XXIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Шаровые молнии, их природа и способы защиты

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Бугаева К.Ю. 1Золотухина С.Ю. 1Неврюева М.Р. 1

---

1МБОУ Лицей 8

Сафонов В.В. 1

---

1МБОУ Лицей 8

Работа в формате PDF

77.5 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Цель проекта

Цель проекта по исследованию шаровой молнии заключается в глубоком изучении данного явления и понимании этого феномена, что может значительно повысить безопасность людей в условиях её возможного появления.

Задачи проекта

1. Исследование случаев поражения людей шаровой молнией, выявление факторов риска и особенностей феномена с целью повышения информированности населения.

2. Анализ метеорологических условий, способствующих образованию шаровой молнии, для определения безопасных зон и временных периодов.

3. Создание рекомендаций по действиям в случае появления шаровой молнии, включая укрытие, использование защитных средств и поведение в опасных зонах.

4. Исследование материалов для повышения осведомленности населения о шаровой молнии и мерах предосторожности, а также способах оказания первой помощи пострадавшим от её воздействия.

Методы исследования

1) Сбор информации о природе шаровой молнии, поиск теорий на тему происхождения природного явления

3) Оценка степени воздействия поражающих факторов на человека

2) Выявление способов защиты при наблюдении феномена

Гипотеза

Наличие знаний об особенностях явления шаровой молнии способствует снижению вероятности попадания в опасные ситуации, получения серьёзных травм. Изучение её характеристик, условий возникновения и поведения позволит разработать рекомендации по безопасному поведению в её присутствии и создать системы предупреждения, что значительно снизит риски, связанные с этим явлением.

Глава 1. Изучение природы шаровой молнии

Часть 1. Природа шаровой молнии

Шаровая молния— природное явление, выглядящее как светящееся и плавающее в воздухе образование. Единой физической теории возникновения и протекания этого явления к настоящему времени не представлено. Существует множество гипотез, объясняющих явление, но ни одна из них не получила абсолютного признания в академической среде. В лабораторных условиях похожие, но кратковременные явления удалось получить несколькими разными способами, так что вопрос о природе шаровой молнии остаётся открытым. По состоянию на начало XXI века не было создано ни одной опытной установки, на которой это природное явление воспроизводилось бы в соответствии с описаниями очевидцев наблюдения шаровой молнии.

Традиционно достоверность многих свидетельств очевидцев шаровой молнии остаётся под сомнением. Сомнения в достоверности многих свидетельств осложняют изучение явления, а также создают почву для появления разных спекулятивно-сенсационных материалов, якобы связанных с этим явлением.

По свидетельствам очевидцев, шаровая молния обычно появляется в грозовую, штормовую погоду; зачастую (но не обязательно) наряду с обычными молниями. Чаще всего она как бы «выходит» из проводника или порождается обычными молниями при их разрядах, иногда спускается с облаков, в редких случаях — неожиданно появляется в воздухе или, как сообщают очевидцы, может "выйти" из какого-либо предмета (дерево, столб).

В связи с тем, что появление шаровой молнии как природного явления происходит редко, а попытки искусственно воспроизвести его в масштабах природного явления не удаются, основным материалом для изучения шаровых молний являются свидетельства неподготовленных к проведению наблюдений случайных очевидцев. В некоторых случаях очевидцы производили фото- или видеосъёмку явления.

Теория происхождения шаровой молнии, отвечающая критерию Поппера, была разработана в 2010 году австрийскими учёными Йозефом Пеером (Joseph Peer) и Александром Кендлем (Alexander Kendl) из Университета Инсбрука. Они опубликовали в научном журнале Physics Letters A предположение, что свидетельства о шаровых молниях можно понимать как проявление фосфенов — зрительных ощущений без воздействия на глаз света. Их расчёты показывают, что магнитные поля определённых молний с повторяющимися разрядами индуцируют электрические поля в нейроны зрительной коры, которые и кажутся человеку шаровой молнией. Фосфены могут проявиться у людей, находящихся на расстоянии до 100 метров от удара молнии.

