Шаровая молния

Размещено на http://allbest.ru

Шаровая молния

Введение

шаровой молния физика

Загадочные явления образования огненных шаров при грозах неизменно привлекают к себе внимание людей. Однако трудно назвать какую-либо другую естественнонаучную проблему, которая вызывала бы столь скептическое отношение большого числа серьезных естествоиспытателей, как проблема шаровой молнии. В то же время вполне понятно стремление исследователей найти пути для решения этой задачи с использованием всех достижений современной науки.

Такое до известной степени парадоксальное положение объясняется, прежде всего, недостатком надежных наблюдений шаровой молнии и отсутствием убедительных лабораторных экспериментов, хотя бы в какой-то степени моделирующих явление шаровой молнии.

Шаровая молния представляет собой светящуюся сферу, которая возникает во время грозы. Чаще всего она красная, хотя нередко сообщалось о светящихся шарах других цветов, включая желтый, белый, голубой и зеленый. Размеры ее бывают самыми разными, однако наиболее обычен диаметр около 15 см. Шаровая молния представляет собой разительный контраст с обычной молнией, так как она часто движется горизонтально вблизи земли с небольшой скоростью. Она может на какое-то время застыть неподвижно или изменить направление своего движения. В отличие от мгновенной вспышки обычной молнии шаровая молния существует сравнительно долго -- несколько секунд или даже минут. Перемещаясь, светящаяся сфера нередко оказывается внутри помещений и проходит иногда совсем близко от наблюдателя. Она проникает в помещение через окно или через печную трубу и может покинуть его через такое же отверстие. Проф. К- Иборн (факультет молекулярной физики Суссекского университета) вспоминает, что в дни его детства окна их дома во время грозы всегда оставлялись открытыми, чтобы шаровая молния, если она вдруг появится, могла вылететь беспрепятственно. Зелкевич, наоборот, рассказывает, что в их доме окна во время грозы закрывались, чтобы сквозняки не втянули огненный шар в комнату. Во многих случаях люди, видевшие шаровую молнию, отмечали, что шар, хотя он и чрезвычайно ярок, не испускает тепла и исчезает бесшумно. В других случаях происходили сильные взрывы, разбрасывающие по сторонам и повреждавшие оказавшиеся поблизости предметы.

Лишь совсем недавно были выяснены механизмы разделения зарядов в облаках, способные, по-видимому, создавать электрические поля, близкие к тем, которые необходимы для возникновения молнии. Однако скорость образования зарядов, если оценивать ее исходя из одного какого-то механизма, все же недостаточна для того, чтобы объяснить возникновение молний даже обычного типа. Разделение зарядов объяснялось столкновением дождевых капель, замерзанием, трением капель или твердых частиц о воздух, разрушением капель при столкновении и другими подобными взаимодействиями газа и частиц. Хотя приемлемые механизмы накопления электрических зарядов известны, реальные процессы, протекающие в облаке, пока не установлены.

1.Свойства шаровых молний и протекающие в них процессы

Во многих сообщениях о шаровой молнии указывается на ее тесную связь с разрядами обычной молнии во время грозы. Хотя в ранних теориях шаровая молния не считалась электрическим явлением -- даже когда роль электричества в возникновении обычной молнии стала уже хорошо известна, -- тесная связь шаровой молнии с грозами, сопровождавшимися интенсивными электрическими явлениями, вскоре породила идею, что эти различные формы молнии находятся в тесной связи. Так, шаровую молнию считали стационарной молнией, а обыкновенную молнию -- траекторией быстро движущейся шаровой молнии.

Упоминания Аристотеля о медленно движущихся «грозовых стрелах» в отличие от быстро движущихся, а также Лукреция о молниевых вихрях, возможно, означают, что они считали обе молнии различными формами одной и той же природной субстанции, а не просто разными явлениями при грозах. Теории шаровой молнии, выдвигавшиеся в различные эпохи, постоянно связывали это явление с обычной молнией, с важнейшими процессами, происходящими в ней. Поэтому будет уместным рассмотреть здесь хорошо известные формы линейной молнии.

Грозовой разряд -- этот непрерывно обновляющийся дар Прометея, принесшего человеку огонь -- происходит, когда колоссальная разность потенциалов, накапливающаяся при разделении зарядов в облаке, внезапно порождает электрический ток, уничтожающий эту разность потенциалов. Яркий свет молнии излучается каналом, по которому проходит ток, отчетливо выделяя эту область из окружающей атмосферы.

