Шаровая молния уникальное природное явление реферат

Обновлено: 30.06.2024

В представленной работе будет идти речь об одном из самых интересных - с точки зрения физики - явлений природы - шаровой молнии. Шаровой молнией принято называть светящиеся образования, по форме напоминающие шар. Это явление возникает иногда во время грозы в воздухе, чаще всего, вблизи поверхности. Всегда сопровождаясь обычной молнией, шаровая молния сильно отличается от неё и по своему поведению, и по внешнему виду

Содержание

1. Общее представление о шаровой молнии 2стр
2. Наблюдения шаровой молнии 2стр-7стр
3. Внешний вид и свойства шаровой молнии 7стр-8стр
4. Поведение шаровой молнии 8стр
5. Энергетика шаровой молнии 8стр-9стр
6. Как возникает шаровая молния 9стр-10стр
7. Частота появлений шаровой молнии 10стр
8. Природа шаровой молнии 11стр-15стр
9. Физическая природа шаровой молнии 15стр-16стр
10. Гипотеза квантовой природы шаровой молнии 16-19стр
11. Опасность шаровой молнии 19стр
12. Защита от шаровой молнии 19стр-21стр
13. Рекомендации 21стр
Список литературы 22ст

Работа состоит из 1 файл

Шаровая молния.doc

9. Физическая природа шаровой молнии

Более двухсот лет тому назад была установлена физическая природа линейной молнии, но природа шаровой молнии остаётся не выясненной до настоящего времени.

Можно выделить две группы гипотез, касающиеся физической природы шаровой молнии. Согласно первой группе предположений, шаровая молния непрерывно получает энергию снаружи. Гипотезы, согласно которым шаровая молния после своего возникновения становится самостоятельно существующим объектом образуют другую группу. Однако все эти гипотезы нельзя назвать правдоподобными, хотя на первый взгляд они производят такое впечатление.

В 1974 г И.П. Стахановым была предложена так называемая кластерная гипотеза, согласно которой физическую природу шаровой молнии можно объяснить на основе понятия кластер.

Кластер - это положительный или отрицательный ион, окутанный плотным облаком из нейтральных молекул. Рассмотрим молекулу воды. Она является полярной молекулой, поскольку центры её положительных зарядов не совпадают с центрами отрицательных зарядов. Она в силу своей полярности удерживается вблизи ионов силами электростатического притяжения. Гидратированным называется ион, окружённый молекулами воды. Согласно гипотезе Стаханова, вещество шаровой молнии состоит из таких комплексов.

Таким образом, кластерная гипотеза Стаханова утверждает, что шаровая молния - это самостоятельно существующее тело (т.е. тело, к которому не подводится энергия от внешних источников. Это тело состоит из тяжелых положительных и отрицательных ионов, рекомбинация которых серьезно замедлена из-за гидратации ионов.

В отличие от остальных, данная гипотеза достаточно хорошо поясняет все свойства шаровой молнии, которые были выявленные в результате многочисленных наблюдений за этим явлением. И все же нужно признать, что пока это - всего лишь одна из самых правдоподобных гипотез только гипотеза, которая не подтверждена никакими фактами.

Природа шаровой молнии до сих пор остается загадкой . П.Л. Капицей , более 40 лет назад, была предложена резонансную модель шаровой молнии. В ней, впервые, возникновение и устойчивость шаровой молнии объясняется влиянием коротковолновых резонансных электромагнитных колебаний во время грозы на движение ионов. Резонансная модель П.Л. Капицы объяснив многое, не объяснила причин возникновения и существования интенсивных коротковолновых электромагнитных колебаний во время грозы.

В данной работе, на основе ряда положений о том, что: внутри шаровой молнии существует резонансное коротковолновое электромагнитное излучение (длинна волны l соизмерима с ее геометрическими размерами d) наиболее устойчивыми состояниями движения в природе являются резонансные, характер которых един и не зависит от природы взаимодействующих тел неустойчивые состояния в статике могут стать устойчивыми в динамике (ловушки для заряженных частиц, перевернутый маятник П.Н. Капицы вне и в зонах параметрического резонанса, системы из одного, двух и более намагниченных гироскопов при резонансе)

10. Гипотеза квантовой природы шаровой молнии

Явления, сопровождающие разрушение ШМ, такие как схлопывание, взрыв, большие токи, освобождение тепловой энергии, сохраняющейся при относительно длительном существовании ШМ, - все это принадлежности некой конструкции, долженствующие проявляться естественным образом при соответствующих предпосылках в атмосфере Земли. Анализируя свойства ШМ и характеристики электрических и магнитных полей Земли способом моделирования физических процессов, происходящих при разрядах ЛМ в атмосфере, можно предложить новую гипотезу природы ШМ.

