Исследование шаровой молнии

ИССЛЕДОВАНИЕ ШАРОВОЙ МОЛНИИ

План

Общее представление о шаровой молнии
Случаи наблюдения шаровой молнии
Внешний вид шаровой молнии
Энергетика шаровой молнии
Шаровая молния в движении
Опасность шаровой молнии
Причины появления молнии такого типа
О частоте появлений шаровой молнии
Физическая природа шаровой молнии
Список литературы

1. Общее представление о шаровой молнии

В представленной работе будет идти речь об одном из самых интересных – с точки зрения физики – явлений природы – шаровой молнии. Шаровой молнией принято называть светящиеся образования, по форме напоминающие шар. Это явление возникает иногда во время грозы в воздухе, чаще всего, вблизи поверхности. Всегда сопровождаясь обычной молнией, шаровая молния сильно отличается от неё и по своему поведению, и по внешнему виду. В отличие от обычной (линейной) молнии, шаровая не сопровождается громом, она практически бесшумна. С другой стороны, шаровая молния может существовать до нескольких минут, тогда как обычная молния характеризуется кратковременностью. Поведение шаровой молнии является совершенно непредсказуемым. Абсолютно невозможно предсказать направление, в котором в следующее мгновение переместится светящийся шар и чем завершится его появление (взрывом или простым исчезновением)

Существует множество вопросов, касающихся шаровой молнии. Каким образом она попадает в закрытые помещения? Что служит предпосылками для ее появления? Почему она светится, но при этом не излучает тепла? Из-за чего ее форма столь длительное время остается неизменной? Эти и некоторые другие вопросы пока остаются без ответа

2. Случаи наблюдения шаровой молнии

Познакомимся с некоторыми случаями из истории наблюдений данного явления

Один из случаев возникновения шаровой молнии был описан М.В. Ломоносовым, который подробно исследовал на месте последствия происшедшего. Упомянутый случай произошел 26-го июля 1752 г в Петербурге в результате неудачного эксперимента, проведенного в Физической лаборатории Петербургской Академии наук. Его проводил профессор Г. В. Рихман. Целью данного эксперимента являлось исследование влияния грозы на устройство для измерения атмосферного электрического поля, изобретенное самим профессором. Погода благоприятствовала проведению эксперимента: с утра было душно, а к середине дня сгустились тучи, началась гроза. Вместе с Рихманом в лаборатории находился его друг-гравер Академии наук

Для того, чтобы уловить молнию, измерительное устройство Рихмана было соединено с металлический стержнем, выходящим на крышу. Когда в стержень попала молния, вблизи устройства вдруг появился светящийся голубой шар размером с кулак. Стоящий в полушаге от устройства Рихман был убит ударом прямо лоб. Раздался громкий треск, похожий на выстрел. На гравере загорелась одежда от раскалившейся проволоки от устройства. Все вышеперечисленное не оставляет никаких сомнений в том, что Рихман был убит шаровой молнией

Описанному выше происшествию были свидетели, оказавшиеся на улице вблизи лаборатории, которые видели, как в металлический стержень на крыше попала молния. Имеется также гравюра, сделанная гравером, очевидцем трагической смерти Рихмана

Другой случай был описан французским физиком Д’Араго, который в первой половине 19-го века собрал сведения о 30-ти случаях наблюдения шаровой молнии. Вот один из них:

“ После сильного удара грома в открытую дверь влетела бело-голубая шарообразная масса диаметром 40 см и начала быстро двигаться по комнате. Она подкатилась под табурет, на котором я сидел. И хотя она оказалась у моих ног, тепла я не ощутил. Затем шаровая молния притянулась к батарее и исчезла с резким шипением. Она оплавила участок батареи диаметром 6 мм, оставив лунку глубиной 2мм”

3. Внешний вид шаровой молнии

Как следует из названия, форма этого типа молнии близка к шарообразной, однако молния может вытягиваться, принимая форму груши или эллипсоида, а ее поверхность может изгибаться. Предположим, что шаровая молния представляет собой практически шар. Диаметр шаровых молний колеблется в пределах от долей сантиметра до нескольких метров, но наиболее распространенный размер молнии составляет около 15...30 см

