теоретические основы шаровой молнии

ИНДИВИДУАЛЬНЫЙ ПРОЕКТ
на тему: «Шаровая молния, польза и вред»
Индивидуальный проект состоит из
пояснительной записки на 15 листах,
и приложений на 2 листах.
2016
Содержание
Введение ............................................................................................................ 3
Раздел 1 Теоретические основы шаровой молнии ........................................ 4
1.1 Электричество – сила природы. ................................................................ 4
1.2 Статическое электричество........................................................................ 5
1.3 Разряд конденсатора, проводимость электричества. .............................. 6
Раздел 2 Природа шаровой молнии ................................................................ 9
2.2 Тайна шаровой молнии. ............................................................................. 9
2.2 Меры безопасности при встрече с шаровой молнией. .......................... 11
Заключение ...................................................................................................... 13
Список используемой литературы ................................................................ 15
Приложения ..................................................................................................... 16
Приложение 1. ................................................................................................. 16
Приложение 2. ................................................................................................. 17
2
Введение
Шаровая молния – это одиночная, ярко светящаяся, относительно
стабильная небольшая масса, которая наблюдается в атмосфере, плавающая в
воздухе и перемещающаяся вместе с потоками воздуха.
Актуальность данной темы неоспорима, так как 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.
Гипотеза данного исследования: шаровая молния непрерывно получает
энергию извне и после своего возникновения становится самостоятельно
существующим объектом.
Цель работы: изучить
природу шаровой молнии и ее влияния на
человека.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие
задачи:
- узнать, что представляет собой шаровая молния;
- выяснить, какие меры безопасности следует соблюдать при встрече с
шаровой молнией.
Методы исследования:
- анализ научной литературы;
- работа с Интернет-ресурсами;
- сопоставление и анализ данных.
На защиту выносятся следующие положения:
- теоретические основы шаровой молнии;
- влияние шаровой молнии на человека.
Научная новизна исследования состоит в полном и разностороннем
исследовании природы шаровой молнии.
Практическая значимость данной
работы
состоит
в
том,
проект позволяет доказать актуальность и глубину изучаемой проблемы.
3
что
Раздел 1 Теоретические основы шаровой молнии
1.1 Электричество – сила природы.
Электричество
–
совокупность
явлений,
обусловленных
существованием, взаимодействием и движением электрических зарядов.
Мало кому известно, что термин «электричество» появился без малого
500
лет
назад.
Английский
физик
Уильям
Гильберт
исследовал
электрические явления и заметил, что многие предметы, подобно янтарю,
после натирания притягивают к себе более мелкие частицы. Поэтому, в честь
ископаемой смолы, он назвал это явление электричеством (от лат. Electricus –
янтарный). К слову сказать, задолго до Гильберта такие же свойства янтаря
заметил древнегреческий философ Фалес и описал их. Но право называться
первооткрывателем все же досталось Уильяму Гильберту, потому что в науке
есть традиция – кто первый начал изучать, тот и является автором.
Однако дальше описаний и примитивных исследований дело не пошло.
Только в XVII-XVIII веках вопрос об электричестве получил существенное
освещение в научной литературе. Среди тех, кто после У. Гильберта
занимался изучением этого явления, можно назвать Бенджамина Франклина,
который
известен
не
только
своей
политической
карьерой,
но
и
исследованиями атмосферного электричества. Именем французского физика
Шарля Кулона названа единица измерения электрического заряда и закон
взаимодействия электрических зарядов. Не меньший вклад внесли и Луиджи
Гальвани, Алессандро Вольт, Майкл Фарадей и Андре Ампер. Все эти
фамилии известны еще со школы. В области электричества проводил свои
исследования и наш соотечественник – Василий Петров, который в начале
XIX века открыл вольтову дугу.
Можно сказать, что, начиная с этого времени, электричество перестает
быть происками природных сил и постепенно начинает входить в жизнь
людей, хотя и по сей день остаются тайны в этом явлении.
