Шаровая молния
Материал из свободной русской энциклопедии «Традиция»
Шаровая молния
Шаровая молния — светящийся сгусток горячего ионизованного газа, изредка появляющийся в грозовых погодных условиях.
Несмотря на то, что это явление пока ещё до конца не понято физикой, не стоит относиться к нему как к чему-то крайне необычному, тем более как к сверхъестественному. Это явление до конца не изучено, но активно изучается. На сегодняшний день ясно, что шаровая молния — просто красочное атмосферное явление, проявление атмосферного электричества, и для его объяснения не потребуется привлечение каких-либо кардинально новых физических концепций.
Основной камень преткновения в этих исследованиях — отсутствие надёжной
методики воспроизводимого получения шаровой молнии в управляемых, лабораторных
условиях. Если бы это было достигнуто, задача была бы практически решена.
Поныне в экспериментах удавалось получить нечто, лишь отдалённо схожее с шаровой
молнией.
Содержание
|
Статистика наблюдений
В отсутствие воспроизводимых экспериментальных данных, вся информация
основана на рассказах очевидцев, и лишь в редких случаях — на фото- или
киноматериалах.
Отметим, что наблюдение чаще всего доступно жителям сельской местности, много времени проводящим на свежем воздухе и не всегда имеющим возможность быстро укрыться от непогоды. Городские жители могут не увидеть шаровой молнии за всю жизнь ни разу, а сельские – насчитают десятки наблюдений.
Рассказы о наблюдении шаровой молнии известны уже две тысячи лет. Первое
статистическое исследование этих сообщений было проведено французом Ф. Араго 150 лет назад. В его книге было описано 30 случаев
наблюдения шаровых молний. Статистика небольшая, и неудивительно, что многие
физики позапрошлого века, включая Кельвина и Фарадея, были склонны считать, что
это либо оптическая иллюзия, либо явление совершенно иной, неэлектрической
природы.
Однако с тех времён количество и качество сообщений возросло; на
сегодняшний день задокументировано около 10 тысяч
случаев наблюдения шаровой молнии.
Cвойства шаровых молний
Появление
Шаровая молния всегда появляется в грозовую, штормовую погоду; зачастую, но не обязательно, наряду с обычными молниями. Чаще всего она как бы «выходит» из проводников или порождается обычными молниями, иногда спускается из облаков, в редких случаях — неожиданно появляется в воздухе или, как сообщают очевидцы, может выйти из какого-либо предмета (дерево, столб).
Поведение
Чаще всего шаровая молния движется горизонтально, приблизительно в метре над
землёй, довольно хаотично. Имеет тенденцию «заходить» в помещения,
протискиваясь при этом сквозь маленькие отверстия. Часто шаровая молния
сопровождается звуковыми эффектами — треском, писком, шумами. Наводит
радиопомехи. Нередки случаи, когда наблюдаемая шаровая молния аккуратно
облетает находящиеся на пути предметы, так как по одной из теорий шаровая
молния свободно перемещается по эквипотенциальным поверхностям.
Исчезновение
Шаровая молния живёт от 10 до 100 секунд, 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.
Размер и форма
Размер (диаметр) шаровых молний варьирует от нескольких сантиметров до метра. Форма в подавляющем большинстве случаев сферическая, однако были сообщения о наблюдении вытянутых, дискообразных, грушевидных шаровых молний.
Свечение и цвет
Типичная суммарная мощность излучения — порядка 100 Вт; свечение иногда тусклее, иногда ярче. Цвет — начиная от белого и жёлтого, заканчивая зелёным. Часто отмечалась пятнистость свечения.
Попытки лабораторного воспроизведения
Получение светящегося сгустка плазмы при разряде в воде
Надо признать, что речь идёт пока только о попытках — нет ни одного случая
искусственного получения шаровой молнии подобной природной в лабораторных
условиях.
Прежде всего, поскольку в появлении шаровых молний прослеживается явная связь с другими проявлениями атмосферного электричества (например, обычной молнией), то большинство опытов проводилось по следующей схеме: создавался газовый разряд (а свечение газового разряда — вещь известная), и затем искались условия, когда светящийся разряд мог бы существовать в виде сферического тела.
