Атмосферное электричество

Человек не чувствует электрического поля Земли, так как его тело - хороший проводник. Поэтому заряд Земли находится и на поверхности тела человека, локально искажая электрическое поле. Под грозовым облаком плотность наведенных на земле положительных зарядов может значительно возрастать, а напряженность электрического поля - превышать 100 кВ/м, в 1000 раз больше ее значения в хорошую погоду. В результате во столько же раз увеличивается положительный заряд каждого волоска на голове человека, стоящего под грозовой тучей, и они, отталкиваясь друг от друга, встают дыбом.

Электризация - удаление "заряженной" пыли. Чтобы понять, как облако разделяет электрические заряды, вспомним, что такое электризация. Легче всего зарядить тело, потерев его о другое. Электризация трением - самый старый способ получения электрических зарядов. Само слово "электрон" в переводе с греческого на русский означает янтарь, так как янтарь всегда заряжался отрицательно при трении о шерсть или шелк. Величина заряда и его знак зависят от материалов трущихся тел.

Считается, что тело, до того как его стали тереть о другое, электронейтрально. Действительно, если оставить заряженное тело в воздухе, то к нему начнут прилипать противоположно заряженные частицы пыли и ионы. Таким образом, на поверхности любого тела находится слой "заряженной" пыли, нейтрализующий заряд тела. Поэтому электризация трением - это процесс частичного снятия "заряженной" пыли с обоих тел. При этом результат будет зависеть от того, на сколько лучше или хуже снимается "заряженная" пыль с трущихся тел.

Облако - фабрика по производству электрических зарядов. Трудно представить, что в облаке находится пара материалов из перечисленных в таблице. Однако на телах может оказаться различная "заряженная" пыль, даже если они сделаны из одного того же материала, - достаточно, чтобы микроструктура поверхности отличалась. Например, при трении гладкого тела о шероховатое оба будут электризовываться.

Грозовое облако - это огромное количество пара, часть которого конденсировалось в виде мельчайших капелек или льдинок. Верх грозового облака может находиться на высоте 6-7 км, а низ нависать над землей на высоте 0, 5-1 км. Выше 3-4 км облака состоят из льдинок разного размера, так как температура там всегда ниже нуля. Эти льдинки находятся в постоянном движении, вызванном восходящими потоками теплого воздуха от нагретой поверхности земли. Мелкие льдинки легче, чем крупные, увлекаются восходящими потоками воздуха. Поэтому "шустрые" мелкие льдинки, двигаясь в верхнюю часть облака, все время сталкиваются с крупными. При каждом таком столкновении происходит электризация, при которой крупные льдинки заряжаются отрицательно, а мелкие - положительно. Со временем положительно заряженные мелкие льдинки оказываются в верхней части облака, а отрицательно заряженные крупные - внизу. Другими словами, верхушка грозы заряжена положительно, а низ - отрицательно. Все готово для разряда молнии, при котором происходит пробой воздуха и отрицательный заряд с нижней части грозовой тучи перетекает на Землю.

Молния - привет из космоса и источник рентгеновского излучения. Однако само облако не в состоянии так наэлектризовать себя, чтобы вызвать разряд между своей нижней частью и землей. Напряженность электрического поля в грозовом облаке никогда не превышает 400 кВ/м, а электрический пробой в воздухе происходит при напряженности больше 2500 кВ/м. Поэтому для возникновения молнии необходимо что-то еще кроме электрического поля. В 1992 году российский ученый А. Гуревич из Физического института им. П. Н. Лебедева РАН (ФИАН) предположил, что своеобразным зажиганием для молнии могут быть космические лучи - частицы высоких энергий, обрушивающиеся на Землю из космоса с околосветовыми скоростями. Тысячи таких частиц каждую секунду бомбардируют каждый квадратный метр земной атмосферы.

Согласно теории Гуревича, частица космического излучения, сталкиваясь с молекулой воздуха, ионизирует ее, в результате чего образуется огромное число электронов, обладающих высокой энергией. Попав в электрическое поле между облаком и землей, электроны ускоряются до околосветовых скоростей, ионизируя путь своего движения и, таким образом, вызывая лавину электронов, движущихся вместе с ними к земле. Ионизированный канал, созданный этой лавиной электронов, используется молнией для разряда (см. "Наука и жизнь" № 7, 1993 г).

Каждый, кто видел молнию, заметил, что это не ярко светящаяся прямая, соединяющая облако и землю, а ломаная линия. Поэтому процесс образования проводящего канала для разряда молнии называют ее "ступенчатым лидером". Каждая из таких "ступенек" - это место, где разогнавшиеся до околосветовых скоростей электроны остановились из-за столкновений с молекулами воздуха и изменили направление движения. Доказательство для такой интерпретации ступенчатого характера молнии - вспышки рентгеновского излучения, совпадающие с моментами, когда молния, как бы спотыкаясь, изменяет свою траекторию. Недавние исследования показали, что молния служит довольно мощным источником рентгеновского излучения, интенсивность которого может составлять до 250 000 электронвольт, что примерно в два раза превышает ту, которую используют при рентгене грудной клетки.

Как вызвать разряд молнии? Изучать то, что произойдет непонятно где и когда, очень сложно. А именно так в течение долгих лет работали ученые, исследующие природу молний. Считается, что грозой на небе руководит Илья-пророк и нам не дано знать его планы. Однако ученые очень давно пытались заменить Илью-пророка, создавая проводящий канал между грозовой тучей и землей. Б. Франклин для этого во время грозы запускал воздушный змей, оканчивающийся проволокой и связкой металлических ключей. Этим он вызывал слабые разряды, стекающие вниз по проволоке, и первым доказал, что молния - это отрицательный электрический разряд, стекающий с облаков на землю. Опыты Франклина были чрезвычайно опасными, и один из тех, кто их пытался повторить, - российский академик Г. В. Рихман - в 1753 году погиб от удара молнии.

