Līvānu 1.vidusskolas
Zibens
Zinātniskais referāts fizikā
Darba autors:
10.b klases skolnieks
Jēkabs Vaivods
Darba vadītājs:
Līvānu 1.vidusskolas
Skolotājs, fizikas maģistrs
Juris Jansons
SATURS
Ievads…………………………………………………………………………………………………………….3
1.Zibens un pērkons – kā tie rodas……………………………………………………………………..4
2. Līnijveida zibens………………………………………………………………………………………….5
3. Lodveida zibens…………………………………………………………………………………………..6
Secinājumi………………………………………………………………………………………………………9
Tēzes……………………………………………………………………………………………………………10
Izmantoto avotu saraksts…………………………………………………………………………………11
Pielikums………………………………………………………………………………………………………12
IEVADS
Mūsu planēta Zeme ir bezgala daudzveidīga. Jau simtiem gadu zinātnieki to pētī un cenšas rast atbildes uz daudziem jautājumiem. Cilvēku dzīvi ietekmē daudzas nelabvēlīgas laikapstākļu parādības – sausums, plūdi, aukstums, karstums, sniegputeņi, zibens un pērkons, orkāni. Tāpēc zinātnieki joprojām veic pētniecības darbus, lai izprastu, kas īsti notiek uz Zemes, lai iemācītos novērst un pretoties tām dabas parādībām, kas mūs apdraud un biedē.
‘’Dažkārt mūs dabā pārsteidz, sajūsmina vai izbiedē reti sastopamas, neparastas vai mūsu apvidum neraksturīgas dabas parādības. Piemēram, daudzkrāsainais varavīksnes loks, polārblāzma pie debesīm, negaiss ar zibeni un pērkonu, halo riņķis ap Sauli vai Mēnesi, mirāža, stabs vai krusts pie debesīm ‘’ [ 1 ].
‘’ Dižena un barga atmosfēras parādība ir negaiss. Karstā, tveicīgā vasaras dienā pamalē parādās tumšs, draudīgs negaisa mākonis. Tas strauji aug lielāks un ātri virzās uz priekšu. Drīz vien mākoņi aizsedz Sauli, kļūst tik tumšs, ka jāiededz telpās gaisma. Debesīs plaiksnī zibens, atskan apdullinoši grāvieni, reizē ar tiem saceļas stipra vētra, kas loka un lauž kokus, plēš nost mājām jumtus, sāk līt spēcīgs lietus. Negaiss iedveš šausmas visai dzīvai radībai uz Zemes ‘’ [ 1].
Mana darba mērķis izskaidrot zibeni kā dabas parādību, izprast tā rašanos un iemācīties aizsargāties no tā.
Par zibeni izvēlējos rakstīt tāpēc, ka man vienmēr ir interesējis tas ka rodas zibens.
Izstrādājot darbu, izvirzu sekojošus uzdevumus:
1. Noskaidrot, zibens un pērkona cēloņus .
2. Noskaidrot, kādi zibens veidi dabā ir sastopami.
Zibens pētīšanai, pagaidām, izmantošu literatūras avotus un tajos sniegto informāciju par šo interesanto dabas parādību.
1. ZIBENS UN PĒRKONS – KĀ TIE RODAS
.
Aptuveni pirms 200 gadiem kļuva zināms, ka zibens ir spēcīga, īslaicīga elektriskā izlāde starp negaisa mākoni un Zemes virsmu; starp diviem mākoņiem vai starp atsevišķām viena mākoņa daļām. Negaiss ir īsts atmosfēras elektrības ģenerators! Kā zināms, elektriskais lādiņš rodas no berzes. Mākoņi sastāv no ledus kristāliņiem un putekļiem, kas pārvietojoties berzējas cits gar citu. Ūdenim iztvaikojot, mazie pilieniņi, beržoties gar lielajiem, labprāt atdod savus elektronus. Tāpēc mākoņu augšējie slāņi uzlādējas pozitīvi, bet zemākie, kur lielie pilieni, negatīvi. Mākoņa apakšējie slāņi aizgrūž Zemes virskārtā esošos elektronus un Zeme uzlādējas pozitīvi [ 9 ].
