Шаровые молнии своими руками | Телеграф

Телеграф

Плазменная лампа Николы Теслы не может считаться моделью шаровой молнии, хотя изобретателем наверняка двигал интерес к этому странному атмосферному явлению. Оказалось, что холодная плазма в разреженной среде при наличии быстропеременного электрического поля имеет к нему мало отношения.

Фото

(SXC license): Jeff Hire

В Петербургском институте ядерной физики уже несколько лет существует мастерская шаровых молний. Тут была придумана и создана небольшая установка, с достаточной точностью воспроизводящая природный процесс рождения молний на влажной поверхности: тут есть медный ввод, играющий громоотвода, кварцевая трубочка с электродом, открытая поверхность водопроводной воды. В роли громового облака выступает батарея конденсаторов на 600 мкФ, которую можно заряжать до 5,5 кВ. Это серьезное напряжение — малейшая неосторожность при работе с ним грозит смертельной опасностью.

Она была подробно описана в институтском препринте от 24 марта 2004 года. Вода в полиэтиленовой чашке должна быть заземлена, для этого на дно положен медный кольцевой электрод. Он соединен изолированной медной шиной с землей. Положительный полюс конденсаторной батареи тоже заземлен. От медного ввода хорошо изолированная шина ведёт к центральному электроду. Это цилиндрик из железа, алюминия или меди, диаметром 5–6 мм, который плотно окружен трубочкой из кварцевого стекла. Она возвышается над поверхностью воды на 2–3 мм, сам электрод опущен вниз на 3–4 мм. Образуется цилиндрическая ямка, куда можно капнуть каплю воды. Конец медного провода от отрицательного полюса конденсаторной батареи нужно закрепить на длинной эбонитовой ручке.

Если быстро коснуться этим разрядником медного ввода, то из центрального электрода с хлопком вылетит плазменная струя, от которой отделится и поплывет в воздухе шаровой плазмоид. Цвет его будет разным: с железного электрода сорвется яркий белёсый плазмоид, с медного — зеленый, а с алюминиевого электрода — белый с красноватым отливом: такие плазмоиды видят летчики, когда в самолет ударяет молния.

Чтобы получить настоящую шаровую молнию, нужно вставить в кварцевую трубку цилиндрик из пористого угля. Такие угли используют при дуговом спектральном анализе. Пористый уголь можно пропитать разными растворами и суспензиями. Если нанести на электрод водную вытяжку из почвы, с органикой, частичками угля и глины, то при разряде из электрода вылетит классическая шаровая молния «апельсинового» цвета. Правда, проживет она не дольше секунды, но этого достаточно, чтобы рассмотреть её во всех деталях и полюбоваться ею.

Получение настоящих шаровых молний — дело нетрудное. Нужна линейная молния, бьющая в некое подобие громоотвода, и сырой воздух. Рисунок автора 

Для того, чтобы изучать свойства шаровых молний, нам приходилось изготавливать их тысячами. Прежде всего, электрические измерения показали, что шаровая молния — это, действительно, автономное образование: ток в разрядном контуре исчезает через десятую долю секунды, потом молния свободно движется и светится за счет аккумулированной энергии. При этом, кстати, она не горячее огурца на грядке. Этот парадокс связан с особым состоянием ионов в керне шаровой молнии. Каждый возникший при разряде ион сразу гидратируется — во влажном воздухе его плотно окружают молекулы воды. Разноименные ионы притягиваются друг к другу, но молекулы воды мешают им сблизиться. Возникает особое состояние вещества — гидратированные кластеры. Компьютерное моделирование показало, что в гидратированной плазме скорость рекомбинации ионов резко замедляется. Если в «сухой» плазме она происходит за миллиардную долю секунды, то у ионов, законсервированных в кластере, рекомбинация затягивается на десятки и сотни секунд. В течение этого времени молния будет светиться.

