Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,087

НОВАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ШАРОВОЙ МОЛНИИ – ПРЕДПОСЫЛКИ К СИНТЕЗУ

Громыко А.
Уникальный случай взрыва шаровой молнии (ШМ) с разбросом полых ме-таллических шариков дает основания рассмотреть с единых позиций имеющуюся субъективную информацию о ШМ, экспериментальный материал о физике электрического разряда (ЭКТОНАХ) и сделать предпо-сылки к синтезу ШМ.
На протяжении всего периода существования человека как разумного существа происходили и происходят встречи с шаровой молнией (ШМ), однако, до настоящего времени физические процессы образования и продолжительности жизни ШМ не раскрыты.

В данной статье сделана попытка, продвинуться в познании этого явления природы, используя следующий логический алгоритм, представленный на рис.1.

Рисунок 1. Логический алгоритм

1. Субъективная, обобщенная информация о ШМ

Из-за случайного характера появления шаровой молнии, с низкой вероятностью события, можно рассматривать единственный способ съема информации - визуальный. Естественно, что содержание такой информации, носит субъективный характер.

Однако, большое количество собранного исследователями ШМ материала наблюдений, позволило исключить противоречивые оценки основных параметров и получить следующую, характеризующую это явление, информацию /1/:

  1. ШМ появляется во время гроз; большей частью при разряде облако - земля; и возникает в нескольких метрах от земли.
  2. Внешний вид ШМ - сфера диаметром 10 -20 см, иногда до одного метра.
  3. Цвет ШМ - красный, желтый, оранжевый, не слишком яркий, но видим при дневном свете; шар с яркой сердцевиной и размытыми краями, может быть ослепительно белым и иметь четкие очертания.
  4. Время жизни ШМ - от 3...5 с до 2...5 минут.
  5. Скорость перемещения в горизонтальной плоскости - несколько метров в секунду; может останавливаться, чаще опускается к земле, реже поднимается к облакам; отскакивает от твердых непроводящих предметов.
  6. Тепло - редкое явление для ШМ, но иногда ШМ зажигает предметы, нагревает воду в ограниченных объемах.
  7. Запах острый, неприятный (сера, озон, окись азота).
  8. ШМ часто притягивается к земле и проводящим телам, перемещается в свободном пространстве вдоль проводящих тел, наблюдалась ШМ внутри самолетов и других помещениях, экранированных от внешних электромагнитных полей.
  9. Исчезает ШМ бесшумно или со взрывом.
  10. Наблюдаются два вида ШМ: свободные - почти не притягивающиеся к проводникам и связанные с проводниками, как правило, последние имеют белый или синий цвет, раскаляют предметы, на теле человека оставляют ожоги.

. Случай с ШМ в 2003 году

Уникальный факт наблюдения ШМ произошел 19 июля 2003 года. Женщина занималась на кухне приготовлением обеда сидя за столом спиной к окну. Ее сестра, вошедшая на кухню, увидев огненный шар движущийся к центу кухни со стороны угла между форточкой и вентиляционным отверстием, вскрикнула. Обе, пораженные увиденным, смотрели на огненный шар, который им показался с футбольный мяч. Через несколько секунд раздался оглушительный взрыв и на пол рассыпались раскаленные металлические шарики. Светящиеся шарики быстро потемнели, оставив на линолеуме пола следы ожога. Опомнившись от испуга, женщины собрали большую часть остывших металлических шариков, которые и были переданы автору.

. Электрофизические исследования материала оставшегося после взрыва ШМ

Часть металлических шариков была передана профессору Института Физики СО РАН Г.Н.Чурилову, который с коллективом сотрудников выполнил электрофизические исследования представленного материала. Получены следующие результаты экспериментальных исследований /2/:

1. Шарики ШМ представляют собой полые сферы из чистого железа, диаметром 0,3- 1,2 мм, при толщине стенки около 10 микрон (см. Рис. 2а,б).

 

Рисунок 2. Шарик ШМ (увеличение 100), переданные для исследования в ИФ СО РАН (а), и (б) - (без увеличения), оставшиеся для повторных исследований

2. Вид кривых намагничивания - показывает отсутствие гистерезиса т.е. указывает на аморфную структуру материала ШМ (рис. 3).

Рисунок 3. Намагноченность образца «шаровая молния» М-630 Гс. Для сравнения намагниченность a - FE М - 1700 Гс.

3. Графики характеристик вынужденного комбинационного рассеяния ВКР - отражают нелинейные свойства образцов ШМ (рис.4).

Рисунок 4. Графики характеристик вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР)

4. Гладкий характер графика спектрограммы (отсутствие резонансных линий), подтверждает аморфность образцов ШМ (рис.5).

Рисунок 5. График спектограмм

Результаты исследований, с представлением экспериментальных данных в виде графиков, доложены на конференциях /2, 3/.