Первыми такими попытками можно считать опыты Теслы [1] в конце XIX века. В своей краткой заметке он сообщает, что, при определённых условиях, зажигая газовый разряд, он, после выключения напряжения, наблюдал сферический светящийся разряд диаметром 2-6 см. Однако Тесла не сообщает подробности своего эксперимента, так что его воспроизведение крайне затруднительно.
Первые детальные исследования светящегося безэлектродного
разряда были проведены только в 1942 году советским электротехником Г.И.Бабатом: ему удалось на несколько секунд получить
сферический газовый разряд внутри камеры с низким давлением.
Затем были опыты Петра Леонидовича Капицы: он смог получить сферический газовый разряд при атмосферном давлении в гелиевой среде. Добавки различных органических соединений меняли яркость и цвет свечения.
С тех пор ситуация принципиально не изменилась. Исследователи могли получать кратковременные газовые разряды сферической формы, жившие максимум несколько секунд. Однако остаётся открытым вопрос о связи этих разрядов с той шаровой молнией, которая встречается в природе.
Например, в недавней работе [2] описана схема установки, на которой авторы воспроизводимо получали некие плазмоиды со временем жизни до 1 секунды, похожие на «природную» шаровую молнию. Впрочем, для окончательных выводов требуются независимые проверки других исследовательских групп.
Природа шаровой молнии и попытки теоретического объяснения
Свойства шаровой молнии
Непосредственно из наблюдений следуют такие свойства шаровой молнии:
- Во-первых, шаровая молния
как-то связана с электричеством, то есть с электрическими явлениями в
газах.
- Во-вторых, очевидно, что внутри шаровой молнии есть область очень высоких температур — именно поэтому она и светится. Скорее всего, эта область состоит из плазмы — ведь при температурах в несколько тысяч кельвинов газ переходит в состояние плазмы.
- Наконец, ясно, что шаровая молния — это не устойчивая, а метастабильная система. Это, по-видимому, распад плазменного сгустка, но только почему-то крайне замедленный.
Вопросы
и загадки
Можно сформулировать несколько вопросов, ответы на которые должна дать полная теория шаровой молнии:
- Почему шаровая молния столь
устойчива? Ведь если это газообразное образование, то при таких
температурах этот газ или плазма тут же перемешается с окружающим
воздухом. Что препятствует такому перемешиванию?
- Откуда берётся такая устойчивость формы? Это должно означать наличие довольно сильного поверхностного натяжения на границе, отделяющей шаровую молнию от окружающей атмосферы. Неужели такое возможно на границе раздела двух газов?
- Почему шаровая молния не всплывает? Ведь облако горячего газа должно всплывать под действием силы Архимеда!
- Как шаровая молния умудряется существовать в течение такого длительного времени? Ведь если внутри неё плазма и если нет подпитки энергией извне, то почему плазма моментально не рекомбинирует? Может быть, есть внешняя подпитка энергией, невидимая глазу?
- Откуда в шаровой молнии такие запасы энергии (а ведь по оценкам, типичная шаровая молния содержит десятки и возможно сотни килоджоулей)?
- Как шаровая молния
умудряется обходить препятствия, протекать сквозь небольшие отверстия?
Ведь если это просто заряд, то он должен притягиваться к окружающим телам.
Почему здесь не проявляются простые законы электростатики?
Что препятствует такому перемешиванию?
Почему здесь не проявляются простые законы электростатики?Некоторые гипотезы о природе шаровой молнии
Даже если считать только предложения, опубликованные в серьёзных научных журналах, то количество теоретических моделей, которые с разной степенью успеха описывают явление и отвечают на эти вопросы, составляет десятки. Перечислим некоторые из них.
Например, гипотеза Петра Леонидовича Капицы: [3] между облаками и землёй возникает стоячая электромагнитная волна, и когда она достигает критической амплитуды, в каком-либо месте (чаще всего, ближе к земле) возникает пробой воздуха, образуется газовый разряд. В этом случае шаровая молния оказывается как бы «нанизана» на силовые линии стоячей волны и будет двигается вдоль проводящих поверхностей. Стоячая волна тогда отвечает за энергетическую подпитку шаровой молнии.
