Исследование шаровой молнии

Размещено на http://www.allbest.ru/

12

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

«Самарский государственный аэрокосмический университет

имени академика С.П. Королева

(национальный исследовательский университет)»

Факультет информатики

Кафедра технической кибернетики

Реферат

ИССЛЕДОВАНИЕ ШАРОВОЙ МОЛНИИ

САМАРА 2012

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1 .СУЩЕСТВУЕТ ЛИ ШАРОВАЯ МОЛНИЯ?

2 .ОБЗОРЫ НАБЛЮДЕНИЙ ШАРОВОЙ МОЛНИИ

3 .СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ШАРОВОЙ МОЛНИИ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ВВЕДЕНИЕ

Среди редких и до сих пор загадочных явлений природы одно из первых мест по праву принадлежит шаровой молнии. Шаровые молнии обладают немалым количеством совершенно противоречивых свойств. Ниже приведены эти свойства:

1. Шаровые молнии появляются и при ясном небе и во время проливного дождя либо у земли, либо падая из облаков.

2. Цвет их бывает красноватый или голубой, а иногда и другие цвета.

3. Шаровые молнии иногда неподвижны, а иногда двигаются достаточно быстро.

4. Могут парить в воздухе или катиться вдоль проводов или предметов.

5. Могут исчезнуть бесшумно или со взрывом, повреждая иногда окружающие вещи.

6. Форма может быть чётко очерченной или расплывчатой.

7. Иногда избегают хороших проводников, иногда притягиваются к ним.

8. При наблюдении за ними бывают как спокойными, так и искрящимися или издающими сильный треск и шипение, или оставляющими сильный запах.

9. Чаще всего шаровые молнии наблюдают в связи с разрядами линейных молний при грозах, ураганах, штормах, смерчах, снежных или песчаных буранах, землетрясениях, но иногда они сами разделяются на более мелкие. Встречаются даже конструкции из двух шаровых молний, соединённых цепью светящихся бусин.

Неудивительно поэтому, что при наличии десятков моделей, объясняющих те или иные свойства шаровых молний, до сих пор не существует какой-то одной всеобъемлющей модели их внутреннего строения. Ситуацию осложняет и то, что человечество не располагает экспериментальной техникой, которая позволяла бы в любой момент времени создавать искусственные шаровые молнии, не отличающиеся по своим свойствам от природных аналогов.

1. СУЩЕСТВУЕТ ЛИ ШАРОВАЯ МОЛНИЯ?

За долгую историю изучения шаровой молнии самыми частыми вопросами были не вопросы о том, как образуется этот шар или каковы его свойства, хотя проблемы эти достаточно сложны. Но чаще всего ставился вопрос: “А существует ли шаровая молния в действительности?” Этот постоянный скептицизм в значительной степени объясняется трудностями, возникающими при попытках экспериментального изучения шаровой молнии посредством существующих методов, а также отсутствием теории, которая дала бы достаточно полное или хотя бы удовлетворительное объяснение этого явления.

Те, кто отрицает существование шаровой молнии, объясняют сообщения о ней оптическими иллюзиями или ошибочным отождествлением с ней других естественных светящихся тел. Часто случаи возможного появления шаровой молнии приписываются метеорам. В некоторых случаях явления, описанные в литературе как шаровые молнии, по-видимому, действительно были метеорами. Однако следы метеоров почти неизменно наблюдаются как прямые линии, тогда как характерный для шаровой молнии путь, напротив, чаще всего искривлен. Далее, шаровая молния появляется, за очень редкими исключениями, во время гроз, метеоры же наблюдались в подобных условиях лишь случайно. Обычный разряд молнии, направление канала которого совпадает с лучом зрения наблюдателя, может показаться шаром. В результате может возникнуть оптическая иллюзия - ослепительный свет вспышки сохраняется в глазу как изображение, даже когда наблюдатель меняет направление луча зрения. Именно поэтому высказывались предположения, что ложное изображение шара кажется перемещающимся по сложной траектории.

