CC BY
28НАУКИ О ЗЕМЛЕ
РОЛЬ МОЛНИИ В ОБРАЗОВАНИИ ГРАДА Исмаилов С.А.
Исмаилов Сохраб Ахмедович - доктор химических наук, старший научный сотрудник, Институт нефтехимических процессов Академия наук Азербайджанской Республики, г. Баку, Азербайджанская Республика
Аннотация: облако предлагается как четвертое агрегатное состояние воды. Молния является адиабатическим процессом, который играет ключевую роль в образовании града. Разряд молнии вызывает резкое снижение внутренней энергии воды, что приводит к замерзанию и образованию града. Из-за мгновенной вспышки молнии вода не кристаллизуется и превращается в непрозрачную аморфную форму. Ключевые слова: облако, вода, молния, град, кластер.
Введение
Не только натуралисты заинтересованы в изучении молнии с древних времен, но оно и остается проблемой номер один для человечества. Хотя, в наши дни, молнию не разрешается интерпретировать с религиозной точки зрения, но древние греки поклонялись ей как Зевсу. Древние афиняне думали, что Зевс молниеносный. Даже древние римляне не хоронили такого, думая, что человек, подвергшийся удару молнии, виноват перед Богом. Некоторые люди использовали молнии в качестве лекарственных препаратов. По словам индейцев майя, грибы созревают там, где падает молния.
Согласно научным соображениям, молния представляет собой разряд электростатических зарядов, создаваемых штормом и облаками [25]. Известны несколько типов молнии:
1. Между двумя облаками;
2. В облаке;
3. Между облаками и землей;
4. Между облаками и чистым небом.
В большинстве случаев молния напоминает дерево, веревку, ленту, стержень или цилиндр. Очень редко она может быть сферической. Происхождение молнии, скорее всего, ее родителей - облако, вода. Одним из важнейших условий для тщательного изучения механизма ее образования является объяснение с позиций атомно-молекулярных представлений.
Цель работы
Существуют различные теоретические взгляды на образование молнии. Но мы не будем объяснять причину его формирования. Наша главная цель - обсудить состав облака, играющего ключевую роль в его формировании. Для этой цели было бы
совершенно законным сначала говорить о различных модификациях воды, образующей облако.
Научная новизна и обсуждение результатов
Вода является одним из самых распространенных ингредиентов на Земле. Это имеет большое значение в эволюции как живой, так и безжизненной природы. Около 70% поверхности Земли покрыто водой, 65% человеческого тела и 85% его мозга -вода [15]. В природе циркуляция воды происходит на регулярной основе, что является фактором номер один, ведущим к вечной защите флоры и фауны.
Следует отметить, что вода - самое странное и чудесное существо Вселенной, которое сильно отличается от всех существующих предметов со своими аномальными физическими и химическими свойствами. Необходимо показать аномальные свойства воды по этому вопросу:
1. Вода - это единственный минерал, который находится в виде трех агрегатных форм в земной атмосфере (твердый, жидкий, газ).
По нашему мнению, сюда необходимо включить облако, которое создает агрегатное состояние, отличное от твердого, жидкого и водяного пара! Позже мы узнаем, откуда зародилась эта идея.
2. Химический состав воды можно назвать гидридом кислорода. Химическими аналогами воды являются H2S, H2Se и Н2Те (гидриды основных полугрупповых элементов VI группы).
Таблица 1. Физические константы гидридов VI группы
Вещество Молекулярный вес Кипение Плавление
н2о 18 +100 0
н2Б 34 -61 -82
Н2Бе 80 -42 -64
Н2Те 129 -4 -51
Как видно из таблицы, с увеличением молекулярных масс температура кипения и плавления гидридов поднимается (кроме воды) [14]. Хотя молекулярный вес воды меньше других аналогов, ее температуры кипения и плавления высокие. Если точка кипения воды была бы ниже, чем остальных, тогда Земля была бы покрыта водяным паром и, следовательно, не была бы фауной или флорой. Наличие таких аномальных температур кипения и плавления у воды указывает на то, что твердое и жидкое состояние ее также являются ненормальными. Её газообразная форма считается нормальной.
