Умови освіти кульової блискавки

Юрій Маханьков

Поява кульової блискавки, як правило, пов'язано з діяльністю грозовий що протікає в атмосфері, тому перш ніж намагатися зрозуміти її внутрішню будову, необхідно представити ті зовнішні умови, в яких відбувається її освіта і існування.

Розглянемо, яким чином відбувається утворення звичайної блискавки, і які електричні процеси супроводжують цих явищ. У результаті тертя падаючих крапель води про повітря відбувається їх електризація, розмір якої визначається відносною швидкістю руху в повітрі та енергією зв'язку зовнішніх електронів в атомах складових молекули води і повітря. Знак заряду обумовлений тим, які атоми, води або зустрічного потоку повітря, легше віддають свої валентні електрони. У даному випадку це будуть краплі води, до складу яких входить водень що відноситься до групи металів.

Втрата електронів краплями води буде відбуватися при їх прискореному русі щодо повітря, тому що позитивний заряд, який утворюється на краплях буде притягувати назад електрони з навколишнього середовища, таким чином, при постійній швидкості встановлюється рівновага і заряд краплі змінюватися не буде.

Процес прискореного руху відбувається в межах області хмари, коли йде зростання маси краплі, за рахунок її руху в середовищі насиченою водяною парою. Прискорення при цьому обумовлюється за рахунок прискорення вільного падіння мінус прискорення, що створюється за рахунок приєднання частинок пари і опором повітря. За межами хмари прискорення руху краплі відбувається під дією сил гравітації і опору повітря. У міру наближення до землі воно буде негативним, тому що зростає щільність повітря, а за рахунок випаровування зменшується вага краплі.

У результаті складного руху краплі, її заряд буде змінюватися в процесі усього польоту. При русі у верхній і середній області хмари, коли крапля відчуває позитивне прискорення, а маса її зростає, вона, втрачаючи електрони, набуває позитивний заряд, в той час як навколишній простір накопичує негативний заряд. При виході із хмари, коли прискорення стає негативним, а крапля, на якій зосереджений позитивний заряд, випаровується, вона втрачає частину свого заряду. Але чим більший позитивний заряд буде мати навколишнє повітря, в результаті своєї взаємодії з потоком попередніх крапель, тим менший позитивний заряд буде втрачати крапля. При падінні на землю накопичені краплею позитивні заряди заряджають останню.

Таким чином, при проходженні дощу чи снігу в області хмари накопичується надлишок електронів, тобто негативний заряд. На поверхні і над поверхнею землі буде мати місце брак електронів, що відповідає позитивного заряду. При цьому над поверхнею землі рівень позитивної іонізації повітря, у основному, визначається температурним режимом і вологістю, тому що від них залежить швидкість випаровування падаючих крапель. Позитивно заряджена маса повітря, розташована над поверхнею землі, буде дрейфувати під дією електричного поля між хмарою і землею вгору, створюючи висхідні потоки. Крім цього однойменно заряджені молекули повітря будуть відштовхуватися один від одного з деякою силою, яка в сумі з барометричного тиску, існуючому в позитивно зарядженому повітрі, буде дорівнює тиску незарядженої повітряної маси. Таким чином, утворюється область зниженою щільності повітряної маси, при незмінному тиску у всьому просторі, яка буде підніматися вгору в середовищі атмосфери з більшою щільністю за рахунок сили Архімеда.

Рис. 1. Накопичення зарядів у хмарі.

З іншого сторони на негативно заряджену частину хмари, буде діяти сила тяжіння з боку позитивно зарядженої маси повітря і землі, спрямована вниз, сила Архімеда спрямована вгору, а також сила спрямована догори за рахунок підйому позитивно зарядженої маси повітря. У результаті частина хмари буде виноситися у верхні шари атмосфери, де в залежності від висоти буде мати місце негативна температура, що може призвести до утворення граду.

Хмара та висхідний потік повітря при зустрічному русі утворюють область нейтралізації зарядів. В області нейтралізації зарядів виникне підвищений тиск. Розтікання нейтрально зарядженого повітря породжує турбулентність рухомих потоків.

