Элементы Элементы большой науки

Поставить закладку

Напишите нам

Карта сайта

Содержание
Энциклопедия
Новости науки
LHC
Картинка дня
Библиотека
Видеотека
Книжный клуб
Задачи
Масштабы: времена
Детские вопросы
Плакаты
Научный календарь
Наука и право
ЖОБ
Наука в Рунете

Поиск

Подпишитесь на «Элементы»



ВКонтакте
в Твиттере
в Фейсбуке
на Youtube
в Instagram



Библиотека

 
С. Петранек
«Как мы будем жить на Марсе». Глава из книги


М. Кронгауз
«Русский язык на грани нервного срыва. 3D». Главы из книги


Б. Штерн
Ближайшие пригодные для жизни экзопланеты: где они, как их можно наблюдать и как их достичь


Р. Фишман
Истории мутантов: гомеозисные гены


С. Мац
Искривленное зеркало


Л. Полищук
Почему вымерли мамонты и гибнут сайгаки: история о вкладах


В. Кузык
Нос на батарейках


Д. Мамонтов
Взглянуть инопланетянам в глаза


А. Бердников
Машинная точность


Р. Фишман
Великий уравнитель







Главная / Новости науки версия для печати

Впервые получен спектр свечения шаровой молнии


Рис. 1. Первые два кадра видеоряда спектрографа, на которых присутствует шаровая молния

Рис. 1. Первые два кадра видеоряда спектрографа, на которых присутствует шаровая молния. На самом первом кадре (a) есть кроме нее и светящийся канал обычной молнии, на следующем кадре (b), полученном спустя 0,02 с, он уже отсутствует. Изображение из обсуждаемой статьи в Physical Review Letters

Китайским ученым, исследующим спектры обычных молний, повезло: в поле зрения их аппаратуры попала шаровая молния. Они впервые получили спектр ее свечения в диапазоне от 400 до 1000 нм, изучили, как он меняется со временем, выяснили, какие линии излучения и на каких этапах в нём присутствуют. Результаты свидетельствуют в пользу одной из моделей шаровой молнии и подсказывают, как можно научиться получать настоящие шаровые молнии в лабораторных условиях.

Шаровая молния — классический пример физического явления, в котором, несмотря на всю его «приземленность», физикам не удается толком разобраться. Это не глубины микромира, это не космические дали, это наша обычная, земная физика, разновидность атмосферного электричества. Шаровая молния возникает очень редко и при не вполне понятных обстоятельствах, и из-за этого до сих пор не удавалось ее пронаблюдать с помощью современной аппаратуры и понять, что именно во время нее происходит. В лабораторных условиях физикам удается получать относительно долгоживущие светящиеся плазмоиды, которые в чем-то напоминают природную шаровую молнию; см., например, новость Получен новый вид лабораторных шаровых молний. Однако пока мы не знаем в деталях физические характеристики реальной шаровой молнии, мы не можем сказать, имеют ли эти образования какое-либо отношение к ней.

Однако теперь появляется шанс в этой ситуации разобраться. В статье, опубликованной на днях в журнале Physical Review Letters, китайские физики сообщают, что им удалось получить спектр свечения настоящей шаровой молнии. Отдельные линии излучения, обнаруженные в этих спектроскопических измерения, позволяют в некотором приближении узнать химический состав и условия в светящейся области. Они ясно указывают на наличие в ней элементов, входящих в состав почвы, и таким образом поддерживают гипотезу, что важную роль в шаровой молнии играет облако испарившегося от удара обычной молнии вещества. Окончательной разгадки шаровой молнии от такого однократного наблюдения ждать, конечно, не следует, но эти подробности могут навести физиков на метод надежного лабораторного воспроизведения явления.

Как можно догадаться, шаровая молния попала «в кадр» случайно. Летом 2012 года исследователи проводили на Тибетском плато измерения спектров обычных молний с помощью двух бесщелевых спектрографов — устройств, которые позволяют снимать спектр сразу всех светящихся объектов в поле зрения, а не только света, приходящего с определенного направления. В одном спектрографе данные записывались на скоростную видеокамеру, делавшую 3 тыс. кадров в секунду и выдававшую серии длительностью чуть больше 1 секунды. Эта камера черно-белая, но поскольку она стояла в спектрометре, она снимала разложенный на спектральный веер свет. Благодаря своей чувствительности не только к оптическому, но и к ближнему ИК-диапазону, она позволяла получить спектр свечения от 400 до 1000 нм. Во втором спектрографе стояла обычная видеокамера, которая непрерывно вела съемку со скоростью 50 кадров в секунду и с несколько худшим разрешением.

