Свойства шаровой молнии в зависимости от обстоятельств характеризующих явление
Скачать 211.63 Kb.
|
СВОЙСТВА ШАРОВОЙ МОЛНИИ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ОБСТОЯТЕЛЬСТВ ХАРАКТЕРИЗУЮЩИХ ЯВЛЕНИЕИ.Г. Стаханова Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова (ИЗМИРАН) stakh@izmiran.ru В работе рассмотрены наблюдаемые характеристики шаровой молнии в зависимости от обстоятельства, характеризующего явление, т.е. от способа ее появления и исчезновения, ее связи с грозой, с временем года. Проведена количественная оценка наблюдаемых характеристик шаровой молнии. Можно констатировать практическое отсутствие отличий в наблюдаемых свойствах объекта для всех рассмотренных выборок. Введение Итоги наблюдений. В октябре 1973г., И.П.Стаханов выступил с новой гипотезой о природе шаровой молнии на Научной Сессии Отделения общей физики и Астрономии Академии Наук СССР [1]. Кластерная гипотеза вызвала огромный интерес физиков. Однако, существование шаровой молнии, как физической реальности, подвергалось сомнению. Это было связано с неудачными попытками ее воспроизведения в контролируемых человеком условиях. Действительно, если природа обычной, линейной молнии была разгадана уже четверть тысячелетия тому назад, со времени знаменитых опытов В.Франклина, то шаровая молния и до настоящего времени бросает вызов человечеству. Осознав, что все гипотезы включая и его собственную, повисают в воздухе из-за отсутствия достоверного наблюдательного материала, желание разобраться в имеющихся противоречиях и стремление приблизиться к пониманию сути явления приводят в 1975 году И.П.Стаханова к решению обратиться к очевидцам наблюдения шаровой молнии через научно-популярный журнал «Наука и жизнь». В результате этого обращения к читателям (читательская аудитория более 3 мил. чел.) было получено около 2000 новых случаев наблюдения, из которых более 1500 содержали ответы на вопросы предложенной анкеты. В 40 % случаев ответы были прокорректированны повторной, более подробной, анкетой. Анализ полученного статистического материала дал не только подтверждение и уточнение известных ранее результатов, но позволил выявить ряд новых и указать нечто большее, чем пространственный и временной масштабы явления. Уточнение старых результатов касались наблюдаемых характеристик шаровой молнии, а именно 1) размеров (была получена аналитическая зависимость распределения по диаметрам); 2) времени жизни (обнаружено два времени полураспада, временные интервалы не сокращаются статистикой); 3) скорости движения (в 75% случаев скорость меньше 2 м/с, в 96% случаев - меньше 10 м/с, средняя скорость около 1м/с); 4) характера движения (объект движется как тело в состоянии невесомости; сила тяжести не играет решающей роли; статистика показывает, что тело тонет в воздухе). Новые результаты. Анализ описаний, которые сопровождали большую часть первых анкет и все повторные анкеты, с учетом физических законов позволил получить информацию о температуре, плотности вещества шаровой молнии, поверхностном натяжении, об электрических ее проявлениях, об ее энергии, обнаружена корреляция между размером и временем жизни шаровой молнии. Полученная информация позволила И.П. Стаханову сформулировать основные критерии, которым должны удовлетворять предлагавшиеся в разное время гипотезы о ее природе, и подвергнуть критике гипотезы, противоречащие сделанным оценкам перечисленных выше физических величин. Обстоятельства наблюдения. Наблюдения шаровой молнии происходят спонтанно и при обстоятельствах, не зависящих от наблюдателя. Эти обстоятельства могут характеризовать, как условия наблюдения (погода, время суток, расстояние до объекта, наблюдение в помещении или вне его, число наблюдателей, кратчайшее расстояние до объекта), так и наблюдателя (образование и профессия, возраст, время, протекшее с момента наблюдения). Однако, наибольший интерес для разгадки феномена, представляет изучение обстоятельств, характеризующих само явление. К таким обстоятельствам относятся наблюдения