Условия образования шаровой молнии

Юрий Маханьков

Появление шаровой молнии, как правило, связано с грозовой деятельностью протекающей в атмосфере, поэтому прежде чем пытаться понять ее внутреннее строение, необходимо представить те внешние условия, в которых происходит ее образование и существование.

Рассмотрим, каким образом происходит образование обычной молнии, и какие электрические процессы сопутствуют этим явлениям. В результате трения падающих капель воды о воздух происходит их электризация, величина которой определяется относительной скоростью движения в воздухе и энергией связи внешних электронов в атомах составляющих молекулы воды и воздуха. Знак заряда обусловлен тем, какие атомы, воды или встречного потока воздуха, легче отдают свои валентные электроны. В данном случае это будут капли воды, в состав которых входит водород относящийся к группе металлов.

Потеря электронов каплями воды будет происходить при их ускоренном движении относительно воздуха, так как положительный заряд, который образуется на каплях будет притягивать обратно электроны из окружающей среды, таким образом, при постоянной скорости устанавливается равновесие и заряд капли изменяться не будет.

Процесс ускоренного движения происходит в пределах области тучи, когда идет рост массы капли, за счет ее движения в среде насыщенной водяным паром. Ускорение при этом обуславливается за счет ускорения свободного падения минус ускорение, создаваемое за счет присоединения частиц пара и сопротивлением воздуха. За пределами тучи ускорение движения капли происходит под действием сил гравитации и сопротивления воздуха. По мере приближения к земле оно будет отрицательным, так как возрастает плотность воздуха, а за счет испарения уменьшается вес капли.

В результате сложного движения капли, ее заряд будет изменяться в процессе всего полета. При движении в верхней и средней области облака, когда капля испытывает положительное ускорение, а масса ее возрастает, она, теряя электроны, приобретает положительный заряд, в то время как окружающее пространство накапливает отрицательный заряд. При выходе из облака, когда ускорение становится отрицательным, а капля, на которой сосредоточен положительный заряд, испаряется, она теряет часть своего заряда. Но чем больший положительный заряд будет иметь окружающий воздух, в результате своего взаимодействия с потоком предыдущих капель, тем меньший положительный заряд будет терять капля. При падении на землю накопленные каплей положительные заряды заряжают последнюю.

Таким образом, при прохождении дождя или снега в области облака накапливается избыток электронов, т.е. отрицательный заряд. На поверхности и над поверхностью земли будет иметь место недостаток электронов, что соответствует положительному заряду. При этом над поверхностью земли уровень положительной ионизации воздуха, в основном, определяется температурным режимом и влажностью, так как от них зависит скорость испарения падающих капель. Положительно заряженная масса воздуха, расположенная над поверхностью земли, будет дрейфовать под действием электрического поля между облаком и землей вверх, создавая восходящие потоки. Кроме этого одноименно заряженные молекулы воздуха будут отталкиваться друг от друга с некоторой силой, которая в сумме с барометрическим давлением, существующем в положительно заряженном воздухе, будет равна давлению незаряженной воздушной массы. Таким образом, образуется область пониженной плотности воздушной массы, при неизменном давлении во всем пространстве, которая будет подниматься вверх в среде атмосферы с большей плотностью за счет силы Архимеда.

Рис. 1. Накопление зарядов в облаке.

С другой стороны на отрицательно заряженную часть облака, будет действовать сила притяжения со стороны положительно заряженной массы воздуха и земли, направленная вниз, сила Архимеда направленная вверх, а также сила направленная вверх за счет подъема положительно заряженной массы воздуха. В результате часть облака будет выноситься в верхние слои атмосферы, где в зависимости от высоты будет иметь место отрицательная температура, что может привести к образованию града.

Облако и восходящий поток воздуха при встречном движении образуют область нейтрализации зарядов. В области нейтрализации зарядов возникнет повышенное давление. Растекание нейтрально заряженного воздуха порождает турбулентность движущихся потоков.

