Главная страница  Физика природных явлений 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 [ 37 ] 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117


значительным, так что вся передаваемая энергия сосредоточивается в объеме шаровой молнии, вызывая его свечение. К другой группе относятся гипотезы, согласно которым шаровая молния после своего возникновения становится самостоятельно существующим объектом. Этот объект состоит из некоего вещества, внутри которого происходят процессы, приводящие к выделению энергии.

Среди гипотез первой группы отметим гипотезу, предложенную в 1955 г. академиком П. Л. Капицей. Предполагается, что энергия подводится к шаровой молнии при помощи электромагнитного излучения диапазона сверхвысоких частот (точнее говоря, диапазона дециметровых и метровых волн). Сама шаровая молния рассматривается как пучность электрического поля стоячей электромагнитной волны, находящаяся на расстоянии четверти длины волны от поверхности земли или какого-либо проводящего объекта (рис.7.3). В области этой пучности

напряженность поля очень высока, и поэтому здесь образуется сильно ионизованная плазма, которая и является веществом молнии. Несмотря на многие привлекательные стороны данной гипотезы, она все же представляется несостоятельной. Дело в том, что она не может объяснить характера перемещений шаровой молнии, ее причудливого блуждания и, в частности, зависимости ее поведения от воздушных потоков. В рамках данной гипотезы трудно объяснить хорошо наблюдаемую четкую поверхность молнии. К тому же взрыв такой шаровой молнии вообш.е не должен сопровождаться выделением энергии. Если по каким-то причинам поступление энергии электромагнитного излучения вдруг прекращается, нагретый в пучности волны воздух быстро остывает и, сжимаясь, воспроизводит громкий хлопок.

Следует признать, что такими недостатками страдают все гипотезы первой группы. Учитывая накопленный фактический материал, можно вполне уверенно утверждать, что шаровая молния - это самостоятельно существующее тело. Иными словами, следует, по-видимому, отдать предпочтение гипотезам второй группы.

Остановимся на двух таких гипотезах. Одна из них предполагает химическую природу шаровой молнии. Эту гипотезу детально разрабатывал в середине 70-х годов Б. М. Смирнов. Предполагается, что шаровая молния состоит из обычного воздуха (имеющего температуру примерно на 100° выше температуры окружающей атмосферы), небольшой примеси озона Оз и оксидов азота NO и NOg. Принципиально важную роль играет здесь озон, образую-



щийся при разряде обычной молнии; его концентрация около 3% . Внутри шаровой молнии происходят химические реакции:

NO + Оз-NO2 + O3-

NO2 + O2; -NO3 + O2.

Они сопровождаются выделением энергии. При этом в объеме диаметром 20 см выделяется примерно 1 кДж энергии. Это мало, как мы уже знаем, запас энергии шаровой молнии таких размеров должен составлять примерно 100 кДж. Недостатком рассматриваемой физической модели является также невозможность объяснения устойчивости формы шаровой молнии, существования поверхностного натяжения. Непонятно, каким образом у нагретого воздушного пузыря, обогащенного озоном, может возникнуть четкая поверхность, отделяющая его от окружающей атмосферы.

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 (т. е. при столкновениях ионов, сопровождающихся переходом электронов от отрицательных ионов к положительным, в результате чего ионы превращаются в нейтральные атомы или молекулы). Благодаря электростатическим (кулоновским) силам, действующим между ионами, объем, заполненный ионами, будет обладать поверхностным натяжением, что и определяет устойчивую шаровидную форму молнии.

Рассмотрим задачу. Ионы заполняют объем сферы радиусом г=10 см, плотность ионного газа п=/0 см~. Оценить энергию, запасенную в таком объеме, если энергия ионизации есть и=8 эВ (в расчете на один ион).

Единица энергии 1 эВ (электронвольт) широко применяется в атомной и молекулярной физике. Это есть энергия, приобретаемая электроном при прохождении разности потенциалов в один вольт; 1 эВ= = l,6 10 Дж. В единице рассматриваемого объема запасена энергия пи. Умножив ее на объем шара - лг, находим .3

искомую энергию:

W=-jnrnu.

(7.4)

Подставив в (7.4) числовые значения величин (учтем при этом, что м=1,28-10- Дж), получим Г=52 кДж.

Эта энергия вполне согласуется со сделанными ранее оценками энергии шаровой молнии соответствующих размеров. В задаче была выбрана плотность ионного газа порядка 10 см. Именно такова плотность воздуха в условиях, близких к нормальным. В связи с этим напомним, что плотность вещества шаровой молнии должна быть примерно такой же, как и воздуха.

У рассматриваемой модели шаровой молнии есть одно уязвимое место. Дело в том, что если положительные и отрицательные ионы будут равномерно перемешаны по объему молнии, то они будут очень быстро рекомбиниро-вать - за время порядка всего 10 с. Следовательно, такая шаровая молния не может существовать в течение секунд, не говоря уже о десятках секунд. Надо каким-то образом существенно затормозить (задержать) процесс ре-



комбинации ионов. Задержка рекомбинации могла бы быть связана с разделением в пространстве ионов разного знака; например, можно было бы предположить, что положительные ионы сосредоточены в центре шара, а отрицательные вблизи его поверхности. Однако такое предположение следует сразу же исключить. Во-первых, отсутствует физический механизм, который мог бы заставить ионы именно так распределиться в пространстве. Во-вторых (и это главное), между разделенными зарядами возникли бы гигантские силы притяжения, которые никаким способом невозможно уравновесить.

Решим в связи с этим следующую задачу. Имеется сфера радиусом г=1 см, заполненная газом из нейтральных атомов плотностью =70 см Предположим, что из каждого атома ушел один электрон и поместился на поверхности сферы, а оставшиеся положительные ионы сосредоточились в центре сферы. Чему равна сила притяжения между электронами и ионами?

Обозначим через V объем сферы. После разделения зарядов на поверхности сферы и в ее центре сосредоточатся заряды разного знака, каждый из которых по модулю равен

q = Vne,

где е - абсолютное значение заряда электрона; е=1,6-10-* Кл. Сферическая сим-


8 Физика в природе



1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 [ 37 ] 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117

© 2000 - 2022 ULTRASONEX-AMFODENT.RU.
Копирование материалов разрешено исключительно при условии цититирования.