Наблюдения шаровой молнии (стр. 3 )

Анатолием Никитиным были также зачитаны доклады Владимира Бычкова и Анатолия Климова (Anatoly Klimov), которые не смогли приехать на симпозиум. Владимир Бычков представил на симпозиум описание новой модели униполярной шаровой молнии, в которой энергия запасается не только в виде энергии электрического поля, но и химической энергии полимерной структуры. Согласно этой модели плазма, существующая вблизи поверхности шаровой молнии, постепенно разогревает полимер до точки воспламенения, что в конце концов приводит к гибели шаровой молнии. Интерес вызвал также второй доклад, автором которого является Владимир Бычков, - о случаях падения с неба желатинообразных масс больших размеров (до 1 метра). Согласно гипотезе автора причиной появления таких объектов служит жизнедеятельность в облаках сине-зелёных водорослей. Правда, аудитории не удалось объяснить, как эти объекты успевают вырасти в облаках до метровых размеров. В докладе Анатолия Климова ядром является обнаружение избыточного тепла при электрическом разряде в потоках смесей аргона или гелия с небольшим количеством пропана. Автор просто зафиксировал этот факт, не представив объяснения указанного явления.

Международный комитет по шаровой молнии освободил от обязанностей вице-президента комитета Йоши-Хико Отзуки (Yoshi-Hiko Ohtsuki) (по его просьбе) и избрал на его место Хидехо Офурутона. В комитет представителем от России был избран Владимир Бычков. Следующий, 9-й Симпозиум по проблеме шаровой молнии решено провести в 2006 году в Энтховене (Eindhoven) в Нидерландах.

Литература

1.  . Теория горения и детонации газов. М.: Изд-во АН СССР, 1944.

2.  P. D. Ronney. Proc. 27th Intern. bustion Institute, Pittsburg, 1998.

3.  M. Greenfield. Science. 2004, V. 304, P. 43 .

4.  D. Voslamber, D. K. Callebaut. Stability of Force-free Magnetic Fields. Phys. Rev. 1962, V. 128, P. 2016.

5.  G. C. Dijkhius. A model for Ball Lightning. Nature. 1980, V. 284,
P. 150-151.

6.  M. L. Shmatov. New Model and Estimation of the Danger of Ball Lightning. J. Plasma Physics. 2003, V. 69, P. 507-527.

7.  P. H. Handel. Maser Theory of Ball Lightning. Bull. Amer. Phys. Soc. 1975, Series II, N. 20, P. 26.

8.  M. Kamogawa, H. Tanaka, H. Ofuruton, Y.-H. Ohtsuki. Proc. of Japan Acad. 1999, V. 75, Ser. B, P. 275-280.

9.  A. I. Nikitin. The Principles of Developing the Ball Lightning Theory. Journ. of Russian Laser Res. 2004, V. 25, N. 2, P. 169-191.

10.  V. chkov. Polymer Ball Lightning Model. Physica Scripta. 1994, V. 50, P. 591-599.

11.  G. C. Dijkhuis. Helix String Model for Turbulent Vorticity and Cavitation in Shearing Arc Plasma. Annales of New York Academy of Sciences. 1999, V. 891, P. 259-272.

12.  A. I. Nikitin. An Electrical Capacitor as the Element of the Power Core of Ball Lightning. Electrical Technology Russia. 1998, N.4, P. 70-85.

Рис. 1. Сферическое пламя, движущееся по винтовой линии
в условиях невесомости.

Рис. 2. Фотография шаровой молнии, сделанная в Индии.

Рис. 3. Конфигурация магнитных полей, свободных от сил.

Рис. 4. Наложение кадров видеосъёмки шаровой молнии в Звоенитце.

Рис. 5. Древняя японская гравюра, показывающая шаровую молнию,
прошедшую через бумажное окно дома.

НАБЛЮДАЕМЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ШАРОВОЙ МОЛНИИ

Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения
радиоволн им. (ИЗМИРАН)

*****@***ru

Анализ сообщений очевидцев приводит к выводу о том, что шаровая молния представляет собой реальное явление с достаточно устойчивыми наблюдаемыми характеристиками. Данные наблюдения шаровой молнии представлены в виде многомерного вектора в пространствах ее свойств и обстоятельств наблюдения. Такое представление позволяет рассмотреть различные выборки по одному или большему числу параметров, провести сравнение результатов для рассматриваемых выборок и исследовать устойчивость статистических результатов при изменении объемов выборки.

