Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | Журнал технической физики, 2003, том 73, вып. 9 03 Конденсация водяных паров и взрыв перегретых водных капель Ч возможные источники энергии шаровой молнии й А.С. Тарновский Самарский государственный педагогический университет, 443043 Самара, Россия e-mail: sameta@rambler.ru (Поcтупило в Редакцию 10 января 2003 г.) Предложена модель шаровой молнии, представляющая собой массу влажного воздуха, нагретого до температуры порядка 600-650 K и содержащего многочисленные заряженные капли и микропузырьки размером 10-5 см и меньше, а также водяной пар при температуре, близкой к критической. Конденсация паров в пузырьках и последующее охлаждение образовавшихся микрокапель является источником энергии, идущей на тепловое излучение шаровой молнии. Излучение света и радиоволн объясняется движением ионов и электронов в электрическом поле заряженных пузырьков и капель и собственным тепловым вращательным движением заряженных микрокапель. Микрокапли в результате коагуляции оказываются перегретыми и, следовательно, взрывоопасными. Внешнее электрическое поле, конденсация пересыщенных водяных паров и т. п. могут служить дополнительными источниками энергии взрыва шаровой молнии.

Шаровая молния Ч одно из все еще неразгаданных заряженную структуру, состоящую из субмикронных явлений природы. Для ее объяснения выдвигаются все нитей, т. е. пористый фрактальный кластер с большой хиновые и новые гипотезы [1Ц8]: плазмоид, т. е. объем, мической емкостью. Почти весь каркас такой структуры заполненный высокотемпературной плазмой, удерживае- занят свободными порами. Высвобождение энергии из мой собственным магнитным полем, химические гипоте- химически заряженного фрактального кластера может зы. Например, Д. Араго утверждал, что шаровая молния быть описано многоступенчатым процессом горения.

состоит из окислов азота, озона и пропитана Дмолниевой В качестве примера такого процесса Б.М. Смирнов предматериейУ. По Дж. Барри, шаровая молния Ч это некое лагает многоступенчатое горение фрактального кластеуглеводородное соединение, которое образуется при ра из древесно-угольной пыли в озоне, поглощенном электрическом разряде и каким-то образом достигает самим кластером, как модельный процесс шаровой молзначительной концентрации в относительно малом объе- нии. В этой модели цвет и свечение шаровой молнии ме. Существуют гипотезы, согласно которым шаровая создается путем, подобным пиротехнике, используюмолния состоит из заряженных частиц (Я.И. Френкель щей светящиеся компоненты состава. Предложенная и Е. Хилл): пылинок или ионных облаков разного знака, Б.М. Смирновым модель способна удовлетворительным отделенных друг от друга. По И.В. Подмошенскому, ша- образом объяснить разные свойства шаровой молнии.

ровая молния образуется из нитевидных частиц. Авторы, К. Корум и Дж. Корум сообщили об успешном создании склонные к экзотике, ищут источники энергии шаровой шаровой молнии в открытом воздухе [6], причем вид молнии во внутриядерных процессах или еще глубже. огненных шаров, полученных на опыте, совпадает с В 1956 г. В.И. Арабаджи высказал предположение о их теоретическим описанием, даваемым фрактальной том, что грозовые электрические поля фокусируют тя- моделью Б.М. Смирнова.