3. При нагревании воды от 0 до +4 °С, ее объем уменьшается, и она имеет максимальную плотность при +4 °С (на самом деле +3,98 °С).
4. А при замерзании воды, плотность уменьшается, так как структура ее расширяется в отличие от других жидкостей. Аномалия здесь заключается в том, что лед легче, чем воды и это имеет большое значение на поверхности Земли. Если лед был бы тяжелее воды, то все живые существа, обитаемые в воде, не существовали бы. Напротив, лед покрывает верхний слой воды, защищает живых существ от замерзания и холода. Поскольку большинство твёрдых веществ тонут в своих жидкостях, следовательно, плотность вещества в твёрдом состоянии, как правило, больше плотности этого же вещества в жидком состоянии. За исключением является вода.
5. Вода имеет очень высокую удельную теплоемкость и постоянные температуры плавления и испарения. Такая исключительная роль воды проявляется в смягчении климата. Вода не сильно нагревается, когда она получает много тепла от солнца. Он постепенно высвобождает поглощаемое во время охлаждения тепло, и при этом регулирует изменения температуры в воздухе [13].
6. Наибольшее отношение поверхностного натяжения жидкости (кроме ртути -436 эрг см2) составляет вода - 75 эрг-см2 [5]. Высокое поверхностное натяжение позволяет воде легко впитываться при контакте с другими твердыми веществами. Способность воды подниматься по капиллярам обусловлена высоким коэффициентом поверхностного натяжения. Согласно закону Юрена, высота капиллярного подъема жидкости зависит от формы кривой мениска. Чем больше кривая потока, тем больше жидкости, тем выше высота. Капиллярность имеет большое значение в природе. Вода поднимается от корней дерева к верхушке ствола и движется вверх через тонкий капилляр. Самое интересное, что этот процесс продолжается регулярно и даже она не замерзает при -30 - 80 °С на самых холодных шахтах зимой. Если происходило бы расширения и замораживание воды в капиллярах, то немедленно взорвалось бы растение. Эти тонкие капилляры также регулируют циркуляцию крови у людей.
7. Вода имеет самую высокую диэлектрическую проницаемость по сравнению с другими жидкостями [1]. Физическая сущность этого термина заключается в том, что силы взаимодействия заряженных частиц уменьшаются в воде относительно вакуума. В нормальных условиях диэлектрическая проницаемость воды равна 81. Для сравнения, диэлектрическая проницаемость для других веществ колеблется от 10 до 50, хотя некоторые из этих пределов не превышают 2-2,5. Высокая диэлектрическая проницаемость воды является важным свидетельством ее сильной диссоциации и растворимости. Это универсальное решение. Поэтому природная вода состоит из смеси различных минеральных веществ (в основном растворимых солей), что очень полезно для жизни и деятельности всех живых существ. В конце концов, живой организм получает необходимые ему неорганические элементы в ионном виде (№ +, К +, Са ++, Mg ++, Fe +++, СГ , F- , J- и т. Д.) из воды.
8. Температура замерзания воды уменьшается, а не увеличивается по мере увеличения атмосферного давления.
Все перечисленные аномалии указывают на необычное свойство воды. Но как объяснять эти признаки? Прежде всего, необходимо учитывать, что ее аномальные особенности связаны с химической структурой молекулы.
Известно, что, отношение массы одного из газов, взятых в одном объеме, к массе другого равно отношению их молярных масс: m1 : m2 = M1 : M2. Средняя молекулярная масса воздуха равна 29, молекулярный вес воды составляет около 18, т.е. относительная плотность воды по воздуху равна 0.62.