Принципиально другую гипотезу предлагает Б. М. Смирнов, [4]
занимающийся проблемой шаровой молнии много лет.
В его теории ядро шаровой
молнии — это переплетённая ячеистая структура, нечто вроде аэрогеля,
которая обеспечивает прочный каркас при малом весе. Только нити каркаса — это
нити плазмы, а не твердого тела. И энергетический запас шаровой молнии целиком
скрывается в огромной поверхностной энергии такой микропористой структуры.
Термодинамические расчеты на основе этой модели, в принципе, не противоречат
наблюдаемым данным.
Ещё одна теория, уже из самых новых, объясняет всю совокупность наблюдаемых явлений термохимическими эффектами, происходящими в насыщенном водяном паре в присутствии сильного электрического поля. [5] Энергетика шаровой молнии здесь определяется теплотой химических реакций с участием молекул воды и их ионов. Автор теории уверен, что она дает чёткий ответ на загадку шаровой молнии.
Пермский физик Сергей Федосин представил электрон-ионную
модель шаровой молнии. [6] Согласно этой модели,
шаровая молния есть сгусток очень горячего ионизированного воздуха с общим
положительным зарядом, оболочка которого состоит из быстро
вращающихся электронов с суммарным током до 1,4•105 А.
Целостность
молнии поддерживается балансом электромагнитных сил, действующих между
зарядами. Положительные ионы внутри молнии распределены свободно вследствие
сферической симметрии, и притягивают к себе электроны оболочки, удерживая их от
разлёта.
Электронные токи в оболочке создают сильное магнитное поле внутри молнии.
Эти токи перпендикулярны оси вращения, к полюсам диаметр вращения уменьшается,
магнитное поле растёт. Это удерживает положительные ионы от разлёта вдоль оси
вращения за счёт эффекта магнитной бутылки. Основное магнитное поле внутри
молнии направлено вдоль оси вращения. То есть ионы могут двигаться вдоль оси
вдоль линий магнитного поля. С другой стороны, ионы вращаются по окружности
перпендикулярно оси под действием силы Лоренца соответственно своей тепловой
скорости. В результате на некотором расстоянии от оси молнии возникает пересечение
двух потоков ионов, которое наблюдается как светящиеся оболочки внутри молнии.
Излучение от оболочек возникает от трения и рекомбинации пересекающихся потоков
ионов.
Теория предсказывает максимальный диаметр шаровой молнии 34 см. При большем размере суммарный заряд молнии, имеющий положительный знак, растёт до величины 10 –5 Кл и возникает электрический пробой воздуха вблизи молнии. Энергия молнии в этом случае достигает 10,6 КДж. Благодаря своему заряду шаровая молния не всплывает под действием силы Архимеда, а удерживается электрической силой от наведённого заряда на Земле. Формула для максимального радиуса шаровой молнии имеет вид:
где m, q есть масса и
заряд электрона, E0 =30 кВ/см есть напряжённость электрического поля
шаровой молнии, приводящая к электрическому пробою воздуха, с
– скорость света. В сыром воздухе максимальная напряжённость поля становится
меньше, что позволяет шаровой молнии иметь размеры более 34 см. То, что шаровая
молния действительно состоит из положительно заряженных ионов и отрицательно
заряженной оболочки, подтверждено исследованиями в Петербургском институте
ядерной физики.