Между разноименно заряженными ионами встречно-двигающихся потоков будет находиться своего рода изолятор из нейтрального газа, который все время пополняется за счет нейтрализации положительных и отрицательных ионов при их рекомбинации. За счет турбулентности движения потоков направление движения части массы воздуха и капель воды в туче совпадает в области, где происходит нейтрализация ионов и воздух «неподвижен», а ниже этой области направлен навстречу падающей капле. В результате такого движения капля, попадая в область «неподвижного» воздуха, будет отдавать этой области свои электроны, заряжая ее за счет положительного ускорения относительно окружающего воздуха. Следует учитывать, что капля в начале движения находилась в области с избытком электронов и, отдавая часть своих электронов, осталась отрицательно заряженной. При дальнейшем движении капли в области с положительными ионами, движущимися навстречу, происходит дальнейшая потеря электронов с ее стороны. В результате отрицательные заряды, накапливаемые в верхней и средней частях облака, будут перемещаться к границе раздела между положительно и отрицательно заряженными областями атмосферы. Сама граница раздела, состоящая из нейтрального газа также будет опускаться к земле.

По мере накопления зарядов на земле и в облаке возрастает напряженность электрического поля, а заряды будут сосредотачиваться на обращенных друг к другу поверхностях. Известно, что наибольшая напряженность поля будет на выступающих местах: молниеотводы, деревья, высотные сооружения. Наступает электрический пробой, образуется канал молнии и происходит нейтрализация зарядов накопленных в облаке и положительно заряженной массе воздуха. Пробой наступает не «в землю», а «в положительно заряженную область» воздуха, которая поднимается от земли и находится значительно ближе чем молниеотводы и высотные сооружения. Пробивается промежуток состоящий из «нейтрального» воздуха, который расположен между разноименными зарядами, а для этого не нужна разность потенциалов в миллиарды вольт, которая необходима для пробоя промежутков измеряемых километрами.

Явление пробоя примечательно тем, что плотность отрицательных зарядов изолирующего слоя из «нейтрального» воздуха с одной стороны, значительно превышает плотность положительных с другой, поэтому электроны, попадают при пробое в область с положительными ионами и перезаряжают последние. В результате отталкивания между отрицательными ионами образуется зона пониженного давления. Она обладает высокой электропроводностью и поэтому заполняется свободными электронами. Под действием электрического поля к этой зоне начинают перемещаться положительные ионы воздуха из окружающего пространства. Попадая на границу раздела положительно заряженные ионы частично рекомбинируют, а при дальнейшем перемещении к центру, под действием разницы давлений, перезаряжаются и выталкиваются электрическим полем. В процессе нейтрализации ионов образуется плазма, которая экранирует поле электронов и таким образом уменьшает взаимодействие электронов расположенных в зоне разряжения с окружающими ее положительными зарядами (радиус Дебая). Вокруг ствола молнии образуется достаточное для экранирования «количество» плазмы, препятствуя таким образом его разрушению. Образующаяся таким образом голова ствола молнии, к которой начинают перемещаться положительно заряженные ионы воздуха из окружающего пространства, оказывается слабо экранированной и электроны, стекая к ней, будут стремится к области с большим положительным потенциалом. Перемещение головы ствола молнии будет происходить к ближайшей положительно заряженной области. Последние распределены в пространстве случайно, поэтому перемещение головы выглядит зигзагообразным. В процессе нейтрализации ионы молекул воздуха будут подвергаться действию повышенного давления возникающему за счет встречного перемещения отрицательных и положительных ионов, что в свою очередь будет препятствовать их перемещению, а, следовательно и разрушению канала молнии.

Об устойчивости существования канала молнии говорит тот факт, что у автора этой гипотезы имеются записи регистрации разрядов под Санкт-Петербургом, длительность которых достигала 7 секунд и это были не единичные явления.

Таким образом, канал молнии в разрезе можно представить моделью, представленной на рисунке. Она являет собой своего рода «вакуумный» проводник, частично изолированный от внешнего пространства слоем ионизированного воздуха под высоким давлением, а также плазмой которая экранирует электрическое поле. При разрушении этого проводника происходит взрыв – заполнение разреженного пространства и разрушение оболочки канала молнии, что мы и слышим как гром. В конечном итоге перемещение головы молнии заканчивается там, где окажется сосредоточенным ближайший наибольший положительный заряд, который в состоянии нейтрализовать электроны поступающие по каналу молнии. Таким образом, происходит образование канала молнии и разряд накопленного электрического заряда через этот канал.

Рис. 2. Формирование ствола молнии: 1 – пространство насыщенное положительно заряженными ионами; 2 – область высокого давления; 3 – область, где происходит ионизация молекул воздуха электронами; 4 – область низкого давления занятая электронами.

