WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 ||

пленки В большинстве случаев, однако, прохождение шароp = /r. (1) вой молнии не оставляет никаких запахов или других посторонних вещественных следов. Этот факт требует, Давление и коэффициент поверхностного натяжена наш взгляд, допущения, что, наряду с другими типами ния в уравнении (1) зависят от температуры. При шаровых молний, включающих в себя посторонние по T = 300C [15, с. 293] = 15 erg/cm, p = 90 kg/cm2 = отношению к атмосферному воздуху вещества, должны = 108 din/cm2. Следовательно, r 10-7 cm. При существовать и чисто атмосферные шаровые молнии, T = 200C r 10-5 cm. Такие водные пузырьки оказысостоящие из нагретого воздуха и воды в виде горя- ваются температурно-устойчивыми: при понижении темчего пара, паровых пузырьков и заряженных водяных пературы растет поверхностное натяжение, следовакапель. Такие пузырьки и капли могут образовываться тельно, увеличивается давление водной пленки и за счет при прохождении электрического разряда через область, работы сжатия восстанавливается первоначальное равсодержащую достаточно влаги. В ряде работ отмечается, новесие. И, наоборот, при спонтанном повышении темчто неравновесные тепловые процессы могут приводить пературы происходит уменьшение поверхностного натяк гораздо большей степени упорядоченности, чем это жения, вследствие чего происходит расширение водяносчиталось ранее [13]. Например, при прохождении силь- го пара, понижение температуры и восстановление равных токов через тонкие проволоки в результате взрыва новесного состояния. Поэтому процесс потери тепла таобразуются примерно равные по величине фрагменты с кими пузырьками вследствие конденсации содержащихгладкими краями. Аналогичные явления наблюдаются и ся в них паров является устойчивым и квазиравновеспри прохождении токов через жидкости [14]. ным. В итоге происходит уменьшение размеров пузырьков, повышение давления и температуры водяного пара.

Размеры дождевых капель колеблются от 1 µm до нескольких mm, размеры капель тумана — от 0.1 Так продолжается до тех пор, пока весь водяной до 1 µm [15, с. 220]. Скорость седиментации таких капель пар внутри пузырька не сконденсируется полностью.

меньше 1 cm/h. Допустим, что в результате разряда ли- После чего существенным оказываются процессы коагунейной молнии (или любого другого электрического раз- ляции образовавшихся и нагретых почти до критиряда) может образоваться паровоздушная смесь при тем- ческой температуры водных капель и их остывание.

пературе, близкой к критической Tc = 374.15C, содер- Если коагуляция оказывается достаточно быстрой, то жащая большое число нагретых до такой температуры вода, содержащаяся в каплях, оказывается в перегретом водяных капель (или пузырьков), размеры которых мень- состоянии, а сами капли — взрывоопасными. Сущеше размеров капелек тумана. Обычно водность облаков ствование такой шаровой молнии может закончиться не превышает 10 g/m3, но мы допустим, что масса всех взрывом сравнительно небольшой мощности. Однако водных капель в шаровой молнии приблизительно равна такой взрыв приводит к рассеиванию в окружающее Журнал технической физики, 2003, том 73, вып. Конденсация водяных паров и взрыв перегретых водных капель... пространство многочисленных фрагментов первоначаль- окрашенным соответствующим образом. Вероятность ной шаровой молнии, среди которых могут быть заря- того, что спектр излучения окажется достаточно узким женные микрокапли и ионы, что в свою очередь мо- и сосредоточенным именно в области зеленого цвета, жет послужить триггерным механизмом, инициирующим мала для неравновесного и равновесного излучения шавторичный взрыв гораздо больше мощности, например, ровой молнии. Этим обстоятельством можно объяснить в результате быстрой конденсации пересыщенных во- сравнительную редкость наблюдения шаровых молний дяных паров в окружающем пространстве, короткого зеленого цвета.