[7] Подтверждается также наличие у
молнии нескомпенсированного электрического заряда. [8]
Одной из теорий, предлагающей способ создания необычного состояния вещества, способного аккумулировать и сохранять значительное время энергию, является предположение, что шаровая молния — это ридберговское вещество. [9] Группа L.Holmlid занимается приготовлением ридберговского вещества в лабораторных условиях пока отнюдь не с целью производства шаровых молний, а в основном с целью получения мощных электронных и ионных потоков, используя то, что работа выхода ридберговского вещества очень мала, несколько десятых электронвольта. Предположение, что шаровая молния является ридберговским веществом, описывает ряд ее наблюдаемых свойств, от способности возникать при разных условиях, состоять из разных атомов, и до способности проходить сквозь стены и восстанавливать шарообразную форму. Конденсатом ридберговского вещества пытаются также объяснить плазмоиды, получаемые в жидком азоте [10]
Какая из теорий достоверна — проверить нетрудно: критерием будет служить
эксперимент.
Пусть хоть какая-нибудь теория сможет чётко сказать, как именно
можно создать шаровую молнию в лаборатории.
Интересные факты
- На Земле постоянно существуют от 100 до 1000 шаровых молний, но вероятность увидеть шаровую молнию хотя бы раз в жизни составляет всего 0,01%. [11]
Ссылки
- К.Л. Корум, Дж.Ф. Корум. “Эксперименты по созданию шаровой молнии при помощи высокочастотного разряда и электрохимические фрактальные кластеры” // УФН, 1990, т.160, вып.4.
- А.И. Егоров, С.И. Степанов и Г.Д. Шабанов. Демонстрация шаровой молнии в лаборатории, УФН, т.174, вып.1, стр.107-109, (2004)
- П.Л. Капица. О природе шаровой молнии. ДАН СССР 1955. Том 101, №2, стр. 245-248.
- Смирнов Б.М. Физика шаровой молнии // УФН,
1990, т.160. вып.4. стр.1-45], B. M. Smirnov,
Physics Reports, 224
(1993) 151.
- D.J.Turner, Physics Reports 293 (1998) 1.
- Федосин С.Г. Современные проблемы физики. В поисках новых принципов. М: Эдиториал УРСС, 2002, 192 стр., Ил.26, Библ. 50 назв. ISBN 5-8360-0435-8.
- Шаровые молнии своими руками
- Геннадий Шабанов и Борис Соколовский об исследованиях шаровых молний
- http://vivovoco.rsl.ru/VV/JOURNAL/NATURE/01_01/RIDBERG.HTM
- А.И. Климов, Д.М. Мельниченко, Н.Н. Суковаткин. “ДОЛГОЖИВУЩИЕ ЭНЕРГОЕМКИЕ ВОЗБУЖДЕННЫЕ ОБРАЗОВАНИЯ И ПЛАЗМОИДЫ В ЖИДКОМ АЗОТЕ”
- Rayle W.D. Ball lightning characteristics, NASA. Tech. Note, NASA-TN-D-3188, 1966
M. Smirnov,
Physics Reports, 224
(1993) 151.
Дополнительные ссылки
- Шаровая молния (фотографии, рисунки, видео, рассказы очевидцев)
- Ricky Polser наблюдает шаровую молнию на записи камеры
наблюдения возле своего дома.
- Любительская съёмка шаровой молнии.
- Обзор публикаций наблюдений
- В.С. Щербак. Энергия шаровой молнии. Уникальные свойства релятивистского магнитного ротатора
- Р.Ф. Авраменко, В.А. Гришин, В.И. Николаева, А.С. Пащина, Л.П. Поскачеева. “Экспериментальные и теоретические исследования особенностей формирования плазмоидов” // Прикладная физика, 2000, N3, с.167-177
- Смирнов Б.М. “Наблюдательные свойства шаровой молнии” //УФН, 1992, т.162, вып.8.
- А.Х. Амиров, В.Л. Бычков. “Влияние грозовых атмосферных условий на свойства шаровых молний” // ЖТФ, 1997, том 67, N4.
- Федосин С.Г., Ким А.С. Физическая теория шаровой молнии // Прикладная физика, №. 1, 2001, С. 69 – 87.
- Sergey G. Fedosin, Anatolii S. Kim. The physical theory of ball lightning.
- Shabanov G. D., Sokolovsky
B.Yu. // Plasma Physics Reports. 2005.
V31. №6. P512.
- Shabanov G.D. // Technical Physics Letters. 2002. V28. № 2. P164.