Разность потенциалов между грозовым облаком и землей может достигать 10⁹ В, а градиент электрического поля, при ясной погоде равный 100--400 В/м (над океаном меньше, над однородными плоскими пространствами суши больше), во время грозы возрастает до многих киловольт на метр. Предлагалось, например, использовать эту колоссальную разность потенциалов как своего рода естественную лабораторию для электрических экспериментов. Средний ток в импульсе молнии составляет примерно 10 000 А, а максимальная наблюдавшаяся сила тока превышает 100 000 А. Полный перенесенный заряд оценивается величинами от 0,02 до более 100 Кл Принятой средней величиной является 20 Кл. В соответствии с этими цифрами мощность, выделяющаяся в канале молнии, может достигать 10¹². Вт, а соответствующая энергия -- 10⁹ Дж.

Высокоскоростная фотосъемка, а также электрические измерения показали, что приведенные выше электрические характеристики отдельной вспышки молнии связаны с развитием нескольких самостоятельных процессов. После образования канала молнии по нему нередко могут пройти три, а иногда и более сорока импульсов. Суммарная продолжительность вспышки составляет примерно 0,25 с с интервалом между импульсами в 10--100 мс. Вспышки молний, состоящие из многократных разрядов, могут длиться от 40 мс до 0,27 с. В каналах, сохраняющих достаточную проводимость, ток может возрастать без повторения лидерного процесса, и возникает длительное свечение, связанное с непрерывно текущим током. С помощью фотометра свечение ионов азота N₂⁺ еще удалось наблюдать в течение 0,8 с после вспышки молнии.

В излучении разряда имеется полоса около 3914 А (), находящаяся в ультрафиолетовой, невидимой области спектра. Наибольшая интенсивность превышала фон неба примерно на 50 Релей (5 10⁷ фотон/см² с). Однако это долго существующее излучение приписывается молекулярному и резонансному рассеянию света молнии с длиной волны 3914 А, а не свету от самой вспышки.

Особый интерес представляют для нас свойства обратного разряда молнии, вызывающего в канале интенсивное свечение, так как часто полагают, что шаровая молния представляет собой иную конфигурацию того же самого вещества, что и в канале при обратном разряде. Диаметр молний измерялся по размерам отверстий, проплавленных ею в фиберглассовых экранах. Измеренные отверстия разделились на два основных класса: относительно маленькие (2--6 мм в диаметре) и вдесятеро большие (2--3,5 см в диаметре); возможно, однако, что держатель экрана был способен привлекать нетипичные молнии. Измерения по фотографиям, сделанным с расстояния примерно 100 м, дали диаметры 3--11 см.

Максимальная температура в светящемся канале при обратном разряде, измеренная по относительной интенсивности в его оптическом спектре линий атомарного азота, атомарного кислорода и однократно ионизованного азота, оказалась равной примерно 24 000 К. 5-микросекундное разрешение по времени спектрограмм обратного разряда указывает на максимальную температуру в 30 000 К, которая затем снижается до 16 000 К за 30 мкс. Плотность вещества канала, согласно расчетам, оказалась равной 0,1 плотности воздуха при стандартных условиях, однако давление нейтральных и ионизованных частиц было оценено величиной 18 атм. Временное разрешение спектров выявило пик давления в 8 атм в первые 5 мкс с уменьшением до 1 атм через 20 мкс. Ионизация бывает значительной в первые 15 мкс, после чего начинает уменьшаться. Согласно оценкам, полученным для максимальных условий, в канале разряда содержится примерно 4 10¹⁸ электронов на 1 см³ (при относительной концентрации примерно 0,81 электрона на каждую частицу воздуха другого вида-- нейтральную или ион), а давление в канале разряда, создаваемое только электронами, составляет 14 атм. Основными ионами являются однократно ионизованные атомы азота и кислорода N⁺ и 0⁺ при относительной концентрации соответственно 0,64 и 0,16. Другими основными ионами являются молекулярные ионы N₂⁺; и N0⁺ их относительные концентрации составляют соответственно 7,2 10^-6 и 5,8 10^-6. Плотность и давление определяются по оптическому спектру. Также по оптическому спектру и термодинамическим характеристикам воздуха определяется и температура вспышки. При таком определении параметров приходится исходить из некоторых допущений, однако полученные величины хорошо согласуются с более ранними оценками. Видимый свет молнии в основном излучается нейтральными атомами азота и кислорода, а также основными ионами N⁺ и 0⁺. Кроме того, некоторый вклад в излучение дают молекулярные спектры нейтральных и ионизованных молекул азота N₂и N₂⁺, циан CN, аргон, а также бальмеровская линия водорода Н_а.

