Статья опубликована в №93 (май) 2021
Разделы: Физика
Размещена 21.05.2021.
Просмотров - 933

Моделирование шаровой молнии

Павлюк Леонид Алексеевич

Пенсионер

Преподаватель физики

УДК 524.88

Введение: Известны сотни гипотез природы шаровой молнии. Однако, её свойства не объяснены наукой. Очевидно, в шаровой молнии проявляются ещё не изученные свойства плазменнных колебаний.

Актуальность: моделирование свойств плазменных колебаний позволит определить условия экспериментальных исследований шаровой молнии.

Цель: Выразить формулами соотношения между параметрами плазменных колебаний и идентифицировать не исследованные их свойства.

Задачи: По известным описаниям шаровой молнии произвести её моделирование; вывести формулы соотношений между параметрами плазменных колебаний; рассчитать по формулам числовые значения физических величин и проанализировать их.

1. Шаровая молния считается особым видом молнии, который представляет собой плывущий по воздуху светящийся огненный шар. Размер его обычно колеблется от 10см до 20см. Свечение шара не однородно–наблюдаются более яркие области в виде жгутов. Наблюдаются шаровые молнии во время и после грозы.

Шаровые молнии возникают также при геологических разломах земной коры перед землетрясением. Очевидно, предельно высокие напряжения в земной коре приводят к напряжениям электрическим–вследствие пьезоэлектрического эффекта в кристаллических породах и электромагнитных явлений на разломах. Примерно за сутки перед землетрясением в атмосфере Земли возникают значительные электрические поля неясной природы, которые приводят к существенным возмущениям верхних слоёв атмосферы. В сейсмически опасных местах обычные и шаровые молнии воспринимаются как признак предстоящего землетрясения [1].

Из описаний свойств шаровой молнии известно, что она может войти в металлический стержень или провод и выйти из другого его конца. Описаны случаи сублимации металлов с высокой удельной проводимостью вблизи шаровой молнии. Из таких описаний очевидно, что в плазме шаровой молнии происходят электромагнитные СВЧ-колебания.

Под плазмой понимаем газ, который состоит из электронов и ионов и занимает объём с линейными размерами, превосходящими дебаевский радиус (характерный пространственный масштаб в плазме, равный по величине амплитуде плазменных колебаний).

2. Плотность энергии электрического поля определяется формулой:

                       w=ε₀·E²/2                  (1)
   где ε₀—электрическая постоянная; Е—напряжённость электрического поля.
   Известна модель электрического поля (мембранная модель), как пространства с двумерной метрикой [2]. Критическая плотность такого пространства определяется формулой:

                        σ=cH/8πG                 (2)
   где с—скорость света в вакууме; Н—постоянная Хаббла; G—гравитационная постоянная.
   Для электрического поля выполняется соотношение[2]:

                        w+g·σ=0                   (3)
    где g—физическая величина с размерностью ускорения или напряжённости гравитационного поля, характеризующая электрослабое взаимодействие.
   В применении к макроскопическому электрическому полю, в формулу (3) подставляем (1) и (2) и  получаем после алгебраических преобразований: 
                     
                         g=–4πGε₀E²/cH          (4)
   В случае, когда напряжённость электрического поля изменяется со временем, имеем:

                        g’=–8πGE/cH ·dD/dt     (5)
   где D—индукция электрического поля.
   Величина dD/dt названа Максвеллом током смещения. Ток смещения эквивалентен току проводимости в отношении способности создавать магнитное поле [3].
   В случае, когда напряжённость электрического поля изменяется по гармоническому закону, из формулы (4) имеем:

                       g=–4πGε₀E₀²sin²ωt/cH =g₀sin²ωt          (6)
   Из формулы (6) следует, что физическая величина g не является знакопеременной.
   Дифференцируем уравнение (6) по времени и получаем:
               
                       g’=g₀ω·sin(2ωt)                                     (7)
   Из формул (6) и (7) следует, что параметр g пропорционален квадрату амплитудного значения напряжённости электрического поля, а параметр g’ пропорционален ещё и частоте колебаний. Очевидно, электрослабое взаимодействие проявляется в плазменных колебаниях с большой напряжённостью электрического поля и высокой частотой.

Определим числовое значение параметра g для напряжённости электрического поля 3·10⁶В/м, при которой происходит искровой пробой в воздухе. Расчёт по формуле (4) даёт значение:

                      g≈60м/с²                            (8)
3. В плазме возникают продольные колебания электронов относительно положительно заряженных ионов, частота которых зависит только от плотности электронов. Частота собственных колебаний электронов в плазме называется плазменной или ленгмюровской:

                       ω_p=(4πne²/m)^½        (В системе единиц СГСЕ)

                       ω_p=(ne²/ε₀m)^½         (В СИ)             (9)
   где е—заряд электрона; m—масса электрона; n—плотность электронов. [4]
   
Известно, что в искровом канале линейной молнии плотность электронов n=(1÷5)·10²³м^-3, что соответствует в общем полной однократной ионизации атомов [4].

