|
Пермский научный сайт |
Известны многие десятки различных моделей шаровых молний и сотни их модификаций. В представляемой далее статье описывается электрон-ионная модель шаровой молнии, относящаяся к электромагнитным моделям. Это означает, что энергия шаровой молнии (ШМ) содержится в электрической энергии ионов очень горячего воздуха внутри ШМ, а также в энергии электрического и магнитного полей от нескомпенсированных и движущихся зарядов, связанных с ШМ. В электрон-ионной модели горячий воздух внутри ШМ экранируется от внешней среды оболочкой из быстровращающихся электронов. Равновесие этих электронов обеспечивается центростремительными силами, электрической силой притяжения к внутреннему объёмному положительному заряду от ионов воздуха, магнитным давлением от магнитного поля от тока электронов в оболочке, а также внешним атмосферным давлением. В свою очередь магнитное поле внутри ШМ упорядочивает движение ионов и выделяет внутреннюю светящуюся оболочку, где пересекаются потоки ионов, движущиеся вдоль линий магнитного поля, и потоки ионов, движущиеся по окружности перпендикулярно линиям магнитного поля под действием силы Лоренца.
Модель предсказывает радиус ШМ 1 см, ток электронов в оболочке 20 А, внутреннее магнитное поле 0,0013 Тл, энергию ШМ в размере 2,2 Дж при условии равенства электрической и магнитной энергий друг другу и кинетической энергии движения электронов. Для случая ШМ экстремальной мощности из первых принципов находится формула для радиуса ШМ, дающая значение 17 см, при энергии молнии 10,6 кДж, токе в оболочке 140 кА, и внутреннем магнитном поле до 0,5 Тл.
Электрон-ионная модель объясняет не только шаровую, но и чёточную молнию. Это было показано в статье: Fedosin S.G. Electron-ion model of ball and bead lightning. Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, Vol. 265, 106374 (2024). https://doi.org/10.1016/j.jastp.2024.106374. // Электронно-ионная модель шаровой и чёточной молнии.
Среди редких и до сих пор загадочных явлений природы одно из первых мест по праву принадлежит шаровой молнии (ШМ). Действительно, ШМ обладают немалым количеством совершенно противоречивых свойств. Перечислим их в соответствии с данными из [1-3]:
1. ШМ появляются и при ясном небе и во время проливного дождя либо у земли, либо падая из облаков. 2. Цвет их бывает красноватый или голубой, а иногда и то и другое или другие цвета. 3. ШМ иногда неподвижны, а иногда двигаются достаточно быстро. 4. Могут парить в воздухе или катиться вдоль проводов или краёв предметов. 5. Могут исчезнуть бесшумно или со взрывом, повреждая иногда окружающие вещи. 6. Форма ШМ может быть чётко очерченной или расплывчатой. 7. Иногда ШМ избегают хороших проводников, а иногда притягиваются к ним. 8. При наблюдении ШМ бывают как спокойными, так и искрящимися или издающими сильный треск и шипение, или оставляющими сильный запах. 9. Чаще всего ШМ наблюдают в связи с разрядами линейных молний при грозах, ураганах, штормах, смерчах, снежных или песчаных буранах, землетрясениях, но иногда ШМ сами разделяются на более мелкие ШМ. Встречаются даже конструкции из двух ШМ, соединённых цепью светящихся бусин.
Неудивительно поэтому, что при наличии десятков моделей, объясняющих те или иные свойства ШМ, до сих пор не существует какой-то одной всеобъемлющей модели их внутреннего строения. Ситуацию осложняет и то, что мы не располагаем экспериментальной техникой, которая позволяла бы в любой момент времени создавать искусственные ШМ, не отличающиеся по своим свойствам от природных аналогов. Целью данной работы является анализ по ряду критериев некоторых моделей ШМ, представление электронно-ионной модели и сравнение её предсказаний с основными свойствами ШМ.
Время жизни наблюдаемых ШМ достигает десятков секунд, и учитывая их внезапное появление, слишком мало для детального исследования. Отсюда основными источниками информации об ШМ становятся показания очевидцев и последствия их взаимодействия с окружающими предметами. По данным опроса, проведённого журналом "Наука и жизнь" в 1976 году [4], ШМ обычно представляет собой светящееся сферическое образование диаметром 10-40 сантиметров. Согласно [2] средний диаметр ШМ составляет 28 ± 4 см. Появление ШМ очень хорошо повторяет распределение грозовой активности в течение суток и частоту гроз по месяцам в течение года практически во всех странах, что говорит о тесной связи между ШМ и линейными молниями...
Подробнее в статье "Шаровая молния, её свойства и модели строения". Имеется также более полный вариант этой статьи под названием "Критерии анализа моделей шаровых молний". Деп. в ВИНИТИ, рег. №. 3071-В00 от 06.12.2000, 31 с.
Фильмы с записью движущейся шаровой молнии крайне редки. В нашем распоряжении появился новый материал об этом явлении. Ночью третьего марта 2011 года скрытая инфракрасная камера наружного наблюдения, позволяющая осуществлять слежение ночью, дважды запечатлела шаровую молнию вблизи дома в сельской местности в Техасе. Первая запись длилась порядка 1 минуты и 7 секунд, вторая запись - около 2 минут и 5 секунд, временной промежуток между записями достигает 3 минут и 23 секунд. Особенностью таких камер слежения является их включение и выключение по команде датчика слежения за движением, причём зона слежения датчика не совпадает полностью с областью обзора камеры (описание работы камер имеется на вэб-странице дистрибьютора).