Все процессы разделения зарядов, очевидно, являются гетерогенными, и в них участвуют частицы: дождевые капли или кристаллы льда, снег, град и т. д. Тесная взаимосвязь между электризацией облака и наличием таких частиц в определенной степени доказывается сделанными в течение столетия наблюдениями, что в некоторых случаях за вспышкой молнии сразу же следуют ливни. Возникновение в вулканических облаках ярких электрических разрядов, являющихся, по-видимому, молниями, показывает, что разделение зарядов может происходить при участии твердых частиц в атмосферных процессах, таких, как столкновения твердых частиц с газами или между собой, даже если полностью отсутствуют жидкие или замерзающие компоненты . Вулканологи рассматривают две возможности образования положительного заряда: появление в воздухе частиц соли при вытекании расплавленной лавы в море или при попадании лавы в водоносные слои (лабораторные эксперименты подтверждают возможность возгонки соли с водяными парами в таких условиях); еще одна возможность -- трение вырывающихся наружу частиц о стенки кратера. Возникновение электрического поля над вулканами, находящимися на суше, показывает, что роль морской воды несущественна. Экспериментально было продемонстрировано разделение зарядов в газовом потоке на твердых частицах с размерами порядка микрона.

Таким образом, во всех теориях, объясняющих образование в грозовых облаках электрических зарядов, необходимых для возникновения молний, главная роль отводится процессам, в которых участвуют разнородные частицы.

Различные разряды молний сильно отличаются друг от друга не только по внешнему виду, но и по указанным выше электрическим параметрам. В некоторых районах земного шара разряды молний обладают особыми свойствами. Имеются сообщения о грозах, при которых число необычных форм молний было особенно велико. Необычные разряды действительно происходят время от времени, но, как уже более 75 лет назад отметил один видный ученый, занимавшийся этими вопросами, очень

часто оказывается, что описываемая необычная вспышка была уже давно известна специалистам. Отмечались спиральные молнии и разряды, следующие по крайне извилистым и сложным путям, иногда вблизи от поверхности земли. Имеется сообщение о прямом, плоском участке молнии, имевшем длину примерно 7,5 м, ширину 40 см и толщину 5 см, который двигался горизонтально над самой землей.

2.Характерные черты шаровой молнии

Чем больше накапливается наблюдений шаровой молнии, тем яснее становится, что сообщения очевидцев указывают на совершенно необычную и даже взаимоисключающую комбинацию ее свойств. Один из ранних исследователей следующим образом суммировал пять основных трудностей, возникающих из противоречащих друг другу наблюдений:

1) Шаровая молния появляется и при ясном небе, и во время проливного дождя.

2) Цвет шаровой молнии бывает красным или голубым, а иногда и тем и другим вместе.

3) Иногда шаровая молния неподвижна, иногда она движется очень быстро. Часто ее перемещение прямо противоположно направлению ветра, а иногда самый легкий ветер может изменить направление ее движения.

4) Хотя место, где возникает молния, обычно остается неизвестным, шаровая молния чаще всего движется близко от земли. Она может исчезнуть бесшумно или взорваться с громким треском, испуская светящиеся искры.

5) Шаровая молния может двигаться вдоль проводов или вдоль краев различных предметов, но в многочисленных случаях ее путь никак не связан с какими-либо опорами -- она свободно парит в воздухе и даже появляется в закрытых помещениях.

Другими словами, любой из этих пунктов содержит явные противоречия. Имея в виду эти несоответствия, другой исследователь заметил, что существует много явлений природы, еще не понятых человеком, но мало найдется таких, когда наблюдения только затрудняют объяснение.

Тщательно изучив литературу о наблюдениях шаровой молнии, Бранд следующим образом суммировал ее свойства:

1. Шаровая молния представляет собой редко наблюдаемый и длительно существующий электрический разряд, имеющий сферическую (реже грушевидную) форму, относительно более частый во время зимних гроз и появляющийся преимущественно в конце грозы. Действие его более слабое, чем действие линейной молнии.

2. Шаровая молния обычно появляется в виде красного светящегося шара или полого шара с нечеткими границами диаметром 10--20 см, окруженного синеватой оболочкой. Она может быть также ослепительно белой и иметь четкие очертания.

3. Иногда шаровая молния издает шипение, жужжание или прерывистый звук.

4. После ее исчезновения часто остается резко пахнущая дымка, которая кажется бурой в проходящем свете, голубой в отраженном свете и белой во влажном воздухе.

5. Время жизни ее колеблется от ничтожных долей секунды до нескольких минут; чаще всего оно составляет 3--5 с.

6. Шаровая молния может появиться из нижней части облака, свободно парить в воздухе или быть связанной с каким-нибудь предметом. Часто ей непосредственно предшествует обычная молния, и шар возникает в месте поражения или на небольшом расстоянии от него. Во многих случаях такой разряд-предшественник может отсутствовать.

7. Шаровая молния или исчезает бесшумно, или с негромким треском, или с оглушительным взрывом, при котором из нее во все стороны вырывается множество коротких выбросов. Иногда ее исчезновение сопровождается ударом линейного разряда в шар.

