Тарасов Л.В. - Ветры и грозы в атмосфере Земли (1109048), страница 44
Текст из файла (страница 44)
Чаще всего шаровая молния обходит человека стороной. Миогих наблюдателей удивляет тот факт, что даже иа близком расстояиии оии ие ощушали тепла от молнии. В отдельных случаях даже прямое прикосновение молнии ие причиняло вреда; иногда оио давало ожоги, хотя и болезненные, но отнюдь не смертельные. Следовательио, температура иа поверхности молнии невысока — оиа либо соответствует обычной температуре, либо немного превышает ее. Внутри шаровой молнии температура выше, чем иа ее поверхности, однако вряд ли она превышает 300 — 400 С.
Можно утверждать, что опасность шаровой молнии несколько преувеличена. Как показывает практика, куда более опасна линейная молния. Как возникает шаровая молния и как часто это происходит? В большинстве случаев (более 90 %) шаровая молния возникает во время грозы, когда наблюдаются обычные молнии и напряженность атмосферного электрического поля особенно велика.
Однако шаровые молнии наблюдаются иногда и в отсутствие грозы и даже в ясную погоду. 3.5. Шаровая молвил 243 Вопрос о том, как возникает шаровая молния, является, пожалуй, наиболее сложным и неясным. В большинстве своем наблюдатели утверждают, что шаровая молния возникла либо сразу после разряда, либо перед разрядом обычной молнии, что бывает реже. Возможно, на рис.
3.25 сфотографирован момент рождения шаровой молнии. Рис. 3.2$ Как именно рождается шаровая молния при разряде обычной молнии? Возможно, она возникает тогда, когда спускающийся из тучи ступенчатый лидер встречается в нескольких десятках метров над землей со встречным лидером (рис. 3.26, а) (о лидерах рассказывалось в разд. 3.5). Возможно также, что шаровая молния возникает в месте резкого излома обычной молнии (рис. 3.26, 6) или в том месте, где произошло ее раздвоение (рис.
3.26, в). Нельзя не принимать во внимание и сообщения, что шаровая молния возникла из земли или воды в том месте, которое было только что поражено обычной молнией (рис. 3.26, г). Наконец, шаровая молния может родиться при разряде между тучами (рис. 3.26, д). Во всех этих случаях она образуется за счет энергии разряда обычной молнии. Как часто рождается шаровая молния? Ее принято считать редким явлением по той причине, что она редко наблюдается. Однако это еше не означает, что она редко возникает. Возможно, шаровая молния возникает столь же часто, как и обычная молния.
Обычная молния ярко вспыхивает, хорошо видна за километры и даже десятки километров; к тому же она оповещает о своем возникновении раскатами грома. Что же касается шаровой молнии, то она далеко 244 Глава 3. 3левтраееетво в аоеаое4мре не столь заметна. Чтобы обратить внимание на небольшой шар, движущийся практически бесшумно и светящийся как электрическая лампочка, необходимо, что называется, столкнуться с ним «нос к носу».
Кроме того, надо учесть, что шаровую молнию наблюдают вблизи земной поверхности (на высоте от метра до десятков метров), так что она легко может скрыться за теми или иными объектами. Могут возразить, что шаровую молнию нетрудно опознать по ее взрыву. Но не всегда она заканчивает свое существование взрывом. Приводившаяся оценка 60% случаев с взрывом относится к случаям наблюдения, а не к случаям возникновения.
Может быть, значительно чаще молния заканчивает свое существование спокойно, без взрыва; просто мы ее не замечаем. Рис. 3.26 З.д Шаровая мавния 245 Гипотезы о природе шаровой молнии Если физическая природа линейной молнии была установлена более двухсот лет назад, то природа шаровой молнии до сих пор остается, по сути дела, неразгаданной. Все гипотезы, касающиеся природы шаровой молнии, можно разделить на две группы.
В первую входят гипотезы, согласно которым шаровая молния непрерывно получает энергию извне. Предполагается, что молния каким-то образом (по какому-то каналу) получает энергию, накапливающуюся в облаках, причем тепловыделение в самом канале оказывается незначительным, так что вся передаваемая по нему энергия сосредотачивается в объеме шаровой молнии, вызывая его свечение. Ко второй группе относятся гипотезы, согласно которым шаровая молния после своего возникновения становится самостоятельно существующим объектом. Он состоит из некого вещества, внутри которого происходят процессы, приводящие к выделению энергии. Среди гипотез первой группы следует отметить гипотезу, предложенную в 1955 г.
академиком Петром Леонидовичем Капицей (1894 в 1984). Предполагалось, что энергия подводится к шаровой молнии посредством электромагнитного излучения диапазона сверхвысоких частот (диапазона дециметровых и метровых электромагнитных волн). Сама шаровая молния рассматривалась как пучность стоячей электромагнитной волны, находящаяся на расстоянии четверти длины волны А от поверхности земли или какого-либо проводящего объекта (рис. 3.27). В области этой пучности напряженность поля очень .з.гт высока, поэтому здесь образуется сильно ионизованная плазма, которая и является веществом шаровой молнии. Несмотря на многие привлекательные стороны данной гипотезы, она все же представляется несостоятельной.