В керне шаровой молнии гидратированные кластеры с большим дипольным моментом образуют цепочечные и фрактальные структуры. Клуб теплого, влажного воздуха может аккумулировать громадную энергию, до килоджоуля на литр, если получит её при разряде в виде разобщенных ионов разного знака.

Таким образом, загадку шаровых молний можно считать разгаданной. А ведь ещё совсем недавно она занимала свое место среди загадок природы, обсуждаемых на телевидении и в печати, где-то рядом с НЛО , Тунгусским метеоритом и Бермудским треугольником . И это неудивительно. Миф о шаровой молнии кормит уже не одно поколение журналистов и ученых. В погоне за сенсацией в сообщения о шаровой молнии вводились красочные подробности. Бесхитростный рассказ фермера: «Раздался сильный удар грома. По водосточной трубе сбежал огненный комок, размером с кулак, и нырнул в бочку с водой. Вода булькнула. Я подошел и сунул руку в воду. Вода, вроде, стала теплее…», — после четырех последовательных перепечаток в газетах превратился в научный труд по вычислению запаса энергии в объеме размером с кулак, способном испарить объем воды размером с бочку.

По показаниям свидетеля Соколова, причиной смерти российского академика Георга Вильгельма Рихмана (1711–1753) явилась именно шаровая, а не линейная молния. Установка Рихмана для измерения атмосферного электричества состояла из громоотвода, соединенного проводом с незаземленным электрометром. Рис. М. В. Ломоносова

Известному охотнику за шаровой молнией Игорю Павловичу Стаханову (1928–1987) пришлось разработать специальную методику опроса очевидцев, чтобы отделить реальность от домыслов и вымыслов. После критической обработки рассказов очевидцев Стаханов — как и Джеймс Барри (James Dale Barry) лет за десять до него — пришел к выводу, что в большинстве случаев шаровая молния представляет собой светящийся сфероид, 12–25 см в диаметре, свободно плывущий в воздухе и существующий 1–2 секунды. Реже шаровая молния имеет форму тора или короны. Окрашена она обычно в разные оттенки желто-красного цвета, встречаются также серо-голубые и сиреневые тона и, иногда, зеленоватые — от примеси меди.

У большинства молний видно светящееся ядро и окружающая его оболочка. Иногда ядро вращается вокруг горизонтальной оси. В редких случаях внутри молнии видно блестки, как на новогоднем шарике. Она никогда не обугливает бумагу или ткань и не производит ощущения нагретого тела. Обычно она бесследно исчезает, хотя иногда взрывается с резким хлопком, подобно шарику с водородом или метаном.

В редчайших случаях шаровая молния может прожить десяток секунд. Замечательную молнию посчастливилось наблюдать в 1867 году химику Михаилу Дмитриеву на р. Онеге. Воздух в тот день был чистым, хорошо промытым дождем. После сильного линейного разряда с громовым ударом шаровая молния появилась над длинным (130 м) плотом из мокрых бревен, образовавших проводящую плоскость. Шаровая молния, с серо-голубым керном и голубоватой оболочкой, медленно двигалась над плотом, постепенно поднимаясь, вышла на берег и, после беспорядочных движений среди деревьев, исчезла. Просуществовала она более тридцати секунд. Дмитриеву удалось взять пробы воздуха около молнии. Анализ показал, что пробы содержат повышенное содержание озона и окислов азота, как это бывает после грозы.

Шаровая молния — далеко не единственный природный феномен, связанный с атмосферным электричеством. Кроме них существуют линейные молнии, токовые струи, четочные молнии, голубые струи и спрайты, различные формы сидящих разрядов и огней святого Эльма. Линейная молния — грозное явление природы — это мощный высоковольтный пробой влажной атмосферы. Чаще всего линейный разряд происходит над землей в облачном слое.

