На сайте Phys.org размещена статья "Why does lightning zigzag? At last, an answer to the mystery" - "Почему молния движется зигзагом? Наконец-то дан ответ на загадку".

Все видели молнию и восхищались ее силой. В мире происходит около 8,6 миллионов ударов молнии каждый день. Но почему молния движется так? Ни в одном из учебников не объясняется, как формируются эти «зигзаги» и как молния может перемещаться на километры.

Что приводит к удару молнии? Это случается, когда грозовые облака с электрическим потенциалом в миллионы вольт соединяются с землей. Между землей и небом течет ток в тысячи ампер с температурой в десятки тысяч градусов. Фотографии молнии раскрывают множество деталей, невидимых невооруженным глазом. Обычно из облака исходят четыре или пять слабых «импульсов». Они разветвлены и зигзагообразны на неправильной траектории к земле. Первый из этих импульсов, достигший земли, инициирует удар молнии. Остальные затем гаснут.

Пятьдесят лет назад высокоскоростная фотография показала еще большую сложность. Импульсы продвигаются вниз от облака «ступенями» длиной около 50 метров. Каждый шаг высвечивается на миллионную долю секунды, но потом наступает почти полная темнота. Еще через 50 миллионных долей секунды образуется еще одна ступенька в конце предыдущей ступени, но предыдущие ступени остаются темными.

Что происходит в темные промежутки между шагами? Как шаги могут быть электрически подключены к облаку без видимой связи? Ответы на эти вопросы лежат в понимании того, что происходит, когда электрон сталкивается с молекулой кислорода. Если у электрона достаточно энергии, он переводит молекулу в синглетное дельта-состояние. Это «метастабильное» состояние и оно не является абсолютно стабильным, но обычно оно не переходит в более низкое энергетическое состояние в течение 45 минут или около того.

Кислород в этом синглетном дельта-состоянии отрывает электроны (необходимые для протекания электричества) от отрицательных ионов кислорода. Затем эти ионы почти сразу же заменяются электронами (несущими отрицательный заряд), снова присоединяющимися к молекулам кислорода. Когда более 1% кислорода в воздухе находится в метастабильном состоянии, воздух может проводить электричество.

Таким образом, молниеносные шаги происходят по мере того, как создается достаточное количество метастабильных состояний, чтобы отсоединить значительное количество электронов. Во время темной части шага плотность метастабильных состояний и электронов увеличивается. Возбужденные молекулы, созданные на предыдущих этапах, образуют столбик на всем пути к облаку. В этом случае вся колонна является электропроводящей.

Увеличение числа экстремальных погодных явлений означает, что защита от молнии становится все более важной. Понимание образования молнии важно для проектирования защиты зданий, самолетов и людей. Когда молния попадает в дерево, сок внутри дерева закипает и образующийся пар создает давление, раскалывая ствол. Точно так же, когда молния попадает в угол здания, вода от дождя, просочившаяся в бетон, закипает. Давление сносит весь угол здания, создавая риск смертельного обрушения. Громоотвод, изобретенный Бенджамином Франклином в 1752 году, представляет собой толстую проволоку, прикрепленную к крыше здания и соединенную с землей. Направляя поток по проволоке, он спасает здание от повреждений, но неясным фактором является то, сколько стержней необходимо для каждой конструкции. И хотя использование экологически чистых композитных материалов в самолетах повышает эффективность использования топлива, эти материалы увеличивают риск повреждения молнией, поэтому нам необходимо подумать о дополнительной защите. Кроме того, сотни строений не защищены, в том числе навесы в парках. Эти конструкции часто изготавливаются из оцинкованного железа с высокой проводимостью, которое само притягивает молнии, и поддерживаются деревянными столбами. Новые версии Стандартов по молниезащите формируют новые рекомендации по заземлению.