Спектр шаровой молнии, вызванной ударом молнии в почву

Вместе с тем 23 июля 2012 года на Тибетском плато шаровая молния попала в поле зрения двух бесщелевых спектрометров, с помощью которых китайские учёные изучали спектры обычных молний. В итоге были зафиксированы 1,64 секунды свечения шаровой молнии и её подробные спектры. В отличие от спектра обычной молнии, в котором в основном присутствуют линии ионизированного азота, спектр шаровой молнии наполнен линиями железа, кремния и кальция, которые являются основными составляющими веществами почвы.

По некоторым наблюдениям очевидцы сообщают не только об оптической составляющей явления, но и о резком запахе, дымном шлейфе после шаровой молнии, об искрах или разбрызгивании вещества с поверхности шара. Эти обстоятельства ставят под сомнение плазменные гипотезы природной шаровой молнии. В исключительных случаях шаровая молния оставляет следы, которые можно подвергнуть анализу. Так, 19 июля 2003 года шаровая молния взорвалась в жилом помещении, рассыпав металлические шарики, которые затем были переданы в институт физики СО РАН (г. Красноярск).

В 2020 году по ещё одному из таких уникальных случаев удалось провести анализ вещества, оставленного угасшим светящимся шаром. Установлено, что фрагменты представляют собой соединения железа, кремния и кальция с кислородом. Полученные сведения о химическом составе хорошо согласуются с результатами оптической спектрометрии шаровой молнии, выполненной в 2012 году группой китайских ученых на Тибетском плато. Кроме того, в составе фрагментов обнаружены алюминий, фосфор и титан. Присутствие алюминия прогнозировалось ранее. Таким образом, в объёме шаровой молнии может находиться значительное количество вещества, а плотность этого вещества в шаровой молнии может заметно превосходить плотность окружающей среды. Автор работы отмечает, что полученный результат желательно принять с определённой долей скептицизма и без притязания на сенсационность, поскольку невозможно однозначно верифицировать случай как природную шаровую молнию, а не как фальсификацию фактов очевидцем.

Часть 2. Искусственное воспроизведение явления

Искусственное воссоздание шаровых молний представляет собой сложную и актуальную задачу в области физики и материаловедения. Шаровая молния – это редкое и загадочное атмосферное явление, которое часто ассоциируется с грозами.

Исследования по воссозданию этого феномена проводятся с использованием различных физических методов. Например, некоторые научные группы пытаются создать шаровые молнии с помощью электрических разрядов, лазеров и высокочастотных полей. Эти эксперименты требуют высокоточного оборудования и тщательного контроля условий.

Одним из наиболее известных методов является использование резонанса в плазме. Учёные создали небольшие плазменные сферы в лабораторных условиях, которые ведут себя аналогично шаровым молния. Однако добиться стабильности и продолжительности существования таких образований всё ещё представляет собой серьезную задачу.

Искусственное воссоздание шаровых молний может иметь практическое значение. Например, оно возможно в контексте изучения электромагнитных полей и воздействия на них. Кроме того, такие исследования могут быть полезны в понимании природных явлений и разработке новых технологий, основанных на плазменных процессах.

Исследование искусственного воссоздания шаровых молний представляет собой междисциплинарную область, объединяющую физику, электротехнику и плазменные технологии. Подробно рассмотрим основные методы:

1. Электрические разряды:

- Этот метод используется для создания условий, аналогичных тем, что возникают во время атмосферных разрядов. Применяются различные установки с высоковольтными генераторами.

- Важным аспектом является создание коротких импульсов высокой напряженности, которые приводят к ионизации воздуха, формируя плазму. Размеры и формы образований могут варьироваться в зависимости от параметров разряда.

- Эксперименты могут проводиться при различных атмосферных условиях, чтобы изучить влияние давления и температуры на образование шаровых молний.

2. Лазерная плазма:

- Использование мощных лазеров для создания плазмы является одним из самых современных подходов. Лазеры могут фокусироваться на точке в воздухе, создавая область с высокой температурой и плотностью.

- Под действием лазера происходит ионизация молекул воздуха, что ведет к образованию короткоживущих плазменных шаров. Эти образования могут отображать свет разной длины волны, что помогает изучать их свойства через оптические методы.

3. Резонанс в плазме:

- Этот метод включает применение резонирующих электромагнитных полей для создания стабильных плазменных структур. Частота полей подбирается так, чтобы взаимодействовать с заряженными частицами в плазме, поддерживая их в возбужденном состоянии.