объекта во время грозы и в зависимости от сезона. Наблюдения появления и исчезновения шаровой молнии и последствия ее взаимодействия с окружающими телами так же характеризуют явление. Наблюдаемые характеристики шаровой молнии Размер, форма, время жизни. Появление шаровой молнии тесно связано с грозовой активностью атмосферы. Естественно, что основная часть молний наблюдается в летние месяцы, когда грозовая активность наиболее велика. Доля летних сообщений (1215 случая) составляет 82,5% от общего числа 1474 наблюдений, половина наблюдений приходится на летний июль месяц (651 сообщение). Однако около трех процентов наблюдателей сообщают о наблюдении молнии в зимние месяцы (43 события). Ответ на вопрос анкеты: «Была ли гроза?» содержался в 1276 сообщениях, в которых 1057 наблюдателей утверждали (82.8 %), что гроза была, а 219 человек (т.е. каждый шестой из этой выборки, 17,2 %) говорили об отсутствии грозы. Представляет интерес сравнение наблюдаемых характеристик шаровой молнии при наблюдении в грозу и в ее отсутствии. Ниже в таблице 1 приведена информация о времени жизни и размерах наблюдаемого объекта для полной выборки (2-ая строка), для выборки содержащей ответ на заданный вопрос (3-ая строка), и для выборок содержащих конкретный ответ на заданный вопрос (4-ая и 5-ая строки). Во второй колонке таблицы указано число наблюдений, содержащих ответ на вопрос о времени жизни объекта, а в седьмой – число ответов на вопрос о размерах объекта. В колонках 3 и 5 приведены значения времен полураспада  и  (сек), а в колонках 4 и 6 их доли  и  в соответствующих распределениях, вычисленных по закону распада:
здесь - N0 число молний, существовавших в начальный момент времени  . В восьмой колонке указано значение среднего диаметра  (см), вычисленного для распределения:
здесь -  - наиболее вероятный диаметр объекта. Таблица 1. Связь с грозой
Из таблицы видно хорошее совпадение результатов для выборок большого объема. Процент короткоживущих молний в 1,2 – 1,7 раза больше процента долгоживущих для всех представленных выборок. Однако в выборке, в которой очевидцы утверждали, что наблюдали объект в отсутствии грозы, времена полураспада заметно больше, а сами объекты крупнее. Заметим, что гистограммы распределения по размерам и по длительности наблюдений состоит из девяти пространственных и девяти временных интервалов соответственно, что ухудшает статистику, так как в каждом отдельном интервале содержится небольшое число наблюдений. Предполагая, что случайные отклонения от средних значений пропорциональны  , где  - число событий в рассматриваемом интервале, можно вычислить вероятностные пределы этих отклонений. Поэтому выборка, содержащая сравнительно небольшое число событий (например, 214 сообщений в случае отсутствия грозы) может не отражать действительной ситуации с нужной степенью точности. Особенно это касается времени жизни шаровой молнии. Так при анализе длительности наблюдения необходимость определять три независимых параметра значительно ухудшает статистику (в отличие от определения диаметра). Вообще говоря, статистически значимой выборкой можно считать выборку, состоящую из 400 – 500 и большего числа событий.Отметим, что при наблюдении в ясную погоду (условия наблюдения) имеются очевидцы, которые сообщают о грозовой активности, а в дождливую и пасмурную об отсутствии грозы. Таким образом, сообщения о наблюдении в отсутствии грозы и о наблюдении в ясную погоду не совпадают. Средний диаметр шаровой молнии при наблюдении в ясную погоду (192 события) несколько больше и составляет 28.8 см. При наблюдении в ясную и пасмурную (без дождя) погоду (379 событий) времена полураспада и их доли соответственно равны  и  (сек),  и  [3].