченное( направленное) движение заряженных
частиц)
5. Какие источники
электрического тока вы знаете? ( гальванический элемент ( батарейка )
аккумулятор, генератор)
6. Назовите составные
части электрической цепи. ( источник тока, потребители( лампочки, плитка и
т.д.) замыкающие и размыкающие устройства ( ключи, кнопки, выключатели).
7. Где используется
электричество?
3. Обобщение
пройденного, подготовка к восприятию н.м.
4. Н.м.
1. Полярное
сияние (лат. Aurora Borealis, Aurora Australis) — свечение (люминесценции) верхних слоёв атмосфер планет, обладающих магнитосферой, вследствие их взаимодействия с
заряженными частицами солнечного ветра.
Полярные сияния
возникают вследствие бомбардировки верхних слоёв атмосферы заряженными
частицами, движущимися к Земле вдоль силовых линий геомагнитного поля из
области околоземного космического пространства, называемой плазменным слоем.
Проекция плазменного слоя вдоль геомагнитных силовых линий на земную атмосферу
имеет форму колец, окружающих северный и южный магнитные полюса (авроральные
овалы). Выявлением причин, приводящим к высыпаниям
заряженных частиц из плазменного слоя, занимается космическая физика.
Экспериментально установлено, что ключевую роль в стимулировании высыпаний
играет ориентация межпланетного магнитного поля и величина давления плазмы
солнечного ветра. В очень ограниченном участке верхней атмосферы сияния могут
быть вызваны низкоэнергичными заряженными частицами солнечного ветра, попадающими
в полярную ионосферу через северный и южный полярные каспы. В
северном полушарии каспенные сияния можно наблюдать над Шпицбергеном в
околополуденные часы.
Полярные сияния
наблюдаются преимущественно в высоких широтах обоих полушарий в овальных зонах-поясах,
окружающих магнитные полюса Земли — авроральных
овалах. Диаметр авроральных овалов составляет ~ 3000 км во время
спокойного Солнца, на дневной стороне граница зоны отстоит от магнитного
полюса на 10—16°, на ночной — 20—23°. Поскольку магнитные полюса Земли
отстоят от географических на ~12°, полярные сияния наблюдаются в широтах
67—70°, однако во времена солнечной активности авроральный овал
расширяется и полярные сияния могут наблюдаться в более низких широтах —
на 20—25° южнее или севернее границ их обычного проявления.
В спектре полярных
сияний Земли наиболее интенсивно излучение основных компонентов атмосферы -
азота и кислорода, при этом наблюдаются их линии излучения как в атомарном, так
и молекулярном (нейтральные молекулы и молекулярные ионы) состоянии. Самыми
интенсивными являются линии излучения атомарного кислорода и ионизированных
молекул азота.
Свечение кислорода
обусловлено излучением возбужденных атомов в метастабильных состояниях с
длинами волн 557.7 нм (зеленая линия, время жизни 0.74 сек.) и дублетом 630 и
636.4 нм (красная область, время жизни 110 сек). Вследствие этого красный
дублет излучается на высотах 150-400 км, где вследствие высокой разреженности
атмосферы низка скорость гашения возбужденных состояний при столкновениях.
Ионизированные молекулы азота излучают при 391.4 нм (ближний ультрафиолет)
427.8 нм (фиолетовый) и 522.8 нм (зеленый).
Спектр полярных
сияний меняется с высотой и зависимости от преобладающих в спектре полярного
сияния линий излучения полярные сияния делятся на два типа: высотные полярные
сияния типа A с преобладанием атомарных линий и полярные сияния типа B на
относительно небольших высотах (80-90 км) с преобладанием молекулярных линий в
спектре вследствие столкновительного гашения атомарных возбужденных состояний в
сравнительно плотной атмосфере на этих высотах.
Полярные сияния
весной и осенью возникают заметно чаще, чем зимой и летом. Пик частотности
приходится на периоды, ближайшие к весеннему и осеннему равноденствиям. Во
время полярного сияния за короткое время выделяется огромное количество
энергии. Так за одно из зарегистрированных в 2007
году возмущений выделилось 5·1014 джоулей, примерно столько же,
сколько во время землетрясения магнитудой 5,5.
