Наблюдения шаровой молнии (стр. 1 )

НАБЛЮДЕНИЯ ШАРОВОЙ МОЛНИИ

*, +

*МГУ им. , Москва, Россия, E-mail: [e-mail]

+Институт энергетических проблем химической физики РАН,
Москва, Россия,

E-mail: *****@***

В данной статье мы продолжаем публикацию сообщений о наблюдениях шаровых молний (ШМ), которые были собраны нами при личном опросе наблюдателей и из литературы. Большинство наблюдателей являются профессиональными физиками, научными работниками или инженерами.

1. Наблюдатель (муж), инженер. Событие произошло в конце июня 1972 г., когда наблюдатель был студентом, интервью проведено в 1992 г. Посёлок Копось на берегу р. Днепр. Небо было ясным, грозы и осадков не было. Выйдя на открытое место на высоком берегу Днепра, он вдруг увидел в 7 м от себя, в камышах, светящийся предмет. Это был шар 10 см в диаметре, ярко голубого цвета, светивший как лампочка в 100 или 200 Вт. Шаровая молния висела неподвижно над осокой, на высоте 60-70 см над землей. Ее вещество, плотное на вид, зыбко колебалось, как мыльный пузырь. Недолго думая, студент выстрелил в неё из ружья картечью. Размер шара увеличился в полтора раза, после чего он распался с хлопком. Его несимметричные куски рваной формы погасли у поверхности воды. Все это продолжалось минуту или полторы.

2. Наблюдатель , (муж.), физик, 66 лет в момент опроса в 2005 г. Наблюдение в с. Белая Глина Краснодарского края в 1948 г. Середина июля, около 18 часов.

Был летний жаркий день без дождя. Я шёл по сельской улице, слева от меня стояли столбы высотой 3 – 4 м, на верхней горизонтальной перекладине которых на изоляторах были натянуты 4 пары стальных телефонных проводов. Справа от меня на высоте около 150 было солнце, садящееся в облака.

Внезапно боковым зрением слева от себя я заметил красный шар диаметром около 15 см. Шар находился над проводами, минимальное расстояние до него было около 4 м. Шар имел резкую границу, он равномерно светился, что можно было заметить даже на фоне голубого неба. Свечение не было ослепительным, на шар можно было спокойно смотреть. Форма шара была идеально сферической, он не вращался, его поверхность была гладкой, на ней не было выступов. Шар медленно (с постоянной скоростью около 1 м/с) двигался над проводами в направлении моего первоначального движения. После того как я увидел шар, я замер на месте и мог только провожать его взглядом. Шар двигался по средней линии проводов, держась над ними на высоте 30 – 40 см. За время наблюдения высота оставалась постоянной. Шар находился в поле моего зрения около минуты, после этого он скрылся за листвой деревьев, заслонявших от меня верхнюю часть столбов. Шар двигался в абсолютной тишине. После того как он скрылся, в течение по крайней мере 10 минут я не слышал с направления, куда ушёл шар, ничего похожего на звук взрыва.

В то время ни я, ни мои родители ничего не слышали о шаровой молнии. То, что это была именно она, я понял, когда стал старше.

3. Наблюдатель , (муж.), физик, 54 г. в момент
опроса в 2005 г. Наблюдение г. Thousand Oaks, Калифорния, 2002 г.,
25 октября, 21.30 ч.

В этот день дул сильный ветер “Санта Анна” из пустыни в сторону океана. Город от океана отделяет гряда гор, при встрече с которыми возникает конденсация и выпадение смога. Смог висел над городом, расположенным на горной гряде. Самолетов, которые обычно часто пролетали над городом, не было видно, небо напоминало тёмное молоко. Вокруг было темно.

Я возвращался с работы по слабоосвещенной улице, идущей под гору. Я спускался с горы и смотрел вниз на дома. Неожиданно в ~3-4 м над пальмой высотой ~20-30 м, находящейся впереди меня на расстоянии 50 м, в полной тишине вспыхнул яркий объект. Мощность свечения в сравнении с лампой накаливания была около Вт. Объект по высоте находился немного ниже меня. Он падал вниз в течение 2-3 с, после чего бесшумно погас. При падении он прошел путь ~2-3 м. Это была яркая вспышка белого цвета. Приблизительный размер объекта был 30-40 см.

Реакция – спокойная, интерес и необходимость запомнить всё, что возможно.

Наблюдение происходило сверху вниз. Пальма стояла около дома. Людей рядом не было, в это время в этой плохо освещенной части города никого не бывает на улицах, поэтому предположить, что кто-то выстрелил петарду, я не могу. Тоже не могу предположить, что объект упал с самолета, ибо гула моторов не было слышно.

4. Наблюдатель , (муж.), физик, 54 г. в момент опроса в 2005 г. Наблюдение г. Москва, 1958 г., весна, вечер.

Я забрался под письменный стол и решил проверить, почему нельзя прикасаться руками к входам в электрическую розетку. Я частично погрузил электрические контакты от вилки электрической лампы в розетку. Взял скальпель (сделанный из прочной нержавеющей стали), и, прикасаясь лезвием к одному контакту, стал его медленно двигать к другому контакту. Когда между лезвием и контактом было около 0.5-1 мм, произошла вспышка, появился голубой шарик и укатился под нижнюю часть стола. Кратчайшее расстояние от меня до шарика было 15-20 см. Шарик напоминал голубое облачко с размытыми краями. Свечение молочное 5-10 Вт. Он прошел 10-15 см. Следов на полу шар не оставил. Все наблюдение заняло 1-2 с. Тепла от шарика я не почувствовал.

Реакция – интерес, и опасение, что родители могут наказать. Я осмотрел пол, никаких следов не было. Конец скальпеля оплавился. Боясь, что меня будут ругать, я об этом случае никому не рассказывал, а вспомнил о нем лет в 40, когда стал собирать информацию о ШМ.

5. Наблюдатель , (муж.), физик, 36 лет в момент опроса в 1990 г., наблюдение 1959 г., лето. Деревня Старый Сибай, Башкирская АССР.

“Дома, в квартире, я замкнул гвоздём радиоприемник “Огонёк”. Из него вылетел шарик диаметром 1,5 см. Свечение было как от свечи, как желток, тёмный-жёлтый. Летел плавно. На высоте 1 м 20 см над полом описал полуокружность. Исчез – словно выгорел. Прошел 3-4 м. Наблюдение длилось 10-20 с. Кратчайшее расстояние от наблюдас. Мой отец зачем-то бегал за ним (шариком).

Реакция – удивление. Тепла я не почувствовал. Изменений гвоздя я не заметил.”

6. Наблюдатель , (жен.), физик. Наблюдение: осень г. студентка 2-3 курса, опрос 1990 г. Москва, МГУ.

“Шар вылетел из коммутационного электрического щитка. Диаметр 15-20 см. Цвет белый – яркий. Мощность в сравнении с лампой накаливания 200-250 Вт. Расстояние до объекта 30-50 см, время жизни 1-2 с. Отделился от щитка и распался в течение 1 с. Реакция – удивление”.

7. Наблюдатель Igor Alexeff (муж.), проф., физик, описание 2005 г. [1].

“Шаровая молния появилась вслед за ударом линейной молнии, сразу после молниевого разряда. Событие произошло, когда шла уличная игра в бейсбол. Началась гроза, начался дождь, однако игроки потеряли мяч и стали его искать. Вдруг сверху раздался сильный взрыв, и все посмотрели вверх. Там они увидели яркий оранжевый шар величиной с баскетбольную корзину, который находился в 30 футах над землей. Интенсивность свечения была не очень сильной, шар был отчетливо виден, но не слепил глаз. Он существовал несколько секунд. На поверхности объекта двигались волны (как у жидкости), поэтому это не был зрительный послеобраз. Ни звука, ни запаха, связанного с этим объектом, не наблюдалось. Казалось, что он медленно спускается. Поскольку шар оказался сверху от наблюдателя, то последний со всех ног убежал, и не видел, как объект исчез”.

8. Наблюдатель (муж.), 55 лет в момент опроса в 2001 году, физик. Событие произошло в 1981 году в г. Троицке Московской области в Филиале института атомной энергии.

Автор сообщения проводил опыты по столкновению плазмоидов. Установка состояла из вакуумной трубы длиной 12 м, на обоих концах которой располагались генераторы плазменных сгустков. Генератор представлял собой трубку, внутри которой имелся коаксиальный стержень. К промежутку между трубкой и стержнем прикладывался импульс напряжения разряда батареи конденсаторов ёмкостью 720 мкФ, заряженных до напряжения 20 – 30 кВ. Напряжение подводилось через 1000 кабелей типа РК и коммутировалось шестью разрядниками. Ток разряда имел форму затухающей синусоиды, длительность первого полупериода составляла 10 мкс. По каналу в центральном стержне внутрь “плазменной пушки” через клапан впрыскивалась небольшая порция газа. Система была симметричной: левая и правая части работали синхронно, в результате чего столкновение плазмоидов происходило в центральной части трубы, удалённой от её краёв на 6 м. По оценке автора, скорость плазменного сгустка составляла около 7×105 м/с.

В одном из опытов сработал только левый клапан, а из-за неисправности правого клапана в правую плазменную пушку не поступила порция газа. Сгусток плазмы дошёл до правого генератора плазмы (к которому было приложено напряжение второй батареи конденсаторов) и инициировал разряд батареи. При этом от правого угла установки отделился шар диаметром около 10 см “мертвенно белого цвета” и “медленно поплыл” прямо на лаборанта, который стоял за пультом, отделённым от установки металлической сеткой. Шар образовался на высоте около 1 м от пола и двигался наклонно – горизонтально и вверх. Достигнув края металлической рамы на высоте 2 м от пола, он исчез. В месте исчезновения шара была обнаружена сажа (возможно, от сгоревшей краски). Путь (3 м) от места рождения до места гибели шар прошёл за 10 – 15 с. Автор сообщения сам шара не видел (его наблюдал лаборант). Во время события автор смотрел на экран осциллографа через резиновый тубус, однако боковым зрением он ощущал сильное свечение. На осциллографе (двухлучевом) наблюдали два сигнала изменения тока и напряжения, обычно они изменялись для двух генераторов синхронно. В описываемом случае второй разряд произошёл с задержкой около 2×10-5 с, которую автор объясняет временем прохождения плазмоида трубы длиной 12 м. На следующий день автор починил клапан, и нормальная работа установки восстановилась. Спустя короткое время установка была разобрана.

Литература

1. Alexeff I., Parameswaran S. M., Thiyagarajan M., Grace M. // IEEE Trans. Plasma Science. 2004. V.32. N.3, P.1378.

BALL LIGHTNING OBSERVATIONS

*V. chkov, +A. I. Nikitin

*M. V.Lomonosov MSU, Moscow, Russia, E-mail: *****@***ru

+Institute of Energy Problems Of Chemical Physics RAS, Moscow, Russia

E-mail: *****@***

Continuation of publications of new data on ball lightning observations.

УНИПОЛЯРНО ЗАРЯЖЕННАЯ ШАРОВАЯ МОЛНИЯ

Физический факультет Московского государственного университета им. , Москва, Ленинские горы;
*****@***ru, Россия

1. Введение

Развитие теории шаровой молнии (ШМ) встречает огромные трудности в связи с отсутствием экспериментов, воспроизводящих все основные ее свойства, включающих ее высокую энергию, а полученные экспериментальные долгоживущие светящиеся объекты (ДСО) часто не дают однозначных ответов об их свойствах.

Экспериментальные работы последних лет [1-3] показывают, что как в эрозионных разрядах c каналом в полимерных материалах, в разрядах в трубках с органическими стенками [2-3], при расплавлении материала электродов и добавлении металлических частиц в канал плазмотрона возможно [1,4] образование светящихся объектов со многими свойствами ШМ, такими как их время жизни и размер. При этом их поведение и эволюция в целом соответствует наблюдениям очевидцев природных шаровых молний. Из экспериментов следует, что сложная последовательность процессов нагрева и горения объектов может обеспечить им достаточно долгое время жизни, сравнимое с наблюдаемым у ШМ.

Казалось бы, следовало бы создать теорию, позволяющую объединить свойства этих материалов, наличие внешнего электрического поля, возможность накопления заряда и горения в воздухе так, чтобы она могла объяснить единым образом свойства естественных ШМ. В данной работе представлена попытка объединения известных моделей ШМ, в которых данный объект имеет материальный каркас или структуру, поскольку только такого рода объекты могли быть получены в экспериментах.

2. Модели ШМ с материальным каркасом.

В данном разделе мы коснемся теорий, в которых долгоживущие объекты имеют материальную структуру, такую как аэрозольную, капельную или пузыреподобную [5-12].

2.1. Известные модели ШМ как аэрозольного образования исходят из того, что эти объекты при грозовой активности образуются из разных аэрозольных частиц: твердых пылевых неорганических [5-7], органических частиц [8] - продуктов деструкции, возникающих при ударе разряда молнии, или заряженных водных кластеров [9].

ШМ в моделях [5-6,9] обладают невысокими значениями энергии (плотностью до 30 Дж/ см3), и не описывают наблюдаемые ШМ с высокими значениями энергии (плотностью 103 Дж/см3 и более) характерными для ШМ, при этом время жизни в этих моделях невозможно оценить.

В работе [7] ШМ рождается в фульгуритной области – на месте удара линейной молнии там, где происходит расплавление почвы, и вылетает клубок кремниевых нано - размерных цепочек, время жизни такого объекта в основном определяется временем его сгорания в воздухе.

В работе [8] ШМ молния рождается при деструкции органического вещества в воздухе. Она представляет собой диэлектрическую фрактальную структуру, с фрактальной размерностью типичной для полимеров. ШМ накапливает высокие значения электрической энергии за счет зарядов захваченных вблизи поверхности. Такие объекты могут накапливать значения электростатической энергии сравнимой с наблюдаемой у ШМ в случае их униполярной зарядки. Над поверхностью ее реализуется электрическое поле с высокой напряженностью, такой, что происходит ионизация воздуха и образование тонкого слоя плазмы над поверхностью. Плазменные процессы и определяют время жизни ШМ. Остановимся на них подробнее. Время жизни ШМ определяется временем разогрева тонкого слоя поверхности ШМ. Это либо температура пробоя диэлектрика (T br-T0 ~100 K, T br –температура воздуха, соответствующая температуре пробоя диэлектрика, T0 – температура холодного воздуха) когда проводимость полимера увеличивается на несколько порядков величины, либо температура возгорания материала диэлектрика (T ign-T0 ~300 K, T ign –температура воздуха, соответствующая температуре возгорания материала ШМ). Предполагается, что время деструкции или горения много меньше времени разогрева поверхности ШМ.

В расчетах [10] по модели [8] использовалось уравнение теплопроводности в простейшем виде:

, (1)

где c теплопроводность, а Cp теплоемкость слоя вблизи сферы, T - температура слоя, t - время. В данном случае предполагалось, что нагретый плазмой слой воздуха мгновенно передает тепло верхнему слою сферической поверхности ШМ. Рассматривались два случая: свойства поверхности близки к свойствам воздуха и поверхность ШМ имеет теплопроводность полимерного фрактального агрегата заполненного воздухом. В сферическом случае уравнение (1) имеет вид:

(2)

со следующими начальными и граничными условиями

,

, ,

Нагрев сферы определяется потоком тепла qef к поверхности:

, (3)

где Ne – концентрация электронов в области плазмы, w - их дрейфовая скорость, ee - их средняя энергия. (3) представляет собой поток энергии переносимый электронами в области плазмы, поддерживаемой электрическим полем ШМ.

Для оценок предполагалось, что этот поток одинаков по всей поверхности и по входящие величины близки к типичным газоразрядным величинам в воздухе. В нормальных условиях Ne≈10 9 см-3, w≈1×10 7 см/с, ee ≈3-4 эВ, поэтому qef ≈100 Вт/м2, в плазме qef может варьироваться в широких пределах, в зависимости от внешних условий, для определенности было рассмотрено qef ≈1000 Вт/м2.

У уравнения (2) имеется аналитическое решение [10]

, (4)

,

где , а Rsp – радиус сферы, собственные значения определяются из соотношения . Расчеты проводились при . При рассмотрении разбивали интервалы нагрева на области такие, когда можно считать постоянным значение коэффициента теплопроводности.

Результаты расчетов представлены на Рис.1. Линии a и b соответствуют нагреву на T ign-T0, ; a’ и b’ соответствуют нагреву на T br-T0 . a, a’ рассчитаны при qef ≈100 Вт/м2; а b, b’ при qef ≈1000 Вт/м2. Можно считать, что мощности в нормальных условиях qef ≈100 Вт/м2 соответствует пробойная напряженность воздуха Ebr ~3×106 В/м на поверх­ности ШМ, а qef ≈1000 Вт/м2 сверх пробойная напряженность
Ebr ~3×107 В/м.

Рис. 1. Зависимость размер-время жизни для шаровых молний [10].

Кресты соответствуют экспериментальным результатам: (1)-полимерные структуры (Емелин и дршары, выползшие из деревянной таблетки в разряде (Слюсарев 1990). 3-объект, появившийся при разряде в смеси метана с воздухом (Barry 198объект, появившийся при разряде Теслы, электроды покрыты органическим материалом (Corum, Corum 199объект, появившийся при искровом разряде в смеси воздуха с горючим газом и хлопковыми нитями (Ohtsuki, Ofuruton 1990). 6 – объект, появившийся при эрозионном разряде в канале из воска (Климов и др.).

Расчеты: a и b – верхний предел температуры для нагрева ШМ; a' и b' - нижний предел температуры для нагрева ШМ; a, a' -
q »102 Вт/м2; b, b' - q »103 Вт/м2. Линии с кружками соответствуют коэффициенту теплопроводности смеси воздуха и диэлектрика, линии со звездочками соответствуют коэффициенту теплопроводности воздуха [10]. Сплошная линия - распадающиеся ШМ, штриховая - взрываю­щиеся ШМ, штрих-пунктир - погасающие ШМ[10].

Отметим, что электрическое поле около заряженного шара спадает по квадратичному закону, поэтому расстояние R, при котором поле спадает до пробойного при атмосферных условиях равно:

Поэтому, если расстояние L от объекта до земли или проводящего предмета удовлетворяет условию:

, (5)

где Esurf – напряженность электрического поля на поверхности шара, то пробоя атмосферы не происходит, в противном случае ШМ генерирует разряд на землю и ШМ теряет свой заряд или разрушается.

На Рис.1. линии со звездочками соответствуют ШМ с теплопроводностью воздуха, а линии с кружочками – ШМ с теплопроводностью фрактальной структуры.

Полученные значения позволили их сравнить с наблюдательными данными времени жизни ШМ (сплошная линия соответствует распадающимся ШМ, пунктирная - взрывающимся ШМ, и штрих - пунктирная – погасающим) и данными экспериментов с появлением долгоживущих светящихся образований. Несмотря на предположение о подобии плазмы у поверхности ШМ и плазмы тлеющего разряда в воздухе расчетные кривые дают близкие по порядку величины значения для времени жизни ШВ в широком диапазоне их диаметров при qef ≈100 Вт/м2, при T ign-T0 ~300 K, и показывают на такую же тенденцию роста времени жизни с размером у ШМ. Они также согласуются с экспериментами.

Более короткие времена жизни соответствуют большим мощностям ввода энергии плазмой в газ или большим полям на сфере. Предположение о разных теплопроводностных свойствах среды у поверхности мало влияет на результат, т. е предположение о быстром нагреве поверхности ШМ плазменным слоем оказалось разумным.

Из выражения (4) при малых значения Rsp (<5 cm) можно получить следующую зависимость времени жизни от радиуса [10]

, (6)

т. е. время жизни ШМ прямо пропорционально величине температурного интервала нагрева и размеру ШМ, но обратно пропорционально мощности выделяемой у ее поверхности. Интересно, что формула (6) годится и для случая ШМ из неорганического материала (металла), в этом случае T0 - температура воздуха у горячей поверхности металла, а T ign- также температура возгорания материала.

Наличие плазменного слоя на поверхности ШМ с температурой электронов много большей температуры воздуха, может предохранить ШМ от взаимодействия со стеклом из-за создания дополнительного давления электронов в плазменном слое, чем и изолирует поверхность шаровой молнии. Оценка величины этого давления DR для типичных разрядов в воздухе оказывается (где Ne, N, Te , T- концентрации и температуры электронов и газа, и атмосферное давление Рatm , соответственно). Наличие этого слоя отвечает на вопрос, поставленный в [12] почему ШМ не взаимодействует со стеклом при ее проникновении через отверстие в стекле.

Итак модели ШМ, как аэрозольного образования позволяют описать легкие объекты, с пористой- фрактальной структурой. Они могут иметь различные особенности на поверхности, такие как волосики, нити и др., наблюдаемые у ШМ. Такие объекты легкие и могут летать в воздухе. Подобные объекты получены в экспериментах, но это не ШМ. Для их левитации (движения в состоянии безразличного равновесия) необходимо предполагать, например, наличие у них униполярного заряда. Предположение о наличии униполярного заряда необходимо также для объяснения формы ШМ. Время жизни этих ШМ определяется их разрушением, в т. ч. горением или стеканием заряда.

Наиболее сложной проблемой для таких ШМ является их энергия. Высокая энергия ШМ требует дополнительных предположений, например, о высоких значениях униполярного заряда, чтобы обеспечить электрическую энергию, или значительной массы, чтобы обеспечить высокую энергию горения в воздухе. Униполярно заряженные аэрозольные частицы разлетаются [13], что препятствует их агрегации в компактный объект. При горении аэрозольного образования массой порядка массы воздуха с тем же объемом выделяется незначительная энергия. Выходом для подобных теорий является первоначальное создание структуры, а потом ее униполярная зарядка, однако устойчивость таких структур и вопросы пробоя воздуха у их поверхности остаются открытыми.

2.2. В капельных и пузыреподобных моделях ШМ [14-17] исходят из того, что под действием удара линейной молнии о почву или какой-либо другой материал, или при индуктивном вложении энергии [16] в твердую частицу или жидкую каплю происходит образование либо заряженной капли, или пузыря, также с невысокой энергией. Время разрушения таких объектов определяется развитием электродинамических неустойчивостей на их поверхности, или возникновением высоких полей на их поверхности, ведущих к пробою воздуха, и разрушению объекта.

Если ШМ электрически заряжена, то ее время жизни t определяется как время релаксации заряда за счет электропроводности воздуха. Эта оценка имеет вид (в Гауссовой системе):

, (7)

где e - диэлектрическая проницаемость воздуха, а s - его проводимость при атмосферных условиях, задаваясь значением s » 2×10-4 с-1, можно получить t » 5×103 с, поэтому предполагается что электропроводность воздуха во время грозы растет за счет ионизованных частиц воздуха. Однако такой подход не объясняет реальных величин времени жизни ШМ.