Отклонение ЛМ от вертикального положения наблюдается регулярно. Происходит это из-за того, что проводимость атмосферы неравномерна, поскольку неоднороден химический состав, плотность и влажность воздуха. Можно также часто видеть, как от основного канала молнии отрываются боковые рукава, которые почти мгновенно исчезают в атмосфере. Некоторые из них попадают в благоприятные для появления ШМ условия. Отклонения ЛМ могут произойти и при ударе ее о поверхность Земли, дерево или опору ЛЭП. Что же при этом происходит?

При отклонении ЛМ от вертикального положения в восточном или западном направлениях она попадает под влияние скрещенных магнитного и электрического полей Земли. Электроны плазмы в канале молнии, вращаясь под действием магнитного поля по ларморовскому радиусу (под действием сил Лоренца), одновременно выталкиваются электрическим полем из плазмы за пределы облака положительных ионов. Если при этом силы электростатического притяжения между ионами и электронами оказываются равными центробежным, то электроны попадают на устойчивые квантованные (с квазиклассическим приближением) орбиты вокруг облака ионов и сжимают его в магнитной ловушке.

Такое долгоживущее образование может иметь большой спектр величин запасенной энергии (в нескольких ее видах). Самую существенную ее часть составляет потенциальная электростатическая энергия разделенных зарядов.

Посмотрим, как согласуется предполагаемая модель ШМ с условиями в атмосфере Земли. Силовые линии магнитного поля Земли направлены с севера на юг. Магнитная индукция его колеблется в пределах 3·10-5. 7·10-5 Тл. Напряженность электрического поля, направленного вертикально - от 2,5 до 130 В/м и может достигать во время грозы гораздо больших величин.

Рассчитывая условие равновесия оболочек на орбитах для наиболее распространенного случая наблюдаемой ШМ диаметром 10 см, получим следующие данные: скорость электронов на орбитах - 80м/с (для сравнения, скорость электронов в канале ЛМ - ?105 м/с); магнитная индукция для получения ларморовского радиуса 5см при скорости электронов 80м/с должна быть 10-8 Тл (для сравнения, магнитное поле Земли - 3·10-5 Тл). Таким образом, для образования ШМ необходимо, чтобы скорость электронов в ЛМ весьма замедлилась, а магнитная индукция Земли была бы сильно ослаблена.

Замедление скорости электронов вполне возможно при отклонении рукава ЛМ от основного канала. Что же касается ослабления магнитной индукции, то оно может произойти лишь вблизи канала ЛМ, как результат влияния ее вихревого магнитного поля, поскольку она представляет собой ток, который может достигать величины 4·104 А.

Расчет также показывает, что для образования одной электронной оболочки ШМ (принятой величины) необходимо примерно 2·109 электронов (исходя из принципа Паули). А для того, чтобы конструкция ШМ была устойчива к магнитному полю Земли, таких оболочек необходимо около 103. В этом случае ионизация плазмы составит всего около 1%, что вполне реально при таких температурах.

Состояние материи, которое достигается разделением зарядов и образованием устойчивой конфигурации с движением электронов в оболочках вокруг облака положительных ионов, уже не может называться плазмой, поскольку нарушена ее нейтральность. Вместе с тем, при разрушении ШМ вещество вновь проходит состояние плазмы. При этом выделяется тепловая энергия, которая была законсервирована работой электрического поля в потенциальной энергии разделения зарядов и в движении электронов на орбитах.

Законсервированная энергия магнитного и электрического полей в ШМ может выделяться при ее разрушении не только в виде тепла, но и еще в двух уникальных проявлениях.

Так, если толщина (количество) электронных оболочек значительна, то связь наружных оболочек с "ядром" из ионов ослаблена, и они могут инициировать мощный импульс тока, соприкоснувшись с проводником. При этом ШМ сначала частично разрядится, а затем заберет этот заряд обратно. При полном ее разрушении также возникает двойной импульс тока: разряжается сначала оболочка из электронов, а затем ионы из "ядра" забирают эти электроны назад и рекомбинируют с выделением тепла.

Кроме этого, ШМ может "работать" и как вакуумная бомба. Дело в том, что начальная температура атомов и ионов внутри оболочки из электронов, служащей непроницаемым барьером для атомов и электронов как изнутри, так и снаружи, не может из-за потерь на излучение долго сохраняться. Разряжение, которое появляется при этом внутри оболочки, увеличивается до тех пор, пока она не будет раздавлена разницей давлений и не схлопнется (это и определяет время жизни ШМ). Если толщина оболочки небольшая, то схлопывание произойдет мягко, без особых эксцессов (как в большинстве наблюдаемых случаях), но если эта толщина значительная, то схлопывание приобретает характер взрыва, вызывая сильные разрушения. Взрыв происходит на фоне импульса тока на проводник и выделения тепловой энергии рекомбинации ионов.