Negaisa laikā mākoņi un zeme uzlādējas tik spēcīgi, ka pa vidu gaisā esošās daļiņas, kas sastāv no vienāda daudzuma pozitīvajiem un negatīvajiem lādiņiem burtiskā nozīmē tiek saplēstas un to pozitīvi lādētās daļas pievelkas negatīvi uzlādētajai mākoņa apakšai un negatīvi lādētās daļas mežonīgā ātrumā metas uz pozitīvi lādēto Zemi. Pa ceļam tie triecas viens pret otru un vēl nepārplēstiem atomiem tik stipri, ka zibens kanālā temperatūra uzkāpj līdz 40000 grādiem un atomi izstaro gaismu. Zibens kanālā gaiss karstuma dēļ izplešas sprādzienveidā un mēs to dzirdam kā pērkonu [ 9 ].
Pērkons ir zibens izraisīta spalga vai dārdoša skaņa. To rada zibens kanālā esošā gaisa izplešanās un karstums. Skaņai virzoties pa atmosfēras slāņiem, temperatūras svārstību ietekmē rodas pērkonam raksturīgā dārdoņa. Pērkons ir ilgāks par zibeņošanu, jo skaņai nepieciešams vairāk laika, lai pārvietotos no dažādām zibeņa daļām.
Zibens izlāde var notikt arī viena mākoņa iekšpusē un starp diviem mākoņiem [ 9 ]
Pie mums Latvijā vasaras periodā pērkona negaiss ir diezgan bieža parādība. Vidēji no maija līdz augustam tie ir 17 reizes, bet maksimāls skaits ir bijis virs 40 (1961.gada Priekuļos).
2. LĪNIJVEIDA ZIBENS
Vistipiskākais zibens veids ir līnijveida zibens, kas izlādējas dzirksteļu veidā ar atzariem, kuru garums ir 2 līdz 3 kilometri vai atsevišķos gadījumos līdz pat 20 kilometriem un vairāk, un ar diametru daži desmiti centimetru. Viena zibens ilgums visbiežāk ir sekundes desmitdaļas, taču atsevišķos gadījumos arī ilgāk. Līnijveida zibens ir dzirksteles izlāde atmosfērā, kas izpaužas kā spilgts gaismas uzliesmojums, ko pavada pērkona dārdi. Tā nav tikai optiskas dabas parādība. Šeit būtiska loma ir elektriskiem, akustiskiem, termiskiem un optiskiem procesiem [ 4 ].
‘’ Līnijveida zibens elektrisko dabu atklāja amerikāņu fiziķis Bendžamins Franklins (1706 – 1790), kurš 1750. gadā arī izgudroja zibens novedēju. 1753. gadā Franklins veica eksperimentus ar pūķi, kuru palaida negaisa tuvošanās brīdī. Uz pūķa bija piestiprināta metāla smaile, bet auklas galā atslēga un zīda lente, kuru zinātnieks turēja rokā. Vēlāk Franklins rakstīja kādam savam draugam: „Līdzko negaisa mākonis atrodas virs pūķa, smailais vads sāk izvilkt no tā elektrisko uguni un pūķis kopā ar auklu elektrizējas. Viņš izmantoja pozitīvās un negatīvās elektrības jēdzienus, kā arī ievies apzīmējumus (+) un (-). Franklina eksperimentu dažādos variantos atkārtoja citi zinātnieki. Francūzis Dalibars dārzā ierīkoja 40 pēdu garu dzelzs stieni. Negaisa laikā no šā stieņa plūda dzirksteles ‘’ [ 2].
Zibens visbiežāk rodas negaisa gubu mākoņos. Tas var veidoties arī vulkānu izvirdumos un virpuļviesulī, kur notikusi lādētu daļiņu uzkrāšanās. Dažas zibens īpašības ir atšķirīgas no attiecīgām dzirksteles izlādes, kas notiek starp elektrodiem, īpašībām. Zibens, pirmkārt, rodas elektriskajos laukos, kas ir vājāki par tiem, kādi nepieciešami dzirksteles izraisīšanai starp elektrodiem. Otrkārt, zibens pārnestā lādiņa savākšana no milzīga skaita izolētu daļiņu, kas izvietotas vairāku kubikkilometru lielā tilpumā, notiek sekundes tūkstošdaļās. Tāpēc jautājumos, kas saistīts ar zibens rašanos, vēl ir daudz neskaidrību.