Рассмотрим размеры шаровой молнии в зависимости от способа ее исчезновения. Ответы на этот вопрос (1476 анкеты) распределились так: 63 % (936 событий) очевидцев утверждают, что они видели момент исчезновения шаровой молнии и 37 % - что молния ушла из поля зрения (540 событий). На рисунке 1 представлена плотность  вероятности распределения шаровой молнии по диаметрам (2) для перечисленных выше выборок, которые обозначены цифрами 1, 2, 3. Им соответствуют квадраты, кружки, треугольники соответственно. Сплошной линией проведена теоретическая кривая, рассчитанная для значения наиболее вероятного диаметра  =10,6см. В верхнем правом углу рисунка приведены значения наиболее вероятного и среднего диаметров, и значение максимальной плотности вероятности  . Наблюдатели, которые видели исчезновение шаровой молнии (выборка 2, 936 событий, 63 %), сообщают о разных способах ее исчезновения, о взрыве, о распаде и о спокойном погасании. Н  а рис.2 представлена плотность вероятности распределения шаровой молнии по диаметрам в зависимости от конкретного способа ее исчезновения. Наиболее многочисленная группа (56 %) обозначена цифрой 4 (521 сообщение, квадраты). Наблюдатели этой группы сообщают о взрыве объекта. Треть наблюдателей сообщают о его спокойном погасании (33 %). Эта выборка обозначена цифрой 5 (кружки, 308 события). И только десятая часть наблюдает распад шаровой молнии (6 - треугольники, 107 сообщений, 11%). Сплошной линией проведена теоретическая кривая при = 10,5 см. Заметим, что средний диаметр шаровых молний наблюдаемых при ее взрыве меньше. Теоретическая кривая, построенная для = 9,5 см., имеет более острый пик.Времена полураспада шаровой молнии и  , а также их доли и , в зависимости от способа ее исчезновения представлены в таблице 2. Следует обратить внимание на выборку, которая содержит сообщения о распаде. Однако, эта выборка имеет недостаточную статистику. Для нее число коротко и число долго живущих молний практически равны, однако время полураспада короткоживущих молний меньше среднего.Таблица 2. Способ исчезновения
Недостаточную статистику имеет и выборка, в которой очевидцы сообщают, что видели появление шаровой молнии (156 случаев), а также выборка, в которой наблюдатели видели и момент появления шаровой молнии, и момент ее гибели (115 случаев). Средний диаметр шаровой молнии для этих выборок соответственно равен 15.0 см и 14.2 см. На рисунке 3 представлена плотность вероятности распределения шаровой молнии по диаметру для выборки, н  аблюдатели которой видели появление шаровой молнии. Сплошной линией проведена теоретическая кривая, рассчитанная для x0 = 7.48 см. На рисунке отмечены случайные отклонения от средних значений пропорциональные  ; где - число событий в рассматриваемом интервале.Вопрос о форме шаровой молнии не содержался в первой анкете, опубликованной в 1975 г. («Наука и жизнь», № 12) и был включен лишь в последующие публикации анкеты (№8, 1978г., №5, 1979г.), поэтому число ответов на этот вопрос значительно меньше числа анкет. Подавляющее большинство очевидцев говорят о форме близкой к правильному шару (более 90 %). На втором месте находятся сообщения (их на порядок меньше) об эллипсоидальной форме (иногда называют прут). Около 2 % наблюдателей сообщают о грушевидной форме (груша или слеза), и совсем незначительная часть очевидцев наблюдали кольцо (или диск) и объект неправильной формы (менее двух процентов). Результаты наблюдения при обстоятельствах характеризующих явление приведены в таблице 3. В первом столбце таблицы приведены полная выборка и выборки, соответствующие наблюдениям в грозу, в ее отсутствие, и от способа исчезновения объекта. Во втором столбце дано число полученных ответов на вопрос о форме объекта для этих выборок. В следующих столбцах помещены ответы (в процентах) о конкретной форме молнии. Таблица 3. Форма шаровой молнии.
Из общего ряда выпадает выборка, в которой очевидцы видели распад молнии. Однако, число событий в этой выборке мало – всего 60 и распределились они следующим образом: шар –50 сообщений, эллипсоид – 5, груша (или слеза) – 4 и одно сообщение о неправильной форме.. Цвет, светимость. Таблица 4 дает представление о том, как наблюдатели оценивают цвет шаровой молнии в зависимости от обстоятельств, характеризующих явление. Таблица 4. Цвет шаровой молнии.