В первом подробном обсуждении проблемы шаровой молнии Араго (Доминик Франсуа Жан Араго - французский физик и астроном, опубликовавший первую в мировой научной литературе обстоятельную работу о шаровой молнии, обобщив собранные им 30 наблюдений очевидцев, чем положил начало исследованию этого природного явления) коснулся этого вопроса. В дополнение к ряду, по-видимому, надежных наблюдений он отметил, что у наблюдателя, видящего опускание шара под некоторым углом со стороны, оптическая иллюзия, подобная описанной выше, возникнуть не может. Доводы Араго, видимо, показались достаточно убедительными Фарадею: отвергая теории, согласно которым шаровая молния представляет собой электрический разряд, он подчеркнул, что отнюдь не отрицает существования этих сфер.

Через 50 лет после выхода в свет обзора проблемы шаровой молнии, сделанного Араго, вновь было высказано предположение о длительном сохранении образа обычной молнии, двигавшейся прямо на наблюдателя, и лорд Кельвин в 1888 г. на заседании Британской ассоциации развития науки утверждал, что шаровая молния - это оптическая иллюзия, порождаемая ярким светом. Тот факт, что во многих сообщениях назывались одни и те же размеры шаровой молнии, был приписан тому, что иллюзия эта связана со слепым пятном в глазу.

Дискуссия между сторонниками и противниками этих точек зрения произошла на заседании Французской академии наук в 1890 г. Темой одного из докладов, представленных в Академию, были многочисленные светящиеся сферы, появившиеся в торнадо и напоминающие шаровые молнии. Эти светящиеся сферы влетали в дома через дымоходы, пробивали круглые дыры в окнах и вообще проявляли весьма необычные свойства, приписываемые шаровой молнии. После доклада один из членов Академии заметил, что к удивительным свойствам шаровой молнии, о которых шла речь, следует отнестись критически, поскольку наблюдатели, по-видимому, стали жертвами оптических иллюзий. Во вспыхнувшей бурной дискуссии наблюдения, сделанные необразованными крестьянами, были объявлены не заслуживающими внимания, после чего присутствовавший на заседании бывший император Бразилии - иностранный член Академии - заявил, что он тоже видел шаровую молнию.

Многие сообщения о естественных светящихся сферах объясняли тем, что наблюдатели ошибочно принимали за шаровую молнию огни св. Эльма. Огни св. Эльма - это сравнительно часто наблюдаемые светящиеся области, образуемые коронным разрядом на конце заземленного предмета, скажем столба. Они возникают, когда напряженность атмосферного электрического поля значительно возрастает, например, во время грозы. При особенно сильных полях, которые часто бывают близ горных вершин, эта форма разряда может наблюдаться на любом предмете, возвышающемся над землей, и даже на руках и головах людей. Однако если считать движущиеся сферы огнями св. Эльма, то надо предположить, что электрическое поле непрерывно перемещается от одного предмета, играющего роль разрядного электрода, к другому аналогичному предмету. Сообщение о том, что такой шар двигался над рядом елей, пытались объяснить тем, что над этими деревьями проходила туча со связанным с ней полем. Сторонники этой теории считали огнями св. Эльма и все другие светящиеся шары, отделявшиеся от первоначального места прикрепления и летавшие по воздуху. Поскольку коронный разряд обязательно требует наличия электрода, отделение подобных шаров от заземленного острия указывает, что речь идет о каком-то другом явлении, возможно, о другой форме разряда. Существует несколько сообщений об огненных шарах, которые вначале находились на остриях, играющих роль электродов, а затем свободно передвигались описанным выше способом.

В природе наблюдались и другие светящиеся объекты, которые иногда принимали за шаровую молнию. Например, козодой - ночная насекомоядная птица, к перьям которой порой прилипают светящиеся гнилушки от дупла, в котором она гнездится, летает зигзагами над землей, заглатывая насекомых; с некоторого расстояния его можно принять за шаровую молнию.

