Реферат: Шаровая молния

Константин Резуев

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

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

Рис. 1. Последовательность формирования ШМ

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.1б). Свободные электроны ионизированного газа ускоряются внутрь положительно заряженной области, достигая в её центре максимальной энергии. В итоге получаем картину, изображенную на рис.1в. 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 ШМ а на сфере, обозначенной на рис.1в пунктирной линией. Этот же центральный заряд замедляет ядра, разлетающиеся от центра ШМ. Атомы воздуха не могут помешать этим процессам т.к. их скорости намного меньше скоростей выше рассмотренных частиц, и процесс формирования ШМ 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 ШМ.

Рис. 2. Разрез шаровой молнии

На рис.2 представлен разрез ШМ. Движение ядер и электронов, составляющих ШМ – это колебательные движения под действием электрического поля. Все ядра, т.е. практически вся масса ШМ, находятся внутри коричневой сферы с точками В1 и В. В объёме, ограниченном красной и коричневой линиями энергия ядер равна нулю. При движении к центру ШМ 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 ШМ 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 ШМ. После этого вновь разгоняются к точке В и замедляются при движении к точке D. Рассмотрим распределение заряда по радиусу ШМ. Такое распределение представлено на рис.3.

Рис. 3. Распределение заряда по радиусу ШМ

Каким образом получается такое распределение заряда? Частицы в разных точках по радиусу ШМ 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 ШМ 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 ШМ электрическое поле. Распределение потенциала и напряженность этого поля представлены на рис.4 и рис.5.

Рис. 4. Распределение потенциала электрического поля f 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 ШМ 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 ШМ.

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 ШМ.

Теперь рассмотрим вопрос, как частицы ШМ взаимодействуют с окружающим её атомами воздуха. На периферии ШМ 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 ШМ схематично показан на рис.6.

Рис. 6. Взаимодействие электронов ШМ 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 ШМ, а ион выталкивается электрическим полем за её пределы. В итоге получаем, что внутри сферы с точкой D (рис.2) ШМ 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 ШМ, т.е. эти ионы можно считать частью ШМ. С учётом этого положительного заряда ШМ 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 ШМ. Это приводит к уменьшению поверхности ШМ 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, ШМ всё время старается прийти в равновесное состояние.

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

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

Рис. 7. Взаимодействие ШМ с твёрдыми объектами

Рассмотрим рис.7, на котором показано взаимодействие ШМ с твёрдыми объектами. Если при этом взаимодействии ШМ 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 ШМ частично будет терять энергию. Так, пролетев вдоль дерева, ШМ может оставить на нём ожоги. Тонкие предметы (листья, тряпку, палатку) она может прожечь насквозь.

Так как по радиусу ШМ 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 ШМ.

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

В конце остановимся на некоторых моментах. Предложенная модель ШМ 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 ШМ ядра имеют максимальную энергию и, возможно, она больше пороговой энергии термоядерных реакций. Это значит, что если создать ШМ из термоядерных материалов (T, D или He³ ), то возможно получение энергии.