замыкания и т. п. Если же плотность образовавших- Радиоизлучение шаровой молнии можно объяснить ся горячих водных капель оказывается недостаточной тепловым движением заряженных капель. После кондендля быстрой коагуляции или коагуляция сдерживается сации пара внутри микропузырьков и тепловой релакзначительными электрическими зарядами одного знака, сации на каждую степень свободы микрокапли, в том сосредоточенными на каплях, тогда капли постепенно числе и на вращательную, будет приходиться приблиостывают, испаряются или рассеиваются в окружающее зительно kT энергии. Такие капли будут вращаться с пространство. И существование такой шаровой молнии угловой скоростью, удовлетворяющей условию заканчивается тихим угасанием, иногда с предварительным распадом на части различной величины. Mr22 kT. (2) Разумеется, образование пароводяных пузырьков не является обязательной стадией в процессе существова- При массе капли M r3 10-21 g и T 600 K это ния шаровой молнии. В результате мощного электри- приведет к излучению с частотой 1010 s-1, что ческого разряда могут сразу же образоваться перегретые соответствует сантиметровому диапазону. Капли размеили просто горячие капли любого размера, взвешенные ром r 10-5 cm будут излучать с частотой 106 s-1, в горячем и влажном воздухе. т. е. в средне- и длинноволновом радиодиапазонах. Каким Для того чтобы объяснить электрические свойства образом, однако, возникает запаздывание начала излушаровой молнии и испускаемое ею электромагнитное чения шаровой молнии в радиодиапазоне В начальный излучение, необходимо допустить, что по крайней ме- момент шаровая молния содержит в основном только ре часть водных капель несет на себе определенный пароводяные пузырьки, которые не излучают в радиодиэлектрический заряд. Излучать могут ионы, имеющие апазоне, после конденсации содержащегося в микропузаряд того же знака, что и заряд капли. Оторвавшись зырьках пара образовавшиеся заряженные микрокапли от капли, такой ион в результате электрического вза- опять излучают в основном в оптическом, а не в имодействия с ней приобретет кинетическую энергию радиодиапазоне. И только образовавшиеся в результате E = Ze2r-1, которая при r 10-7 cm и Z = 1 соот- коагуляции заряженные капли более крупных размеров, ветствует температуре T 104 K. При последующих наконец, начинают излучать в радиодиапазоне. Процесс столкновениях такие ионы будут приводить к нерав- образования из микропузырьков с паром сравнительно новесному излучению в видимой части спектра. Капли крупных заряженных капель требует времени. Этот факт больших размеров и с большим зарядом, для которых по крайней мере качественно объясняет отмечаемый величина Ze2r-1 имеет тот же порядок также будут наблюдателями факт задержки радиоизлучения на время приводить к излучению в видимой части спектра. Капли, порядка 5 ms.

для которых величина Ze2r-1 достаточно велика, будут Рассмотрим теперь вопрос об устойчивости шароизлучать в ультрафиолетовой части спектра, если эта вой молнии. Для сферических дисперсных частиц, обвеличина мала — в инфракрасной его части. Ионы и ладающих небольшим электрическим зарядом, и при электроны, заряды которых противоположны по знаку условии, что их радиус больше толщины диффузного заряду капли, приближаясь к ней, также будут набирать слоя, т. е. r 10-7 cm, зависимость полной энергии необходимую для излучения в видимой или невидимой от расстояния h, согласно [15, с. 281], характеризуется части спектра энергию.