- Григорьев А.И. Шаровая молния. Ярославль: ЯрГУ, 2006. 200с.
D., Sokolovsky
B.Yu. // Plasma Physics Reports. 2005.
V31. №6. P512.Шаровая молния: почему учёные до сих пор не могут объяснить это явление
30 октября 2021
Русская семерка
Шаровая молния в обывательском сознании находится где-то между летающими тарелками и встречами с йети. До сих пор «огненный шар» остается одним из самых загадочных и даже страшных явлений. Встретить её, говорят, не к добру.[С-BLOCK]
Фото: Русская семеркаРусская семерка
Видео дня
Все, что может быть объяснено с трудом, человеческое сознание трансформирует в «небывальщину». То же случилось и с шаровой молнией: она, якобы, способна «преследовать» и убивать животных, проходить сквозь людей, лишая их волос, зубов и «награждая» радиацией, доводить до кипячения воду в различных емкостях, откалывать целые скалы или «прорывать» туннели.
Также издавна ходит поверье, что увидеть шаровую молнию – к беде. Все эти многочисленные истории – не более чем мифы, – так, по крайней мере, считает действительный член РАН Самвел Григорян.[С-BLOCK]
Именно из-за «сверхъестественных историй», которые рассказывали очевидцы, ученые долгое время не воспринимали шаровую молнию всерьез, считая ее, скорее, оптической иллюзией, которая появляется вследствие поражения сетчатки глаза яркой вспышкой линейной молнии. Отчет знаменитого астронома и физика Доминика Франсуа Араго, опубликованный в 1838 году, ознаменовал собой начало эры серьезного подхода к изучению шаровой молнии. Араго удалось собрать и систематизировать многочисленные свидетельства очевидцев, однако, большинство историй по-прежнему вызывали в научных кругах скептические дискуссии. В 80-е годы прошлого столетия в США вышла книга Дж.Бари, в которой все свидетельства очевидцев подвергаются проверкам на достоверность, в том числе американский специалист использует метод сопоставительного анализа, сравнивая разные рассказы об одном и том же факте.
Исследования американца позволили нарисовать «портрет» шаровой молнии. Светящееся физическое тело сферической формы способно передвигаться в воздухе, преодолевая большие расстояния, и сохранять при этом целостность. Размер шара колеблется от нескольких сантиметров до полутора метров. Продолжительность жизни молнии чрезвычайно мала: от нескольких секунд до двух минут. В большинстве случаев «огненный шар» рождается во время грозы, хотя может возникать и в ясную погоду.[С-BLOCK]
Все новые попытки найти ответы только множат вопросы. Например, из какого вещества состоит молния, если она, по многочисленным свидетельствам, легко проникает не только через окна или двери, но и маленькие щели, вновь принимая исходную форму? Если это газ, то почему молния не взмывает подобно воздушному шару, ведь ее содержимое нагрето, по меньшей мере, до сотен градусов? Откуда исходит излучение: с поверхности или из всего объема? Что определяет разницу температур шаровых молний? Ведь наряду со свидетельствами о полупрозрачных «шарах», температура которых вряд ли превышает 5 тысяч градусов, существуют наблюдения за объектами, цвет которых позволяет говорить о температуре не менее 8 тысяч градусов.
Наконец, на что расходуется энергия, которую несет шаровая молния? Если только на световое излучение, то «шар» должен светиться много часов.[С-BLOCK]
Еще один дискуссионный вопрос – частота появления шаровой молнии. В 1966 году исследователи из NASA провели анкетирование двух тысяч человек, которых попросили ответить на два вопроса: видели ли они шаровую молнию, и если «да», то сопровождалось ли явление стандартными грозовыми разрядами? Ученые попытались определить частоту возникновения шаровой молнии по сравнению с линейными разрядами. Из числа опрошенных только 409 человек наблюдали линейную молнию в непосредственной близости, при этом всего 200 анкетируемых встречались с шаровой молнией. Ученым повезло: среди участников эксперимента нашелся даже один «счастливчик», который наблюдал «огненный шар» аж восемь раз. Его свидетельства пополнили копилку косвенных доказательств того, что шаровая молния – не такое уж редкое явление.[С-BLOCK]
Огромный вклад в изучение вопроса внес профессор Игорь Павлович Стаханов.
