Как сделать макет шаровой молнии
Впервые в истории учёным удалось заснять шаровую молнию на видео и изучить её спектр
Шаровая молния — крайне редкое природное явление. Очень долго сам факт существования таких молний был под сомнением. Получить её в лабораторных условиях пока никому не удалось, немногочисленные фотографии и видеозаписи, сделанные случайными очевидцами, имеют слишком низкое качество, чтобы представлять научную ценность.
17 января в журнале «Physical Review Letters» была опубликована статья китайских учёных, которым удалось летом 2012 года заснять шаровую молнию во время наблюдений за обычными молниями на Тибетском нагорье. Съёмка осуществлялась обычной цветной видеокамерой с разрешением 640х480 и черно-белой скоростной камерой с разрешением 1280х400 и скоростью съемки в 3000 кадров в секунду, а так же двух бесщелевых спектрометров.
Слева внизу — сама молния. Справа — её спектр. В средней и верхней части кадра — спектр обычной линейной молнии, которая породила шаровую.
Шаровая молния образовалась возле поверхности земли в момент удара обычной. Шаровая молния просуществовала примерно 1,6 секунды, её наблюдаемая скорость составила 8,6 м/с, а видимый диаметр — несколько метров. Реальная скорость могла быть выше, так как молния могла двигаться не параллельно плоскости камеры. Съёмка велась с расстояния 900 метров, так что изображение молнии состоит всего из нескольких десятков пикселей, однако благодаря высокоскоростной съёмке и наличию спектрометров, эти кадры дают больше информации, чем все предыдущие наблюдения шаровой молнии, вместе взятые.
На протяжении всего времени жизни шаровой молнии в её спектре хорошо заметны линии железа, кремния и кальция — основных составляющих почвы. Ещё один очень распространённый в земной коре элемент, алюминий, излучает за пределами диапазона, который воспринимают использовавшиеся учёными камеры, так что его линий на спектре нет. Это возможное подтверждение гипотезы новозеландских учёных Джона Абрахамсона и Джеймса Динисса, которые предположили, что шаровая молния — это облако окисляющихся раскалённых наночастиц почвы, образовавшееся в момент удара обычной молнии.
Спектр шаровой молнии. В левой части — линии железа, кремния и кальция, в правой — линии атмосферного кислорода и азота
Впрочем, единственный случай наблюдения шаровой молнии с помощью научной аппаратуры — это слишком мало, чтобы делать какие-либо выводы. Вполне возможно, что шаровые молнии бывают разных типов, и имеют разную природу. Так, есть свидетельства о молниях, которые наблюдали пилоты самолётов вдали от поверхности земли.
В первые моменты своего существования молния светилась с фиолетовым оттенком, затем её цвет стал белым и под конец — оранжевым. Интересно, что интенсивность свечения молнии пульсировала с частотой 99,4 Гц. В 20 метрах от места удара молнии проходит линия электропередач напряжением 35 киловольт, и эта пульсация, скорее всего, объясняется взаимодействием электромагнитного поля молнии с полем ЛЭП, ток в которой имеет частоту 50 Гц.
Как формируется шаровая молния?
Природа шаровых молний оставалась загадкой для учёных на протяжении многих столетий. Даже само существование этого феномена в силу его редкости неоднократно подвергалось сомнению, хотя свидетелями его проявления выступали самые уважаемые и авторитетные люди (философ Сенека, Плиний Старший, Карл Великий, Генрих II Английский, учёные Нильс Бор и Пётр Капица, царь Николай II и его дед Александр II, и др.)
Время от времени в лабораторных условиях получается создать объекты, по виду и свойствам похожие на шаровые молнии – плазмоиды, живущие менее секунды после прерывания подачи электричества. То есть, они приходятся лишь дальними родственниками шаровой молнии, способной существовать минуты, часы и в редких случаях даже несколько суток (тогда их могут принимать за НЛО). Существуют около четырёхсот научных и околонаучных теорий, пытающихся объяснить появление огненных шаров, большинство из которых сходится на том, что причина образования любой шаровой молнии связана с прохождением газов через область с большой разностью электрических потенциалов, что вызывает ионизацию этих газов и их сжатие в виде шара. Но давайте-ка познакомимся поближе с самыми популярными идеями светочей науки!