Необходимо указать на возможное разнообразие химического состава ШМ (на что явственно указывает цвет излучения). Скорость электронов в ЛМ колеблется в широком диапазоне, следовательно, и температура плазмы также имеет различные значения, что определяет, в свою очередь, атомы каких газов могут участвовать в образовании ШМ.

Итак, поскольку для ее появления требуются особые предпосылки в атмосфере Земли, шаровая молния, во-первых, достаточно редкое явление; и, во-вторых, не получена (хотя бы случайно) в лаборатории. Последнее осуществимо лишь при создании ряда необходимых условий, а именно:

Наличие ослабленного магнитного поля поперек движения плазмы сообразно величине, рассчитываемой ШМ (по количеству атомов и молекул при предполагаемой температуре);

создание сильного электрического поля, скрещенного с магнитным и с направлением движения плазмы;

удлинение времени жизни плазмы (например, с помощью перезарядок на многоэлектронных ионах), чтобы оно было больше времени дрейфа электронов до попадания их в оболочку под действием электрического поля;

создание движущейся плазмы в скрещенных магнитном и электрическом полях. Для этого необходима специальная лабораторная установка (например, по типу описанной в книге В.Г. Чейса и Г.К. Мура "Взрывающиеся проволочки" М. 1963 ) и легированный материал (металл с примесями), имеющий малую работу плавления, испарения и ионизации.

11. Опасность шаровой молнии

Конечно, встреча с шаровой молнией несет в себе определенную опасность, и этому есть немало подтверждений. Однако чаще всего этот тип молнии не приносит никакого ущерба для жизни или здоровья свидетелей происшествия. Как показал проведенный опрос, лишь пять из полутора тысяч случаев, описанных в письмах закончились смертельным исходом.

Как правило шаровая молния проходит мимо проводящих объектов, в том числе и мимо человека. Температура на поверхности молнии примерно равна обычной комнатной температуре, а если и превышает ее, то ненамного (не более чем на 100 К). Это следует из того, что некоторые случаи контакта с молнией не приводили ни каким травмам. В других случаях прикосновение давало ожоги, хотя и болезненные, но далеко не смертельные. Внутри шаровой молнии температура выше, чем на ее поверхности, однако скорее всего она не превышает 300. 400 ° С.

Общая информация

Шаровая молния — редкое и довольно таинственное природное явление. Его можно описать как сферу или шар, летящий в пространстве, электрический сгусток. Чаще всего имеет форму шара, но также были зафиксированы грибовидные, грушевидные, цилиндровидные, кольцевидные, конусообразные и каплевидные образцы. Имеет желтый, голубой, белый, чёрный цвета.

Определение и внешний вид явления

Этот предмет имеет необычные характеристики. Физические свойства следующие:

По составу она является плазменным образованием
Точная температура не определена, но известно, что она колеблется от 100 до 1000 градусов по шкале Цельсия
Шар обладает высокой маневренностью (способностью быстро менять направление движения)
Скорость движения такой молнии может быть от нескольких сантиметров, до десятков метров в секунду, также может резко ускоряться до десяти метров в секунду практически мгновенно
Может освещать местность радиусом в пять километров.
Были случаи, когда молния попадала в резервуар с водой и нагрела до кипения 18 литров воды, после чего вода оставалась горячей ещё двадцать минут.
Двигаться может как по ветру, так и против ветра.
Некоторые виды шаровых молний, например, искусственные, могут светить ярче солнца
Молнии различаются размером: от совсем маленьких (от 5 см) до чудовищных пятиметровых гигантов
Шар, наполненный электричеством, может создавать радиопомехи из-за своего магнитного поля.

Возникновение электрического разряда

В реферате об этом явлении следует честно подчеркнуть, что о причине его образования известно очень мало. Оно может образоваться в любом месте и при любой погоде, как при солнечной, так и во время грозы. Она может спуститься с туч или вообще возникнуть на ровном месте.

В нескольких местах нашей планеты зафиксированы случаи периодического возникновения шаровой молнии. Например, подтвердились рассказы свидетелей о том, что в Псковской области находится поляна, на которой прямо из-под почвы время от времени выскакивает черный вид данного электрического разряда. Следить за ней с помощью датчиков не получается, потому что приборы не могут выдержать такой высокой температуры и плавятся. Пока известны только единичные появления такой молнии в одном месте и в одно и то же время.

