Страница 148 из 176
Рассмотрим процесс уравновешивания ШМ в атмосфере более подробно. Если воздух внутри ШМ сильно нагрет, то сила Архимеда много больше веса самой ШМ. С другой стороны, при своём образовании ШМ обычно находится в районе вхождения линейной молнии в землю или у высоких предметов, несущих потенциал земли. Благодаря заряду ШМ создаёт в земле как в проводнике наведённые заряды и притягивается к ним. Силу притяжения можно определить с помощью метода изображений из электростатики. Найдём высоту h над землёй, при которой ШМ находится в равновесии, из равенства электрической силы и силы Архимеда:
Q2/4πεε0(2h)2 = ρgVb = 0.25 Н, (11)
где ρ = 1.29 кг/м3 — плотность атмосферного воздуха вокруг ШМ
g = 9.81 м/с2 — ускорение силы тяжести
Vb = 0.02 м3 — объём нашей модели ШМ.
При заряде Q из (4) высота h = 90 см. По мере остывания воздуха в ШМ уменьшается её объём, а при потере электронов с наружной оболочки может увеличиваться и заряд Q. Поэтому ШМ может всплыть над землёй и далее плавно перемещаться в зависимости от рельефа местности, ветра и электрических полей от грозовых облаков. Нетрудно подсчитать электрическую силу, действующую на ШМ при напряжённости поля Е = 105 В/м от сильно заряженного грозового облака: F = QE = 1 Н, что близко к силе Архимеда (11).
Для того чтобы представить устройство ШМ более наглядно, приведем весьма подробное свидетельство М.Т. Дмитриева, специалиста-химика, имевшего опыт работы с низкотемпературной плазмой и ставшего очевидцем явления ШМ [8]:
Светимость молнии была значительной, особенно при расстоянии в несколько метров, тем не менее, её всё же можно было свободно рассматривать, без чрезмерного напряжения. Было заметно, что цвет молнии неоднороден. Центральная часть представляла собой шар диаметром около 6–8 см, несколько вытянутый в вертикальном направлении. Эта часть была и наиболее яркой, по своему внешнему виду (кроме формы) весьма напоминая электроразрядный факел в воздухе, получаемый в плазмотронах, с температурой плазмы порядка 13000 — 16000 градусов. Центральная часть молнии была окружена областью толщиной 1–2 см с густым фиолетовым свечением, очень похожим на свечение воздуха при давлении 0.1 мм. рт. ст., бомбардируемого электронами с энергией в несколько десятков электрон-вольт. Следующая, наружная оболочка, толщиной около 2 см, также была неоднородна, напоминая по цвету тихий электрический разряд при атмосферном давлении или периферийное свечение электронного пучка с энергией в несколько десятков кило-электрон-вольт, попадающего из вакуумной трубки в воздух при обычном давлении. Светло-голубое свечение этой части молнии быстро убывало с увеличением расстояния от центрального шара, постепенно сходя на нет. Оболочки молнии хорошо просматривались только в горизонтальном направлении. В нижней части они, вероятно, были сжаты и их можно было различить только при сопоставлении с боковыми частями молнии. Над молнией сверху оболочки были значительно толще, но не так резко выражены. Кроме того, в них можно было видеть отдельные яркие конвективные струи (как над обычным костром, только цвет их был с беловатым оттенком). Общий диаметр шара составлял около 11–12 см в горизонтальном направлении и около 14–16 см в вертикальном. С расстояния в несколько десятков метров наблюдалась, по-видимому, только центральная часть шара. Издали молния имела синеватый оттенок. В молнии, по-видимому, всё время выделялась энергия. На это указывали сплошной шорох и сильные отдельные потрескивания. Вероятно, беспрерывно происходила и утечка её заряда. Выделение энергии резко увеличивалось при соприкосновении молнии с поверхностями (листьями или сучками) и сопровождалось более сильным треском и искрением. Молния оставила после себя сильный запах, по своему характеру почти совпадающий с запахом воздуха, подвергнутого воздействию ионизирующего излучения.