Как правило шаровая молния передвигается тихо, но может издавать звуки – шипение или жужжание, особенно если она искрит. Он всегда светится - иногда ярко, а иногда довольно тускло. Яркость света шаровой молнии примерно эквивалентна яркости света 100-ваттной лампочки. Цвет молнии может быть разным, но чаще всего бывает оранжевым, красноватым, либо желтым. Внутри нее непосредственно до угасания могут появляться темные области в виде нитей, пятен, каналов. Иногда на поверхности молнии начинают плясать язычки пламени, из нее выбрасываются снопы искр

4. Энергетика шаровой молнии

Проанализировав последствия, оставленные шаровой молнией после своего исчезновения, можно оценить ее наименьшее количество энергии. Используем данные сообщения одного из наблюдателей: “Она оплавила участок батареи диаметром 6 мм, оставив лунку глубиной 2 мм”

Значит, молния испарила около 0,45 г железа, затратив при этом энергию, равную 4 кДж. Ясно, что далеко не вся энергия шаровой молнии была израсходована на испарение небольшого участка батареи. Исходя из этого можно сделать вывод о нижней границе энергии молнии: эта энергия оказывается в пределах нескольких килоджоулей

В другом сообщении было указано, что деревянная причальная свая диаметром 30 см торчащая из воды была расщеплена на длинные щепки вдоль волокон шаровой молнией диаметром 30 см

Из этого следует, что шаровая молния диаметром 25 см имеет энергию в пределах примерно 100 кДж. Такая оценка согласуется с результатами достаточно большого числа наблюдений, поэтому ее можно считать вполне правдоподобной

5. Шаровая молния в движении

Движение шаровой молнии, несмотря на причудливость траектории, по которой оно происходит, подчинено некоторым закономерностям. Сперва, возникнув где - то вверху, в тучах, она опускается поближе к поверхности земли. Далее она перемещается практически горизонтально земной поверхности и при этом, как правило, повторяет рельеф местности. Молния чаще всего, обходит, огибает людей, как и все другие проводящие ток объекты. Она охотно проникает внутрь помещений, при этом проявляя удивительные способности в части прохождения через совершенно разные отверстия и щели, в том числе и такие, чьи размеры гораздо меньше диаметра самой молнии. К примеру, сквозь отверстие диаметром всего в несколько миллиметров может пройти молния диаметром 40 см. При проникновении сквозь малое отверстие, вещество молнии как бы переливается через отверстие, а сама она очень сильно деформируется. После прохождения сквозь отверстие молния восстанавливает свою шаровую форму, что вызывает немалое удивление

Средний срок существования шаровой молнии колеблется в пределах примерно от 10 с до 1 мин, в зависимости от ее диаметра. Дольше всех живут молнии диаметром 10...40 см. Очень маленькие (диаметром порядка сантиметра и меньше) и очень большие молнии (диаметром около метра и больше) существуют меньше. Исчезновение молнии также происходит по-разному. Маленькие молнии (30% случаев) обычно угасают (“сгорают”), а большие (в 55% случаев) чаще всего после взрыва распадаются на части

6. Опасность шаровой молнии

Конечно, встреча с шаровой молнией несет в себе определенную опасность, и этому есть немало подтверждений. Однако чаще всего этот тип молнии не приносит никакого ущерба для жизни или здоровья свидетелей происшествия. Как показал проведенный опрос, лишь пять из полутора тысяч случаев, описанных в письмах закончились смертельным исходом

Как правило шаровая молния проходит мимо проводящих объектов, в том числе и мимо человека. Температура на поверхности молнии примерно равна обычной комнатной температуре, а если и превышает ее, то ненамного (не более чем на 100 К). Это следует из того, что некоторые случаи контакта с молнией не приводили ни каким травмам. В других случаях прикосновение давало ожоги, хотя и болезненные, но далеко не смертельные. Внутри шаровой молнии температура выше, чем на ее поверхности, однако скорее всего она не превышает 300...400 ° С

Как следует из вышесказанного, не стоит преувеличивать опасность, которую несет в себе шаровая молния. Практика показывает, что линейная молния является гораздо более опасным природным явлением