В 1990-х годах исследователи научились вызывать молнии, не подвергая опасности свою жизнь. Один из способов вызвать молнию - запустить с земли небольшую ракету прямо в грозовую тучу. Вдоль всей траектории ракета ионизирует воздух и создает таким образом проводящий канал между тучей и землей. И если отрицательный заряд низа тучи достаточно велик, то вдоль созданного канала происходит разряд молнии, все параметры которого регистрируют приборы, расположенные рядом со стартовой площадкой ракеты. Чтобы создать еще лучшие условия для разряда молнии, к ракете присоединяют металлический провод, соединяющий ее с землей.

Молния: подарившая жизнь и двигатель эволюции. В 1953 году биохимики С. Миллер (Stanley Miller) и Г. Юри (Harold Urey) показали, что одни из "кирпичиков" жизни - аминокислоты могут быть получены путем пропускания электрического разряда через воду, в которой растворены газы "первобытной" атмосферы Земли (метан, аммиак и водород). Спустя 50 лет другие исследователи повторили эти опыты и получили те же результаты. Таким образом, научная теория зарождения жизни на Земле отводит удару молнии основополагающую роль.

При пропускании коротких импульсов тока через бактерии в их оболочке (мембране) появляются поры, через которые внутрь могут проходить фрагменты ДНК других бактерий, запуская один из механизмов эволюции.

Почему зимой грозы очень редки? Ф. И. Тютчев, написав "Люблю грозу в начале мая, когда весенний первый гром…", знал, что зимой гроз почти не бывает. Чтобы образовалось грозовое облако, необходимы восходящие потоки влажного воздуха. Концентрация насыщенных паров растет с повышением температуры и максимальна летом. Разница температур, от которой зависят восходящие потоки воздуха, тем больше, чем выше его температура у поверхности земли, так как на высоте нескольких километров его температура не зависит от времени года. Значит, интенсивность восходящих потоков максимальна тоже летом. Поэтому и грозы у нас чаще всего летом, а на севере, где и летом холодно, грозы довольно редки.

Почему грозы чаще над сушей, чем над морем? Чтобы облако разрядилось, в воздухе под ним должно быть достаточное число ионов. Воздух, состоящий только из молекул азота и кислорода, не содержит ионов, и его очень тяжело ионизировать даже в электрическом поле. А вот если в воздухе много инородных частиц, например пыли, то и ионов тоже много. Ионы образуются при движении частиц в воздухе аналогично тому, как электризуются при трении друг о друга различные материалы. Очевидно, что пыли в воздухе гораздо больше над сушей, чем над океанами. Поэтому-то грозы и гремят над сушей чаще. Замечено также, что прежде всего молнии бьют по тем местам, где в воздухе особенно велика концентрация аэрозолей - дымов и выбросов предприятий нефтеперерабатывающей промышленности.

Как Франклин отклонил молнию. К счастью, большинство разрядов молнии происходят между облаками и поэтому угрозы не представляют. Однако считается, что каждый год молнии убивают более тысячи людей по всему миру. По крайней мере, в США, где ведется такая статистика, каждый год от удара молнии страдают около 1000 человек и более ста из них погибают. Ученые давно пытались защитить людей от этой "кары божьей". Например, изобретатель первого электрического конденсатора (лейденской банки) Питер ван Мушенбрук (1692-1761) в статье об электричестве, написанной для знаменитой французской Энциклопедии, защищал традиционные способы предотвращения молнии - колокольный звон и стрельбу из пушек, которые, как он считал, оказываются довольно эффективными.

Бенджамин Франклин, пытаясь защитить Капитолий столицы штата Мериленд, в 1775 году прикрепил к зданию толстый железный стержень, который возвышался над куполом на несколько метров и был соединен с землей. Ученый отказался патентовать свое изобретение, желая, чтобы оно как можно скорее начало служить людям.

Весть о громоотводе Франклина быстро разнеслась по Европе, и его выбрали во все академии, включая и Российскую. Однако в некоторых странах набожное население встретило это изобретение с возмущением. Сама мысль, что человек так легко и просто может укротить главное оружие "божьего гнева", казалась кощунственной. Поэтому в разных местах люди из благочестивых соображений ломали громоотводы. Любопытный случай произошел в 1780 году в небольшом городке Сент-Омер на севере Франции, где горожане потребовали снести железную мачту громоотвода, и дело дошло до судебного разбирательства. Молодой адвокат, защищавший громоотвод от нападок мракобесов, построил защиту на том, что и разум человека, и его способность покорять силы природы имеют божественное происхождение. Все, что помогает спасти жизнь, во благо - доказывал молодой адвокат. Он выиграл процесс и снискал большую известность. Адвоката звали Максимилиан Робеспьер. Ну а сейчас портрет изобретателя громоотвода - самая желанная репродукция в мире, ведь она украшает известную всем стодолларовую купюру.

Как можно защититься от молнии с помощью водяной струи и лазера. Недавно был предложен принципиально новый способ борьбы с молниями. Громоотвод создадут из. . . струи жидкости, которой будут стрелять с земли непосредственно в грозовые облака. Громоотводная жидкость представляет собой солевой раствор, в который добавлены жидкие полимеры: соль предназначена для увеличения электропроводности, а полимер препятствует "распаду" струи на отдельные капельки. Диаметр струи составит около сантиметра, а максимальная высота - 300 метров. Когда жидкий громоотвод доработают, им оснастят спортивные и детские площадки, где фонтан включится автоматически, когда напряженность электрического поля станет достаточно высокой, а вероятность удара молнии - максимальной. По струе жидкости с грозового облака будет стекать заряд, делая молнию безопасной для окружающих. Аналогичную защиту от разряда молнии можно сделать и с помощью лазера, луч которого, ионизируя воздух, создаст канал для электрического разряда вдали от скопления людей.

