Наблюдение оптических и спектральных характеристик шаровой молнии

Наблюдение оптических и спектральных характеристик шаровой молнии

Публикуем перевод на русский язык фундаментальной работы китайских исследователей, впервые в мире в 2012 году на плато Цинхай изучивших спектральные характеристики шаровой молнии. Сама статья вышла сравнительно недавно, в 2014 году, но уже стала одной из самых цитируемых в этой области знаний. Этой публикацией мы также открываем новый раздел на сайте, где планируем выложить еще несколько знаковых, но слабо известных в русскоязычном сегменте интернета, исследований зарубежных специалистов по шаровой молнии.

Очень извиняюсь, но.. 

"Самая последняя из теорий внутренней энергии была предложена Абрахамсоном и Динниссом (Abrahamson and Dinniss) [7], и предполагает, что ШM выбрасывается ОЗ-молнией, попадающей в почву, в форме нитевидных сетей." 

Что такое "ОЗ- молния"?  ( про "нитевидные сети" я спрошу после).  Кажется, перевод таких статей или перевод такого уровня размещать на данном форуме нежелательно. Причины: кто не знает иностранных языков - не поймет смысл перевода. А те, кто владеет иностранным языком первоисточника - будет шокирован смыслом (?) перевода.

Выше есть расшифровка аббревиатуры ОЗ.

41 минуту назад, Butoff сказал:

Выше есть расшифровка аббревиатуры ОЗ.

 "Как правило, шаровую молнию связывают с грозами, либо она рождается сразу после удара линейной молнии от облака к земле (ОЗ)," 

Вы это серьезно?! Это " аббревиатура"? 

Однако..

"Самая последняя из теорий внутренней энергии была предложена Абрахамсоном и Динниссом (Abrahamson and Dinniss) [7], и предполагает, что ШM выбрасывается ОЗ-молнией, попадающей в почву, в форме нитевидных сетей. Медленное окисление наночастиц кремния обеспечивает внутреннюю энергию для ее существования" 

- То есть линейная молния при ударе об землю вызывает "медленное окисление наночастиц кремния"? И как бы хотелось бы узнать насколько энергетически выгоден процесс получения энергии из кремния путем окисления его наночастиц под воздействием электрического заряда. Как бы кремний - не самый активный химический элемент. Я что- то совсем не понимаю о каком физико- химическом процессе идет речь? 

Для начала в дополнение: в чистом виде кремний ( а соответственно его "наночастицы" в природе не встречается ( только в редчайших случаях!). Элемент очень распространен на нашей планете.. Согласно Википедии: 

"Содержание кремния в земной коре составляет по разным данным 27,6—29,5 % по массе. Таким образом, по распространённости в земной коре кремний занимает второе место после кислорода. Концентрация в морской воде 3 мг/л[4].

Чаще всего в природе кремний встречается в виде кремнезёма — соединений на основе диоксида кремния (IV) SiO2 (около 12 % массы земной коры). Основные минералы и горные породы, образуемые диоксидом кремния, — это песок (речной и кварцевый), кварц и кварциты, кремень, полевые шпаты. Вторую по распространённости в природе группу соединений кремния составляют силикатыи алюмосиликаты.

Отмечены единичные факты нахождения чистого кремния в самородном виде[5]."

Так что же получается? Шаровая молния ударяет от облака об землю ( "ОЗ"), которая содержит наночастицы чистого кремния. Которые окисляются ( медленно!) и тем самым дают энергию шаровой молнии? То есть

процесс окисления кремния под действием электрического разряда ( линейной молнии) идет медленно и затем энергия окисления выделяется в виде шаровой молнии?!

Самая последняя из теорий внутренней энергии была предложена Абрахамсоном и Динниссом (Abrahamson and Dinniss) [7], и предполагает, что ШM выбрасывается ОЗ-молнией, попадающей в почву, в форме нитевидных сетей. Медленное окисление наночастиц кремния обеспечивает внутреннюю энергию для ее существовани

Сейчас как раз готовится перевод статьи с изложением сути этой гипотезы, тогда станет понятнее. Думаю есть смысл чуть-чуть подождать. 

В 16.05.2020 в 21:33, Butoff сказал:

теория...предполагает, что ШM выбрасывается ОЗ-молнией, попадающей в почву, в форме нитевидных сетей. Медленное окисление наночастиц кремния обеспечивает внутреннюю энергию для ее существовани

и опять(как наяву).... вспомнился тот  случай , "взрыв в пригребице"....

ну уж очень всё подходит под эту теорию....даже как-то .... не по себе, если так оно и есть.....

Извините, но как- то всё это звучит дико с точки зрения химии. Я уж не могу судить о тонкостях этой науки..Но " внутреннея энергия" объекта подразумевает, что это энергия содержится внутри самого объекта в химическом или каком- то ином виде. Тут какое- то странное аномальное явление в самом переводе. Это "подстрочник"?  

Давайте еще раз попытаемся разобраться на более "народном уровне" в цитате 

В 16.05.2020 в 21:33, Butoff сказал:

Самая последняя из теорий внутренней энергии была предложена Абрахамсоном и Динниссом (Abrahamson and Dinniss) [7], и предполагает, что ШM выбрасывается ОЗ-молнией, попадающей в почву, в форме нитевидных сетей. Медленное окисление наночастиц кремния обеспечивает внутреннюю энергию для ее существовани

1. Насколько я понимаю, речь идет о "внутренней энергии" шаровой молнии, не так ли?

То есть "шаровая молния выбрасывается ударом об землю ( " ОЗ") обычной линейной молнией, попадающей в почву. Которая уже содержит наночастицы кремния ( чистого , а не оксида?!) , которые окисляются медленно и тем самым дают энергию шаровой молнии?! 

И при этом линейная молния ударяет об землю в виде "нитевидной сети"?! 

Нет, я что- то не понимаю.. 

