УДК 539.17

АНАЛИЗ НАБЛЮДЕНИЙ ШАРОВОЙ МОЛНИИ

В «МИТИНСКОЙ ЛОВУШКЕ-2015»

А. И. Щедрин

Москва, доклад на семинаре В.Л.Бычкова в МГУ, октябрь 2015

 

Наблюдение шаровой молнии (ШМ) в районе Митино на северо-западе Москвы 27.07.2015 уникально своей информативностью и достоверностью. Видеозаписи явления выложены как минимум тремя независимыми наблюдателями в сети интернет, краткая информация об этих видеозаписях приведена в таблице 1.

 

 

Таблица 1.

Краткое описание

1

источник: http://www.youtube.com/watch?v=frTCqnz8-Bg

опубликовал: Егор Чикин

адрес съемки: ул. Барышиха, д.34, на видео – паркинг д.39

длительность (минек.): 2.21

дальность: 400м

комментатор: без комментирования, звук мотоцикла на заднем плане

2

источник: http://www.youtube.com/watch?v=IyO_XFeSMzQ

опубликовал: Дмитрий Новоселов

адрес съемки: ул. Барышиха, д.40, корп.1, на видео – мачта ЛЭП напротив д.39

длительность (минек.): 1.16

дальность: 500м

комментатор: женский голос, одна из реплик – «вообще непонятно – что это такое!», крики детей на заднем плане

3

источник: http://www.youtube.com/watch?v=eyRL0BimsHM

опубликовал: Владимир Соколов

адрес: пер. Ангелов, д.9, на видео – д.38 (ул. Барышиха) на переднем плане перед ШМ

длительность (минек.): 2.05

дальность: 600м

комментатор: мужской голос, одна из реплик – «смотрите, чего он делает, смотрите, чего он делает! Алё!»

 

Расстояние до ШМ и ее размеры

Наблюдение ШМ с трех различных точек дало возможность определить ее точное местонахождение во время съемок. Этому помогли спутниковые снимки Google Map и ориентиры, присутствующие во всех трех видео. Точки и направления наблюдения приведены не карте, см. рис.1. Нумерация точек наблюдения – в соответствии с таблицей 1.

ШММ-карта-1св - 1

Рис. 1. Точки и направления наблюдения ШМ.

В таблице 1 указаны расстояния, измеренные по этой карте. Погрешность с учетом флуктуаций ШМ, а также погрешностей определения ориентиров и отсутствия данных точного местоположения точек наблюдения в доме составляет не хуже 20%, что весьма точно применительно к наблюдениям ШМ.

Видеозапись наблюдателя 3 позволяет определить размер ШМ. На рис. 2. приведено фото, когда угловой размер ШМ можно сопоставить с шириной чердачного окна, которая составляет 1м. Таким образом, угловой размер ШМ в плоскости видимой стены дома номер 38 по ул. Барышиха составляет около 25 см, а реальный, с учетом расстояния от наблюдателя до ШМ 600м и до дома 38 – 170м, - около 80 см.

размер1

Рис. 2. К определению размера ШМ.

Время жизни ШМ

Наблюдатель №3 отметил в комментарии к своему видео, что наблюдали ШМ минут 15, прежде чем стали снимать. Учитывая психологический аспект наблюдения необычных явлений, можно предположить, что оценка эта завышена в несколько раз. Следовательно, с учетом объективной продолжительности съемок около 2-х минут, можно оценить время жизни наблюдавшейся ШМ как составляющее от 2 до 15 минут.

Характер движения

В начале всех трех видеосъемок видно, что как минимум одну минуту ШМ «болтается» на высоте приблизительно 50 м в некоей потенциальной яме, из которой она не может «выбраться» даже при наличии огромных случайных возмущений, которые обуславливали ее интенсивное «броуновское движение», см. рис.3. Траектория была вычерчена с помощью покадровой ручной обработки видеозаписи. Масштаб определен аналогично определению диаметра ШМ по видимым ориентирам на переднем плане, размеры указаны в метрах. Обращают на себя внимание несколько участков с выраженным гармоническим характером движения, отдаленно напоминающем периодические петли или синусоиды, характерные для потенциальной ямы.

Митино-2015

Рис. 3. Траектория движения ШМ (наблюдатель 3, время 0.00-0.48)

Если предположить электромагнитный характер природы ШМ, следует поискать масштабную электрическую причину такой потенциальной ямы. Такая предполагаемая причина легко обнаруживается на карте в виде мощной ЛЭП напряжением 220кВ, имеющей к тому же каждую фазу из трех расщепленных проводов и два нулевых молниезащитных (по иронии:-) провода сверху, см. рис. 4.

ШММ-Барышиха-ЛЭП

Рис. 4. ЛЭП 220кВ рядом с ул. Барышиха.

