молекул воздуха плазменный канал растет, лидер движется к проверхности
земли.
С учетом остановок по пути лидеру, чтобы достигнуть земли, потребовалось
10…20 мс при расстоянии 1 км между тучей и земной поверхностью (рис 3в).
Теперь тучу соединяет с землей плазменный канал, прекрасно проводящий ток.
Канал ионизированного газа как бы замкнул тучу с землей накоротко. На этом
первая стадия развития начального импульса заканчивается.
Вторая стадия протекает быстро и мощно. По проложенному лидером пути
устремляется основной ток (рис 3г). Импульс тока длится примерно 0,1мс.
Сила тока достигает значений порядка [pic]А. Выделяется значительное
количество энергии (до [pic]Дж). Температура газа в канале достигает [pic].
Именно в этот момент рождается тот необычайно яркий свет, который мы
наблюдаем при разряде молнии, и возникает гром, вызванный внезапным
расширением внезапно нагретого газа.
Существенно, что и свечение, и разогрев плазменного канала развиваются в
направлении от земли к туче, т.е. снизу вверх. Для объяснения этого явления
разобьем условно весь канал на несколько частей. Как только канал
образовался (головка лидера достигла земли), вниз соскакивают прежде всего
электроны, которые находились в самой нижней его части; поэтому нижняя
часть канала первой начинает светиться и разогреваться. Затем к земле
устремляются электроны из следующей (более высоко находящейся части
канала); начинаются свечение и разогрев этой части. И так постепенно – от
низа до верха – в движение к земле включаются все новые и новые электроны;
в результате свечение и разогрев канала распространяются в направлении
снизу вверх.
После того, как прошел импульс основного тока, наступает пауза
длительностью от 10 до 50мс. За это время канал практически гаснет, его
температура падает примерно до [pic], степень ионизации канала существенно
уменьшается.
Однако в туче еще сохранился большой заряд, поэтому новый лидер
устремляется из тучи к земле, готовя дорогу для нового импульса тока.
Лидеры второго и последующих ударов являются не ступенчатыми, а
стреловидными. Стреловидные лидеры аналогичны ступеням ступенчатого лидера.
Однако поскольку ионизированный канал уже существует, необходимость в
пилоте и ступенях отпадает. Так как ионизация в канале стреловидного лидера
«старше», чем у ступенчатого лидера, рекомбинация и диффузия у носителей
носителей заряда происходят интенсивнее, а поэтому и степень ионизации в
канале стреловидного лидера ниже. В результате скорость стреловидного
лидера меньше скорости отдельных ступеней ступенчатого лидера, но больше
скорости пилота. Значения скорости стреловидного лидера составляют от
[pic]до [pic]м/с.
Если между последующими ударами молнии пройдет больше времени, чем обычно,
то степень ионизации может быть настолько низкой, особенно в нижней части
канала, что возникает необходимость в новом пилоте для повторной ионизации
воздуха. Это объясняет отдельные случаи образования ступеней на нижних
концах лидеров, предшествующих не первому, а последующим главным ударам
молнии.
Как говорилось выше, новый лидер идет по пути, который был проторен
начальным лидером. Он без остановки (1мс) пробегает весь путь сверху до
низу. И снова следует мощный импульс основного тока. После очередной паузы
все повторяется. В итоге высвечиваются несколько мощных импульсов, которые
мы естественно, воспринимаем как единый разряд молнии, как единую яркую
вспышку.
7. Загадка шаровой молнии.
Шаровая молния абсолютно не похожа на обычную (линейную) молнию ни по
своему виду, ни по тому, как она себя ведет. Обычная молния кратковременна;
шаровая живет десятки секунд, минуты. Обычная молния сопровождается громом;
шаровая совсем почти бесшумна, в поведении ее много непредсказуемого.
Шаровая молния задает нам множество загадок, вопросов, на которые нет
ясного ответа. В настоящее время можно лишь предполагать, делать гипотеза.
Единственным методом изучения шаровой молнии является систематизация и
анализ случайных наблюдений.
7.1. Итоги обработки наблюдений.
Сформируем основные выводы, которые можно сделать из анализа наблюдений.
[pic]Плотность вещества шаровой молнии практически совпадает с плотностью
воздуха и обычно лишь немногим превосходит ее, т.е. она составляет вероятно
около [pic][pic]. Недаром шаровая молния стремится опустится вниз, разницу
между силой тяжести и выталкивающей (архимедовой) силой компенсируют
конвекционные воздушные потоки, а также сила, с какой действуют на молнию
атмосферное электрическое поле.
[pic]Число шаровых молний [pic], распавшихся за время [pic], определяется
следующим выражением:
[pic]
где [pic]; [pic]; [pic]; [pic]- число молний в момент [pic]. Доли
короткоживущих ([pic]) и долгоживущих ([pic]) молний меняются в различных
статистических выборках. Для наших данных они приблизительно одинаковы
([pic] [pic]).
[pic] Наиболее вероятный диаметр шаровой молнии равен 10-15 см, а средний
диаметр 20-30 см. Распределение размеров шаровой молнии описывается
формулой, включающей один характерный размер [pic]:
где [pic]- плотность вероятности наблюдения шаровой молнии диаметром [pic];
[pic]= 11 см для наших данных.
[pic]Температура шаровой молнии (не считая момента «взрыва») лишь
относительно ненамного превышает температуру окружающего воздуха, достигая,
по-видимому, всего нескольких сотен градусов (предположительно 500-600 К).