Может ли молния сбить нас с пути? Да, если вы пользуетесь компасом. В известном романе Г. Мелвила "Моби Дик" описан именно такой случай, когда разряд молнии, создавший сильное магнитное поле, перемагнитил стрелку компаса. Однако капитан судна взял швейную иглу, ударил по ней, чтобы намагнитить, и поставил ее вместо испорченной стрелки компаса.

Может ли вас поразить молния внутри дома или самолета? К сожалению, да! Ток грозового разряда может войти в дом по телефонному проводу от рядом стоящего столба. Поэтому при грозе старайтесь не пользоваться обычным телефоном. Считается, что говорить по радиотелефону или по мобильному безопасней. Не следует во время грозы касаться труб центрального отопления и водопровода, которые соединяют дом с землей. Из этих же соображений специалисты советуют при грозе выключать все электрические приборы, в том числе компьютеры и телевизоры.

Что касается самолетов, то, вообще говоря, они стараются облетать районы с грозовой активностью. И все-таки в среднем раз в год в один из самолетов попадает молния. Ее ток поразить пассажиров не может, он стекает по внешней поверхности самолета, но способен вывести из строя радиосвязь, навигационное оборудование и электронику.

Фульгурит - окаменевшая молния. При разряде молнии выделяется 109-1010 джоулей энергии. Большая ее часть тратится на создание ударной волны (гром), нагрев воздуха, световую вспышку и другие электромагнитные волны, и только маленькая часть выделяется в том месте, где молния входит в землю. Однако и этой "маленькой" части вполне достаточно, чтобы вызвать пожар, убить человека и разрушить здание. Молния может разогреть канал, по которому она движется, до 30 000°С, в пять раз выше температуры на поверхности Солнца. Температура внутри молнии гораздо больше температуры плавления песка (1600-2000°C), но расплавится песок или нет, зависит еще и от длительности молнии, которая может составлять от десятков микросекунд до десятых долей секунды. Амплитуда импульса тока молнии обычно равна нескольким десяткам килоампер, но иногда может превышать и 100 кА. Самые мощные молнии и вызывают рождение фульгуритов - полых цилиндров из оплавленного песка.

Слово "фульгурит" происходит от латинского fulgur, что означает молния. Самые длинные из раскопанных фульгуритов уходили под землю на глубину более пяти метров. Фульгуритами также называют оплавленности твердых горных пород, образованные ударом молнии; они иногда в большом количестве встречаются на скалистых вершинах гор. Фульгуриты, состоящие из переплавленного кремнезема, обыкновенно представляют собой конусообразные трубочки толщиной с карандаш или с палец. Их внутренняя поверхность гладкая и оплавленная, а наружная образована приставшими к оплавленной массе песчинками. Цвет фульгуритов зависит от примесей минералов в песчаной почве. Большинство из них имеют рыжевато-коричневый, серый или черный цвет, однако встречаются зеленоватые, белые или даже полупрозрачные фульгуриты.

По-видимому, первое описание фульгуритов и их связи с ударами молнии было сделано в 1706 году пастором Д. Германом (David Hermann). Впоследствии многие находили фульгуриты вблизи людей, пораженных разрядом молнии. Чарльз Дарвин во время кругосветного путешествия на корабле "Бигль", обнаружил на песчаном берегу вблизи Мальдонадо (Уругвай) несколько стеклянных трубочек, уходящих в песок вертикально вниз более чем на метр. Он описал их размеры и связал их образование с разрядами молний. Известный американский физик Роберт Вуд получил "автограф" молнии, которая чуть не убила его:

"Прошла сильная гроза, и небо над нами уже прояснилось. Я пошел через поле, которое отделяет наш дом от дома моей свояченицы. Я прошел ярдов десять по тропинке, как вдруг меня позвала моя дочь Маргарет. Я остановился секунд на десять и едва лишь двинулся дальше, как вдруг небо прорезала яркая голубая линия, с грохотом двенадцатидюймового орудия ударив в тропинку в двадцати шагах передо мной и подняв огромный столб пара. Я пошел дальше, чтобы посмотреть, какой след оставила молния. В том месте, где ударила молния, было пятно обожженного клевера дюймов в пять диаметром, с дырой посередине в полдюйма…. Я возвратился в лабораторию, расплавил восемь фунтов олова и залил в отверстие… То, что я выкопал, когда олово затвердело, было похоже на огромный, слегка изогнутый собачий арапник, тяжелый, как и полагается, в рукоятке и постепенно сходящийся к концу. Он был немного длиннее трех футов" (цитируется по В. Сибрук. Роберт Вуд. - М.: Наука, 1985, с. 285).

Появление стеклянной трубочки в песке при разряде молнии связано с тем, что между песчинками всегда находятся воздух и влага. Электрический ток молнии за доли секунд раскаляет воздух и водяные пары до огромных температур, вызывая взрывообразный рост давления воздуха между песчинками и его расширение, что слышал и видел Вуд, чудом не ставший жертвой молнии. Расширяющийся воздух образует цилиндрическую полость внутри расплавленного песка. Последующее быстрое охлаждение фиксирует фульгурит - стеклянную трубочку в песке.

Часто аккуратно выкопанный из песка фульгурит по форме напоминает корень дерева или ветвь с многочисленными отростками. Такие ветвистые фульгуриты образуются, когда разряд молнии попадает во влажный песок, который, как известно, имеет большую электропроводность, чем сухой. В этих случаях ток молнии, входя в почву, сразу начинает растекаться в стороны, образуя структуру, похожую на корень дерева, а рождающийся при этом фульгурит лишь повторяет эту форму. Фульгурит очень хрупок, и попытки очистить от прилипшего песка нередко приводят к его разрушению. Особенно это относится к ветвистым фульгуритам, образовавшимся во влажном песке.

