NO+O3 → NO2+O2
NO2+O3 → NO3+O2
Они сопровождаются выделением энергии. При этом в объеме диаметром 20 см выделяется примерно 1 кДж энергии. Это мало, как мы уже знаем, запас энергии шаровой молнии таких размеров должен составлять примерно 100 кДж. Недостатком рассматриваемой физической модели является также невозможность объяснения устойчивости формы шаровой молнии, существования поверхностного натяжения. Непонятно, каким образом у нагретого воздушного пузыря, обогащенного озоном, может возникнуть четкая поверхность, отделяющая его от окружающей атмосферы.
Поэтому сосредоточим внимание на гипотезе, согласно которой шаровая молния состоит из положительных и отрицательных ионов. Ионы образуются за счет энергии разряда линейной молнии. Затраченная на их образование энергия как раз и определяет запас энергии шаровой молнии. Она высвобождается при рекомбинации ионов Благодаря электростатическим (кулоновским) силам, действующим между ионами, объем, заполненный ионами, будет обладать поверхностным натяжением, что и определяет устойчивую шаровидную форму молнии.
Также существует кластерная гипотеза, предположенная в 1974 г. И.П.Стахановым.
Если ион окружен молекулами воды, его называют гидратированным. На рисунке 1а изображена схематически молекула воды. Она является полярной молекулой: центры ее положительных и отрицательных зарядов не совпадают друг с другом. На рисунке 1б показан кластер – гидратированный отрицательный ион, а на рисунке 1в – еще один кластер – гидратированный положительный ион. Молекулы воды в силу своей полярности удерживаются вблизи ионов силами электростатического притяжения. Заметим, что гидратированные ионы известны давно; они имеются в растворах электролитов. В последние годы они найдены также в земной атмосфере.
Рис.1. Кластерная гипотеза
На рисунке 1г два гидратированных иона разных знаков объединились в нейтральный комплекс. Вот из таких комплексов и состоит, согласно гипотезе Стаханова, вещество шаровой молнии. Таким образом, предполагается, что в шаровой молнии каждый ион окружен «шубой» из молекул воды. Эта «шуба» мешает ионам сблизиться непосредственно друг с другом и тем самым существенно замедляет рекомбинацию ионов.
Если количество рекомбинаций ионов за единицу времени в единице объема не слишком велико, шаровая молния ведет себя спокойно. Выделяющаяся при рекомбинации энергия преобразуется в энергию светового излучения и частично передается окружающей среде через теплообмен. Когда же число рекомбинаций становится чрезмерно большим, выделяющаяся энергия не успевает отводиться из молнии – и тогда быстро растет температура, дружно рушатся оболочки ионов-кластеров, рекомбинация резко усиливается – происходит взрыв.
Итак, согласно кластерной гипотезе, шаровая молния представляет собой самостоятельно существующее тело (без непрерывного подвода энергии от внешних источников), состоящее из тяжелых положительных и отрицательных ионов, рекомбинация которых сильно заторможена вследствие гидратации ионов. Надо признать, что данная гипотеза (в отличие от остальных) вполне хорошо объясняет все свойства шаровой молнии, выявленные в результате многочисленных наблюдений. И все же пока это только гипотеза, хотя и довольно правдоподобная.
Что даст нам понимание природы шаровой молнии? Естественно считать, что в основе природы шаровой молнии лежат известные физические закономерности, но их сочетание приводит к новому количеству, которого мы не понимаем. Разобравшись в этом, мы найдем реальным то, что ранее казалось экзотическим, и получим качественные представления, которые могут иметь аналоги и в других физических процессах и явлениях. Получение таких представлений обогащает науку и является ценным в рассматриваемых исследованиях. Такова логика развития науки вообще, и накопленный опыт исследования природы шаровой молнии подтверждает это.
Глава II. Проблема создания шаровой молнии, использование ее энергии
Практически неослабевающий интерес к шаровой молнии обусловлен, по-видимому, тем, что до сих пор не существует какой-то одной общепринятой модели ее внутреннего строения. Точно также нет и экспериментальной техники, которая позволяла бы в любой момент времени создавать искусственные шаровые молнии, не отличающиеся по своим свойствам от природных аналогов[8].
Ученые не раз пытались получить шаровую молнию в лабораторных условиях. Впервые и наиболее успешно это удалось Гастону Планте.
Ученый заряжал соединенные параллельно аккумуляторы от гальванического элемента, а затем при помощи специального переключателя – «реостатической машины» - соединял их последовательно. (Отдельный аккумулятор в среднем дает напряжение 2,5 В, но когда их соединяют последовательно, то напряжения складываются.)
Так Планте удавалось получить батарею с напряжением до 4500 В. При ее разряде через воду на положительном электроде получались устойчивые вращающиеся шары. Направление вращения было случайным, что говорит о том, что оно не связано с действие тока. В то же время при перемещении электрода шары следовали за ним. Это говорит, что они получали энергию от батареи.
