Люди всегда уделяли большое внимание грозам. Именно их связывали с большинством главенствующих мифологических образов, вокруг их появления строили догадки. Наука разобралась в этом сравнительно недавно - в XVIII веке. Многих мучает вопрос до сих пор: почему зимой не бывает грозы? Далее в статье мы с этим разберемся.

Как происходит гроза?

Здесь действует обычная физика. Гроза - природное явление в слоях атмосферы. От обычного ливня она отличается тем, что во время любой грозы возникают сильнейшие электрические разряды, объединяющие кучевые дождевые облака между собой или с землей. Эти разряды сопровождаются также громкими звуками раскатов грома. Часто усиливается ветер, порой достигая шквально-ураганного порога, идет град. Незадолго до начала воздух, как правило, становится душным и влажным, достигает высокой температуры.

Виды грозы

Существуют два основных типа гроз:

внутримассовые;

фронтальные.

Внутримассовые грозы возникают в результате обильного прогревания воздуха и, соответственно, столкновения горячего воздуха у поверхности земли с холодным воздухом наверху. Из-за этой особенности они довольно строго привязаны ко времени и, как правило, начинаются во второй половине дня. Над морем они могут пройти и ночью, во время движения над отдающей тепло поверхностью воды.

Фронтальные грозы возникают при столкновении двух фронтов воздуха - теплого и холодного. Определенной зависимости от времени суток они не имеют.

Частота гроз зависит от средних температур в регионе, где они происходят. Чем ниже температура - тем реже они будут случаться. На полюсах их можно встретить всего раз в несколько лет, и они крайне быстро заканчиваются. Индонезия же, например, славится частыми затяжными грозами, которые могут начинаться чаще двухсот раз в год. Они, однако, обходят пустыни и другие территории, где редко идут дожди.

Почему происходят грозы?

Ключевой причиной происхождения грозы становится как раз неравномерное прогревание воздуха. Чем выше разность температур у земли и на высоте, тем сильнее и чаще будут происходить грозы. Вопрос остается открытым: почему зимой не бывает грозы?

Механизм того, как происходит это явление, следующий: теплый воздух от земли согласно закону теплообмена стремится вверх, в то время как холодный воздух из верхней части облака вместе с содержащимися в нем льдинками - опускается вниз. В результате этого круговорота в частях облака, поддерживающих разную температуру, возникает два разнополюсных электрических заряда: положительно заряженные частицы скапливаются внизу, а отрицательно - наверху.

Каждый раз при их столкновении между двумя частями облака проскакивает огромная искра, которая, собственно, и является молнией. Звук взрыва, с которым эта искра разрывает раскаленный воздух, и есть всем известный гром. Скорость света выше скорости звука, поэтому до нас молния и гром доходят не одновременно.

Типы молний

Все не раз видели обычную молнию-искру и уж точно слышали о Тем не менее этим все разнообразие молний, вызываемых грозами, не исчерпывается.

Всего существует четыре основных типа:

1. Молнии-искры, бьющие среди облаков и не касающиеся земли.
2. Ленточные, соединяющие облака и землю, - те самые опасные молнии, которых следует опасаться больше всего.
3. Горизонтальные молнии, рассекающие небо ниже уровня облаков. Они считаются особенно опасными для жителей верхних этажей, поскольку могут спускаться достаточно низко, но с землей не соприкасаются.
4. Шаровые молнии.

Ответ на этот вопрос довольно прост. Почему зимой не бывает грозы? Из-за низких температур у самой земной поверхности. Не возникает резкого контраста между теплым воздухом, разогретым внизу, и холодным воздухом из верхних слоев атмосферы, таким образом, электрический заряд, содержащийся в облаках, всегда отрицательный. Вот почему зимой не бывает грозы.

Разумеется, из этого следует, что в жарких странах, где температура зимой остается положительной, они продолжают происходить вне зависимости от времени года. Соответственно, в холодных точках мира, например в Арктике или в Антарктиде, гроза - величайшая редкость, сравнимая с дождем в пустыне.

