Загадка шаровой молнии

ЗАГАДКА ШАРОВОЙ МОЛНИИ Бадалова Г.Т.1, Туламетов М.А.2

1Бадалова Гулбахор Тургуновна - ассистент-преподаватель;

Туламетов Махмуджан Ахмедович - старший преподаватель, кафедра физики и электротехники, Ташкентский химико-технологический институт, г. Ташкент, Республика Узбекистан

Аннотация: предполагается, что энергия подводится к шаровой молнии при помощи магнитного излучения диапазона сверхвысоких частот (точнее говоря, диапазона дециметровых и метровых волн). Учитывая накопленный фактический материал, можно вполне уверенно утверждать, что шаровая молния - это самостоятельно существующее тело.

Шаровая молния.... Так издавна называли светящиеся шаровидные образования, время от времени наблюдаемые во время грозы в воздухе, как правило, вблизи поверхности. Шаровая молния абсолютно не похожа на обычную (линейную) молнию ни по своему виду, ни по тому, как она себя ведет. Обычная молния сопровождается кратковременна; шаровая живёт десятки секунд, минуты. Обычная молния сопровождается громом; шаровая совсем или почти бесшумна. В поведении шаровой молнии много непредсказуемого: неизвестно, куда именно направится светящиеся мгновение, как (тихо или же со взрывом). С зрения физики шаровая молния - интереснейшее явление природы. К сожалению, мы ещё не умеем ее искусственно (ведь мы не знаем при каких условия она возникает). Поэтому единственный пока метод изучения шаровой молнии - это систематизация и анализ случайных наблюдений ее.

Собирание наблюдений шаровой молнии - это первый шаг к ее изучению. Второй шаг - систематизация и анализ собранного фактического материала. После этого можно переходить к третьему шагу - обобщениям и заключениям, касающимся физической природы шаровой молнии.

Как правило, шаровая молния имеет достаточно четкую поверхность, отграничивающую 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 фазовом состоянии. В отдельных случаях на поверхности молнии начинают плясать язычки пламени, из нее выбрасываются снопы искр.

Диаметр шаровых молний находится в диапазоне от долей сантиметра до нескольких метров. Чаще всего встречаются молнии с диаметром 15 ... 30 см. Шаровая молния очень чутко реагирует на электрическое поле вблизи поверхности земли, на заряд, имеющийся на объектах, которые оказываются на ее пути. Так, молния стремится переместится в те области пространства, где напряженность поля меньше; этим можно объяснить частое появление шаровых молний внутри помещений.

Вызывает удивление способность шаровой молнии проникает в помещение сквозь щели и отверстия, размеры которых много меньше размеров самой молнии. Так молния диаметром 40 см может пройти 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. За ней нетрудно следить. Внутри помещений молния может на некоторое время даже останавливаться, зависая над полом. Оценить минимальное количество энергии в шаровой молнии можно по тем последствиям, которые она оставляет после своего исчезновения.

Решим в связи с этим следующую задачу. Сколько энергии требуется для нагревания на АТ= 600 К участка железной трубы длиной 1= 5 см? Наружный радиус трубы Я= 1,5 см, внутренний г= 1,2 см. Удельная теплоемкость железа с = 0, 71 Дж/(гК), плотность железа р = 7,8 г/ см3. Согласно

условия задачи, надо нагреть участок трубы длиной l, т. е. нагреть массу железа:

m= p(nR2- nr2).

Используя числовые значения величин, получаем m = 100 г. Отсюда находим искомую энергию: W = cm AT= 4,2-104 Дж = 42 кДж.

Для оценки энергии молнии рассмотрим вторую задачу.

Сколько энергии необходимо для того, чтобы пар, образовавшийся в результате нагрева и испарения воды, разорвал деревянную сваю вдоль волокон? Радиус сваи r=0,15 м; длина участка сваи, в пределах которого образуется пар, l= 0,2 м; предел прочности дерева, соответсвующий его расщеплению вдоль волокон, р0=3- 106Па; начальная температура воды Tj = 20° C; удельная теплоемкость воды с= 4,19 Дж/(г-К), удельная теплота парообразования X = 2,26 кДж/г. Коэффициент пористости дерева принять равным 0,1.