Возможно, что и "готовится перевод этой статьи".. и даже пусть и о сути "данной гипотезы". Однако, сама гипотеза пока что звучит весьма странно. Я ни разу не эксперт, но по сути это всё как бы выглядит в стиле " масса электрического тока ударяется об землю, окисляет наночастицы кремния ( который в чистом виде практически не бывает! ),  причем окисляет МЕДЛЕННО(?!) при длительности разряда линейной молнии 0,2 мс( согласно распространенным данным)   и так уже окисленный кремний ( ну не бывает чистого кремния практически! ) и этот окисляемый кремний потом формирует шаровую молнию?! По аналогии вода как оксид водорода начинает гореть?! 

Судя по "аннотации" или сама аннотация переведена именно "  подстрочно гугло- переводчиком без мозгОв", или сам будующий материал является эпохальным открытием, переворачивающим все основы физики и химии. 

В первом случае - такие "презентации" просто вызывают недоумение у любого химика.  И требуют перед публикацией "литературно- художественной" обработки специалистом  ( как и большинство технических переводов). 

Во втором случае это уже.. Новая Альтернативная Энергетика! 

Ну, подождем выхода "развернутого варианта". Интересно..

Цитата

или сама аннотация переведена именно "  подстрочно гугло- переводчиком без мозгОв",

Перевод не был сделан гуглом. М. А. Дебелый - соавтор многих наших материалов на сайте (уже выложенных и тех, что будут выложены), долгое время работал в Швейцарии в лаборатории отдела биохимии Фрибурского университета, прекрасно владеет разговорным английским и знаком с техническими терминами. Сам он кандидат биологических наук, но, обращу внимание, работал с техникой, в том числе на высокоэффективном газовом хроматографе Hewlett-Packard 5890 с масс-спектрометрическим окончанием. Увлекается темой шаровых молний и сотрудничает с исследовательской группой из Флориды, которая занимается изучением шаровых молний. Перевод конечно не идеальный, но с моей точки зрения вполне сносный. Если вы можете предложить лучший перевод для "нитевидных сетей", пожалуйста. Вы не первый год на форуме, знаете как тут устроено - предложите и мы заменим (статья на английском ниже).

То, что статьи должны редактироваться техническими специалистами - это безусловно да! Но где взять спецов по шаровой молнии? Вполне может быть, что термин вообще никогда до этого не переводился на русский язык (я с таким встречался). То есть переводчику тут фактически приходится самому предлагать варианты. Вот я знаю единственного специалиста по шаровым молниям в России - А. Чистолинова. Мы познакомились в Москве и он сказал, что будет помогать, консультировать. Оказался очень позитивным и пообещал даже поучаствовать в работе форума. После я ему высылал статью на рецензию и "техническую редактуру". Ждал несколько месяцев, снова писал, звонил, снова ждал. В итоге он так и не выполнил техническую редактуру - дико извинялся и сказал, что очень мощная загрузка на работе. Поэтому увы и ах - придется пока оставить как есть либо может у вас есть кто-то из знакомых, кто может помочь? Обещаем внести все правки такого специалиста.

ПС: В статью добавлены дополнительные материалы, которых вчера не было (две фотографии в конце).

cen2014.pdf

К сожалению, знакомых у меня с свободным владением технического английского вроде как нет. Да и тут надо еще и знание физики.  Сам сталкивался с "прелестями" некоторых переводов (речь шла о технических инструкциях на аппаратуру). От прочтения местами олосы дыбом вставали и только практически удавалось "методом тыка".. 

Но в данном случае проста сами "основы" с точки зрения физики и химии звучат как-то странно. Даже понятие "наночастицы кремния" .. Я попытался вчера поискать некоторые материалы по кремнию и смысл самой статьи от этого ну ни разу не прояснился. Потому что с первых же слов УЖЕ ряд странных понятий. Это как бы всю жизнь знаешь что вода является конечным продуктов окисления водорода, и вдруг тут "вода горит".  Непонятно что за  "нитевидные сети".  Я могу это с натяжкой понять (может быть) как "нитевидный разряд".  То есть разряд линейной молнии разбивается на множество отдельных тонких разрядов ? Но при этом почему же "наночастицы кремния" не сплавляются от сверхвысокой температуры?! Ведь при ударе молнии в песок получается фульгурит (т.н. "Громовая стрела").  А дальше читать уже как-то нет желания. Потому что это как детектив без начала

Ну, посмотрим что другие скажут. 

А вот предложить свой более адекватный перевод я конечно не могу. Так как знанием английского явно похвастаться не могу, да и даже очень хороший лингвист вряд ли сможет. Потому что тут надо именно понимать идеи автора. Можно (например) правильно перевести футы в сантиметры, физические величины (еденицы сопротивления, силы тока и напряжения ) универсальны во всем мире. Но вот этот текст.. явно с самого начала как-то "нестандартен". 

Это как бы "Вы знаете, приготовить марсианский суп довольно просто! Берем 1 кг шенской апарии, растираем с корнем букубвы и варим в течении 30 минут". Что такое "суп" мы понимаем, а вот ингридиенты нам неизвестны. Примерно так.. 

О! Вспомнил что относительно недавно читал о получении спектра ШМ китайскими учеными. Сейчас погуглил и сразу же нашел более понятный и внятный текст . https://m.gazeta.ru/science/2014/01/21_a_5857533.shtml

Тут уже понятно о чем идет речь.

По сути : 

"

Авторы считают, что результаты их наблюдения могут стать экспериментальным доказательством теории новозеландского физика Джона Абрахамсона, который занимался изучением шаровых молний. В 2000 году он предположил, что шаровая молния возникает, когда обычная молния ударяет в поверхность земли и испаряет составляющие ее элементы. Абрахамсон полагал, что, если в земле присутствует углерод, например в составе опавших листьев, он способен отнимать кислород из оксида кремния, замедляя процессы окисления.