Между облаками и землёй возникает стоячая электромагнитная волна, и когда она достигает критической амплитуды, в каком-либо месте (чаще всего, ближе к земле) возникает пробой воздуха и образуется газовый разряд. В этом случае шаровая молния оказывается как бы «нанизана» на силовые линии стоячей волны и будет двигаться вдоль проводящих поверхностей. Стоячая волна отвечает за энергетическую подпитку шаровой молнии.
Гипотеза ридберговского вещества
Опирается на модель шаровой молнии, основанной на квантовых осцилляциях (колебания) электронного газа в плазме, то есть всех свободных в данный момент электронов в кристаллической решётке (именно они делают металл проводником). Авторы гипотезы предполагают, что данный механизм способен инициировать микродозовую термоядерную реакцию, которая может служить внутренним источником энергии шаровой молнии. Таким образом, сферическая форма молнии получается автоматически, а в её сердцевине температура резко возрастает. Этим можно объяснить возникновение микроскопических отверстий с оплавленными краями при прохождении шаровой молнии сквозь стекло.
Гипотеза Абрахамсона и Динниса
Джон Абрахамсон его коллега Джеймс Диннисс из новозеландского Кентерберийского университета предположили, что шаровая молния порождается частицами кремния, окисляющимися в атмосфере после удара молнии. Молния локально расплавляет вещества в почвенном покрове, образуя клубок волокон кремния и карбида кремния и выбрасывает мельчайшие наночастицы в атмосферу. Эти волокна постепенно окисляются и начинают светиться. Так рождается «огненный» шар, разогретый до 1200—1400 °С, который медленно тает. Но если температура молнии зашкаливает, она взрывается.
Гипотеза Пеера и Кенделя
Существует предположение, что хотя бы часть случаев наблюдения шаровой молнии является всего лишь зрительной галлюцинацией. Под воздействием магнитных полей, возникающих при разряде молнии, в зрительных центрах коры головного мозга возникают так называемые фосфены – зрительные ощущения, появляющиеся без воздействия света на сетчатку глаза. Каждый человек может увидеть нечто подобное, если слегка прижмёт пальцы к закрытым глазам. Цвет и форма фосфенов бывает самая разнообразная, но в большинстве случаев они имеют слабые синеватые, зеленоватые, желтоватые и оранжевые оттенки и простые формы (точки, круги, короткие линии).
Исследовательская работа по физике: «Шаровая молния»
Подойдёт и взрослым и детям
по физике на тему: «Шаровая молния»
1.1. Открытие шаровой молнии……………………………………………. 3-4
1.2. Некоторые гипотезы о природе шаровой молнии……………………..4-5
1.3. Свойства шаровой молнии…………………………………………. 5-6
1.4. Способность шаровой молнии…………………………………………….6
1.5. Последствия шаровой молнии…………………………………………….6
2.1. Энергия шаровой молнии………………………………………………….7
2.2. Практическое обоснование проблемы шаровой молнии……………. 7-8
Шаровая молния — это одиночная, ярко светящаяся, относительно стабильная небольшая масса, которая наблюдается в атмосфере, плавающая в воздухе и перемещающаяся вместе с потоками воздуха.
Актуальность : Шаровая молния – одно из интереснейших явлений природы, о котором мало кто знает что-либо. Шаровая молния может представлять опасность, и важно знать, как действовать при встрече с ней.
Цель исследовани я: Изучение природы шаровой молнии и её влияния на человека.
1. Узнать, что представляет собой шаровая молния.
2. Рассмотреть, какие исследования ведутся учёными в изучении шаровой молнии.
3. Выяснить, какие меры безопасности следует соблюдать при встрече с шаровой молнией.
4. Разработать систему вопросов – заданий для диагностики населения г. Рыбинска
Гипотеза: Шаровая молния непрерывно получает энергию извне и после своего возникновения становится самостоятельно существующим объектом.