2. Экспериментальная информация о линейной молнии

В результате экспериментальных исследований линейной молнии (ЛМ) установлено /4/, что распределение зарядов в грозовой туче распределено так, что верхушка тучи заряжена положительно, низ отрицательно за исключением небольшого участка положительных зарядов в нижней части тучи. Заряд нижней части тучи образует между тучей и землей разность потенциалов от 206 до 1006 В. Подавляющее число ЛМ переносит отрицательный заряд с нижней части тучи на Землю.

Рисунок 5. Распределение зарядов в грозовой туче

В редких случаях наблюдаются «положительные ЛМ», в результате которых часть тучи несущая положительный заряд электричества разряжается на землю, рис.7. /4/. На рис.6. Введены следующие обозначения: Грозовая туча несущая положительный заряд - 1, лидер линейной молнии - 2, возвышенность на земле 4, металлическое, хорошо проводящее электрический ток острие - 3, область взаимодействия линейной молнии с проводящим острием - Z.

В этих случаях, перед разрядом, на проводящих предметах (металлах), расположенных на земле, происходит накопление отрицательных зарядов.

3. Экспериментальные исследования и теория разряда в вакууме

Согласно разработанной академиком Г.А Месяцем теории /5/, основанной на фундаментальных исследованиях образования пробоя, искры и дуги в вакууме при высоких напряжениях и большой силы тока, испускание с острий: электронов, плазмы и жидкого металла происходит порционно в виде эктонов.

Увеличение тока эмиссии с острия приводит к его лавинообразному разогреву и испарению металла острия. «Переход к вакуумному пробою связан с процессом, аналогичным электрическому взрыву проводников» под действием электрического тока большой мощности»./5/.

Если эти предметы имеют остроконечную форму, то напряженность электрического поля между острием проводящего предмета и тучей несущей положительный заряд может усиливаться в ßЕ раз. ßЕ = h/2 r+5, 

 Где высота конуса h со сферической вершиной радиуса r/2/. При угле конуса Θ= 5 - 10о и ßЕ = 20 - 3000.

4. Анализ собранной информации, обобщение

Из рассмотренных выше экспериментальных данных и визуальных наблюдений ЛМ и ШМ можно прийти к следующим обобщениям:

  • Образование ШМ наиболее вероятно при разряде положительных зарядов грозовой тучи ЛМ на землю.
  • Количество положительных ЛМ составляет доли процента от отрицательных ЛМ, сообщающих при разряде отрицательный потенциал Земле. В связи с этим возникновение ШМ - редкое явление.
  • Обнаруженные при взрыве (распаде) ШМ полые металлические шарики (Fe) являются остатками эктона, т.е. были образованы во время разряда положительной ЛМ на металлический проводник с образованием эктона. До остывания, полые шарики представляли собой парообразный металл из которого при остывании образовались полые шарики.

5. Синтез физической модели ШМ

Пробой промежутка между электродами, в виде искры или молнии, происходит при достижении напряженности электрического поля критического значения. Если хотя бы один из электродов имеет остроконечную форму, то напряженность электрического поля между острием проводящего предмета и вторым электродом (в рассматриваемом нами случае - между острием и положительным зарядом грозовой тучи) может усиливаться в ßЕ раз. ßЕ = h/2 r+5,

Где высота конуса h со сферической вершиной радиуса r /5/.

При угле конуса Θ= 5 - 10о и ßЕ = 20 - 3000.

Среднее значение напряженности линейного лидера молнии составляет 106 В. Фактическое значение напряженности поля на вершине острия может достигать 109 - 1010 В. Ток разряда (5 - 20)∙103А, при этом происходит перенос 20 - 30 кулон электричества. При приближении ступенчатого лидера линейной молнии к поверхности земли на 50 - 100 метров навстречу ему устремляется поток электронов со скоростью, определяемой из выражения

где  - скорость света в вакууме,

 - заряд электрона,

 - масса покоя электрона,

масса электрона, движущегося со скоростью ,

ускоряющее напряжение.

После подстановки численных значений получаем, что при ускоряющем напряжении , получаем

а)                                                                   б)

Рисунок 7 а, б. а) Разряд лидера линейной молнии (1), несушего положительный заряд, электронами (2), стекающими с проводящего острия (3). б) Область взаимодействия лидера линейной молнии (1) с проводящим металлическим острием (3). Где (2) - облако электронов, (4) - эктон, (5) - вырванный с острия металл в парообразном виде, (6) - разрушенный участок острия; Н - электромагнитное поле, созданное вращательным движением эктона спреобладанием отрицательного заряда (электронов); V - направление скорости перемещения эктона

Для пояснения процесса образования ШМ обратимся к рис 7а,б.