желые частицы, например космические лучи, в шаровую Однако свойства шаровых молний, отмеченные в молнию, что влечет за собой самоподдерживающуюся различных наблюдениях, слишком разнообразны, иногда ядерную реакцию. Заметим, однако, что никакого по- противоречивы и, по-видимому, ни одна теоретическая вышения уровня радиации, связанного с прохождением модель не может объяснить все наблюдаемые случаи шаровой молнии, в наблюдениях обнаружено не было. появления и прохождения шаровой молнии. На наш В работе Е. Ватаи [2] шаровая молния рассматривается взгляд, в природе существуют различные типы шаровых как доказательство существования новых элементарных молний, требующие различного теоретического объяснеобъектов Ч лептонуклонов и их кластеров. В работе ния. Поэтому имеют право на существование различные В.К. Коршунова [3] утверждается, что шаровая молния модели шаровой молнии. Причем ни одна из реалистичевозникает в результате прохождения через атмосферу ских моделей шаровой молнии как некоего образования Земли монополя ТТХуфта-Полякова, являющегося силь- объемом не более кубического метра и с плотностью, ным катализатором в реакциях распада нуклонов. приблизительно равной плотности воздуха, не может В настоящее время популярной является аэрогельная объяснить тех гигантских энергий взрыва шаровой или кластерная модель шаровой молнии, развиваемая с молнии, которые отмечались в некоторых наблюдениконца 70-х годов Б.М. Смирновым и его коллегами из ях [4,5,7,8]. Поэтому наряду с теоретическими моделями института теплофизики в Новосибирске. Согласно [4,5], самих шаровых молний для объяснения этого все еще активное вещество шаровой молнии представляет собой загадочного явления природы необходимо использовать Конденсация водяных паров и взрыв перегретых водных капель... дополнительные теоретические модели процессов, поз- шаровой молнии сопровождается запахами серы, озона воляющие объяснить, каким образом происходит увели- и окислов азота. Такие же запахи иногда возникают чение энерговыделения при взрыве некоторых шаровых при разрядах линейной молнии и других электрических молний, и указать на источник энергии, выделяющейся разрядах. В большинстве случаев, однако, наблюдатели при взрывах ДлегкихУ и, следовательно, маломощных не отмечают каких-либо признаков, которые указывали шаровых молний [7,8]. бы на состав ДвеществаУ шаровой молнии, отличный от По данным Б.М. Смирнова [4,5] и П.П. Стаханова [7], состава окружающего воздуха. Иногда отмечается после шаровая молния Ч это светящееся сферическое образо- взрыва или угасания шаровой молнии образование на ее вание в воздухе красного, желтого, белого, голубого или, месте небольшого облака пара или тумана.

гораздо реже, зеленого цвета, диаметром от сантиметра Согласно модели Б.И. Смирнова, запас энергии шадо метра. Среднее время жизни 9 s, средняя скорость ровой молнии сравним с энергией нескольких спичечперемещения 9 m/s. Около 51% шаровых молний закан- ных головок, т. е. порядка нескольких килоджоулей, и чивают свое существование взрывом, иногда мощным недостаточен для объяснения наблюдавшихся случаев и разрушительным, остальные Ч тихим угасанием или расщепления шаровой молнией стволов крупных дераспадом на части. Средняя энергия порядка 10 kJ, ревьев, разрушения различных конструкций, изгибания в отдельных случаях она превышает 1000 kJ. Тепло- водопроводных труб и т. д., где энерговыделение при вое излучение шаровой молнии незначительно, порядка взрыве должно составлять десятки мегаджоулей. Для то100-500 W, и соответствует излучению шара диаметром го чтобы обяснить наблюдавшиеся мощные и сверхмощ20-30 cm при температуре 600-650 K [7]. Мощность ные взрывы шаровых молний, необходимо допустить излучения в оптическом диапазоне составляет несколько существование неких дополнительных механизмов, приватт и соответствует температурам от 2000 до 10 000 K, водящих к увеличению энерговыделения при взрыве.

однако, скорее всего, это излучение является неравно- При этом первоначальная молния должна играть роль весным [7, с. 151]. Шаровая молния, по-видимому, может некоего триггерного механизма, приводящего в действие также излучать довольно сильное неравновесное радио- мощные внешние источники энергии. Один из таких излучение. Электромагнитное излучение при грозах и, в источников указан в [7]. При распаде шаровой молнии частности, излучение, связанное с молниями, обладает образуется проводящий канал, соединяющий области с очень широким спектром частот, по крайней мере, большой разностью потенциалов. Происходят Дкороткое от 10 до 1000 Hz. Причем высокочастотное излучение замыканиеУ и в результате выделение дополнительной появляется с некоторым запаздыванием, порядка 5 ms, ДвзрывнойУ энергии. Стаханов пишет [7]: ДЭнергия после регистрации разряда молнии [8, с. 215]. накапливается в заряженных проводниках, а шаровая В целом шаровая молния в период своего существо- молния служит лишь триггером для освобождения этой вания, по данным наблюдений, оказывается удивительно энергии. Впрочем, возможность тепловых взрывов в стабильной. Лишь менее 1% наблюдателей отмечают результате выделения внутренней энергии шаровой молизменение размеров или цвета шаровой молнии, при- нии все же не исключенаУ.

