ШАРОВАЯ МОЛНИЯ

Физика. Исследования в физике.

Оставьте комментарий

  Начнем с некоторых предположений. Во-первых, шаровая молния существует без подвода энергии извне, т.е. энергия необходима только в начальный момент. После образования (например, в результате электрического разряда) шаровой молнии существует без поглощения дополнительной энергии. Во-вторых, шаровая молния состоит из плазмы, т.е. из полностью ионизированного вещества.

  Как же происходит образование шаровой молнии. Предположим, что за счёт подвода большого количества энергии (например, при мощном электрическом разряде), в некотором объёме образовалась плазма рис. 1.а.

Последовательность формирования шаровой молнии.

Рис. 1. Последовательность формирования шаровой молнии.

  При одной и той же энергии, скорости движения электронов намного больше, скорости ядер. Электроны первыми покидают объём плазмы, ионизируя на своём пути некоторый объём окружающего воздуха. В итоге на этом этапе образуется внутренняя, положительно заряженная область, состоящая из ядер и окружающий эту область, ионизированный газ рис. 1.б. Свободные электроны ионизированного газа ускоряются внутрь положительно заряженной области, достигая в её центре максимальной энергии. В итоге получаем картину, изображенную на рис. 1.в. За счёт разлёта ядер, в центре образуется область с очень маленькой концентрацией ядер. Будем считать, что в этой области находятся только электроны. При таком распределении заряда имеем: центральный отрицательный заряд замедляет электроны, движущиеся из области ионизированного газа, и поэтому максимум энергии электронов будет находиться не в центре шаровой молнии а на сфере, обозначенной на рис. 1.в пунктирной линией. Этот же центральный заряд замедляет ядра, разлетающиеся от центра шаровой молнии. Атомы воздуха не могут помешать этим процессам т.к. их скорости намного меньше скоростей выше рассмотренных частиц, и процесс формирования шаровой молнии успевает закончиться, прежде чем атомы воздуха пройдут какое-либо значимое расстояние. В дальнейшем происходит увеличение отрицательного заряда в центре, который уже способен замедлить и ускорить при движении к центру положительные ядра. Через некоторое время наступает равновесное состояние, которое и рассмотрим. Примем такую модель шаровой молнии.

Разрез шаровой молнии.

Рис. 2. Разрез шаровой молнии

  На рис. 2 представлен разрез шаровой молнии. Движение ядер и электронов, составляющих шаровой молнии – это колебательные движения под действием электрического поля. Все ядра, т.е. практически вся масса шаровой молнии, находятся внутри коричневой сферы с точками В1 и В. В объёме, ограниченном красной и коричневой линиями энергия ядер равна нулю. При движении к центру шаровой молнии ядра ускоряются, приобретая в центре максимальную энергию. Двигаясь от центра они замедляются до нулевой энергии в промежутке между точками А и В. Такое движение положительно заряженных ядер обусловлено центральным отрицательным зарядом. Теперь рассмотрим движение электронов. Они имеют максимальную энергию на сфере с точкой В, а нулевую энергию в центре шаровой молнии между синей и голубой линиями (линии с точками С и D), т.е. электроны ускоряются от точки D до точки В, после чего замедляются при движении к центру шаровой молнии. После этого вновь разгоняются к точке В и замедляются при движении к точке D. Рассмотрим распределение заряда по радиусу шаровой молнии. Такое распределение представлено на рис. 3.

Распределение заряда по радиусу шаровой молнии.

Рис. 3. Распределение заряда по радиусу шаровой молнии.

  Каким образом получается такое распределение заряда? Частицы в разных точках по радиусу шаровой молнии имеют разные энергии, а значит и разные скорости. Чем больше скорость частицы в какой-то области, тем меньше время её нахождения в этой области и меньший заряд сосредоточивается в данном объёме. И наоборот, чем меньше энергия частиц в каком-то объёме, тем больший заряд сосредоточен в этом месте. Энергия электронов минимальна в центре шаровой молнии и в интервале между точками C и D, а энергия ядер в интервале между точками A и B. Это значит, что в этих местах сосредоточены отрицательный и положительный заряды. Это показано на рис. 3. Положительный заряд в области точки Е обусловлен другими причинами, которые рассматриваются ниже. Эти заряды создают внутри шаровой молнии электрическое поле. Распределение потенциала и напряженность этого поля представлены на рис. 4 и рис. 5.

Распределение потенциала электрического поля f по радиусу шаровой молнии

Рис. 4. Распределение потенциала электрического поля f по радиусу шаровой молнии

Распределение напряженности электрического поля по радиусу шаровой молнии

Рис. 5. Распределение напряженности электрического поля по радиусу шаровой молнии

  Из всех вышеприведённых графиков, можно сделать некоторые выводы. В центре сосредоточен отрицательный заряд, который хоть и меньше, примерно в два раза, положительного заряда с максимумом на сфере с точкой А, тем не менее создаёт возрастание потенциала электрического поля от центра шаровой молнии до точки В, и если максимальная энергия ядра делённая на заряд ядра меньше разности потенциалов между точками О и В, то такое ядро не может проникнуть за точку В и покинуть пределы шаровой молнии.