«Это наблюдение молнии имеет все предсказанные особенности нашей теории», — прокомментировал Абрахамсон наблюдение китайских ученых."

Цитата

ШM выбрасывается ОЗ-молнией, попадающей в почву, в форме нитевидных сетей

В оригинале это "BL is ejected by a CG lightning striking the soil, in the form of filamentary networks". "ОЗ-молнией, попадающей в почву" на русский следовало перевести просто как "грозовой разряд облако-земля, попадая в почву". Есть и другие типы разрядов, например облако-облако или внутриоблачные, со своими сокращениями:  https://www.nssl.noaa.gov/education/svrwx101/lightning/types/ Но в русском языке они не применяются и не переводятся, насколько я знаю.

И путаница возникла с прочтением предложения, "нитевидные сети" здесь относятся не к разряду молнии, а к строению самой ШМ, лучше написать так: "грозовой разряд облако-земля, попадая в почву, выбрасывает ШМ в виде сплетений нитевидных наноструктур". По видимому, иногда при ударе молнии появляется нечто вроде природного аналога минеральной ваты, но из нитей намного тоньше и нити эти затем "воспламеняются".

Ну а про кремний и в Википедии написано: 

"Малая активность кремния. При нормальных условиях кремний химически малоактивен и активно реагирует только с газообразным фтором, при этом образуется летучий тетрафторид кремния SiF4. Такая «неактивность» кремния связана с пассивацией поверхности наноразмерным слоем диоксида кремния, немедленно образующегося в присутствии кислорода, воздуха или воды (водяных паров)".

По сути здесь та же история, что и с алюминием, который химически активен, но сразу же покрывается защитным слоем оксида. Но, чем мельче частицы, тем активнее любая реакция идет, ведь при том же весе материала общая площадь поверхности частиц, на которой реакция и происходит, увеличивается на порядки. Если речь о наночастицах, то даже этот "наноразмерный слой диоксида кремния" проникнет на всю толщину частицы, т. е. в итоге весь объем материала сможет прореагировать и окислится.

Про эту статью писали еще здесь: https://elementy.ru/novosti_nauki/432175/Vpervye_poluchen_spektr_svecheniya_sharovoy_molnii

"...Все эти элементы являются основными составляющими вещества почвы. Их присутствие в светящейся области означает, что важную роль в свечении играет именно вещество почвы, которое испарилось от удара обычной молнии. Это, в свою очередь, может служить аргументом в поддержку одной из теорий происхождения и механизма свечения шаровой молнии. В ней энерговыделение и вызванное им свечение объясняются как результат постепенного окисления облака наночастиц кремния или его моноксида, поднимающихся из почвы после удара молнии. При таком объяснении шаровая молния — это всего лишь процесс догорания высокодисперсного твердого горючего вещества. Надо сказать, что подобные светящиеся образования были получены и экспериментально при пропускании электрического разряда в присутствии чистого кремния, однако до сих пор оставался открытым вопрос, имеют ли эти экспериментальные результаты отношение к природной шаровой молнии. Новые спектрографические измерения дают повод считать, что да, имеют. Это, конечно, еще не дает окончательного объяснения всем загадкам явления, но по крайней мере указывает способ его получения..."

Asket! Спасибо! Теперь уже более понятен смысл всей этой "оперы". Да уж, при переводе иногда возникают аномалии похлеще ШМ

Хотя в остальном конечно всё зыбко и туманно. Как бы электрический разряд ( вольтова дуга) широко известна и используется весьма широко. В том числе и в спектроскопии повсеместно. Конечно, тОки там не столь грандиозные как в линейной молнии, но при анализе любого вещества его атомы  образуют облако и при этом ШМ не образуется. Даже если анализируемый образец содержит кремний.Гипотеза о догорании мелкодисперсного вещества=шаровая молния может быть и интересна, но мало чего объясняет. Я вообще удивился бы, если после удара молнии в песок ( сиречь кремний) не образовывалось бы облако из атомов этого кремния и всего из того, что было в почве. И потому можно предположить, что кремний в составе ШМ - просто случайная примесь. По принципу "во что ударила молния - то вещество и распылено".  Если в песок- будет кремний. Ударит в опору  электропередачи - будет и медь, и железо. Тут надо иметь статистику получения таких спектрограмм ( "а где возьмешь?!" (С) ). 

Внесли правки. Но в такой форме, как предложил Аскет они делали предложение бессмысленным набором слов. Немного изменили.

Цитата

Но в русском языке они не применяются и не переводятся, насколько я знаю.

Любой автор в своей статье может предложить сокращение (аббревиатуру) для любого часто повторяющегося слова или словосочетания. Поэтому ОЗ тут вполне корректно использовать (главное не забыть оговорить что ты сокращаешь в тексте). 

Выкладываем здесь перевод, который стал камнем преткновения выше.

Шаровая молния является проявлением окисления сетей наночастиц образуемых при ударах обычных молний по почве

Джон Абрахамсон и Джеймс Диннисс (John Abrahamson & James Dinniss)

Химико-технологический факультет, Кентерберийский университет, Приват Бэг 4800, Крайстчерч, Новая Зеландия

Встречи с шаровой молнией описывались веками, но происхождение этого явления остается загадкой. «Среднестатистическая» шаровая молния выглядит как сфера с диаметром в 300 мм, сроком жизни около 10 с и яркостью, подобной лампе мощностью в 100 Вт [1]. Она свободно плавает в воздухе и заканчивает свое существование либо взрывом, либо просто исчезает из поля зрения. Шаровая молния почти всегда возникает в штормовую погоду [2, 3]. Было предложено несколько источников энергии [2–4] для объяснения свечения шаровой молнии, но ни одна из этих моделей не смогла объяснить все наблюдаемые характеристики явления. Здесь мы приводим модель, которая потенциально учитывает все эти свойства, и которая имеет некоторую экспериментальную поддержку. Когда обычная линейная молния попадает в почву, химическая энергия накапливается в наночастицах Si, SiO или SiC, которые выбрасываются в воздух в виде нитевидной сети (filamentary network). Поскольку частицы медленно окисляются на воздухе, накопленная энергия выделяется в виде тепла и света. Мы исследовали этот основополагающий процесс, подвергая образцы почвы воздействию разряда, подобного молнии, в результате чего образовывались цепочки скоплений наночастиц: эти частицы окислялись со скоростью, подходящей для объяснения срока жизни шаровой молнии.