Введение

Немного истории. Начало систематическим исследованиям шаровой молнии было положено, известным французским физиком Франсуа Араго (26.02.1786-02.10.1853), который был твердо убежден в том, что имеет дело с реальным явлением. В 30-х – 40-х годах XIX века на основе собранных им 20-30 случаев наблюдения шаровой молнии, он дал критический обзор, систематизацию наблюдений, и впервые правильно оценил пространственный и временной масштабы объекта (диаметр около 20 см, время наблюдения секунды или десятки секунд). Далее, спустя более трех четвертей века, в 1923 году немецкий ученый В. Бранд (W. Brand) опубликовал книгу о шаровой молнии. В ней он основывался на 200 наблюдениях, полученных за период с 1823 по 1923 г., и сформулировал свойства этого объекта в 14 пунктах. Бранд не касался ни плотности вещества шаровой молнии, ни ее температуры, а также не пытался оценить запас ее энергии. В монографии Дж. Барри, вышедшей в 1980 г., содержатся описания уже около 1000 известных из литературы случаев наблюдения шаровой молнии, и приведены фотографии, претендующие на подлинность фиксации объекта или его следа. Кроме единичных описаний явления очевидцами, в монографию Дж. Барри включены также данные двух американских опросов. Первый из них был выполнен Мак-Нелли в 1959 году (Окридж, США, анкета была распространена среди 15 тыс. человек) и дал 513 ответов очевидцев на анкету, состоящую из 14 вопросов. Второй был проведен в 1965 году среди сотрудников NASA (США). На анкету из 50 вопросов было получено 112 сообщений о наблюдениях явления.

Широкий опрос очевидцев наблюдения шаровой молнии в СССР был проведен в конце семидесятых годов прошлого столетия. В декабрьском номере журнала "Наука и жизнь" за 1975 год была помещена просьба к читателям, наблюдавшим это явление, заполнить предложенную анкету и прислать ответы на нее в редакцию журнала. Количество присланных в редакцию ответов значительно превысило число случаев, описанных в монографии Дж. Барри (1980). А годом ранее, в 1979 году вышла монография , в которой эта полученная от очевидцев информация была описана и проанализирована [1]. В монографии убедительно было показано реальное существование физического объекта, называемого шаровой молнией, что позволило поколебать скептицизм физиков, и появилась возможность обсуждать проблему на научных семинарах и конференциях.

Данные наблюдения

Банк данных. Основу данных составляют анкеты, присланные очевидцами наблюдения шаровой молнии в редакцию журнала «Наука и жизнь» и ими лично заполненные. На рисунке 1 приведена динамика получения ответов на вопросы анкеты по пятилетним периодам. Сообщения заполняют весь интервал лет, начиная от 1900 года кончая 1980 годом. Из рисунка видно пропорциональное увеличение в 1,3 - 1,4 раза числа полученных ответов по пятилетним периодам при опросе 1976 г. (~ 1000 анкет, темные столбики, [1]) и ответов, полученных за весь период 1976-80 гг.
(~ 1500 анкет, серые столбики [2]). Это постоянство можно отнести либо к случайному событию, либо к тому, что существует определенная закономерность, по крайней мере, для данных .

Преимущество анкетного опроса очевидно. Анкетная информация более обозрима, ее легче формализовать и проще анализировать. Она позволяет рассматривать различные выборки по одному или большему числу параметров, проводить сравнение результатов при изменении объемов выборки. Кроме того, появляется возможность обратиться к респондентам за разъяснениями. Действительно, 40% анкет были прокорректированы повторной более подробной анкетой.

К рассматриваемым параметрам шаровой молнии относятся непосредственно наблюдаемые ее свойства, а также обстоятельства, характеризующие условия наблюдения, само явление, наблюдателя. Непосредственно наблюдаемыми свойствами (о которых речь пойдет ниже) являются размер и форма шаровой молнии, время ее наблюдения, цвет, светимость, расстояние, пройденное за время наблюдения, а также ощущение тепла от нее.

Размер и форма

Форма. Менее всего от индивидуальных особенностей наблюдателя зависит оценка формы и размера шаровой молнии. Так из 880 ответов на вопрос анкеты о форме молнии только 33 (4%) очевидца видели: грушу или каплю (19), кольцо или диск (4) и объект неправильной формы (10). О грушевидной форме говорят наблюдатели, видевшие появление шаровой молнии, например, из патрона электрической лампочки или при исчезновении ее в электророзетке. При прохождении через узкие отверстия и щели, вытягиваясь «сосиской», шаровая молния вновь принимает форму шара (58 сообщений). Сферическая форма восстанавливается при деформации, возникающей в результате столкновении шаровой молнии с другими предметами (13 сообщений). При распаде шаровой молнии куски ее вещества вновь принимают сферическую форму (11 сообщений). Все это указывает на то, что вещество шаровой молнии при плотности газа имеет поверхностное натяжение, характерное для жидкостей [1].