Группе ученых Лионского университета удалось впервые в мире искусственным образом инициировать молниевые разряды в грозовых облаках, пишет Сnews. Эксперимент был проведен на полигоне South Baldy Peak, который находится в штате Нью-Мексико, на высоте порядка 4 км над уровнем моря и заключается в воздействии мощными лазерными импульсами на облака.

Напомним, что теоретически возможность использования образующихся под воздействием лазерного излучения плазменных каналов в воздушной среде для инициирования молнии высказывалась еще 30 лет назад, однако лазеры необходимой мощности стали доступны ученым только сейчас. Однако мощность лазеров, использованных французскими учеными, оказалась недостаточной для того, чтобы молния “проделала” путь по образованному плазменному каналу на расстояние, превышающее несколько метров. Специалисты собираются повторить данный эксперимент и использовать более мощные лазеры, а также использовать серии импульсов для генерирования плазменных каналов.

Шаровая молния

Феномен шаровой молнии многие десятилетия привлекает внимание и усилия исследователей широкого спектра специальностей. Было выдвинуто много гипотез для его объяснения и возможного лабораторного воспроизведения, однако проблема остается нерешенной.

При описании и изучении особенностей шаровой молнии традиционно выделают три явления, которые считаются “физическими парадоксами”:

1.Шаровая молния излучает видимый свет, несмотря на низкую температуру ее вещества.

2.Вещество шаровой молнии при плотности газа имеет поверхностное натяжение, характерное для жидкостей.

3.Вещество шаровой молнии представляет собой газообразную плазменную среду, существующую при комнатной температуре.

Серьезное изучение шаровой молнии в течение многих лет было осложнено и тем, что вокруг этого феномена природы возникло слишком много мифов, которые отчасти роднят эту “загадку природы” с летающими тарелками и снежными людьми. Существуют рассказы о том, как шаровые молнии, якобы, гоняются за людьми, убивают животных, прорывают тоннели в скалах, испаряют воду из малых водоемов. Существуют “очевидцы”, которые уверяют, что молния прошла сквозь них, отчего у них выпали волосы и зубы, а жители Петрозаводска долгое время “видели” в небе гигантскую молнию, которая сияла и искрилась, наводя на всех ужас. Но все это не шаровые молнии, а мифы о них.

Серьезную работу по изучению шаровой молнии начал в первой половине 19 в. французский ученый Араго, который первым стал собирать свидетельства очевидцев. Но все они были обычно субъективны и ненадежны, что в целом заставило ученых прийти к парадоксальному выводу, что… шаровой молнии вообще не существует. Еще в первой половине 20 в. считалось, что шаровая молния - это просто оптическая иллюзия, вызванная поражением сетчатки глаза яркой вспышкой обычной молнии.

Однако, исследования продолжались, велось накопление наблюдений, которые отчасти были суммированы в книге Дж. Барри “Шаровая и четочная молния”, вышедшей в 1980 г. в США. Кроме большого объема свидетельств, в этой книге предлагаются и критерии проверки их достоверности - сопоставление данных разных очевидцев, сравнение данных, полученных от одного очевидца в разное время и проч.

Из полученных данных вырисовывается определенная картина, которую можно охарактеризовать не только качественно, но и некоторыми цифрами. Шаровая молния - это светящееся физическое тело сферической формы, которое может перемещаться в воздухе на значительные расстояния, сохраняя при этом целостность. Диаметр ее - от нескольких см. до 1, 5 м. Время жизни - от нескольких секунд до 2-х минут. Плотность вещества шаровой молнии почти равна плотности воздуха т. е. (1-2) 103 г/см3.Она имеет определенные границы, которые достаточно четко отделяют ее от окружающего воздуха и которые, как правило, сохраняются в течение всей ее жизни. Отклонения от сферической формы обычно возникают под действием внешних сил, например, в результате столкновения с другими телами. Появляется она в большинстве случаев (но не всегда) во время грозы. Нет сомнения в том, что частота ее появления связана с электрической активностью атмосферы.

Одно из самых таинственных и коварных свойств шаровой молнии состоит в том, что она часто оказывается в закрытых помещениях, проникая туда через узкие отверстия, меньше ее диаметра. Ее движение почти не связано с силой тяготения, которая обычно определяет перемещение окружающих тел. Она обладает энергией: на это указывает как ее свечение, так и взрыв, которым довольно часто сопровождается это явление. В других случаях она может распасться или погаснуть без взрыва, что происходит, на первый взгляд, без каких-либо внешних причин, спонтанно и совершенно неожиданно для наблюдателя. Но многочисленные рассказы о том, как шаровая молния попала в человека или вызвала возгорание построек - это все обычно мифы, и если и произошла, например, смерть одного из присутствующих, то причина этого кроется в явлениях, сопутствующих эффекту шаровой молнии. Впрочем, это вопрос дискуссионный.

Из классификаций, использованных многими исследователями, отдается предпочтение разделению шаровых молний по способу подвода и хранения энергии:

шм., существующие за счет первоначально запасенной энергии;

шм., получающие энергию в процессе своего существования;

шм., для которых наряду с первоначальным запасом энергии существенны каналы связи с внешней средой.

Как раньше объясняли этот феномен?

Шаровую молнию считали:

плазменным образованием с температурой в сотни тысяч или миллионы градусов, которое в назидание всем, занимающимся проблемой управляемого термоядерного синтеза удерживается в течение минут, а не миллисекунд;

воздухом, ионизированным пылинками антивещества, залетевшего из космоса;

объемом, заполненным радиоактивными изотопами, сфокусированными электромагнитными полями грозы;

запертым электромагнитным излучением;

различными типами газового разряда;

воздухом с примесью возбужденных метастабильных молекул;

различными специфическими химическим соединениями (в том числе, озоном, окислами азота, углеводородами);

раскаленными светящимися парами;

образованием из мелких пылинок;

неидеальной электронно-ионной плазмой или плазмой из комплексных ионов.

И это - не все, т. к. в целом число интерпретаций превосходит сотню.