Вдали от зданий материалом, наиболее часто встречающимся на пути удара молнии, является дерево, а затем почва. После взаимодействия с песком или почвой молния оставляет твердые трубчатые или комковатые включения (фульгуриты), что указывает на то, что разряд проник под поверхность земли и что объект контакта расплавлен. Если почвы или корни деревьев рассматриваются как тонкая смесь кремнезема и углерода, то при такой высокотемпературной обработке ожидается химическое восстановление до металлического кремния, оксида кремния или карбида кремния с последующим окислением кислородом из воздуха.

Такое восстановление смеси C/SiO₂ с использованием электрической дуги обычно используется в промышленности. Жидкий кремний является доминирующей равновесной конденсированной фазой при температуре около 3000 К [5] для молярных отношений C/SiO₂, равных 1–2, с твердым SiC, ожидаемым для отношений > 2. Это отношение может варьироваться от 0,1 до около 2 для минеральных почв, и намного выше для дерева. Металлический кремний был обнаружен в осадке силикатного стекла рядом с обугленным корнем дерева после сильного удара молнии.

Такие процессы быстрого охлаждения часто дают частицы нанометрового размера [7, 8]. Для воздействия молнии на почву или смесь грунт/дерево с соотношением C/SiO₂, равным 1–2, мы ожидаем, что выделившимися частицами будут Si и SiO (образующимися в результате конденсации доминирующих частиц пара [5]), и при этом SiC и сажа будут доминировать для C/SiO₂ > 2. Большинство суспензий наночастиц находятся в форме агрегатов цепей [9], которые простираются туда, куда заряженные частицы устремляются под влиянием своих «соседей» [10] (в условия более высокого заряда и количества частиц, а также меньшего количества газообразных ионов, как при более низких температурах пламени). Заряд на растущей цепи может вызывать дендримероподобную структуру (прим. перев: под дендримероподобной структурой, подразумевается наноструктурное квази-макромолекулярное образование с регулярным симметричным древообразным  ветвлениям ветвей), растущую из центра.

Возможные размеры предполагаются следующими наблюдениями в спокойном воздухе. Структуры нитевидных частиц размером 50 мм были обнаружены [11] после испарения металла на воздухе в присутствии электрических полей. Ранние работы с заряженными аэрозолями [12] показали образование сферической сетевой аэрозольной суспензии диаметром 200 мм.

Совсем недавно были предложены сети частиц [13] в качестве общей основы для шаровой молнии (причем на агрегацию которых влияет поле растущего шара [1]), но при этом не были четко сформулированы предложения о протекании химической реакции. Было также предложено окисление частиц меди [14], но этот процесс происходит по периметру сферы воздуха несущей частицы (прим. перев.: к примеру, периферические ветви медного дендримера соприкасаются с кислородом воздуха; при этом внутренняя полость дендримера, согласно модели, с кислородом воздуха не соприкасается; но это лишь пояснение на примере, поскольку в данной модели, структура сети или увеличение скорости реакции окисления на поверхности частиц не приводятся): структура сети или ограничение скорости реакции на поверхности частиц при этом не упоминалась.

Сеть наночастиц Si/SiO/SiC будет иметь большую поверхность, и можно ожидать, что она будет быстро окисляться, и даже взрываться. Тем не менее, мы подчеркиваем, что скорость окисления будет ограничена необходимостью диффузии кислорода через разветвляющийся слой SiO₂ в металл (или карбид) под ним. Лабораторные исследования окисления на поверхностях кремния [15, 16] показывают, что и кислород, и вода являются реагентами, которые участвуют в реакциях окисления. Доминирует ли кислород или вода в реакции с кремнием, зависит от их парциальных давлений. SiC окисляется с такой же скоростью, что и Si [17].

Мы проверили наличие наносферных цепей после воздействия на почву разряда молнии. При применении 10–20 кВ DC (прим. перев.: постоянного тока) разряд проникал в трехмиллиметровый слой почвы, передавая до 3,4 Кл (прим. перев.: кулон) заряда. Отбор проб из воздушного пространства вблизи разряда приводил к образованию отложений на стекловолоконном фильтре и на сетке просвечивающего электронного микроскопа (ПЭМ), установленной на фильтр. Исследование этих отложений с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) показало «комковатые» нити (ширина 100 нм, длина 10 мкм) между стеклянными волокнами фильтра. ПЭМ в высоком разрешении (рис. 1) показал цепочечные агрегаты наносфер диаметром 5–70 нм. Более крупные сферы, несколько микрометров в диаметре, были собраны на всех фильтрах и имели общую массу, аналогичную наночастицам.

Несмотря на использование переноса заряда в диапазоне, наблюдаемом для ударов молнии [18], мы не наблюдали ни одного светящегося шара. При более высоких уровнях мощности образец почвы всегда полностью выдувался в радиальном направлении.

Казалось маловероятным, что сеть из тонких длинных нитей сможет пережить ударную волну разряда. Если наблюдаемые нити составляют основу шаровой молнии, они должны каким-то образом избегать этой ударной волны. Однако удары молнии в землю проникают в более глубокий слой почвы, чем в наших экспериментах. Радиальное рассеивание пара/горячих частиц затем затормаживается окружающей почвой. Вместо этого горячий материал из полости фульгурита рассеивался в воздухе после снижения ударного давления.

