Шаровая молния

Казанский (Приволжский) Федеральный  Университет

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат

По  физике информатики на тему

“Шаровые молнии”

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Студент:	Чупин М.М.
Направление:	Радиофизика
Группа:	625

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Казань

   2013 г.

 

Оглавление

 

Введение 1

1. Общие характеристики шаровой молнии 2

2. Наблюдаемые свойства 3

3. Некоторые гипотезы 4

Заключение 5

Список литературы 6

 

Введение

 

Молния –  одно из самых удивительных явлений  природы, которое на протяжении тысячелетий  поражало воображение людей. Однако научное исследование молний началось лишь около двух столетий назад, когда Алибар во Франции (в 1752 г.) и Франклин в Америке положили начало эре электричества, заложив основы нашего современного «электронного общества». Изучение молний развивалось от наблюдений и умозрительных рассуждений к теоретическим и экспериментальным работам, основанным на теории электромагнетизма и физике плазмы.

 Термин шаровая молния применяют к одиночной светящейся стабильной и сравнительно небольшой шарообразной массе воздуха, которая наблюдается в атмосфере и связана с грозовыми явлениями и естественной молнией.

Над объяснением  этого природного феномена в течение  длительного периода ломают голову большая армия исследователей. Наблюдения шаровой молнии (ШМ) фиксируются  на протяжении 300 лет. Представлено много  теорий, но практического подтверждения  нет.

К настоящему времени опубликовано не менее десятка  гипотез по природе ШМ. Каждая из гипотез акцентирует внимание на некоторых выделенных свойствах, в  основном это излучающая способность. Ни одна из существующих гипотез не объясняет все известные свойства в комплексе.   

 

1. Общие характеристики шаровой молнии

 

Свойства  шаровой молнии таковы, что позволяют  отличить ее от других природных электрических  явлений, происходящих в атмосфере. Именно эти ее особые свойства и  поведение вызывают столь эмоциональные  и горячие дискуссии.

Общие характеристики шаровой молнии можно классифицировать  по ее различным  наблюдаемым, регистрируемым  и описываемым  физическим свойствам. Они таковы:

• Форма, размер, цвет
• Звук, запах, повреждения
• Структура, движение
• Нагрев, время жизни
• Распад, связь с молнией, тяга к замкнутому пространству, высота

2. Наблюдаемые свойства

 

1. Форма и размер

Имеются сообщения  о шаровых молниях сферической, овальной, каплевидной и даже стержневидной  формы. Размеры сферической и овальной ШМ в диаметре чаще всего достигают 10-40 см. В сообщениях о каплевидной молнии фигурируют меньшие размеры (как правило, менее 20 см).

2. Цвет

В большинстве  случаев наблюдатели отмечают белый (23% наблюдений), желтый (23%), красный (18%), оранжевый (14%) цвет шаровой молнии. Иногда отмечается зеленый, голубой, синий, фиолетовый цвета или смесь цветов.

Некоторые очевидцы описывали изменение цвета со временем. Обычно, это переходы от красного - к белому,  от фиолетового - к красному и от желтого – к белому.

3. Структура

Обычно имеется  всего три структуры. Первая выглядит как твердое тело с блестящей  или тусклой поверхностью, вторая – как вращающееся тело с кажущимся  внутренним движением, третья – как  сгусток пламени.

 

 

 

4. Движение

ШМ плавает  в воздухе и перемещается вместе с воздушными потоками, но при этом может совершать "странные" активные перемещения, которые явно не совпадают с движением воздуха. Иногда ШМ неподвижны, а иногда двигаются достаточно быстро.

При соприкосновении  со стальными предметами происходит разрушение ШМ, при этом наблюдается  яркая, длящаяся несколько секунд, вспышка, сопровождаемая разлетающимися светящимися  фрагментами, напоминающими сварку металлов. Стальные предметы при последующем  осмотре оказываются слегка оплавленными.

5. Звук

Присутствие шаровой молнии часто сопровождается шипением. Существует немного оригинальных описаний звука, исходящего от ШМ.

6. Запах

Обычно очевидцы описывали резкий и неприятный запах, напоминающий запах озона, горящей  серы или окиси озота.

