Стаханов 1985 писал(а):
Большинство шаровых молний, возникновение которых могут описать очевидцы, появляются из различных металлических предметов и электроприборов, например из розеток электрических и радиосетей, антенн, радиоприемников, телевизоров, батарей отопления и других приборов и металлических предметов, включенных в сеть или заземленных. Обычно (но не всегда) это происходит во время грозы. Часто шаровая молния появляется при разряде линейной молнии. Однако иногда появлению шаровой молнии может предшествовать вместо разряда линейной молнии интенсивное коронирование проводников. Можно предположить, что шаровая молния появляется там, где накапливается значительный электрический заряд, при мощной, но кратковременной эмиссии этого заряда в воздух (с. 150).
Наиболее вероятный механизм образования этих ионов — импульсный коронный разряд. Если по тем или иным причинам канал линейной молнии обрывается в некотором месте, то заряд, переносимый через канал молнии, начинает накапливаться и затем быстро стекать в воздух. При этом напряжение резко возрастает и заряд должен стекать главным образом в виде электронных пучков, которые могут быть ускорены до энергии в десятки и может быть даже в сотни килоэлектрон-вольт (с. 196).
Типичный случай возникновения шаровой молнии:
Рис. 1
На этом схематичном рисунке изображены: грозовое облако, земля с наведёнными зарядами, проводящий предмет (электрод) расположенный на плохопроводящем основании, линейная молния ударяющая в электрод, импульсный коронный разряд и образующаяся из него шаровая молния.
Электрод может представлять собой металлическую незаземлённую или плохо заземлённую конструкцию, провода электросети и т.п. Электродом может служить верхушка дерева, столб, участок сухого грунта, водоём без подпитывающих грунтовых вод и т.п. Своеобразным «электродом» может быть объёмный заряд другого облака.
Этот природный механизм может быть представлен электрической схемой замещения:
Рис. 2.
Верхняя обкладка конденсатора C изображает электроёмкость грозового облака по отношению к земле. Буквой Э обозначен коронирующий электрод. Сопротивление R (активное, или индуктивное в случае электроустановок) большой величины изображает электрическое соединение электрода Э с землёй. Искровой промежуток изображает молнию.
Схема работает следующим образом.
Часть индуцированного положительного заряда земли через сопротивление R перемещается на электрод Э. Возникают условия для образования молнии.
При возникновении разряда молнии электроёмкость грозового облака (конденсатор C) через искровой промежуток соединяется с электродом Э. Электрод Э оказывается под высоким напряжением, равным напряжению конденсатора C (несколько миллионов вольт).
Разряд через сопротивление R затруднён, т.к. велика постоянная времени разряда из-за больших величин емкости конденсатора C и сопротивления R. Следовательно, разряд достигает лидерной стадии, но не переходит в стадию обратного разряда.
Вокруг электрода Э, вследствие его малых размеров, возникает большая напряжённость электрического поля. Если эта напряжённость превысит 25—30 кВ/см (например, на острие или другом участке с малым радиусом кривизны), то возникнет импульсный коронный разряд.
В схеме
может отсутствовать сопротивление R, например, при внутриоблачном разряде.
Суть явления (по данной схеме) заключается в том, что создаются условия для инициирования разряда молнии и затруднения в стекании тока молнии в землю. При этом ток стекает в воздух, образуя импульсный коронный разряд.
При некоторых условиях из импульсного коронного разряда рождается шаровая молния.
Сравним природный механизм образования ШМ с лабораторной установкой А. И. Егорова и Г. Д. Шабанова.
Рис. 3
где
1— полиэтиленовая ёмкость;
2 — кольцевой электрод;
3— центральный электрод;
4 — конденсаторная батарея ёмкостью 0,6 мФ;
5— разрядник;
6 — кварцевая трубка;
7 — угольный или металлический электрод, диаметром 6 мм, выступающий над поверхностью воды на высоту 2—3 мм;
8 — медная шина.
Этот рисунок можно изобразить принципиальной схемой:
Рис. 4
Принципиальная схема лабораторной установки.
