Кульова блискавка

Шаровая молния

Щербаков Сергію Петровичу, Щербаков Михайло Сергеевич В статті розглядається моделі кульових блискавок, розглянуті у книзі Дж. Баррі «Кульова блискавка і четочная блискавка », з коментарями авторів з урахуванням ними розробленої модели.

Над поясненням цього природного феномена протягом тривалого ламають голову велика армія дослідників. Спостереження кульової блискавки (ШМ) фіксуються протягом 300 років. Представлено багато теорій, але на підтвердження нет.

Так що таке гарна молния?

Мы міг би коротко охарактеризувати це явище, але дуже вже неймовірною, на погляд, здається ця теорія. Але, лише, здавалося б. Постараємося теорію викласти простою мовою. Не перевантажуючи, по початку, статтю посиланнями на джерела та математичними розрахунками. Через великого обсягу матеріалу, викладати його будемо частинами і розміщати з сайту принаймні готовности.

Чтобы відповісти на питання розглянемо деякі теорії, розроблені дослідниками за останні десятиліття минулого століття достойні [1] і прокоментуємо його з погляду своєї теории.

Для початку опишемо характеристики, виходячи з яких дослідники ідентифікують феномен природи, званий кульової блискавкою.

1. Дата, час, метеоусловия появи ШМ.

— Дата та палестинці час — будь-які. Разом про те, пік спостережень посідає липень (45,4% спостережень). В інших місяців статистика така: травень — 6,4%, червень — 17,5%, серпень — 20%, вересень — 4,0%, з жовтня до квітня (сумарно) — 6,7%. Див.: Смирнов Б. М. Фізика кульової блискавки // УФН. 1990. т. 160. вип. 4. С.1−45.

— Метеоусловия будь-які, найчастіше ШМ спостерігають у зв’язку з розрядами лінійних блискавок при грозах, урагани, ті шторми, смерчі, сніжних чи піщаних буранах, землетрясениях.

2. Тривалість спостереження звичайно більше однієї хвилини (автор спостерігав більш хвилини).

3. Колір. Найчастіше спостерігачі відзначають білий (23% спостережень), жовтий (23%), червоний (18%), помаранчевий (14%) колір кульової блискавки. Іноді відзначається зелений, блакитний, синій, фіолетовий кольору чи суміш квітів. Див.: Смирнов Б. М. Фізика кульової блискавки // УФН. 1990. т. 160. вип. 4. С.1−45.

3. Іноді ШМ нерухомі, плавно рухаються по складної траєкторії, інколи ж рухаються досить швидко. Можуть парити повітря, розміщатися на будівлях (автор спостерігав на опорі високовольтної ліній електропередач) чи котитися вздовж дротів чи країв предметов.

5. Можуть зникнути безшумно чи з вибухом, пошкоджуючи іноді оточуючі речі. Після зникнення ШМ часто залишається різко яка пахне дымка.

6. Форма ШМ то, можливо чітко окресленої чи расплывчатой.

7. Іноді ШМ уникають хороших провідників, інколи ж притягуються до ним.

8. При спостереженні ШМ бувають як спокійними, і искрящимися чи издающими сильний тріск і шипіння, тихі тріскучі, свистячі, шиплячі звуки.

10. Іноді ШМ самі поділяються більш дрібні ШМ. Зустрічаються навіть конструкції з двох ШМ, сполучених ланцюгом світних бусин.

11. Діаметр ШМ, найчастіше, — 10 ÷ 25 див, рідше більш 1 м (автор спостерігав саме такий ШМ).

12. Форма найчастіше сферична чи овальна форми, рідко сигарообразная. Обриси чіткі чи розпливчасті.

13. Яскравість вище яскравості фону.

Подробный аналіз властивостей ШМ узагальнив Баррі [1]. З аналізу фактів робиться висновок, що можливість появи кульової блискавки на Середньому Заході США становить приблизно 10−4 для кожен зареєстрований випадок появи лінійної молнии. Также у деяких джерелах стверджується, що кількість повідомлень про спостереженнях кульової блискавки становить приблизно 3% від кількості повідомлень про ударах звичайній блискавки в землю у Німеччині та Швеції. Слід відзначити, що результати таких оцінок сильно залежить від різних які деформують факторів, і неможливо знайти напрочуд влучними. Але, тим щонайменше треба сказати, що поява ШМ вже рідкісне явище.

После того, як одного з авторів цієї статті сталося спостерігати явище «Вогняній дами», провели опитування серед близьких родичів, на задану тему — випадало їм спостерігати ШМ? Виявилося, що з них, зустрічали її в своєму життєвий шлях, деякі - двічі! Їх описи не суперечили висунутої гипотезе.