Это действие полости фульгурита было смоделировано [19] с помощью вакуумированной камеры с отверстием в атмосферу, которое было временно закрыто разрушаемой диафрагмой. Высоковольтный разряд воздействовал на материалы стенок камеры (лед и пластик), разрушая диафрагму. Испускался светящийся сферический шар (диаметром 150–400 мм), который сохранялся в течение нескольких миллисекунд [19].

Рисунок 1. ПЭМ-микроснимок цепочки наночастиц, отобранных из среды разряда. Эти частицы осаждались на никелевой решетке после отбора проб газового пространства над разрядом 14,9 кВ на иловой суглинистой почве, содержащей 12,5% углерода. Грунт был размещен в слое на плоской проводящей (графитовой) основе под вертикальным графитовым электродом с зазором 22 мм до грунта, и заряд в 3,0 °С передавался с конденсатора 204 мкФ. Удлиненные цепи состоят из сфер диаметром 5–70 нм; ширина цепи составляет 25–125 нм. Таким образом, были исследованы шесть прогонов наибольшей мощности с тремя почвами. Все показали аналогичные результаты, кроме одного, показывающего только более крупные частицы.

Эти наблюдения показали все признаки «вихря в кольце дыма» (smoke-ring vortex), тороидального вихря, образуемого внезапным выбросом жидкости через круглое отверстие [20]. Ожидалось, что вихрь над полостью фульгурита образует свое собственное сферическое пространство покоя, что позволит сформировать тонкие нити. Выбранные нами вышеуказанные материалы (пески) [19] не содержали металлических элементов, что исключало какое-либо долгоживущее окисление и светимость. И при этом наночастицы сажи в результате пластического пиролиза окислились бы в течение нескольких миллисекунд.

Шаровая молния обычно сферическая и демонстрирует упругое поведение. Это согласуется с наблюдаемыми упругими свойствами цепочек наночастиц [9].

Кроме того, отталкивание одинаковых зарядов частиц будет препятствовать тому, чтобы сеть сама по себе разрушалась, а те частицы, которые находятся на поверхности шара, создают эффект поверхностного натяжения шара [1], восстанавливая сферическую форму после деформаций, вызванных воздействием твердых препятствий (прим. перев.: имеется в виду то, что одним из свойств шаровой молнии является упругий отскок от твердых предметов, с сохранением формы шара, и полным отсутствием какой-либо видимой деформации).

Шар обычно следует за ветром, но электрические силы (вызванные взаимодействием, например, с соседними проводниками) также могут быть важны.

Наша количественная модель для шаровой молнии, заполненной сеткой, предполагает незначительную разницу температур между сеткой и заключенным в шаровую молнию газом, а также незначительное локальное относительное движение между сетью и газом. Концентрация наночастиц Si может иметь максимальное значение, при около 100 г м^-3, полученных из паров Si при давлении в одну атмосферу и температуре в 3000–5000 К [5] и охлаждении до примерно 1000–1500 К.

Струя исходящая из фульгурита (прим. перев.: во время попадания линейной молнии в почву образуется минерал фульгурит, который, еще будучи расплавленным, будет выплескиваться из фульгуритного канала под воздействием расширяющихся газов и плазмы) также захватит твердые нерасплавленные частицы почвы во время выплескивания вещества из канала фульгурита) неопределенное количество неиспаренных частиц почвы (микрометрических размеров) со стороны канала.

При смешивании они быстро охладят струю до определенной конечной температуры. Если образующийся шар будет иметь нейтральную плавучесть (как это обычно и наблюдается), дополнительная нагрузка почвы составит около 800 г м^-3. Предполагается, что частицы почвы расплавляются, как это наблюдалось в нашем исследовании СЭМ, и присоединяются к сети при этом увеличивая удельную теплоемкость шара.

Мы выбрали диаметр шара в 300 мм (в пределах диапазона размеров светового выброса фульгурита [19], равного среднему наблюдаемому размеру шаровой молнии [1]).

Переходный (симметричный) температурный профиль T внутри шара может быть оценен по сохранению энергии для тонкой оболочки шара между радиусами r и r+dr за интервал времени dt:

(rC_p)_ball(4pr²dr)dT_rise = (-d(4pr²q) + H(4pr²dr)dt         (1)

Где тепловой поток q определяется как q = - kdT/dr, а k, r, C_p – теплопроводность, плотность и удельная теплоемкость шара; H – выделение тепла на единицу объема. Уравнение (1) было интегрировано с использованием программного обеспечения для работы с электронными таблицами, а значения свойств основаны на следующих предположениях. Температурные профили в разное время плоские, за исключением резкого падения вблизи поверхности. Таким образом, внутренняя часть шара не подвержена тепловым потерям с поверхности в течение вероятного срока жизни шара. На рис. 2 показана температура центрального плато шара диаметром D = 300 мм, сформированного из сфер 25 нм, как функция времени для трех начальных температур. Экспоненциальный рост H с температурой приводит к резкому увеличению примерно через 3–30 с для начальных температур 1400–1200 К. Здесь модель предсказывает резкий и интенсивный конец жизни шара. Когда температура поднимается выше 1700 или 2000 К, кремний или диоксид кремния будут плавиться, что ускоряет окисление и разрыв сети. Но для более низко-реактивных металлических нагрузок (например, шаровая молния из низкоуглеродистых почв) температура плавления может быть не достигнута, если шар исчез из поля зрения. При более низких начальных температурах шар может стать видимым только на более позднем этапе его срока жизни, который может быть через несколько минут, так что его нелегко связать с формирующим ударом молнии. Предполагается, что перенос излучения не оказывает существенного влияния на энергетический баланс шара (это обсуждается ниже). Где k шара считается воздухом, игнорируя вклад твердых частиц (и имеет небольшое сечение). Потеря энергии извне происходит естественной конвекцией. Диссипация энергии H увеличивается по мере увеличения площади поверхности наносфер, используя раннюю (постоянную) скорость на м² для плоских поверхностей кремния¹⁵. Любая сажа уже будет окислена вскоре после образования шара. Наночастицы SiO или SiC не рассматриваются в этих численных результатах, но будут окисляться подобно Si (или SiO, с более низкой теплотой окисления [21]). Наконец, H не ограничивается диффузией кислорода в шар; то есть мольная доля газообразного кислорода остается постоянной на всех радиусах шара (превосходное приближение при < 1400 K).

