Найзағай түскенде не болады

Найзағай табиғаттың ең әсерлі құбылыстарының бірі болып қала береді – жарқын жарқыл мен күркіреген күннің дауысы адамзат тарихы бойы адамдарда қасиетті сезім мен қорқыныш тудырды. Ежелгі мәдениеттер найзағайға жоғары табиғи күш ретінде қарап, оны құдайлардың қаруы деп санады – Зевстен және Тордан бастап Индра мен Перунға дейін. Тек ХІІІ ғасырда Бенджамин Франклин әйгілі тәжірибесін – ауа жылан мен кілтті қолдану арқылы – жүргізіп, бұл құбылыстың электрлік табиғатын дәлелдеді. Дегенмен, бүгінгі таңда разряд физикасы жеткілікті түрде зерттелгенімен, найзағай әлі де көптеген жұмбақтарды жасырып тұр және оны өмір бойы зерттеген ғалымдардың өзін де таңғалдырады. Бір сәт ішінде бұл атмосфералық разряд шағын жарылғыш құрылғыны жаруға тең энергия бөледі.

Найзағай қалай қалыптасады – разрядтың тууы

Соққы сәтінде не болатынын түсіну үшін, алдымен найзағайдың қалай пайда болатынын түсіну қажет. Бұл процесс көрінетін жарқылдан әлдеқайда бұрын – найзағайлы бұлттың ішкі қабаттарында басталады.

Найзағайлы бұлттар – шоғырлы-жаңбырлы немесе кумулонимбустар – қуатты конвективті жүйелер болып табылады, онда ауа ағындары үлкен жылдамдықпен бір мезгілде жоғары және төмен қарай қозғалады. Осы турбулентті жағдайларда мұз бөлшектері, асқын суытқан су тамшылары мен қар кристалдары үнемі соқтығысып, электр зарядтарын алмасады. Ұсақ жеңіл бөлшектер жоғары көтерілетін ағындармен жоғары көтеріліп, оң зарядты алып кетеді, ал ауырырақ бөлшектер төмен түсіп, теріс зарядты жинақтайды.

Осы бөліну нәтижесінде бұлтта қуатты электрлік диполь қалыптасады:

• бұлттың жоғарғы бөлігі оң зарядты жинақтайды – онда жеңіл мұз кристалдары шоғырланған;
• ортаңғы және төменгі аймақтар теріс зарядты шоғырландырады – мұнда ауырырақ мұз бөлшектері мен тамшылар басым;
• бұлт астындағы жер беті индукцияланған оң зарядқа ие болады – теріс заряд бос электрондарды жерге «итеріп жібереді»;
• бұлт пен жер арасындағы электр өрісінің кернеулігі біртіндеп артып, ауаның оқшаулағыш болудан қалатын мәнге жетеді.

Ауаның пробойы басталатын кернеуліктің сыни мәні шамамен 1-3 миллион вольт метрге тең. Бұл шектік мән жетілген сәтте ионизацияның лавиналық процесі іске қосылып, разрядқа әкеледі.

Сатылы лидер – көрінбейтін хабаршы

Найзағай физикасының ең таңғажайып аспектілерінің бірі – көрінетін жарқыл күрделі көп сатылы процестің бірінші емес, соңғы кезеңі болып табылады. Барлығы жалаң көзге көрінбейтін хабаршыдан басталады.

Сатылы лидер деп аталатын ионизацияланған ауаның жұқа арнасы бұлттан жерге қарай қозғала бастайды. Ол секірістермен – сатылармен – әр ретте 50-100 метрден қозғалып, араларында үзіліс жасайды. Лидердің жылжу жылдамдығы секундына шамамен 200 000 метрді құрайды – жарық жылдамдығынан мың есе баяу, дегенмен бұлттан жерге дейінгі жолдың бар-жоғы бірнеше миллисекунд ішінде өтуі үшін жеткілікті жылдам.

Лидер ең аз кедергі жолын іздеп, бірнеше бағытта тармақталады. Дәл сондықтан ұзақ экспозициямен түсірілген суреттерде найзағай бұтақты ағаш сияқты көрінеді – біз осы сынақ арналарының іздерін көреміз. Лидердің жоғарыдан төмен қарай қозғалысымен бір мезгілде жер бетіндегі шығыңқы объектілерден – ағаштардан, бағаналардан, ғимарат бұрыштарынан – қарсы лидерлер жоғары қарай созыла бастайды.

Негізгі разряд – жарқыл физикасы

Төмен түсетін лидер мен жоғары көтерілетін лидер кездесетін сәт негізгі разряд үшін бастапқы нүкте болып табылады. Дәл келесі бірнеше ондаған миллисекунд ішінде болатын оқиғаны біз найзағай ретінде бақылаймыз.