[pic]Вещество шаровой молнии является проводником с низкой работой выхода
зарядов и поэтому обладает свойством легко рассеивать электрические заряды,
накопившиеся в других проводниках.
Контакт шаровой молнии с заряженными проводниками приводит к появлению
кратковременных импульсов электрического тока, довольно значительных по
силе и проявляющихся иногда на сравнительно большом расстоянии от места
контакта. Это вызывает перегорание предохранителей, срабатывание реле,
вывод из строя электроприборов и другие аналогичные явления. Электрические
заряда стекают со значительной площади через вещество шаровой молнии и
рассеиваются в атмосфере.
Взрыв шаровой молнии во многих (не исключено, чти почти во всех) случаях
является следствием такого кратковременного электрического разряда.
Поражения шаровой молнией людей и животных также, по-видимому, связаны с
импульсами тока, которые она вызывает.
[pic] Запас энергии шаровой молнии может составлять от нескольких
килоджоулей до нескольких десятков килоджоулей, в некоторых случаях
(особенно при больших размерах молнии), возможно, до ста килоджоулей.
Плотность энергии 1-10 [pic]. Однако эффекты взрыва могут определятся, по
крайней мере в некоторых случаях, не энергией самой шаровой молнии, а
энергией, накопленной во время гроза в заряженных проводниках и окружающих
их электрических полях. Шаровая молния играет в этом случае роль
триггерного механизма, включающего процесс освобождения этой энергии.
[pic] Вещество шаровой молнии образует обособленную фазу в воздухе,
обладающую значительной поверхностной энергией [pic]. На существование
поверхностного натяжения указывают стабильность границы шаровой молнии, в
том числе при перемещении ее в окружающем воздухе (иногда при сильном
ветре), устойчивость сферической формы и восстановление ее после
деформаций, возникающих от взаимодействия с окружающими телами. Необходимо
отметить, что сферическая форма молнии восстанавливается и после больших
деформаций, сопровождающихся распадом шаровой молнии на части.
Кроме того, на поверхности шаровой молнии нередко наблюдаются поверхностные
волны. При достаточно большой амплитуде эти волны приводят к выбрасыванию
капель вещества с поверхности, аналогичных брызгам жидкости.
Существование шаровой молнии не сферической формы: грушевидная,
эллиптическая могут быть обусловлены поляризацией в сильных магнитных полях
[pic] Шаровая молния может нести электрический заряд, который появляется,
например, при поляризации в электрическом поле (особенно если заряды разных
знаков по-разному стекают с ее поверхности). Движение шаровой молнии в
условиях безразличного равновесия, при котором сила тяжести уравновешена
архимедовой силой, определяется как электрическими полями, так и движением
воздуха.
[pic] Наблюдается корреляция времени жизни и размера молнии.
Долгоживущие молнии ([pic]) оказываются в основном больших размеров (по
данным они составляют 80% среди молний диаметром больше 30 см и только 20%
среди молний диаметром меньше 10 см). Наоборот, короткоживущие молнии
([pic]) имеют малый диаметр (80% молний диаметром меньше 10 см и 20% -
больше 30 см).
[pic] Анализируя наблюдения, можно предположить, что шаровая молния
появляется там, где накапливается значительный электрический заряд, при
мощной, но кратковременной эмиссии этого заряда в воздух.
[pic] Исчезает шаровая молния в результате взрыва, развития неустойчивостей
или из-за постепенного расходования запаса ее энергии и вещества (тихое
погасание). Природа взрыва щаровой молнии не вполне ясна.
[pic] Большая часть молний – около 60% - испускает видимый свет,
относящийся к красному концу спектра (красный, оранжевый или желтый). Около
15% испускает свет в коротковолновой части спектра (голубой, реже – синий,
фиолетовый, зеленый). Наконец, приблизительно в 25% случаев молния имеет
белый цвет. Мощность излучаемого света -
порядка нескольких ватт. Поскольку температура молнии невелика, ее видимое
излучение имеет неравновесную природу. Возможно, молния излучает также
некоторое количество ультрафиолетового излучения, поглощением которого в
воздухе можно объяснить голубой ореол вокруг нее.
[pic] Теплообмен шаровой молнии с окружающей средой происходит через
испускание значительного количества инфракрасного излучения. Если шаровой
молнии действительно можно приписать температуру 500-600 К, то мощность
равновесного теплового излучения, испускаемого молнией среднего диаметра
([pic]см), порядка 0,5-1 кВт и максимум излучения лежит в области длин волн
5-10 мкм.
[pic] Кроме инфракрасного и видимого излучений шаровая молния может
испускать довольно сильное неравновесное радиоизлучение.
7.2. Гипотезы.
Все гипотезы, касающиеся физической природы шаровой молнии можно разделить
на две группы. В одну группу входят гипотезы, согласно которым шаровая
молния непрерывно получает энергию извне. Предполагается, что молния каким-
то образом получает энергию, накапливающуюся в облаках и тучах, причем
тепловыделение в самом канале оказывается незначительным, так что вся
передаваемая энергия сосредотачивается в объеме шаровой молнии, вызывая его
свечение. К другой группе относятся гипотезы, согласно которым шаровая
молния становится самостоятельно существующим объектом. Этот объект состоит
из некоего вещества, внутри которого происходят процессы, приводящие к