Рисунок 2. Температурная история шаровой молнии диаметром 300 мм, предсказанная нашей моделью сети наночастиц. Температура центральной области дана для начальных температур 1200, 1300 и 1400 К. Шар имеет нагрузку 100 г м^-3 Si в сферах 25 нм. Время жизни до плавления составляет около 30, 10 и 3 с соответственно. Для температуры 1473 К скорость тепловыделения оценивается в 79,0 кВт на м³ объема шара. Скорость была скорректирована для парциальных давлений O₂ и H₂O, что привело к росту оксида на 0,10 нм с^-1 при 1473 K для любого реагента. Для оценки других температур использовалась энергия активации¹⁵ в 189 кДж моль^-1.

Приведенные выше допущения дают показатели потерь внешней энергии при конвекции 20–40 Вт для шара диаметром 300 мм, когда внутренняя температура достигает около 1450 К. Скорость выделения энергии окисления намного выше (здесь 1100 Вт) и в значительной степени поглощается нагреванием массы шара. Общая плотность химической энергии составляет 3,3 МДж м^-3, что находится в пределах очень приблизительных оценок наблюдений в 1,5–15 МДж м^-3 для средней шаровой молнии [1]. Прохладная внешняя поверхность и отсутствие воздействия от (лучистого) тепла являются естественными результатами этой модели, соответствующими общепринятым свойствам [2, 3]. Теперь рассмотрим эффективную светимость. Самое простое предположение состоит в том, что наносферы излучают или поглощают в соответствии с оптическими свойствами сыпучих материалов. Этого достаточно для частиц > 10 нм диаметром [22, 23]. Приближение Рэлея (Rayleigh's approximation) [23] для сечения поглощения сферы позволяет оценить линейный коэффициент поглощения a_abs суспензии наносферы для различных длин волн, используя перечисленные значения коэффициента экстинкции k и показателя преломления n для кристаллического Si, кристаллического SiO₂ и аморфного SiO [24]. Для 100 г м^-3 Si в форме Si, SiO или SiO₂ шар оптически прозрачен в видимом диапазоне значений длин волн (для Si на длине волны 600 нм, a_abs = 0,26 м^-1, поэтому a_absD = 0,08 << 1), что позволяет суммировать вклады всех наночастиц в излучение шара. Коэффициент излучения принимается равным коэффициенту поглощения.

Излучение является произведением излучательной способности и эмиссии черного тела e_b для каждой длины волны l; это дает резкий пик в красной части спектра как для Si, так и для SiO, поскольку dk/dl является отрицательным и противодействует положительному значению de_b/dl. При 1200–1400 К, 4,5–35 Вт излучается от всего пика Si, что соответствует 1,2–14 Вт в видимом диапазоне 400–800 нм. Вольфрамовая лампа накаливания мощностью 100 Вт (наблюдаемое медианное распределение [1]) испускает 8 Вт в видимой части (с нитью накала в 3000 К), что соответствует этой модели наносферы при 1350 К. Зависимость l излучения Si при 1200 К соответствует профилю черного тела при 1700 К в видимом диапазоне значений длин волн, поэтому такой шар будет сообщаться как «полупрозрачный белый». Более низкие температуры могут быть отмечены как желтые или красные, таким образом покрывая большинство наблюдаемых цветов. Оптическое излучение может также исходить от молекул солей, испаряющихся из почвы. Ожидается, что многие почвы будут показывать при анализе SiO, а не Si. Аморфный Si также может образовываться с более высокой абсорбционной способностью, чем кристаллический [25]. (Мы отмечаем, что некоторые удары молнии (или искусственные разряды) на металлических конструкциях могут также приводить к долгоживущему окислению сетевых металлических наносфер.) Представленная нами модель сети наночастиц медленно окисляющегося Si успешно объясняет все характерные особенности шаровой молнии в ее наиболее распространенной среде.

Будущая работа может быть полезна для изучения взаимодействия молнии и почвы, химических свойств почвы (или смеси почвы и древесины) и параметров молнии (сила, продолжительность), чтобы найти те, которые позволят воспроизвести шаровую молнию в лаборатории.

Получено 1 сентября; принято 10 ноября 1999 г.

Благодарности

Мы благодарим кафедру электротехники и электроники в Кентерберийском университете, особенно Дж. Вудберга (J. Woudberg), за использование их высоковольтной лаборатории; К. Маслин (C. Maslin), Б. Лейн (B. Lane), П. Ниамскул (P. Niamskul) и Т. Бенсона (T. Benson) за экспериментальную работу, и Дж. Диннисс (J. Dinniss), Д. Браун (D. Brown), Н. Фут (N. Foot) и Р. Бойс (R. Boyce) за техническую помощь. Мы также благодарим Н. Эндрюса (N. Andrews) и Дж. Маккензи (J. McKenzie) из Отдела растительных и микробных наук за электронную микроскопию.

Переписка и запросы материалов должны быть адресованы J.A. (электронная почта: j.abrahamson@cape.canterbury.ac.nz).