4
Естественно, когда разговор заходит о природном электричестве, то
сразу же вспоминаются молнии. Впервые их изучением занялся упомянутый
выше американский политик. К слову сказать, в науке бытует версия, что
молнии оказали существенное влияние на развитие жизни на Земле, так как
биологами установлен факт: для синтеза аминокислот нужно электричество.
Все факты указывают на то, что шаровая молния, так же как и
линейная, представляет электрический ток.
Возникновение радиопомех является прямым подтверждением того,
что шаровая молния представляет электрический ток, т.к. химические
реакции не могут создавать радиопомехи. От шаровых молний не бывает
дыма, даже при взрыве – только искры без дыма, т.е. это чисто электрическое
явление. Шаровую молнию иногда называют электромагнитной бомбой.
1.2 Статическое электричество.
Наблюдая за работой своей дочери, древнегреческий философ Фалес из
Милета заинтересовался необычным феноменом. Девочка пыталась очистить
янтарное веретено от ниточек, но те снова липли, как будто их что-то тянуло
к камню. Тогда, во времена Фалеса, это явление так и осталось загадкой.
Теперь мы знаем о существовании заряженных частиц, которые переходят с
одного предмета на другой. Наименьшим отрицательным зарядом обладает
электрон, а точно таким же по величине, но положительным – протон. Когда
янтарь натирают шерстяной тканью, происходит обмен электронами, и два
первоначально нейтральных предмета оказываются заряженными. Законы
нашего мира таковы, что разноименные заряды притягиваются, поэтому
мелкие ниточки и липнут к янтарю.
Накопление
неподвижных
зарядов
приводит
к
возникновению
статического электричества. Все мы с ним хорошо знакомы и сами
накапливаем заряд, когда ходим по паркету, причесываемся, надеваем
синтетическую одежду.
Эти проявления, можно сказать, превращают нас в небольшие
заряженные конденсаторы, готовые к разряду. Конечно, искры от человека не
5
такие мощные, как молния. Мы ощущаем лишь легкие уколы, когда касаемся
друг друга или снимаем куртку. Мощности такого заряда не хватит для того,
чтобы предметы светились, но ее достаточно, чтобы испортить микросхему.
Так, в сухом помещении, застеленном линолеумом или ковролином, между
телом человека и окружающими предметами разность потенциалов может
достигать 20 тысяч вольт. А это уже небезопасно для электронной техники,
которой мы пользуемся. Вот почему нужно «сбрасывать» статическое
электричество, заземляясь перед тем, как взять в руки МП3-плеер или
сотовый телефон.
1.3 Разряд конденсатора, проводимость электричества.
Грозовые разряды – молнии вызываются электрическими зарядами,
которые в больших количествах накапливаются в облаках. Механизм
накопления и разделения положительных и отрицательных зарядов в
основном объясняется наличием в грозовых облаках восходящих потоков
воздуха.
Одно из распространенных предположений образования электрических
зарядов в облаках исходит из того, что этот физический процесс происходит
в постоянном электрическом поле
земли, которое обнаружил еще
М.В. Ломоносов при проводимых им опытах.
Наша планета всегда имеет отрицательный заряд. Напряженность
электрического поля вблизи поверхности земли составляет в среднем 100
В/м. Она обусловлена зарядами земли и мало зависит от времени года и
суток и почти одинакова для любой точки земной поверхности. Воздух,
окружающий Землю, имеет свободные заряды, которые движутся по
направлению электрического поля Земли. Каждый кубический сантиметр
воздуха вблизи земной поверхности содержит около 600 пар положительно и
отрицательно заряженных частиц. С удалением от земной поверхности
плотность заряженных частиц в воздухе растет. У земли проводимость
воздуха мала, но на расстоянии 80 км от земной поверхности она
увеличивается в 3 млрд. раз и достигает проводимости пресной воды.