7. Время жизни

Согласно  имеющимся сообщениям, шаровая молния «живет» всего 1-2с. (80% изученных сообщений)

8. Плотность

Большинство известных описаний шаровой  молнии сходно, по крайней мере, в  одном отношении, а именно что  шаровая молния либо парила в воздухе, двигаясь из стороны в сторону  сравнительно беспорядочно, либо она  появлялась перед очевидцем движущейся сверху вниз. Эти данные, а также  очень небольшое число наблюдений поднимающейся вверх шаровой  молнии можно использовать для выявления  такой ее характеристики, как плотность.

Для объяснения направленного вниз движения шаровой молнии необходимо предположить, что ее плотность превышает  плотность воздуха. Если бы мы исходили из того, что шаровая молния поднимается  преимущественно вверх, тогда пришлось бы считать ее плотность меньше, чем плотность воздуха. Наконец, при отсутствии явно выраженного движения шаровой молнии вверх или вниз приходится считать плотность вещества в ней сравнимой с аналогичным показателем для окружающего воздуха. Таким образом, с учетом сделанных выше замечаний следует полагать, что плотность (г/см3) шаровой молнии приблизительно равна плотности воздуха, т.е. составляет около 1,29•10-3 г/см3.

То обстоятельство, что плотность  вещества шаровой молнии должна примерно равняться аналогичному показателю для воздуха, отнюдь не определяет ее истинный молекулярный состав. Небольшая  примесь лишь в незначительной степени  повлияла бы на полную массу шаровой  молнии.

Значительное число исследователей вводит в заблуждение свойство ШМ парить в воздухе. Из чего они делают заключение, что плотность её приблизительно равна плотности воздуха. Плотность  ядра «Огненной дамы» на несколько  порядков больше. Вес ШМ уравновешивается силой взаимодействия её собственного электрического заряда с полем атмосферы. Атмосфера земли по своей электрической  сути является конденсатором, одной  обкладкой которого является земная поверхность, другой электросфера. Параметры данного конденсатора, также, сильно зависят от грозовой деятельности атмосферы.

9. Распад

Наблюдалось два типа распадов шаровой  молнии. Один из них – тихий распад, сопровождающийся уменьшением яркости  и диаметра молнии. Второй, называемый взрывом, связан с громким и сильным  звуком. Некоторые наблюдатели сообщают о том, что перед взрывным распадом происходит внезапное изменение  цвета. Другие, наблюдавшие взрыв  шаровой молнии, отмечают, что даже в тех случаях, когда взрывной распад происходит вблизи легко разрушающихся предметов, никаких повреждений не замечалось. Это говорит о том, что такой распад является скорее схлопыванием, а не настоящим взрывом.

Небольшое число наблюдателей отмечает наличие после взрыва некоторого остаточного явления в виде дыма или тумана, дегтя или копоти (появляющихся в месте соприкосновения шаровой  молнии с предметом или на траектории ее движения).

Сравнительная редкость сообщений  об остаточных явлениях связана, видимо, с недостаточно внимательным изучением  места события.

Противоречий в описаниях распада  нет. Взрываясь вблизи каких либо предметов, ШМ не формирует осколков, а силы ударной волны хватает только на громкий звук.

10. Связь с молнией

Появление шаровой молнии связывается, как правило, с обычными разрядами  молний во время гроз, торнадо (смерчей), землетрясений и других необычных  явлений природы. Эти наблюдения служат основой гипотезы, согласно которой шаровая молния связана  с разрядом обычной молнии и представляет собой некоторое электрическое  явление. Такая связь подтверждается сообщениями, в которых описывается  появление шаровой молнии одновременно с произошедшим поблизости разрядом обычной молнии, сразу после него или непосредственно перед ним. Около 90% сообщений связано с наблюдением  шаровой молнии во время грозы. Сообщалось также о появлении шаровой  молнии во многих других необычных  условиях, например на море в штормовую  погоду, но без обычной молнии; кроме  того, свечение и шаровые молнии отмечались во время землетрясений  и снежных бурь.

ШМ и линейная молния черпают  энергию из одного и того же источника. Их взаимосвязь очень тесная.

Основная проблема многочисленных теорий – это источник энергии  шаровой молнии, а именно вопрос о том, является ли он внешним или  внутренним. Поскольку было замечено, что при соприкосновении шаровой  молнии с проводниками не происходит ее мгновенного исчезновения, предположение  о внешнем источнике энергии  было поставлено под сомнение. Тот  факт, что шаровая молния наблюдалась  внутри замкнутых металлических  объемов, представляет собой более  серьезную проблему, поскольку это  не совместимо с предположением о  внешнем источнике энергии.

