Экология СПРАВОЧНИК

В настоящей главе мы постараемся на основе наблюдательных данных составить образ типичной шаровой молнии, который в дальнейшем можно будет использовать для анализа ее природы. Наша задача упрощается потому, что к настоящему времени уже проведена большая работа по анализу данных наблюдаемого явления. Еще в середине прошлого века Aparo [1] описал около тридцати случаев наблюдения шаровой молнии (некоторые из них мы приводим ниже). В дальнейшем неоднократно происходила ревизия случаев наблюдения шаровой молнии, число которых росло. Например, в книге Бранда [2] учтено 215 наблюдений шаровой молнии, а в работах Хэмфрейса [3, 4] — около 280 наблюдений.

Далее

Появление шаровой молнии обычо связано с грозовой активностью. Статистика показывает, что 73% из 513 случаев согласно данным Мак Нзлли [5], 62% из 112 случаев согласно Рэйли [6] и 70% из 1006 согласно Стаханову [8] относятся к грозовой погоде. По данным Барри [17] в 90% собранных им случаев шаровая молния наблюдалась во время грозы. При этом во многих работах сообщалось, что шаровая молния возникала непосредственно после удара линейной молнии.

Далее

Следует отметить, что свечение шаровой молнии не всегда бывает равномерным. Иногда выделяется ядро шаровой молнии, которое отличается интенсивностью свечения, а иногда — и цветом. В некоторых случаях шаровая молния окружена ореолом. Часто свечение сопровождается выбросом искр.

Далее

Имеется единственный случай, когда удалось определить химический состав следа шаровой молнии [23, 24]. Автор этого эксперимента М. Т. Дмитриев — специалист в области химии атмосферы, находился летом 1965 г. на р. Онега в экспедиции. Им были подготовлены пробирки для взятия проб воздуха. Волею случая в это время появилась шаровая молния. Она двигалась мимо ученого, оставляя за собой след в виде голубоватой дымки. М. Т. Дмитриев использовал свою аппаратуру для анализа следа шаровой молнии. Химический анализ воздуха показал повышенное содержание в нем только двух компонент — озона и двуокиси азота. Их максимальное содержание составило 1,3 г • м 3 для озона и 1,6 г • м 3 для двуокиси азота. Это в 50 -ь 100 раз больше, чем в обычном воздухе.

Далее

Существенным является вопрос, какую энергию несет в себе шаровая молния. К сожалению, шаровая молния редко оставляет после себя следы, по которым можно оценить запасенную в ней энергию. Тем не менее имеется несколько случаев, которые позволяют это сделать (табл. 1.4). Прокомментируем факты, отраженные в этой таблице.

Далее

Совокупность наблюдательных данных и их обработка позволяют создать образ шаровой молнии с усредненными параметрами. Параметры средней шаровой молнии сведены в табл. 1.5. К этим данным можно добавить следующее. Шаровая молния — светящееся образование в воздухе — обычно имеет сферическую форму. Она наблюдается и в помещениях, и на открытом воздухе, и может двигаться как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях. Шаровая молния может иметь внутреннюю структуру, может быть окружена гало. Из нее нередко вылетают искры. Движение шаровой молнии обычно сопровождается звуковыми эффектами — шипением, свистом и треском.

Далее

Из фактов наблюдения шаровой молнии можно создать общее представление об этом явлении. Естественным является желание объяснить его природу. Поскольку наблюдение шаровой молнии имеет богатую историю, существует большое число гипотез о природе этого явления. На основе гипотез строятся теоретические модели, целью которых является описание шаровой молнии как физического явления. В их основе заключена информация о процессах, которые протекают в возбужденном воздухе.

Далее

Из наблюдательных данных следует, что шаровая молния обладает относительно высоким электрическим зарядом. Создаваемое зарядом электрическое поле несет в себе энергию и может вызвать разряд в воздухе, сопровождающийся свечением. Оценим энергетические возможности такой системы.

Далее

Проведенный в предыдущей главе анализ убеждает нас, что способ хранения энергии в шаровой молнии — химический. К этому мы приходим, сравнивая наблюдаемое время жизни шаровой молнии с характерными временами преобразования соответствующего вида энергии в тепловую, что обусловлено скоростями протекающих при этом процессов. Поскольку время жизни шаровой молнии превышает характерные времена столкновения молекул в атмосферном воздухе на много порядков, не всякий процесс может быть настолько медленным, чтобы внутренняя энергия системы сохранялась столь долго. Это обстоятельство позволяет существенно Сузить круг явлений, которые могут составлять основу шаровой молнии.

