Тарасов Л.В. - Ветры и грозы в атмосфере Земли (1109048), страница 45
Текст из файла (страница 45)
Подставив в (3.32) числовые значения, получим Р= 4 1О" Н. Мы получили действительно гигантскую силу притяжения. Итак, остается вопрос: каким образом можно затормозить рекомбинацию равномерно перемешанных в объеме сферы ионов? Возможный ответ на этот вопрос предлагает так называемая кластерная гинотеза, предложенная в 1974 г. российским физиком Игорем Павловичем Стахановым (1928 — 1987). Кластер — это положительный или отрицательный ион, окруженный своеобразной «шубой» из нейтральных молекул. Если ион окружен молекулами воды, его называют гидратированным.
На рис. 3.28 изображена схематически молекула воды. Она является полярной молекулой; центры ее положительных и отрицательных зарядов не совпадают друг с другом. На рис. 3.29, а показан кластер — гндратированный отрицательный ион, а на рис. 3.29, б — еше один кластер— гидратированный положительный ион. Молекулы воды в силу своей полярности удерживаются вблизи ионов силами электростати- 3.5. Шаровая молния 249 ческого притяжения. Заметим, что гидратированные ионы известны давно; они имеются в растворах электролитов.
Они найдены также в земной атмосфере. Рис. 3.29 Рис. 3.29 На рис. 3.30 два гидратированных иона разных знаков обьединились в нейтральный комплекс. Вот из таких комплексов и состоит, согласно гипотезе Стаханова, вещество шаровой молнии. Таким образом, предполагается, что в шаровой молнии каждый ион окружен «шубой» из молекул воды. Эга ° шуба» мешает ионам сблизиться непосредственно друг с другом и тем самым существенно замедляет рекомбинацию ионов.
Если количество рекомбинаций ионов за единицу времени в единице объема не слишком велико, шаровая молния ведет себя спокойно. Выделяющаяся при рекомбинации энергия преобразуется в энергию светового излучения и частично передается окружающей среде через теплообмен. Когда же число рекомбинаций становится большим, выделяющаяся энергия не успевает отводиться из молнии — и тогда дружно рушатся оболочки ионов-кластеров, рекомбинация резко усиливается — происходит взрыв. Рис. 3.39 Итак, согласно кластерной гипотезе, шаровая молния вреоетавляет собой самостоятельно существующее тело (без непрерывного 250 Глава 3.
Электричество е атмосфере подвода энергии от внешних источников), состоящее из тяжелых положительных и отрицательных ионов, рекомбинация которых сильно заторможена вследствие гидратации ионов. Надо признать, что кластерная модель шаровой молнии не получила всеобщего признания. В начале ХХ! в. физики чаще всего сходятся на том, что шаровая молния — это фактически «кусочек» плазменного канала линейной молнии, отделившийся от нее и существуюший самостоятельно.
Это сгусток плазмы, который может рассматриваться как плазменный вихрь. Он в течение некоторого времени удерзкивается в атмосферном воздухе собственным магнитным полем. Предложен ряд моделей подобного рода. Мы не будем их обсуждать не только из-за их количества, но и из-за нецелесообразности углубляться в вопросы физики плазмы, с которыми наш читатель вряд ли знаком. Ограничимся лишь самыми общими соображениями, опустив детали и весьма упростив реальную картину процессов.
Напомним, что плазменный канал линейной молнии — это поток движущихся в одном и том же направлении электронов. Он создает вокруг себя магнитное поле, силовые линии которого образуют концентрические окружности (на рис. 3.31, а линии магнитной индукции В показаны штриховыми окружностями). Это достаточно мошное магнитное поле; оно удерживает плазму в центральном канале молнии несмотря на очень высокую температуру. Рис.
3.31 Рис. 3.32 Мысленно отделим «кусочек» канала линейной молнии (он заштрихован на рисунке). Траектории электронов закручиваются силой Лоренца вокруг силовых линий магнитного поля — и появляется плазменный тороид (рис. 3.31, б). Понятно, что плазменный тороид обладает той энергией, которая ему досталась от породившей его линейной молнии. З.Д Шаровая молния 261 Создаваемые магнитным полем таранда силы Лоренца будут удерживать тороид в атмосфере, отграничивая его от окружающей среды. Более того, под их действием отделившийся от линейной молнии тороид сжимается и приобретает шарообразную в целом структуру, сечение которой схематически изображено на рис.