При наблюдении с
поверхности Земли полярное сияние проявляется в виде общего быстро меняющегося
свечения неба или движущихся лучей, полос, корон, «занавесей». Длительность
полярных сияний составляет от десятков минут до нескольких суток.
2. Мо́лния —
гигантский электрический искровой разряд в атмосфере, обычно происходит во время грозы,
проявляющийся яркой вспышкой света
и сопровождающим её громом.
Молнии также были зафиксированы на Венере, Юпитере, Сатурне и Уране. Ток в разряде молнии достигает 10-100 тысяч
ампер, напряжение — 1 000 000 вольт (иногда достигает 50 000 000 вольт, но
напряжение молнии иногда достигает сотен миллионов вольт), тем не менее,
погибает после удара молнией лишь 10,2 % людей.
Электрическая природа
молнии была раскрыта в исследованиях американского физика Б. Франклина, по идее которого был проведён
опыт по извлечению электричества из грозового облака. Широко известен опыт
Франклина по выяснению электрической природы молнии. В 1750 году им
опубликована работа, в которой описан эксперимент с использованием воздушного
змея, запущенного в грозу. Опыт Франклина был описан в работе [[Джозеф Пристли
Средняя длина молнии
2,5 км, некоторые разряды простираются в атмосфере на расстояние до
20 км.
Наиболее часто молния
возникает в кучево-дождевых облаках, тогда они называются грозовыми; иногда молния
образуется в слоисто-дождевых облаках, а также при вулканических извержениях, торнадо
и пылевых бурях.
Существует две
заряженных области в облаках, положительная и отрицательная, это две половины
электрической цепи, отрицательный разряд стремится к положительному, и этот
заряд называется Лидером, практически не видимый глазом человека из-за огромной
скорости протекания и слабой яркости. Другой положительный заряд, Стример,
стремится к отрицательному лидеру, и этот заряд очень яркий и долгий по времени
удара молнии. Электрический заряд Лидер исходит в основном из облака, а Стример
исходит из поверхности земли или другого облака с положительно заряженной
областью. Молния это не один разряд, а более несколько десятков пульсирующих
разрядов, почему и видимое мерцание молнии считается одним разрядом ошибочно.
Обычно наблюдаются
линейные молнии, которые относятся к так называемым безэлектродным
разрядам, так как они начинаются (и заканчиваются) в скоплениях
заряженных частиц. Это определяет их некоторые до сих пор не объяснённые
свойства, отличающие молнии от разрядов между электродами. Так, молнии не
бывают короче нескольких сотен метров; они возникают в электрических полях
значительно более слабых, чем поля при межэлектродных разрядах; сбор зарядов,
переносимых молнией, происходит за тысячные доли секунды с миллиардов мелких,
хорошо изолированных друг от друга частиц, расположенных в объёме несколько
км³. Наиболее изучен процесс развития молнии в грозовых облаках, при этом молнии могут проходить в
самих облаках — внутриоблачные молнии, а могут ударять в
землю — наземные молнии. Для возникновения молнии необходимо, чтобы
в относительно малом (но не меньше некоторого критического) объёме облака
образовалось электрическое поле (см. атмосферное электричество) с
напряжённостью, достаточной для начала электрического разряда (~ 1 МВ/м), а в
значительной части облака существовало бы поле со средней напряжённостью,
достаточной для поддержания начавшегося разряда (~ 0,1-0,2 МВ/м). В молнии
электрическая энергия облака превращается в тепловую, световую и звуковую, и
самыми опасными продуктами молнии являются рентгеновское и гамма излучение.
Процесс развития
наземной молнии состоит из нескольких стадий. На первой стадии, в зоне, где
электрическое поле достигает критического значения, начинается ударная ионизация, создаваемая вначале свободными
зарядами, всегда имеющимися в небольшом количестве в воздухе, которые под
действием электрического поля приобретают значительные
скорости по направлению к земле и, сталкиваясь с молекулами, составляющими
воздух, ионизуют их. По более современным представлениям, разряд инициируют
высокоэнергетические космические лучи, которые запускают процесс,
получивший название пробоя на убегающих электронах[1].
Таким образом возникают электронные
лавины, переходящие в нити электрических разрядов — стримеры,
представляющие собой хорошо проводящие каналы, которые, сливаясь, дают начало
яркому термоионизованному
каналу с высокой проводимостью — ступенчатому лидеру молнии.