На территории России около 30 % составляют белые молнии, около 58 % - молнии красного конца спектра (красные, желтые, оранжевые) и 12 % составляют молнии синего конца спектра (зеленые, голубые, синие, фиолетовые). Соотношение 30:58:12 постоянно (с незначительными вариациями) практически для всех выборок. Из общей картины выпадают наблюдения распада шаровых молний, где очевидцы называют 24,3 % белых и 19.4 % синего конца спектра. Интересно отметить, что в японских данных [4] практически отсутствуют сообщения о белых молниях (их только 6,9 %). Красный конец спектра представлен в японских данных и в наших данных, примерно одинаково (58 %). Молнии синего конца спектра в японских данных составляют 28%. В наших данных при наблюдении в ясную погоду соотношение 30:58:12 белых, красных и голубых молний меняется, но незначительно 29:57:14. Последняя группа вдвое меньше соответствующей группы в японских данных. Молний неспектральных цветов, т.е. молний, в которых наблюдатели указывают два или большее число цветов, в наших данных также меньше (~ 3 %.), чем в японских (~ 7 %). При обработке данных неспектральные цвета мы распределяли равномерно по выборкам. Разница в оценке цвета шаровой молнии наших и японских наблюдателей связана либо с островным эффектом, либо с различием в восприятии цвета. Заметим, что разным цветом оценивают одну и туже молнию и наши наблюдатели. Наиболее значительным отличием наших данных от японских является то, что в Японии около 90% молний появляются в ясную погоду (у нас только 13 %). В таблице 5 приведена оценка света наблюдателями в зависимости от обстоятельств, характеризующих явление. Таблица 5.Сила света шаровой молнии
Рассматривая различные выборки, заметим, что наблюдатели чаще всего называют два интервала в 50-100Вт и 100-200 Вт, которые содержат половину ответов. Выборка, в которой наблюдатели сообщают о распаде объекта, несколько отличается от остальных распределений. Но необходимо помнить, что число рассматриваемых событий в этой выборке чрезвычайно мало. При распаде не наблюдают молний, сила света которых оценивается меньше 10 Вт, а молнии, сила света которых оценивается более, чем лампочка в 500 Вт. составляют 9.5 % . Силу света более 500 Вт оценивают в 5.8 % наблюдателей в выборке, в которой наблюдатели видели появление и исчезновение шаровой молнии, в 4.5 %, при наблюдении в грозу и в 5.0 % при ее взрыве против 3,8 % в полной выборке. В таблице 6 представлена связь способа исчезновения шаровой молнии с грозовой активностью атмосферы. Таблица 6. Связь с грозой
Из таблицы видно, что в отсутствие грозы наблюдается почти треть распадающихся молний и только десятая часть исчезающих со взрывом. Следовательно, 90 % молний, исчезновение которых связано с их взрывом наблюдаются в грозу. «Взрыв» шаровой молнии чаше всего происходит при контакте с телами. Однако взрыв может оказаться совершенно безвредным. В работе [5] можно найти описания всех способов исчезновения объекта и объяснение механизмов его исчезновения. Заключение В 80-х годах прошлого столетия благодаря работам И.П.Стаханова был сделан существенный шаг в исследовании природы шаровой молнии. За короткий период времени, который составил менее полутора десятилетия, был четко идентифицирован объект исследования. Это произошло благодаря многочисленным свидетельствам очевидцев наблюдения шаровой молнии и анализу этих наблюдений. Собранные по заранее обдуманной методике и для вполне определенной цели, данные наблюдения составили статистически-значимый ансамбль. Тщательный анализ этого материала позволил не только описать явление и уточнить старые результаты, но как пишет И.П.Стаханов, «выделить и сформулировать вполне определенные его черты, которые хотя и представляются удивительными и необычными, но не противоречат фундаментальным законам физики». Первые подробные результаты обработки наблюдений и физические выводы, следующие из них, были опубликованы в монографии И.П.