3.32. Эта структура есть плазменный тороид, стянутый собственным магнитным полем. Мы говорили о мысленном (воображаемом) отделении «кусочка» линейной молнии, превращающемся в плазменный тороид. А где на протяжении канала линейной молнии может произойти такое отделение в действительности? Оно может произойти в том месте, где канал контактирует с поверхностью (в момент удара молнии). Или в том месте канала, где его направление резко изменяется. Или в том месте, где происходит раздвоение канала линейной молнии. Все эти возможные места зарождения шаровой молнии отмечались на рис.
3.26. Существуют также иные электродинамические плазменные модели шаровой молнии, не предполагающие образование плазменного тороида. Например, есть модель, в которой рождается плазменный шар в результате обьемного взрыва ври быстром разогреве воздуха мощным электронным пучком линейной молнии. Шаровая молния рождается в том месте канала линейной молнии, где произошел взрыв. А он мог произойти в месте встречи основного и встречного лидеров, месте излома канала или его раздвоения. Несмотря на обилие моделей, мы пока не разгадали природу шаровой молнии.
Разные модели неплохо описывают те или иные ее свойства, но отнюдь не весь комплекс свойств, установленных на основе наблюдений. Попытки лабораторного воспроизведения шаровой молнии Первую попытку предпринял в конце Х1Х в. сербский изобретатель Никола Тесла (1856 — 1943). Он сообщил, что при определенных условиях зажигая газовый разряд, наблюдал после выключения напряжения светящийся шар диаметром 2 — 6 см.
К сожалению, Тесла не раскрыл детали своего эксперимента. Новые попытки получения шаровой молнии начали предприниматься с 40-х гг. ХХ в. Как правило, они проводились по схеме: 252 Глава Д Электричество е атмосфере создается газовый разряд и затем подыскиваются условия, при которых разряд преобразуется в светла!яйся шар.
При этом удавалось создать лишь весома кратковременные разряды сферической формы, которые мало походили на природные шаровые молнии, способные существовать до минуты и более и перемещаться при этом на значительные расстояния. В качестве примера отметим эксперименты, выполненные в 2000 г. в Гатчине (вблизи Санкт-Петербурга). Там создали установку, на которой многократно воспроизводились всплывающие в воздух над поверхностью воды светящиеся образования диаметром от 10 до 14 см с временем высвечивания от 0,3 до 0,5 с и энергией до 1 Дж. Осуществлялся электрический высоковольтный разрял в приповерхностную область воды, налитой в цилиндрический сосуд диаметром 18 см и высотой ! 2 см. Длительность разряда изменялась от 50 мс до 70 мс.
По окончании разряда от поверхности воды отделялся и всплывал в воздух светящийся шар. Рис. 3.33 3.6. Высотные грозовые разряды в атмосфере: снрайты и дясеты 253 Наблюдатель не может увидеть своими глазами быстропротекающий процесс рождения и высвечивания сферического образования. Поэтому процесс снимали на камеру, а затем рассматривали по кадрам. Один кадр такой съемки представлен на фотографии на рис. 3.33. Фотография, конечно, впечатляет. Однако трудно рассматривать это кратковременное светящееся образование как аналог природной шаровой молнии.
Загадки шаровой молнии Пока еще ученые не могут создать полную теорию шаровой молнии — теорию, которая бы дала ответ на следующие вопросы. Каковы конкретные условия возникновения шаровой молнии и почему она может возникнуть в отсутствие грозовой деятельности? Почему шаровая молния столь устойчива и как можно объяснить наличие довольно сильного поверхностного натяжения на границе, отделяющей шаровую молнию от окружающей среды? Как шаровая молния может существовать в течение довольно большого промежутка времени и откуда в ней столь значительные (до десятков и, возможно, сотен килоджоулей) запасы энергии? Почему шаровая молния светится и в то же время не излучает сколь-либо заметного тепла? Почему шаровые молнии могут иметь различный цвет и почему цвет шаровой молнии может изменяться во время наблюдения (что, кстати, говорит об отсутствии связи цвета с температурой молнии)? Как шаровая молния может «перетекатьо сквозь небольшие отверстия? Мы видим, что в настоящее время шаровая молния вправе считаться одним из самых загадочных природных явлений.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