одним максимумом и двумя минимумами (см. рисуМожно качественно объяснить тот факт, что шаровые нок). Первый минимум соответствует слипанию частиц молнии зеленого цвета не наблюдаются или наблюдаются крайне редко. Дело в том, что зеленый цвет соответствует середине видимого спектра. Достаточно учесть (или допустить), что эффективный диапазон излучения шаровой молнии достаточно широк без резкого максимума в центральной его части, и мы придем к выводу, что излучение шаровой молнии, середина диапазона излучения которой соответствует зеленому цвету, будет восприниматься наблюдателем как излучение белого цвета. Если же центр спектра излучения сдвинут достаточно далеко к фиолетовому или красному краю видимого спектра, то излучение шаровой молнии будет Журнал технической физики, 2003, том 73, вып. 136 А.С. Тарновский (капель), второй — их молекулярному притяжению. будет приводить к характерным оптическим явлениям.

На средних расстояниях между частицами преобладает Рассеянный, отраженный и преломленный капельками электростатическое отталкивание, препятствующее их свет, добавляясь к ослабевающему собственному свесближению. Высота максимума U(h) играет роль по- чению оставшихся заряженных капель, может воспритенциального барьера и определяет вероятность коагу- ниматься наблюдателем как часть собственного свеляции капель. Взаимное притяжение капель на далеких чения шаровой молнии. При этом видимое свечение расстояниях приводит к существованию поверхностных шаровой молнии будет, возможно, все еще достаточно сил на границе шаровой молнии и, следовательно, к ярким, неоднородным по объему шаровой молнии в реее устойчивости. Поверхностное натяжение на границе зультате относительных перемещений крупных капель, шаровой молнии, очевидно, существенно меньше по- продолжающейся их коагуляции. Такое свечение будет верхностного натяжения на границе водной капли и изменяющимся со временем, как бы переливающимся.

воздуха минимум на два порядка. Однако и небольшое Продолжающиеся на протяжении всего существования поверхностное натяжение, порядка 10-7 J/cm2, соглас- такой „водяной“ молнии механические процессы — но [7, с. 119], обеспечит устойчивость шаровой мол- коагуляция мелких слабозаряженных капель и распад нии при условии, что отклонения плотности ее ве- более крупных электрически заряженных капель могут щества от плотности окружающего воздуха не превы- объяснить отмечаемые наблюдателями звуковые эффекшают 1%. ты: шипение, потрескивание, свист, издаваемый шаровой Для устойчивости отдельной заряженной капли необ- молнией.

ходимо, чтобы ее электростатическая энергия отталки- Мы рассматривали случай, когда размеры капелек вания была меньше поверхностной энергии притяже- предельно малы. Но в шаровой молнии одновременно ния, т. е. могут существовать капельки различного размера. Маленькие и заряженные обеспечивают достаточно долгое Z2e2r-1 < 4r2. (3) время существования, устойчивость и свечение шаровой Если капля возникла в результате слияния нескольмолнии. Более крупные, размером 10-4 cm и более, ких капель с одинаковыми объемами и зарядами, то которые с какого-го момента времени начинают быстро ее заряд будет пропорционален объему, т. е. Z r3.

коагулировать, определяют конечную судьбу шаровой И следовательно, электростатическая энергия капли в молнии. Если к моменту коагуляции до достаточно процессе коагуляции растет как r5, в то время как крупных размеров капли успевают охладиться, то суее молекулярная поверхностная энергия пропорциональществование шаровой молнии заканчивается спокойным на r2. Поэтому коагуляция заряженных частиц с ростом угасанием или распадом. Если же хотя бы часть капель их размеров приводит к нарушению условия (3) и в результате быстрой коагуляции успевает достичь крупк потере устойчивости. Но, с другой стороны, более ных размеров r 10-4 cm до того, как они охладятся высокий заряд капли гарантирует ее от дальнейшей ниже температуры кипения, то вода в таких каплях коагуляции. Возникает некое относительно устойчивое оказывается в перегретом состоянии, а сами капли — состояние, характеризующееся определенными среднивзрывоопасными. Как известно [15, с. 189], для достами размерами капель и их зарядами. Гораздо опаснее точно чистой жидкости и на сравнительно небольшие для существования шаровой молнии оказывается потепромежутки времени степень перегретости может быть ря заряженными водными каплями их электрических довольно высокой.