Токовые струи — более редкое явление — это сток электрического заряда по каналу, оставленному линейной молнией или высокоэнергетичной космической частицей. Токовые струи интенсивно изучаются. Их можно получать искусственно, запуская в грозовое облако ракету с проволочным хвостом. По проволоке стекает электрический заряд — возникает светящийся след с округлой светящейся головкой.

При определенных условиях головная часть струи, обогащенная электронами, может отделиться и просуществовать некоторое время в виде автономного светящегося образования.

Токовая струя всегда движется вдоль линии наименьшего электрического сопротивления. В дом она, чаще всего, проникает через дымоход, электропроводку, телефонный или телевизионный кабель. Может влететь в форточку, обтекая стекло, а иногда проделывает в нем дырочку.

При сильном ветре, когда воздух электризуется от трения, токовые струи возникают в ясную погоду. Тогда электрический заряд стекает невидимо, и только в узкостях канала появляется голубоватое свечение.

В горах, в чистом разреженном воздухе, токовые струи и огни святого Эльма проявляются чаще, чем на равнине. Альпинистам частенько достается от токовых струй. Не вдаваясь в тонкости, они зовут их «шаровыми молниями».

Разряд молнии, вызванный запуском ракеты с медным проволочным хвостом в грозовое облако.

Фото

Florida Lightning Research Group

Отрицательный заряд, пришедший на поверхность земли при разряде линейной молнии, распространяется по узкому электропроводному каналу. Если этот канал снова выходит на поверхность, то из него может вырваться плазменная струя, от которой отделится и поплывет шаровая молния. Видеть рождение шаровой молнии доводилось редким очевидцам. Тем значительнее случай, произошедший на одной геодезической вышке с простейшим громоотводом из железного троса. Он был небрежно прикопан у основания — конец его торчал из лужи. При ударе молнии в громоотвод из конца троса вырвалась ослепительная струя, от которой отделился и поплыл в воздухе светящийся комок.

Одно из самых удивительных и необъяснимых свойств шаровой молнии — её способность снимать золотые обручальные кольца с руки, не вызывая при этом ожогов. Золотое или медное колечко из проволоки, повешенное на пути шаровой молнии, теряет часть своей массы, что можно установить взвешиванием. По-видимому, это явление связано с ускоренной рекомбинацией ионов на поверхности металла, что сопровождается его распылением.

Нашу мастерскую шаровых молний посетили сотни желающих посмотреть на редкий феномен: академики, ученые, специалисты в области атмосферного электричества, журналисты, телевизионщики, и просто интересующиеся шаровой молнией.

Особенно благодарными были очевидцы природного явления — демонстрация шаровой молнии вызывала у них воспоминание о прежней встрече с ними. Выяснялись новые подробности. Оказалось, что наблюдателей короткоживущих шаровых молний гораздо больше, чем анкетированных у Стаханова — просто многие не придают значения своей встрече с этим мимолетным явлением.

У некоторых зрителей вспышка плазменной струи вызывала стойкий послеобраз на сетчатке глаза. Он существует десяток секунд и двигается в пространстве при повороте головы. Как тут не вспомнить теорию, что долгоживущие шаровые молнии — феномен не физический, а физиологический.

Конечно, эта теория не верна: шаровые молнии безусловно могут жить более десяти секунд. Это отнюдь не комок плазмы, как полагают некоторые. Это сложное физико-химическое образование — клуб тепловатого, влажного воздуха с обильной популяцией гидратированных разноименных ионов, связанных в кластеры, которые образуют некоторую структуру, окруженную отрицательно заряженной оболочкой. Физика шаровой молнии — это физика громадных токов при относительно низком напряжении.

Уйдут годы на детальное исследование такого сложного состояния материи. Процесс можно ускорить, если установить достойную премию за метод устойчивого получения долгоживущих шаровых молний. Нужны международные соревнования по получению самой долгоживущей шаровой молнии. Возможно, это окажется не так уж и сложно: известно, что некоторые громоотводы на высотных зданиях охотно посещаются молниями в течение года. Достаточно поставить на пути стока заряда тазик с грязной водой, чтобы получить полигон для создания настоящих природных шаровых молний.

