О физической природе шаровой молнии | FizPortal
Партнеры
Вход в систему
Яндекс.Метрика
on-line
Сейчас на сайте 0 пользователей и 6 гостей.

О физической природе шаровой молнии.

 Если физическая природа линейной молнии была установлена более двухсот лет тому назад, то природа шаровой молнии до сих пор остается неразгаданной. Строго говоря, пока у нас даже нет твердого основания утверждать: то, что мы сегодня называем «шаровой молнией», есть некое единое явление, а не несколько явлений, имеющих разную физическую природу. Можно напомнить, что в прошлые века шаровую молнию нередко путали с метеоритами и огнями святого Эльма. Может быть, и сегодня мы совершаем аналогичную ошибку, объединяя единым термином физически разные явления? Поскольку, однако, в настоящее время мы не имеем каких-либо веских доводов, подкрепляющих это сомнение, то естественно считать, что в основе всех «шаровых молний» лежит общий физический механизм.
 Все гипотезы, касающиеся физической природы шаровой молнии, можно разделить на две группы. В одну группу входят гипотезы, согласно которым шаровая молния непрерывно получает энергию извне.
 Предполагается, что молния каким-то образом (по какому-то каналу) получает энергию, накапливающуюся в облаках и тучах, причем тепловыделение в самом канале оказывается незначительным, так что вся передаваемая энергия сосредоточивается в объеме шаровой молнии вызывая его свечение К друг и группе относятся гипотезы, согласно которым шаровая молния после своего возникновения становится самостоятельно существующим объектом Этот объект состоит из некоего вещества, внутри которого происходят процессы приводящие к выделению энергии
 Среди гипотез первой группы отметим гипотезу, предложенную в 1955 г академиком П. Л. Капицей. Предполагается, что энергия подводится к шаровой молнии при помощи электромагнитного излучения диапазона сверхвысоких частот (точнее говоря, диапазона дециметровых и метровых волн) Сама шаровая молния рассматривается как пучность электрического поля стоячей электромагнитной волны, находящаяся на расстоянии четверти длины волны от поверхности земли или какого либо проводящего объекта (рис.)

 В области этой пучности напряженность поля очень высока, и поэтому здесь образуется сильно ионизованная плазма, которая и является веществом молнии Несмотря на многие привлекательные стороны данной гипотезы, она все же представляется несостоятельной Дело в том, что она не может объяснить характера перемещении шаровой молнии ее причудливого блуждания и, в частности зависимости ее поведения от воздушных потоков
 В рамках данной гипотезы трудно объяснить хорошо наблюдаемую четкую поверхность молнии. К тому же взрыв такой шаровой молнии вообще не должен сопровождаться выделением энергии Если по каким-то причинам поступление энергии электромагнитного излучения вдруг прекращается, нагретый в пучности волны воздух быстро остывает и, сжимаясь, воспроизводит громкий хлопок
 Следует признать, что такими недостатками страдают все гипотезы первой группы. Учитывая накопленный фактический материал, можно вполне уверенно утверждать, что шаровая молния это самостоятельно существующее тело. Иными словами, следует, по-видимому, отдать предпочтение гипотезам второй группы.
 Остановимся на двух таких гипотезах Одна из них предполагает химическую природу шаровой молнии Эту гипотезу детально разрабатывал в середине 70-х годов Б М Смирнов. Предполагается, что шаровая молния состоит из обычного воздуха (имеющего температуру примерно на 100° выше температуры окружающей атмосферы), небольшой примеси озона О3 и оксидов азота NO и NO2. Принципиально важную роль играет здесь озон, образующийся при разряде обычной молнии; его концентрация около 3 %. Внутри шаровой молнии происходят химические реакции:
NO + О3 → NO2 + O2;

NO2 + O3 → NO3 + O2.