зарядов. В результате такой потери исчезает потенциРазумеется, водные капли, нагретые до 200C, будут альный барьер и медленная коагуляция, согласно [15], весьма неустойчивыми. Спонтанное вскипание одной сменяется быстрой, характерное время которой опреиз таких капель приведет ее к разрыву на множество деляется выражением = /2kT0, где — вязкость мелких фрагментов, которые, попадая в соседние песреды, 0 — число частиц в единице объема. Вязкость регретые капли, вызовут своеобразную цепную реаквоздуха при T = 600 K составляет = 3 · 10-4 g/cm · s.

цию вскипаний и взрывов перегретых водных капель.

Число частиц размером 10-7 cm, если их масса в одИменно такой процесс представляет, на наш взгляд ном cm3 составляет 10-3 g, плотность близка к единице, взрыв одного из возможных типов шаровой молнии, а найдем 1016 cm-3. И время половинной коагуля= именно такой шаровой молнии, прохождение и взрыв ции = 10-8 s. Спустя время в единице объема которой не оставляет в окружающем пространстве никаостанется ких видимых следов, кроме некоторого дополнительного = количества влаги. Эта дополнительная влага сама по 1 + / себе не может привлечь внимание наблюдателей. Возкапель. К моменту = 10 s число капель уменьшится дух состоит из различных компонентов: азот, кислород, в 109 раз, их размеры достигнут 10-4 cm. аргон и т. п. Но все эти компоненты строго фиксированы Такие частицы являются оптически активными: они в количественном отношении, и локальное изменение отражают и преломляют падающий на них свет. Нали- относительной доли любого из них, будучи замеченным, чие известного числа таких капель в объеме шаровой вызовет у специалистов повышенное внимание. Лишь молнии при наличии посторонних источников света количество влаги в воздухе может меняться в широких Журнал технической физики, 2003, том 73, вып. Конденсация водяных паров и взрыв перегретых водных капель... пределах произвольным образом, не привлекая внимания исследователей. Именно в этом факте заключается достоинство и необходимость гипотезы существования чисто „водяной“ шаровой молнии.

Список литературы [1] Изв. вузов. Физика. 1992. № 3 (выпуск полностью посвящен проблеме шаровой молнии).

[2] Vatai E. // Nuono Cimento A. 1989. Vol. 101. N 6. P. 905– 927.

[3] Korshunov V.K. // Int. J. Mod. Phys. A. 1990. Vol. 5. N 21.

P. 1629–1631.

[4] Смирнов Б.М. Проблема шаровой молнии. М.: Наука, 1988. 208 с.

[5] Смирнов Б.М. // УФН. 1990. Т. 160. Вып. 4. С. 1–45.

[6] Корум К.Л., Корум Дж.Ф. // УФН. 1990. Т. 160. Вып. 4.

С. 47–58.

[7] Стаханов И.П. О физической природе шаровой молнии.

М.: Энергоатомиздат, 1985. 208 с.

[8] Сингер С. Природа шаровой молнии. М.: Мир, 1973. 240 с.

[9] Тарновский А.С. // ЖТФ. 1990. Т. 60. Вып. 3. С. 200–203.

[10] Дмитриев М.Т. // Авиация и космонавтика. 1979. № 3.

С. 44–46.

[11] Тарновский А.С. // Авиация и космонавтика. 1992. № 7.

С. 38–39.

[12] Smirnov B.M. // Rev. Phys. Rep. Review Section of Phys. Lett.

1993. Vol. 224. N 4. P. 151–236.

[13] Майоров С.А., Ткачев А.И., Яковенко С.И. // Изв. вузов.

Физика. 1991. № 11. С. 3–34.

[14] Apsden H. // Phys. Lett. 1985. Vol. A111. N 1–2. P. 22–24.

Pages:     | 1 ||



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.