Теория № 1.

Очень важный шаг вперед в данной области был сделан покойным профессором И. П. Стахановым, который через журнал “Наука и жизнь” обратился ко всем, кто реально мог наблюдать шаровую молнию и попросил прислать ему описание увиденного. В ответ он получил несколько тысяч откликов (анкетированных ответов), на базе которых он провел физический анализ и статистическую обработку собранного материала, что позволило ему сформулировать ряд положений, характеризующих основные свойства и количественные значения параметров шаровых молний, условия их образования, движения, взаимодействия со средой их “обитания”, с физическим телами и сооружениями и т.п. Все это составило содержание его книги “О физической природе шаровой молнии” (1996). И. П. Стаханов сформулировал также теоретическую концепцию природы шаровой молнии - так называемую кластерную гипотезу, сводящуюся к представлению об этом объекте как о сосредоточенном образовании в виде сгустка ионов, “облепленных” оболочками из полярных молекул (воды, других соединений, образующихся в воздухе) - ионных кластеров, которые в состоянии существовать без рекомбинаций в течение “длительного” времени - многих секунд, десятков секунд и единиц минут. По его определению - “Шаровая молния представляет собой проводящую среду с плотностью воздуха, при температуре, близкой к комнатной. Эта среда образует отдельную фазу в воздухе с устойчивой границей и поверхностной энергией на границе раздела фаз. Рассматриваемый проводник имеет низкую работу выхода и может снимать и рассеивать заряды с других проводников. Его молекулы нестабильны и выделяют энергию, служащую источником излучаемого тепла и свечения.

Согласно результатам наблюдений очевидцев, шаровые молнии образуются, в основном, при ударе линейной молнии (вблизи поверхности Земли и высоко в атмосфере - наблюдения из самолетов), а также “выпрыгивают” из радио-электротехнических устройств при отсутствии грозы в непосредственной близости от последних.

Кластерная гипотеза И. П. Стаханова хорошо согласуется с обширным наблюдательным материалом - с наличием эффективного поверхностного натяжения у материала шаровой молнии, ее способностью проникать без разрушения через узкие отверстия и щели, собираться в “дочерние” шаровые молнии при вынужденном механическом дроблении, с оценками ее температуры, неравновесного свечения, плотности вещества и т.п. Однако попытки ее автора построить реальный физический механизм образования сгустка из кластерных ионов оказались безуспешными. И связано это с тем, что оценка части энергии, выделяющейся при разряде линейной молнии и доступной для образования облака ионных кластеров, нужной для согласования с эмпирическими данными о параметрах шаровой молнии - все это было оценено Стахановым ошибочно. Он пишет, например: “Таким образом, почти вся энергия разряда (линейной молнии), которая, как мы видели, исчисляется сотнями килоджоулей на 1 м. длины, уходит из канала главным образом в виде излучения, причем значительная часть ее застревает в короне”. Это утверждение, конечно, неверно. Хорошо известно, что длительность процесса пробоя воздуха при ударе линейной молнии, образующего проводящий канал, по которому и происходит электрический разряд, и длительность самого этого разряда очень малы в сравнении с длительностью процесса “излучения” каналом ударных и акустических волн. Первые составляют единицы и первые десятки микросекунд, т. е. за этот промежуток времени акустическая волна в воздухе успевает пройти доли миллиметра. Таким образом, энерговыделение в канале пробоя слишком кратковременно и будет вызывать распространение в окружающем воздухе сильной ударной волны (которая на удалении и воспринимается как интенсивный звук-гром). Прохождение ударной волны по воздуху, содержащему водяной пар и множество капель воды (туман, дождь, сами грозовые облака) будет приводить на близких от оси канала разряда расстояниях к полному дроблению капель воды, ее испарению, диссоциации, ионизации (вместе с молекулами составляющих воздуха). С удалением от канала интенсивность этих процессов будет резко уменьшаться, начиная с каких-то расстояний даже прекратится дробление капель (все расстояния, соответствующие последовательному “выключению” упомянутых процессов, конечно, можно рассчитать, решая соответствующую смешанную газодинамическую - газокинетическую задачу). После удаления фронта ударной волны давление, плотность и температура в частицах газа будут падать, и в созданной ударной волной среде будут протекать “обратные” процессы - рекомбинация, восстановление молекул и т.п. Понятно, что существует диапазон расстояний от оси канала, на которых значения “исходных” параметров влажного воздуха, “насажденные” ударной волной, и последующее их падение во времени будут таковы, что там будет достаточно много ионов, на которые при “охлаждении” будут “налипать” молекулы водяного пара, образуя ионные гидратные кластеры “для схемы Стаханова”, так что их рекомбинация резко замедлится.

По завершении быстрой стадии гидродинамического процесса, когда ударная волна уйдет на значительные расстояния, в окрестности канала остается удлиненная (“цилиндрическая”) область нагретого газа, внешняя часть которой содержит кластерную плазму. Вся эта область начинает “медленно” всплывать под действием архимедовой силы, однако возникающее движение будет неоднородным - исходная непрямолинейность канала разряда и конвективная неустойчивость процесса всплытия нагретого газа в нем и вокруг него будут приводить к сильным деформациям всплывающей конфигурации и ее распаду на “отдельности”. Наличие в последних кластерной плазмы, обладающей, как показано Стахановым, эффективным поверхностным натяжением, может привести к формированию компактных сгустков этой плазмы - к образованию шаровых молний. Существенным для возможности формирования таких сгустков (до того как в процессе всплытия конвективное перемешивание лишит кластерную плазму способности компактироваться) является наличие резкой начальной неоднородности в нагретой области, в частности, наличие начальных локальных областей с высокой концентрацией кластерной плазмы. Такие неоднородности могут возникать в местах ветвления канала линейной молнии, в местах повышенного начального влагосодержания воздуха, пробиваемого ею, и в местах ее попадания в проводники электричества, где значительное “точечное” поглощение электрического тока разряда порождает местное увеличение энергии “взрыва”, делая его не цилиндрическим, как вокруг основного канала разряда молнии, а сосредоточенным, и, следовательно, резко увеличивая начальную массу кластерной плазмы и вероятность формирования из нее сгустка - шаровой молнии. Действительно, известно много случаев, когда шаровая молния возникала именно в таких местах удара линейной молнии в проводники - в металлические опоры линий электропередачи, в металлические шпили на зданиях, в мокрую землю (пашню), в воду озера и т.п.

