Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 533

Ионно-ядерная модель шаровой молнии

Тысинюк Николай Максимович

Шаровая молния - это положительно заряженный аэрозоль диаметром в несколько десятков микрон. Светящийся шар возникает в результате излучения при рекомбинации ионов и переходах между метастабильными уровнями электронов молекул газов воздуха, возбужденных ультрафиолетовым излучением ядра.

Ball lightning - it is positively charged aerosol diameter of several tens of microns. Glowing ball is the result of radiation in the recombination of ions and transitions between metastable levels of the electrons of the molecules of air gases, excited by ultraviolet radiation from the nucleus.

Шаровые молнии (далее ШМ) возникают, как правило, при незавершенных разрядах линейных молний. Как показано в [1,2] в большинстве случаев (90%) нижняя часть грозового облака заряжена отрицательно. У земной поверхности облако наводит мощное положительное электростатическое поле. При достижении напряжения пробоя с нижней части облака по каналу начинается движение электронов вниз к земной поверхности. молния ион электрон

По мере движения головки канала к земле, ему навстречу поднимается объем положительных зарядов, состоящих, в основном, из положительных ионов азота и кислорода, имеющими высокие потенциалы ионизации.

Если на пути движения объема положительных ионов газов воздуха с высокими потенциалами ионизации окажутся аэрозоли, состоящие из веществ с низкими потенциалами ионизации атомов (кремний, кальций, металлы и др.), произойдет их ионизация.

Частичная ионизация аэрозолей, может произойти и при отсутствии разряда линейной молнии. Главное, чтобы аэрозоли, состоящие из вещества с низким потенциалом ионизации атомов, попали в объем с высокой концентрацией положительных ионов газов воздуха.

Положительно заряженные таким образом аэрозоли являются ядрами ШМ.

Сравнительно устойчивые ядра ШМ образуются только в случаях, когда в аэрозолях или в кусочках металла ионизирована примерно половина атомов.

Между положительными ионами действуют силы отталкивания. Одновременно с этим в ядре (аэрозоле) под действием электростатического поля ионов ионизируются нейтральные атомы. В результате этого в ядре, насыщенном положительными ионами, появляются свободные электроны, которые, дрейфуя от нейтральных атомов к ионам, связывают их. Так как подвижность электронов на три - четыре порядка больше чем ионов, то один электрон за время прохождения ионом расстояния, равного его диаметру, успевает превратить сотни ионов в нейтральные атомы и наоборот. Положительные ионы и нейтральные атомы находятся в плотном электронном облаке, связывающем их в единое целое. Электроны выполняют роль обменных сил между положительными ионами и нейтральными атомами.

Свободные электроны могут выполнять роль обменных сил только в том случае, если оболочки внешних возбужденных электронов атомов и ионов "соприкасаются". В этом случае плотность ядра должна иметь порядок 10^22 в 1 см3. Такую плотность имеют жидкости и твердые тела. При ионизации атомов твердая частица за счет повышения температуры до нескольких тысяч градусов переходит в жидкое состояние. В плазме электростатическое поле единичного заряда за пределами дебаевского радиуса полностью нейтрализуется другими зарядами. Это важнейшее свойство плазмы не распространяется на положительно заряженное ядро, в котором действуют обменные силы. Поэтому ионное ядро ШМ можно классифицировать как особое состояние вещества.

Для расчета заряда и других параметров ядра воспользуемся известными данными об энергии ШМ. На ионизацию молекулы в плазме необходимо затратить примерно такую же энергию, как и вне плазмы. Поэтому энергия плазмы определяется только степенью ионизации и кинетической энергией составляющих ее частиц. На ионизацию же атома в положительно заряженном ядре требуется затратить энергию, необходимую для преодоления результирующего электростатического поля всех ионов. Расчет энергии положительно заряженного ядра ШМ представляет сложную математическую задачу. Для упрощения расчетов найдем верхний (W1) и нижний (W2) пределы энергии ядра в зависимости от числа положительных ионов и его радиуса. Для ионизации одного атома ядра потребуется Е эВ. Для ионизации n атомов и удаления электрона из общего центра приложения радиального электростатического поля всех ионов потребуется энергия:

(1)

Энергия ядра ШМ в данном случае соответствует энергии, которую необходимо затратить на удаление n электронов из общего центра приложения электростатического поля. Для сравнения, энергия плазмы с n ионизированными молекулами составляет En эВ.

Для расчета нижнего предела энергии ионного ядра предположим, что все электроны удаляются с его внешней поверхности. Тогда для удаления n электронов потребуется энергия:

(2)

где:

Еґ - энергия (эВ), которую необходимо затратить для удаления электрона нейтрального атома с расстояния, равного радиусу ядра. Эту энергию можно найти из соотношения:

(3)

где:

R - радиус ионного ядра (см).

r - радиус атома, примем равным (см):

(4)

Как уже отмечалось, положительные ионы могут находиться в плотном электронном облаке, связывающем их в единое целое только в том случае, если внешние электронные оболочки нейтральных атомов и ионов соприкасаются. Тогда радиус положительно заряженного ядра можно найти из соотношения объемов ионного ядра () и атома :

где:

2n - общее количество ионов и нейтральных атомов в положительно заряженном ядре.

