01 февруари 2023
Категории
  •  Космос
  •  Физика
  •  Науки за земята
  •  Биология
  •  Медицина
  •  Математика
  •  Научни дискусии
  •  Разни
FACEBOOK

Физици разрешават 50-годишна загадка, свързана с мълниите

| ПОСЛЕДНА ПРОМЯНА 25 ноември 2022 в 00:01 175370
Знаете ли, че мълнията може да удари едно и също място няколко пъти? Съобщава се например, че Емпайър Стейт Билдинг е удрян от мълнии около 23 пъти годишно. Кредит: Flickr / Dan Nguyen (CC BY-NC 2.0)

Вероятността да бъдете ударени от мълния е по-малка от едно на милион, но тази вероятност значително се съкрати този месец, когато през уикенда на 12-13 ноември във всички австралийски щати и територии са регистрирани повече от 4,2 милиона удара от мълнии.

Като се има предвид, че всеки удар на мълния се движи със скорост над 320 000 километра в час, това е огромно количество електричество.

През последните 50 години учени от цял свят се опитват да разберат защо мълнията се движи на зиг-заг и как е свързана с гръмотевичния облак над нея.

Досега не е имало окончателно обяснение - физик по плазмата от Университета на Южна Австралия публикува забележителна статия, която разрешава и двете загадки.

Защо мълнията се движи на зиг-заг и как е свързана с гръмотевичния облак над нея? Кредит: Pixabay/CC0 Public Domain

Д-р Джон Лоук (John Lowke), бивш учен от CSIRO, а сега преподавател в UniSA, разказва, че физиката на мълниите е затруднявала най-добрите научни умове в продължение на десетилетия.

"Има няколко учебника за мълниите, но нито един от тях не обяснява как се образуват зиг-загите (наречени стъпала), защо електропроводимият стълб, свързващ стъпалата с облака, остава тъмен и как мълнията може да измине километри", обяснява д-р Лоук.

Отговорът? Синглет-делта метастабилни кислородни молекули.

Синглетен кислород

Синглетният кислород е същият като молекулярния кислород, т.е. формулата на синглетния кислород също е Oили O=O (също написана като 12] или 1О2). Синглетният кислород е най-ниското възбудено състояние на двукислородната молекула и е силно реактивен вид, който взаимодейства с биологичната тъкан. Той е кинетично нестабилен при температура на околната среда, но скоростта на разпадане е бавна.

Основната разлика между синглетното и нормалното (триплетното) състояние е, че триплетното състояние е по-стабилно от синглетното състояние. Това е така, защото синглетните молекули имат само една възможна подредба на спиновете на електроните с общ квантов спин 0, докато триплетът има три възможни подредби на електронни спинове с общ квантов спин 1, съответстващи на три изродени състояния. Триплетното състояние също е с по-висока енергия от синглетното състояние.

Синглетният кислород е реактивна форма на молекулярния кислород, при която посоката на спина на един електрон е обърната, което кара този електрон да заема орбитално ниво с по-висока енергия.

В спектроскопската нотация най-ниските синглетни и триплетни форми на O2 се означават като 1Δg и 3Σ
g, съответно.

Запълване на електронните орбитали в молекулата на кислорода: (вляво) в основно състояние ("нормален" кислород); (вдясно) във възбудено състояние ("синглетен кислород"). Кръстчетата са двойки електрони, а диагоналните линии - единични електрони. Кръговете са електронни орбитали, а празните кръгове са незаети орбитали. Според правилото на Хунд електроните първо запълват всички орбитали с определено енергийно ниво (показано на едно ниво) и едва след като всички празни орбитали са запълнени, се образуват електронни двойки. Ето защо атомният кислород (показан странично във всеки случай) съдържа два несдвоени електрона. Когато електронните орбитали се сливат при образуването на кислородна молекула, се прилага същото правило, така че кислородът в основно състояние има два несдвоени електрона с паралелни спинове. Поради това кислородът може да приеме само по един електрон с антипаралелни спинове, което води до двойки електрони. В синглетния кислород един от несдвоените електрони, нарушавайки правилото на Хунд, променя посоката на спина и се свързва с втори електрон, освобождавайки нискоенергийна орбитала. Ето защо синглетният кислород е много реактивен.

По принцип мълнията се случва, когато електроните удрят кислородните молекули с достатъчно енергия, за да създадат високоенергийни синглет-делта кислородни молекули. След като се сблъскат с молекулите, "откъснатите" електрони образуват високопроводимо стъпало - първоначално светещо - което преразпределя електрическото поле, предизвиквайки последователни стъпала.

Провеждащата колона, свързваща стъпалото с облака, остава тъмна, когато електроните се прикрепят към неутрални кислородни молекули, последвани от незабавно откъсване на електроните от синглетните делта молекули.

Защо това е важно?

"Трябва да разберем как се инициира мълнията, за да можем да измислим как по-добре да защитим сградите, самолетите, небостъргачите, ценните църкви и хората", посочва д-р Лоук.

Макар че хората рядко биват поразявани от мълнии, сградите са поразявани многократно, особено високите и изолирани сгради (Емпайър Стейт Билдинг е удрян около 25 пъти всяка година).

Решението за защита на конструкциите от удари на мълнии остава едно и също в продължение на стотици години.

Гръмоотводът, изобретен от Бенджамин Франклин през 1752 г., представлява на практика дебела оградна тел, която се прикрепя към върха на сградата и се свързва със земята. Той е предназначен да привлича мълниите и да заземява електрическия заряд, като предпазва сградата от повреда.

"Тези пръти на Франклин днес се изискват за всички сгради и църкви, но несигурният фактор е колко са необходими за всяка структура", споделя д-р Лоук.

Съществуват и стотици постройки, които понастоящем не са защитени, включително навеси в паркове, често изработени от поцинковано желязо и поддържани от дървени стълбове.

Това може да се промени с новите австралийски стандарти за мълниезащита, които препоръчват тези покриви да бъдат заземени. Д-р Лоук е член на комитета на австралийските стандарти, който препоръчва тази промяна.

"Подобряването на мълниезащитата е толкова важно сега поради по-екстремните метеорологични явления, предизвикани от изменението на климата. Освен това, въпреки че разработването на екологично чисти композитни материали в самолетите подобрява горивната ефективност, тези материали значително увеличават риска от повреди от мълнии, така че трябва да разгледаме допълнителни мерки за защита.

"Колкото повече знаем за начина, по който се появяват мълниите, толкова по-добре информирани ще бъдем при проектирането на нашата застроена среда", казва д-р Лоуке.

Справка: John J Lowke et al, Toward a theory of "stepped-leaders" of lightning, Journal of Physics D: Applied Physics (2022). DOI: 10.1088/1361-6463/aca103

Източник: Physicists strike gold, solving 50-year lightning mystery, University of South Australia


Няма коментари към тази новина !

 
Още от : Новини
Всички текстове и изображения публикувани в OffNews.bg са собственост на "Офф Медия" АД и са под закрила на "Закона за авторското право и сродните им права". Използването и публикуването на част или цялото съдържание на сайта без разрешение на "Офф Медия" АД е забранено.