8. Скорость шаровой молнии, которая появляется из нижней части облаков и падает на землю, бывает значительной (превращение в линейную молнию). Вблизи поверхности земли и в закрытых помещениях она движется со скоростью примерно 2 м/с, а иногда может сохранять полную неподвижность. Особенно часто это бывает с прикрепленными шаровыми молниями, которые исчезают как бы кипя и выбрасывая искры (переход в огни св. Эльма). Иногда характер ее движения определяется ветром, но чаще всего на путь шаровой молнии ветер не влияет.

9. Иногда вблизи места, пораженного линейным разрядом, появляется несколько светящихся шаров. Один большой шар может разорваться и выбросить несколько мелких шаров. В редчайших случаях возникают два огненных шара один над другим, соединенных цепью маленьких светящихся бусин, или же вместе с одиночным светящимся шаром появляется короткая цепь «четок» (переход в истинную четочную молнию).

10. Свободно парящие и прикрепленные шаровые молнии, по-видимому, ведут себя совершенно различно, но могут переходить одна в другую. Парящий тип напоминает разряды слабого тока очень высокого напряжения, сравнимые с разрядами от трансформатора Тесла. Для прикрепленной шаровой молнии, вероятно, характерно более низкое напряжение, но более сильный ток.

11. Парящие шары имеют красный цвет. Они избегают хороших проводников и обычно движутся по воздуху. Закрытые пространства их как будто притягивают, и они проникают туда через открытые окна, двери и даже через маленькие щели. Особенно предпочтительными оказываются различные дымоходы (возможно, присутствие дыма обеспечивает лучшую проводимость); поэтому эти шары часто появляются на кухне из плиты. Облетев помещение несколько раз, шаровая молния может его покинуть, часто прежним путем, а иногда новым. Шаровая молния безопасна, даже когда она оказывается в середине группы людей, ибо она держится на некотором расстоянии от человеческого тела, являющегося хорошим проводником. Иногда молния 2--3 раза поднимается и опускается на несколько сантиметров или даже метров, что в комбинации с горизонтальным перемещением создает впечатление прыжков. Часто она вертикально спускается из тучи почти до самой земли, а затем снова поднимается вверх.

12. Прикрепленные шаровые молнии бывают ослепительно яркими, либо белыми, либо голубыми. Они задерживаются на хороших проводниках и особенно на высоких заостренных предметах или же катятся вдоль таких проводников (например, по водосточным трубам). Они нагревают предметы, с которыми соприкасаются, в том числе человеческое тело. В последнем случае такой контакт может вызвать тяжелые ожоги; иногда они проходят под одежду, часто принося смерть.

13. Переход парящей молнии в прикрепленную происходит после короткой паузы, когда шар внезапно устремляется к находящемуся поблизости проводнику (в частности, к воде). При соприкосновении с водой он может исчезнуть бесшумно или со взрывом либо продолжать существовать в виде неподвижной шаровой молнии. Шаровые молнии, падающие из туч, как правило, продолжают свое движение, пока не ударятся о землю, после чего взрываются.

14. Превращение прикрепленного шара в свободно парящий происходит чрезвычайно просто -- он взмывает вверх, после чего обычно по наклонной траектории поднимается к облакам. Однако такой шар, как правило, исчезает почти сразу после начала движения.

3.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.

Как следует из вышесказанного, не стоит преувеличивать опасность, которую несет в себе шаровая молния. Практика показывает, что линейная молния является гораздо более опасным природным явлением.

4.Современное состояние проблемы шаровой молнии

Несмотря на опубликованные за последние 125 лет тысячу с лишним наблюдений и без малого два десятка подробных и углубленных анализов этой проблемы, включая две монографии, 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. В пользу такого заключения, несомненно, говорят результаты излагавшихся выше исследований и их сопоставление с этим явлением природы.

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--несколько расширенное, если иметь в виду более низкую, чем обычно, температуру и малую степень ионизации, -- приводит к полезному рассмотрению возможных процессов, связанных со структурой, составом, температурой, концентрациями заряженных частиц в молнии и т. п. Такое представление очень часто оказывается удовлетворительным, хотя вопрос о том, как возникает шар в каждом конкретном случае, выпадает из рассмотрения.

Литература

1.Лебедев П.Н. Избранные сочинения/ Под ред. А.К. Тимирязева,- М.Л.: Гостехиздат, 1949. - 244 с.

2.Смирно в Б.М. Проблема шаровой молнии. - М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит., 1988. - 208 с.

3. Стекольников И. С. Физика молнии и грозозащита. - М.: Изд-во АН СССР, 1943, с. 145.

4.Тарасов Л.В. Физика в природе. - М.: Просвещение, 1988.

5.Стаханов И.П. О физической природе шаровой молнии. -- Москва: (Атомиздат, Энергоатомиздат, Научный мир), (1979, 1985, 1996). -- 240 с.

Размещено на Allbest.ru