  Для иллюстрации этого утверждения, рассмотрим задачу. Имеем центральный отрицательный заряд в точке О и распределенный по сфере с центром в точке О положительный заряд в два раза больший по величине. В результате на пробный, положительный заряд, помещённый на поверхность сферы, будет действовать результирующая кулоновская сила, направленная в центр сферы, т.е. влияние центрального отрицательного заряда будет больше, чем влияние положительного заряда, распределённого по сфере. Таким образом, центральный заряд удерживает около себя положительно заряженные ядра. С другой стороны, суммарный заряд внутри сферы с точкой В будет положительным. И уже этот положительный заряд не даёт электронам (т.к. они заряжены отрицательно) вылететь дальше точки Е и покинуть пределы шаровой молнии.

  Теперь рассмотрим вопрос, как частицы шаровой молнии взаимодействуют с окружающим её атомами воздуха. На периферии шаровой молнии находятся только электроны и чем ближе они к границе, тем меньше их энергия. Основное взаимодействие с атомами газа происходит в той области, где энергия электронов близка к тепловой энергии. Процесс взаимодействия атомов воздуха с электронами шаровой молнии схематично показан на рис. 6.

Взаимодействие электронов шаровой молнии с атомами воздуха

Рис. 6. Взаимодействие электронов шаровой молнии с атомами воздуха

  Атомы воздуха взаимодействуют со встречным потоком электронов. В голубой области рис. 6 энергия электронов приблизительно равна тепловой и взаимодействие с атомами будет упругим, т.к. энергии электрона не хватает на возбуждение электронных оболочек, а тем более на ионизацию атома. В то же время её хватает для сообщения атому импульса обратного направления. Здесь необходимо отметить, что изменение направления движения частиц в центральном потенциальном поле не приводит к уменьшению средней энергии колебаний. Существует вероятность того, что атом пройдёт эту область, попав в оранжевую область с более высокой энергией электронов (эта вероятность зависит от плотности потока электронов). В этом случае атом ионизируется, электрон переходит в состав шаровой молнии, а ион выталкивается электрическим полем за её пределы. В итоге получаем, что внутри сферы с точкой D рис. 2 шаровой молнии заряжена отрицательно. Ионы будут накапливаться на сфере с точкой Е рис. 2. Это та точка, где заканчивается влияние положительно заряженного объёма внутри сферы с точкой В рис. 2 и сказывается общий отрицательный заряд шаровой молнии, т.е. эти ионы можно считать частью шаровой молнии. С учётом этого положительного заряда шаровой молнии будет электрически нейтральной.

  В результате такого взаимодействия электроны теряют небольшую часть энергии, т.к. это взаимодействие происходит в области низких энергий электронов. С другой стороны, потеря электронами энергии, уменьшает радиус шаровой молнии. Это приводит к уменьшению поверхности шаровой молнии и к увеличению плотности потока электронов через неё, что в свою очередь, уменьшает вероятность проникновения атомов воздуха в область электронов с высокой энергией. Таким образом, шаровой молнии всё время старается прийти в равновесное состояние.

  Теперь рассмотрим, как эта модель согласуется с описанным наблюдателями, поведением шаровой молнии в естественных условиях.

  Свечение шаровой молнии, запах озона легко объяснить проникновением атомов и молекул воздуха в область больших энергий электронов. Вследствие этого, происходит ионизация или возбуждение электронных оболочек атомов, разрушение химических связей.

  Если создались условия и шаровой молнии потеряла устойчивость (например, столкновение с твёрдым предметом), то происходит мгновенный выброс энергии, сконцентрированной в шаровой молнии. Это можно расценить, как взрыв. Если же шаровой молнии потеряет всю энергию постепенно, то это будет выглядеть как будто она «растаяла» в воздухе.

Взаимодействие шаровой молнии с твёрдыми объектами

Рис. 7. Взаимодействие шаровой молнии с твёрдыми объектами

  Рассмотрим рис. 7, на котором показано взаимодействие шаровой молнии с твёрдыми объектами. Если при этом взаимодействии шаровой молнии не потеряла устойчивость, то та часть твёрдого предмета (на рис. 7 обозначена жирной линией), которая попала в область высоких энергий электронов, будет ионизирована. При этом шаровой молнии частично будет терять энергию. Так, пролетев вдоль дерева, шаровой молнии может оставить на нём ожоги. Тонкие предметы (листья, тряпку, палатку) она может прожечь насквозь.

  Так как по радиусу шаровой молнии заряды распределены неравномерно, то на её движение в пространстве может влиять внешнее электрическое поле рис. 8. Разная плотность линий напряжённости электрического поля создаёт силу, действующую на шаровой молнии.

Влияние внешнего электрического поля шаровой молнии на ее движение в пространстве

Рис. 8. Влияние внешнего электрического поля шаровой молнии на ее движение в пространстве.

  В конце остановимся на некоторых моментах. Предложенная модель шаровой молнии основана только на кулоновском взаимодействии заряженных частиц. Первоначально разделённые заряды формируют такую колебательную систему, где каждая заряженная частица движется под действием электрического поля, а совокупность всех частиц создаёт это поле. При взаимодействии частиц с атомами воздуха не происходит значительной потери энергии, т.к. это взаимодействие происходит в области малых энергии электронов. В центре шаровой молнии ядра имеют максимальную энергию и, возможно, она больше пороговой энергии термоядерных реакций. Это значит, что если создать шаровую молнию из термоядерных материалов (T, D или He3), то возможно получение энергии.

Версия для печати
P.S. Материал защищён.
Дата публикации 26.09.2003гг


вверх