В лабораторных научных экспериментах по исследованию плазменных колебаний получают плазму с плотностью электронов 10²⁰м^-3. Для такой плотности электронов по формуле (9) определено числовое значение плазменной частоты [5]:
           
                        ω_p1 ≈5·10¹¹c^-1                 (10)

Поскольку шаровая молния часто образуется при разряде линейной молнии, то очевидно плотности электронов для этих молний близки по порядку величины. Тогда числовое значение плазменной частоты для шаровой молнии при плотности электронов 10²³м^-3 равно:

                        ω_p2 ≈10¹³c^-1                    (11)

Плазменная частота (11) соответствует частоте инфракрасного излучения. При этом параметр электрослабого взаимодействия g’ ≈6·10¹⁴ м/с³. 

Электроны плазмы шаровой молнии связаны силами электрослабого взаимодействия и образуют ансамбль частиц. Поэтому процесс рекомбинации электронов и положительно заряженных ионов в плазме шаровой молнии ослаблен, замедлен. Электромагнитные волны в диапазоне инфракрасного излучения плазмы очевидно когерентны. Особенностями плазменных колебаний и излучаемых электромагнитных волн объясняются аномальные свойства шаровой молнии.

Заключение: Результатом моделирования шаровой молнии есть гипотеза о электрослабом взаимодействии электронов в плазменных колебаниях. Установленные формулы и произведённые числовые расчёты позволяют оценить условия экспериментльных исследований шаровой молнии.

1. Никеров В.А. Электронные пучки за работой.-М.: Энергоатомиздат, 1988.-128с.
2. Павлюк Л.А. Моделирование электрона. [Электронный ресурс] // SCI-ARTICLE.RU.2020. URL:http://sci-article.ru/
3. Иродов И.Е. Основные законы электромагнетизма: Учеб. пособие для вузов.-М.: Высш. шк., 1983.-279 с.
4. Райзер Ю.П. Физика газового разряда: Учеб. руководство. -М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1987.-592 с.
5. В.Н. Ораевский. Плазма на Земле и в космосе. Киев "Наукова думка". 1980.

Рецензии:

21.05.2021, 18:39 Ашрапов Улугбек Товфикович
Рецензия: Прошу ответить на вопрос, чем отличается модель автора от существующих моделей (https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A8%D0%B0%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D1%8F_%D0%BC%D0%BE%D0%BB%D0%BD%D0%B8%D1%8F): В работе А. М. Хазена разработана модель шаровой молнии как стационарно существующего в электрическом поле грозы плазменного сгустка с неоднородной диэлектрической проницаемостью. Электрический потенциал описывается уравнением типа уравнения Шрёдингера. В 1982 г. Г П. Гладышев предложил физико-химическую модель шаровой молнии, cогласно которой шаровая молния является диффузионным пламенем горения азота, поддерживаемым атмосферными постоянными токами. Модель согласуется с расчётами данными. В работах Г. Д. Шабанова, приводится комплексная гипотеза возникновения и вывод характеристик «средней шаровой молнии» и эксперименты, её подтверждающие. Автор пишет "Шаровые молнии возникают при геологических разломах земной коры перед землетрясением". Одноко, в сейсмоактивных областях земной коры тектонического разлома (например в странах Центральной Азии) шаровая мония не наблюдается.

8.06.2021, 14:48 Гиёсов Сайфиддин Сафаралиевич
Рецензия: В работе изучены свойства плазменных колебаний на модели шаровой молнии и выведены соответствующие формулы соотношений между параметрами плазменных колебаний. Статья соответствует всем требованиям журнала, а результаты моделирования шаровой молнии позволяют оценить и интерпретировать результатов научных экспериментах по исследованию плазменных колебаний. Рекомендую статью к публикации.