Структура [1]. Загалом, є всього три типові структури. Перша виглядає як тверде тіло з тьмяною чи блискучої поверхнею чи як тверде ядро з напівпрозорої оболонкою, друга — як обертове тіло з гаданим внутрішнім рухом і напругами й третя — як згусток полум’я.

Исходя з моделі, запропонованої авторами, вище описане — одна структура. Бо за думці авторів ШМ можна умовно поділити три зоны:

— твердий, електрично заряджене ядро, діаметром найчастіше (5 — 15) см;

— перехідна зона (прошарок між ядром і зоною плазмового слоя);

— плазмовий слой.

У такий моделі, за певних станах, можуть спостерігатися описані все три типові структури. При слабкому плазмовій шарі може проглядатися ядро. При слабкому порушенні як тверде ядро з напівпрозорої оболонкою. При сильному порушенні як згусток пламени.

Звук [1]. Автори багатьох оглядів відзначають, що кульової блискавки часто супроводжується шиплячим звуком.

В той час шиплячий звук з упевненістю пов’язують із таким явищем, як вогні св. Эльма, яке неправильно інтерпретують як шарову блискавку. Звідси можна дійти невтішного висновку, що гарна молния-это, зазвичай, бездумний явище.

Вывод не точний, оскільки, у тому, в іншому разі відбувається витікання заряду, різні лише носії заряду. Тому шипіння може супроводжувати і ШМ (прим. авторов).

Запах [1]. Чимало очевидців повідомляють про характерне запаху, супроводжує поява кульової блискавки. Цей запах описується, як різкий і неприємний, нагадує запах озону, палаючій сірки чи окислів азоту. Наскільки можна судити, запах відзначалося тому випадку, коли відстань до кульової блискавки була невеликою.

Установлено, що запахи подібного типу притаманні продуктів, з’являються внаслідок іонізації молекул атмосфери розрядом лінійної блискавки.

ШМ також здатна іонізуйте молекули атмосфери, тому можуть бути присутні ті ж запахи. (прим. авторов).

Плотность [1]. Більшість відомих описів кульової блискавки подібно по крайнього заходу в одному плані, саме що гарна блискавка або застигла в леті повітря, рухаючись з боку убік порівняно безладно, або вона з’являлася перед очевидцем що просувалася згори донизу. Ці дані, і навіть дуже невелика число спостережень що піднімається вгору кульової блискавки можна використовуватиме виявлення такий її характеристики, як плотность.

Для пояснення спрямованого вниз руху кульової блискавки необхідно припустити, що її щільність вища, ніж повітря. Якщо ми виходили речей, що гарна блискавка піднімається переважно вгору, тоді довелося б вважати її щільність менше, ніж щільність повітря. Нарешті, за відсутності явно вираженого руху кульової блискавки вгору чи вниз доводиться вважати щільність речовини у ній можна з аналогічним показником для навколишнього повітря. Отже, з урахуванням зроблених вище зауважень треба думати, що щільність (г/см3) кульової блискавки приблизно дорівнює щільності повітря, тобто. становить близько 1,29•10−3 г/см3.

То обставина, що щільність речовини кульової блискавки повинна приблизно рівнятися аналогічного показника для повітря, зовсім на визначає її істинний молекулярний склад. Невелика домішка лише незначній мірі вплинула на повну масу кульової блискавки.

Значительное число дослідників виводить на оману властивість ШМ парити повітря. З чого роблять висновок, що щільність її приблизно дорівнює щільності повітря. Щільність ядра «Вогняній дами» кілька порядків більше. Вага ШМ врівноважується силою взаємодії її власного електричного заряду з полем атмосфери. Атмосфера землі на своєї електричної суті є конденсатором, однієї обкладкой якого є земна поверхню, інший электросфера. Параметри даного конденсатора, також дуже залежить від грозової діяльності атмосфери.

Повреждения і нагрівання [1]. Оскільки гарна молния-это явище, що з атмосферним електрикою, очікується випромінювання тепла. Справді, мало спостерігачів повідомляло у тому, що заодно явище відчувався потік тепла. Був випадок, коли гарна блискавка торкнулася спостерігача, обпекла йому правицю і пошкодила одяг. Інший спостерігач отримав опік, коли гарна блискавка торкнулася його ноги. Повідомлялося про людину, який отримав опіки і що втратив свідомість. У роботі також повідомляється про тепловому випромінюванні, ощущавшемся спостерігачем. Обговорювалися випадки з хлопчиком, які мають поранення, і чоловіком, які мають опік плеча. Нерідко обговорювалася можливість сильних тілесних ушкоджень, що з кульової блискавкою. Багато разів повідомлялося людей, убитих кульової блискавкою, і навіть про убитих кульової блискавкою тварин. Повідомлялося також руйнування, викликаних контактом з кульової блискавкою, наприклад, про ушкодженні дерева після відскоку кульової блискавки від дротів, розщепленні палі, що до сильному пошкодження причалу, щодо ушкоджень літаків у зіткненні з кульової блискавкою. Повідомлялося про удар кульової блискавки про землю близько ставка, в результаті чого утворилася яма від 5 до 15 див в діаметрі і глибиною 1,2 м.