Стаханова [1], вышедшей в 1979 году. Выход монографии и многочисленные доклады на семинарах крупнейших физических школ страны, стимулировали интерес к проблеме. В 1981 году на Международной конференции по явлениям в ионизованных газах (ICPIG-15) проходившей в Минске И.П.Стахановым был прочитан доклад «Наблюдения шаровой молнии», посвященный обработке наблюдений. Там же И.П.Стаханов обратил внимание на доклад И.В.Подмошенского о коагулирующих структурах. Этот доклад в дальнейшем лег в основу работы об аэрозольной природе шаровой молнии [6], которую рецензировал И.П.Стаханов. К рецензированию работ по проблеме шаровой молнии он относился очень серьезно, его рецензии улучшали работы авторов, способствуя публикациям на эту тему в рецензируемых физических журналах (например, в ЖТФ). И.П. Стаханов тесно работал с А.И. Григорьевым (Ярославский Университет), который тоже, начиная с 1978 года, собирал информацию о наблюдениях шаровой молнии. В 1986 году в июле, впервые в рамках Академии Наук СССР, была проведена Выездная сессия Секции газового разряда Координационного Совета АН СССР по проблеме «Физика низкотемпературной плазмы» по теме: Физика долгоживущих плазменных образований и шаровой молнии. Эта конференция проходила в Ярославле и была подготовлена Оргкомитетом в составе А.И. Григорьева, И.В. Подмошенского, О.А. Синкевича и И.П.Стаханова. Сессия констатировала, в частности, накопление наблюдательного материала (~ 6000 описаний, А.И. Григорьев, И.П.Стаханов) и наличие электрических проявлений шаровой молнии (И.П.Стаханов) [7]. К этому времени уже вышло второе, значительно переработанное издание монографии И.П.Стаханова [1]. В этом издании впервые в литературе отдельными параграфами были описаны электрические явления, сопровождающие шаровую молнию, и достаточно подробно рассмотрены случаи наблюдения шарообразных объектов в установках, созданных человеком. Обо всем этом можно было бы не упоминать, если бы не некоторые публикации появившиеся в периодической (и не только) печати после смерти И.П.Стаханова. Не вдаваясь в подробности, укажем только на одну из них, опубликованную в УФН [8]. Эта обзорная статья принадлежит Б.М. Смирнову и содержит столько неточностей и подтасовок, что составляет предмет отдельного разговора. В ней присутствуют и явные ошибки. Публикации этого автора в столь солидном издании позволили ему выйти на международную арену с данными И.П.Стаханова и гипотезой И.В.Подмошенского, которую он назвал фрактальной, и ввести в заблуждение мировую научную общественность. В появившейся в 1999 году монографии английского автора M. Stenhoff’a [9] нет упоминания ни об обработке И.П.Стаханова, ни о результатах этой обработки. А между тем, данные И.П. Стаханова (как и его монография) являются уникальным банком данных о наблюдениях шаровой молнии. Еще подчеркнем, что не столько результаты статистической обработки наблюдаемых данных, сколько физические выводы являются основой работ И.П.Стаханова по проблеме о природе шаровой молнии. Эти физические выводы поставили задачу в разряд научных и стимулировали развитие исследований природы этого объекта. Основной задачей настоящего времени является не сбор информации о наблюдениях неподготовленного очевидца, а постановка эксперимента по получению аналога удивительного физического явления. В этом смысле представляется важным изучение последней работы И.П.Стаханова [5] и пятой главы его монографии [1], в которой даны рекомендации к возможному эксперименту (1985, 1996гг.). Предложенная работа является продолжением одного из направлений исследований И.П.Стаханова по проблеме шаровой молнии. Данные наблюдений представлены в виде многомерного вектора в пространствах свойств шаровой молнии и обстоятельств ее наблюдения. Разработанная программа расчета наблюдаемых характеристик шаровой молнии позволяет исследовать характеристики объекта в различных сочетаниях и в зависимости от разного рода обстоятельств. Для больших, содержащих более 400 - 500 событий, выборок наблюдаемые характеристики шаровой молнии идентичны. Они слабо зависят от различного рода обстоятельств, характеризующих условия наблюдения, само явление или наблюдателя. Из наших обширных данных мы не смогли выделить группы с четкими границами, различающихся по ряду параметров так, чтобы можно было говорить о разных типах шаровой молнии. Несколько отличающиеся результаты при исследовании явления при распаде шаровой молнии возможно связаны не с явлением, а с недостаточным статистическим материалом: 108 сообщений в полной выборке. Таким образом, пока нет оснований сомневаться в том, что шаровая молния представляет собой единое явление, с единой физической природой. Литература
