Перейти в начало сайта Перейти в начало сайта
Электронная библиотека «Наука и техника»
n-t.ru: Наука и техника
Начало сайта / Препринт / Научные гипотезы
Начало сайта / Препринт / Научные гипотезы

Научные статьи

Физика звёзд

Физика микромира

Журналы

Природа

Наука и жизнь

Природа и люди

Техника – молодёжи

Нобелевские лауреаты

Премия по физике

Премия по химии

Премия по литературе

Премия по медицине

Премия по экономике

Премия мира

Книги

Архимед

Доктор занимательных наук

Квантовый мир

Парадоксы науки

Приключения великих уравнений

Яды – вчера и сегодня

Издания НиТ

Батарейки и аккумуляторы

Охранные системы

Источники энергии

Свет и тепло

Научно-популярные статьи

Наука сегодня

Научные гипотезы

Теория относительности

История науки

Научные развлечения

Техника сегодня

История техники

Измерения в технике

Источники энергии

Наука и религия

Мир, в котором мы живём

Лит. творчество ученых

Человек и общество

Образование

Разное

Шаровая молния. Плазменно-пучковая модель

Максим Акимов

Плазменно-пучковая модель объясняет образование шаровой молнии из электронного пучка линейной молнии. Электронный пучок, запертый в области пониженного давления, ионизирует окружающий его воздух, создавая плазменный шар. Причем, плазма поддерживается энергией запертого в ней электронного пучка и поэтому может существовать относительно долгое время. Физическая модель объясняет образование, свойства и распад шаровой молнии.


Полная версия статьи: PDF (336 кб), DOC (248 кб).

Оглавление

Введение.

Линейная молния и электронный пучок.

Образование шаровой молнии.

Строение шаровой молнии.

Распад шаровой молнии.

Свойства шаровой молнии.

Химический состав.
Излучение и спектр шаровой молнии.
Температура шаровой молнии.
Звуковые эффекты, сопровождающие шаровую молнию.
Распределение электрического заряда в шаровой молнии.

Заключение.

Реферат

Каждый из нас неоднократно видел обычную молнию. Это так называемая линейная молния, но очень-очень мало людей ставших свидетелями появления другой более загадочной – шаровой молнии.

В чем же загадка этой молнии, очевидно в том, что это очень редкое явление природы. Примерно, на тысячу обычных, линейных молний приходится всего 2...3 шаровых.

Хотя многие, к сожалению или к счастью, не сталкивались с шаровой молнией, на сегодняшний день существует более сотни различных теорий пытающихся объяснить её природу. Но древний как мир вопрос: «что такое шаровая молния?» до сих пор остается открытым.

В большинстве случаев появление шаровой молнии связано с обычной грозой, а точнее с линейной молнией. Вот некоторые примеры свидетельств, описанных в книге словацкого автора А. Главача «Молния и человек» (издание на русском языке: Главная редакция научно-технической литературы, г. Алма-Ата, Казахстан, 1989 г.):

– А. Старостин из Москвы: «Несколько лет тому назад я вместе с семьей проводил отпуск в Михневе, под Москвой. Вечером, во время грозы, я вышел на лестницу, ведущую в дом с улицы. Вдруг случилось нечто, о чем я нескоро забуду. Сверкнула молния, которая у земли, примерно в 15 м от меня, остановилась и превратилась в двухметровый огненный шар. Он выглядел как маленькое солнце, в середине был ослепительно белый. По краям вихрились огненные протуберанцы. Какое-то время шар крутился на месте, затем внезапно исчез. Меня ослепило, глаза слезились три дня. Потом все прошло!».

– Это случилось в апреле 1976 года. Преподаватель вуза профессор А.С. Тимощук видел, как с расстояния 20...30 м молния ударила в линию электропередачи. Одновременно на опоре электропередачи появилась желто-зеленая вспышка, и возник шар диаметром около 15 см, который, увеличивая постепенно скорость, начал катиться. Из желто-зеленого он сделался красным. Достигнув ближайшей точки электропровода, перепрыгнул на нижний провод, оттуда – на ветку дерева, стоявшего под ним. Упав на землю, он поскакал по автостраде, распался на несколько частей и погас.