Поведение электрических шаров

Закономерности движения шаровой молнии пока непредсказуемы, траектория полёта также необъяснима. В некоторых случаях шары, наполненные энергией, быстро передвигаются и при столкновении с предметами (деревьями, постройками, поверхностью земного шара) взрываются, но существуют и медленно летящие электрические шары, как бы парящие над землей, они облетают препятствия и не взрываются от лёгкого контакта.

Особенности молний заключаются также в том, что некоторые экземпляры появляются в закрытом помещении. Это происходит из-за того, что они притягиваются к линиям электропередач и электрическим проводникам, а по проводке проникают в помещение, буквально возникая из розетки или из какого-либо электроприбора.

Были даже случаи возникновения шара в кабине пилота. Также меняя свою форму, нежданный гость может проникать через небольшие отверстия.

Шаровая молния в исторических событиях

Первые упоминания об этом удивительном явлении можно найти в древнейших летописях до нашей эры. Нередки описания странных шаров, которые, приземляясь на землю, причиняют разрушение и пожары.

21 октября 1638 года в церкви в английском графстве Девон был засвидетельствовано появление следующего явления. По словам очевидцев, в церковь каким-то образом попал огромный шар (около двух с половиной метров в диаметре). Причинив довольно большой ущерб зданию, шар разделился на два тела, одно вылетело наружу, разбив окно, другое исчезло. Всё это сопровождалось грохотом и чёрным дымом, также люди чувствовали запах серы. Явление посчитали наказанием Божьим за то, что во время служения прихожане вели себя неподобающе. Погибло четыре человека, а шестьдесят получили ранения.

1753 году Георг Рихман — член академии наук в Санкт-Петербурге, напарник Михаила Ломоносова. Во время опытов над атмосферным электричеством (атмосферное электричество — совокупность всех электрических явлений в атмосфере, также раздел науки, который изучает данное явление), которые он производил на приборе собственного изобретения во время грозы, из прибора вылетел шар небольшого размера и ударил ученого прямо в лоб. Во время контакта с Рихманом шар взорвался, гравер, иллюстрирующий явление, был сбит с ног и потерял сознание. Одежда исследователя была опалена, дверь выбило, окна были разбиты.

Мастера спорта, воплощение здравого смысла и материалистического подхода к жизни, сообщали, что желтый светящийся шарик появился в их закрытой палатке и стал беспорядочно метаться во все стороны. Этот необъяснимый случай привел к гибели одного альпиниста и тяжелым ожогам остальных.

Исследования природного явления

Многие исследователи пытались проникнуть в тайны этого явления, и хотя многие относились к нему с насмешкой как к мистификации или оптической иллюзии, другие даже заплатили за это исследование своей жизнью! Вот список учёных, внесших наибольший вклад в изучение шаровых молний:

Опасность для населённых пунктов

В докладе о шаровой молнии обязательно надо отметить, какую угрозу она представляет здоровью и жизни людей. Особенно опасен взрыв шара — из-за большой температуры во время взрыва плавится даже металл. Также опасна непредсказуемость летящего шара — невозможно предугадать, в каком направлении он будет двигаться. Все это значит, что столкновение переполненного электричеством шара с живым существом вполне может быть смертельным для последнего.

Молния может проникнуть в помещение через открытое окно или дверь, но были случаи, когда молния проникало и сквозь закрытое окно. Огненный шар расплавлял стекло, оставляя после себя идеально круглое отверстие.

Что делать при непосредственном столкновении

движения должны быть плавными и медленными, нельзя совершать резких, дерганых рывков руками, не следует прыгать или убегать
Не рекомендуют поворачиваться к молнии спиной, но, держась к ней лицом, постараться уйти с ее траектории. Вся сложность, однако, состоит в том, что огненный шар может двигаться совершенно произвольно, и предугадать направление ее движения может быть невозможно
если подобная ситуация случилась дома или в другом закрытом помещении, следует аккуратно и избегая стремительных движений открыть форточку или дверь.

Эксперты не советуют во избежание взрыва дотрагиваться до шара другими предметами, однако именно таким образом кондуктор троллейбуса в Казани в 2008 году спасла жизнь себе и двадцати пассажирам. Находчивая женщина отбросила молнию, залетевшую в транспорт, в часть троллейбуса, свободную от людей.

Шаровая молния — одно из интереснейших явлений природы. Загадочные явления образования огненных шаров при грозах с давних пор привлекают к себе внимание людей. История наблюдений шаровой молнии насчитывает тысячелетия. Отсюда можно заключить, что ее природа, видимо, связана с естественными явлениями в атмосфере.