Диаметр. Для определения наиболее вероятного и среднего диаметров шаровой молнии воспользуемся аналитической аппроксимацией для плотности вероятности распределения шаровых молний по диаметру [1]:

(1)

Зависимость в полулогарифмическом масштабе имеет вид прямой линии и подлежащий определению параметр может быть найден графически, что и было сделано в [1].

Более точное значение параметра х0 может быть получено с использованием метода наименьших квадратов, что приводит к нахождению единственного корня трансцендентного уравнения [2]:

(2)

здесь n – число интервалов, - середина i-го интервала, i =1, 2,…,n, , - весовая функция. Корень уравнения (2) определяет наиболее вероятный диаметр шаровой молнии.

На рисунке 2 представлена плотность вероятности распределения шаровой молнии по диаметрам для двух распределений (представленных на рис.1) основанных – на 1513 сообщениях, квадраты, (полная выборка) и на 1005 случаев наблюдения (кружки, [1]). Сплошная линия – аналитическая аппроксимация функции по формуле (1).

Итак, увеличение статистики в полтора раза не приводит к новым результатам относительно наиболее вероятных (~10,6 см) и средних (~21 см) размеров наблюдаемого образования.

Средний диаметр. Для распределения (1) средний диаметр шаровой молнии равен . Действительно:

(3)

Значение среднего диаметра меняется в зависимости от различных обстоятельств, т. е. различных выборок. Обстоятельства могут характеризовать:

1) условия наблюдения - погодные условия, время суток, число наблюдателей, наблюдения в помещении и вне его, кратчайшее расстояние от наблюдателя до объекта;

2) само явление – связь с грозой, время года, появление и исчезновение шаровой молнии, последствия ее взаимодействия с окружающими телами;

3) наблюдателя – образование и профессия, возраст, время, протекшее с момента наблюдения.

В помещенной ниже таблице 1, приведены значения средних диаметров шаровой молнии в зависимости от некоторых обстоятельств, характеризующих условия наблюдения. В первой строке таблицы, содержащей три колонки, указаны эти обстоятельства, а также число полученных сообщений. Цифрой 1 во второй строке таблицы обозначены выборки, включающие полное число ответов на вопрос о диаметре объекта для указанного обстоятельства и его отношение к полному числу ответов в этой выборке (%). Третий столбец колонки содержит среднее значение диаметра, полученное для данного обстоятельства.

Табл. 1. Средний диаметр шаровой молнии, , см.

a) погодные условия (1086 сообщения)	b) расстояние до объекта (1511 сообщение)	с) в помещении и вне (1080 сообщений)
1	1075, 99.0 %	21.9 см	1	1493, 98.8 %	21.2 см	1	1064, 98.5 %	21.4 см
2	676, 99.2 %	19,9 см	2	1247, 98.7 %	15.5 см	2	273, 98.2 %	12.6 см
3	193, 98.0 %	22.3 см	3	312, 99.7 %	30.2 см	3	582, 98.5 %	28.6 см
4	192, 99.0 %	28.8 см	4	228, 97.8 %	38.8 см	4	209, 99.1 %	16.0 см

Цифрами 2, 3, 4 первого столбца обозначены наблюдения: a) в первой колонке – 2 – в дождь; 3 – в пасмурную без дождя погоду; 4 – в ясную погоду. b) во второй колонке при расстояниях до объекта: 2 – меньших 10 м; 3 – 10¸50 метров; 4 – больших 50 м. с) в третьей колонке наблюдения 2 – в помещении, 3 – вне помещения, 4 – как в помещении, так и вне помещения.

Наблюдения в различное время суток также дают разное значение среднего диаметра для дневных и ночных наблюдений. Полная выборка, содержит 1288 сообщений при числе ответов 1277 на вопрос о размере объекта. Средний диаметр для такой выборки составил
21,4 см. Для утренних, дневных, вечерних и ночных наблюдений (63, 764, 315, 135 сообщений) имеем соответственно среднее значение диаметра равным 22,6 см; 19,6 см; 23,4 см; 28,2 см

Анализ распределений по размерам для всех выборок показывает, что средний размер объекта колеблется от 15 до 30 см. Как следует из приведенных выше результатов, в ночных наблюдениях, при наблюдении с больших расстояний, а также при наблюдении вне помещения размер шара указывается большим. Тенденцию к завышению диаметра можно объяснить тем, что светящийся объект с большого расстояния и ночью кажется больше. Молнии, появляющиеся в ясную погоду, также крупнее и чаще всего наблюдаются вне помещений и с больших расстояний.

