Шаровая молния

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Шарова́я  мо́лния — светящийся сгусток горячего газа, изредка появляющийся в грозовых погодных условиях.

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. И, изучая это «нечто», экспериментаторы пока не могут сказать, изучают ли они саму шаровую молнию или какое-то другое явление. Такое состояние дел в эксперименте и позволяет теоретикам выдвигать совершенно разные (а иногда и самые фантастические) предположения и гипотезы о сущности шаровой молнии. 

Статистика наблюдений

В отсутствие воспроизводимых  экспериментальных данных, вся информация основана на рассказах очевидцев, и  лишь в редких случаях — на фото- или киноматериалах. Это наводит на сомнения в самом существовании явления. Однако шаровая молния — явление довольно частое, поэтому такое недоверие может относиться к частным свидетельствам, но не к явлению вообще. Опираясь на статистически усреднённые параметры, мы в самом деле можем исследовать шаровую молнию как физическое явление.

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 в  среднем живёт от 10 секунд до нескольких часов, 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 (диаметр) шаровых молний варьируется от нескольких сантиметров до метра. Форма в подавляющем большинстве случаев сферическая, однако были сообщения о наблюдении вытянутых, дискообразных, грушевидных шаровых молний.

 

 Смерть шаровой молнии обычно сопровождается взрывом, распадением на несколько частей или постепенным угасанием. Реже при этом исчезают люди, взлетают в воздух свиньи, испаряется вода из целого пруда, усиливается глобальное потепление и еще что-нибудь в этом роде. Но взрыв можно считать самым распространенным случаем. Сила взрыва может доходить до сорока граммов в тротиловом эквиваленте. Однако, отмечались взрывы в жилых помещениях, после которых ровным счетом ничего не случилось. Но в любом случае стоит опасаться пожара. С распадением на части сложнее: только в одном месте мы прочитали о судьбе остатков, которые быстро угасли. Может ли после подобного события образоваться несколько новых ШМ - не известно, но скорее всего у них не хватит сил.

Свечение

Типичная суммарная мощность излучения — порядка 100 Вт; свечение иногда тусклее, иногда ярче.

Цвет: самым распространенным является желтый, оранжевый (до красного), далее белый, голубой, попадаются и зеленые (об этом мы нашли очень интересную статью), кто-то видел даже черные и прозрачные (в воздухе видна летающая линза). Одним словом, с уверенностью сказать, что если вы увидели что-то фиолетового цвета в желтую полоску, и это не была ШМ, будет опрометчиво. Кстати, серьезно, в очень многих статьях отмечается, что ШМ бывает неоднородного цвета, пятнистой, и может даже менять цвет. 

Размер: тут самым распространенным является диаметр от 10 до 20 сантиметров. Реже встречаются экземпляры от 3 до 10 и от 20 до 35. 
 

Предположения

Во-первых, шаровая  молния (ШМ) существует без подвода  энергии извне, т.е. энергия необходима только в начальный момент. После образования (например, в результате электрического разряда) ШМ существует без поглощения дополнительной энергии. Во-вторых, ШМ состоит из плазмы, т.е. из полностью ионизированного вещества.

Как же происходит образование ШМ. Предположим, что за счёт подвода большого количества энергии (например, при мощном электрическом разряде), в некотором объёме образовалась плазма (рис. 1а.).

При одной и  той же энергии, скорости движения электронов намного больше, скорости ядер. Электроны первыми покидают объём плазмы, ионизируя на своём пути некоторый объём окружающего воздуха. В итоге на этом этапе образуется внутренняя, положительно заряженная область, состоящая из ядер и окружающий эту область, ионизированный газ. Свободные электроны ионизированного газа ускоряются внутрь положительно заряженной области, достигая в её центре максимальной энергии. В итоге получаем картину, изображенную на рис. 1в. За счёт разлёта ядер, в центре образуется область с очень маленькой концентрацией ядер. Будем считать, что в этой области находятся только электроны. При таком распределении заряда имеем: центральный отрицательный заряд замедляет электроны, движущиеся из области ионизированного газа, и поэтому максимум энергии электронов будет находиться не в центре ШМ а на сфере, обозначенной на рис. 1в пунктирной линией. Этот же центральный заряд замедляет ядра, разлетающиеся от центра ШМ. Атомы воздуха не могут помешать этим процессам т.к. их скорости намного меньше скоростей выше рассмотренных частиц, и процесс формирования ШМ успевает закончиться, прежде чем атомы воздуха пройдут какое-либо значимое расстояние. В дальнейшем происходит увеличение отрицательного заряда в центре, который уже способен замедлить и ускорить при движении к центру положительные ядра. Через некоторое время наступает равновесное состояние, которое и рассмотрим. Примем такую модель ШМ. 