Отсюда:

(5)

По формуле (3), с учетом (4) и (5) получим:

(6)

Подставив значение (6) в (2), получим предел энергии ядра ШМ:

(7)

Таким образом, энергия ядра ШМ находится в пределах:

(8)

В формулах (1) и (7) неизвестной величиной является n - число положительных ионов в ядре ШМ. Для определения этого числа воспользуемся оценками энергии ШМ, наблюдавшихся в природе. По этим оценкам энергия ШМ размером с большой апельсин (диаметром 10 см) составляет 0,5·10^7 - 1,0·10^7 джоулей или 3,1·10^25 - 6,2·10^25 эВ.

Подставив в выражения (1) и (7) энергию ШМ W = 6,2·10^25 эВ и учитывая, что энергия ионизации, например, атома железа Е = 7,87 эВ, получим число ионов в ядре ШМ, обеспечивающее указанную энергию, соответственно, для первого и второго случаев:

(9)

(10)

Подставив верхнее и нижнее число ионов в (5), получим соответствующие радиусы (см) ядра ШМ:

(11)

(12)

Умножив число ионов (формулы 9 и 10) на единичный заряд (q = 1,6•10^-19 Кл), получим пределы общего заряда ядра небольшой ШМ:

Вокруг положительно заряженного ядра возникает мощное электростатическое поле, ионизирующее и возбуждающее нейтральные молекулы газов воздуха до метастабильных состояний. За счет последующей рекомбинации ионов и оптических переходов между различными метастабильными состояниями возбужденных молекул газов воздуха вокруг ядра создается светящаяся видимая часть ШМ.

Для человеческого глаза порогом чувствительности является число излучающих объектов 10^16 в 1 см3. Поэтому предполагается, что ШМ возникают значительно чаще, но многие из них могут быть невидимыми, если число излучающих объектов меньше указанного. Невидимые ШМ обладают небольшими энергиями, но имеют те же физические свойства, что и видимые.

Ядро постепенно нейтрализуется за счет свободных электронов, поступающих из окружающего пространства, а также от ионизированных мощным электростатическим полем ядра молекул газов воздуха. Время жизни ШМ определяется величиной электрического заряда ядра и скоростью поступления свободных электронов. В обычных условиях, когда концентрация отрицательных ионов в воздухе не превышает 10^3 - 10^4 ионов в 1 см3, процесс рекомбинации положительных ионов ядра происходит постепенно и может сопровождаться слабым шипением или потрескиванием. Количество положительных ионов в ядре уменьшается. Одновременно с этим происходит испарение избытка нейтральных атомов с поверхности жидкого ядра, что восстанавливает примерное равенство ионов и нейтральных частиц. Когда указанные процессы компенсирую друг друга, время жизни ШМ максимально.

ШМ прекращает свое существование при значительном нарушении равенства числа ионов и нейтральных атомов или полной рекомбинации ионов. Ядро ШМ взрывается при его соприкосновении с заземленными токопроводящими предметами или при попадании в ее мощное электростатическое поле веществ, имеющих низкие потенциалы ионизации. В этих случаях в ядро поступает значительное количество электронов. Положительные ионы ядра быстро рекомбинируют с выделением большого количества электромагнитной и кинетической энергии. Не связанные электронами ионы ядра разлетаются.

Металлические предметы, попавшие в электростатическое поле ядра, ионизируются, а за счет высокой температуры испаряются или оплавляться.

Цвет, яркость свечения, и температура видимой части ШМ определяются, прежде всего, степенью ионизации молекул газов воздуха вокруг ядра и зависят от числа положительных ионов в ядре, т.е., от его размера. Наличие в воздухе примесей различных веществ может существенно изменять цвет ШМ. Наибольшее влияние на цвет ШМ оказывают нейтральные атомы, испаряющиеся с поверхности ядра. Например, если ядро состоит из меди, цвет ШМ будет иметь зеленоватую окраску.

Электростатическое поле ядра ШМ является радиальным. Поэтому поверхность, на которой напряженность электростатического поля ядра обеспечивает еще достаточное для наблюдения количество излучающих объектов близка к шаровой поверхности. Внешнее электрическое поле, накладываясь на электростатическое поле ядра, может искажать форму шара и ШМ приобретает овальную или иную форму.

Набегающий поток воздуха не оказывает влияния на форму ШМ. Это связано с тем, что время ионизации и последующей рекомбинации молекул газов воздуха исчезающе мало по сравнению с чувствительностью человеческого глаза. Практически, в каждый последующий момент наблюдается свечение новых молекул газов воздуха, находящихся в пределах действия электростатического поля ядра ШМ. По этой же причине создается впечатление, что на горячую ШМ не действует закон Архимеда. Горячий воздух видимой части ШМ после рекомбинации ионов все же поднимается вверх, но не светится и не наблюдается.