Між різнойменної зарядженими іонами зустрічно-що рухаються потоків буде знаходитися свого роду ізолятор з нейтрального газу, який весь час поповнюється за рахунок нейтралізації позитивних і негативних іонів при їх рекомбінації. За рахунок турбулентності руху потоків напрямок руху частини маси повітря і крапель води в хмарі збігається в області, де відбувається нейтралізація іонів і повітря «нерухомий», а нижче цієї області спрямований назустріч падаючої краплі. У Внаслідок такого руху крапля, потрапляючи в область «нерухомого» повітря, буде віддавати цій області свої електрони, заряджаючи її за рахунок позитивного прискорення щодо навколишнього повітря. Слід враховувати, що крапля в початку руху знаходилася в області з надлишком електронів і, віддаючи частину своїх електронів, залишилася негативно зарядженої. При подальшому русі краплі в області з позитивними іонами, що рухаються назустріч, відбувається подальша втрата електронів з її боку. У результаті негативні заряди, накопичуються у верхній і середній частинах хмари, будуть переміщатися до кордону розділу між позитивно і негативно зарядженими областями атмосфери. Сама межа розділу, що складається з нейтрального газу також буде опускатися до землі.

У міру накопичення зарядів на землі і в хмарі зростає напруженість електричного поля, а заряди будуть зосереджуватися на звернених один до одного поверхнях. Відомо, що найбільша напруженість поля буде на виступаючих місцях: громовідводи, дерева, висотні споруди. Настає електричний пробій, утворюється канал блискавки і відбувається нейтралізація зарядів накопичених в хмарі і позитивно зарядженої масі повітря. Пробій наступає не «в землю», а «в позитивно заряджену область »повітря, яка піднімається від землі і знаходиться значно ближче ніж громовідводи і висотні споруди. Пробивається проміжок що складається з «нейтрального» повітря, що розташований між різнойменними зарядами, а для цього не потрібна різниця потенціалів в мільярди вольт, яка необхідна для пробою проміжків що вимірюються кілометрами.

Явище пробою примітно тим, що щільність негативних зарядів ізолюючого шару з «Нейтрального» повітря з одного боку, значно перевищує щільність позитивних з іншого, тому електрони, потрапляють при пробої в область з позитивними іонами і перезаряджати останні. У результаті відштовхування між негативними іонами утворюється зона зниженого тиску. Вона володіє мають високу електропровідність і тому заповнюється вільними електронами. Під дією електричного поля до цієї зони починають переміщатися позитивні іони повітря з навколишнього простору. Потрапляючи на границю розділу позитивно заряджені іони частково рекомбінують, а при подальшому переміщенні до центру, під дією різниці тисків, перезаряджається і виштовхуються електричним полем. В процесі нейтралізації іонів утворюється плазма, яка екранує полі електронів і таким чином зменшує взаємодія електронів розташованих у зоні розрядження з оточуючими її позитивними зарядами (радіус Дебая). Навколо стовбура блискавки утворюється достатню для захисту, «кількість» плазми, перешкоджаючи таким чином його руйнування. Утвориться, таким чином голова стовбура блискавки, до якої починають переміщатися позитивно заряджені іони повітря з навколишнього простору, виявляється слабо екранованого і електрони, стікаючи до неї, будуть прагне до області з великим позитивним потенціалом. Переміщення голови стовбура блискавки буде відбуватися до найближчої позитивно зарядженої області. Останні розподілені в просторі випадково, тому переміщення голови виглядає зигзагоподібним. В процесі нейтралізації іони молекул повітря будуть піддаватися дії підвищеного тиску виникає за рахунок зустрічного переміщення негативних і позитивних іонів, що в свою чергу буде перешкоджати їх переміщення, а, отже і руйнування каналу блискавки.

Про стійкість існування каналу блискавки говорить той факт, що у автора цієї гіпотези є записи реєстрації розрядів під Санкт-Петербургом, тривалість яких досягала 7 секунд і це були не поодинокі явища.

Таким чином, канал блискавки в розрізі можна представити моделлю, представленої на малюнку. Вона являє собою свого роду «вакуумний» провідник, частково ізольований від зовнішнього простору шаром іонізованого повітря під високим тиском, а також плазмою яка екранує електричне поле. При руйнуванні цього провідника відбувається вибух - заповнення розрідженого простору і руйнування оболонки каналу блискавки, що ми і чуємо як грім. Зрештою переміщення голови блискавки закінчується там, де опиниться зосередженим найближчий найбільший позитивний заряд, який в змозі нейтралізувати електрони що надходять по каналу блискавки. Таким чином, відбувається утворення каналу блискавки і розряд накопиченого електричного заряду через цей канал.

Рис. 2. Формування стовбура блискавки: 1 - простір насичене позитивно зарядженими іонами; 2 - область високого тиску; 3 - область, де відбувається іонізація молекул повітря електронами; 4 - область низького тиску зайнята електронами.