Читайте также в журнале «Вокруг Света»:

• Посланцы грозовых небес
• Энергия искры
• Сияние

Антон Егоров

Ученые нашли новый способ создать шаровую молнию

• Сюзи Гейдж
• Би-би-си

19 августа 2013

Подпишитесь на нашу рассылку ”Контекст”: она поможет вам разобраться в событиях.

Подпись к фото,

Светящееся облако плазмы выделяется на время, не превышающее полсекунды

Американские ученые разработали более эффективный способ создать подобие шаровой молнии в лаборатории.

Группа ученых из Академии военно-воздушных сил США в штате Колорадо научилась выделять светящиеся облака плазмы из специального раствора и поддерживать их на протяжении почти полсекунды.

В природе шаровую молнию можно увидеть летящей над полями, проходящей сквозь здания или даже прыгающей по проходу между сидениями в самолете.

Но это природное явление происходит настолько редко, что его крайне сложно изучать. Ученые из Колорадо, чье исследование опубликовано в Journal of Physical Chemistry («Журнал физической химии»), надеются, что их подход сможет помочь науке лучше понять шаровую молнию.

«Термин «шаровая молния» используется как общий термин для описания явлений, увиденных в природе, которые нельзя описать как обычную молнию, четочную молнию или такие вещи, как огни святого Эльма или полярное сияние», — говорит руководитель проекта Майк Линдси.

«И скорее всего, это не одно явление, а несколько, обладающих похожими отличительными признаками», — добавляет он.

Тлеющий разряд

По некоторым данным, знаменитый сербский ученый и изобретатель Никола Тесла смог создать шаровую молнию в своей лаборатории в 1899-1900 годы. Но если даже это так, он не оставил описаний своего метода, которые могли бы помочь кому-либо другому повторить эксперимент.

Пропустить Подкаст и продолжить чтение.

Подкаст

Что это было?

Мы быстро, просто и понятно объясняем, что случилось, почему это важно и что будет дальше.

эпизоды

Конец истории Подкаст

Свидетельства очевидцев о шаровой молнии серьезно различаются в вопросах размера шара, как долго он держится в воздухе и как двигается.

Рис Филлипс, исследователь молний и научный тележурналист, отмечает: «По крайней мере для меня, молния — это не [лучшее] слово для того, о чем мы тут говорим. Мы понимаем молнию как очень быстрый разряд тока между одной и другой точкой — например, от облака к Земле, а наблюдения в [данном] исследовании не говорят об этом».

Но Линдси не согласен с такой оценкой.

В своей научной статье он и его коллеги описывают предыдущие исследования, для которых создавался «тлеющий разряд» плазмы (заряженного газа) над раствором электролитов.

В новых экспериментах они использовали те же методы, но изменяли условия, чтобы шар плазмы держался как можно дольше.

Линдси объясняет: «Я не думаю, что мы создали молнию, хотя начальные стадии электрического заряда, во время которых создается «плазмоид», во многом похожи на молнию. Это просто электрические дуги — в данном случае, электрические дуги к поверхности раствора электролитов. А потом оттуда возникает плазмоид».

«Поэтому я бы согласился, что, если мы говорим о стандартном понятии молнии, — нет, это ни одно и то же», — говорит он.

Продлить время

Используя камеры ускоренной съемки для наблюдения за своими экспериментами, исследователи обнаружили, что изменяя кислотность раствора электролитов, можно создать более устойчивые шары плазмы.

Чем дольше держится шар, тем больше времени есть у ученых, чтобы исследовать его свойства.

Помимо видеокамер, ученые использовали другие методы для наблюдения — рассматривали шары плазмы через инфракрасный свет, следили, как со временем изменяются их плотность и структура.