3. LODVEIDA ZIBENS
Īpaša veida ir lodveida zibens. ‘’ Samērā nesen, apmēram pirms 30 gadiem, zinātnieki atklāti atzina, ka lodveida zibens ir gandrīz vai vienīgā Zemes atmosfēras parādība, kurai nav ticama izskaidrojuma. Lodveida zibens ir spožs lodveida formas veidojums, kas brīvi pārvietojas gaisā. Lodveida zibens vienmēr pārsteidz ar savu neparasto izskatu, mīklaino parādīšanos un nozušanu. Vairāku gadsimtu laikā ir uzkrāta samērā bagātīga informācija un tagad ar zināmu pārliecību ir iespējams spriest par lodveida zibens dažādiem parametriem ‘’ [ 10].
Lodveida zibens krāsa var būt balta (24% gadījumu), dzeltena (24%), sarkana (18%), zila vai violeta (12%). Pārējos gadījumos informācijas trūkst. Lodveida zibeni pārsvarā novēro vasarā negaisa laikā. 50% gadījumu tas izzūd eksplodējot, pārējos gadījumos lēnām dziest vai sabrūk daļās. Lodveida zibens enerģiju novērtēja pēc tā izraisītās termiskās, mehāniskās un ķīmiskās iedarbības. Tā mainās plašās robežās: no viena līdz dažiem tūkstošiem kilodžoulu. Vidējā vērtība ir ap 20 kJ. Iegūtā informācija ļauj izvirzīt dažādus lodveida zibens modeļus. Modeļu pamatā ir divi pieņēmumi.
• Lodveida zibens saņem enerģiju no ārēja enerģijas avota.
• Ārējs enerģijas avots nepastāv, enerģija uzkrāta pašā lodveida zibenī [ 10].
‘’ Pirmo variantu izvirzīja krievu fiziķis Pjotrs Kapica (1894 – 1984). Tas eksperimentāli nav apstiprinājies. Otrajam variantam var būt divi gadījumi. Plazmas modeļa gadījumā enerģija uzkrāta lādētajās daļiņās, un tā atbrīvojas lādēto daļiņu rekombinācijas procesā. Otrajā gadījumā enerģija atbrīvojas ķīmiskā reakcijā. Aprēķini rāda, ka pirmajā gadījumā, t. i., plazmas modelim, dzīves laiks būtu ļoti īss, kas praksē neapstiprinās. Atliek pieņemt, ka lodveida zibens satur ķīmisku enerģiju. Ir tādas ķīmiskās reakcijas, kas noris pietiekami lēnām, piemēram, ozona sabrukšanas process ne sevišķi augstā temperatūrā. Viens no iespējamiem mehānismiem var būt ozona molekulas mijiedarbība ar porainas struktūras cietu ķermeni, piemēram, kokogles pulvera sadegšana ozonā, kas absorbējusies oglē. Atkarībā no siltuma aizvadīšanas efektivitātes šāda tipa process var attīstīties dažādi. Ja reakcijas zonā izdalītā enerģija netiek pietiekami strauji aizvadīta, tad process beidzas ar eksploziju. Ja siltuma aizvadīšana ir pietiekami efektīva, tad sistēma pēc iekšējas enerģijas iztērēšanas atdziest vai arī lēnām sabrūk. Novērojumi rāda, ka lodveida zibens nevar būt ne gāzes, ne putekļu veidojums, jo izdalītais siltums radītu plūsmas un veidojums sabruktu sekundes daļas laikā ‘’ [ 10].