Под коэффициентом пористости а понимают долю объема древесины, приходящегося на поры. Разрывающий сваю пар занимает объем пор

V= an^l.

В этом объеме при температуре кипения воды Т= 380 К необходимо обеспечить давление водяных паров, равное р0. для чего надо нагреть до температуры кипения и испарить некоторое количество молей воды. Обозначим это количество молей через х. Чтобы найти его , воспользуемся уравнением Менделеева - Клапейрона для идеального газа

Po V= xRT,

где R - универсальная газовая постоянная; R=8,31 Дж/ (моль-К). Учитывая, что V= an^l, получаем

x= алг21 —.

RT v '

Используя числовые значения величин, находим моль. Молекулярный вес воды равен 18; значит, один моль воды имеет массу 18 г. Искомую энергию W рассчитываем по формуле:

W= jux

где ¡л=18г/моль, ЛТ= 100-20=80 К. Подставляя в (3) числовые значения, находим W = 63 кДж.

Принимая во внимание результаты рассмотренных задач, можно заключить, что энергия , запасенная в шаровой молнии с диаметром 25 см, находится в переделах примерно 100 кДж. Такая оценка представляется вполне правдоподобной; она согласуется с результатами, получаемыми на основе большого количества наблюдений большой шаровой молнии 100 кДж, а ее диаметр 25 см, то, следовательно, плотность энергии оказыва-ется порядка 10 кДж/см3. В общем случае (с учетом молний разных диаметров) можно считать что энергия шаровой молнии принимает значение от нескольких килоджоулей до нескольких сотен килоджоулей, а плотность энергии лежит в пределах примерно от 1 до 10 кДж/см3.

В подавляющем большинстве случаев (более 90 %) 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. Как именно рождается шаровая молния при разряде обычной молнии? На этот счет ничего определенного сказать пока нельзя.

Шаровая молния может родится при электрическом разряде между тучами. Понятно, во всех случаях шаровая молния образуется за счет энергии разряда обычной молнии. Если физическая природа линейной молнии была установлена более двух сот лет тому назад то природа шаровой молнии до сих пор остается неразгаданной.

Все гипотезы, касающиеся физической природы шаровой молнии, можно разделить на две группы. В одну группу входят гипотезы, согласно которым шаровая молния непрерывно получает энергию извне. К другой группе относятся гипотезы, согласно которым шаровая молния после своего возникновения становится самостоятельно существующим объектом.

Предполагается, что энергия подводится к шаровой молнии при помощи магнитного излучения диапазона сверхвысоких частот (точнее говоря, диапазона дециметровых и метровых волн). Учитывая накопленный фактический материал, можно вполне уверенно утверждать, что шаровая молния - это самостоятельно существующее тело.

Кластер - это положительный или отрицательный ион, окруженной своеобразной «шубой» из нейтральных молекул. 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 остальных) вполне хорошо объясняет все свойства шаровой молнии, выявленные в результате многочисленных наблюдений. И все же пока это только гипотеза, хотя и довольно правдоподобная.

Список литературы

1. Богданов К.Ю. Молния: больше вопросов, чем ответов // Наука и жизнь. 2007. № 2.

2. Дёмкин С. Светлая личность с темным прошлым // Чудеса и приключения. 2007. № 4.

3. Имянитов И.М., Чубарина Е.В., Шварц Я.М. Электричество облаков. Л., 197. 593 с.

4. Остапенко В. Шаровая молния - сгусток холодной плазмы // Техника молодежи. 2007. № 884. С. 16-19.

5. Перышкин А.В., Гутник Е.М. Физика. 9 кл. Учебник для общеобразовательных учреждений. М.: Дрофа, 2003. 256 с.