Согласно Фейнмановским лекциям по физике[2]
- качественно можно описать молнию следующим образом. Как показали фотоснимки,
молния – это обычно повторные электрические разряды по одному и тому же
пути.Потенциал нижней части тучи, висящей над равниной, гораздо более
отрицателен, чем земная поверхность под ней. Отрицательный заряд (электроны)
устремляются к Земле. Всё начинается со светящегося комка - «ступенчатого
лидера». Он не такой яркий, как вспышка молнии. Вначале появляется небольшое
светлое пятнышко, выходящее из тучи и очень быстро катящееся вниз со скоростью
1/ 6 скорости света. Оно проходит всего около 50 м и останавливается. Следует
пауза около 50 мкс, а затем происходит следующий шаг. Снова остановка, а после
новый шаг и т.д. Так, шаг за шагом, пятно движется к Земле. Лидер наполнен
отрицательным зарядом. Воздух ионизуется быстро движущимися зарядами лидера и
становится проводящим вдоль его пути. В момент, когда лидер коснётся
поверхности земли, получается как бы проводящая проволока, которая тянется до
самой тучи и полна отрицательного электричества. Теперь отрицательные заряды из
тучи мчатся на землю: сначала соскакивают электроны нижней части лидера,
оставляя позади себя положительный заряд. Он притягивает электроны из более
верхнего участка лидера, они тоже падают на землю и т.д. В конце концов весь
отрицательный заряд этой части тучи быстро и энергично сбегает по этому каналу
вниз. Так что видимая нами молния (как будто движение положительного заряда)
бъёт от земли вверх. Это и есть основной разряд – обратная вспышка. Она
вызывает яркое свечение и выделение тепла, которое, приводя к быстрому
расширению воздуха, производит громовой удар. Движение лидера к земной
поверхности происходит ступенями в несколько десятков метров со скоростью
~ 50 000 километров в секунду, после чего его движение приостанавливается
на несколько десятков микросекунд, а свечение сильно ослабевает; затем в
последующей стадии лидер снова продвигается на несколько десятков метров. Яркое
свечение охватывает при этом все пройденные ступени; затем следуют снова
остановка и ослабление свечения. Эти процессы повторяются при движении лидера
до поверхности земли со средней скоростью 200 000 метров в секунду.
По мере продвижения
лидера к земле напряжённость поля на его конце усиливается, и под его действием
из выступающих на поверхности Земли предметов выбрасывается ответный стример,
соединяющийся с лидером. Эта особенность молнии используется для создания молниеотвода.
В заключительной
стадии по ионизованному лидером каналу следует обратный (снизу вверх),
или главный, разряд молнии, характеризующийся токами от десятков до
сотен тысяч ампер, яркостью, заметно превышающей яркость лидера, и
большой скоростью продвижения, вначале доходящей до ~ 100 000
километров в секунду, а в конце уменьшающейся до ~ 10 000 километров
в секунду. Температура канала при главном разряде может превышать 25 000 °C.
Длина канала молнии может быть от 1 до 10 км, диаметр — несколько
сантиметров. После прохождения импульса тока ионизация канала и его свечение
ослабевают. В финальной стадии ток молнии может длиться сотые и даже десятые
доли секунды, достигая сотен и тысяч ампер. Такие молнии называют затяжными,
они наиболее часто вызывают пожары. Но земля не является заряженной, поэтому
принято считать, что разряд молнии происходит от облака по направлению к земле
(сверху вниз).
Главный разряд
разряжает нередко только часть облака. Заряды, расположенные на больших
высотах, могут дать начало новому (стреловидному) лидеру, движущемуся
непрерывно со скоростью в тысячи километров в секунду. Яркость его свечения
близка к яркости ступенчатого лидера. Когда стреловидный лидер доходит до
поверхности земли, следует второй главный удар, подобный первому. Обычно молния
включает несколько повторных разрядов, но их число может доходить и до
нескольких десятков. Длительность многократной молнии может превышать 1 сек.
Смещение канала многократной молнии ветром создаёт так называемую ленточную
молнию — светящуюся полосу.