‘’ Ticamu lodveida zibens struktūras risinājumu atrada Sanktpēterburgas zinātnieki V. Aleksandrovs, E. Golubevs un I. Podmošenskis. Viņi pieņēma, ka lodveida zibens aktīvo vielu veido pavedienveidīgs aerosols. Tādu struktūru gaisa konvekcija nesagrauj. Tas secināts, pētot metālu tvaiku atdzišanu, kur novēroja līdzīgas struktūras. Starpetapā pirms cietu metālu kristālu rašanās veidojas īpatnēja zaraina struktūra – fraktālais klasteris. Klasteris (angl. cluster – saišķis) ir irdena liela skaita savstarpēji vāji saistītu atomu vai molekulu sistēma. Klasteris ieņem starpstāvokli starp van der Valsa molekulām un aerosoliem. Klasteri efektīvi veidojas pārsātinātos tvaikos, gāzu izplūdēs no sprauslām, dūmu daļiņu vai citu cietu aerosolu asociācijas procesā, tas ir starpstāvokils, veidojoties šķidrumu pilieniem. Šādas struktūras intensīvi pētītas pēdējos gados, un to pamatīpašības izdevās izprast ar matemātiskās modelēšanas palīdzību.
Klasteris ir vienīgā struktūra, kas spēj vienlaikus nodrošināt lodveida zibens vieglumu un karkasa stabilitāti. Siltuma izdalīšanās nodrošina gaisa konvekciju, tādēļ rodas cēlējspēks un lodveida zibens var brīvi „peldēt” gaisā. Lodveida zibens mirdzēšana ir analoģiska pirotehnisko materiālu degšanai ‘’ [ 10].
Novērojumi liecina, ka lodveida zibenim ir ievērojams elektriskais potenciāls. Fraktālais klasteris formējas, apvienojoties citām cietām daļiņām. Gaisā šīs daļiņas ir negatīvi lādētas, jo negatīvo jonu kustīgums ir lielāks par pozitīvo jonu kustīgumu. Šā apstākļa dēļ fraktālā klastera lādiņš ir negatīvs.
‘’ Rezumējot var uzskatīt, ka principā jautājums par lodveida zibens dabu ir atrisināts, balstoties uz novērojumu datiem un šīs parādības atsevišķu detaļu modelēšanas rezultātiem. Lodveida zibens satur vieglu stingru klastera struktūras karkasu, kas veidots no maza izmēra cietām daļiņām. Aerosola daļiņas nokļūst plazmā, kas atrodas ārējā elektriskajā laukā, un tāpēc šīm daļiņām ir noteiktas zīmes lādiņš. Plazmas joni pielīp daļiņām, kuras apvienojas klasterā. Novērtējums rāda, ka daļiņu lādiņi būtiski neietekmē apvienošanās procesu. Klasteru formēšanās procesā lādiņš izvietojas uz klastera virsmas, veidojot virsmas spraigumspēku. Tas nodrošina klastera stabilitāti. Lodveida zibenim piemīt ķīmiskas dabas enerģija. Tā sastāvā ietilpst degviela un oksidētājs. Šīs komponentes ir karkasa sastāvā vai arī izvietotas tā porās. Ķīmiskajā reakcijā aktīvajā vielā veidojas karstās zonas, kur temperatūra sasniedz 2000 – 3000 . Šādu zonu ir ļoti daudz, un tas ir lodveida zibens mirdzēšanas cēlonis. Siltums, kas izdalās ķīmiskās reakcijas laikā, izraisa gaisa konvekcijas plūsmas. Tās rada siltuma apmaiņu un celtspēju. Izveidojies klasteris izlādējas ar atmosfēras jonu starpniecību. Izlādes procesā samazinās virsmas spraigums, tāpēc klasteris sabrūk. Vēl nav zināms aktīvās vielas sastāva precīzas ķīmiskās formulas un to apstākļu raksturlielumi, kuros rodas lodveida zibens. Iespējams, ka ir dažādi varianti ‘’ [ 10 ].
Vairākumā gadījumu (ap 90%) lodveida zibens rodas negaisa laikā pēc līnijveida zibens. Taču ir atsevišķi ziņojumi par lodveida zibens novērojumiem skaidrā laikā. Labvēlīgi apstākļi lodveida zibens veidošanai var rasties arī vietā, kur līnijveida zibens sazarojas vai asi maina virzienu. Ir informācija, ka lodveida zibens rodas brīdī, kad līnijveida zibens skar zemi, ūdeni vai kādu citu objektu. Novērots, ka lodveida zibens „izpeld” pat no telefonaparāta, radioaparāta un elektriskā tīkla kontaktrozetes.