Арналар қосылғаннан кейін қалыптасқан өткізгіш жол бойымен кері бағытта – төменнен жоғары қарай – қуатты ток ұмтылады. Дәл осы «қайтарым соққы» жарқын жарқылды тудырады. Ол жарық жылдамдығының шамамен үштен бір бөлігі жылдамдығымен қозғалады – лидерден мың есе жылдам.

Негізгі разрядтың физикалық параметрлері өз ауқымымен таңғалдырады.

1. Найзағай арнасындағы ток күші шыңында 10 000-нан 200 000 амперге дейін жетеді – салыстыру үшін, стандартты тұрмыстық электр желісі 10-25 амперге есептелген. Дәл осы қолтықтай үлкен ток, диаметрі шамамен 2-3 сантиметр болатын өте жұқа арна арқылы өтіп, разрядпен бірге жүретін барлық басқа феноменалды құбылыстарды тудырады.
2. Разряд арнасындағы плазманың температурасы шамамен 27 000-30 000 градус Цельсийге жетеді – бұл Күн бетінің температурасынан шамамен бес есе ыстық. Дәл сондықтан найзағай жолында тікелей кездесетін кез келген нәрсе лезде көмірленеді, балқиды немесе буланады. Мұндай температура бар-жоғы бірнеше ондаған микросекунд ғана сақталады, дегенмен бұл қоршаған ортаға қолтықтай әсер ету үшін жеткілікті.
3. Разряд сәтінде бұлт пен жер арасындағы кернеу 100 миллионнан 1 миллиард вольтқа дейін жетеді. Жалпы тасымалданған заряд шамалы – шамамен 5 кулон, – бұл жалпы электр энергиясының бірнеше миллиард джоуль шамасында екенін білдіреді. Практикалық пайдалану үшін бұл өте аз – бір разрядтың энергиясы тек 100 ватттық шамды шамамен үш айға жарықтандыруға ғана жетеді.
4. Соққының көп реттілігі – найзағайдың маңызды, бірақ аз белгілі қасиеті. Разрядтардың басым бөлігі бір арна бойымен бірнеше реттік соққылардан тұрады – орташа есеппен 3-тен 5-ке дейін, кейде 20-ға дейін. Әрбір келесі соққы алғашқысынан әлсіз, дегенмен олардың арасында бар-жоғы 40-80 миллисекунд өтеді – дәл сондықтан жарқыл жыпылықтап тұрғандай көрінеді.

Разрядтың барлық энергиясы соншалықты жылдам бөлінеді ки, оның салдарының басым бөлігі адам миы оны тіркеп үлгермейтін жылдамдықпен дамиды.

Күннің күркіреуі – найзағайдың акустикалық ізін

Дыбыс әрбір найзағайдың ажырамас серігі болып табылады және оның табиғаты разряд физикасымен тікелей байланысты. Күннің күркіреуі қайдан пайда болатынын түсіну – соққының тағы бір аспектісін түсіну деген сөз.

Разряд арнасы лезде ондаған мың градусқа дейін қызады, бұл қоршаған ауаның дерлік жарылыс тәрізді кеңеюін тудырады. Бұл кеңею соққы толқынын тудырады, дәл біз оны күннің күркіреуі ретінде естиміз. Найзағайдың ұзындығы айтарлықтай болғандықтан – әдетте 1-ден 5 километрге дейін, кейде одан да көп – оның әртүрлі бөліктері бақылаушыдан әртүрлі қашықтықта орналасады.

Дәл осы күннің күркіреуінің сипаттамалы дыбысын түсіндіреді:

• алғашқы өткір соққы арнаның ең жақын нүктесіне сәйкес келеді – бақылаушының дәл үстінде орналасқан бөлікке;
• гүрілдеу мен үздіксіз дыбыс найзағайдың алысырақ бөліктерінен келетін дыбыстан туындайды, олар кешігіп жетеді;
• дыбыс толқындарының бұлттардан, төбелерден және ғимараттардан шағылысуы қосымша эхо-компоненттерді қосады;
• найзағайға дейінгі қашықтықты жуықтап бағалау үшін жарқыл мен күннің күркіреуі арасындағы секундтар санын үшке бөлуге болады – нәтиже километрмен шығады.

Күннің күркіреуінің инфрадыбыстық компоненттері – 20 герцтен төмен тербелістер – ондаған және жүздеген километрлерге таралады. Дәл сондықтан кейде көрінбейтін алыс найзағайдың күркіреуін естуге болады – немесе оны құлақтағы түсіндірілмейтін қысым ретінде сезінуге болады.

Найзағай тиген объектімен не болады

Тікелей соққының салдары зақымданған объектінің қасиеттеріне – оның электр өткізгіштігіне, ылғалдылығына және конструкциясына байланысты. Дегенмен, барлық жағдайларда өте қуатты және өте қысқа мерзімді әсер туралы сөз болады.