– Инженер-строитель Н.Д. Трусаев из Севастополя вспоминает случившееся с ним в один из майских дней 1938 года. После вспышки молнии он увидел, как по вспаханному полю покатились цветные шарики. Спустя 3...5 секунд они слились, образовав огненный шар диаметром 50...70 см. Он оторвался от пашни, поднялся на высоту примерно 2 м и начал двигаться. Несколько раз сменив направление движения, шар налетел на стог соломы и поджег его.

– В 1943 году метеоролог Н.В. Мартынов также видел, как сразу после линейной молнии из телефонного аппарата выскочила шаровая молния диаметром 10 см. Огненный шар покатился по полу и взорвался с сильным шумом. Никто из присутствовавших не пострадал.

– 9 декабря 1956 года в Майкопе неожиданно разразилась сильная гроза. Из облаков вылетела искра и оставила за собой три шаровые молнии. Одна из них по отводу радиоантенны проникла в дом, сожгла электропроводку, разбила счетчик и со взрывом разделилась на два огненных шара. Взрыв приподнял потолок, и стены развалились. Один шар пробил стену и вылетел во двор. Там он обжег коню хвост и подкатился под стог сена, который сразу же вспыхнул, другой – перебил в доме перекладину. Вторая и третья шаровые молнии проникли в соседние дома, не вызвав в них пожара.

Таким образом, можно сделать вывод, что именно линейная молния, в большинстве случаев порождает молнию шаровую. О том, как это может происходить, возможно, даст ответ эта статья.

Остановимся на вопросе распространения линейной молнии в атмосфере. Изучение линейной молнии позволило ученым установить механизм её распространения, который включает в себя два главных этапа:

1) лидер – головной разряд представляет собой последовательность разрядов, порядка 50 метров длиной, определяющий траекторию линейной молнии. Заряд лидера до 5 Кл.

2) основной разряд – по каналу проложенному лидером от облака к земле (или между облаками) устремляется основной заряд (в среднем 25 Кл) молнии со скоростью 107...108 м/с, при этом температура в канале молнии (диаметром от 2 до 30 см) почти мгновенно достигает нескольких десятков тысяч градусов, что вызываем быстрое расширение газа, образуя ударные волны которые мы слышим как гром.

Уже на этапе лидера в канале линейной молнии формируется узкий поток электронов движущихся со скоростью порядка 105...106 м/с – электронный пучок.

Электронный пучок, распространяющийся в газовой среде это связанное электрическими и магнитными взаимодействиями направленное движение электронов обладающих коллективными свойствами, которые при движении пучка в ионизированном воздухе еще больше усиливаются. Расчеты показывают, (см. полную версию статьи: PDF, DOC) что вызываемые в газовой среде ионизационные каскады, проходящим через неё электронным пучком, образуют потоки вторичных, третичных и т.д. образованных при ионизации электронов скорость которых, примерно на порядок превышает скорость самого пучка! Эти потоки вторичных электронов, устремляясь во все стороны от головного заряда лидера, ионизируют окружающий воздух они, как бы «прощупывают» наиболее выгодное распространение электронного пучка в среде. Расчеты показывают, что наиболее энергетически выгодным направлением пучка в газовой среде, следует считать те области, где концентрация частиц газа наименьшая. Проше говоря, чем меньше плотность газа, тем легче его «пробить» электрическим разрядом. Отсюда вывод, что линейная молния выбирает такие области воздуха, где концентрация частиц минимальна (конечно, если считать электрическое поле и химический состав воздуха однородным по всему объёму). А в воздухе всегда имеется незначительная неравномерность в концентрации из-за перепадов в давлении, температуре, турбулентности и т.д.

