Физика шаровой молнии
Понятие, гипотезы природы шаровой молнии. Условия формирования, основные параметры и электронно-ионная модель шаровой молнии. Определение плотности вещества, электростатической и кинетической энергии. Экваториальное сечение. Шаровая молния Дмитриева.
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Обозначим через M,V,R и m,v,r массы, скорости движения и радиусы вращения ионов и электронов соответственно; B - индукция магнитного поля. Ni - количество нескомпенсированных положительных ионов внутри ШМ. Ne - количество свободных электронов во внешней оболочке ШМ; q - элементарный электрический заряд; i - ток электронов на орбите радиуса r. относительная диэлектрическая постоянная и электрическая постоянная; относительная магнитная проницаемость среды и магнитная постоянная.
Для упрощения расчётов будем считать, что заряды и токи в основном сконцентрированы вблизи экваториальной плоскости либо расположены наподобие цилиндра, а ионы однозарядны.
Условие равновесия для электронов, движущихся во внешней оболочке, связывает центростремительную и электрические силы:
(2.3.3)
Первое выражение в правой части (2.3.3) описывает силу притяжения между электроном и объемным внутренним ионным зарядом, второе - силу отталкивания электронов во внешней оболочке друг от друга. Баланс сил (2.3.3) будет выполняться в том случае, когда общее число некомпенсированных положительных зарядов Ni будет незначительно превышать число свободных электронов во внешней оболочке Ne. Следовательно, ШМ в целом должна быть заряжена положительно, имея заряд.
(2.3.4)
С другой стороны, общий заряд ШМ не может превышать такой величины, при которой напряжённость электрического поля на её поверхности превышает E0 = 30 кВ/см во избежание пробоя атмосферного воздуха. Отсюда находим максимальный заряд ШМ:
(2.3.5)
Наличие большой напряжённости электрического поля возле ШМ и энергичных электронов подтверждается многочисленными наблюдениями их шипения, потрескивания и испускания искр как при электрическом разряде. Кроме этого, в ряде случаев были взяты пробы воздуха после прохождения ШМ, показавшие повышенное содержание озона и окислов азота. По данным из [8], требуемое соотношение концентраций озона и окислов азота можно получить при электрическом разряде в воздухе с напряжённостью поля до 4 кВ/см.
Выражая заряд из (2.3.4) и приравнивая к (2.3.6), получаем:
(2.3.6)
В правой части (2.3.6) находятся постоянные величины. Принимая, что максимально возможная скорость электронов равна скорости света , находим наибольший радиус ШМ с предельной величиной электрического заряда:
r = 17 см, = = Кл(2.3.7)
при условии, что .
Предположим, что электронный ток во внешней оболочке ШМ настолько большой, что магнитное давление Pm сравнивается по величине с атмосферным давлением Pa:
где , (2.3.8)
Из (2.3.7) с учётом (2.3.8) находим предельные величины индукции магнитного поля, тока и числа электронов во внешней оболочке ШМ:
B = 0,5 Тл, i = А, Ne = (2.3.9)
Скорость ионов внутри ШМ можно оценить по средней температуре свечения с помощью соотношения между кинетической и тепловой энергиями:
(2.3.10)
Примем согласно [8] в качестве температуры ШМ величину = 1,4 104К, тогда при средней массе иона кг как у молекулы азота скорость ионов будет равна м/с. Радиус вращения ионов в магнитном поле найдём из выражения:
(2.3.11)
Tак, с учётом (2.3.11) ионы вращаются по окружностям радиуса R = 2 мм в плоскости, перпендикулярной магнитному полю. С другой стороны, заряженные частицы беспрепятственно могут двигаться вдоль линий магнитного поля. Следовательно, в модели ШМ с магнитным полем заряженные частицы двигаются по винтовым линиям и периодически отражаются от наружной электронной оболочки.
Кинетическая энергия электронов во внешней оболочке ШМ будет равна:
кДж (2.3.12)
Умножая объём ШМ на плотность магнитной энергии, оценим энергию магнитного поля:
м3(2.3.13)
кДж(2.3.14)
Электростатическая энергия ШМ вычисляется как интеграл от плотности энергии электрического поля u по объёму:
, где (2.3.15)
где - напряжённость электрического поля.
За пределами ШМ напряжённость поля мала из-за частичной компенсации положительного ионного заряда и отрицательного заряда от электронов во внешней оболочке. В самой электронной оболочке поле достаточно большое, но объём оболочки существенно зависит от её толщины; при малой толщине энергия в оболочке может быть невелика. Энергия поля внутри ШМ рассчитывается точно, при равномерном распределении положительных зарядов по объёму с их общим зарядом энергия шара равна:
кДж (2.3.16)
В выражении (2.16) принято Ni, Ne =согласно (2.3.9). Полная электростатическая энергия ШМ будет ещё больше, чем величина (2.3.16).
Таким образом, основная энергия в нашей мощной ШМ согласно (2.3.10), (2.3.16) заключена в энергии ионизованных частиц и в энергии электромагнитного поля, причём суммарная энергия величиной 10,6 кДж попадает в диапазон верхних значений энергий у ШМ, вычисляемых по результатам их воздействия на окружающие предметы.
Любопытной особенностью ШМ является то, что её полная энергия положительна, а сама ШМ при этом относительна стабильна. Другой противоположностью являются гравитационно-связанные тела, стабильность которых сопровождается отрицательностью их полной энергии. В обоих случаях полная энергия растёт по модулю при уменьшении объёма объекта при неизменном количестве частиц. В ШМ как в плазменном объекте дополнительное внешнее давление приводит к увеличению токов и магнитного поля (это характерное свойство плазмы), а при уменьшении объёма вырастет и электростатическая энергия. Благодаря своему заряду (2.3.10) ШМ может двигаться под влиянием электрических полей. Как отмечается в [3], ШМ иногда выпадают из облаков и быстро направляются к земле, ударяются об неё и взрываются. Часто это движение происходит вдоль канала только что возникшей линейной молнии. На тесную связь между местами появления ШМ и ударов