Әртүрлі материалдар мен объектілердің найзағайдың тікелей соққысына реакциясы айтарлықтай ерекшеленеді.

1. Ағаштар найзағайдан ерекше себепке байланысты зардап шегеді – діңдегі шырын өткізгіш болып табылады, ал су мыңдаған градусқа лезде қызғанда жарылыс тәрізді буланады. Дәл осы жарылыс тәрізді булану ағаш қабығын жұлып алып, ағашты бойлай жарып жібереді. Емендер ағаштың құрамындағы су мөлшерінің жоғарылығына байланысты басқа ағаштарға қарағанда жиірек зақымданады, ал үйеңкінің тегіс қабығы разрядты беті бойымен жақсы өткізеді.
2. Құм найзағай соққанда шыны түтікшелерге – «фульгуриттерге» айналады. Құмдағы кремний балқып, разряд арнасы бойымен ағып, плазма арнасының пішінін қайталайтын ұзындығы бірнеше сантиметрден бірнеше метрге дейін жететін шыны құрылымдарды түзеді. Бұл табиғи артефактілерді геологтар топырақ құрылымын зерттеу және бұрынғы найзағайларды қалпына келтіру үшін пайдаланады.
3. Металл объектілер – бағаналар, рельстер, найзағай өткізгіштер – соққы кезінде ішінара балқып немесе магниттелуі мүмкін. Найзағай тогы тудыратын қуатты магнит өрісі соққы аймағындағы болат заттарды қайта магниттеуге қабілетті. Дәл сондықтан жақын маңдағы соққыдан кейін компастар кейде дұрыс емес мәндерді көрсетеді.
4. Адам тікелей соққы кезінде электр тогынан ғана емес, сонымен қатар соққы толқынынан, күйіктен және құлаудан жарақат алады. Ток дене арқылы ең аз кедергі жолымен – әдетте тері бетімен және қан тамырлары бойымен – өтеді. Найзағайдың зақымдануының сипаттамалы белгісі – «Лихтенберг үлгісі» – терідегі бұтақты қызыл іздер, разряд пішінін қайталайды.

Өзінің қиратушылығына қарамастан, тікелей соққы зақымданудың тек бір әдісі болып табылады – заттар арқылы жанасу соққысы және жер бетінде токтың таралу аймағындағы «қадамдық кернеу» жиі көбірек бақытсыз оқиғалардың себебі болып табылады.

Найзағай және ғылым – әлі шешілмеген жұмбақтар

Ғасырлар бойы зерттелгеніне қарамастан, найзағай әлі де құпияларын сақтап келеді. Оның физикасының кейбір аспектілері әлі де толық түсіндірілмеген.

Найзағайлы дауылдардың қазіргі заманғы физикасындағы ашық сұрақтардың ішінде ерекше назар аударатындар:

• шар тәрізді найзағай – мыңдаған куәгерлер сипаттаған, бірақ әлі де қанағаттанарлық физикалық түсіндірме алмаған сирек құбылыс;
• найзағайлы дауылдар үстіндегі гамма-жарқылдар – 1994 жылы жерсеріктер арқылы анықталған және әлі де толық түсіндірілмеген қуатты гамма-сәулелену шығарындылары;
• найзағайды бастау механизмі – жалпы схеманы түсінуімізге қарамастан, өрістің сыни мәнге жететін және ионизация басталатын нақты сәтін болжау мүмкін емес;
• найзағайлардың ғарыш сәулелерімен байланысы – бірқатар ғалымдар ғарыштан келетін жоғары энергиялы бөлшектер лидерлердің қалыптасуын тудырады деп санайды, дегенмен бұған тікелей дәлелдер әлі де жеткіліксіз.

Әрбір жаңа зерттеу суретке детальдар қосады, дегенмен найзағайлы разряд механизмдерін толық түсіну әлі қол жеткізілген жоқ. Практикалық аспектілер де белсенді зерттелуде – дәстүрлі металл өзекшелерге қарағанда разрядтарды дәлірек ұстай алатын лазерлік найзағай өткізгіштерді жасау.

Найзағай бір мезгілде физикалық тұрғыдан жақсы сипатталған және әлі де зерттеушілерді таңғалдыруды жалғастыратын табиғи құбылыстардың бірі болып қала береді. Оның механизмдерін зерттеудің тікелей практикалық маңызы бар – ғимараттар мен ұшақтарды қорғаудың жетілдірілген жүйелерін әзірлеуден бастап, дауылдардың атмосфералық химияның қалыптасуындағы рөлін түсінуге дейін. Жыл сайын Жер бетіне шамамен 1,4 миллиард найзағай соғады және осы разрядтардың әрқайсысы бір мезгілде физикалық феномен, қауіп көзі және сарқылмас ғылыми қызығушылық объектісі болып табылады.