В результате разряда, заряд земли и облака может значительно уменьшится, однако заряд ионов воздуха практически не меняется. Более того, если учесть, что ток, который протекает по каналу молнии, создает значительные магнитные поля, а сам канал обладает большой протяженностью, следовательно и индуктивностью, то возможно такое перераспределение, при котором заряд участка земли станет отрицательным, а облака положительным. Ионизированный воздух, который раньше отталкивался от земли, теперь будет к ней притягиваться. В результате положительно заряженное облако воздуха под действие электрических сил будет прижиматься к земле. Таким образом, образуется область, в которой достаточно долгое время существуют два противоположных связанных заряда – один из них сосредоточен в ионизированном воздухе, а другой в земле.

В этом случае разряд молнии будет происходить между отрицательно и положительно заряженными областями. При этом поток электронов будет двигаться вниз до тех пор, пока отрицательный заряд земли не станет его отталкивать. Таким образом поток электронов не доходит до земли, в которой произошло бы его растекание, а сосредотачивается в области положительно ионизированного воздуха, нейтральные молекулы которого являются изолятором. В данном случае речь идет об ионизированном воздухе. Та часть ионов воздуха, которая соприкасается с отрицательно заряженной частью облака рекомбинирует и становясь нейтральными. Таким образом, получается, что в пространстве существуют две области разноименных зарядов изолированных друг от друга. Такая изоляция не является стабильной.

Рис. 3. Устройство шаровой молнии: 1 – область низкого давления, занятая электронами; 2 – область, где происходит ионизация молекул воздуха электронами; 3 – область высокого давления (около 100000 атм.), в которой происходит рекомбинация положительно и отрицательно заряженных ионов и образуется экранирующий слой плазмы (радиус Дебая) и изоляции из нейтральных молекул воздуха; 4 – окружающее пространство, насыщенное положительно заряженными ионами.

В области с одноименно заряженными зарядами возникает разряженное пространство за счет отталкивания. В то же время на границе, где происходит нейтрализация положительно и отрицательно заряженных ионов будет присутствовать область повышенного давления, за счет их притяжения. Наличие области повышенного давления, в которой в основном находятся нейтральные молекулы, значительно уменьшает скорость перемещения ионов в этой области, а также увеличивает напряжение пробоя, которое определяется для газов способностью организации каналов. При рекомбинации будет происходить выделение энергии, в результате чего образуется плазма, которая в значительной степени экранирует электрическое поле, что так же ограничивает скорость встречного перемещения разноименных ионов воздуха. Эти процессы, в конечном счете, определяют время устойчивого существования структуры зарядов, которая называется шаровой молнией. В положительно ионизированную область пространства отрицательные заряды могут попадать не только в результате разряда в эту область новой молнии, они могут поступить туда по проводящим предметам попавшими хотя бы частично в эту область.

В литературе неоднократно описывалось, что шаровые молнии возникают из розеток. В случае с Рихманом, помощником Ломоносова, шаровая молния возникла из разорванного проводника от молниеотвода. Склонность появляться из дымоходов по всей вероятности объясняется тем, что сажа которая там содержится, является проводником, а сами трубы исполняют роль молниеотводов, причем, так как их нижний конец находится в области насыщенной положительными ионами, а не соединен в данном случае с отрицательно заряженной землей, как у молниеотводов, то, несмотря на свою высоту, они явно имеют преимущество перед последними по притягиванию шаровых молний, особенно если учитывать что разрушение отрицательного заряда в земле, за счет падающих положительно зараженных капель, под строениями происходит намного медленнее, например, если стены выполнены из изолирующих материалов (деревянные, сухой кирпич, и т.д.).

На основании вышеизложенного объясним реальное событие. В «Комсомольской правде» промелькнуло сообщение о том, что произошло поражение молнией девушки стоящей недалеко от дерева, в которое угодила молния. При этом пострадала одна туфля и кофточка, все остальное оказалось целым. В данном случае, после удара молнии в дерево, произошел перезаряд земли относительно окружающего воздуха.

Последующий разряд, но теперь уже из земли в положительно заряженный воздух, произошел через девушку. Через ту туфлю, которая лучше проводила электричество. А кофточка, которая обладала изолирующими свойствами и препятствовала перемещению электронов к положительно заряженным ионам воздуха, пострадала, так как не могла выдержать возникшего напряжения. Кроме этого, наибольшая плотность положительных ионов, вероятно, находилась на высоте этой кофточки.

Случаи обратного удара молнии из выступающих над земной поверхностью проводников в окружающую атмосферу с образованием шаровых молний внешне не отличаются от прямых ударов. Этот факт следует учитывать при проектировании и оценке эффективности действия различных устройств грозовой защиты.