12.06.2021, 22:53 Мирмович Эдуард Григорьевич
Рецензия: Рецензент оставлял свою рецензию, которая куда-то исчезла. Автор свои рассуждения представил как гипотезу. При решении таких сакраментальных проблем совершенно необходима обзорная составляющая в аналитическо-критическом формате: кто и почему эту проблему решал не правильно или с ошибками. Однако в статье нет ссылки ни на одну из, как автор говорит, сотен публикаций по этой теме. Не упомянуть академика П.Н. Капицу, профессора И.Г. Стаханова («О физической природе шаровой молнии») и др. корифеев, занимавшихся ШМ – это обращает статью в непрофессиональную. Не очень внушительно смотрится ссылка на замечательную научно-популярную книгу для детей Виктора Алексеевича Никерова, посвящённую катодным и другим лучам и их применению в медицине и др. практических областях по поводу фундаментальной проблемы сопровождения ШМ некоторых случаев землетрясений. Рецензенту даже обидно – он столько занимался краткосрочными предвестниками землетрясений от акустико-гравитационных волн до реакции на них животного мира, что ссылка на популярную книжку, посвящённую совсем иным темам, кажется просто профанацией. Кроме того, отсутствует адекватное соответствие аннотации и основного контента с названием. Если статья посвящена исследованию некоторого вида плазменных колебаний, то так и назвать статью. При этом, как правило, в аннотации указывают основные выводы или результаты. Например, "в классической формуле (выражении) для плазменной частоты уточнены коэффициенты, связывающие её с электронной концентрацией" или что-то подобное. А вообще-то, рецензент считает, о чём тоже упоминал в своих работах, что разгадка тайны ШМ лежит в тайнах рождения, существовании и взаимодействии с окружающей средой казалось бы обыкновенного детского мыльного пузыря: создай адекватную теорию МП и 5 минут останется до разгадки ШМ. Не очень корректно выглядят поучения автора рецензенту. Про загадку ШМ походя, с небрежностью к самой проблеме и авторам, занимавшихся ей, писать не солидно. Заключение. Рецензент не против публикации данной статьи, если добавятся ссылки, в т.ч. на профессиональную работу по ШМ перед или во время землетрясения, обзорная часть (пусть небольшая, без летального исхода опытов Г. Рихмана и др. смертельных встреч с ШМ), изменится название, расширится аннотация.

Комментарии пользователей:

21.05.2021, 22:04 Павлюк Леонид Алексеевич Отзыв:  Уважаемый Ашрапов Улугбек Товфикович! Во-первых, рецензия и комментарий отличаются по сути. Рецензент рекомендует или не рекомендует публикацию статьи. Ваши вопросы уместны в графе "Комментарии пользователей". Во-вторых, модель Автора отличается от известных моделей прежде всего тем, что объясняет свойство шаровых молний входить в металлический провод и выходить на другом его конце (из электрической розетки-известный пример). При этом очевидно, СВЧ-колебания электронов передаются проводнику, распространяются по проводу и на другом его конце снова образуется разряд в виде светящегося шара. В третьих, Автор не просто "пишет", а делает ссылку на литературный источник[1], где приводится пример возникновения шаровых молний перед землетрясением в Японии и других местах. В странах Центральной Азии, очевидно иные геологические породы в земной коре. Ведь например, пьезоэлектрический эффект имеет место при деформации пород содержащих кварц. Благодарю за интересные вопросы, Улугбек Товфикович! С уважением!

8.06.2021, 10:31 Мирмович Эдуард Григорьевич Отзыв: Что за фраза, кстати: "Результатом моделирования шаровой молнии есть гипотеза ..."? Приведено одно, редко наблюдавшееся по каталогу И.Г. Стаханова свойство ШАРОВОЙ МОЛНИИ, а не плазменных колебаний. У колебаний плазмы свойства свои, связанные с соотношением с пространством Дебая, частотами Ленгмюра, отклонениями от нейтральности и пр. Автор задекларировал наличие слабого взаимодействия в искровом разряде, образование сферы или эпициклоидной поверхности немгновенного времени жизни вряд ли может быть объяснено таким образом.

9.06.2021, 0:38 Павлюк Леонид Алексеевич Отзыв:  Уважаемый Мирмович Эдуард Григорьевич! Наблюдатели шаровых молний отмечают разнообразные их свойства. Очевидно, в этом явлении природы реализуются многие физические процессы, рассмотренные в известных моделях шаровых молний. Как верно отметили Вы, в статье моделируется один физический процесс. Поэтому и нет попыток объяснения всех свойств шаровой молнии, в особенности образования "эпициклоидной поверхности немгновенного времени жизни". Обращаю Ваше внимание на то, что статья имеет УДК 514.88 (специальные гипотезы). Основой гипотезы, возникшей в результате моделирования шаровой молнии, есть представление о постоянной Хаббла, как о параметре процессов микромира. Это представление развивается в активных статьях Автора. Серия статей есть презентацией версии новой физической парадигмы. Имеет место не "декларация наличия слабого взаимодействия", а моделирование и расчёт. Относительно Ваших сообщений о плазменных колебаниях, то смею заметить, что есть ссылки Автора на литературу.

Оставить комментарий