Исследования шаровой молнии включают в себя два элемента: сбор и

анализ наблюдений шаровой молнии, а также изучение процессов, составляющих ее природу.

Вложение	Размер
o_sharovoy_molnii.doc	56.5 КБ
sharovaya_molniya.ppt	1.73 МБ

Предварительный просмотр:

Министерство образования Саратовской области

Учреждение Лицей № 37

Фрунзенского района г. Саратова

Чеснокова Евгения Анатольевича

учитель начальных классов

Пузина Елена Валерьевна

Во время гроз возникают вспышки молний различного типа. Три наиболее распространенных типа молнии: обычная, или линейная, молния, которая часто видна в небе как яркая, четко очерченная дорожка; ленточная молния, слабо светящаяся и охватывающая широкую полосу небосвода, и, наконец, шаровая молния, светящаяся иногда очень слабо, а иногда очень ярко, но в целом представляющая собой очень необычное явление как в отношении формы, так и в отношении своего движения.

Исследования шаровой молнии включают в себя два элемента: сбор и

анализ наблюдений шаровой молнии, а также изучение процессов, составляющих ее природу.

Анализ большого количества случаев наблюдения шаровой молнии дает нам возможность оценить ее параметры:

1) форма – светящийся шар;

2) цвет - самым распространенным является желтый, оранжевый (до красного), далее белый, голубой. В очень многих статьях отмечается, что шаровая молния может даже менять цвет.

3) размер - самым распространенным является диаметр от 10 до 20 сантиметров. Реже встречаются экземпляры от 3 до 10 и от 20 до 35 сантиметров.

4) яркость - световой поток от шаровой молнии сравним с тем, который испускает стоваттная электрическая лампочка. Но удивительно не это: оказывается, излучая свет, шаровая молния почти совсем не излучает тепло! Судя по наблюдениям, не может быть речи о температуре в тысячу или тем более в несколько тысяч градусов, которую часто приписывают шаровой молнии.

Шаровая молния обычно появляется в грозовую, штормовую погоду; зачастую, но не обязательно, наряду с обычными молниями . Но имеется множество свидетельств её наблюдения в солнечную погоду.

Чаще всего шаровая молния движется горизонтально, приблизительно в метре над землёй, довольно хаотично. Часто шаровая молния сопровождается звуковыми эффектами — треском, писком, шумами. Наводит радиопомехи . Нередки случаи, когда наблюдаемая шаровая молния аккуратно облетает находящиеся на пути предметы.

Другим поразительным свойством шаровой молнии является то, что она может проникать через узкие отверстия и даже щели, деформируясь при этом и вновь восстанавливая сферическую форму после выхода в свободное пространство. Один очевидец видел с расстояния 15 - 20 сантиметров, как в щель в стене "пролезал желтый шарик величиной с крупный апельсин". И уточняет: "Он, вернее, не пролезал, а переливался из одной половины в другую". Другой рассказал, как шаровая молния прошла в комнату через трещину в стекле, сплющившись, так как размер ее был больше размеров трещины.

Шаровая молния в среднем живёт от нескольких секунд до минуты, после чего обычно взрывается. Изредка она медленно гаснет или распадается на отдельные части. Если в спокойном состоянии от шаровой молнии исходит необычно мало тепла, то во время взрыва высвободившаяся энергия иногда разрушает или оплавляет предметы, испаряет воду.

Окончательного ответа физики еще не нашли, да и не могли найти до проведения широких исследований наблюдений очевидцев: слишком мало было информации. Тем не менее число различных гипотез о природе шаровой молнии значительно превосходит сотню.

Интерес Игоря Стаханова к проблеме шаровой молнии тоже начался с гипотезы, выдвинутой им в начале семидесятых годов. Стаханов, как и многие другие физики, исходил из того, что шаровая молния состоит из вещества, находящегося в состоянии плазмы. Плазма похожа на газообразное состояние с единственной разницей: молекулы вещества в плазме ионизованы, то есть потеряли (или, наоборот, приобрели лишние) электроны и перестали быть нейтральными.

В то время как аналог линейной молнии - искровой разряд - сравнительно легко воспроизводится в лаборатории, шаровую молнию все еще не удается получить искусственно. Конечно, масштабы экспериментально получаемых искр и природных молний несопоставимы, но все же нет сомнений в том, что в них происходят одни и те же явления. Этого нельзя сказать о шаровой молнии. "Сделать похоже" ученые уже могут, но точно смоделировать ее не удается.

Встреча с шаровой молнией явление очень редкое (лишь один человек из тысячи наблюдает ее) и обычно происходит без особых последствий для наблюдателя, особенно если это имеет место внутри помещений. Однако такие встречи не всегда бывают безобидными и иногда приводят к человеческим жертвам.