Весенняя гроза, как правило, начинается, в конце марта или в апреле, когда почти полностью сходит снег. Ее появление означает, что земля прогрелась в достаточной степени, чтобы отдавать тепло и быть готовой к посевам. Поэтому с весенними грозами связано множество народных примет.

Ранняя весенняя гроза может быть вредна для земли: как правило, она происходит во время аномально теплых дней, когда погода еще не устоялась, и приносит с собой ненужную еще влажность. После этого землю часто сковывает льдом, она промерзает и обеспечивает плохой урожай.

Предосторожности во время грозы

Во избежание удара молнии не следует останавливаться возле высоких объектов, особенно одиночных - деревьев, труб и других. По возможности вообще лучше не находиться на возвышенности.

Вода - отличный проводник электричества, поэтому первое правило для тех, кто застигнут грозой, - не находиться в воде. Ведь если молния ударит в водоем даже на значительном удалении, разряд легко достигнет стоящего в нем человека. То же касается и сырой земли, поэтому контакт с ними должен быть минимален, а одежда и тело - по возможности сухими.

Не следует контактировать с бытовыми электроприборами или мобильными телефонами.

Если гроза застала в автомобиле - лучше его не покидать, резиновые шины дают хорошую изоляцию.

АНТИВЕЩЕСТВО, вещество, состоящее из атомов, ядра которых имеют отрицательный электрический заряд и окружены позитронами – электронами с положительным электрическим зарядом. В обычном веществе, из которого построен окружающий нас мир, положительно заряженные ядра окружены отрицательно заряженными электронами. Обычное вещество, чтобы отличать его от антивещества, иногда называют койновеществом (от греч. койнос – обычный). Однако в русской литературе этот термин практически не употребляется. Следует подчеркнуть, что термин «антивещество» не совсем правилен, поскольку антивещество – тоже вещество, его разновидность. Антивещество обладает такими же инерционными свойствами и создает такое же гравитационное притяжение, как и обычное вещество.

Говоря о веществе и антивеществе, логично начать с элементарных (субатомных) частиц. Каждой элементарной частице соответствует античастица; обе имеют почти одинаковые характеристики, за исключением того, что у них противоположный электрический заряд. (Если частица нейтральна, то античастица также нейтральна, но они могут различаться другими характеристиками. В некоторых случаях частица и античастица тождественны друг другу.) Так, электрону – отрицательно заряженной частице – соответствует позитрон, а античастицей протона с положительным зарядом является отрицательно заряженный антипротон. Позитрон был открыт в 1932, а антипротон – в 1955; это были первые из открытых античастиц. Существование античастиц было предсказано в 1928 на основе квантовой механики английским физиком П.Дираком.

При столкновении электрона и позитрона происходит их аннигиляция, т.е. обе частицы исчезают, а из точки их столкновения испускаются два гамма-кванта. Если сталкивающиеся частицы движутся с небольшой скоростью, то энергия каждого гамма-кванта составляет 0,51 МэВ. Эта энергия есть «энергия покоя» электрона, или его масса покоя, выраженная в единицах энергии. Если же сталкивающиеся частицы движутся с большой скоростью, то энергия гамма-квантов будет больше за счет их кинетической энергии. Аннигиляция происходит и при столкновении протона с антипротоном, но процесс в этом случае протекает гораздо сложнее. В качестве промежуточных продуктов взаимодействия рождается ряд короткоживущих частиц; однако спустя несколько микросекунд как окончательные продукты превращений остаются нейтрино, гамма-кванты и небольшое число электрон-позитронных пар. Эти пары в конечном итоге могут аннигилировать, создавая дополнительные гамма-кванты. Аннигиляция происходит и при столкновении антинейтрона с нейтроном или протоном.