Тот факт, что в каждом конкретном случае шаровая молния может оказаться чем-то иным, является весьма веским доводом против ее существования. Крупный исследователь токов высоких напряжений однажды заметил, что, в течение многих лет занимаясь наблюдениями гроз и их панорамным фотографированием, он ни разу не видел шаровой молнии. Кроме того, беседуя с предполагаемыми очевидцами шаровой молнии, этот исследователь всегда убеждался, что их наблюдения могут иметь иное и вполне обоснованное толкование. Постоянное возрождение таких доводов подчеркивает важность подробных и надежных наблюдений шаровой молнии.

Чаще всего наблюдения, на которые опираются знания о шаровой молнии, подвергались сомнению потому, что эти таинственные шары видели только люди, не имевшие никакой научной подготовки. Это мнение оказалось на деле совершенно неверным. Появление шаровой молнии наблюдал с расстояния всего в нескольких десятках метров ученый, сотрудник одной немецкой лаборатории, изучающей атмосферное электричество; молнию наблюдал также работник токийской Центральной метеорологической обсерватории. Очевидцами шаровой молнии были также метеоролог, физики, химик, палеонтолог, директор метеорологической обсерватории и несколько геологов. Среди ученых разных специальностей чаще видели шаровые молнии и сообщали о них астрономы.

В очень редких случаях при появлении шаровой молнии очевидцу удавалось получить снимки. Этим фотографиям, как и другим сведениям, касающимся шаровой молнии, часто уделялось недостаточное внимание.

Собранные сведения убедили большинство метеорологов в необоснованности их скептицизма. С другой стороны, нет сомнений в том, что многие ученые, работающие в других областях, придерживаются негативной точки зрения, как из-за интуитивного скептицизма, так и из-за недоступности данных о шаровой молнии.

2. ОБЗОРЫ НАБЛЮДЕНИЙ ШАРОВОЙ МОЛНИИ

Чрезвычайный интерес и важность наблюдений необычного поведения шаровой молнии заставляли ученых вновь и вновь рассматривать быстро умножающееся число случаев в надежде обнаружить систематически повторяющиеся особенности, которые могли бы послужить основой для объяснения этого явления. Самое раннее исчерпывающее рассмотрение этой проблемы было опубликовано, как упоминалось ранее, Араго в 1838 г. Работа эта вызвала общий интерес, к нему начали поступать новые сообщения, и при включении этого обзора в собрание своих трудов Араго добавил еще 30 случаев наблюдения шаровой молнии.

Всего лишь через несколько лет после выхода в свет статьи Араго ведущий английский «электрик» Сноу Гаррис коротко рассмотрел шаровую молнию в своем труде, посвященном грозам, и предположил, что она образуется благодаря электрическим разрядам определенного типа. Гипотеза эта остается в силе и по сей день. Гаррис изложил весьма ограниченное число лабораторных экспериментов того времени, которые как-то могли объяснить это явление. Фламмарион (Камиль Николя Фламмарион - французский астроном, известный популяризатор астрономии) привел в своей книге об атмосфере, пользовавшейся большой популярностью и впервые изданной в 1872 г., около 50 случаев наблюдения шаровой молнии, часть которых была почерпнута из литературы, а часть собрана им самим. 18 сообщений о шаровой молнии в море были собраны в 1890 г. В более поздних немецких и русских трудах о грозах и молнии число полностью излагаемых случаев стало резко сокращаться ввиду того, что в литературе их накопилось слишком много, и на смену им все шире стал приходить статистический метод изложения информации. В русскую, шведскую и чехословацкую книги о молниях были включены краткие обзоры, посвященные главным образом возможным источникам формирования шаровой молнии. Теории, которых придерживается каждый из авторов, представляются логичными, но все они разные. Наблюдения, проводившиеся в Голландии с 1916 по 1943 г., были собраны и обсуждены вместе с имеющимися теориями.

В 1937 г. и в 1965 г. были опубликованы доклады, сделанные на научных конференциях, а также последовавшая за ними дискуссия. Собраны наблюдения шаровой молнии в СССР.