Механизм образования облаков большинство исследователей объясняют увеличением кинетической энергии молекул водяного пара при попадании солнечных лучей на поверхности Земли. Таким образом, молекулы с высокой кинетической энергией из-за конвекции поднимаются в тропосферу и образуют облака. По нашему мнению, разделение молекул с поверхности Земли (земля, водохранилища, леса и пустыни, горы и т. д.) происходит и после заката Солнца за счет законов диффузии. Очевидно, что относительно в теплых регионах природы диффузионный процесс должен ускоряться из-за высокой температуры. Этот процесс продолжается до динамического равновесия между молекулами воды и молекулой водяного пара через конденсацию водяного пара с поверхности воды и между газовой фазой и полученным насыщенным водяным паром. Изменение температуры на насыщенном водяном паре может зависеть от изменения температуры. Здесь нельзя забывать о том, что молекула с низкой молекулярной массой должна подниматься в верхнюю часть атмосферы, т. е. молекула воды (18) должна подвергаться такому физическому явлению, поскольку она в 1,6 раза легче воздуха (29).
Вода бесцветная, без запаха и вкуса. Она не горит, потому что это продукт сгорания. Химический состав ее состоит из 2 молей водорода и 1 моля кислорода. Восемь электронов внешней электронной оболочки атома кислорода генерируют четыре пары электронов, из которых 2 относятся водороду, (О-Н), а остальные 2 пары в непрерывном электронном облаке. В этом случае длина ¿р-связи между атомами
74
кислорода и водорода составляет 0,96 А, а расстояние между двумя атомами водорода 1,515 А [16]. Поэтому вода является полярным веществом и имеет электрический дипольный момент. Два одинаковых по величине заряда +q и ^ образуют электрический диполь с дипольный момент т = q 1, где 1 - расстояние между зарядами. У молекулы воды эта цифра составляет 0,958 А. В это время дипольный момент (р = е1) составит 6 • 10-28к • м или 1,8 дебай ф) (1,8 • 10-18 единиц СГС).
Следует иметь в виду, что наличие легко образованных диполей воды является признаком существования электростатического поля, что свидетельствует об одном из факторов, вызывающих молнию. Если мы объединим + и - загруженных частиц со схематическими прямыми линиями, то получим подходящую и прочную тетраэдрическую структуру. Причиной этой структуры является то, что угол между молекулами водорода, связанными с кислородом, близок к тетраэдрическому углу 109°28'.Причина этого явления объясняется сильной электроотрицательностью атома кислорода [17].
Длина водородной связи составляет ~ 1,76 А, а ее энергия слабая и составляет 1733 кДж / моль. Согласно современным представлениям, водородная связь не может рассматриваться как полное электростатическое состояние. Водородная связь, основанная на теории молекулярных орбиталей, состоит из трех основных элементов - рассеянных, ковалентных и электростатических сил. Слабость этой связи позволяет легко отнять ее в виде газообразной жидкости с поверхности. Однако было установлено, что при кипячении (100 °С) все эти соединения не полностью разрушаются, а некоторые из них могут оставаться в димерной форме (2Н20). То есть, если мы подходим к проблеме исключительно из атомно-молекулярной теории, очень сложно получить Н20 стехиометрическую (без водородной связи) воду. Однако можно наблюдать смесь димера и тримера.
И хотя химики смогли изучить димеры воды при температурах, приближенных к абсолютному нулю, до сих пор было неизвестно, могут ли такие молекулы формироваться в атмосфере Земли. Проблема в том, что инфракрасные спектральные характеристики димеров очень похожи на таковые у обычных одиночных молекул воды, так что с помощью традиционных методик спектроскопии обнаружить и изучить димеры не представляется возможным.
Более перспективной является методика изучения димеров с помощью спектроскопии на крайне высоких частотах (КВЧ) в диапазоне 100-200 ГГц. К сожалению, стандартные спектрометры не обладают достаточным разрешением и не могут обнаружить слабые широкие пики димеров, предсказанные расчетами.