В на відміну від перелічених повідомлень, які свідчать про серйозних руйнування, за іншими повідомленнях вказувалося, що гарна блискавка не випромінює тепла і завдає шкоди предметів. Іноді близький спостерігач не відчував тепла від кульової блискавки, а описі наблюдавшейся в 1665 р. кульової блискавки вказувалося, що заодно не відчувалося ніякого тепла, а після його зустрічі з домом виявлено було жодних пошкоджень.

Создается враження, що різні повідомлення суперечать одна одній. Причина цих протиріч незрозуміла, хоча деякі дослідники вважають, що є декілька тисяч видів кульової блискавки. Оскільки чимало повідомлення свідчить про ушкодження чи поранення, завдані кульової блискавкою, розумно уникати зустрічах із нею.

Авторы вважають, що нічого немає у цьому, що ШМ може обпекти, завдати травму, різноманітного ступеня тяжкості, зробити вирву в м’якому грунті. ШМ має твердий ядро, і високотемпературний плазмовий шар, і навіть інтенсивне витікання заряду, що теж може обпалювати. У водночас, залежно від стану електричного, магнітного оточуючих полів, а як і величини залишкового заряду може не робити ні яких руйнацій. Наявність тепла, можна і відчувати — все залежить від відстані. Це можна порівняти з вогнищем — поруч тепло, в дали — тільки світло від багаття. У цьому температура багаття те ж саме, як і в плазмового шару ШМ ~(5 000 -10 000) 0С Широко відомим прикладом небезпеки, що з кульової блискавкою, стала смерть професора Рихмана у Петербурзі в 1752 р. Ця трагедія обговорювалася багатьма дослідниками.

Рихман, відомий у свого часу учений, проводив під час грози експерименти з допомогою устрою, «що притягує» блискавку до лабораторії. Повідомлялося, що тепер після розряд блискавки через прилад до лабораторій з’явилася гарна блискавка, яка, впродовж повітрю, торкнулася голови Рихмана, що й спричинило для її смерті.

Судя за описом, Рихман, найімовірніше, став жертвою прямого розряду лінійної блискавки, розряд якої, пройшов крізь устрою, «що притягує» блискавку до лабораторії. Через те, що сильний розряд був поблизу спостерігачів, яскраве зорове послесвечение, сприйняли, як гарна молния.

Время життя [1]. Відповідно до наявних повідомленням, гарна блискавка «живе» найчастіше 1−2 з. Таке чи менше тривалість життя у 80% вивчених повідомлень. Незначна частка повідомлень свідчить про більші часи життя, які становлять цілих хвилин. Ці великі тривалості найчастіше ставляться до нерухомому блакитному чи біло-блакитного кулі, який ідентифікується з вогнем св. Эльма.

Один з авторів спостерігав нерухому ШМ, порівняно великих розмірів, протягом більше хвилин. Під опис вогню св. Эльма спостережуваний об'єкт не подходил.

Распад [1]. Спостерігалися два типу распадов кульової блискавки. Одне з них — тихий розпад, що супроводжується зменшенням яскравості і діаметра блискавки. Другий, званий вибухом, пов’язані з гучним і сильним звуком. Деякі спостерігачі повідомляють про тому, і вибуховим розпадом відбувається раптове зміна кольору. Інші, спостерігали вибух кульової блискавки, відзначають, що у тому випадку, коли вибуховий розпад відбувається поблизу легко разрушающихся предметів, ніяких ушкоджень не помічалося. Це засвідчує тому, що така розпад є радше схлопыванием, а чи не справжнім взрывом.

Небольшое число спостерігачів зазначає наявність після вибуху деякого залишкового явища як диму чи туману, дьогтю чи кіптяви (з'являються на місці дотику кульової блискавки з предметом чи траєкторії її руху).

Сравнительная рідкість повідомлень про залишкових явищах пов’язана, певне, із досить уважним вивченням місця события.

Противоречий в описах розпаду немає. Вибухаючи поблизу жодних предметів, ШМ не формує осколків, а сили ударної хвилі вистачає лише з гучний звук.

Связь з блискавкою [1]. Поява кульової блискавки пов’язується, зазвичай, зі звичайними розрядами блискавок під час гроз, торнадо (смерчів), землетрусів та інших незвичайних явищ природи. Ці спостереження є основою гіпотези, відповідно до якої гарна блискавка пов’язані з розрядом звичайній блискавки й є деяке електричне явище. Така зв’язок підтверджується повідомленнями, в яких описується поява кульової блискавки разом з що стався поблизу розрядом звичайній блискавки, відразу після нього або безпосередньо перед ним. Близько 90% повідомлень пов’язані з наглядом кульової блискавки під час грози. Повідомлялося також появу кульової блискавки у багатьох інших незвичайних умовах, наприклад на море в штормову погоду, але не матимуть звичайній блискавки; ще, світіння і кульові блискавки відзначалися під час землетрусів і сніжних бур.