Глава I : Основные сведения о шаровой молнии
. Открытие шаровой молнии
Систематическое изучение шаровых молний началось с отрицания их существования: в начале XIX века все известные к тому времени разрозненные наблюдения были признаны либо мистикой, либо в лучшем случае оптической иллюзией.
Но уже в 1838 году в «Ежегоднике» французского бюро географических долгот был опубликован обзор, составленный знаменитым астрономом и физиком Домиником Франсуа Араго..
Основываясь на известных тогда описаниях шаровых молний, Араго пришел к выводу, что многие из этих наблюдений нельзя считать иллюзией.
За 137 лет, прошедших с момента выхода в свет обзора Араго, появились новые свидетельства очевидцев, фотографии. Были созданы десятки теорий, экстравагантных, остроумных, таких, которые объясняли некоторые известные свойства шаровой молнии, и таких, которые не выдерживали элементарной критики.
С точки зрения физики шаровая молния – интереснейшее явление природы. В первой половине 19 века французский ученый физик Д.Араго собрал сведения о 30 случаях наблюдение шаровой молнии. Статистика небольшая, но многие ученые 19 века, включая Кельвина и Фарадея, были склонны считать, что это или оптическая иллюзия, или явление неэлектрической природы. С тех пор количество и качество сообщений возросло; сейчас задокументировано уже около 10 тысяч случаев наблюдения шаровой молнии.
Нет ни одного случая искусственного получения шаровой молнии, подобной природной, в лабораторных условиях. Прежде всего, поскольку в появлении шаровых молний прослеживается явная связь с другими проявлениями атмосферного электричества (например, обычной молнией), то большинство опытов проводилось по следующей схеме: создавался газовый разряд (а свечение газового разряда — вещь известная), и затем искались условия, когда светящийся разряд мог бы существовать в виде сферического тела. Исследователи могли получать кратковременные газовые разряды сферической формы, жившие максимум несколько секунд. Однако остаётся открытым вопрос о связи этих разрядов с той шаровой молнией, которая встречается в природе.
Вот несколько примеров.
«После сильного удара грома в открытую дверь влетела бело-голубая шарообразная масса диаметром 40 см и начала быстро двигаться по комнате. Она подкатилась под табурет, на котором я сидела. И хотя она оказалась у моих ног, тепла я не ощутила. Затем шаровая молния притянулась к батареи и исчезла с резким шипением. Она оплавила участок батареи диаметром 6 мм, оставив лунку глубиной 2 мм.»
1.2. Некоторые гипотезы о природе шаровой молнии
Гипотеза Капицы: между облаками и землёй возникает стоячая электромагнитная волна, и когда она достигает критической амплитуды, в каком-либо месте (чаще всего, ближе к земле) возникает пробой воздуха, образуется газовый разряд. В этом случае шаровая молния оказывается как бы «нанизана» на силовые линии стоячей волны и будет двигаться вдоль проводящих поверхностей. Стоячая волна тогда отвечает за энергетическую подпитку шаровой молнии.
Принципиально другую гипотезу предлагает Смирнов, занимающийся проблемой шаровой молнии много лет. В его теории ядро шаровой молнии – это переплетённая ячеистая структура, нечто вроде аэрогеля, которая обеспечивает прочный каркас при малом весе. Только нити каркаса – это нити плазмы, а не твердого тела. И энергетический запас шаровой молнии целиком скрывается в огромной поверхностной энергии такой микропористой структуры. Термодинамические расчеты на основе этой модели, в принципе, не противоречат наблюдаемым данным.
Ещё одна теория объясняет всю совокупность наблюдаемых явлений термохимическими
эффектами, происходящими в насыщенном водяном паре в присутствии сильного электрического поля. Энергетика шаровой молнии здесь определяется теплотой химических реакций с участием молекул воды и их ионов. Автор теории уверен, что она дает чёткий ответ на загадку шаровой молнии.
Интересную гипотезу предлагает профессор Самарского аэрокосмического университета. По его мнению, шаровая молния представляет собой сгусток низкотемпературной радиоактивной плазмы, возникающий в процессе β-распада ядер радиоактивного фосфора в связанное состояние. Другими словами, первопричины возникновения ШМ лежат вне физики электрического разряда в газах.