Вечером 23 июля 2012 года во время очередной грозы в кадр попала шаровая молния. Ее свечение длилось 1,64 секунды. Непрерывная видеокамера полностью запечатлела весь процесс, включая звук; высокоскоростная камера захватила только последние 0,78 секунды, так что детального спектра первых мгновений жизни шаровой молнии получено не было. На рис. 1 показаны первые два кадра видеоряда, на которых присутствует шаровая молния. Поскольку эта молния появилась в темное время суток, определить расстояние до нее по изображению нельзя. Однако разность по времени между появлением молнии и приходом звука, а также обычный фотоснимок той же местности и с тем же полем зрения показали, что молния ударила примерно в 900 метрах от места съемки. Это позволило, среди прочего, восстановить скорость перемещения шаровой молнии в течение ее жизни (поперечная скорость составила около 9 м/с, скорость вдоль луча зрения неизвестна).

Рис. 2. Зависимость полной яркости свечения от времени по данным обычной видеокамеры (вверху) и скоростной камеры (внизу)

Рис. 2. Зависимость полной яркости свечения от времени по данным обычной видеокамеры (вверху) и скоростной камеры (внизу). Скоростная камера захватила часть стадий 2 и 3 и показала также наличие периодических осцилляций свечения с частотой 100 Гц. Изображение из обсуждаемой статьи в Physical Review Letters

Яркость свечения шаровой молнии менялась со временем по-разному на разных стадиях процесса (рис. 2). Стадия 1 (первые 160 мс) — это период существенного снижения яркости, стадия 2 (160–1080 мс) характеризуется примерно постоянной яркостью, а на стадии 3 происходит плавное угасание и пропадание свечения. Высокоскоростная камера запечатлела часть стадий 2 и 3 и показала то, что на обычной камере видно не было — периодическое изменение яркости свечения с частотой около 100 Гц (точное значение — 99,4 Гц). Эти осцилляции, по всей вероятности, вызываются не внутренними причинами, а всего лишь являются откликом молнии на внешнее воздействие. Дело в том, что неподалеку проходили 35-киловольтные линии электропередачи на частоте 50 Гц, которые создают в окрестности переменные электромагнитные поля. Однако сам этот факт свидетельствует о том, что яркость шаровой молнии действительно зависит от внешних ЭМ-полей.

Рис. 3. Некоторые кадры с изображением шаровой молнии, полученные в разные моменты процесса

Рис. 3. Некоторые кадры с изображением шаровой молнии, полученные в разные моменты процесса. Изображение из обсуждаемой статьи в Physical Review Letters

Некоторые спектральные особенности свечения шаровой молнии можно заметить и в показаниях обычной камеры (см. рис. 1 и 3). В целом, свечение простирается по всему видимому спектру, но в нём есть две области: сине-зеленая и красная. Относительная яркость этих областей менялась со временем, так что общий цвет шаровой молнии постепенно менялся от белого к красноватому (рис. 3).

Более детальную спектроскопическую информацию дает высокоскоростная камера (рис. 4). Она показала, прежде всего, что спектр шаровой молнии заметно отличается от молнии обычной. Обычная молния (рис. 4а) демонстрирует спектр, состоящий в основном из линий ионизованного азота, который присутствует в воздухе из-за высокой температуры (около 30 тыс. градусов) в светящемся канале. Спектр шаровой молнии (рис. 4b–d) наполнен линиями совсем других элементов — железа, кремния, кальция. Например, линия кремния на 594 нм видна вплоть до последних мгновений жизни шаровой молнии.

Рис. 4. Спектры обычной (a) и шаровой (b, c, d) молнии в разные моменты времени

Рис. 4. Спектры обычной (a) и шаровой (b, c, d) молнии в разные моменты времени. На спектрах подписаны отдельные линии излучения и элементы, которым они соответствуют. Изображение из обсуждаемой статьи в Physical Review Letters

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.