По словам автора видеозаписи, хозяина дома Ricky Polser, температура воздуха была 44° F (6,7° С), относительная влажность воздуха 60 %, а за 26 часов до этого в данном месте проходила гроза. Исходя из близости событий на записях, можно предположить, что либо было две шаровых молний (что вероятнее), либо одна шаровая молния, выходившая из зоны обзора камеры. В последнем случае возникает вопрос о слишком большом времени жизни, достигающем почти 6,5 минут.
Из наблюдений за шаровыми молниями известно, что они могут появляться не только поодиночке, но и по несколько штук. Причиной шаровой молнии вполне может быть какая-либо проходящая туча, несущая достаточное количество электричества с большим электрическим потенциалом относительно земли, хотя и без явных признаков активности в виде обыкновенных линейных молний. За счёт местного электрического пробоя воздуха между тучей и землёй возможно протекание рассеянного электрического тока, который при большом потенциале может сопровождаться свечением воздуха от коронного разряда на высоких предметах. В электрон-ионной модели шаровой молнии последняя образуется в момент прекращения тока в развлетвлённом токовом канале, когда электронный ток движется по инерции и замыкает развлетвления канала в кольцо под действием силы притяжения от внутреннего положительного заряда. Образовавшаяся шаровая молния является весьма подвижным образованием, она легко меняет свою форму и пульсирует под действием внешних воздействий. В большинстве случаев форма молнии не круглая, а скорее с колеблющимися выступами, внутри неё наблюдаются вращающиеся и неустойчивые области свечения. Согласно модели шаровая молния должна быть заряжена положительно и иметь собственное магнитное поле. Как правило, шаровая молния вблизи себя не выделяет тепло, но даёт сильное радиоизлучение и треск от своего высоковольтного заряда. Светимость молнии обычно не больше, чем у лампы накаливания в 100 Вт. Согласно статистике, среднее время жизни шаровых молний около 9 секунд, но до 15 % шаровых молний существуют в течение 3,5 минут, а самые большие из них возможно живут до 6 минут.
Для просмотра видеофильмов video2.avi и lightball.avi, которые любезно предоставил Ricky Polser для Пермского научного сайта, может понадобиться специальный медиа-проигрыватель типа VLC media player или аналогичный, если в имеющемся стандартном плеере отсутствуют необходимые видеокодеки. Видеофильмы доступны также в упаковке zip-архива размером 8 Мб. После загрузки и распаковки архива удобно запустить просмотр со своего компьютера с помощью VLC media player (Windows Media Player 11 данное видео не воспроизводит).
Ссылки по проблеме шаровой молнии:
В некоторых редких случаях обычная линейная молния не исчезает бесследно, а превращается в чёточную молнию. Особенностью такой молнии является то, что она кратковременно существует в виде цепочки из отдельных чёток - светящихся образований, разделённых промежутками. Для описания структуры чёточной молнии и её устойчивости оказывается возможным применить электрон-ионную модель шаровой молнии. Из анализа видеофильма, где была зафиксирована молния, бьющая в шпиль Останкинской телебашни 24 июля 2001 года, и возникающая на её месте чёточная молния, получается, что среднее расстояние между соседними чётками или бусинками чёточной молнии составляет 1 м, средняя длина чётки 0,65 м, а ширина чётки при виде сбоку 0,41 м. Внутри чёток находится раскалённый ионизированный воздух, а цилиндрическую оболочку каждой чётки образуют быстровращающиеся электроны, удерживаемые внутренним объёмным положительным зарядом.
Причиной возникновения чёточной молнии является сильный ток в исходной линейной молнии, когда за счёт пинч-эффекта происходит сжатие токового канала молнии. Сущность пинч-эффекта заключается в действии магнитного поля от тока в канале, уменьшающего сечение данного тока из-за притяжения параллельных токов под действием силы Лоренца. Линии магнитного поля вокруг токового канала линейной молнии представляют собой окружности, по которым движутся электроны, так что динейная молния имеет оболочку из таких электронов. Чёточная молния образуется при уменьшении тока в канале молнии, однако при этом поперечное вращательное движение электронов в оболочке молнии остаётся, предотвращая быстрый распад чёток. По мере уменьшения тока электронная оболочка вокруг канала, удерживаемая магнитным полем, расширяется и в отдельных местах достигает диаметра чёток. Промежутки между чётками возникают за счёт перетекания ионов воздуха в чётки вследствие сил электрического отталкивания, что приводит к ослаблению свечения между чётками.
В представленной электрон-ионной модели чёточной молнии продольная устойчивость чёток определяется двумя основными силами - электрического отталкивания положительно заряженных в целом чёток друг от друга, и магнитного притяжения чёток друг к другу, аналогично притяжению соленоидов с проходящими в них токами, когда соленоиды расположены вдоль одной оси. Расчёты для случая чёточной молнии Останкинской телебашни 24 июля 2001 года дают следующие величины: ток электронов в оболочке 240 кА, магнитное поле в центре чётки 0,39 Тл, нескомпенсированный положительный заряд чётки 0,00016 Кл.[1]
Ссылки по проблеме чёточной молнии:
Счётчик посещений с 9 апреля 2013 года:  |