Например - 5 августа 1977 г. удар линейной молнии в шпиль Большого Кремлевского дворца, вокруг которого до этого наблюдался эффект, называемый “огни святого Эльма”, породил две шаровые молнии, удары в опоры ЛЭП часто порождают также несколько молний, удары в деревья с влажной корой или влажный отвесный берег реки - могут вызвать появление шаровой молнии. В книге Стаханова описан случай, как линейная молния ударила в воду озера, и в результате этого из воды “выскочила” шаровая молния.

Если обратиться к проблеме математического описания шаровой молнии, т. е. - привести некоторые количественные оценки для проверки реальности предложенного выше механизма образования кластерной плазмы и ее сгустков, то станет ясно, что в силу отмеченной кратковременности выделения энергии в канале линейной молнии последующие за этим газодинамические процессы с хорошим приближением можно будет описать с использованием точного решения академика Л. И. Седова задачи о сильном взрыве в газе с цилиндрической симметрией. Проведение подобной аналогии и ее физико-математическое описание показывают, что как и при взрыве газа, при “вспышке” шаровой молнии температура за фронтом ударной волны резко возрастает с приближением к оси симметрии (оси “взрыва”) и на этой оси обращается в бесконечность.

При образовании шаровой молнии важно также влияние воздушной среды: надо помнить, что обычно она возникает при повышенной концентрации воды в воздухе (здесь помогают собранные наблюдателями примеры), что приводит к тому, что сильная ударная волна, возникающая при разряде линейной молнии, в состоянии в этих условиях гарантированно “приготовить” условия для образования нужной массы кластерной плазмы и формирования из нее шаровой молнии.

Механизм возникновения шаровой молнии не при разряде линейной молнии (из радио-электротехнических устройств) - это сильный коронный разряд через воздушный промежуток энергии, накопленной в линиях и устройствах со значительной электрической емкостью при их заряжании в электростатическом поле близкой грозы. В этих случаях кластерная плазма образуется путем “гидратации” ионов, порождаемых коронным разрядом - не обязательно молекулами воды, но и молекулами других соединений, также создаваемыми сильным коронным разрядом.

Из изложенного выше следует принципиальная возможность искусственного создания шаровой молнии. Для этого можно в изолированном прочными стенками (желательно - с прозрачными участками) объеме создать насыщенную влагой атмосферу с изменяемой концентрацией паров и капель воды и в такой среде произвести сильный линейный взрыв с контролируемой энергией, например, пропуская импульсный электрический ток через тонкий линейный проводник (известная схема взрывающейся проволочки). Если кластерная гипотеза И. П. Стаханова верна, то, по изложенному выше, в таком эксперименте при подходящих его параметрах будут генерироваться шаровые молнии.

Теория № 2.

Подавляющеебольшинствонаблюдателей показывают, что шароваямолния образуется во время грозы после разряда линейной молнии. Лишь в сравнительно небольшом числе сообщений описываются случаи наблюдения шаровой молнии в ясную погоду. Поскольку молния может образоваться в произвольном участке канала линейной молнии, при разряде между тучей и землей или между тучами, наблюдатель далеко не всегда его видит, то вероятность наблюдения места возникновения шаровой молнии невелика. Сам процесс образования скоротечен и наблюдатель может видеть только результат этого процесса, когда канал линейной молнии исчезнет, спустя некоторое время после разряда.

Согласно предлагаемой модели шаровая молния образуется из участка канала линейной молнии в месте развития на нем перетяжечной неустойчивости. Она не может образоваться в первом импульсе тока в данном канале, поскольку в это время давление горячего газа в канале значительно больше электродинамической силы. В последующих ударах при достаточно большой силе тока, когда магнитное давление тока превысит давление частично ионизованного газа (~1атм), плазменный шнур сжимается и на нем возможно образование перетяжек. Оценки показывают, что в одной перетяжке может образоваться шаровая молния не большого диаметра (D?5см), поскольку разряды с большими токами очень редки (реально зарегистрированы токи в канале линейного разряда ?200кА). Однако в результате слияниянесколькихмагнитных конфигураций, возникающих в цепочке перетяжек, можетобразоватьсяшаровая молния с произвольной полной энергией при менее жесткихтребованиях к току разряда. Таким образом энергия шаровой молнии определяется не только силой тока в разряде, ноичисломячеек, участвующихвпроцессеслияниямагнитных конфигураций.

Согласно данным опроса лишь 10% наблюдателей из 1500 опрошенных утверждают в своих сообщениях, что они видели момент зарождения шаровой молнии. Из них в 45 случаях она зародилась вблизи канала молнии, а в остальных 105 случаях - - из различных металлических предметов (розеток, радиоприемников, металлических батарей и других предметов). В целом это находится в неплохомсоответствии с выводом о невозможности наблюденияпроцессаобразованияшаровоймолнии. Согласие значительнолучше, если учесть, чтовбольшинстве сообщенийс положительным ответом, не описывается процесс образования шаровой молнии и строгоихнужно отнести к разрядунаблюдения шаровой молнии с моментаее образования. Кроме того, имеется большое количество сообщений о том, что шаровая молния притягивается к незаземленным металлическим предметам, вызывает короткие замыкания в электро - и радиоаппаратуре, которыесопровождаютсязвуковымии световымиэффектами, привлекаявниманиенаблюдателя. Поэтой причине наблюдатель часто обнаруживает шаровую молнию в непосредственной близости от этих предметов, либо когда она находится в контакте с нимиВ результате он может сделать ошибочное заключение.