чем данные различны: иногда отмечается рост молнии, Другой возможный механизм увеличения энерговыиногда цвет изменяется от красного края спектра к деления при взрыве шаровой молнии предложен в фиолетовому, иногда Ч наоборот. Единственная корре- работе [9]: взрыв маломощной шаровой молнии в проляция между физическими свойствами шаровой молнии, странстве, содержащем пересыщенные водяные пары, отмечаемая наблюдателями [5], Ч чем больше ее раз- приводит к взрывной, т. е. очень быстрой конденсации мер, тем дольше она живет Ч может быть объяснена влаги на многочисленных фрагментах, в том числе и условиями наблюдения: более крупную и яркую молнию на ионах распавшейся шаровой молнии, что в свою замечают раньше и дольше удерживают в поле зрения. очередь приводит к резкому понижению давления в обВ подавляющем большинстве случаев шаровые молнии ласти взрыва и к последующему расширению вовнутрь так же, как и обычные, появляются во время грозы. прилегающих к месту взрыва слоев влажного воздуха, Однако новые данные о японской шаровой молнии [5], что может приводить к конденсации, падению давления использующие большую статистику (2060 случаев), да- и к расширению вовнутрь дальнеших слоев воздуха, ют другой результат: 89% наблюдений относятся к ясной содержащего пересыщенные водяные пары. Возникает погоде и только 2.5% наблюдаются в грозу и остаются своеобразная цепная реакция последовательных конденнепонятными. саций, расширений и снова конденсаций и расширений Шаровая молния обладает электрическими свойства- пересыщенного влагой воздуха, в результате которой обми. Ее действие на человека, как правило, подобно разуется сходящаяся к центру кумулятивная газодинамидействию электрического тока. Она может вызывать ческая волна. Значительную работу сжатия совершают онемение, паралич части тела [5]. По данным Стахано- внешние ДсухиеУ слои атмосферного воздуха.

ва [7], на 1000 случаев наблюдения шаровой молнии Дополнительная энергия выделяется в результате конотмечается 5 смертельных исходов. Часто появление денсации влаги. На последнем этапе сходящаяся волна шаровой молнии сопровождается несильным звуком Ч приводит к резкому повышению давления и темперапотрескиванием, шипением, свистом. Иногда появление туры в центральной области (кумулятивный эффект) и Журнал технической физики, 2003, том 73, вып. 134 А.С. Тарновский затем сменяется расходящейся волной. Предложенный или чуть больше массы нагретого влажного воздуха, так механизм может объяснить мощные взрывы шаровых чтобы плотность шаровой молнии в целом не превышала молний, ДнеобъясненныеУ взрывы в верхних слоях ат- заметным образом плотности окружающего воздуха. Намосферы [10], в том числе и Дзагадку векаУ Ч взрыв над помним, что плотность насыщенного влагой воздуха при Подкаменной Тунгусской, прогремевший в июне 1908 г., температуре, близкой к критической, составляет менее который опустошил тайгу на площади более 2000 km2, половины плотности воздуха при температуре T = 20C:

но не оставил никаких следов источника своей энер- плотность воды и пара при критической температуре гии [11]. Конденсационный взрыв характерен именно c = 0.307 g/cm3. В средней шаровой молнии размером тем, что он не требует никаких ДвзрывчатыхУ веществ, порядка 10 dm3, согласно нашему предположению, должкоторые бы отличались по составу от атмосферного но содержаться почти 10 g воды и пара, которые в воздуха. Идея существования дополнительных механиз- результате охлаждения и конденсации могут выделить мов, приводящих к увеличению энерговыделения при порядка 40 kJ энергии. Такая шаровая молния может взрыве шаровой молнии, в частности, модель конден- обеспечить тепловое излучение мощностью в 1-2kW в сационного взрыва в атмосфере, вызванного распадом течение 10 s без заметного изменения своих параметров.

или взрывом обычной маломощной шаровой молнии, не Если капли достаточно малы, порядка 10-6-10-7 cm, то противоречит ни одной из известных реалистических существенный дополнительный вклад в энергию шаромоделей шаровой молнии. Напротив, идея конденса- вой молнии даст поверхностная энергия капель. Полная ционного взрыва, как отмечено в [12], кроме шаровой поверхностная энергия воды составляет 118 mJ/m3. Она молнии, позволяет объяснить и ДисследоватьУ также не зависит от температуры [15, с. 36] и может выделитьи другие атмосферные явления. Заметим, что взрывы ся в виде тепла в результате коагуляции капель.

шаровых молний иногда оставляют после себя характер- Рассмотрим водный пузырек радиуса r при темпеный запах, аналогичный запаху, оставляемому разрядом ратуре T 300C и плотности воды 0.45 g/cm3, содерлинейной молнии и другими электрическими разрядами.

жащий насыщенный водяной пар, давление которого p Его, по-видимому, можно объяснить образованием озона много больше атмосферного. Избыточное давление пара и другими чисто атмосферными процессами, не требую- уравновешивается поверхностным натяжением водной щими участия посторонних взрывчатых веществ.

Pages:     | 1 | 2 |    Книги по разным темам