По их данным, внутри подобия шаровой молнии содержится водяной пар и углекислый газ — наряду с другими, еще неизвестными субстанциями.

Хотя ученые признают, что репрезентативность их экспериментов остается «открытым вопросом», увеличение «продолжительности жизни» подобия молний достаточно, чтобы следующие исследовали могли лучше их изучить и найти более убедительный ответ.

«Я должен быть честным: мы не уверены, что это тот же феномен, что и шаровая молния», — отмечает Линдси.

«У них много сходств, причем это явно не похоже на более изученные явления – такие как огни святого Эльма или четочная молния, которые мы хорошо понимаем в природе», — подчеркивает исследователь.

«Наше исследование показало, что еще есть возможность увеличить продолжительность жизни [подобия молний], и мы сейчас продолжаем улучшать эти условия. Нам нужно приобрести больше оборудования, чтобы достичь этого», — сказал Линдси в беседе с Би-би-си.

Новый взгляд на создание шаровой молнии в лаборатории

• Опубликовано

  19 августа 2013 г.

Это видео невозможно воспроизвести

90 015 Чтобы воспроизвести это видео, вам необходимо включить JavaScript в вашем браузере.

Медиа-заголовок,

Плазмоид существует примерно до полсекунды

Сьюзи Гейдж

BBC News

Американские исследователи говорят, что они разработали более эффективный способ получения шаровой молнии в лаборатории.

Колорадская команда заставила сверкающие облака плазмы появиться из специально приготовленного раствора и поддерживала их почти полсекунды.

Было замечено, что в природе шаровая молния пролетает над землей или сквозь здания и даже отскакивает от проходов самолетов.

Но его редкость чрезвычайно затрудняет его изучение и понимание.

Команда Академии ВВС США надеется, что их новый подход поможет науке лучше понять это странное зрелище.

Доктор Майк Линдсей, руководивший исследованием, опубликованным в Journal of Physical Chemistry, сказал: «Шаровая молния используется почти в общем для описания явлений, наблюдаемых в природе, которые не описываются обычной молнией, четочной молнией или чем-то вроде «Святого Эльма». огонь ‘или полярное сияние. И, вероятно, это не одна вещь, а несколько вещей, которые имеют схожие наблюдаемые объекты ».

«Тлеющий разряд»

По некоторым данным, известный физик и изобретатель Никола Тесла смог создать шаровую молнию в своей лаборатории, когда он жил в Колорадо-Спрингс в 189 г.9/1900. Но если он и создал его, то не описывал свои методы таким образом, чтобы с тех пор кто-либо мог воспроизвести его работу.

Сообщения очевидцев о шаровой молнии сильно различаются по размеру шара, продолжительности его жизни и способу движения.

Рис Филлипс, инженер-исследователь молний и ведущий научного вещания, сказал: «По крайней мере, для меня молния — это все еще не то слово, о котором мы здесь говорим. Мы понимаем молнию как очень быстрый разряд из одной точки в другую. — например, облако на Землю — (по общему признанию, через сложный процесс), и наблюдения в [текущей] статье этого не описывают».

Доктор Линдси не возражает против этой оценки.

В статье он и его коллеги описывают предыдущие исследования, в ходе которых возникло то, что они называют «тлеющим разрядом» плазмы (заряженного газа) над раствором электролита.

В новых экспериментах повторно используются эти более ранние методы, но затем меняются условия, чтобы попытаться заставить шары прослужить как можно дольше.

Доктор Линдсей объяснил: «Я не думаю, что то, что мы создали, является молнией, хотя начальные стадии электрического разряда, создающего этот «плазмоид», имеют много общего с молнией. Это просто электрические дуги — в данном случае , электрические дуги на поверхность этого раствора электролитов, а затем происходит то, что из него выходит этот плазмоид.0005

«Итак, я согласен, что [исходя из] общего определения молнии — нет, это не то же самое.»