Далее

Проведенный ранее анализ привел пас к выводу, что энергетика шаровой молнии связана с химическими процессами, а само активное вещество шаровой молнии имеет нитевидную структуру ). Чтобы получить более детальную картину энергетических процессов, продолжим этот анализ. Прежде всего, выясним, как протекает химическая реакция, приводящая к тепловыделению. Здесь возможны два варианта. В одном из них реакция происходит с участием молекул, находящихся в газовой фазе. В другом — реагирующие компоненты находятся внутри нитей.

Далее

Процесс тепловыделения при химической реакции в шаровой молнии имеет ряд особенностей, которые накладывают на него определенные условия. С одной стороны, это интенсивный процесс. Для обеспечения наблюдаемых параметров шаровой молнии необходимы относительно высокие значения удельного энерговыделения. Если энергозапас шаровой молнии использовать для нагревания активного вещества шаровой молнии и воздуха, в котором это вещество находится, то при этом их общая температура повысится, во всяком случае, на несколько тысяч градусов. К этому выводу можно прийти, основываясь на анализе наблюдаемых фактов, а также численных оценок, которые будут сделаны в следующей главе. С другой стороны, такая высокая интенсивность процесса должна сочетаться с медленностью его протекания — он должен протекать за время порядка наблюдаемого времени жизни шаровой молнии.

Далее

В соответствии с этим проведем далее следующее сравнение. Пусть в воздухе имеется набор сферических аэрозолей радиуса г„ и пусть среди них находится простейший нитевидный аэрозоль — цилиндрический. Сравним скорости ассоциации этого аэрозоля со сферическими. Если скорее идет ассоциация за счет диффузионного движения аэрозолей, то прилипание сферических аэрозолей к цилиндрическому будет происходить по всей поверхности, и в итоге цилиндрический аэрозоль потеряет свою форму. Если же ассоциация определяется внешним электрическим полем, то сферические аэрозоли будут прилипать к концам цилиндрического и продукт ассоциации не будет иметь компактную структуру.

Далее

Концепция о нитевидной структуре шаровой молнии была принята нами по той причине, что это практически единственная структура шаровой молнии, которая не противоречит наблюдаемым фактам. Последующий анализ показал, что при ассоциации твердых аэрозолей в электрическом поле имеется тенденция образовывать нитевидные аэрозоли. Эти аэрозоли далее переплетаются и образуют комок нитей. При этом надо понимать, что такое представление о структуре шаровой молнии является модельным, ибо данная система образуется из частиц разных размеров, которые сохраняются внутри системы. Поэтому структура получаемого образования должна быть более сложной.

Далее

Чтобы выяснить каналы, по которым происходит образование структуры шаровой молнии, а также характерные параметры такой системы, необходимо получить числовые значения для скоростей ассоциации твердых частиц в кластер в реальном воздухе. Далее мы проведем такие расчеты для двух возможных каналов ассоциации. В первом из них фрактальный кластер растет в результате последовательного присоединения отдельных частиц. Во втором — частицы объединяются в кластеры и последующая ассоциация кластеров ведет к росту их размеров и уменьшению их числа в выделенном объеме. При этом для удобства рассмотрения будем считать, что твердые частицы имеют сферическую форму и один и тот же радиус г0 для всех частиц.

Далее

Из сказанного выше следует, что активное вещество шаровой молнии имеет некомпактную структуру, которую можно моделировать комком нитевидных аэрозолей или фрактальным кластером. Такая структура вызывает некоторые явления, которые мы рассмотрим ниже. Одно нз них связано с газодинамикой движения воздуха, протекающего через данную структуру и создающего подъемную силу. Природа этого явления такова. Химические процессы, происходящие в активном веществе шаровой молнии, приводят к нагреванию вещества п окружающего воздуха. Как следует из проведенных ранее оценок, это нагревание вызывает конвективное движение воздуха в зоне тепловыделения. Нагретый воздух будет выходить за пределы области, занимаемой активным веществом, поднимаясь при этом вверх. Вместо него, снизу и сбоку в область, занимаемую активным веществом, будет подходить холодный воздух. Нагреваясь в зоне тепловыделения, этот воздух затем будет направляться вверх. Таким образом, при действии источника тепловыделения будет возникать направленное движение воздуха, которое в итоге поднимает и сам сгусток нитей, являющийся источником тепла.

Далее

Здесь N — плотность, е — заряд ионов, К — подвижность, 3) — коэффициент диффузии ионов в газе, г — расстояние до центра аэрозоля, — напряженность электрического поля аэрозоля.Формула (5.3) дает следующие предельные соотношения для тока ионов па аэрозольную частицу.

Далее

Воспользуемся формулой (5.17), тогда для комнатной температуры формула (5.19) даст значение г0 < 2 мкм. Таким образом, мы получим ту же оценку для предельного радиуса частиц, что и в предыдущем параграфе. Следует, однако, заметить, что оценки эти исходят из разных физических соображений.

Далее