Пробой воздушного промежутка между ступенчатым лидером ЛМ (1), несущем положительный заряд, и проводящим металлическим острием (3) ведет к образованию эктона (4), летящего на встречу с лидером ЛМ со скоростью близкой к скорости света. В авангарде эктона электроны и плазма (2) за ними положительные ионы парообразного металла -(5). Компенсация электронами (2) положительного заряда лидера ЛМ (2), происходит с задержкой из-за значительного сопротивления «проводника» (лидера ЛМ) из положительно заряженных ионов. В результате в месте встречи электронов с лидером ЛМ образуется облако электронов. Нижняя часть электронов испытывает отталкивающие силы от электронов расположенных выше и силы притяжения от положительного заряда ионов жидкого (газообразного) металла, несущего положительный заряд пропорциональный количеству электронов в электронном облаке. Электроны, не успевшие компенсировать положительный заряд лидера линейной молнии, устремляются к «хвосту» ионов металла, образуя замкнутый вихревой ток - ШМ.

В связи с тем, что тороидальная фигура (ШМ) имеет суммарный, отрицательный заряд, она вытесняется из места ее образования оставшимися отрицательными зарядами в области встречи эктона с лидером ЛМ, и движется со скорость (V).

В связи с большой плотностью отрицательных зарядов вращающихся с начальной скоростью близкой к скорости света, создается сильное электромагнитное поле (H), удерживающее торроидальную фигуру ШМ длительное время. Процесс образования шаровой молнии закончен.

Продолжительность жизни ШМ зависит от следующих факторов:

Рисунок 8. Модель ШМ, построенная с учетом вышеизложенных эксперементальных данных и теоретических исследований

  1. От количества вырванного с острия металла, чем больше испарившегося с острия металла оказалось в торе ШМ, тем короче ее жизненный период. Во-первых, потому, что значительная часть свободных электронов расходуется на компенсацию сорванных с орбит электронов паров металла. Во-вторых, электроны, проходя через пары металла, а по мере охлаждения через жидкий и твердеющий металл, теряют энергию: на ионизацию, возбуждение атомов металла и на тормозное излучение. При столкновении свободных электронов с электронами металла часть электронов покидает тор ШМ из за большого угла рассеяния, проскакивая вдоль силовых линий магнитного поля.
  2. Из-за деформации тора ШМ в результате различных случайных воздействий на ШМ (механические воздействия, звуковые, электромагнитные).

Деформация собственного магнитного поля ШМ (удар или соприкосновение с ферромагнитным или проводящим предметом или разряд вблизи ШМ линейной молнии) ведет к быстрой нейтрализации заряда частиц движущихся в торе, что наблюдается в виде взрыва и коротких линейных молний, расходящихся от места взрыва ШМ.

На основе вышеизложенного гипотетическую модель ШМ можно представить в виде рис.8, где дан разрез тора радиуса r и показаны движущиеся по направлению часовой стрелки электроны 1, ионы 2 и созданное потоком электронов магнитное поле Н.

Вокруг тороидальной фигуры находится ионизированный газ 3. Ионизируют газ электроны, покидающие при столкновении с ионами тороидальный поток в плоскости параллельной магнитным силовым линиям.

За счет вращательного движения электронов, тор может перемещаться в направлении вектора V.

Проверить справедливость выдвинутой гипотезы можно экспериментально с помощью разрядного устройства, схема которого приведена на рис.9. Отличие разрядника заключается в том, что положительный электрод должен обладать минимальной емкостью, а подводящие к электроду проводники - большой индуктивностью. При разряде с образованием эктона, у поверхности положительного проводника будет образовываться избыток электронов и образование ШМ в виде тора рис.8.

Рисунок 9. Конструкция электродов для синтеза ШМ. L - индуктивность, 1- электрод положительного потенциала, 2- электрод большой емкости отрицательного потенциала.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  1. А.И. Громыко. Основы технического творчества. Учебное пособие. Красноярск: КГТУ,1999. 139 с.
  2. Громыко А.И. О природе шаровой молнии. Фундаментальные исследования № 3, 2004 г., стр. 62-64. -М.: «Академия естествознания».
  3. N.V. Bulina, A.I. Gromyko, G.V. Bondarenko, A.V. Marachevsky, L.A. Chekanova, G.N. Churilov. About iron globules at cooling of iron-contained plasma. Works of International conference ESTMAG-2004, August 24-27, p. 397-398. (Krasnoyarsk, Institute of Physics the Siberian Branch of the Russian Academy of Science).
  4. Р. Фейман, Р. Лейтон, М. Сэндс. Фейнмановские лекции по физике. Т.5. Электричество и магнетизм. М.: «Мир», 1977. 300 с.
  5. Месяц Г.А. Эктоны в вакуумном разряде: пробой, искра, дуга. - М.: Наука, 2000. - 424 с.

Библиографическая ссылка

Громыко А. НОВАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ШАРОВОЙ МОЛНИИ – ПРЕДПОСЫЛКИ К СИНТЕЗУ // Фундаментальные исследования. – 2004. – № 6. – С. 11-17;
URL: http://www.fundamental-research.ru/ru/article/view?id=6143 (дата обращения: 06.08.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074