 Они сопровождаются выделением энергии. При этом в объеме диаметром 20 см выделяется примерно 1 кДж энергии. Это мало, как мы уже знаем, запас энергии шаровой молнии таких размеров должен составлять примерно 100 кДж. Недостатком рассматриваемой физической модели является также невозможность объяснения устойчивости формы шаровой молнии, существования поверхностного натяжения. Непонятно, каким образом у нагретого воздушного пузыря, обогащенного озоном, может возникнуть четкая поверхность, отделяющая его от окружающей атмосферы.
 Поэтому сосредоточим внимание на гипотезе, согласно которой шаровая молния состоит из положительных и отрицательных ионов. Ионы образуются за счет энергии разряда линейной молнии. Затраченная на их образование энергия как раз и определяет запас энергии шаровой молнии. Она высвобождается при рекомбинации ионов (т. е. при столкновениях ионов, сопровождающихся переходом электронов от отрицательных ионов к положительным, в результате чего ионы превращаются в нейтральные атомы или молекулы). Благодаря электростатическим (кулоновским) силам, действующим между ионами, объем, заполненный ионами, будет обладать поверхностным натяжением, что и определяет устойчивую шаровидную форму молнии.

 Рассмотрим задачу.
 Ионы заполняют объем сферы радиусом r = 10 см, плотность ионного газа n = 1019 см−3. Оценить энергию, запасенную в таком объеме, если энергия ионизации есть U = 8 эB (в расчете на один ион).

 Решение.
 Единица энергии 1 эВ (электронвольт) широко применяется в атомной и молекулярной физике. Это есть энергия, приобретаемая электроном при прохождении разности потенциалов в один вольт; 1 эВ = 1,6•10−19 Дж. В единице рассматриваемого объема запасена энергия пи. Умножив ее на объем шара (4/3)πr3, находим искомую энергию:

W = (4/3)πr3nU.

Подставив в формулу числовые значения величин (учтем при этом, что U = 1,28•10−18 Дж), получим W = 52 кДж.

 Эта энергия вполне согласуется со сделанными ранее оценками энергии шаровой молнии соответствующих размеров. В задаче была выбрана плотность ионного газа порядка 1019 см−3. Именно такова плотность воздуха в условиях, близких к нормальным. В связи с этим напомним, что плотность вещества шаровой молнии должна быть примерно такой же, как и воздуха.
 У рассматриваемой модели шаровой молнии есть одно уязвимое место. Дело в том, что если положительные и отрицательные ионы будут равномерно «перемешаны» по объему молнии, то они будут очень быстро рекомбинировать − за время порядка всего 10−9 с. Следовательно, такая шаровая молния не может существовать в течение секунд, не говоря уже о десятках секунд. Надо каким-то образом существенно затормозить (задержать) процесс рекомбинации ионов. Задержка рекомбинации могла бы быть связана с разделением в пространстве ионов разного знака; например, можно было бы предположить, что положительные ионы сосредоточены в центре шара, а отрицательные вблизи его поверхности.
 Однако такое предположение следует сразу же исключить.
Во-первых, отсутствует физический механизм, который мог бы заставить ионы именно так распределиться в пространстве.
Во-вторых (и это главное), между разделенными зарядами возникли бы гигантские силы притяжения, которые никаким способом невозможно уравновесить.

 Решим в связи с этим следующую задачу. Имеется сфера радиусом r = 1 см заполненная газом из нейтральных атомов плотностью n = 1019 см−3. Предположим, что из каждого атома ушел один электрон и поместился на поверхности сферы, а оставшиеся положительные ионы сосредоточились в центре сферы. Чему равна сила притяжения между электронами и ионами?

Решение.
 Обозначим через V объем сферы После разделения зарядов на поверхности сферы и в ее центре сосредоточатся заряды разного знака, каждый из которых по модулю равен

q = Vne,

где е − абсолютное значение заряда электрона, е = 1,6•10−19 Кл.
 Сферическая симметрия совокупности разделенных зарядов позволяет для определения искомой силы F воспользоваться законом Кулона:
F = kq2/r2.