Важным фактором, играющим существенную роль при образовании шаровой молнии, является насыщение воздуха парами воды, которое обычно во время грозы достаточно велико. Пары воды необходимы не только для образования термоизолирующей оболочки шаровой молнии, но для придания ей соответствующего веса. Плотность вещества шаровой молниииз-завысокой температуры значительно ниже плотности воздуха и ее вес полностью определяется весом водяной оболочки. Только в случае заметного веса пленки шаровая молния под действием силы тяжести может опускаться на землю. Как правило, шаровая молния имеет достаточно четкую поверхность, отделяющую ее от окружающего воздуха, т. е. имеется типичная граница разделения двух различных веществ. Водяная пленка благодаря поверхностному натяжению способна при низких температурах обеспечить четкую границу, с ростом температуры пленки (до 100^о) граница будет размываться.

Форма шаровой молнии близка к сферической, что подтверждают сообщениями от 80% до 90% в двухопросахнаблюдателей. Остальная группа наблюдателей утверждает, что ее форма совпадает с эллипсоидальной или грушевидной. Лишь незначительноечислонаблюдателей (порядка долей процента) указывают на тороидальную и другие формы. В рамках данной модели в общем случае оболочка, образуемаянеизотермической плазмой, имеет веретенообразную форму близкую к шаровой. Бессиловаямагнитная конфигурация, расположенная внутри сепаратрисы, приближеноимеет вид сплюснутого эллипсоида вращения. Очевидно, что форма шаровой молнии стремится стать сферической, поскольку этой форме соответствует состояние с минимумом энергии. Стремление шаровой молнии сохранить сферическую форму связана не только с фактом существования у нее поверхностного натяжения. Более важным является наличие у нее сильного электростатическогодавленияв двойном слое, которое сдерживается давлением электронов неизотермической плазмы. По мере остывания шаровой молнии форма ее приближается к сферической. На форму молнии может оказывать воздействие электрическое поле и сила тяжести. Так под действием силы тяжести жидкость с поверхности пленки может стекать и в нижней ее части, придавая молнии грушевидную форму. В принципе, по мере угасания она может иметь кратковременно и тороидальную форму.

Время жизни шаровой молнии определяется временем диссипации магнитной энергии, запасенной в ней. При постоянной температуре его можно оценить с помощью выражения.

ф_n?руR²/10c²

В плазме с однозарядными ионами, пологая у=1, 96e²N_eф/m_e при T_e=100кэВ и R=10см для времени жизни плазмоида получим ф_n=10cек. Полное время жизни будет значительно больше. Это время находится в согласии со временем установленным наблюдателями. Плазма со столь высокой температурой не была получена в лабораторных условиях. Хотя имеются данные отдельных экспериментов, допускающих достижение этих параметров. Однако есть основания ожидать, что в процессе слияния бессиловых конфигураций и джоулева нагрева при хорошей термоизоляции плазма будет нагреваться до более высоких температур по сравнению с лабораторными пинчами. Действительно, что потоки тепла вследствие электронной и ионной теплопроводности из области ограниченной сепаратрисой медленно растут ~T^1/2, но остаются малыми. Во внешней оболочке неизотермической плазмы с возрастанием температуры уменьшается энергия, передаваемая электронами ионам пропорционально T^-1/2.В то же время возрастает разность потенциалов в двойном слое и напряженность электрического поля в нем, благодаря чему уменьшается доля электронов способных преодолеть потенциальный барьер, и, следовательно, скорость их восполнения. Потери энергии, в основном, определяются тормозным излучением. Энергия, выделяемая в плазме в единицу времени в результате джоулева нагреваQ=?JE dv=H₁²/8рф_n 4рR³/3.Из равенства этих потоков энергии для предельной температуры получим

T_q²=10²¹E_n²c²/6р²R²N_eN_iz²(1)

Предельная напряженность электрического поля в двойном слое определяется взрывной эмиссией, которая начинается при E_n~10⁷В/cм. Подставляя эту величину в (1) легко убедится, что температур плазмы порядка 100кэВ реально достижима.

Время жизни шаровой молнии пропорционально T^3/2 R² и в зависимости от этих параметров может изменятся в достаточно широких пределах.

Полная энергия шаровой молнии равна сумме магнитной, электростатической, поверхностной и тепловой энергий. Поскольку толщины внешней плазменной оболочки, приближено равной глубине скинирования циклотронного излучения c/щ_pe, переходного токового слоя, приближено равной нескольким циклотронным радиусам электрона, и двойного электрического слоя, равной нескольким радиусам Дебая, малы по сравнению с радиусом шаровой молнии, то энергия, сосредоточенная в этих оболочках, невелика и ею можно пренебречь в полном балансе. Мала также поверхностная энергия W_a=в_oS. В центральной части молнии в области бессилового магнитного поля H²/8р>>P, поэтому тепловой энергией плазмы в ней можно пренебречь по сравнению с энергией магнитного поля. Тогда полная энергия шаровой молнии при форме близкой к сферической приближенно равна выражению:

W?E_n²/4р 4рR³/3.

Если положить E_n=10⁷В/см и R=10 см, то полная энергия W=37кДж, что соответствует плотности энергии 9, 2Дж/cм^3.Этавеличина практически совпадает со значением плотности энергии установленной И. П. Стахановым по тем последствиям, которые шаровая молния после своего воздействия на различные предметы. Приведем наиболее интересную оценку, сделанную на основании следующего сообщения.