Тем не менее, группе российских ученых под руководством Михаила Третьякова удалось наблюдать димеры воды в условиях, близких к атмосферным [24]. Для этого исследователи создали новый спектрометр, в котором КВЧ-излучение направляется в полость, с двумя зеркалами. Резонанс полости можно настраивать изменением расстояния между зеркалами, что позволило зафиксировать желаемый резонансный пик на частотах вблизи пиков поглощения водяного пара. Эксперименты проводились при температуре 23 оС и наблюдаемые пики совпали с теми, что наблюдаются в присутствии димеров во время экспериментов при крайне низких температурах. Интересно, что эксперимент российских ученых привел к неожиданному результату: пики поглощения оказались в четыре раза шире, чем было предсказано компьютерным моделированием. Исследователи полагают, что причина кроется в упрощенном предположении о структуре молекулы воды: компьютер моделировал симметричные молекулы, в то время, как на самом деле молекула воды ассиметрична.
Продемонстрировано, что количество димеров практически не уменьшается при разбавлении водяного пара воздухом. Многочисленные предшествующие исследования указывали на то, что димеры воды должны присутствовать в земной атмосфере, оказывая влияние на химические реакции, процессы гомогенной
конденсации и радиационный баланс планеты. Считается, что димеры ответственны за поглощение солнечного света в атмосфере.
В 1959 г. доценту костромского текстильного института Н. Н. Федякину удалось разработать технологию изготовления сверхтонких стеклянных капилляров с радиусом до 0,000017 мм. Наблюдая расширение столбиков воды в этих капиллярах при нагревании, он получил странную закономерность. В капиллярах с радиусом более 1 мкм (0,001 мм) в интервалах от 0 до +4°С проявлялась известная нам аномалия воды - столбик укорачивался [7]. При +4°С его длина становилась наименьшей, а при дальнейшем нагревании все шло как должно быть - столбик начинал удлиняться, плотность воды падала. Но в самых узких капиллярах вода изменяла своей "таинственной" аномальности. Здесь удлинение столбика происходило на всем диапазоне температур, и коэффициент расширения оставался постоянным.
Дальнейшие исследования велись в отделе поверхностных явлений Института физической химии АН СССР под руководством Б. В. Дерягина [4]. Схема получения "дерягинской" воды показана на рис.1. При откачке воздуха из сосуда Дьюара вода из пробирки, помещенной в термостат, испаряется. На стенках сосуда 1 конденсируется обыкновенная вода I, а в капилляре - вода II.
Выяснилось, что вода II почти в 1,5 раза плотнее обыкновенной воды I. Вязкость ее в 15-20 раз больше. По своей вязкости вода II напоминает вазелин - обмакни в нее палец, и она потянется за ним, как смола. Вода II не замерзает при 0 °С; при -100°С она, не образуя льда, сразу вся, вследствие еще более резкого увеличения вязкости, переходит в стекловидное состояние, а закипает лишь при +300°С. Когда температура достигнет 700800 °С, пары ее распадаются, превращаясь в пары обыкновенной воды I.
Рис. 1. Схема установки для получения воды II (Н2О)п. 1 - сосуд Дьюара; 2 - пробирка;
3 - термостат; 4 - капилляр
В статье Савича Э.В. в обоснованном виде определено понятие - четвертое агрегатное состояние воды. Он предлагает, что четвертое состояние воды - это водяной пар под энергетическим воздействием напряженности магнитного поля в точке Кюри. В момент магнитного фазового перехода обретает свойство сегнетоэлектрической плазмы, которая ест основа образований таких природных явлений, как грозовое облако и шаровая молния, способных при определенных условиях выделять молнийные разряды и при взрыве большое количество тепловой энергии, что характерно для низкотемпературного реактора[21].