И в этом нет никакого противоречия. Источник находится внутри (электрический  заряд), и в то же время имеется  внешний источник (окружающая атмосфера, электрические, магнитные, тепловые поля).

11. Повреждения и нагрев

Поскольку шаровая молния-это явление, связанное с атмосферным электричеством, можно ожидать излучения тепла. Действительно, небольшое число  наблюдателей сообщало о том, что  при этом явлении ощущался поток  тепла. Был случай, когда шаровая  молния коснулась наблюдателя, обожгла  ему руку и повредила одежду. Другой наблюдатель получил ожог, когда  шаровая молния коснулась его  ноги. Сообщалось о человеке, получившем ожоги и потерявшем сознание. В  работе также сообщается о тепловом излучении, ощущавшемся наблюдателем. Обсуждались случаи с мальчиком, получившим ранение, и мужчиной, получившим ожог плеча. В ряде случаев обсуждалась  возможность сильных телесных повреждений, связанных с шаровой молнией. Много раз сообщалось о людях, убитых шаровой молнией, а также  об убитых шаровой молнией животных. Сообщалось также о разрушениях, вызванных контактом с шаровой  молнией, например, о повреждении  дерева после отскока шаровой  молнии от проводов, расщеплении сваи, приведшем к сильному повреждению  причала, о повреждениях самолетов  при столкновении с шаровой молнией. Сообщалось об ударе шаровой молнии о землю около пруда, в результате чего образовалась яма от 5 до 15 см в диаметре и глубиной 1,2 м.

3. Некоторые гипотезы

• Одна из теорий предполагает, что шаровая молния — это тяжёлые положительные и отрицательные ионы воздуха, образовавшиеся при ударе обычной молнии, рекомбинации которых мешает их гидролиз. Под действием электрических сил они собираются в шар и могут довольно долго сосуществовать до тех пор, пока не разрушится их водяная «шуба». Это объясняет ещё и тот факт, как различный цвет шаровой молнии и его прямая зависимость от времени существования самой шаровой молнии — скорости разрушения водяных «шуб» и начало процесса лавинной рекомбинации.
• Гипотеза Капицы: между облаками и землёй возникает стоячая электромагнитная волна, и когда она достигает критической амплитуды, в каком-либо месте (чаще всего, ближе к земле) возникает пробой воздуха, образуется газовый разряд. В этом случае шаровая молния оказывается как бы «нанизана» на силовые линии стоячей волны и будет двигаться вдоль проводящих поверхностей. Стоячая волна тогда отвечает за энергетическую подпитку шаровой молнии.
• Принципиально другая гипотеза Смирнова Б. М., занимавшегося проблемой шаровой молнии много лет. В его теории ядро шаровой молнии — это переплетённая ячеистая структура, нечто вроде аэрогеля, которая обеспечивает прочный каркас при малом весе. Только нити каркаса — это нити плазмы, а не твёрдого тела. И энергетический запас шаровой молнии целиком скрывается в огромной поверхностной энергии такой микропористой структуры. Термодинамические расчёты на основе этой модели, в принципе, не противоречат наблюдаемым данным.

 

 

Заключение

 

В связи с  тем, что появление шаровой молнии как природного явления происходит редко, а попытки искусственно воспроизвести  его в масштабах природного явления  не удаются, основным материалом для  изучения шаровых молний являются свидетельства  неподготовленных к проведению наблюдений случайных очевидцев. В некоторых  случаях современные очевидцы произвели  фото и/или видеосъёмку явления, при этом низкое качество съёмок не позволяет использовать их в научных  целях. Поэтому шаровая молния до сих пор остается не изученным и загадочным явлением.

 

Список литературы

 

1. Дж. Барри. Шаровая молния и четочная молния. Пер. с англ., Мир, М., 1983
2. С.Сингер. Природа шаровой молнии. Пер. с англ., Мир, М., 1973
3. Стаханов И. П.О физической природе шаровой молнии М.: Энергоатомиздат, 1985, 208 с.
4. Григорьев А. И. Шаровая молния. Ярославль: ЯрГУ, 2006. 200 с.