- Магнитные и электрические поля позволяют исследовать динамику плазмы и эффекты, связанные с её устойчивостью и поведением под воздействием внешних условий.

4. Индукционные методы:

- Индукционные катушки могут создавать переменные электромагнитные поля, которые обуславливают образование плазмы. Эти поля приводят к токам в воздухе, вызывая ионизацию.

- Использование различных частот и сигналов позволяет исследовать широкий диапазон параметров, влияющих на стабильность и морфологию плазменных образований.

5. Устойчивые плазменные структуры:

- Исследования сосредоточены на создании плазменных образований, способных длительное время сохранять свои свойства. Это достигается путём настройки соответствующих магнитных и электрических полей.

- Методы стабилизации включают использование магнетронов и других генераторов, что позволяет поддерживать энергию, необходимую для стабильного существования плазмы.

6. Оптические и спектроскопические методы:- Для изучения созданных плазменных образований применяются оптические инструменты, такие как камеры с высоким разрешением, спектрометры и лазерные системы.

- Спектроскопические исследования помогают анализировать состав и физические свойства плазмы, например, температуру и плотность.

- Эти методы позволяют проводить детальный анализ света, испускаемого плазменными образованиями, что важно для изучения их характеристик.

Каждый из этих методов имеет свои преимущества и ограничения, и активные исследования продолжаются для достижения более глубокого понимания процесса и создания более стабильных искусственных аналогов шаровых молний.

Эти методы находятся на первом плане научного исследования и имеют большой потенциал для понимания природы шаровых молний. Каждое направление даёт уникальные данные и способствует дальнейшему развитию технологии.

Потенциальные применения искусственного воссоздания шаровых молний:

1. Энергетика:

- Шаровые молнии могут быть источником высокоэнергетических плазменных состояний. Изучение их свойств может привести к разработке новых методов хранения и передачи энергии.

2. Технологии плазмы:

- Исследование шаровых молний может помочь в создании устойчивых плазменных реакторов, которые могут быть использованы в термоядерной синтезе. Это может стать шагом к получению чистой и практически неограниченной энергии.

3. Медицинские технологии:

- Плазменные технологии могут быть использованы в медицине для точного лечения опухолей и других заболеваний, так как высокотемпературная плазма может разрушать ткань с минимальным повреждением окружающих клеток.

4. Защита от молний:

- Понимание механизмов формирования шаровых молний может помочь в разработке новых систем защиты от молний, что особенно актуально для зданий и сооружений в грозовых районах.

5. Материалы с новыми свойствами:

- Исследования могут привести к созданию новых материалов, обладающих уникальными свойствами, такими как высокая прочность или устойчивость к высоким температурам.

6. Научные исследования:

- Шаровые молнии представляют интерес для фундаментальной науки: их изучение может дать новые данные о физических и электрических процессах в атмосфере.

7. Образование и популяризация науки:

- Создание искусственных шаровых молний может быть использовано для демонстрации физических явлений, что привлекает внимание студентов и широкой аудитории к науке.

Потенциальные применения шаровых молний все еще находятся на стадии исследования, и необходимы дополнительные исследования для понимания их механизмов и возможностей.

Глава 2. Поражающие факторы шаровой молнии, способы защиты и оказание первой помощи пострадавшему

Часть 1. Поражающие факторы

Поражающие факторы шаровой молнии включают : • Взрыв. При разрыве твёрдой оксидной оболочки внутри шаровой молнии возникает ударная волна.  • Раскалённый газ. Заключённый внутри молнии раскалённый газ способен вызвать ожоги и воспламенить предметы вокруг.  • Электрический заряд. При контакте с людьми или предметами шаровая молния разряжается, что приводит к удару током и дополнительному выделению температуры.  Шаровая молния может содержать значительное количество электрического заряда, что делает её потенциально опасной при близком контакте. • Температура: Существуют предположения, что шаровая молния может иметь высокую температуру, что может привести к ожогам или другим повреждениям при контакте. • Химические реакции: Некоторые исследования предполагают, что шаровая молния может быть связана с химическими реакциями, которые могут выделять токсичные вещества. • Механическое воздействие: Шаровая молния может вызывать механические повреждения, например, разрушение предметов или создание ударных волн. • Электромагнитные поля: Шаровая молния может создавать мощные электромагнитные поля, которые могут влиять на электронные устройства и вызывать сбои в работе. • Неопределенность поведения: Шаровая молния может проявлять непредсказуемое поведение, что делает её опасной для людей и объектов вблизи. Встреча человека или животного с шаровой молнией может как привести к летальному исходу, так и пройти без каких-либо повреждений. Наиболее частое последствие контакта с этим явлением — это ожоги на коже.  Из-за редкости и сложности наблюдения за шаровой молнией многие аспекты её природы остаются загадкой, и дальнейшие исследования необходимы для более глубокого понимания этого явления.