6
Таким образом, Землю с окружающей атмосферой по электрическим
свойствам можно представить как шаровой конденсатор колоссальных
размеров, обкладками которого являются Земля и проводящий слой воздуха,
находящийся на расстоянии 80 км от поверхности Земли. Изолирующей
прослойкой
между
этими
обкладками
служит
мало-проводящий
электричество слой воздуха толщиной 80 км. Между обкладками такого
конденсатора напряжение составляет около 200 кВ, а ток, проходящий под
воздействием этого напряжения, равняется 1,4 кА. Мощность конденсатора
составляет около 300 МВт. В электрическом поле этого конденсатора в
интервале от 1 до 8 км от поверхности Земли образуются грозовые облака и
совершаются грозовые явления.
По характеру происхождения грозы разделяются на тепловые и
фронтальные.
В
результате
нагрева
солнцем
земной
поверхности
разогреваются нижние слои воздуха1. Теплые массы воздуха расширяются и
стремятся подняться вверх. На высоте 2 км и более они попадают в область
отрицательных температур. Влага, уносимая этими потоками воздуха,
конденсируется и образует грозовые облака, которые состоят из мельчайших
водяных электрически заряженных капель. Такие облака образуются в
жаркое летнее время, преимущественно во второй половине дня, и занимают
сравнительно небольшие пространства.
Фронтальные грозы образуются в тех случаях, когда два потока
воздуха с разной температурой движутся навстречу друг другу и
соприкасаются своими фронтовыми частями2. При этом поток воздуха,
имеющий более низкую температуру, стремится опуститься вниз и занимает
пространство в непосредственной близости от поверхности земли, а теплые
массы воздуха устремляются вверх и образуют завихрения. Достигнув
высоты с более низкими температурами, унесенная с поверхности земли
влага конденсируется и образует грозовые облака.
1
2
Рисунок «Развитие тепловой грозы» представлен в приложениях.
Рисунок «Развитие грозы холодного фронта» представлен в приложениях.
7
Фронтальные
грозы
охватывают
широкие
площади
земной
поверхности и движутся со скоростью от 5-6 до 100-150 км/ч и более. Такие
грозы могут возникать в любое время суток. Сконденсировавшаяся влага на
высотах с более низкими температурами образует капли разных размеров.
Находясь в электрическом поле «конденсатора», капли поляризуются:
нижние части их имеют положительный заряд, а верхние – отрицательный.
Мелкие капли восходящими потоками воздуха уносятся вверх, а крупные,
более тяжелые капли падают вниз. При движении вверх поляризованные
капли верхней отрицательно заряженной частью встречают на своем пути
отрицательные и положительные свободные заряды; первые из них
отталкиваются, как имеющие одноименный заряд, а вторые – притягиваются,
и капли постепенно становятся положительно заряженными. Те капли,
которые движутся вниз, наоборот, притягивают отрицательные заряды и
становятся отрицательно заряженными.
Таким образом, происходит разделение зарядов в облаке: в верхних
слоях его скапливаются положительные заряды, а в нижних – отрицательные.
Так как облако является изолятором, то заряды на некоторое время остаются
на своих местах и не нейтрализуются. Электрическое поле облака как более
сильное при наложении на поле «ясной погоды» изменяет направление
последнего в районе своего расположения3.
Заряды в облаке распределяются неравномерно: в некоторых точках их
плотность
достигает
большого
значения,
в
других,
наоборот,
она
незначительна. Там, где создалось скопление зарядов и образовалось
электрическое поле с напряженностью, равной критическому значению (2530 кВ/см в зависимости от высоты облака), создаются условия для развития
молнии. Разряд молнии в основных чертах подобен длинной искре,
возникающей в воздухе между проводящими электродами.
3 Схема разделения зарядов в облаках представлена в приложениях.
8
Раздел 2 Природа шаровой молнии
2.2 Тайна шаровой молнии.