В основе его книги «О физической природе шаровой молнии» лежат многочисленные свидетельства очевидцев, которые ученый подверг физическому анализу. Это позволило ему не только описать основные характеристики и параметры шаровых молний, условия их появления, передвижения и принципы взаимодействия с окружающим миром, но и дало возможность сформулировать кластерную гипотезу. По мнению Стаханова, шаровая молния – не что иное, как сосредоточение сгустка ионов, которые «облеплены» оболочками из полярных молекул, например, воды. Кластерная теория Стаханова легко согласуется с многочисленными историями очевидцев и объясняет как строение молнии в виде шара (наличие эффективного поверхностного натяжения), так и способности молнии проникать через отверстия, заново принимая исходную форму. Однако практические опыты Стаханова по созданию сгустка кластерных ионов оказались неудачными.[С-BLOCK]
За всю историю изучения вопроса было высказано немало гипотез, общая идея которых сводится к одному: шаровая молния сама является источником энергии.
Одной из самых фантастических является теория астронавта NASA Джеффри Ширса Эшби. По его мнению, шаровая молния рождается при аннигиляции частичек антивещества, которые из космоса попадают в плотные атмосферные слои, а затем, увлекаемые линейным разрядом, оказываются на земле. Данную гипотезу доказать пока невозможно по причине того, что в космосе не удается обнаружить подходящее антивещество. Сегодня ученые не отвергают возможности научиться создавать искусственную шаровую молнию. Помочь в этом может теория Стаханова. В случае, если она окажется верной, то человечество получит альтернативный источник энергии, который можно будет создавать из насыщенной влагой атмосферы, изменяя концентрацию паров и капель воды и производя контролируемые мощные линейные взрывы.
Наука,NASA,РАН,
Что такое явление молнии и почему возникает вспышка молнии
Линии электропередач
mplgmg
Явление молнии представляет собой электрический разряд в виде искры, возникающей в облаке заряда.
Это природное явление происходит из-за отрицательного заряда, который находится в нижней части облака. как правило, облако заряда имеет поле 1000 В/м. Под действием достаточно сильного поля большие перепады напряжения в дождевом облаке становятся вытянутыми в сторону файла, а также становятся неустойчивыми. Стример также развивался по этому сценарию во время возникновения молнии.
Некоторые технические детали явления молнии
Когда поле потока превышает примерно 9000 В/см, что менее 30 кВ/см необходимо для инициирования разрушения сухого воздуха и воздуха с влагой вместе с воздухом. Процесс разрушения в воздухе также продолжается несколько раз.
Каждый шаг увеличивает длину канала на 10-200м. Из-за последовательности шагов, которые этот поток движется к земле, этот процесс называется ходом шагового лидера. При приближении ступенчатого лидера к земле на расстояние 20-60 м интенсивность ощущений у земли достаточна для того, чтобы образовалась восходящая коса и перекрыли оставшиеся промежутки.
Вертикальное расстояние между центрами положительного и отрицательного заряда облака составляет около 2–5 км, а соответствующие заряды составляют 10–30 °C при температуре.
Ниже приводится приблизительная продолжительность различных компонентов удара молнии.
- Ступенчатая направляющая = 10 мс
- Обратный ход = 40 мс
- Период между ударами = 40 мс
- Длительность направляющей стрелы = 1 мс обрабатывается ступенчатым лидером, и это называется восходящим лидером или обратным ходом.
Этот обратный ход может иметь ток около 20 кА, но может быть и выше, до 200 кВ. После этого нейтрализующего тока около (40 мс) второго лидера удар распространяется на землю непрерывным и быстрым образом.
Этот штрих лидера называется черновиком лидера. Композиция всего этого проявляется как вспышка стиля или молния.
Частота возникновения молний
Хорошее знание частоты возникновения ударов молнии очень важно в процессе проектирования молниезащиты.
