Байман Г.Б.
Казахский государственный женский педагогический университет
ГРОЗОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ В
АТМОСФЕРЕ
Электрическая природа молнии была раскрыта в
исследованиях физиков В. Франклина и М.В. Ломоносова. В своей
теории Ломоносов правильно объяснял, как накапливается атмосферное
электричество. Причину этого явления Ломоносов видел в восходящих и нисходящих
потоках неравномерно нагретого воздуха. От такого движения больших масс воздуха
происходит трение частичек водяного пара, которые и заряжаются электричеством.
Воздух - плохой проводник, но когда электричества в атмосфере накапливается
очень много, то происходит искровой разряд в виде молнии. Молния проскакивает
между облаком и землей или между двумя облаками, заряженными положительным и
отрицательным электричеством. Ломоносов указал, что атмосфера содержит
электричество и в ясную погоду, а в облаках оно скапливается в огромных
количествах и образует молнии.
Как происходит накопление атмосферного
электричества в облаках и разделение зарядов электричества на положительные и
отрицательные, впервые обстоятельно изучили и объяснили русские ученые Н.А. Гезехус
и его ученик М.С. Аганин в конце XIX в. Гезехус обратил внимание, что
отлетающие от водопадов брызги воды заряжены отрицательным электричеством. То
же получается и при искусственном разбрызгивании струи воды, а также при
дроблении падающих капель дождя. Мелкие капли заряжаются отрицательно, а более
крупные капли - положительно.
Когда образуется мощное
облако, дающее крупные капли дождя, сильные и неровные восходящие потоки
воздуха в нижней части облака начинают разбрызгивать, дробить дождевые капли.
Отколовшиеся наружные частички капель несут в себе отрицательный заряд, а
оставшееся ядро оказывается заряженным положительно. Мелкие капли легко
уносятся потоком воздуха вверх и заряжают верхнюю часть облака отрицательно;
крупные капли скапливаются в нижних передних частях облака и заряжаются
положительно. Чем крупнее облако и чем сильнее потоки воздуха, тем сильнее
получается разряд [3]. Исследования атмосферного электричества позволяют
выяснить роль электрических сил в образовании облаков и осадков; они дадут
раскрытия тайны образования шаровой молнии.
Уже из самого названия следует, что эта молния имеет форму шара. Есть предположение что,
шаровая молния – это плазма имеющий очень низкую плотность, сопоставимую с
плотностью воздуха. Но ее форма всего
лишь близка к шару; молния может вытягиваться, принимая форму эллипсоида или
груши, диска и даже цепи соединенных шаров. Шаровая молния светится - иногда
тускло, а иногда достаточно ярко. Яркость света шаровой молнии сравнивают с
яркостью света 100-ваттной лампочки. Чаще всего (примерно в 60% случаев)
шаровая молния имеет желтый, оранжевый или красноватый цвет. В 20% случаев -
это белый шар, в 20% - синий, голубой. Форма и цвет молнии могут меняться во
время разряда. Перед угасанием молнии внутри нее могут возникать темные области
в виде пятен, каналов, нитей. Шаровая молния может двигаться по весьма
причудливой траектории. Вместе с тем в ее движении обнаруживаются определенные
закономерности:
1. Возникнув где-то вверху, в тучах, она опускается поближе к поверхности
земли.
2. Оказавшись у поверхности земли, она движется далее почти горизонтально,
обычно повторяя рельеф местности.
3. Молния, как правило, обходит проводящие ток объекты и, в частности,
людей.
4. Молния обнаруживает явное "желание" проникать внутрь помещений.
Когда молния плавает над поверхностью земли (обычно на высоте метра или
несколько больше), она напоминает тело, находящееся в состоянии невесомости.
По-видимому, вещество молнии имеет почти такую же плотность, что и воздух.
Точнее, молния немного тяжелее воздуха - недаром она, в конечном счете, всегда
стремиться опуститься вниз. Ее плотность составляет (1…2)х 10ˉ³
г/см³. Разницу между силой тяжести и выталкивающей силой компенсируют
конвекционные воздушные потоки, а так же сила, с какой действует на молнию атмосферное
электрическое поле.