Дело в том, что она не 246 Глава 3. Электричество е атмосфере может обьяснить характер перемещений шаровой молнии, ее причудливого блуждания. В рамках данной гипотезы трудно объяснить хорошо наблюдаемую четкую поверхность шаровой молнии. К тому же взрыв такой молнии вообще не должен сопровождаться выделением энергии.
Если по каким-то причинам поступление энергии электромагнитного излучения вдруг прекратится, нагретый в пучности волны воздух быстро остынет и, сжимаясь, воспроизведет громкий хлопок. Следует признать, что подобными недостатками страдают все гипотезы первой группы. Учитывая накопленные данные наблюдений, можно вполне уверенно утверждать, что шаровая молния— это самостоятельно существующее физическое тело. Иными словами, следует отдать предпочтение гипотезам второй группы.
Остановимся на некоторых таких гипотезах. Одна из них предполагает чисто химическую природу шаровой молнии. Эту гипотезу разрабатывал в середине 70-х гг. прошлого столетия российский химик Б.М. Смирнов. Он предположил, что шаровая молния состоит из обычного воздуха (с температурой примерно на 100 градусов выше температуры окружающей среды), небольшой примеси озона О, и оксидов азота ХО и 1чО .
Принципиально важную роль играет здесь озон, образующийся при разряде линейной молнии. Внутри шаровой молнии происходят химические реакции: ХО + О, — о )ЧО + О, ХО, + О, -ь ХО, + О . Они сопровождаются выделением энергии. При этом в объеме диаметром 20 см выделяется примерно 1 кДж энергии. Это мало; запас энергии шаровой молнии таких размеров должен составлять, как мы знаем, примерно 100 кДж. Недостатком рассматриваемой модели является также невозможность объяснения устойчивости формы шаровой молнии, существования поверхностного натяжения.
Непонятно, каким образом у нагретого воздушного пузыря, обогащенного озоном, может возникнуть четкая поверхность, отделяющая его от окружающей атмосферы. Поэтому обратим внимание на гипотезу, согласно которой шаровая молния состоит из положительных и отрицательных ионов. Ионы образуются за счет энергии разряда линейной молнии. Затраченная на их образование энергия как раз и определяет запас энергии шаровой молнии. Она высвобождается при рекомбинации ионов. Благодаря кулоновским (электростатическим) силам, действующим меж- ДД Шаровая молния 247 ду ионами, объем, заполненный ионами, будет обладать поверхнос- тным натяжением, что и определяет устойчивую шаровидную фор- му молнии. Решим в связи с этим следукнцую задачу. Задача 3 Ионы заполняют объем сферы радиусом г = 10 см, концентрация ионного газа н = 10ь«см-'.
Требуется оценить энергию И; запасенную в таком объеме, если энергия ионизации Иг,. = 8 эВ (в расчете на один ион). В единице рассматриваемого объема запасена энергия н И', Умножив ее на объем шара — нг, находим искомую энергию: 4 з 3 Иг = — нг нйг.. 4 3 ! (3.31) Задача 4 Имеется сфера радиусом г = 1 см, заполненная газом из нейтральных атомов концентрацией н = !Ом см-'. Предположим, что из каждого атома ушел один электрон и поместился на поверхности Подставив в (3.31) числовые значения величин (учтя при этом, что Иг,.
= 8 эВ = 1,28 1О-" Дж), найдем И' = 52 кДж. Эта энергия вполне согласуется со сделанными ранее оценками энергии шаровой молнии соответствующих размеров. У рассматриваемой модели шаровой молнии есть, однако, уязвимое место. Дело в том, что если положительные и отрицательные ионы будут равномерно «перемешаны» в объеме молнии, то они будуг очень быстро рекомбинировать — за время порядка 1О з с. Следовательно, такая шаровая молния не может существовать в течение секунд, а тем более минут.
Желательно существенно затормозить процесс рекомбинации ионов. Задержка рекомбинации могла бы быть связана с разделением в пространстве ионов разного знака. Например, можно предположить, что положительные ионы сосредоточены в центре шара, а отрицательные вблизи его поверхности. Однако такое предположение следует исключить. Во-первых, отсутствует физический механизм, который мог бы заставить ионы именно так распределиться в пространстве.
Во-вторых, между разделенными зарядами возникли бы поистине гигантские силы притяжения, которые невозможно уравновесить. Решим в связи с этим следующую задачу. 248 Глава 3. Электричество в атмосфере сферы, а оставшиеся положительные ионы сосредоточились в центральной части сферы. Чему равна сила электростатического притяжения г" между электронами и ионами? Обозначим через )г объем сферы. После разделения зарядов на поверхности сферы и в ее центре сосредоточатся заряды разного знака, каждый из которых по модулю равен Д = Ьау, где д = 1,6 1О ьч Кл— абсолютное значение заряда электрона. Сферическая симметрия совокупности разделенных зарядов позволяет для определения искомой силы Р'воспользоваться законом Кулона: /со~ 2 г (3.32) где (г = — = 9 10» (Н.мз)/Клз. 4кео Так как К= — нг =4см, 4 з з 3 то Д = 4 1О'чд.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