Среди более тысячи описаний наблюдений шаровой молнии, собранных И.П. Стахановым, сообщается о пяти случаях смерти, хотя не всегда это было результатом прямого воздействия шаровой молнии.

Главное правило при появлении шаровой молнии – не делать резких движений, никуда не бежать! Молнии очень восприимчивы к завихрениям воздуха, которые мы создаем при беге и прочих движениях, и которые тянут ее за собой. Оторваться от шаровой молнии можно только на машине, но никак не своим ходом.

Нужно осторожно свернуть с пути молнии и держаться дальше от нее, но не поворачиваться к ней спиной.

Никогда ничего не бросайте в шаровую молнию! Она может не просто исчезнуть, а взорваться, как мина, и тогда тяжелые последствия неизбежны.

Несмотря на то, что явление шаровой молнии вызывает большой интерес на протяжении длительного времени, серьезное его рассмотрение стало возможным лишь сравнительно недавно, после кропотливого анализа результатов большого количества наблюдений.

Фактически лишь теперь возникает наука о шаровой молнии - явлении, остававшемся загадкой во время бурного развития других областей науки.

Изучение природы этого загадочного явления позволит использовать полученные знания в различных областях человеческой деятельности.

Содержание

Введение…………………………………………………………………….3
Общее представление о шаровой молнии……………………………4
Физическая природа шаровой молнии………………………………6
Природа линейной молнии……………………………………………15
Основные рекомендации……………………………………………. 16
Заключение……………………………………………………………….17
Список использованной литературы…………………………………..19

Работа содержит 1 файл

шар молния.doc

Общее представление о шаровой молнии……………………………4
Физическая природа шаровой молнии………………………………6
Природа линейной молнии……………………………………………15
Основные рекомендации……………………………………………. ..16

Список использованной литературы…………………………………..19

В данном реферате речь пойдет об одном из самых интересных, с точки зрения физики, явлений природы — шаровой и линейной молниях. Шаровой молнией принято называть светящиеся образования, по форме напоминающие шар. Это явление возникает иногда во время грозы в воздухе, чаще всего, вблизи поверхности. Всегда сопровождаясь обычной молнией, шаровая молния сильно отличается от неё и по своему поведению, и по внешнему виду. В отличие от обычной (линейной) молнии, шаровая не сопровождается громом, она практически бесшумна. С другой стороны, шаровая молния может существовать до нескольких минут, тогда как обычная молния характеризуется кратковременностью. Поведение шаровой молнии является совершенно непредсказуемым. Абсолютно невозможно предсказать направление, в котором в следующее мгновение переместится светящийся шар и чем завершится его появление (взрывом или простым исчезновением).

Чаще всего в природе, наблюдаются молнии, напоминающие извилистую реку с притоками. Такие молнии называют линейными, их длина при разряде между облаками достигает более 20 км. Молнии других видов можно увидеть значительно реже.

Существует множество вопросов, касающихся шаровой молнии. Каким образом она попадает в закрытые помещения? Что служит предпосылками для ее появления? Почему она светится, но при этом не излучает тепла? Из-за чего ее форма столь длительное время остается неизменной? Эти и некоторые другие вопросы пока остаются без ответа.

Однако, самые основные понятия будут раскрыты в данной работе.

Так издавна называли светящиеся шаровидные образования, время от времени наблюдаемые во время грозы в воздухе, как правило, вблизи поверхности. Шаровая молния абсолютно не похожа на обычную молнию ни по своему виду, ни по тому, как она себя ведет. Обычная молния кратковременна; шаровая молния живет десятки секунд, минуты. Обычная молния сопровождается громом, шаровая совсем или почти бесшумна. В поведении шаровой молнии много непредсказуемого: неизвестно куда именно направится светящийся шар в следующее мгновение, как он прекратит свое существование (тихо или же со взрывом).

Шаровая молния задает нам множество загадок. При каких условиях она возникает? Как ей удается сохранять свою форму столь долго? Почему она светится и в то же время не излучает тепла? Каким образом она проникает в закрытые помещения? На эти и ряд других вопросов у нас пока нет ясного ответа.

С точки зрения физики шаровая молния - интереснейшее явление природы. В первой половине 19-го века французский физик Д.Араго собрал сведения о 30-и случаях наблюдение шаровой молнии. Познакомимся с одним из случаев. “После сильного удара грома в открытую дверь влетела бело-голубая шарообразная масса диаметром 40 см и начала быстро двигаться по комнате. Она подкатилась под табурет, на котором я сидел. И хотя она оказалась у моих ног, тепла я не ощутил. Затем шаровая молния притянулась к батарее и исчезла с резким шипением. Она оплавила участок батареи диаметром 6 мм, оставив лунку глубиной 2мм”.