Такие огненные шарики Планте уверенно отождествлял с шаровыми молниями и полагал, что шаровая молния – это первичная форма существования «электрической материи», а линейная – лишь цепочка шаровых. Это заявление он подтверждал своими наблюдениями, из которых следовало, что в городе практически при любой грозе можно увидеть шаровую молнию, нужно лишь уметь смотреть.
Планте утверждал, что шаровая молния получает энергию через вихревой столб, по которому на нее стекают заряды из грозовых туч. Сегодня к этому можно добавить то, чего Планте не знал: полный внутри вихревой столб является отличным волноводом, концентрирующим в нижней своей части энергию возникающих при грозе электромагнитных волн[9].
2.2 Никола Тесла – повелитель молний
Идея Теслы была проста и одновременно глобальна: научиться отбирать электричество, преобразовывать его и без проводов передавать в самые глухие уголки земного шара.
«К концу 1898 систематические исследования, проводившиеся много лет с целью усовершенствования метода передачи электрической энергии через естественную среду, привели меня к пониманию трех важных потребностей; Первая — разработать передатчик огромной энергии; вторая — усовершенствовать способы индивидуализирования и изолирования передаваемой энергии; и третья — выяснить законы распространения токов через землю и атмосферу» - Никола Тесла[10].
Проверку своих идей он начал в 1899 году в горном районе Колорадо-Спрингс, известном своими частыми грозами с исключительно мощными молниями. Через некоторое время по словам Теслы он знал о молниях больше, чем знает о них сам Бог. На очереди стояла проверка принципов передачи энергии на дальние расстояния без проводов. С этой целью была построена специальная лаборатория. Вскоре ученый убедился, что электрический заряд может передаваться через землю без проводов и радиоволн[11].
На сегодняшнее время эксперименты по созданию шаровой молнии и сравнению ее свойств с природной проводятся на экспериментальном полигоне недалеко от г. Владимир. (Подробнее в Приложении).
Для того, чтобы убедиться в том, что использование энергии шаровой молнии в практических целях действительно выгодно нам нужно:
Оценить энергию шаровой молнии.
Рассчитать мощность исследуемого объекта.
Определить, число шаровых молний, потребуется, необходимых для обеспечения промышленного города.
Оценить количество энергии в шаровой молнии можно по тем последствиям, которые она оставляет после своего исчезновения. Воспользуемся сообщением одного из наблюдателей: «Она оплавила участок батареи диаметром 6 мм, оставив лунку глубиной 2 мм ».
Значит, молния испарила около 0,45 г железа (v=56 мм3, p=7,9*103 кг/м3). Для этого требуется энергия, равная 4 кДж.
Естественно, что 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 молнии: эта энергия оказывается не меньше нескольких килоджоулей.
Вот еще одно из наблюдений шаровой молнии: «Молния диаметром 30 см взорвалась около водопроводного крана. Этот кран представлял собой трубу диаметром 3 см и высотой 80 см. После взрыва труба оказалась скрученной и была покрыта окалиной, хотя и не накалилась докрасна». Чтобы скрутить железную трубу, надо разогреть некоторый ее участок до достаточно высокой температуры. В то же время, как указывает наблюдатель, труба не накалилась докрасна. Поэтому можно предположить, что молния нагрела участок трубы, скажем, на 600 К. Длину этого участка будем полагать приблизительно равной диаметру трубы.
Решим в связи с этим следующую задачу. Сколько энергии требуется для нагревания на ∆T=600 К участка железной трубы длиной l=5 см? Наружный радиус трубы R=1,5 см, внутренний r=1,2 см. удельная теплоемкость железа c=0,71 Дж/(г*К), плотность железа ρ=7,8 г/см3.
Найдем массу трубы:
m=ρ(πR2-πr2)l,
где (πR2-πr2)l – объем трубы
Используя числовые значения величин, получаем m=100 г. Отсюда находим искомую энергию:
W=cm∆T=4,2*104 Дж=42 кДж.
Энергия шаровой молнии может принимать значения от нескольких килоджоулей до нескольких тысяч килоджоулей. Чтобы убедиться в этом решим следующую задачу, основанную на событии, произошедшем в Закарпатье, близ города Перечина:
В августе 1962 года, около 11-12 часов вечера в корыто с водой для скота упала шаровая молния размером с теннисный мяч: она светилась цветами радуги в течение около 10 секунд. Вода из корыта полностью выкипела, на дне лежали сварившиеся лягушки. Размер корыта 0,3*2,5 метра. Глубина слоя воды – 15 см[12].
Масса воды равна: ρ*V. V=11,3*10-2м3.
Плотность воды – 1*103 кг/м3.
Отсюда получаем массу воды, равную 113 кг
Найдем энергию, которая потребовалась для того, чтобы вода выкипела:
W=cm∆T+Lm
Удельная теплоемкость воды – 4200 Дж/кг*К. Температура кипения воды – 1000С, а температуру воды изначально возьмем примерно равную 180С.
