Шаровая молния – химический реактор?

Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком

Механизм шаровой молнии, этого удивительного феномена природы, до сих пор остается загадкой. Изучая показания тех, кто своими глазами видел шаровую молнию, ученые обратили внимание на одно важное обстоятельство. После исчезновения шаровой молнии наблюдатели замечали дымку коричневатого цвета, а некоторые отмечали явственно резкий освежающий запах в воздухе. Судя по свойствам известных газов, коричневатая дымка могла принадлежать двуокиси азота, а запах — озону. Это предположение осталось бы обычной гипотезой, если бы не один счастливый случай.

Как то научный сотрудник одного из московских институтов М. Дмитриев проводил отпуск на берегу реки. У него в рюкзаке были колбы, предназначенные для отбора проб воздуха в различное время суток. Владелец колб был специалистом в области физики атмосферы.

Вечером 23 августа началась сильная гроза. После мощного разряда линейной молнии спустя одну-две минуты появился красноватый шар. Он медленно двигался по направлению к Дмитриеву, стоявшему у палатки. Огненный клубок летел на высоте полутора метров, «фыркая» желтыми, зелеными, фиолетовыми искорками: приблизившись к наблюдателю, шар поднялся выше, несколько секунд неподвижно парил, затем полетел дальше к деревьям. «Запутавшись» в ветках, шар начал интенсивно искрить и вскоре угас, растаял во влажном воздухе. (Подумалось, что о том как появляется шаровая молния можно было написать интересный реферат по физике, к слову реферат на подобную тему можно заказать на сайте https://referaty.diplombel.by/).

Движимый профессиональной любознательностью, Дмитриев бросился к рюкзаку, вытащил колбы и на высоте вытянутых рук взял пробы воздуха там, где пролетала шаровая молния. Вернувшись из отпуска, он тщательно исследовал в лаборатории состав проб воздуха. Содержание в них озона и окиси азота оказалось аномально большим!

Дымка, запах озона, результаты количественных измерений — все говорило в пользу того, что внутри шара протекают какие-то химические процессы. Оставалось, правда, неясным, почему свечение шаровой молнии столь длительно — от нескольких секунд до минут. В то же время разряд обычной линейной молнии длится сотые — десятые доли секунды. И еще — какой источник внутренней энергии питает шар?

Ученые предложил новую модель шаровой молнии. В своих расчетах они опирались на данные о скоростях процессов, за счет которых внутренняя энергия шаровой молнии превращается в тепловую. Оказалось, что из всех известных моделей этого явления лишь химическая дает результаты, хорошо согласующиеся с наблюдаемым временем жизни шаровой молнии.

Подходящим хранителем энергии, вероятно, является озон. Этот газ образуется в канале разряда линейной молнии, где температура порядка 20 000°С. Однако озон — вещество неустойчивое и легко разлагается. При разложении молекул озона выделяется энергия, аккумулированная ими из линейного разряда. В результате температура в объеме воздуха, где накопился озон, резко возрастает. Визуально это наблюдается как внезапное появление огненного шара.

Температура в чреве шара достигает, по приближенным оценкам, 1500—2000°С. При столь высокой температуре молекулы азота, входящие в состав воздуха, становятся химически активными и взаимодействуют с кислородом. В результате образуются окислы азота, которые в отличие от озона являются термически устойчивыми даже при 2000°С.

Казалось бы, все просто. Да не совсем — окислы азота, по идее, способны разрушать озон. В какой мере, — с этой целью и были поставлены эксперименты. Они подтвердили данные вычислений, которые для времени жизни системы «озон + окись азота» давали величины от 14 до 2400 секунд.

Единственное, что остается неясным, это механизм свечения шарового клубка. Предполагают, что в озон попадает какой-то газ, который ускоряет разложение озона, вызывая свечение.

P. S. В целом изучение принципов работы шаровой молнии настолько интересно, что этой теме можно было бы посвятить не только реферат, но и даже дипломную работу по физике. А специалисты https://diplombel.by/ помогут в написании подобной работы даже на столь необычную тему.

Автор: В. Судейченко, кандидат технических наук.