Уже из самого названия следует, что эта молния имеет форму шара. Строго говоря, ее форма всего лишь близка к шару; молния может вытягиваться, принимая форму эллипсоида или груши, ее поверхность может колыхаться. Будем считать, что шаровая молния - это шар или почти шар. Он светится - иногда тускло, а иногда достаточно ярко. Яркость света шаровой молнии сравнивают с яркостью света 100-ваттной лампочки. Чаще всего шаровая молния имеет желтый, оранжевый или красноватый цвет. Перед угасанием молнии внутри нее могут возникать темные области в виде пятен, каналов, нитей. В отдельных случаях на поверхности молнии начинают плясать язычки пламени, из нее выбрасываются снопы искр. Диаметр шаровых молний находится в диапазоне от долей сантиметра до нескольких метров. Чаще всего встречаются молнии диаметром 15. 30 см. Обычно шаровая молния движется бесшумно. Но может издавать шипение или жужжание - особенно когда она искрит.

Шаровая молния может двигаться по весьма причудливой траектории. Вместе с тем в ее движении обнаруживается определенные закономерности. Во - первых, возникнув где - то вверху, в тучах, она опускается поближе к поверхности земли. Во - вторых, оказавшись у поверхности земли, она движется далее почти горизонтально, обычно повторяя рельеф местности. Молния, как правило, обходит, огибает проводящие ток объекты и, в частности, людей. Молния обнаруживает явное “желание” проникать внутрь помещений. Вызывает удивление способность шаровой молнии проникать в помещение сквозь щели и отверстия, размеры которых много меньше размеров самой молнии. Так, молния диаметром 40 см может пройти сквозь отверстие диаметром всего в несколько миллиметров. Проходя сквозь малое отверстие, молния очень сильно деформируется, ее вещество как бы переливается через отверстие. Еще более удивительна способность молнии после прохождения сквозь отверстие восстанавливать свою шаровую форму. Живет шаровая молния примерно от 10 с до 1 мин. Меньше живут очень маленькие молнии (диаметром порядка сантиметра и меньше) и очень большие (диаметром около метра и больше). Наиболее долго живут молнии диаметром 10. 40 см. Чаще всего (в 55% случаев) молния взрывается. В 30% случаев молния спокойно угасает. Маленькие молнии обычно угасают (“сгорают”); большие “предпочитают” распадаться на части.

2. Физическая природа шаровой молнии

Природа шаровой молнии пока остается неразгаданной. Это надо объяснить тем, что шаровая молния — редкое явление, а поскольку до сих пор нет указаний на то, что явление шаровой молнии удалось убедительно воспроизвести в лабораторных условиях, она не поддается систематическому изучению. Было высказано много гипотетических предположений о природе шаровой молнии [1, 2], но то, о котором пойдет речь в этой заметке, по-видимому, еще не высказывалось. Главное, почему на него следует обратить внимание, это то, что его проверка приводит к вполне определенному направлению экспериментальных исследований. Нам думается, что ранее высказанные гипотезы о природе шаровой молнии неприемлемы, так как они противоречат закону сохранения энергии. Это происходит потому, что свечение шаровой молнии обычно относят за счет энергии, выделяемой при каком-либо молекулярном или химическом превращении, и, таким образом, предполагают, что источник энергии, за счет которого светится шаровая молния, находится в ней самой. Это встречает следующее принципиальное затруднение.

Из основных представлений современной физики следует, что потенциальная энергия молекул газа в любом химическом или активном состоянии меньше той, которую нужно затратить на диссоциацию и ионизацию молекул. Это дает возможность количественно установить верхний предел энергии, которая может быть запасена в газовом шаре, заполненном воздухом и размерами с шаровую молнию.

С другой стороны, можно количественно оценить интенсивность излучения с ее поверхности. Такого рода прикидочные вычисления показывают, что верхний предел времени высвечивания получается много меньше действительно наблюдаемого у шаровых молний. Этот вывод теперь также подтверждается опытным путем из опубликованных данных [3] о времени высвечивания облака после ядерного взрыва. Такое облако сразу после взрыва, несомненно, является полностью ионизованной массой газа, и поэтому его можно рассматривать как заключающее в себе предельный запас потенциальной энергии. Поэтому, казалось бы, оно должно высвечиваться за время большее, чем наиболее длительно существующая шаровая молния подобного размера, но на самом деле этого нет.