Видимый размер ШМ определяется величиной заряда ее ядра и условиями освещенности, влияющей на порог чувствительности человеческого глаза. В темноте ШМ будет видна большего диаметра, чем днем, но более рыхлой. Могут наблюдаться также отдельные слои различной яркости и окраски. Это связано с различной степенью ионизации слоев газов воздуха на различных расстояниях от ядра.

Ядро ШМ в определенных условиях может разваливаться на фрагменты. В этих случаях создается впечатление, что из ШМ выходит одна или несколько ШМ.

Ядро ШМ является микроскопической частичкой, поэтому легко переносится потоком воздуха. При наличии электрического поля ядро ШМ движется по направлению результирующей действия этих сил. В мощном электрическом поле атмосферы скорость смещения ядра ШМ может составлять несколько сот метров в секунду, при этом микроскопическое ядро, практически, не испытывает трения в атмосфере.

Ядро ШМ может проникать через микроскопические щели в диэлектриках. При этом форма ШМ не изменяется. Через щель проникает только ядро ШМ диаметром в несколько десятков микрон, а не ионизированные и возбужденные молекулы газов воздуха, создающие видимую ее часть. В литературе описаны случаи, когда ШМ диаметром до 10 см проходила через стекло, как через свободное пространство.

Положительные ионы ядра ШМ хорошо растворяются в воде. Рекомбинация ионов ядра происходит, в основном, за счет свободных электронов и отрицательных ионов, имеющихся в воде и частично за счет ионизации молекул воды вблизи ядра. В мощном электростатическом поле происходит диссоциация молекул воды на атомы водорода Н⁺ и на гидроксил ОН?. Освобождающаяся при рекомбинации ионов энергия нагревает воду. Если даже температура воды не достигла 100 ⁰C, за счет выхода водорода может создаваться впечатление ее кипения.

ШМ - явление крайне редкое. Это связано, прежде всего, с тем, что в атмосфере концентрация, так называемых, гигантских аэрозолей радиусом в несколько десятков микрон ничтожна и составляет менее 0,005 в 1 см3. К тому же не все вещества, из которых состоят аэрозоли способны образовывать стабильные положительно заряженные ядра. С уменьшением радиуса аэрозолей, их концентрация в воздухе резко возрастает. Из таких аэрозолей могут возникать ШМ, свечение которых не улавливается человеческим глазом, т.е., невидимые ШМ.

Предложенная ионно-ядерная модель может объяснить, практически, все наблюдавшиеся свойства и особенности ШМ, если они не являются плодом фантазий очевидцев. Но для этого пришлось сделать предположение о существовании неизвестного ранее особого состояния вещества. Оправданием такого шага является тот факт, что ни одна из более 700 моделей ШМ, предложенных на протяжении последних 170 лет, базирующихся на известных закономерностях материального мира, не в состоянии объяснить ее необычные свойства. Поэтому имеются все основания предполагать, что с этим явлением связаны еще неизвестные науке закономерности материального мира. Правильность этих предположений могут подтвердить только лабораторные исследования.

Для воссоздания ШМ в лабораторных условиях потребуется разработать не очень сложные устройства, позволяющие получать незавершенные разряды, в которых сила тока составляла бы несколько сотен тысяч ампер при разности потенциалов не менее 30 кВ/см. Как нам представляется, ШМ может возникнуть, если в область разряда направить поток частиц диаметром в несколько десятков микрон, состоящих из веществ с низкими потенциалами ионизации атомов.

Мы предполагаем, что ядра ШМ могут использоваться для аккумуляции и длительного хранения огромного количества электрической энергии в небольших устройствах. Учитывая большую плотность и продолжительность жизни ядер ШМ по сравнению с горячей газообразной плазмой, можно предположить, что ионные ядра, возможно, найдут применение в решении вопроса управляемого термоядерного синтеза.

Библиографический список

Б.Шонланд. Полет молнии.М. Московское отделение гидрометеоиздата. 1970. 160 с.

С.Сингер. Природа шаровой молнии. М. «Мир». 1973. 236 с.

И.Имянитов, Д.Тихий. За гранью законов науки. М. Атомиздат. 1980. 188 с.

П.Л.Капица. О природе шаровой молнии. ДАН СССР 1955. Том 101, 2, стр. 245 - 248 http://ikar.udm.ru/sb1-1.htm

А.И.Марколия, А.Ф.Попов. Физика шаровой молнии http://popovsfti.narod.ru/sharovaia.html

С.Г.Федосин, А.С.Ким. Электронно-ионная модель шаровой молнии. НиТ, 2000 http://www.laboratory.ru/articl/hypo/rax040.htm

П.Н.Тверской. Атмосферное электричество. Л. Гидрометеоиздат. 1949. 251 с.

П.Н.Тверской. Курс метеорологии. Л. Гидрометеоиздат. 1962. 690 с.

Дж.Мик, Дж.Крегс. Электрический пробой в газах. М. Издательство иностранной литературы. 1960. 601 с.

А.А.Радциг, Б.М.Смирнов. Справочник по атомной и молекулярной физике. М. Атомиздат. 1980. 238 с.

Размещено на Allbest.ru