Часть 2. Способы защиты

Для обычного населения, в качестве простых мер, защищающих от шаровой молнии, рекомендуется установить над выходными отверстиями труб, в вентиляционных проходах и т.д. металлические заземлённые сетки с площадью отверстий не более 4 квадратных сантиметров и толщиною проволоки в 2 миллиметра. Во время грозы следует закрывать окна, двери и другие отверстия, через которые шаровая молния может проникать внутрь помещения.

Так же не маловажно соблюдать простые рекомендации, которые помогут избежать неблагоприятных последствий от шаровой молнии:

1. ненужно бежать от шаровой молнии, бег создаст поток воздуха, который ее притянет;

2. нужно осторожно и плавно свернуть с пути следования шаровой молнии;

3. не поворачиваться к ней спиной;

4. держаться с наветренной стороны относительно движения молнии;

5. нельзя бросать в шаровую молнию какие-либо предметы, так как она может взорваться;

Если в дом залетела шаровая молния, необходимо:

• Сохранять спокойствие.  Шаровая молния чувствительна к любым завихрениям воздуха и может последовать за ним. 

• Не делать резких движений.  Спокойно и медленно свернуть с пути движения шара, стараясь держаться от него как можно дальше.  Нельзя при этом поворачиваться спиной к шаровой молнии. 

• Если шаровая молния оказалась в комнате, спокойно подойти к окну и открыть его.  Это поможет молнии вылететь на улицу вслед за движением воздуха. 

• Не пытаться отогнать её каким-либо предметом.  Такие действия могут спровоцировать взрыв шаровой молнии. 

Если рядом находится вход в соседнее помещение, то можно попробовать укрыться в нём, но не поворачиваться к молнии спиной и стараться двигаться как можно медленнее. 

Часть 2. Способы защиты

При поражении человека шаровой молнией, пострадавшего следует перенести в сухое помещение со свежим воздухом, накрыть теплым одеялом, начать делать искусственное дыхание и немедленно вызвать скорую помощь.

Список использованной литературы:

1. https://www.google.com/url?sa=t&source=web&rct=j&opi=89978449&url=https://ria.ru/20231010/molniya-1901846761.html&ved=2ahUKEwjUw-aigN2LAxXwGhAIHeJYDjUQFnoECDQQAQ&usg=AOvVaw0_n6uWQ4jD70UZ8oFx77lV

2. https://www.google.com/url?sa=t&source=web&rct=j&opi=89978449&url=https://74.mchs.gov.ru/deyatelnost/poleznaya-informaciya/rekomendacii-naseleniyu/shtormovoe-preduprezhdenie-groza/groza-i-sharovaya-molniya&ved=2ahUKEwjUw-aigN2LAxXwGhAIHeJYDjUQFnoECDIQAQ&usg=AOvVaw2L5Qx-q4T4lQ7372-blRlX

3. https://www.google.com/url?sa=t&source=web&rct=j&opi=89978449&url=https://ru.wikipedia.org/wiki/%25D0%25A8%25D0%25B0%25D1%2580%25D0%25BE%25D0%25B2%25D0%25B0%25D1%258F_%25D0%25BC%25D0%25BE%25D0%25BB%25D0%25BD%25D0%25B8%25D1%258F&ved=2ahUKEwjUw-aigN2LAxXwGhAIHeJYDjUQFnoECBkQAQ&usg=AOvVaw2prb9JJ7gETMtH-tXcHXhB