Одним из лучших из известных источников сведений о шаровой молнии является книга Бранда «Der Kugelblitz», опубликованная в 1923 г., в которой наблюдения воспроизведены полностью, а свойства, о которых сообщали очевидцы, рассматриваются статистически с учетом их частоты. Треть работы посвящена оценке свойств, выведенных из полученных сообщений о шаровой молнии, и обсуждению теорий, выдвинутых для объяснения этого явления - в частности, разбору недостатков наиболее распространенных теорий той эпохи. Недавно была опубликована несколько более краткая советская работа «Загадка шаровой молнии». В этом труде, по стилю научно-популярном, но достаточно строгом, перечисляются произведенные в СССР наблюдения шаровой молнии, из которых в литературе прежде были известны лишь немногие.

В этом труде излагаются и рассматриваются некоторые из наиболее рациональных теорий шаровой молнии и подчеркивается отсутствие надежной теории. Указываются и трудности, отчасти объясняющие такое положение вещей.

Само поведение шаровой молнии - как обычное, так и наблюдавшееся в единичных случаях - чрезвычайно затрудняет создание ее теории. Для полноценного же рассмотрения выдвинутых теорий совершенно необходимо исчерпывающее изучение свойств шаровой молнии.

3. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ШАРОВОЙ МОЛНИИ

Несмотря на опубликованные за последние 125 лет тысячу с лишним наблюдений и без малого несколько десятков подробных и углубленных анализов этой проблемы, шаровая молния остается одной из величайших загадок грозовой активности. И нельзя сказать, чтобы эксперименты преуспели там, где терпит неудачу теория, и воссоздали нечто более сложное, чем простейшие светящиеся сферы. Выдвигалось множество теорий, охватывающих ошеломляющее разнообразие явлений в самых различных областях науки.

Свойства, множественность которых составляет камень преткновения, неоднократно отмечались в разных сообщениях о шаровой молнии и характерны только для этого явления. Светящиеся сферы возникают во время грозы и обычно в какой-то связи - хотя не обязательно по времени или месту - с обычной молнией. Они представляют собой более или менее шаровидные объекты с диаметром около 25 см и ясно видимым цветом-красным, желтым, а иногда ослепительно белым, и проделывают в воздухе длинный, и порой сложный путь вблизи земли, проникают в здания, издают потрескивание, словно электрические разряды, существуют нередко в течение 5 с, а затем внезапно исчезают с громким взрывом или бесшумно. Сообщения об этих свойствах, столь отличных от свойств обычной линейной молнии, встречали значительное недоверие, однако зарегистрировано очень много подробных наблюдений шаровой молнии и сделано несколько ее фотографий.

Упорные исследования шаровой молнии дали правдоподобные объяснения некоторым особенностям этого природного явления. Свойства светящихся сфер сильно меняются от случая к случаю, и предлагаемые объяснения, вполне отвечающие конкретной ситуации, также очень не схожи между собой. Различия во внешнем виде и поведении шаровой молнии в разных случаях привели к выводу, что, возможно, существуют разные виды шаровой молнии.

Поэтому думается, что одна какая-либо теория вообще не может дать полного и исчерпывающего объяснения всем сообщениям об огненных шарах в природе. С другой стороны, во многих сообщениях о них фигурируют некоторые общие характеристики. Представление о шаровой молнии как о плазменном сгустке очень часто оказывается удовлетворительным, хотя вопрос о том, как возникает шар в каждом конкретном случае, выпадает из рассмотрения.