Самое примечательное в этой ЛЭП является ее топология размещения в рассматриваемом районе наблюдения ШМ. Она изображена на рис.5, где треугольниками обозначены мачты-опоры. Хорошо видно, что ЛЭП представляет собой в плане ломаную линию, очень напоминающую параболу. А место наблюдения ШМ очень напоминает фокус этой параболы, расположенный на минимальном удалении около 200м от ЛЭП. Таким образом, вполне вероятно, что взаимодействие прецессирующего магнитного диполя ШМ (если предположить такое) с указанной ЛЭП и создало в ее фокусе потенциальную яму этому диполю, обеспечившую стабилизацию ШМ в пространстве с точностью до флуктуаций внешних возмущений, основным из которых, по всей вероятности, являлся ураганный ветер надвигающегося грозового фронта.

Детальное исследование местности показало также наличие глубокого оврага с ручьем, огибающим место наблюдения ШМ. Учитывая, что овраг глубокий и с наличием воды, а грунт выше представляет собой супесь с проводимостью заметно худшей, чем вода и заболоченное русло ручья, такой рельеф также представляет собой серьезную неоднородность в электрическом смысле.

ШММ-карта-1св - 2р

Рис. 5. ЛЭП 220кВ и ручей на карте.

Приблизительный профиль рельефа по вертикальным разрезам в направлении «запад-восток» и «юг-север» изображен на рис.6а и рис.6б соответственно.

 

 

Профиль-1

Рис. 6а. Профиль рельефа местности (разрез по плоскости «запад-восток», облаком обозначена область наблюдения ШМ)

Профиль-1-1

Рис. 6б. Профиль рельефа местности (разрез по плоскости «юг-север»)

После отрыва ШМ от своей «ловушки» она достаточно равномерно стала двигаться в направлении ветра с небольшим набором высоты. Оценив по видео момент начала резкого подъема ШМ до пролета над наблюдателями, можно оценить ее скорость как 100 км/ч, которая скорее всего – совпадала со скоростью ветра.

Имея данные о размере, скорости и местоположении ШМ, оценим порядок величины сил, которые могли бы объяснить характер ее движения.

1.     Аэродинамический напор ветра – 100Н. Вычислен по классической формуле аэродинамического сопротивления для шара диаметром 80 см при скорости набегающего ветра 100 км/ч. Возможно, что за счет особых свойств поверхности ШМ (например, наличия прослойки ионизированного воздуха) – этот напор в несколько раз меньше.

2.     Сила Архимеда – 1 Н, исходя из объема шара диаметром 80 см.

3.     Сила электростатического притяжения к проводящей поверхности земли – 2,5.10-3Н, исходя из максимально возможной величины нескомпенсированного электрического заряда ШМ, равного 5.10-5 Кл, который вычислен в предположении, что напряженность электрического поля вблизи ШМ не превышает предел электрической прочности воздуха. Т.е. напряженность на границе ШМ-воздух принята равной 30кВ/см. Высота ШМ над землей принята равной 50м.

4.     Сила электростатического воздействия грозового облака – менее 2,5 Н, исходя из максимальной напряженности поля 50кВ/м (выше уже происходит грозовой разряд, а на видео их вблизи не наблюдается). Вполне вероятно, что реально эта величина меньше еще на два порядка.

5.     Сила тяжести – менее 1 Н, исходя из того, что на участке свободного полета ШМ всплывала вверх и исходя из наблюдавшихся ускорений при движении ШМ в «ловушке».

Очевидно, что среди перечисленных сил п.п.2-5 НЕТ реальной причины, которая объяснила бы компенсацию аэродинамического ГОРИЗОНТАЛЬНО направленного напора ветра на ШМ в течение нескольких минут и на удалении ее на 50м от поверхности земли и 400м от стен ближайших зданий. Такой силой вполне может быть сила электромагнитного взаимодействия ШМ с проводниками ЛЭП и руслом ручья.

Если представить ШМ как прецессирующий магнитный диполь диаметром 80 см, можно оценить силу электрического тока в нем, которая при взаимодействии с проводниками ЛЭП привела бы к возникновению компенсирующей силы величиной порядка 100Н.

Для этого были сделаны следующие допущения. Дуга ЛЭП диаметром 1500м предполагается замкнутым контуром, так как по высокой частоте она «закорочена» паразитной межвитковой емкостью трансформаторов подстанций и погонной емкостью самих проводников ЛЭП относительно земли. Характер импеданса ЛЭП считаем чисто индуктивным, так как оценочная величина индуктивности рассматриваемого ансамбля проводников составляет около 5 мГн (по расчетным формулам) и по модулю сопротивления она сравнивается с омическим сопротивлением проводов только на частотах ниже долей герца, а с сопротивлением заземления – на частотах ниже единиц герц.