где k = 1/(4πεo) = 9•109 Н•м2/Кл2.
Поскольку V= (4/3)πr3 = 4 см3, то, следовательно, q = 4•1019e. Подставляем числовые значения в формулу, при этом надо взять r = 0,01 м. В итоге получаем F = 4•1015 Н.
 Сила оказывается поистине гигантской.

 Итак, предположение о возможном пространственном разделении ионов разного знака внутри шаровой молнии надо исключить. Как же быть? Что может затормозить рекомбинацию равномерно «перемешанных» по объему сферы ионов? Возможный ответ на этот вопрос дает так называемая кластерная гипотеза, предложенная в 1974 г. И. П. Стахановым.
Кластер − это положительный или отрицательный ион, окруженный своеобразной «шубой» из нейтральных молекул. Если ион окружен молекулами воды, его называют гидратированным. На рис. изображена схематически молекула воды, Она является полярной молекулой: центры ее положительных и отрицательных зарядов не совпадают друг с другом. На рис. показан кластер − гидратированный отрицательный ион, а на рис. в — еще один кластер − гидратированный положительный ион.


 Молекулы воды в силу своей полярности удерживаются вблизи ионов силами электростатического притяжения. Заметим, что гидратированные ионы известны давно; они имеются в растворах электролитов. В последние годы они найдены также в земной атмосфере.
 На рис. г два гидратированных иона разных знаков объединились в нейтральный комплекс. Вот из таких комплексов и состоит, согласно гипотезе Стаханова, вещество шаровой молнии. Таким образом, предполагается, что в шаровой молнии каждый ион окружен «шубой» из молекул воды. Эта «шуба» мешает ионам сблизиться непосредственно друг с другом и тем самым существенно замедляет рекомбинацию ионов.

 Если количество рекомбинаций ионов за единицу времени в единице объема не слишком велико, шаровая молния ведет себя спокойно. Выделяющаяся при рекомбинации энергия преобразуется в энергию светового излучения и частично передается окружающей среде через теплообмен. Когда же число рекомбинаций становится чрезмерно большим, выделяющаяся энергия не успевает отводиться из молнии − и тогда быстро растет температура, дружно рушатся оболочки ионов-кластеров, рекомбинация резко усиливается − происходит взрыв.
 Итак, согласно кластерной гипотезе, шаровая молния представляет собой самостоятельно существующее тело (без непрерывного подвода энергии от внешних источников), состоящее из тяжелых положительных и отрицательных ионов, рекомбинация которых сильно заторможена вследствие гидратации ионов. Надо признать, что данная гипотеза (в отличие от остальных) вполне хорошо объясняет все свойства шаровой молнии, выявленные в результате многочисленных наблюдений. И все же пока это только гипотеза, хотя и довольно правдоподобная.

Еще о шаровой молнии:
Наблюдения шаровой молнии
  Как выглядит шаровая молния?
  Поведение шаровой молнии
  Сколько энергии содержится в шаровой молнии?
  Опасна ли шаровая молния?
  Как возникает шаровая молния?
  Как часто появляется шаровая молния?
  О физической природе шаровой молнии

Еще о молнии:
Почему так сильно изломан канал молнии? Каков ток разряда молнии? Какова яркость вспышки?
Почему вообще возникает молния?
Форма молнии.
Физика шаровой молнии или это просто обман зрения?
Молния при ядерном взрыве.
Может ли возникнуть молния при извержении вулкана?
Может ли возникнуть молния при землетрясениях?
Воздушный змей Франклина при изучении природы молнии.
Как действует молниеотвод?
Правда ли, что молния предпочитает ударять в дубовые деревья?
Опасна ли молния при попадании в самолет?
Порыв дождя и удар молнии − есть ли связь между этими явлениями?
При прямом ударе молнии могут ли с вас слететь одежда и обувь?
Почему удар молнии так опасен для лежащего на земле человека и для коровы?
Огни святого Эльма.
Как велика энергия, которая воздействует на человека, ставшего жертвой молнии?
Что такое спрайт?

Смотрите еще