SECINĀJUMI
Pērkona negaisi ir vieni no iespaidīgākajam dabas parādībām, kas novērojami Latvijā sevišķi vasaras periodā. Var ļoti viegli noteikt, kad tuvojas pērkona negaiss – izveidojas augsti mākoņi un debesis kļūst ļoti tumšas. Zibens novērojams kā gaismas uzliesmojums, ko pavada pērkona dārdieni.
Cilvēki no pērkona ducināšanas baidās pat vairāk vairāk nekā no zibeņošanas. Tomēr pērkona dārdošā skaņa nav nāvējoša, bet, saņemot zibens triecienu, iespējamība zaudēt dzīvību, diemžēl izdzīvošanas iespēja ir tikpat liela kā ciest autokatastrofā.
Savam zinātniski pētnieciskajam darbam izvēlējos tematu par dabas parādību – zibeni. Minēto tematu savam darbam izvēlējos tāpēc, ka man vienmēr ir interesējis tas, kā rodas zibens.
Mana darba mērķis bija izskaidrot zibeni kā dabas parādību, izprast tā rašanos.
Izstrādājot šo darbu izvirzīju uzdevumus: noskaidrot, kā rodas zibens un pērkons un kādi zibens veidi ir sastopami dabā, izprast zibens ‘’ raksturu ‘’.
Zibens pētīšanai izmantoju literatūras avotus ( grāmatas un žurnālu raksti ), un tajos sniegto informāciju par šo interesanto dabas parādību.
Darba gaitā aplūkoju un analizēju visus izvirzītos uzdevumus.
Negaisi, kurus parasti pavada zibens un pērkons ir diženas un bargas atmosfēras parādības, kuras ietekmē jebkura cilvēka dzīvi, tāpēc ir jāiemācās tos izprast un aizsargāt gan sevi, gan savu mājokli.
Tēzes
1. Zibens ir spēcīga, īslaicīga elektriskā izlāde.
2. Zibens ā temperatūra var sasniegt pat 40000 grādus.
3. Pērkons ir spalga vai dārdoša skaņa ko rada zibens kanālā esošā gaisa izplešanās un karstums.
4. Visizplatītākais zibens veids ir lēnijveida zibens, kas izpaužas kā spilgts gaismas uzliesmojums, ko pavada pērkona dārdi.
5. No zibens mēs varam pasargāties ar Franklina izgudroto zibens novedēju.
6. Zibens visbiežāk rodas negaisa gubu mākoņos, vulkānu izvirdumos un virpuļviesuļos.
7. Lodveida zibens ir parādība, kurai pagaidām nav pilnīga, ticama izskaidrojuma.
IZMANTOTĀS LITERATŪRAS SARAKSTS
1. Rudovica T. Vispārējā fiziskā ģeogrāfija –Rīga-Zvaigzne ABC,1997. 191 lpp.
2. Enciklopēdija lieliem un maziem Kas Kur Kad /-Rīga- Rija 1996. 286 lpp.
3. Ilustrētā fizikas vārdnīca/ Zvaigzne ABC 1997. 57 lpp.
4. Latvijas lielā enciklopēdija/ Zvaigzne ABC 33,lpp
5. Lielā ilustrētā enciklopēdija/ -Rīga- Zvaigzne ABC 1997. 660 lpp.
6. Par fiziku un fiziķiem/ -Rīga zvaigzne ABC 464 lpp.
7. Populāro pārpratumu enciklopēdija/ Jumava 2001 291-293 lpp.
8. Skolēnu enciklopēdija/Zvaigzne ABC 358-359 lpp.
9. Žurnāls Ilustrētā zinātne/ Mēdiju grupa Top SIA 2006. decembris. 15-19 lpp.
10. Žurnāls TERRA/ Lietvārds 2002. Februāris 33-35. lpp.