Поскольку запасенная энергия облака пропорциональна объему (d³), а испускание — поверхности ( d² ), то время высвечивания энергии из шара будет пропорционально d, его линейному размеру. Полностью облако ядерного взрыва при диаметре d, равном 150 м, высвечивается за время, меньшее, чем 10 с [3], так что шар диаметром в 10 см высветится за время, меньшее, чем 0,01 с. Но на самом деле, как указывается в литературе, шаровая молния таких размеров чаще всего существует несколько секунд, а иногда даже минуту [1,2].

Таким образом, если в природе не существует источников энергии, еще нам не известных, то на основании закона сохранения энергии приходится принять, что во время свечения шаровой молнии непрерывно подводится энергия, и мы вынуждены искать этот источник энергии вне объема шаровой молнии. Поскольку шаровая молния обычно наблюдается "висящей" в воздухе, непосредственно не соприкасаясь с проводником, то наиболее естественный и, по-видимому, единственный способ подвода энергии — это поглощение ею приходящих извне интенсивных радиоволн.

Примем такое предположение за рабочую гипотезу и посмотрим, как согласуются с ней наиболее характерные из описанных явлений, сопровождающих шаровую молнию [1, 2, 4].

Если сравнить поведение шаровой молнии со светящимся облаком, оставшимся после ядерного взрыва, то бросается в глаза следующая существенная разница. После своего возникновения облако ядерного взрыва непрерывно растет и бесшумно тухнет. Шаровая молния в продолжение всего времени свечения остается постоянных размеров и часто пропадает со взрывом. Облако ядерного взрыва, будучи наполнено горячими газами с малой плотностью, всплывает в воздух и поэтому двигается только вверх. Шаровая молния иногда стоит неподвижно, иногда движется, но это движение не имеет предпочтительного направления по отношению к земле и не определяется направлением ветра. Теперь покажем, что эта характерная разница хорошо объясняется выдвинутой гипотезой.

Известно, что эффективное поглощение электромагнитных колебаний ионизованным газовым облаком — плазмой — может происходить только при резонансе, когда собственный период электромагнитных колебаний плазмы совпадает с периодом поглощаемого излучения. При тех интенсивностях ионизации, которые ответственны за яркое свечение шара молнии, резонансные условия всецело определяются его наружными размерами.

Если считать, что поглощаемая частота соответствует собственным колебаниям сферы, то нужно, чтобы длина К поглощаемой волны была приблизительно равна четырем диаметрам шаровой молнии (точнее, λ=3,65 d ). Если в том же объеме ионизация газа слаба, то тогда, как известно, период колебаний плазмы в основном определяется степенью ионизации, причем соответствующая резонансная длина волны всегда будет больше, чем та, которая определяется размерами ионизованного объема и, как мы указали, равна 3,65d.

При возникновении шаровой молнии механизм поглощения можно себе представить так: сперва имеется небольшой по сравнению с (π/6)·d³ объем плазмы, но если ионизация его будет слаба, то все же резонанс с волной длины λ=3,65d будет возможен и произойдет эффективное поглощение радиоволн. Благодаря этому ионизация будет расти, а с ней и начальный объем сферы, пока она не достигнет диаметра d. Тогда резонансный характер процесса поглощения будет определяться только формой шаровой молнии, и это приведет к тому, что размер сферы шаровой молнии станет устойчивым.

Действительно, предположим, что интенсивность поглощаемых колебаний увеличивается; тогда температура ионизованного газа несколько повысится и сфера раздуется, но такое увеличение выведет ее из резонанса и поглощение электромагнитных колебаний уменьшится, сфера остынет и вернется к размерам, близким к резонансным. Таким образом можно объяснить, почему наблюдаемый диаметр шаровой молнии в процессе свечения остается постоянным..

Размеры наблюдаемых шаровых молний лежат в интервале от 1 до 27 см [4]. Согласно нашей гипотезе, эти величины, помноженные на четыре, дадут тот диапазон волн, который ответствен в природе за создание шаровых молний. Наиболее часто наблюдаемым диаметрам шаровых молний от 10 до 20 см [1] соответствуют длины волн от 35 до 70 см.

Местами, наиболее благоприятными для образования шаровых молний, очевидно, будут области, где радиоволны достигают наибольшей интенсивности. Такие места будут соответствовать пучностям напряжения, которые получаются при разнообразных возможных интерференционных явлениях. Благодаря повышенному напряжению электрического поля в пучностях, их положение будет фиксировать возможные места шаровой молнии. Такой механизм приводит к тому, что шаровая молния будет передвигаться с передвижением пучности, независимо от направления ветра или конвекционных потоков воздуха [1, 2].

Читайте также: