Характеристика

Характеристика.

Внешность шаровой молнии.

Уже из самого названия следует, что эта молния имеют форму шара и, следовательно, совершенно не похожа на обычную молнию. Строго говоря, ее форма всего лишь близко к шару; молния может вытягиваться, принимая форму эллипсоида или груши. С учетом всех замечаний будем считать, что шаровая молния - это шар или почти шар. Он светится - иногда тускло, а иногда достаточно ярко. Чаще всего шаровая молния имеет желтый, оранжевый или красноватый цвет. В 20% случаев - это белый шар, в 20% - синий, голубой. Перед угасание молнии внутри неё могут возникать темные области в виде пятен, каналов, нитей. Как правило, шаровая молния имеет достаточно четкую поверхность, ограничивающую вещество молнии от окружающей ее воздушной среды. Это типичная граница раздела двух разных фаз. Наличие такой границы говорит о том, что вещество молнии находится в особом состоянии. В отдельных случаях на поверхности молнии начинают плясать язычки пламени, из нее выбрасываются снопы искр.

Обычно шаровая молния движется бесшумно. Но может издавать шипение или жужжание особенно когда она искрит.

Поведение шаровой молнии.

Шаровая молния может двигаться по весьма причудливой траектории. Вместе с тем в ее движении обнаруживаются определенные закономерности. Во-первых, возникнув где-то вверху, в тучах, она опускается поближе к поверхности земли. Во-вторых, оказавшись у поверхности земли, она движется далее почти горизонтально, обычно повторяя рельеф местности. В-третьих, молния, как правило, обходит, огибает проводящие ток объекты и, в частности, людей. В-четвертых, молния обнаруживает явное «желание» проникать внутрь помещений.

Когда молния плавает над поверхностью земли, она напоминает тело, находящееся в состоянии невесомости. По-видимому, вещество молнии имеет почти такую же плотность, что и воздух. Точнее, молния немного тяжелее воздуха — недаром она, в конечном счете, всегда стремится опуститься вниз. Ее плотность составляет (1...2)•10-3 г/см3. Разницу между силой тяжести и выталкивающей (архимедовой) силой компенсируют конвекционные воздушные потоки, а также сила, с какой действует на молнию атмосферное электрическое поле. Во время грозы земля и объекты на ней заряжаются положительно, значит, шаровая молния, обходящая объекты и копирующая рельеф, также заряжена положительно. Если, однако, встречается предмет, заряженный отрицательно, молния притянется к нему и скорее всего взорвется. С течением времени заряд в молнии может изменяться, и тогда меняется характер ее движения.

Вызывает удивление способность шаровой молнии проникать в помещение сквозь щели и отверстия, размеры которых много меньше размеров самой молнии. Так, молния диаметром 40 см может пройти сквозь отверстие диаметром всего в несколько миллиметров. Проходя сквозь малое отверстие, молния очень сильно деформируется, ее вещество как бы переливается через отверстие. Еще более удивительна способность молнии после прохождения сквозь отверстие восстанавливать свою шаровую форму.

Скорость движения шаровой молнии невелика: 1...10 м/с. В помещении молния может на некоторое время зависать в воздухе.

Вообще надо сказать, что в поведении шаровой молнии немало коварства. Мы не знаем, обойдет она тот или иной объект или, напротив, притянется к нему. Неизвестно, взорвется она или спокойно угаснет. Наконец, можно лишь гадать, в какой именно момент произойдет взрыв.

Энергия шаровой молнии.

Оценить минимальное количество энергии в шаровой молнии можно по тем последствиям, которые она оставляет после своего исчезновения. Это можно рассмотреть на примере свидетеля данного явления: «Она оплавила участок батареи диаметром 6 мм, оставив лунку глубиной 2 мм». Значит, молния испарила около 0,45 г железа. Для этого требуется энергия, равная 4 кДж. Естественно, что не вся энергия шаровой молнии была израсходована на испарение небольшого участка батареи, так что полученный результат можно рассматривать всего лишь как оценку нижней границы энергии молнии: эта энергия оказывается не меньше нескольких килоджоулей.

В одном из сообщений очевидца сообщалось, что шаровая молния диаметром 30 см расщепила торчащую из воды деревянную причальную сваю диаметром 30 см вдоль волокон на длинные щепки. Воспользуемся этим сообщением для оценки энергии молнии.

Энергия, запасенная в шаровой молнии диаметром 25 см, находится в пределах примерно 100 кДж. Такая оценка представляется вполне правдоподобной; она согласуется с результатами, получаемыми на основе большого количества наблюдений шаровой молнии. Если энергия молнии 100 кДж, а ее диаметр 25 см, то, следовательно, плотность энергии оказывается порядка 10 Дж/см3. В общем случае можно считать, что энергия шаровой молнии принимает значения от нескольких килоджоулей до нескольких сотен килоджоулей, а плотность энергии лежит в пределах примерно от 1 до 10 Дж/см3.

Последствия шаровой молнии.

Как и любая самая обычная молния, шаровая, конечно же опасна. По многим данным указывается, что встречи с естественной шаровой молнией, как правило, заканчиваются без трагических последствий. Из проведенного журналом «Наука и жизнь» опроса выяснилось, что из полутора тысяч писем лишь в пяти сообщалось о смертельном исходе. При этом несколько смертей произошло не от самого взрыва шаровой молнии, а от его последствий. Раннее было сказано, что энергия, выделяющаяся при взрыве шаровой молнии, не превышает приблизительно 100 кДж. Этого достаточно, чтобы оплавить небольшой участок металла, согнуть не слишком толстую трубу, расщепить бревно, пробить деревянную перегородку.

Чаще всего шаровая молния обходит человека стороной. Температура на поверхности молнии невысока — она либо соответствует обычной температуре, либо немного превышает. Это в очередной раз доказывает, что шаровая молния не способна принести серьезный ущерб жизни человека. Внутри шаровой молнии температура выше, чем на ее поверхности, однако вряд ли она превышает ЗОО градусов.

Шаровая молния – молния, которая приносит вред всему неживому, особенно жилым домам, так как, она чаще всего залетает именно в окна домов, взрываясь там.

Возникновение шаровой молнии.

Чаще всего шаровая молния возникает в период грозовой активности, когда наблюдаются обычные молнии и когда напряженность атмосферного электрического поля особенно велика.

Вопрос о том, как возникает шаровая молния, является, пожалуй, наиболее сложным и неясным. К сожалению, не так уж много людей оказались свидетелями ее возникновения. В большинстве своем наблюдатели утверждают, что шаровая молния возникла либо сразу после разряда, либо перед разрядом обычной молнии.

Однако, существуют предположения по ее образованию:

1. Испарение и зарядовое ионизация вещества.

2. Возникновение осевого и поверхностных потоков плазмы под влиянием трубки тока разряда молнии.

3. Окончательное формирование потоков, аккумулирование энергии, возникновение магнитного давления.

4. Завершение формирования объекта за счёт магнитоэлектрических сил.

Шаровую молнию принято считать весьма редким явлением по той причине, что ее удается наблюдать крайне редко. Однако это еще не означает, что шаровая молния редко возникает. Существует гипотеза, согласно которой шаровая молния возникает столь же часто, как и обычная молния. Возможно, что шаровая молния действительно возникает в месте удара обычной молнии. Некоторые утверждают, что шаровую молнию нетрудно опознать по ее взрыву. Однако не всегда она заканчивает свое существование взрывом. Возможно, значительно чаще молния заканчивает свое существование спокойно, без взрыва; просто мы ее не замечаем.

В итоге можно предположить, что шаровая молния – явление частое; явление, которое скрывает свое появление, из-за чего люди не так часто встречают его.

Физические свойства шаровой молнии.

Если физическая природа линейной молнии была установлена более двухсот лет тому назад, то природа шаровой молнии до сих пор остается неразгаданной.

Все гипотезы, которые описывают шаровую молнию разделяют на два основных класса по признаку места энергетического источника, поддерживающего жизнь шаровой молнии. Гипотезы, предполагающие внутренний источник энергии, гипотезы, считающие что, источник находится вне шаровой молнии.

К первому классу можно отнести следующие гипотезы:

Шаровая молния – газовое или воздушное «необычное» образование. Предполагается, что молния медленно сжигает газ, состоящий из метастабильных частиц или из частиц, которые поглощают энергию благодаря химическим реакциям, включающим пыль, сажу и т. д.;

Шаровая молния – сфера нагретого воздуха при атмосферном давлении;

Шаровая молния – плазма с высокой плотностью, которая проявляет квантовую характеристику прочностных свойств твердой фазы;

Ко второму же классу можно отнести следующие гипотезы:

Шаровая молния – поддерживается высокочастотными излучениями с частотой более 100MHz;

Шаровая молния – существует благодаря стационарному току текущего из облака;

Шаровая молния – это сосредоточенные, электрическими полями грозы, космические частицы.

По одной из гипотез предполагается, что что шаровая молния состоит из обычного воздуха (имеющего температуру примерно на 100° выше температуры окружающей атмосферы), небольшой примеси озона О3 и оксидов азота NO и NO2. Принципиально важную роль играет здесь озон, образующийся при разряде обычной молнии; его концентрация около 3% . Внутри шаровой молнии происходят химические реакции:

NO + O3→NO2 + O2;

NO2 + O3→NO3 + O2 .

Они сопровождаются выделением энергии. При этом в объеме диаметром 20 см выделяется примерно 1 кДж энергии. Это мало, как мы уже знаем, запас энергии шаровой молнии таких размеров должен составлять примерно 100 кДж. Недостатком рассматриваемой физической 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 сосредоточим внимание на гипотезе, 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 (т. е. при столкновениях ионов, сопровождающихся переходом электронов от отрицательных ионов к положительным, в результате чего ионы превращаются в нейтральные атомы или молекулы). Благодаря электростатическим силам, действующим между ионами, объем, заполненный ионами, будет обладать поверхностным натяжением, что и определяет устойчивую шаровидную форму молнии.

Предположение о возможном пространственном разделении ионов разного знака внутри шаровой молнии надо исключить. Что может затормозить рекомбинацию равномерно «перемешанных» по объему сферы ионов? Возможный ответ на этот вопрос дает так называемая кластерная гипотеза, предложенная в 1974 г. .

Шведский ученый Сванте Аррениус, изучая электропроводность растворов различных веществ, пришел в 1877 г. к выводу, что причиной электропроводности является наличие в растворе ионов, которые образуются при растворении электролита в воде.

Процесс распада электролита на ионы называется электролитической диссоциацией.

С. Аррениус, который придерживался физической теории растворов, не учитывал взаимодействия электролита с водой и считал, что в растворах находятся свободные ионы. В отличие от него русские химики и применили к объяснению электролитической диссоциации химическую теорию и доказали, что при растворении электролита происходит химическое взаимодействие растворенного вещества с водой, которое приводит к образованию гидратов, а затем они диссоциируются на ионы. Они считали, что в растворах находятся не свободные, не «голые» ионы, а гидратированные, то есть «одетые в шубку» из молекул воды.

Молекулы воды представляют собой диполи (два полюса), так как атомы водорода расположены под углом 104,5°, благодаря чему молекула имеет угловую форму. Молекула воды схематически представлена на рисунке 9.

Как правило, легче всего диссоциируют вещества с ионной связью и, соответственно, с ионной кристаллической решеткой, так как они уже состоят из готовых ионов. При их растворении диполи воды ориентируются противоположно заряженными концами вокруг положительных и отрицательных ионов электролита. Между ионами электролита и диполями воды возникают силы взаимного притяжения. В результате связь между ионами ослабевает, и происходит переход ионов из кристалла в раствор.

Упрощенно происходящие процессы можно отразить с помощью следующего уравнения:

NaCl = Na+ + Cl-

В растворах электролитов хаотически движущиеся гидратированные ионы могут столкнуться и вновь объединиться между собой. Этот обратный процесс называется ассоциацией. Также необходимо учитывать, что свойства гидратированных ионов отличаются от свойств негидратированных ионов. Гидратированные ионы имеют как постоянное, так и переменное число молекул воды.

В растворах электролитов наряду с ионами присутствуют и молекулы. Поэтому растворы электролитов характеризуются степенью диссоциации.

При растворении в воде электролиты диссоциируют на положительные и отрицательные ионы.

Свойства ионов совершенно не похожи на свойства атомов, которые их образовали.

Причиной диссоциации электролита в водных растворах является его гидратация, то есть взаимодействие электролита с молекулами воды и разрыв химической связи в нем.

В результате такого взаимодействия образуются гидратированные, то есть связанные с молекулами воды, ионы.

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 чрезмерно большим, выделяющаяся энергия не успевает отводиться из молнии — и тогда быстро растет температура, дружно рушатся оболочки ионов-кластеров, рекомбинация резко усиливается — происходит взрыв.

Итак, согласно кластерной гипотезе, шаровая молния представляет собой самостоятельно существующее тело (без непрерывного подвода энергии от внешних источников), состоящее из тяжелых положительных и отрицательных ионов, рекомбинация которых сильно заторможена вследствие гидратации ионов. Надо признать, что данная гипотеза (в отличие от остальных) вполне хорошо объясняет все свойства шаровой молнии, выявленные в результате многочисленных наблюдений. И все же пока это только гипотеза, хотя и довольно правдоподобная.