Коль скоро существуют античастицы, возникает вопрос, не могут ли из античастиц образовываться антиядра. Ядра атомов обычного вещества состоят из протонов и нейтронов. Самым простым ядром является ядро изотопа обычного водорода 1 H; оно представляет собой отдельный протон. Ядро дейтерия 2 H состоит из одного протона и одного нейтрона; оно называется дейтроном. Еще один пример простого ядра – ядро 3 He, состоящее из двух протонов и одного нейтрона. Антидейтрон, состоящий из антипротона и антинейтрона, был получен в лаборатории в 1966; ядро анти- 3 He, состоящее из двух антипротонов и одного антинейтрона, было впервые получено в 1970.

Согласно современной физике элементарных частиц, при наличии соответствующих технических средств можно было бы получить антиядра всех обычных ядер. Если эти антиядра окружены надлежащим числом позитронов, то они образуют антиатомы. Антиатомы обладали бы почти в точности такими же свойствами, как и обычные атомы; они образовали бы молекулы, из них могли бы формироваться твердые тела, жидкости и газы, в том числе и органические вещества. Например, два антипротона и одно ядро антикислорода вместе с восемью позитронами могли бы образовать молекулу антиводы, сходную с обычной водой H 2 O, каждая молекула которой состоит из двух протонов ядер водорода, одного ядра кислорода и восьми электронов. Современная теория элементарных частиц в состоянии предсказать, что антивода будет замерзать при 0° С, кипеть при 100° С и в остальном вести себя подобно обычной воде. Продолжая такие рассуждения, можно прийти к выводу, что построенный из антивещества антимир был бы чрезвычайно сходен с окружающим нас обычным миром. Этот вывод служит отправной точкой теорий симметричной Вселенной, основанных на предположении, что во Вселенной равное количество обычного вещества и антивещества. Мы живем в той ее части, которая состоит из обычного вещества.

Если привести в соприкосновение два одинаковых куска из веществ противоположного типа, то произойдет аннигиляция электронов с позитронами и ядер с антиядрами. При этом возникнут гамма-кванты, по появлению которых можно судить о происходящем. Поскольку Земля по определению состоит из обычного вещества, в ней нет заметных количеств антивещества, если не считать мизерного числа античастиц, рождающихся на больших ускорителях и в космических лучах. То же самое относится и ко всей Солнечной системе.

Наблюдения показывают, что в пределах нашей Галактики возникает лишь ограниченное количество гамма-излучения. Отсюда ряд исследователей делают вывод об отсутствии в ней сколько-нибудь заметных количеств антивещества. Но этот вывод не бесспорен. В настоящее время нет способа определить, например, состоит ли данная близкая звезда из вещества или антивещества; звезда из антивещества испускает точно такой же спектр, как и обычная звезда. Далее, вполне возможно, что разреженное вещество, заполняющее пространство вокруг звезды и тождественное веществу самой звезды, отделено от областей, заполненных веществом противоположного типа – очень тонкими высокотемпературными «слоями Лейденфроста». Таким образом, можно говорить о «ячеистой» структуре межзвездного и межгалактического пространства, в которой каждая ячейка содержит либо вещество, либо антивещество. Эту гипотезу подкрепляют современные исследования, показывающие, что магнитосфера и гелиосфера (межпланетное пространство) имеют ячеистую структуру. Ячейки с разной намагниченностью и иногда также с разными температурой и плотностью разделены очень тонкими токовыми оболочками. Отсюда следует парадоксальный вывод, что указанные наблюдения не противоречат существованию антивещества даже в пределах нашей Галактики.

Если раньше не было убедительных аргументов в пользу существования антивещества, то теперь успехи рентгеновской и гамма-астрономии изменили положение. Наблюдались явления, связанные с огромным и часто в высшей степени беспорядочным выделением энергии. Вероятнее всего, источником такого энерговыделения была аннигиляция.

Шведский физик О.Клейн разработал космологическую теорию, основанную на гипотезе симметрии между веществом и антивеществом, и пришел к выводу, что процессы аннигиляции играют решающую роль в процессах эволюции Вселенной и формирования структуры галактик.