Рассчитав магнитный поток от прецессирующего диполя через указанный контур, можно найти ЭДС в этом контуре и по величине индуктивности – силу тока. Она оказывается частотонезависимой, прямо пропорциональной току диполя ШМ. Далее, для грубой оценки было принято, что сила, действующая на ШМ со стороны ЛЭП просто равна силе, действующей на проводник с длиной, равной диаметру ШМ, и в котором течет ток диполя ШМ. Оказывается, что величины аэродинамического напора ветра в 100Н эта сила достигает при токе диполя 300 МА (МегаАмпер)! Результат этот вполне согласуется с моделью ШМ [1], хотя в реальности может быть на 1-2 порядка ниже вследствие резонансных явлений в ЛЭП и русле ручья, подобно тому, как это происходит в радиотехнических антеннах.

Вследствие того факта, что расстояния «ловушка ШМ – русло ручья» и «русло ручья – ЛЭП» практически одинаковы и составляют около 100м, возникает естественное для любого радиоинженера предположение, что последние сыграли роль своеобразной антенной системы типа «волновой канал» или по зарубежной терминологии – типа Уда-Яги (Yagi antenna). В таком случае – первый, нижний по частоте, «геометрический» резонанс будет наблюдаться при расстоянии от первого рефлектора (ручей) до ШМ, равном 1/4 длины волны излучения, и при таком же расстоянии между двумя рефлекторами (ручей и ЛЭП). Следовательно,  максимальная длина  волны  излучения  ШМ составляет в этих предположениях - 400м, а минимальная частота собственной прецессии – 0,75 МГц.

Оценим для этой частоты напряженность вихревого электрического поля, возникающего вокруг ШМ как прецессирующего магнитного диполя.

Магнитный поток диполя:                                  Ф = µ0IS/(R) = πµ0IR,    (1) 

 

где:   I – ток диполя,

          Sплощадь диполя,

          Rрадиус диполя.

 

ЭДС вихревого поля на поверхности ШМ:      ε = 2πfФ = 2π2µ0IfR,      (2)

 

где:   Еп – предельно возможная напряженность поля (эл. прочность воздуха),

 

Напряженность вихревого поля:                       Е = πµ0If                        (3)

Максимальный ток диполя:                               Iмакс = Еп/(πµ0f),              (4)

где:   Еп – предельно возможная предпробойная напряженность поля, принятая равной 3.106В/м.

 

Отсюда получаем для частоты 0,75 МГц величину Iмакс = 1 МА (Мега Ампер). На два порядка меньше, чем оценка выше.

 

Но тут возникает другая проблема. Магнетизмом можно объяснить и отталкивание (для объяснения зависания ШМ перед ЛЭП при напоре ветра), и притяжение, в зависимости от соотношения фаз тока ШМ и наведенного тока в проводящей среде. Однако, должен быть второй компенсирующий механизм, обеспечивающий уравновешивание указанных магнитных сил для объяснения удержания ШМ в рассматриваемой «ловушке» еще и по вертикали. Возможно, ШМ заметно тяжелее воздуха (что противоречит работе [1]) и электромагнетизм играет роль магнитной подушки, отталкивающей ШМ от слабопроводящей земли, но тогда непонятно, почему в конце наблюдений ШМ взмыла вверх?

Остается еще один, чисто радиотехнический вариант объяснения. ЛЭП лишком высокодобротный в электрическом плане элемент и для высоких частот может рассматриваться не только, как антенна, но еще и как длинная линия. Вполне вероятно, что в ней не только навелся переменный ток, но вдобавок он еще и попал в какой-нибудь резонанс. А это обусловило не просто отталкивание ШМ от ЛЭП (она тогда просто резко подскочила бы вверх перед ЛЭП, нисколько перед ней не задерживаясь), а обусловило продолжительное удержание ее в месте сгущения силовых линий вследствие кривизны топологии ЛЭП и русла ручья. Т.е. соотношение фаз токов при резонансе стало таким, что ШМ, наоборот, втянулась в это сгущение силовых линий и некоторое время не смогла его покинуть. При этом магнитное взаимодействие с ЛЭП и ручьем с усилием в 10кг на расстоянии 200/100м, конечно, сильно впечатляет, но вполне согласуется с энергетикой ШМ в соответствии с работой  [2].

Вполне вероятно, что явление электрического резонанса в ЛЭП и уменьшение аэродинамического сопротивления ШМ за счет особых свойств ее оболочки могут снизить требования к току ШМ на 1-2 порядка для объяснения ее удержания в «Митинской ловушке». Но все равно - величина тока останется - мегаамперная.

В финальной стадии наблюдений превалирующими стали, по-видимому, электростатические силы грозового облака и/или сила Архимеда, которые оторвали ШМ от этой замечательной «ловушки» и потащили дальше вслед за грозовым фронтом. Ранее эти же силы обеспечивали смещение центра «ловушки» вверх над поверхностью земли и плоскостью проводников ЛЭП.

 

          СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

 

1.     Shchedrin A. //  Proc. 9th Intern. Symp. on Ball Lightning (ISBL06, The Netherlands, Eindhoven, 16-19 August 2006). P. 210.

2.     Щедрин А.И. К вопросу об энергии и времени жизни шаровой молнии // Научное обозрение. - 2013.№ 5. С. 124.