7. Причины появления молнии такого типа

Как правило шаровая молния возникает во время грозы. Об этом говорят более 90% известных случаев. Однако не исключена вероятность появления шаровой молнии в ясную погоду, и отдельные сообщения говорят об этом. По разным предположениям, она может появиться за счет энергии разряда обычной молнии, подводящейся к розетке, либо телефонному аппарату по проводам, подключенным к ним

8. О частоте появлений шаровой молнии

Считается, что шаровая молния – это достаточно редкое природное явление, поскольку имеется не так уж много случаев ее наблюдения. Но не следует путать частоту ее наблюдений с частотой появлений, и делать вывод о том, что шаровая молния редко возникает

Согласно одной гипотезе, шаровая и линейная молнии появляются с примерно одинаковой частотой. Обычная молния ярко вспыхивает, благодаря чему хорошо заметна за километры и даже десятки километров; и кроме того всегда сопровождается раскатами грома. Шаровая молния, конечно, далеко не так заметна, так как она движется практически бесшумно, и представляет собой сравнительно небольшой светящийся шар, яркостью примерно как 50-ваттная лампочка. Увидеть его можно на небольшом расстоянии. Шаровую молнию наблюдают, в основном, недалеко от земной поверхности (на высоте от метра до десятков метров), поэтому она легко может скрыться за теми или иными объектами

Предположим, что шаровая молния действительно возникает в месте удара обычной молнии, которое редко можно наблюдать в непосредственной близости. Считается, что шаровая молния чаще всего заканчивает своё существование взрывом (как уже упоминалось, в 55% случаев). Однако эти 55% относятся к случаям наблюдения, а не случаям появления. Можно предположить, что молния значительно чаще заканчивает своё существование спокойно, без взрыва, ведь при этом мы просто можем ее не заметить

Наблюдатель сможет увидеть лишь те шаровые молнии, которые либо приблизились к нему, либо случайно возникли около него. Но вряд ли кто-то сможет разглядеть небольшой светящийся шарик на расстоянии в несколько километров. Итак, вполне возможно, что шаровая молния – не такое уж редкое явление. Конечно, это всего лишь предположение. В настоящее время мы не можем её подтвердить, однако у нас нет оснований её отбросить

9. Физическая природа шаровой молнии

Более двухсот лет тому назад была установлена физическая природа линейной молнии, но природа шаровой молнии остаётся не выясненной до настоящего времени

Можно выделить две группы гипотез, касающиеся физической природы шаровой молнии. Согласно первой группе предположений, шаровая молния непрерывно получает энергию снаружи. Гипотезы, согласно которым шаровая молния после своего возникновения становится самостоятельно существующим объектом образуют другую группу. Однако все эти гипотезы нельзя назвать правдоподобными, хотя на первый взгляд они производят такое впечатление

В 1974 г И.П. Стахановым была предложена так называемая кластерная гипотеза , согласно которой физическую природу шаровой молнии можно объяснить на основе понятия кластер

Кластер – это положительный или отрицательный ион, окутанный плотным облаком из нейтральных молекул. Рассмотрим молекулу воды. Она является полярной молекулой, поскольку центры её положительных зарядов не совпадают с центрами отрицательных зарядов. Она в силу своей полярности удерживается вблизи ионов силами электростатического притяжения. Гидратированным называется ион, окружённый молекулами воды. Согласно гипотезе Стаханова, вещество шаровой молнии состоит из таких комплексов

Таким образом, кластерная гипотеза Стаханова утверждает, что шаровая молния – это самостоятельно существующее тело (т.е. тело, к которому не подводится энергия от внешних источников. Это тело состоит из тяжелых положительных и отрицательных ионов, рекомбинация которых серьезно замедлена из-за гидратации ионов

В отличие от остальных, данная гипотеза достаточно хорошо поясняет все свойства шаровой молнии, которые были выявленные в результате многочисленных наблюдений за этим явлением. И все же нужно признать, что пока это – всего лишь одна из самых правдоподобных гипотез только гипотеза, которая не подтверждена никакими фактами

10. Список литературы

1. Тарасов Л.В. Физика в природе. – М.: Просвещение, 1988