Работы [14,16,18] показывают, что отделение заряженных капель от них и появление удлиненных структур или нитей на их поверхностях выгодно с точки зрения минимума электростатической энергии. А эксперименты с униполярно заряженным шаром, покрытым жидким диэлектриком (октолом) [18], показали возникновение нитей на его поверхности. В экспериментах с воздействием плазмы на олово также получали нити [1] на поверхности металлических расплавленных шаров. По описаниям очевидцев подобные нити с мелкими шариками наблюдались и у поверхности реальных ШМ [19].

Согласно [16] неустойчивость поверхности заряженного расплавленного пузыря с образованием структур на поверхности (рифление) развивается при следующем условии на напряженность электрического поля у поверхности

, (8)

где a - коэффициент поверхностного натяжения расплавленного материала, Ratm - атмосферное давление. Для материала типа парафина или воска формула (8) дает поля несколько выше пробойных, , для стекла , а для железа (где Esurf - В/м, Rsph –м).

Для поверхности заряженного расплавленного шара поля, при которых развивается неустойчивость, приводящая к отрыву мелких частиц [14] начинается при

. (9)

Формула (9) , показывает, что у заряженных шаров поля, поля при которых развивается неустойчивость ниже, чем у заряженных пузырей и ниже пробойных, а именно, для парафина , для стекла, а для железа .

Развитие этих неустойчивостей и приводит к появлению мелких частиц и нитей около поверхности ШМ и образованию слоя сильно разреженного материала такого, как наблюдали в следе оставленном светящемся шаром при ударе о стену [1].

Наличие мелких частиц такого же знака, что и у заряженной сферы приводит к их притяжению к поверхности сферы, в результате притяжения мелких частиц к их изображениям. Поэтому вокруг униполярно заряженной ШМ может находиться слой заряженных частиц.

Интересным результатом модели ШМ как заряженного пузыря [16] являлась возможность магнитных эффектов за счет вращения заряженной поверхности.

Оценки электрической энергии шаровой молнии, проведенные в [16] давали W~ 0.4 Дж/см3 для шара радиусом 5 см, что меньше типичных наблюдаемых величин.

Привлекательность моделей расплавленного пузыря или шара заключается в том, что расплавленный материал обеспечивает сферическую поверхность за счет поверхностного натяжения. Нити и оболочки над ним определяются электростатическими неустойчивостями. Левитация легких пузырей определяется униполярным зарядом при том же знаке заряда земли. Униполярный же заряд на вращающейся сфере приводит к возникновению магнитного поля. С точки зрения распада объекта, то заряженный расплавленный пузырь или шар могут распадаться на части [14, 17], что наблюдалось у ШМ.

3. Модель униполярно заряженной ШМ.

В данном разделе мы представим развитие теории ШМ с учетом результатов работ [16] и [8,10] и рассмотрим ШМ, как заряженный пузырь или униполярно заряженную расплавленную сферическую структуру из расплавленного вещества, как это следует из упомянутых выше экспериментов. Высокая энергия выделяется при сгорании этой структуры в воздухе. Время жизни такой ШМ, как и [8,10] определяется нагревом ее поверхности до температуры возгорания, причем температурный интервал необходимый для нагрева расплавов как органических так и неорганических веществ до воспламенения близок по величине и составляет T ign-T0 ~300 K, поэтому к ним применима теория [8,10].