PROPERTIES OF THE BALL LIGHTNING DEPENDING ON CIRCUMSTANCES THAT CHARACTERIZE THE PHENOMENA.I.G.Stakhanova Pushkov Institute of Terrestrial Magnetism, Ionosphere and Radio Wave Propagation RAS, (IZMIRAN) stakh@izmiran.ru In this paper, we consider the observed characteristics of the ball lightning depending on circumstances that characterize the phenomena, i.e. on its mode of occurrence and disappearance, and on the thunderstorm activity and connection with a season. The observed properties of the object were estimated quantitatively. A conclusion can be drawn that differences in properties are virtually absent. |
Добавить документ в свой блог или на сайт
Похожие:
 | Моделирование шаровой молнии с помощью электрического разряда через... А- научно-исследовательский институт радиофизики при Санкт-Петербургском государственном университете, 198504,с-пб,Ульяновская 1 | | Использование ультразвука в медицине Это явление было названо пьезоэлектричеством (от греческого «пьезо» – «давлю»), а материалы с такими свойствами – пьезоэлектриками.... |
| Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Гроза – природное атмосферное явление, при котором в мощных кучево – дождевых облаках и между облаками и землей возникают сильные... | | Строение атома. Химическая связь «свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величин атомных весов... |
 | Урок по теме «Правда о молнии». ( природоведение 5 класс). Задачи урока Сформировать знания об электрической природе молнии ( причинах возникновения, скорости, силе электрического разряда, видах, др),... | | «Обособление обстоятельств, выраженных одиночными деепричастиями и деепричастными оборотами» Цель урока: систематизация сведений об обособлении обстоятельств, выраженных одиночными деепричастиями и деепричастными оборотами;... |
| Свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов... Вопросы к зачету по дисциплине «Методология и организация научных исследований» для магистратуры 2011\12 уч г | | Обстоятельство. Способы его выражения основные виды обстоятельств Цель: расширить представления учащихся об обстоятельстве, познакомить с основными видами обстоятельств и способами их выражения;... |
| Учебник: «Биология: Животные» 7 класс, по редакцией Никишова А. И., Шаровой И. Х. «Владос» Учебник: «Биология: Животные» 7 класс, по редакцией Никишова А. И., Шаровой И. Х. «Владос», 2005 | | Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Государство — сложнейшее и противоречивое общественное явление, отражающее во взаимосвязях с людьми многообразные свойства и грани,... |
| Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Образовательная: Продолжать формирование представления об аметропии. Сравнить строение и свойства алмаза и графита, познакомить учащихся... | | Николай иванович лобачевский Он высказал замечательные мысли, что геометрические свойства должны находиться в зависимости от движения материи и действующих сил.... |
| 4. Классификация информационных систем Под объектом понимается любой предмет, процесс, явление материального или нематериального свойства. Задача классификации — создать... | | Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... ... |
| Конспект урока по физике Явление электромагнитной индукции. Фио (полностью)... Информационный модуль «Явление электромагнитной индукции» демонстрирует на экране | | Урок по теме «Логарифмы и их свойства» Цели урока: 1 Ввести определение логарифма, основное логарифмическое тождество, свойства логарифмов, учиться применять свойства логарифмов... |