Гистограмма распределения по диаметру с точностью до случайных ошибок не зависит от таких параметров как сила ветра, давность наблюдения, возраст и уровень образования наблюдателя.

Отметим также, что молнии диаметром около метра встречаются крайне редко и их процент резко снижается при наблюдении объекта с расстояния меньше 10 м. Для всей выборки этот процент равен 2.2 %, а при наблюдении с расстояния меньше 10 м он снижается до 0,6 %. В то же время, при наблюдении с расстояния до объекта меньше 10 м, молнии с диаметром меньше 2 см наблюдаются чаще и составляют 2.2 %, против 1.5 % для всей выборки. В дневных и утренних наблюдениях процент шаровых молний с размером больше 1 м сокращается с 1,3 %, а в ночных и вечерних возрастает до 4,8 % (против 2.2 % для всей выборки). Заметно возрастает процент размеров более 1 м при наблюдениях без грозы и дождя (6 %).

Время жизни шаровой молнии

Время наблюдения. При оценке длительности явления приходится пользоваться не показаниями часов, а субъективным чувством времени наблюдателя. Кроме того, большинство очевидцев шаровой молнии не видят либо момента ее возникновения, либо момента гибели, либо ни того, ни другого. Это осложняет анализ полученного материала. Однако, судя по имеющимся фактам, средняя продолжительность жизни шаровой молнии близка к времени ее наблюдения. Будем полагать, что это так.

На рисунке 3 слева приведена гистограмма распределения длительности наблюдения шаровой молнии, составленная на основе описания 982 событий, полученных в течение 1976 года [1]. Под каждой колонкой указан интервал времени, а над колонкой число случаев, в которых длительность наблюдения лежит в указанных интервалах. Размеры интервалов постепенно увеличиваются. На гистограмме явно просматривается существование двух типов шаровых молний, сильно различающихся по времени полураспада. По гистограмме, просуммировав число событий, относящихся к соответствующим столбцам, нетрудно найти число случаев, когда молнии наблюдались в течение времени меньше 5, 10, 20 сек и т. д. Приведенный на рисунке 3 слева график описывает вероятность распада шаровых молний в течение указанного времени в пересчете на тысячу случаев. На графике приведены также времена полураспада , и их доли и для рассматриваемой выборки.

На рисунке 4 слева представлена гистограмма распределения длительности наблюдения шаровой молнии, составленная на основе описания 1501 событий, полученных в течение годов. Эта гистограмма содержит другие временные интервалы, и число рассмотренных случаев увеличено более чем в 1,5 раза. На этой гистограмме также просматривается существование двух типов шаровых молний, различающихся по временам полураспада. Аналогично предыдущему случаю, справа приведен график вероятности распада шаровых молний (нормированных на 1000), значения времен полураспада , и их долей и для этой выборки.

Закон распада. Закон распада шаровых молний был получен на основании анализа 982 событий [1]. Этот закон можно представить в виде двух экспоненциальных зависимостей.

(4)

здесь - число распавшихся к моменту времени t молний из общего числа N0 молний, существовавших вначале, и - доли молний, распадающихся с периодами и (). В начальный момент времени число распавшихся молний равно нулю , откуда следует, что . Таким образом, уравнение (4) имеет три независимых параметра.

Задачу нахождения параметров можно упростить. Короткоживущие молнии примерно через 40 сек, т. е. при , исчезают и, начиная с этого момента, закон распада (4) примет вид:

(5)

В полулогарифмическом масштабе это уравнение представляет собой прямую линию относительно . Параметры и можно найти или графически [1], или решая соответствующее уравнение методом наименьших квадратов [2]. Подставляя найденные значения и , и в уравнение (1), получаем однопараметрическое линейное уравнение с одним неизвестным .

В таблицах 2-4 в качестве иллюстрации приведены для некоторых выборок значения времен полураспада и , и их долей и , найденные из решения уравнения (4). В первом столбце таблицы указано число полученных ответов на вопрос анкеты о времени наблюдения в соответствующей выборке. Второй и четвертый столбцы содержат значения времен полураспада и (сек), а третий и пятый - их доли и в рассмотренных распределениях. В шестой столбец таблицы помещены: число ответов N на вопрос анкеты о размере наблюдаемого объекта и средний его диаметр (см).

Таблица 2. Кратчайшее расстояние до объекта

N, r - расстояние	, с		, с		N, , см
1453, полная выборка	10,4	0,64	69,8	0,36	1475, 21,2
925, r < 10м	9,2	0,69	65,0	0,31	941, 16,7
310, 10 м < r < 50 м	13,4	0,60	65,6	0,40	311, 30,1
1255, r < 50 м	10,0	0,67	64,3	0,33	1252, 19,4

Таблица 3. Число наблюдателей.