У результаті розряду, заряд землі та хмари може значно зменшиться, однак заряд іонів повітря практично не змінюється. Більш того, якщо врахувати, що струм, який протікає по каналу блискавки, створює значні магнітні поля, а сам канал володіє великою довжиною, отже й індуктивністю, то можливо такий перерозподіл, при якому заряд ділянки землі стане негативним, а хмари позитивним. Іонізоване повітря, який раніше відштовхувався від землі, тепер до неї притягатися. У результаті позитивно заряджену хмара повітря під дію електричних сил буде притискатися до землі. Таким чином, утворюється область, в якій достатньо довгий час існують два протилежних пов'язаних заряду - один з них зосереджений у іонізованому повітрі, а інший в землі.

У цьому випадку розряд блискавки буде відбуватися між негативно і позитивно зарядженими областями. При цьому потік електронів буде рухатися вниз до тих пір, поки негативний заряд землі не стане його відштовхувати. Таким чином потік електронів не доходить до землі, в якій сталося б його розтікання, а зосереджується в області позитивно іонізованого повітря, нейтральні молекули якого є ізолятором. У даному випадку мова йде про іонізованому повітрі. Та частина іонів повітря, яка стикається з негативно зарядженої частиною хмари рекомбінує і стаючи нейтральними. Таким чином, виходить, що в просторі існують дві області різнойменних зарядів ізольованих один від одного. Така ізоляція не є стабільною.

Рис. 3. Пристрій кульової блискавки: 1 - область низького тиску, зайнята електронами; 2 - Область, де відбувається іонізація молекул повітря електронами; 3 - область високого тиску (близько 100000 атм.), в якій відбувається рекомбінація позитивно і негативно заряджених іонів і утворюється екранує шар плазми (радіус Дебая) та ізоляції з нейтральних молекул повітря; 4 - навколишній простір, насичене позитивно зарядженими іонами.

В області з однойменно зарядженими зарядами виникає виряджені простір за рахунок відштовхування. У той же час на кордоні, де відбувається нейтралізація позитивно і негативно заряджених іонів буде присутній область підвищеного тиску, за рахунок їх тяжіння. Наявність області підвищеного тиску, в якої в основному знаходяться нейтральні молекули, що значно зменшує швидкість переміщення іонів в цій області, а також збільшує напругу пробою, яка визначається для газів здатністю організації каналів. При рекомбінації відбуватиметься виділення енергії, в результаті чого утворюється плазма, яка в значній мірі екранує електричне поле, що так ж обмежує швидкість зустрічного переміщення різнойменних іонів повітря. Ці процеси, в кінцевому рахунку, визначають час стійкого існування структури зарядів, яка називається кульовий блискавкою. У позитивно іонізовану область простору негативні заряди можуть потрапляти не тільки в результаті розряду в цю область нової блискавки, вони можуть вступити туди за який проводить предметів потрапили хоча б частково в цю область.

У літературі неодноразово описувалося, що кульові блискавки виникають з розеток. В випадку з Ріхманом, помічником Ломоносова, кульова блискавка виникла з розірваного провідника від громовідводи. Схильність з'являтися з димарів по всій ймовірності пояснюється тим, що сажа що там міститься, є провідником, а самі труби виконують роль громовідводи, причому, так як їх нижній кінець знаходиться в області насиченого позитивними іонами, а не з'єднаний в даному випадку з негативно зарядженої землею, як у громовідводи, то, незважаючи на свою висоту, вони явно мають перевагу перед останніми по притягування кульових блискавок, особливо якщо враховувати що руйнування негативного заряду в землі, за рахунок падаючих позитивно заражених крапель, під будівлями відбувається набагато повільніше, наприклад, якщо стіни виконані з ізолюючих матеріалів (дерев'яні, сухий цегла, і т.д.).

На підставі вищевикладеного пояснимо реальна подія. У «Комсомольській правді» промайнуло повідомлення про те, що сталося ураження блискавкою дівчини стоїть недалеко від дерева, в яке потрапила блискавка. При цьому постраждала одна туфля і кофточка, все інше виявилося цілим. У даному випадку, після удару блискавки в дерево, стався перезаряду землі щодо навколишнього повітря.

Подальший розряд, але тепер уже із землі в позитивно заряджений повітря, стався через дівчину. Через ту туфлю, яка краще проводила електрику. А кофточка, яка володіла ізолюючі властивості і перешкоджала переміщенню електронів до позитивно заряджених іонів повітря, постраждала, оскільки не могла витримати виник напруги. Крім цього, найбільша щільність позитивних іонів, ймовірно, знаходилася на висоті цієї кофтинки.

Випадки зворотного удару блискавки з виступаючих над земною поверхнею провідників у навколишнє атмосферу з утворенням кульових блискавок зовні не відрізняються від прямих ударів. Цей факт слід враховувати при проектуванні та оцінці ефективності дії різних пристроїв грозовий захисту.

Список літератури

Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://www.nt.org/