“Летом 1977г. в г. Фрязино Московской области преподаватель и группа школьников, находившихся в классе на втором этаже, увидели “мохнатый” светящийся шар приблизительно 5см в диаметре, который приблизился к наружному оконному стеклу. В стекле образовалась небольшое круглое отверстие со светящимися краями красного цвета. Постепенно диаметр отверстия увеличивался до 3-4 см. Вслед за этим шаровая молния ярко вспыхнула и исчезла с громким звуком. В этот момент преподаватель, державший в руках эпидиаскоп, включенный в цепь, почувствовал удар током. Второе (внутреннее) стекло оконной рамы не пострадало. Время, в течение которого молния проплавила стекло, наблюдатели оценивают в 5 с. “.

Далее Стаханов И. П. пишет, что “последующее обследование показало, что диаметр отверстия в стекле оказался 5 см при толщине стекла2, 5 мм, отверстие представляло собой правильный круг. Стенки отверстия конусообразные, так что его диаметр со стороны поверхности, обращенной к шаровой молнии, был на 1 мм больше. Это указывало на поверхностный характер нагрева…”Было произведено моделирование процесса нагревания стекла лучом лазера с длинной волны10, 6мкм. В результате было установлено, что нагрев должен быть кратковременным, мощным и локальным. В противном случае стекло растрескивается и отверстие имеет неправильную форму. Для нагревания стекла (массой ~8г) до температуры размягчения стекла (1000^oC) требуется около 10кДж. Такая же оценка (10-20 кДж) получена в произведенном эксперименте. Это согласуется с приведенной выше оценкой запаса энергии в шаровой молнии с диаметром~10 см. Стаханов И. П. отмечает, что в данном случае очень вероятно занижение размера диаметра наблюдателями (влияние размера отверстия в стекле). Из многочисленных наблюдений следует, что, как правило, шаровая молния проделывает на своем пути отверстия значительно меньше ее диаметра. Это сообщение является важным для понимания физики шаровой молнии.

Полученные значения плотности энергии и времени жизни позволяют надеяться на возможность осуществления термоядерного синтеза в магнитной ловушке шаровой молнии. Действительно, учитывая, что время обмена энергией между электронами и ионами меньше времени жизни шаровой молнии, при плотности дейтериево-тритиевой плазмы N=10¹⁴см^-3, T=100кэВ и R=10см выход энергии в результате синтеза по грубой оценке составитвеличину порядка 300кВт. Возможность длительного удержания плазмы с более высокой плотностью требует дополнительных исследований и, прежде всего, исследование возможности повышения предельной напряженности электрического поля в двойном слое.

Сильная связь полоидального и тороидального магнитных потоков в бессиловой области обеспечивает устойчивость системы. В стадии угасания шаровой молнии давление плазмы максимально на ее границе и оси системы и минимально на магнитной оси, где магнитное давление максимально. Известно, что магнитные ловушки с таким распределением давления устойчивы. Многочисленные наблюдения спокойного угасания шаровой молнии, вплоть до полного исчезновения, несомненно, свидетельствуют в пользу ее высокой устойчивости. В процессе диссипации магнитной энергии отношение давления плазмы к давлению магнитного поля возрастает и при некотором отношении в плазме могут развиться неустойчивости, которые приведут к разрушению магнитной ловушки и выбросу плазмы в атмосферу. Неблагоприятное распределение давления может возникнуть при попадании во внутрь шаровой молнии пылинок. В результате развития неустойчивости энергия шаровой молнии превращается в тепло окружающего газа, шаровая молния взрывается. Сила взрыва определяется полной энергией, запасенной в молнии в этот момент.

Согласно этой модели наблюдение шаровой молнии в ясную погоду не должно быть. Часть таких сообщений можно отнести к разряду ошибочных, поскольку разряды могут происходить из небольших туч на достаточно значительном расстоянии от наблюдателя, которые мог он не заметить. Однако полностью отрицать, нет достаточных оснований В принципе, шаровая молния могла прийти из космоса. Единственно, что необходимо отметить, что при зарождении ее размеры должны быть огромными, так как время ее жизни пропорционально R^2.

Возможность на основе представленной модели дать удовлетворительное описание, практически, всех наблюдений появления шаровой молнии в естественных условиях дает надежду на скорое лабораторное ее воспроизводство. Интерес к этому связан в большой степени с возможностью использования ее ловушки в термоядерных целях.

Наиболее перспективным направлением такого поиска является использование процесса слияния магнитных конфигураций, образуемых в перетяжках z-пинча при высоком давлении рабочего газа. Камера представляет собой некоторый объем, заполняемой рабочим газом. В камере расположены два пинчевых диска, к которым подведены две конденсаторные батареи, одна из которых подключена к электродам. Предварительный пробой рабочего газа осуществляется с помощью лазерного луча с относительно малой энергией в импульсе, но с большой мощностью. После окончания процесса формирования проводящего канала к камере подключается основная батарея, которая образует сильноточный сжимающий разряд. Токи в батареях порядка 100кА. В установке должна быть предусмотрена система напуска паров воды с необходимой временной задержкой. Управляемое стимулирование перетяжечной неустойчивости позволит изучить процесс слияния магнитных конфигураций и, в принципе, решить вопрос генерации шаровых молний с произвольной энергией. Напуск термоядерного сырья позволит сделать заключение о пригодности ловушки шаровой молнии для решения термоядерных задач.

Заключение

Написав данную курсовую работу я собрал, систематизировал и изучил теории и факты, связанные с атмосферным электричеством. Особенно подробно я постарался изучить и описать такое явление как шаровая молния. Поставленные выше задачи считаю выполненными.

Литература

1. Я. И. Френкель, “Теория явлений атмосферного электричества”, М. 1949г.

2. Р. Фейнман, Р. Лейтон, М Сэндс, “Фейнмановские лекции по физике”, т. 5, М. 1977г.

3. А. Ф. Попов А. Ф. “Электричество в атмосфере. Шаровая молния. ”

4. С. Сингер Природа шаровой молнии. Перевод с английского. Москва, “Мир”, 1970

5. И. П. Стаханов О физической природе шаровой молнии. М., 1996.