1. Smirnov, B. M. The properties and the nature of ball lightning. Phys. Rep. 152, 177–226. (1987).

2. Barry, J. D. Ball Lightning and Bead Lightning (Plenum, New York, 1980).

3. Turner, D. J. The structure and stability of ball lightning. Phil. Trans. R. Soc. Lond. A 347, 83–111 (1994).

4. Singer, S. The Nature of Ball Lightning (Plenum, New York, 1971).

5. Hutchison, S. G., Richardson, L. S. & Wai, C. M. Carbothermic reduction of silicon dioxide

thermodynamic investigation. Metall. Trans. B 19, 249–253 (1988).

6. Essene, E. J. & Fisher, D. C. Lightning strike fusion: extreme reduction and metal-silicate liquid immiscibility. Science 234, 189-193 (1986).

7. Siegel, R. W. in Physics of New Materials 2nd edn (ed. Fujita, F. E.) 66–106 (Springer, Heidelberg, 1998).

8. Ludwig, M. H. in Handbook of Optical Properties Vol. II, Optics of Small Particles, Interfaces and Surfaces (eds Hummel, R. E. & Wissmann, P.) 103–127 (CRC, Boca Raton, 1997).

9. Friedlander, S. I., Jang, H. D. & Ryu, K. H. Elastic behaviour of nanoparticle chain aggregates. Appl. Phys. Lett. 72, 173–175 (1998).

10. Fortov, V. E. et al. Highly nonideal classical thermal plasmas: experimental study of ordered macroparticle structures. JETP 84, 256–261 (1997).

11. Aleksandrov, V. Ya., Borodin, I. P., Kechenko, E. V. & Podmoshenskii, I. V. Rapid coagulation of submicron aerosols into filamentary three-dimensional structures. Sov. Phys. Tech. Phys. 27, 527–529 (1982).

12. Cawood, W. & Patterson, H. S. A curious phenomenon shown by highly charged aerosols. Nature 128, 150 (1931).

13. Aleksandrov, V. Ya., Golubev, E. M. & Podmosheskii, I. V. Aerosol mode of ball lightning. Sov. Phys. Tech. Phys. 27, 1221–1224 (1983).

14. Lowke, J. J., Uman, M. A. & Liebermann, R. W. Toward a theory of ball lightning. J. Geophys. Res. 74, 6887–6898 (1969).

15. Deal, B. E. & Grove, A. S. General relationship for the thermal oxidation of silicon. J. Appl. Phys. 36, 3770–3778 (1963).

16. Massoud, H. Z. & Plummer, J. D. Analytical relationship for the oxidation of silicon in dry oxygen in the thin-film regime. J. Appl. Phys. 62, 3416–3423 (1987).

17. Jacobson, N. S. Corrosion of silicon-based ceramics in combustion environments. J. Am. Ceram. Soc. 76, 3–28 (1993).

18. Rayle, W. D. Ball Lightning Characteristics (Note TND-3188, NASA, Washington, 1966).

19. Andrianov, A. M. & Sinitsyn, V. I. Erosion-discharge model for ball lightning. Sov. Phys. Tech. Phys. 22, 1342–1347 (1977).

20. Pemberton, S. T. & Davidson, J. F. Turbulence in the freeboard of a gas-fluidised bed. The significance of ghost bubbles. Chem. Eng. Sci. 39, 829–840 (1984).

21. Nagamori, M., Boivin, J. A. & Claveau, A. Gibbs free energies of formation of amorphous Si₂O₃, SiO and SiO₂. J. Non-Cryst. Solids 189, 270–276 (1995).

22. Littau, K. A. et al. A luminescent silicon nanocrystal colloid via a high-temperature aerosol reaction. J. Phys. Chem. 97, 1224–1230 (1993).

23. Bohren, C. F. & Huffman, D. R. Absorption and Scattering of Light by Small Particles (Wiley, New York, 1983).

24. Palik, E. D. Handbook of Optical Constants of Solids (Academic, Orlando, 1985).

25. INSPEC Properties of Silicon 75, 938 (Institution of Electrical Engineers, London, 1988).

Перевод М. А. Дебелого

3 часа назад, Butoff сказал:

химическое восстановление до металлического кремния

"Металлический кремний был обнаружен в осадке силикатного стекла"

Не бывает металлического кремния! Как не бывает металлической воды или металлического воздуха. Кремний  - полупроводник. Занимает промежуточное положение между металлом  и диэлектриком. 

В промышленности (радиоэлектронике) используют монокристаллический кремний. 

Цитата

If soils or tree roots are regarded as a ®ne mixture of silica and carbon, then under such high-temperature treatment, one expects chemical reduction to silicon metal, silicon monoxide, or silicon carbide, followed by oxidation by oxygen from the air.

Полагаю, что под термином "silicon metal" в статье подразумевается "элементарный кремний", а не буквально "металлический". В английском языке выражение "металлический кремний" встречается довольно часто, под ним понимают кремний технической чистоты используемый в металлургии. У нас тоже его теперь можно увидеть как синоним технического кремния, по видимому пошло как калька с английского: https://www.pereplav.ru/kremniy_tehnicheskiy или http://www.ereport.ru/articles/commod/silicon.htm

Во-во! Это как "силиконовая долина". Речь идет скорее о "кремневой долине " ( от полупроводника кремния), а перевели же словно о силиконовых протезах груди и понеслось..

8 часов назад, Butoff сказал:

При смешивании они быстро охладят струю до определенной конечной температуры. Если образующийся шар будет иметь нейтральную плавучесть (как это обычно и наблюдается), дополнительная нагрузка почвы составит около 800 г м^-3.

Чего- то как-то "дополнительная нагрузка почвы" тут не совсем понятна. Это в смысле кто на что давит ?

"вес дополнительно поглощенных ШМ частиц почвы" - т. е. максимальный вес всех микрочастиц почвы, которые могут попасть в состав ШМ, помимо самих кремниевых нитей, при котором подъемной силы от нагрева еще будет хватать для полета.

Ох, как все "туманно". Меня ввело в заблуждение размерность.. "800 г м^-3." 