Последняя яркая особенность спектра — это периодическое появление и исчезновение отдельных линий излучения азота и кислорода, которые и приводят к осцилляциям общей яркости (рис. 4d). Видно, что эти осцилляции относятся совсем к другой области спектра и практически не влияют на основную сине-зеленую группу линий. Это доказывает, что осцилляции свечения не связаны с самим механизмом, обеспечивающим разогрев, а являются лишь побочным проявлением высоких температур в присутствии внешних электромагнитных полей.

Источник: J. Cen, P. Yuan, S. Xue. Observation of the Optical and Spectral Characteristics of Ball Lightning // Physical Review Letters 112, 035001 (2014).

См. также:
1) Focus: First Spectrum of Ball Lightning // Physics 7, 5 (2014) — популярный рассказ об этой работе; содержит также видеоролик спектра свечения шаровой молнии.
2) Почему шаровая молния отличается от других молний? — ответ на вопрос на сайте «Научной лаборатории школьников».

Игорь Иванов


Комментарии (20)



Последние новости: ФизикаИгорь Иванов

22.08
Наконец-то обнаружен аналог излучения Хокинга в холодном квантовом газе
21.08
ICHEP 2016: Тяжелых экзотических частиц по-прежнему не видно
20.08
Тяжелый пентакварк окончательно подтвержден
19.08
ICHEP 2016: Всплеск при 2 ТэВ закрыт
17.08
Спектроскопия мюонного дейтерия обострила проблему с радиусом протона
16.08
Опубликованы первые результаты эксперимента MoEDAL
16.08
Обновление страницы «Загадки Большого адронного коллайдера»
12.08
ПК обогнал суперкомпьютеры в решении задачи трехчастичного рассеяния
11.08
ICHEP 2016: ttH-аномалия пока держится
11.08
ICHEP 2016: намеков на суперсимметрию, за одним исключением, пока не видно

Научная картинка дня


Новости науки по темам: антропология, археология, астрономическая научная картинка дня, астрономия, биология, биотехнологии, генетика, геология, затмения, информационные технологии, космос, лингвистика, математика, медицина, нанотехнологии, наука в России, наука и общество, Нобелевские премии, палеонтология, Первое апреля, психология, технологии, физика, химия, эволюция, экология, энергетика, этология

Новости науки по авторам: Валентин Анаников, Дарья Баранова, Вера Башмакова, Александр Бердичевский, Максим Борисов, Варвара Веденина, Александр Венедюхин, Михаил Волович, Михаил Гарбузов, Алексей Гиляров, Дмитрий Гиляров, Сергей Глаголев, Евгений Гордеев, Николай Горностаев, Владимир Гриньков, Дмитрий Дагаев, Юрий Ерин, Анастасия Еськова, Дмитрий Жарков, Андрей Журавлёв, Дмитрий Замолодчиков, Игорь Иванов, Вячеслав Калинин, Павел Квартальнов, Мария Кирсанова, Дмитрий Кирюхин, Александр Козловский, Юлия Кондратенко, Артем Коржиманов, Ольга Кочина, Аркадий Курамшин, Виталий Кушниров, Иван Лаврёнов, Алексей Левин, Андрей Логинов, Сергей Лысенков, Лейла Мамирова, Александр Марков, Мария Медникова, Вадим Мокиевский, Григорий Молев, Тарас Молотилин, Антон Морковин, Марат Мусин, Максим Нагорных, Елена Наймарк, Алексей Опаев, Петр Петров, Александр Пиперски, Константин Попадьин, Сергей Попов, Роман Ракитов, Татьяна Романовская, Александр Самардак, Александр Сергеев, Андрей Сидоренко, Виктория Скобеева, Даниил Смирнов, Павел Смирнов, Дарья Спасская, Любовь Стрельникова, Алексей Тимошенко, Александр Токарев, Александр Храмов, Мария Шнырёва, Сергей Ястребов, Светлана Ястребова

Новости науки по месяцам: 2016 VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2015 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2014 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2013 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2012 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2011 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2010 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2009 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2008 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2007 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2006 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2005 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I 

Новости науки почтой (рассылка на Subscribe.ru):

 


Где еще почитать научные новости: «Биомолекула», «Вокруг света», Газета.ру. Наука, «Наука и жизнь», Наука и технологии РФ, «Научная Россия», «Популярная механика», РИА Наука, «Чердак», N+1, Naked Science

 


при поддержке фонда Дмитрия Зимина - Династия