На рис. 2 представлен разрез ШМ. Движение ядер и электронов, составляющих ШМ – это колебательные движения под действием электрического поля. Все ядра, т.е. практически вся масса ШМ, находятся внутри коричневой сферы с точками В1 и В. В объёме, ограниченном красной и коричневой линиями энергия ядер равна нулю. При движении к центру ШМ ядра ускоряются, приобретая в центре максимальную энергию. Двигаясь от центра они замедляются до нулевой энергии в промежутке между точками А и В. Такое движение положительно заряженных ядер обусловлено центральным отрицательным зарядом. Теперь рассмотрим движение электронов. Они имеют максимальную энергию на сфере с точкой В, а нулевую энергию в центре ШМ между синей и голубой линиями (линии с точками С и D), т.е. электроны ускоряются от точки D до точки В, после чего замедляются при движении к центру ШМ. После этого вновь разгоняются к точке В и замедляются при движении к точке D. Рассмотрим распределение заряда по радиусу ШМ. Такое распределение представлено на рис. 3.

Из всех вышеприведённых  графиков, можно сделать некоторые  выводы. В центре сосредоточен отрицательный  заряд, который хоть и меньше, примерно в два раза, положительного заряда с максимумом на сфере с точкой А, тем не менее создаёт возрастание потенциала электрического поля от центра ШМ до точки В, и если максимальная энергия ядра делённая на заряд ядра меньше разности потенциалов между точками О и В, то такое ядро не может проникнуть за точку В и покинуть пределы ШМ.

Для иллюстрации  этого утверждения, рассмотрим задачу. Имеем центральный отрицательный  заряд в точке О и распределенный по сфере с центром в точке О положительный заряд в два раза больший по величине. В результате на пробный, положительный заряд, помещённый на поверхность сферы, будет действовать результирующая кулоновская сила, направленная в центр сферы, т.е. влияние центрального отрицательного заряда будет больше, чем влияние положительного заряда, распределённого по сфере. Таким образом, центральный заряд удерживает около себя положительно заряженные ядра. С другой стороны, суммарный заряд внутри сферы с точкой В будет положительным. И уже этот положительный заряд не даёт электронам (т.к. они заряжены отрицательно) вылететь дальше точки Е и покинуть пределы ШМ.

Теперь рассмотрим вопрос, как частицы ШМ взаимодействуют  с окружающим её атомами воздуха. На периферии ШМ находятся только электроны и чем ближе они  к границе, тем меньше их энергия. Основное взаимодействие с атомами газа происходит в той области, где энергия электронов близка к тепловой энергии. Процесс взаимодействия атомов воздуха с электронами ШМ схематично показан на рис. 6.

Атомы воздуха  взаимодействуют со встречным потоком электронов. В голубой области (рис. 6) энергия электронов приблизительно равна тепловой и взаимодействие с атомами будет упругим, т.к. энергии электрона не хватает на возбуждение электронных оболочек, а тем более на ионизацию атома. В то же время её хватает для сообщения атому импульса обратного направления. Здесь необходимо отметить, что изменение направления движения частиц в центральном потенциальном поле не приводит к уменьшению средней энергии колебаний. Существует вероятность того, что атом пройдёт эту область, попав в оранжевую область с более высокой энергией электронов (эта вероятность зависит от плотности потока электронов). В этом случае атом ионизируется, электрон переходит в состав ШМ, а ион выталкивается электрическим полем за её пределы. В итоге получаем, что внутри сферы с точкой D (рис. 2) ШМ заряжена отрицательно. Ионы будут накапливаться на сфере с точкой Е (рис. 2). Это та точка, где заканчивается влияние положительно заряженного объёма внутри сферы с точкой В (рис. 2) и сказывается общий отрицательный заряд ШМ, т.е. эти ионы можно считать частью ШМ. С учётом этого положительного заряда ШМ будет электрически нейтральной.