Вызывает удивление
способность шаровой молнии проникать в помещение сквозь щели и отверстия,
размеры которых намного меньше размеров самой молнии. Так, молния диаметром 40
см может пройти сквозь отверстие диаметром всего в несколько миллиметров.
Проходя сквозь малое отверстие, молния очень сильно деформируется, ее вещество
как бы переливается через отверстие. Еще более удивительна способность молнии
после прохождения сквозь отверстие восстанавливать свою шаровую форму. Следует
обратить внимание на способность шаровой молнии сохранять форму шара, так как
это явно указывает на наличие поверхностного натяжения у вещества .
Скорость движения шаровой
молнии невелика - 1…10 м/с. За ней нетрудно следить. Внутри помещений молния
может на некоторое время даже останавливаться, зависая над полом.
Живет шаровая молния
примерно от 10 с до 1 мин. Меньше живут очень маленькие молнии (диаметром порядка сантиметра и
меньше) и очень большие (диаметром около метра и больше). Наиболее долго живут
молнии диаметром 10…40 см. Существуют три разных способа прекращения
существования :
•
Чаще всего (в 60% случаев) молния взрывается.
•
В 30% случаев молния спокойно угасает (из-за
нехватки запаса энергии, накопленной в ней).
•
В 10% случаев внутри молнии развиваются
неустойчивости, и она распадается на части.
Маленькие обычно угасают ("сгорают");
большие чаще всего распадаются на части. На Земле постоянно образуются от 100 до 1000 шаровых , но вероятность
увидеть шаровую молнию хотя бы раз в жизни составляет всего 0,01%.
В подавляющем большинстве случаев (более 90%) шаровая
молния возникает в период грозовой активности, когда наблюдаются обычные молнии
и когда напряженность атмосферного поля особенно велика. Но есть отдельные
сообщения о появлении шаровой молнии в ясную погоду.
В разных странах случаи встреч с шаровыми молниями происходят в различной
обстановке. Так, в Японии девяносто процентов их наблюдают в сухую ясную погоду,
а у нас в Казахстане с ними встречаются чаще всего во время грозы.
Вопрос о том, как
возникает шаровая молния, является, наиболее сложным и неясным. К сожалению, не
так уж много людей оказались свидетелями ее возникновения. В большинстве своем
наблюдатели утверждают, что шаровая молния возникла либо сразу после разряда,
либо перед разрядом обычной молнии, что бывает реже.
В настоящее время мы
не имеем каких-либо веских доводов считать, что в основе всех "шаровых
молнии" лежит общий физический механизм. Все гипотезы, касающиеся физической
природы шаровой молнии, можно разделить на две группы.
•
гипотезы, согласно которым шаровая молния
непрерывно получает энергию извне.
•
гипотезы, согласно которым шаровая молния после
своего возникновения становится самостоятельно существующим объектом.
Поэтому сосредоточим внимание на гипотезе, согласно которой шаровая
молния состоит из положительных и отрицательных ионов. Ионы образуются за счет
энергии разряда линейной молнии. Затраченная на их образование энергия как раз
и определяет запас энергии шаровой молнии. Она высвобождается при рекомбинации
ионов. Благодаря электростатическим (кулоновским) силам, действующим между
ионами, объем, заполненный ионами, будет обладать поверхностным натяжением, что
и определяет устойчивую шаровидную форму молнии. Но нет ни одного случая
искусственного получения шаровой молнии подобной природной в лабораторных
условиях. Исследователи могли получать кратковременные газовые разряды
сферической формы, жившие максимум несколько секунд. Загадочный природный
феномен продолжает волновать умы ученых, но до полной разгадки его свойств и
причин его появления еще далеко.
Литература
1.
Сингер С. Природа шаровой молнии. Перевод с английского. Москва, “Мир”, 1970.
4.
Дж. Барри. Шаровая
молния и четочная молния. Пер. с англ., Мир, М., 1983.
5.
П.Л. Капица. О
природе шаровой молнии. Докл. АН СССР, т. 101, №2, стр. 245, 1955.
6.
Б.М. Смирнов.
Процессы в шаровой молнии. Ж. Техн. Физ., т. 47, стр. 814, 1977.
7.
И.П. Стаханов. О
физической природе шаровой молнии. Энергоатомиздат, М., 1985.