Теперь рассмотрим следующую теорию. ШМ появляется в результате удара униполярного разряда линейной молнии в какой-либо материал (или индуктивно [16] ), а именно, происходит нагрев и расплавление материала, выброс материала, или образование пузыря, и возникновение разреженной униполярно заряженной структуры – «шаровой молнии», при этом напряженность поля на его поверхности (E~3×106 – 108 В/м) определяется плотностью зарядов перешедших из молниего разряда в расплав. ШМ, при этом, может быть сгустком нитей, расплавленной сферой или пузырем. На ее поверхности развивается разряд, который нагревает ее до температуры воспламенения (за
~ 1-102 с), когда и происходит разрушение объекта. Плазма и расплавленная поверхность могут обеспечить свечение двух видов - неравновесное и равновесное. Заряд такой ШМ определяет ее способность к левитации в грозовом поле (в поле земли и облака), также заряд может приводить к развитию неустойчивостей ее поверхности (в случае расплавленного объекта). Возгорание приводит к выделению энергии при горении материала ШМ в воздухе. При этом оценки показывают, что возгорание расплава из органического вещества и неорганического происходит при нагреве приблизительно на одну величину от температуры плавления. Горение такого объекта в воздухе может объяснить описания свечения ШМ « как от электросварки».

Условия, соответствующие данной модели имеют очевидный вид (в Си):

(10)

, (11)

(12)

где qsurf –электрический заряд на поверхности сферы, Esurf –электрическое поле на поверхности сферы, Eext = Eearth + Ecloud cуммарное внешнее электрическое поле, включающее приземное поле Eearth и вызванное заряженными грозовыми облаками Ecloud, Rsph, msph, - радиус и масса вещества в сфере (здесь предполагается, что ШМ может представлять собой пузырь), DQcomb~(2-4)×107 Дж/кг –типичные энергии выделяющиеся при горении веществ (Al, Si, парафин [21]), g – ускорение свободного падения, e, e0 –диэлектрическая постоянная вакуума и воздуха, Wspec – удельная плотность энергии ШМ, L – высота ШМ над землей.

В ведем также эффективную плотность ШМ объемом V

. (13)

Уравнение (10) связывает заряд на поверхности униполярно заряженной ШМ с ее электрическим полем. Уравнение (11) показывает какое внешнее электрическое поле позволит ШМ находиться в безразличном равновесии, когда на ШМ действует сила тяжести и ее электрического изображения [22].

Комбинируя уравнения (10) и (11) можно получить следующее условие

, (14)

при котором уравнение (11) сводится к простому выражению

. (11’)

В частности, согласно (14) L > 0.14 м при msph g =10 Н,
Rsph=0.1 м, Esurf =3×106 В/м, и L> 0.65 м при msph g =0,1 Н, Rsph=0.1 м, Esurf =3×106 В/м, т. е. ШМ будет находиться в безразличном равновесии (левитировать) если она образовалась, или оказалась (была вытолкнута в результате какого-то силового воздействия) на таких высотах.

На основе уравнений (10), (11’) и (13) можно получить следующее соотношение для удельной энергии ШМ

, (15)

или , Дж/м3 (15’)

для данного диапазона DQcomb, которое можно использовать для анализа энергетических и весовых характеристик ШМ.

Используя формулу (13) введем отношение характеризующее отношение эффективной плотности материала к удельной плотности данного материала r0 :

, (16)

Очевидно, r /r0 £ 1, поэтому из (15) и (16) можно получить следующие неравенства

, (17)

,

т. е. предельные параметры ШМ по данной модели ограничены, в частности, подставляя значения r0 и DQcomb для различных материалов получим следующие ограничения на плотность энергии ШМ, каркас которой состоит из разных материалов: Wspec £1.1×1011 Дж/м3 для ШМ из SiO2 (песка), Wspec £8.3×1011 Дж/м3 для ШМ из железа и Wspec £1.8×1011 Дж/м3 для ШМ из парафина.

Пусть на поверхности ШМ Esurf~3×106 В/м, а условия грозовом поле Eext~6×103 В/м [23], тогда

, Дж/м3; , кг/м3,

т. е. этим условиям удовлетворяют, небольшие объекты, или объекты типа пузыря (мы учитываем, что, например, плотность воздуха в нормальных условиях r=1.22 кг/м3, кварца 2.65× 103 кг/м3, а железа
20× 103 кг/м3 ).