Тема дня: молнии. What If?

Перед тем, как мы продолжим, я бы хотел подчеркнуть один важный момент.
Я не эксперт по молниезащите. Я — парень, который рисует картинки в интернете. Мне нравится, когда что-то загорается и взрывается, а значит ваша польза — это не то, что меня в действительности волнует. Эксперты по молниезащите работают в Национальной метеорологической службе США.
Ладно, с этим закончили.
Чтобы ответить на заданные вопросы, нужно понять, куда скорее всего попадет молния. Для того, чтобы это определить, можно воспользоваться одним ловким фокусом, с описания которого я и начну. Возьмите воображаемую 60-метровую сферу, разместите ее на местности и взгляните на точки её 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 (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 клёвых, 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. 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» — исходящего из облака. Его вы можете наблюдать в первой части видео. Он стремится вниз со скоростью в несколько десятков/сотен километров в секунду, преодолевая расстояние до земли, равное нескольким километрам, всего за несколько десятков миллисекунд.
В «лидере» протекает сравнительно небольшой ток — всего порядка 200 ампер. Его вполне достаточно, чтобы убить вас, но по факту этот ток — ничто, по сравнению с тем, что будет происходить дальше. В момент, когда «лидер» касается земли, она соединяется с облаком чудовищной силы искрой, выравнивающей их потенциалы. Протекающий в искре ток составляет примерно 20 000 ампер. Это и есть та ослепляющая вспышка, которую вы видите. Она на скорости, равной скорости света, проходит по созданному каналу вверх в облако, покрывая расстояние за миллисекунду — то есть за величину, равную размеру 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 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 путь, который необходимо преодолеть на пути 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. Те точки, в которых она касается предметов — верхушек деревьев, стоек ограждения или гольфистов 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.

Да, это вовсе не значит, что вы в безопасности, находясь в области тени. Более того, верно обратное. После того, как ток попадает в высокий объект, он стекает в землю. Если, недалеко от этого места, вы в этот момент касаетесь земли, то он может протечь сквозь ваше тело. Из 28 человек, убитых молнией в этом году, 13 стояло около дерева или под ним.

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, соединенные с водопроводом — 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 (погруженный под воду сейф — это не то же самое, что сейф в подлодке — сейф в подлодке намного безопаснее, чем погруженный под воду сейф)*.

А что, если вы будете менять лампу на вершине радиовышки, а в неё 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 нескольких сантиметров в диаметре. Пуля, выпущенная из АК-47**, 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 момента, как успеет нагреться более чем на несколько градусов. Пуля продолжает лететь к своей цели так, как будто ничего и не было. Конечно, есть некоторые интересные электромагнитные силы, порождённые 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 вас в тот момент, когда вы перепрошиваете BIOS в грозу?



Сноски:
* - Непереводимая игра слов. Стоит принять во внимание тот факт, что 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.

** - Ввиду национальности автора, трудно ставить ему в укор то, что он совершает ставшую уже классической ошибку, называя автомат Калашникова АК-47.