Как видно из приведённого текста, шаровая молния Дмитриева имела вертикальную ось симметрии, совпадающую с осью вращения электронного облака в нашей модели ШМ и с направлением внутреннего магнитного поля. В магнитных полях, на порядок меньших, чем в (6), радиус вращения ионов R вырастает приблизительно до величины половины радиуса ШМ. При этом возникает только одна устойчивая ионная орбита, которая отмечает положение ядра ШМ. Внутреннее ионное облако молнии Дмитриева было вытянуто в вертикальном направлении, а все оболочки хорошо просматривались только в горизонтальном направлении. О вращении частиц в оболочках с дифференциальной скоростью говорили отдельные яркие конвективные струи. По предположению Дмитриева, светло-голубое свечение внешней оболочки напоминает тихий электрический разряд с энергией электронов в десятки килоэлектронвольт. Найдём потенциал нашей модели ШМ при её радиусе и заряде согласно (4):
φ = Q/4πεε0r = 500 кВ. (12)
Поскольку заряд ШМ положительный, то она будет бомбардироваться электронами и отрицательными ионами из окружающей атмосферы с приобретаемой ими энергией от прохождения разности потенциалов вплоть до величины (12). Известно, что пробег электронов в воздухе ограничивается различными потерями и при начальной энергии электронов в 500 кэВ не превышает 1 м. На самом деле начальная энергия электронов воздуха мала и они в электрическом поле ШМ приобретут существенно меньшую энергию. Если считать, что зона ускорения электронов вблизи равна Δr = 1 см (что соответствует напряжённости электрического поля, пробивающей воздух, от заряда Q нашей модели ШМ), то из (12) следует:
U = qΔφ = qQΔr/4πεε0r2 = 30 кэВ.
что соответствует наблюдениям Дмитриева. Если заряд ШМ велик, то её наблюдаемый радиус может быть больше настоящего за счёт светящейся короны вокруг неё.
Светимость обычной ШМ среднего размера можно объяснить излучательными переходами атомов и молекул и постепенной рекомбинацией ионов воздуха внутри ШМ, так что её энергия только за счёт излучения непрерывно убывает со скоростью до 2 Дж в секунду. Отношение площади поверхности к объёму растёт по мере уменьшения радиуса, следовательно, маленькие ШМ израсходуют всю свою энергию на излучение и теплоотдачу в окружающую атмосферу быстрее, за время порядка долей и единиц секунд, и это действительно наблюдают как у природных, так и у искусственных ШМ при коротких замыканиях электрооборудования.
В связи со строением ШМ интересно рассмотреть некоторые случаи из [3]. ШМ довольно редко представляет собой правильную сферу, скорее это масса неправильной формы, иногда с несколькими выступами. Некоторые ШМ кажутся полыми, овальными, сердцевидными, грушевидными, яйцевидными или в виде тора или кольца. В случае в Париже в 184 9 г. у ШМ возникли искры и огненные языки, которые как будто вырывались из отверстия в шаре. При увеличении отверстия ШМ взорвалась с молниеподобным разрядом. После этого наблюдалось ещё некоторое яркое свечение.
В случае 194 9 г. в ФРГ после распада ШМ осталась её часть, напоминающая по форме молодой месяц, повёрнутый рогами вниз. Распад этой ШМ сопровождался искрами длиной до 30 см. Прикреплённые к предметам ШМ исчезают обычно как бы кипя и выбрасывая искры. По статистике до 50 % всех наблюдаемых ШМ оканчивают свою жизнь с небольшим взрывом. В рамках нашей модели описанные свойства ШМ можно объяснить тем, что внешняя оболочка может иметь не только сферическую, но и ступенчатую форму, демонстрируя тем самым некоторую независимость отдельных токовых колец. В течение жизни ШМ отдельные кольца в силу неустойчивости или взаимодействия с окружающими предметами разрываются и из ШМ вылетают потоки быстрых электронов и плазмы в виде искр. Иногда ШМ просто разделяется на несколько маленьких ШМ. Маломощные ШМ в отсутствие взаимодействий с окружением будут просто разряжаться почти беззвучно и без особых эффектов.