Шаровая
молния
считается
особым
видом
молнии,
который
представляет собой плывущий по воздуху светящийся огненный шар (иногда
имеет вид гриба, капли или груши). Размер ее обычно колеблется от 10 до 20
см, а сама она бывает голубого, оранжевого или белого тонов (хотя нередко
можно увидеть и другие цвета, вплоть до черного), цвет при этом бывает
неоднородным и нередко изменяется. Люди, которые видели, как выглядит
шаровая молния, говорят о том, что внутри она состоит из небольших
неподвижных деталей.
Что касается температуры плазменного шара, то она до сих пор не
определена: хотя по подсчетам ученых она должна составлять от 100 до 1000
градусов Цельсия, очутившиеся поблизости огненного шара люди жара от
него не почувствовали. Если он неожиданно, вся находящаяся неподалеку
жидкость испаряется, а стекло и металл плавятся.
Был зафиксирован случай, когда плазменный шар, оказавшись в доме,
попал в бочонок, где находилось шестнадцать литров только что
принесенной колодезной воды. При этом он не взорвался, а вскипятив воду,
исчез. После того как вода закончила кипеть, она была горячей в течение
двадцати минут.
Существовать огненный шар способен довольно длительное время, а
при перемещении – неожиданно поменять направление, при этом он даже
может на несколько минут повиснуть в воздухе, после чего резко, на
скорости от 8 до 10 м/с уйти в сторону.
Возникает шаровая молния в основном во время грозы, но также были
зафиксированы неоднократные случаи ее появления и в солнечную погоду.
Появляется она обычно в единственном экземпляре, и нередко самым
неожиданным образом: она может спуститься с туч, появиться в воздухе или
выплыть из-за столба или дереве.
9
Ученые долгое время не допускали даже существования такого
явления, как шаровая молния: сведения о ее появлении относили в основном
или к оптическому обману, или к галлюцинациям, что поражают сетчатку
глаза после вспышки обыкновенной молнии. Тем более что свидетельства о
том, как выглядит шаровая молния, во многом не совпадали, а во время ее
воспроизведения в лабораторных условиях удавалось получить лишь
кратковременные явления.
Несмотря на огромное количество теорий, физики до сих пор не могут
дать научно обоснованного объяснения этого явления. Но, существует две
противоположные версии, получившие популярность в научных кругах.
Версия №1. Доминик Араго попытался объяснить, в чем состоит
загадка шаровой молнии. По его версии шаровая молния
– это
специфическое взаимодействие азота с кислорода, во время которого
выделяется энергия, создающая молнию.
Другой физик Френкель дополнил эту версию теорией о том, что
плазмовый шар является вихрем шарообразной формы, состоящий из
пылевых частиц с активными газами, что стали таковыми из-за полученного
электрического разряда. По этой причине вихрь-шар вполне может
существовать довольно продолжительное время. В пользу его версии говорит
тот факт, что плазмовый шар обычно возникает в запыленном воздухе после
электрического разряда, а после себя оставляет небольшой дымок со
специфическим запахом.
Таким образом, эта версия говорит о том, что вся энергия плазменного
шара находится внутри него, из-за чего шаровую молнию можно считать
накопителем энергии.
Версия №2. Академик Петр Капица с этим мнением был не согласен,
поскольку утверждал, что для беспрерывного свечения молнии нужна
дополнительная энергия, которая подпитывала бы шар извне.
Он выдвинул версию, что явление шаровой молнии подпитывают
радиоволны длиной от 35 до 70 см, возникающие в результате
10
электромагнитных колебаний, возникающих между грозовыми тучами и
земной корой. Взрыв шаровой молнии он объяснял неожиданной остановкой
подачи энергии, например, изменение частоты электромагнитных колебаний,
в результате чего разреженный воздух «схлопывается».