1.3. Свойства «типичной» шаровой молнии
В 1973 году были опубликованы свойства «типичной» шаровой молнии, основанные на анализе статистики наблюдений:
– появляется одновременно с разрядом молнии в землю;
– имеет сферическую, сигарообразную или дисковую форму с неровными краями, как бы, даже «пушистыми»;
– диметр от одного сантиметра до метра;
– яркость свечения приблизительно как 100-200 ваттная электрическая лампочка, днем ее видно хорошо;
– цвета самые разные, бывают даже черного цвета, но в основном – желтые, красные, оранжевые;
– существуют от одной секунды до нескольких минут, 15-20 секунд самое распространенное время;
– как правило, куда-то двигаются (вверх, вниз, чаще – прямо) со скоростью до пяти
метров в секунду, но могут и просто висеть в воздухе, иногда вращаются вокруг своей оси;
– тепла практически не излучают, будучи «холодными» (на ощупь, что ли, пробовали?), но тепло может выделяться при взрыве (газовых труб);
– некоторые притягиваются к проводникам – железным заборам, автомобилям, трубопроводам (газовым, и взрываются с выделением тепла), а некоторые просто проходят сквозь любую материю;
– при исчезновении могут уйти тихо, без шума, а могут громко, с хлопком;
– после себя часто оставляют запах серы, озона или оксидов азота.
Шаровая молния имеет достаточно четкую поверхность, отграничивающую вещество молнии от окружающей ее воздушной среды. Это типичная граница раздела двух разных фаз. Наличие такой границы говорит о том, что вещество молнии находится в особом фазовом состоянии. В отдельных случаях на поверхности молнии начинают плясать язычки пламени, из нее выбрасываются снопы искр.
1.4 Способность шаровой молнии
Шаровая молния может двигаться по весьма причудливой траектории. Вместе с тем в ее движении обнаруживаются определенные закономерности. Во-первых, возникнув где-то вверху, в тучах, она опускается поближе к поверхности земли. Во-вторых, оказавшись у поверхности земли, она движется далее почти горизонтально, обычно повторяя рельеф местности. В-третьих, молния, как правило, обходит, огибает проводящие ток объекты и, в частности, людей. В-четвертых, молния обнаруживает явное «желание» проникать внутрь помещений.
Шаровая молния способна проникать в отверстия намного меньшее по диаметру чем сама шаровая молния. Таким образом, молния диаметром 50 см может проникнуть в щель диаметром всего несколько миллиметров. Она отлично деформируется и восстанавливает свою форму.
1.5. Последствия шаровой молнии
Глава II : Исследование шаровой молнии
2.1. Энергия шаровой молнии
Оценить минимальное количество энергии в шаровой молнии можно по тем последствиям, которые она оставляет после своего исчезновения. Воспользуемся сообщение одного из наблюдателей: «Она оплавила участок батареи диаметром 6 мм, оставив лунку глубиной 2 мм».
Значит, молния испарила около 0,45 г железа. Для этого требуется энергия, равная 4 кДЖ. Естественно, что не вся (и наверное, далеко не вся) энергия шаровой молнии была израсходована на испарение небольшого участка батареи, так что полученный результат можно рассматривать всего лишь как оценку нижней границы энергии: эта энергия оказывается не меньше нескольких килоджоулей.
В одном из писем сообщалось, что шаровая молния диаметром 30 см расщепила торчащую из воды деревянную сваю диаметром 30 см вдоль волокон на длинные щепки.
Следовательно, энергия, запасенная в шаровой молнии диаметром 25 см, находится в пределах 100кДЖ. Такая оценка представляется вполне правдоподобной: она согласуется с результатами, полученными на основании большого количества наблюдений шаровой молнии.
В спокойном состоянии от шаровой молнии исходит необычно мало тепла, а во время взрыва высвободившаяся энергия иногда разрушает или опаливает предметы, испаряет воду.
2.2. Практическое обоснование проблемы шаровой молнии
В ходе исследования меня заинтересовал вопрос, что знают о шаровой молнии жители г. Рыбинска. В связи с этим был проведен опрос населения.
Как сделать макет шаровой молнии