Предположения о некоторых механизмах формирования шаровой молнии в природе получают свое подтверждение из прямых наблюдений и результатов экспериментальных лабораторных исследований. Во время гроз неоднократно наблюдалось, как во вспышках линейных молний возникали и отделялись от них светящиеся сферические массы. Относительно редкое появление слабо светящихся шаров, напоминающих мыльные пузыри, после вспышки молнии вблизи болот или больших массивов растительности, возможно, объясняется диффузным горением - окислением газов, воспламененных обычной молнией. Светящиеся шары этого типа были получены и в лабораториях. Несколько раз наблюдалось, как испаренный металл образовывал огненный шар в результате вспышки обычной молнии или в результате сильного электрического разряда в лабораторных условиях. Особенности поведения таких сфер хорошо согласуются с некоторыми из наиболее трудно объяснимых свойств шаровой молнии - таких, как движение и длительное существование. С другой стороны, структура самих этих образований из металлических паров еще далеко не выяснена. Не определена плотность заряженных частиц и внутреннее строение таких шаров. Следует отметить, что свечение ярких сфер, вообще говоря, может быть результатом возбуждения нестабильных электронных уровней без обязательной ионизации вещества шара.

Значительное время существования и относительная устойчивость сфер из металлических паров, полученных в лабораторных условиях, показывают, что наши представления об их внутреннем строении еще далеко не достаточны. Теория, которая объясняет образование шаровой молнии действием высокочастотного внешнего электромагнитного излучения, по-прежнему вызывает большой интерес. С тех пор как впервые был рассмотрен такой процесс, получено много новых сведений об образовании плазменных сгустков в условиях, близких к естественным. Для того чтобы поддержать существование таких сгустков в воздухе, оказалось достаточной относительно небольшая мощность излучения (500 Вт), что далеко уступает возможным мощностям процессов при грозовых разрядах; однако это излучение должно быть монохроматическим. Существуют ли в природе высокочастотные стоячие радиоволны с достаточной напряженностью поля? Экспериментальная проверка этой теории была относительно ограниченной, и исследование основных параметров, подставленных в модели, было недостаточным.

Главные процессы, которые, согласно этой теории, приводят к образованию шаровой молнии, несомненно, вполне поддаются лабораторному изучению. Несмотря на многочисленные эксперименты, в которых с помощью описанных общих методов были получены светящиеся сферы, из характерных конкретных свойств шаровой молнии были воспроизведены лишь немногие - например, общий вид. Подробное количественное изучение физических и химических характеристик светящихся шаров, создаваемых описанными выше способами, должно дать очень многое для теории шаровой молнии. Экспериментальное воспроизведение шаровой молнии должно соответствовать простейшим критериям; прежде всего, должны быть созданы светящиеся сферы в воздухе при нормальном давлении; далее, огненный шар должен существовать в течение нескольких секунд на заметном удалении от места своего возникновения или источника энергии и, наконец, он должен перемещаться на значительное расстояние. Но подобных результатов на данный момент, по имеющейся информации, пока достигнуть не удалось.

молния шаровой дискуссия изучение

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

За полтора века наукой были предприняты десятки попыток объяснить физическую природу шаровых молний, однако ни одна из выдвигаемых гипотез не была полностью подтверждена на практике. Попытки получить шаровую молнию искусственно в лаборатории тоже не увенчались успехом, однако в результате некоторых экспериментов удается получить короткоживущие сферические светящиеся образования, которые судя по их свойствам, имеют отличительную от шаровых молний природу. Единственный источник о шаровых молниях - наблюдения, анализ которых позволяет делать выводы об их свойствах.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Стаханов И.П. О физической природе шаровой молнии. М.: Энергоатомиздат, 1985. 208 с.

2. Тарасов Л.В. Физика в природе: Книга для учащихся. М: Просвещение, 1988. 351 с.

3. Троицкий О. А. Молнии - оружие богов. М.: Информэлектро, 1998. 56 с.

4. Википедия - свободная энциклопедия [Электронный ресурс] // Википедия: [сайт]. [2012]. URL: http://ru.wikipedia.org/ (дата обращения: 30.11.2012).

5. Arisfera [Электронный ресурс] // Молния: [сайт]. [2004]. URL: http://arisfera.info/lightning_articles/lightning_articles13.html (дата обращения: 29.11.2012).

Размещено на Allbest.ru