ШМ і лінійна блискавка черпають енергію вже з й того джерела. Їх взаємозв'язок дуже тісний.

Основная проблема численних теорій — це — джерело енергії кульової блискавки, саме питання, чи є він зовнішнім чи внутрішнім. Оскільки зазначалося, що з зіткненні кульової блискавки з провідниками немає її миттєвого зникнення, припущення щодо зовнішньому джерелі енергії було поставлено під. Факт, що гарна блискавка спостерігалася всередині замкнутих металевих обсягів, є серйознішу проблему, оскільки це сумісно з припущенням про зовнішньому джерелі энергии.

И у цьому ніяких суперечностей. Джерело перебуває всередині (електричний заряд), й те водночас є зовнішній джерело (навколишня атмосфера, електричні, магнітні, теплові поля).

Плотность энергии

Значительный інтерес для дослідників, вивчаючих властивості та шляхи освіти кульової блискавки, представляє питання про її энергосодержании і щільність енергії. Знання величини енергії кульової блискавки слід також для теоретичного описи самого явища і грунтовного аналізу механізмів її створення і існування. Будь-яка модель кульової блискавки повинна мати такий генератор, який забезпечувала б підтримку можна побачити характеристик цього явления.

Ряд спостерігачів, проте, вказували, що гарна блискавка мала видимої структурою. Наприклад, у роботі [337] наведено докладний опис кількох зон кульової блискавки з явно різної щільністю. Передбачалося наявність внутрішніх рухів кульової блискавки [583], і навіть помітну зміну щільності вздовж радіуса блискавки [590].

Поскольку ми мусимо визначити щільність енергії з метою порівняння, моделювання і теоретичного описи явища кульової блискавки, будемо свідомі однорідної розподілу. І тут щільність енергії визначається соотношением Случай 1. Досить відомий випадок, що дозволило розрахуватися енергії кульової блискавки, був описаний Моррисом [1256] і проаналізовано Гудлетом [770]. Що Простежувалася гарна блискавка розміром із апельсин і мала червоний колір, рухаючись згори донизу, вдарилася про будинок, перерізала телефонний провід, обпекла віконну раму і далі опинилися у баку із жовтою водою обсягом до чотирьох галонів (18 л). Вода закипіла і занадто гарячої для рук протягом 20 хв, що б свідчило про значному виділенні тепла. Немає виявлено ніякого осаду під час огляду води після його охолодження. тепла (1 кал =4,19 Дж). Тому кількість переданого блискавкою воді тепла має становити по меншою мірою 3•106 Дж.

Как зазначив Бойс під час дискусії, що розгорнулася після опублікування статті [770], діаметр кулі, еквівалентного за величиною великому апельсину, становить приблизно 10 див.

Полученное значення лише трохи зросте, з урахуванням втрати води на випаровування. На випаровування затратилось додатково 538,7 кал/см3 (чи 2257,1 Дж/см3).

Поскольку дані [1256] ставляться до декого, що дозволяє зробити оцінку запасеної в кульової блискавки енергії, було реалізоване ще кілька розрахунків. Так було в [770] отримано значення 3,8•106 Дж; передбачалося, що випаровування води не було і початкова температура води дорівнює 10 З, а кінцева 60 З. З урахуванням випаровування приблизно 4 фунтів води (1 фунт =454 см3) в [770] отримана енергія 1•107 Дж. Відповідна щільність енергії, виведена з (4.2) при діаметрі блискавки 10 див, равна Расчёт енергії, запасённой ядром ШМ таких розмірів, проведене за моделлю, розробленої авторами, добре цілком узгоджується з вище приведёнными цифрами.

Температура [1]. Температура кульової блискавки то, можливо виведено із її можна побачити властивостей. Видимий колір випромінювання кульової блискавки можна пов’язати з излучательными характеристиками абсолютно чорного тіла.

Шаровая блискавка жовтого кольору, з? = 5800 А характеризуватися температурою 5000 До, блакитного кольору, з? = 4700 А — температурою 6200 До, білого кольору — температурою 10 000 До і від. Якщо звернутися до тих спостереженням кульової блискавки, у яких відзначався блакитний чи біло-голубий колір ядра блискавки, оточеного палаючим німбом, необхідно визнати, що температура кулі не може змінюватися вздовж радиуса.

Авторы згодні з температурними характеристиками наведеними вище.

Список литературы

Дж. Баррі. Кульова блискавка і четочная блискавка. Пер. з анг., Світ, М., 1983.