Хотя его версия многим пришлась по душе, природа шаровой молнии
версии не соответствует. На данный момент современная аппаратура ни разу
не зафиксировала радиоволны нужной волны, которые появлялись бы в
результате атмосферных разрядов. Кроме того, вода является почти
непреодолимым препятствием для радиоволн, а потому нагреть воду, как в
случае с бочонком, а тем более вскипятить ее, плазменный шар не смог бы.
Также ставит версию под сомнение масштаб взрыва плазменного шара:
он не только способен расплавить или разнести в куски прочные и крепкие
предметы, но и переломать толстые бревна, а его ударная волна –
перевернуть трактор. В то же время обыкновенное «схлопывание»
разреженного воздуха проделать все эти трюки не способно, а его эффект
подобен лопнувшему воздушному шару.
2.2 Меры безопасности при встрече с шаровой молнией.
Что бы ни было причиной возникновения удивительного плазменного
шара, нужно учитывать, что столкновение с ней чрезвычайно опасно,
поскольку если переполненный электричеством шар дотронется до живого
существа, вполне может убить, а если взорвется – разнести все вокруг.
Во время грозы люди чаще пугаются грома, хотя истинная опасность
заключается в разрядах молнии, которые, напротив, привлекают всех
любознательных и смелых. Впрочем, если от обычной молнии можно
спрятаться дома, то вот такое явление, как шаровая молния, может с
легкостью проникнуть в помещение.
Если вы встретились с огненным шаром на открытой местности, вы
должны придерживаться основных правил поведения в этой экстремальной
ситуации. Постарайтесь медленно удалиться от опасного места на
значительное расстояние. Не поворачивайтесь к молнии спиной и не
11
пытайтесь от нее убежать. Если она близко и движется к вам, замрите,
вытяните вперед руки и затаите дыхание. Через несколько секунд или минут
шар обойдет вас и исчезнет. Ни в коем случае не бросайте в него никакие
предметы, так как при столкновении с чем-либо молния взрывается.
Если шаровая молния появилась в доме. Этот сюжет наиболее страшен,
так как неподготовленный человек может запаниковать и совершить
фатальную ошибку. Помните, что электрическая сфера реагирует на любое
движение воздуха. Поэтому самый универсальный совет заключается в
рекомендации сохранять неподвижность и спокойствие. Если шаровая
молния оказалась около вашего лица, подуйте на шар, и он отлетит в
сторону. Не прикасайтесь к железным предметам. Замрите, не совершайте
резких движений и не пытайтесь спастись бегством. Если рядом находится
вход в соседнее помещение, то попробуйте укрыться в нем. Но не
поворачивайтесь к молнии спиной и постарайтесь двигаться как можно
медленнее. Не пытайтесь отогнать ее каким-либо предметом, иначе вы
рискуете спровоцировать сильный взрыв. В этом случае вам грозят такие
серьезные последствия как остановка сердца ожоги, травмы и потеря
сознания.
Если шаровая молния застала вас в лесу, не прячьтесь под одинокими
деревьями. Постарайтесь найти невысокую рощу или подлесок. Помните, что
молния редко бьет в хвойные деревья и березу. Не держите над головой
металлические предметы (вилы, лопаты, ружья, удочки и зонты). Не
прячьтесь в стог сена и не ложитесь на землю – лучше опуститесь на
корточки. Если гроза застала вас в машине, остановитесь и не трогайте
металлические предметы. Не забудьте опустить антенну и отъехать от
высоких деревьев. Остановитесь у обочины и не заезжайте на заправочную
станцию. Помните, что довольно часто гроза идет против ветра. Точно так же
движется и шаровая молния.
12
Заключение
Исследовательская работа помогла понять природу шаровой молнии и
выяснить, какие меры безопасности необходимо соблюдать при встрече с
ней. В ходе работы поставленная цель достигнута, задачи решены.
В ходе изучения научной литературы и Интернет-источников по теме
исследования, удалось выяснить, что существуют две версии, касающиеся
физической природы шаровой молнии. Согласно первой версии шаровая
молния непрерывно получает энергию извне. Другая версия предполагает,
что шаровая молния после своего возникновения становится самостоятельно
существующим объектом.