А теперь представим ситуацию, при которой электронный пучок линейной молнии, по каким-либо причинам будет заперт в определенной области пространства с низкой концентрацией частиц окруженную со всех сторон плотной средой. Одной из таких причин, может стать объёмный взрыв газа, инициированный разогревом и ионизацией газовой среды быстрым потоком электронов. В результате взрыва образуется фронт ударной волны, расширяющийся со скоростью, в среднем, 1000 м/с, причем концентрация частиц в нем увеличивается в 8 раз по сравнению с концентрацией окружающего воздуха. В то же самое время, в центре взрыва образуется зона низкой концентрации частиц газа, в которую вполне может попасть электронный пучок линейной молнии. Электронный пучок, наталкиваясь на плотный фронт ударной волны, отражается обратно в зону низкой концентрации, так как это наиболее энергетически выгодное направление, т.о. пучок в поисках выхода многократно рассеивается обратно в зону низкой концентрации частиц газа. Так как скорость электронного пучка намного выше скорости расширения фронта ударной волны, то в минимальный момент времени он ионизирует окружающий его газ в фронте ударной волны и в зоне низкой концентрации, превращая их в плазму – плазменный шар. Таков возможный сценарий рождения шаровой молнии.

Плазменно-пучковая модель шаровой молнии состоит из двух зон:

  1. Центральная часть – зона низкой концентрации ионов, в которой с большой скоростью беспорядочно движется электронный пучок.
  2. Внешняя плазменная сфера с высокой концентрацией положительных ионов, которая больше или равна концентрации молекул окружающего воздуха.

Похожую идею запирания выдвигал в свое время академик, лауреат Нобелевской премии П.Л. Капица, но он рассматривал запирание электромагнитной волны определенной частоты в плазме. Но, т.к. энергии запертой электромагнитной волны недостаточно для поддержания плазмы, предполагалось их закачка из вне (например, от разрядов обычной линейной молнии), однако выяснилось, что такие электромагнитные волны нужной интенсивности в природе не генерируются. Электронный пучок в отличие от электромагнитной волны среда более энергичная, ускоренный мощным электрическим полем, энергия пучка может составить значительную величину, которой вполне может хватить на поддержание плазмы в течение относительно продолжительного времени. Компьютерные расчеты данной плазменно-пучковой модели шаровой молнии дают среднее время «жизни» (наиболее часто встречающейся шаровой молнии в природе с диаметром 10...15 см) несколько минут.

Предполагаемые свойства данной модели очень схожи (в большинстве описаний) со свойствами реальной шаровой молнии существующей в природе.

Некоторые свойства плазменно-пучковой модели, а также её завершающей стадии подробно описаны в полной версии статьи, поэтому здесь остановимся на вопросе получения шаровой молнии в лабораторных условиях. Исходя из предложенной модели образования ШМ, можно создать такие условия в лабораториях, (где имеется возможность получения искрового разряда длиной в несколько метров) при которых искровой разряд индуцировал бы взрыв газа в небольшом объёме, таким образом можно увеличить вероятность запирания электронного пучка в зоне низкой концентрации взрыва. Как это можно осуществить на практике, уже отдельный инженерный вопрос.

 

См. также:

  1. Носков Н.К. Физическая модель шаровой молнии. НиТ, 1999.
  2. Чинарёв И.П. Подходы к объяснению шаровой молнии. НиТ, 1999.
  3. Маханьков Ю.П. Условия образования шаровой молнии. НиТ, 2000.
  4. Федосин С.Г., Ким А.С. Шаровая молния: электронно-ионная модель. НиТ, 2000.
  5. Карцев В.П. Приключения великих уравнений. Загадка в форме шара. НиТ, 2001.
  6. Резуев К.В. Шаровая молния. НиТ, 2002.
  7. Белый В.А. Шаровая молния: устройство, причина устойчивости. НиТ, 2011.
  8. Черкашин Ю.С. Шаровая молния создана кольцевым током. НиТ, 2011.

Дата публикации:

30 сентября 2005 года

Электронная версия:

© НиТ. Препринт, 1997

В начало сайта | Книги | Статьи | Журналы | Нобелевские лауреаты | Издания НиТ | Подписка
Карта сайта | Cовместные проекты | Журнал «Сумбур» | Игумен Валериан | Техническая библиотека
© МОО «Наука и техника», 1997...2017
Об организацииАудиторияСвязаться с намиРазместить рекламуПравовая информация
Яндекс цитирования
Яндекс.Метрика