Я подумал было  об содержании частиц в ШМ.. Типа 800 грамм в кубическом метре? Это типа столько может попасть в шар диаметром 300мм или столько может быть выброшено из почвы при ударе молнии?

11 часов назад, Butoff сказал:

Грунт был размещен в слое на плоской проводящей (графитовой) основе под вертикальным графитовым электродом с зазором 22 мм до грунта, и заряд в 3,0 °С передавался с конденсатора 204 мкФ.

И тут что-то меня озадачивает. Заряд в 3, 0  градуса Цельсия?! 

Может быть заряд в 3,0 Кулона?

Да -с. Статья может быть и интересная, но как-то уж .. Узкоспецифическая. Для форума "нефизиков" явно перегружена деталями в виде цифр и формул. А для физиков несколько "напрягает". 

 Ну, ладно, проехали. 

Вот оригинал статьи: https://sci-hub.st/10.1038/35000525

Да, три С написано, никаких градусов там нет, видимо автозамена в Ворде сработала, а текст не вычитывали. Следовало на русское Кл заменить сокращение. Текст по сути не сложный, просто все переведено дословно и на русском многие предложения воспринимаются с трудом, нужно редактировать, чтоб не понималось "туманно". До 800 грамм может содержать ШМ объемом 1 кубометр получается без потери плавучести. По сути они здесь просто прикинули подъемную силу "воздушного шара" с горячим воздухом - сколько можно нагрузить балласта на него, чтоб не волочился по земле. На практике же мы знаем, что нередко ШМ после возникновения никуда не летят, а только катятся по земле, т.е. судя по статье оказываются перегружены балластом, подъемной силы от горячего воздуха в объеме ШМ уже не хватает для полета.

Да уж.. И еще вот что интересно: по описанию некоторых очевидцев шаровая молния проходила сквозь оконное стекло  без повоеждения его или вообще "выдувалась" из розетки!  Тут уж кремниевые частицы явно не подходят и не проходят в прямом смысле этого слова. 

 Насколько все это соответствует действительности - не знаю. Но объяснить все ее особенности предлагаемая гипотеза явно не может. Возможно, речь идет о каком-то одном, "упрощенном" виде ШМ из целого класса объектов. 

Комментарий к гипотезе Абрахамсона от Андрея Чистолинова, который он дал по нашей просьбе:

Комментарий к статье

«Шаровая молния является проявлением окисления сетей наночастиц образуемых при ударах обычных молнии по почве» Джона Абрахамсона и Джеймса Диннисса

Чистолинов Андрей Владимирович ОИВТ РАН

Теория Дж. Абрахамсона, изложенная в статье Дж. Абрахамсона и Дж. Диннисса в Нейчер в 2000 г, является классикой теории шаровой молнии. Суть этой теории состоит в том, что энергия шаровой молнии имеет химическую природу и запасена в твёрдом топливе роль которого играет либо SiO либо Si либо SiC, организованные в виде объёмной сети из нитей нанометрового диаметра. В роле окислителя для  этого твёрдого топлива выступает кислород воздуха. Таким образом, согласно теории Дж. Абрахамсона, шаровая молния представляет из себя гиганский фрактальный кластер – аэрогель, состоящий на микроуровне из нанонитей SiO/ Si / SiC.

Такие структуры в виде нитевидных аэрогелей действительно могут образовываться в плазме электрического разряда. И модели шаровой молнии, основанные на таких фрактальных кластерах, разрабатывались в России ещё в 80-х годах сначала И.В. Подмошенским с коллегами, а позже Б.М. Смирновым. То новое, что предложили Дж. Абрахамсон и Дж. Диннисс – это идея восстановления смеси C/SiO2 до SiO/ Si / SiC при ударе линейной молнии в почву.

Эта гипотеза, также, как и гипотеза об аэрогельной природе шаровой молнии выглядит вполне правдоподобно, тем более, что  Абрахамсон и Дж. Диннисс в своей статье приводят несколько ссылок на работы других авторов, опубликованных в авторитетных научных журналах, в которых наблюдались похожие явления при других условиях.

В результате у неспециалиста может сложиться впечатление, что проблема шаровой молнии решена. Однако, надо обратить внимание на два обстоятельства.

Во-первых, теория Абрахамсона - это гипотеза, не имеющая пока прямых подтверждений. Объекта с временем жизни ~10 с, диаметром ~30 см и с яркостью свечения эквивалентной лампочке 100 Вт создать в лаборатории пока никому не удалось. Несмотря на то, что со времени работы Дж. Абрахамсона и Дж. Диннисса прошло уже 20 лет, а со времени первой работы И.В. Подмошенского уже почти 40!

Во-вторых, все расчёты, которые приводят авторы статьи, – это оценка энергетического баланса и светового потока шаровой молнии. Но шаровая молния – это отнюдь не просто светящийся шарик с автономным источником энергии (последнее, кстати сказать, ещё не доказано). Это объект с достаточно сложным набором свойств и поведением. Почему, например, шаровая молния не распадается на части, длительное время сохраняя свою целостность даже при сильном ветре? Почему шаровая молния в подавляющем большинстве случаев (примерно в 75% случаев) движется горизонтально, что обеспечивает баланс вертикальных сил с такой высокой точностью? Если шаровая молния это объект с плотностью близкой к плотности воздуха, то как такой объект может вращаться (вращение шаровых молний наблюдается как минимум в 5% случаев) причём длительное время и без замедления? Почему, наконец, шаровая молния в помещении при отсутствии ветра демонстрирует довольно сложное поведение – движется по замысловатой траектории, обходит препятствия, находит щели и проходит сквозь них? На все эти и многие другие вопросы аэрогельная теория шаровой молнии не даёт убедительных ответов. А это значит, что до построения настоящей теории шаровой молнии здесь ещё очень далеко.