Гипотеза, которая была выдвинута, подтвердилась.
По результатам исследования, можно сделать следующие выводы:
- форма шаровой молнии близка к шару; она может вытягиваться, принимая
форму эллипсоида или груши, ее поверхность может колыхаться, может
иметь форму тора;
- размер (диаметр) шаровых молний колеблется от 10 до 20 см;
- шаровая молния может быть голубого, оранжевого или белого, цвет при
этом бывает неоднородным и нередко изменяется;
- имеются всего три типичные структуры:
1. твердое тело с тусклой или блестящей поверхностью или как твердое
ядро с полупрозрачной оболочкой,
2. вращающееся тело с кажущимся внутренним движением и
напряжениями,
3. сгусток пламени;
- при появлении молнии слышен шипящий, жужжащий звук;
- запах при ее появлении резкий и неприятный, напоминающий запах озона,
горящей серы или окислов азота;
- обычно шаровая молния движется горизонтально, параллельно линии
земли, обходит, огибает проводящие ток объекты и, в частности, людей;
13
- шаровая молния «живет» чаще всего 1-2 с;
- шаровая молния может обжечь, нанести травму, различной степени
тяжести, сделать воронку в мягком грунте. Шаровая молния имеет твердое
ядро, и высокотемпературный плазменный слой, а также интенсивное
истечение заряда, которое тоже может обжигать;
- наблюдалось два типа распадов шаровой молнии. Один из них – тихий
распад, сопровождающийся уменьшением яркости и диаметра молнии.
Второй, называемый взрывом, связан с громким и сильным звуком.
Несмотря на то, что явление шаровой молнии вызывает большой
интерес на протяжении длительного времени, серьезное его рассмотрение
стало возможным лишь сравнительно недавно, после кропотливого анализа
результатов большого количества наблюдений.
Фактически лишь теперь возникает наука о шаровой молнии – явлении,
остававшемся загадкой во время бурного развития других областей науки.
Изучение природы этого загадочного явления позволит использовать
полученные знания в различных областях человеческой деятельности.
14
Список используемой литературы
Основные источники:
1. Фирсов, А.В. Физика для профессий и специальностей технического
и естественно-научного профилей: учебник для образоват. учреждений нач. и
сред. проф. образования / А.В. Фирсов; под ред. Т.И. Трофимовой. – 6-е изд.,
стер. – М.: Издательский центр «Академия», 2014. – 352 с.
2. Гальчук, А.П. Удивительные природные явления / А.П. Гальчук. –
М.: Эксмо, 2012. – 368 с.
3. Ишков, М.Н. Никола Тесла / М.Н. Ишков. – М.: АСТ, 2014. – 320 с.
4. Файг, О. Никола Тесла. Великие изобретения и открытия / О. Файг. –
М.: Эксмо, 2014. – 256 с.
5. Фейгин, О. Никола Тесла: Наследие великого изобретателя.
О.
Фейгин. – М.: Альпина нон-фикшн, 2012. – 320 с.
Дополнительные источники:
6. Гулиа, Н.В. Удивительная физика: О чем умолчали учебники / Н.В.
Гулиа. – М.: ЭНАС, 2005. – 411 с.
7. Торчигин, В.П. Шаровая молния. От невероятного к очевидному /
В.П. Торчигин, А.В. Торчигин. – М.: Либроком, 2009. – 146 с.
Интернет-ресурсы:
8.
http://ru.wikipedia.org
–
Википедия
15
свободная
энциклопедия
Приложения
Приложение 1.
Рис 1. Развитие тепловой грозы
Рис 2. Развитие грозы холодного фронта
16
Приложение 2.
Рис 3. Схема разделения зарядов в облаках:
а – поляризация дождевых капель; б – электрическое поле облака с
разделенными зарядами
17