Продление времени

Используя высокоскоростные камеры для наблюдения за своими творениями, исследователи обнаружили, что изменение кислотности раствора электролита увеличивает срок службы шариков.

Это полезно, так как чем дольше сохраняются сферы, тем дольше команда будет исследовать их свойства.

Помимо видеокамер, ученые использовали другие методы визуализации, чтобы посмотреть на инфракрасный профиль шаров и узнать, как их плотность и структура менялись с течением времени.

Результаты показывают, что внутри шаров присутствуют водяной пар и углекислый газ, а также некоторые другие, пока не идентифицированные особенности.

Хотя академические исследователи признают, что до сих пор остается открытым вопрос о том, насколько репрезентативны их творения, только продлив срок службы сфер и открыв их для более детального изучения, можно будет найти более убедительный ответ, они спорить.

«Я должен быть честным: мы не уверены, что это то же явление, что и шаровая молния», — сказал доктор Линдсей.

«У него много общего, и он явно не похож на более известные явления, такие как огонь Святого Эльма или бусинки молнии, которые хорошо известны и понятны в природе.

«Наше исследование показало, что еще есть возможности для увеличения срока службы и мы находимся в процессе дальнейшего достижения этих условий. Нам нужно приобрести дополнительное оборудование, чтобы получить доступ к этим доменам», — сказал он BBC News.

Таинственная шаровая молния Создано в лаборатории

Когда вы покупаете по ссылкам на нашем сайте, мы можем получать партнерскую комиссию. Вот как это работает.

Лабораторная версия шаровой молнии, созданная с помощью микроволновой дрели. Плавающий огненный шар имеет размеры чуть больше дюйма в поперечнике и просуществовал около 10 миллисекунд.
(Изображение предоставлено Эли Джерби)

Шаровая молния — одно из самых загадочных явлений в природе. Теперь ученые создали лабораторную версию жутких парящих сфер, используя технологию, взятую из обычной микроволновой печи.

Работа может помочь ученым понять, как молния формируется в природе, и привести к практическим применениям, использующим ее силу.

В дикой природе маленькие сгустки энергии обычно имеют диаметр всего несколько сантиметров, хотя, как сообщается, некоторые из них имеют размер пляжного мяча или даже больше. Они тесно связаны с регулярными молниями и грозами и бывают разных цветов.

((ImgTag||право|нуль|нуль|нуль|ложь))
Посмотрите видео с огненной колонной и посмотрите, как она плавает и подпрыгивает.

Свидетели сообщают о шипящих звуках и резком запахе озона, когда появляются шары-молнии. Яркие призраки обычно парят или парят вокруг всего несколько секунд, прежде чем внезапно исчезнуть, бесшумно или со взрывным хлопком.

Хотя люди знали о шаровой молнии на протяжении столетий, ученые до сих пор не придумали объяснение, объясняющее все ее странные свойства.

Микроволновая дрель

Эли Джерби и Владимир Дихтяр из Тель-Авивского университета в Израиле создали лабораторную версию шаровой молнии с помощью «микроволновой дрели». Устройство состоит из 600-ваттного магнетрона, взятого из бытовой микроволновой печи, и использует мощный микроволновый луч для просверливания твердых предметов.

Исследователи направили луч через заостренный стержень в твердый предмет из стекла, кремния и других материалов.

Энергия сверла создала горячую точку расплава в твердом объекте; когда дрель оторвали, она увлекла за собой часть перегретого материала, создав огненный столб [видео], который затем рухнул в яркий огненный шар, который поплыл и подпрыгнул [видео] по потолку металлического ограждения.

«Огненный шар [выглядел] как горячая медуза, дрожащая и парящая в воздухе», — сказал Джерби.

Светящийся объект размером чуть больше дюйма в поперечнике просуществовал всего около 10 миллисекунд. Работа была подробно описана ранее в этом месяце в журнале Physical Review Letters .