Становится все более очевидным, что основная альтернативная ей теория – теория «большого взрыва» – серьезно противоречит данным наблюдений и центральное место при решении космологических проблем в ближайшем будущем, скорее всего, займет «симметричная космология».

Антивещество – это материя, состоящая исключительно из античастиц. В природе у каждой элементарной частицы есть античастица. Для электрона это будет позитрон, а для положительно заряженного протона – антипротон. Атомы обычного вещества – иначе оно называется койновещество - состоят из положительно заряженного ядра, вокруг которого движутся электроны. А отрицательно заряженные ядра атомов антивещества, в свою очередь, окружены антиэлектронами.

Силы, которые определяют структуру материи, и для частиц и для античастиц одинаковы. Проще говоря, частицы различаются только знаком заряда. Характерно, что «антивещество» - не совсем верное название. Оно по сути своей лишь разновидность вещества, обладающее теми же свойствами и способное на создание притяжения.

Аннигиляция

Фактически это процесс столкновения позитрона и электрона. В результате происходит взаимоуничтожение (аннигиляция) обеих частиц с выделением огромной энергии. Аннигиляция 1 грамма антивещества эквивалентна взрыву тротилового заряда в 10 килотонн!

Синтез

В 1995 году было заявлено, что синтезированы первые девять атомов антиводорода. Они прожили 40 наносекунд и погибли, высвободив энергию. А уже в 2002 году число полученных атомов исчислялось сотнями. Но все полученные античастицы могли прожить только наносекунды. Дело изменилось с запуском адронного коллайдера: удалось синтезировать 38 атомов антиводорода и удержать их целую секунду. За этот период времени стало возможным провести некоторые исследования строения антиматерии. Удерживать частицы научились после создания специальной магнитной ловушки. В ней, для достижения нужного эффекта, создаётся очень низкая температура. Правда, такая ловушка – дело очень громоздкое, сложное и дорогое.

В трилогии С. Снегова «Люди как боги» процесс аннигиляции используется для межгалактических полётов. Герои романа, используя её, превращают в пыль звёзды и планеты. Но в наше время получить антивещество гораздо сложнее и дороже, чем прокормить человечество.

Сколько стоит антивещество

Один миллиграмм позитронов должен стоить 25 млрд. долларов. А за один грамм антиводорода придётся выложить 62,5 триллиона долларов.

Ещё не проявился такой щедрый человек, что смог бы купить хоть одну сотую грамма. Несколько сот миллионов швейцарских франков пришлось заплатить за одну миллиардную долю грамма, чтобы получить материал для экспериментальных работы по столкновению частиц и античастиц. Пока нет такой субстанции в природе, которая была бы дороже антивещества.

А вот с вопросом веса антиматерии всё достаточно просто. Поскольку она отличается от материи обычной только зарядом, то все остальные характеристики у неё те же. Получается, что один грамм антивещества будет весить именно один грамм.

Мир из антивещества

Если принять за истину, что был, то в результате этого процесса должно было возникнуть равное количества и вещества, и антивещества. Так почему же мы не наблюдаем рядом с собой объектов, состоящих из антиматерии? Ответ достаточно прост: два типа вещества не могут сосуществовать вместе. Они обязательно взаимоуничтожатся. Вполне вероятно, что галактики и даже вселенные из антивещества существуют , и мы даже видим некоторые из них. Но от них исходят такие же излучения, идёт такой же свет, как и от обычных галактик. Поэтому пока невозможно точно утверждать, существует антимир или это красивая сказка.

Опасно ли?

Многие полезные открытия человечество превращало в средства уничтожения. Антивещество в этом смысле не может быть исключением. Более мощного оружия, чем основанного на принципе аннигиляции, представить пока нельзя. Возможно, не так и плохо, что пока не получается добыть и сохранить антивещество? Не станет ли оно роковым звоночком, который услышит человечества в свой последний день?