Согласно ранним
оценкам, частота ударов молний на Земле составляет 100 раз в секунду. По
современным данным, полученным с помощью спутников, которые могут обнаруживать
молнии в местах, где не ведётся наземное наблюдение, эта частота составляет в
среднем 44 ± 5 раз в секунду, что соответствует примерно 1,4 миллиарда молний в
год. 75 % этих молний ударяет между облаками или внутри
облаков, а 25 % — в землю.
Молнии —
серьёзная угроза для жизни людей. Но в основном увеличение числа молний, дело
самих рук человеческих, а именно, загрязнения окружающей среды в основном
воздуха, площади автомобильных дорог мегаполисов способствуют нагреву воздуха и
образования восходящих потоков, и поставка пара-конденсата в атмосферу
мегазаводами, все это увеличивает интенсивность электрических зарядов в
облачной зоне. Поражение человека или животного молнией часто происходит на
открытых пространствах, так как электрический ток идёт по кратчайшему пути
«грозовое облако-земля», и в основном электрический заряд проходит по
поверхности тела животного или человека, чему способствует наружный потовый
слой кожи, с наименьшим сопротивлением и лучшей проводимостью. Часто молния
попадает в деревья и трансформаторные установки на железной дороге, вызывая их
возгорание. Поражение обычной линейной молнией внутри здания невозможно, однако
бытует мнение, что так называемая шаровая молния может проникать через щели и открытые
окна. Обычный грозовой разряд опасен для телевизионных и радиоантенн,
расположенных на крышах высотных зданий, а также для сетевого оборудования.В
организме пострадавших отмечаются такие же патологические изменения, как при поражении
электротоком. Жертва теряет сознание, падает, могут отмечаться судороги, часто останавливается дыхание и сердцебиение. На теле обычно можно обнаружить «метки
тока», места входа и выхода электричества. В случае смертельного
исхода причиной прекращения основных жизненных функций является внезапная
остановка дыхания и сердцебиения, от прямого действия молнии на дыхательный и
сосудодвигательный центры продолговатого мозга. На коже часто остаются так
называемые знаки
молнии, древовидные светло-розовые или красные полосы, исчезающие
при надавливании пальцами (сохраняются в течение 1 — 2 суток после
смерти). Они — результат расширения капилляров в зоне контакта молнии с
телом.При поражении молнией первая медицинская помощь должна быть
неотложной. В тяжёлых случаях (остановка дыхания и сердцебиения) необходима реанимация, её должен оказать, не
ожидая медицинских работников, любой свидетель несчастья. Реанимация эффективна
только в первые минуты после поражения молнией, начатая через 10 — 15
минут она, как правило, уже не эффективна. Экстренная госпитализация необходима
во всех случаях.
Жертвы молний
- В мифологии и
литературе:
- Асклепий, Эскулап — сын Аполлона — бог врачей и врачебного искусства, не
только исцелял, но и оживлял мёртвых. Чтобы восстановить нарушенный
мировой порядок Зевс поразил его своей молнией[12].
- Фаэтон — сын бога Солнца Гелиоса — однажды взялся управлять солнечной
колесницей своего отца, но не сдержал огнедышащих коней и едва не погубил
в страшном пламени Землю. Разгневанный Зевс
пронзил Фаэтона молниями. Общий список см. Молния Зевса.
- Исторические
личности:
- Казанский губернатор Сергей Голицын — 1 (12) июля 1738 года погиб во время охоты от удара молнии.
- Российский
академик Г. В. Рихман — в 1753 году погиб от удара молнии во время
проведения научного эксперимента.
- Народный депутат Украины, экс-губернатор Ровненской области В. Червоний 4 июля 2009 года погиб от удара молнией.
Интересные факты
- Рой Салливан остался живым после семи ударов
молнией.
- Американский майор
Саммерфорд умер после продолжительной болезни (результат удара третьей
молнией). Четвертая молния полностью разрушила его памятник на кладбище.
- У индейцев Анд
удар молнией считается необходимым для достижения высших уровней шаманской инициации
5.Закрепление.
6. Д/З
7. Итоги урока
ГУ Краснокиевская СШ
Тема:
Электрические явления в
атмосфере.
Открытый урок по естествознанию
Учитель истории и географии
Жизницкая
Л.С.
с Краснокиевка
Оставьте свой комментарий
Авторизуйтесь, чтобы задавать вопросы.