На рисунке изображены конденсатор С (4), выключатель Вкл (5), коронирующий электрод Э (7) и вспомогательный электрод Эвсп (вода в сосуде).
Сравнивая схему установки (рис.4) со схемой природного механизма (рис. 2), замечаем, что между ними есть сходство, и есть различие. Основное сходство это наличие коронирующего электрода. Другое сходство — наличие конденсатора с запасом электрической энергии. Различающиеся конструктивно элементы это искровой промежуток и выключатель, но выполняют они одну и ту же функцию — соединение конденсатора с коронирующим электродом.
Так как вместо искрового промежутка используется выключатель, то в лабораторной установке сопротивление R не нужно, так же как оно не нужно при внутриоблачном разряде молнии.
Существенное различие имеется в напряжениях заряженных конденсаторов и, соответственно, в напряжениях, подаваемых на коронирующие электроды. В случае грозового облака это мегавольты, в лабораторном случае это киловольты. Но сами по себе эти напряжения не влияют на процесс. Для образования коронного разряда значимо не напряжение, а напряжённость электрического поля.
В природном механизме необходимая для образования коронного разряда напряжённость поля создаётся в основном за счёт высокого напряжения, а в лабораторной установке — за счёт использования вспомогательного электрода, максимально приближенного к коронирующему электроду. В качестве вспомогательного электрода используется вода, окружающая коронирующий электрод. Коронирующий электрод выступает над поверхностью воды на высоту 2—3 мм, что создаёт вокруг него среднюю напряжённость поля 18—30 кВ/см, которой хватает на образование короны.
Лабораторная установка работает следующим образом. Предварительно заряженный конденсатор C через выключатель Вкл кратковременно соединяется с коронирующим электродом Э. Электрод Э оказывается под высоким напряжением, равным напряжению конденсатора C (5,5—6 кВ). Вокруг электрода Э, вследствие близости вспомогательного электрода Эвсп, возникает большая напряжённость электрического поля. Эта напряжённость превышает электрическую прочность воздуха, поэтому на электроде Э возникает импульсный коронный разряд, аналогичный коронному разряду в природном механизме. При некоторых условиях из импульсного коронного разряда рождается шаровая молния.
Стаханов (с. 194—197) определяет некоторые условия возникновения природной ШМ.
Одним из главных условий является наличие воды в зоне образования ШМ. Вода (или другое вещество с поляризованными молекулами) нужна для гидратации ионов плазмы. Без гидратации время жизни ионов очень мало.
Стаханов писал(а):
На шаровую молнию диаметром 20 см уходит… около 5,8 г воды…
Для образования… требуется около 30—50 кДж.
энергия электронов в пучке около 100 кэВ.
Для образования шаровой молнии средних размеров требуется выбросить заряд 0,1—1 Кл.
Для получения искусственной ШМ экспериментаторы наносят на коронирующий электрод 1—2 капли воды. Масса одной капли воды примерно 0,1 г. Из-за малого количества воды мала степень гидратации ионов в плазме, отсюда мало время жизни искусственной ШМ.
Энергия, запасённая в конденсаторе 0,0006 Ф при напряжении 5500 В примерно равна 9 кДж, а заряд составляет примерно 3 Кл.
Как видим, параметры лабораторной установки (учитывая кпд) ниже чем у природной. По-видимому, это минимальные параметры для воспроизведения шаровой молнии.
Вывод. Сравнение природного механизма возникновения ШМ с лабораторным экспериментом показывает, что это явления одной природы, аналогично тому, как лабораторная электрическая искра подобна естественной линейной молнии. Разница только в масштабах явления.
плазмы из ионных гидратов 
и 
с учетом также и свободных молекул 
, находящихся в равновесии с оболочками ионов, требуется 4.6 • 
молекул воды. На шаровую молнию диаметром 20 см уходит в этом случае около 5,8 г воды даже в том случае, если она целиком состоит из молекул воды и не содержит других частиц, например 
, 
и др. 