По сравнению с другими гомологическими газами (H2S, H2Se и Н2Те), было определено путем экстраполяции (теоретически), что переход воды из газообразной фазы в жидкую фазу должен произойти при -95 ° С [2]. Даже при температуре +200°С такая вода не может полностью мономеризоваться. В моем собственном опыте заметил, что перегретый водяной пар до +200 °С остывает трудно по сравнению с обычным водяным паром. Чистую мономерную воду можно получить,
нагревая водяной пар до +600°С. Каждая молекула воды может генерировать 4 водородные связи: они происходят между несбалансированными электронными орбитами кислорода и двумя водородами другой молекулы воды. Наличие водородных связей в воде сильно отличает ее от гомологов по физическим свойствам (кипение, плавление, замораживание и многое другое!).
В мономерной форме вода не несет слабых водородных связей. Физические свойства воды в мономерном состоянии неизвестны!
Водородные связи и силы донорно-акцепторного взаимодействия имеют высокую степень согласованности во внутренней структуре жидкой воды. Для воды возможны несколько форм полиморфных форм ледяного заполнителя. В зависимости от температуры и давления лед образует 13 видов льдообразования [17]. В нормальных условиях гексагональная форма льда более стабильна. Тщательный анализ показал, что вода образует кластерные структуры, такие как тример, тетрамер, гексамер и клатрат, за счет водородных связей, начиная с 3 молекул воды .
Кластерная форма указывает на пустое пространство внутри него. Поскольку кластерная форма более распространена во льду, чем в жидкой фазе, ее аномальное расширение объема также объясняется этим. Поэтому, при таянии льда, из-за перехода отделившихся молекул воды вовнутрь кластеров уменьшается объем. Количество влаги зависит от температуры воздуха, так как горячий воздух охотно поглощает водяной пар относительно холодной погоды. Если воздух не может поглотить водяной пар, то принимается насыщенный водяной пар. Относительная влажность воздуха — это отношение его текущей абсолютной влажности к максимальной абсолютной влажности при данной температуре.
Мы также подтверждаем, что вода имеет четвертую агрегатную форму. Согласно современным научным концепциям, облако состоит из очень маленьких (20-200 мкм) водяных капель и ледяной смеси. Впервые поднявшись по воздушным шарам, исследователи обнаружили два типа облака:
1. Очень маленькие водные капельки;
2. Малые кристаллы льда.
В настоящее время наука насчитывает 11 типов ледниковых агрегатов, многие из которых были получены в лабораторных условиях под давлением тысяч и десятков тысяч атмосфер. Большинство кристаллических структур гексагональны, а некоторые из них - гексагональные и кубические сегменты. Их плотность может составлять от 0,92 до 1,5 г / см3.
Полиморфизм воды проявляется и в жидком состоянии. Таким образом, вода может даже поддерживать эти условия при отрицательных температурах, не меняя агрегатного состояния:
1. Обычная природная вода;
2. Вода, поднятая в тонких капиллярах, начинает замерзать при -90°С, даже при контакте с ледовыми кристаллами приобретает плотность 1,4 г / см3;
3. Вода, которая не замерзает в биологических тканях;
4. Термин, называемый «А-вода» означает, что плотность такой воды аномально высока (2,1 г / см3) и наблюдается в верхнем и среднем слоях атмосферы.
Одной из наиболее интересных находок в последние годы является определение структуры кристаллов, охлажденных до 100-150 оК, путем рентгеноструктурного анализа. Ученые столкнулись с очень странным фактом. Выявлена неравномерность кристаллической структуры льда, и они назвали это как водный «аморфный конденсат», «аморфный лед», «А-вода» и т. д. [22]. Активные дискуссии по этому вопросу все еще продолжаются.
В научной работе русского ученого А. Невзорова этот вопрос очень важен. Таким образом, ученый изучил свои исследования в живой природе - через живую лабораторию, созданную в облачных приливах тропосферы. Его многочисленные эксперименты показали, что облачные слои даже образуют капельки жидкости при
77
температуре -39°С [19]. Он также назвал эту воду «А-вода». Другие аномальные особенности этих капель воды состоят в том, что экспериментально полученная оптическая плотность облака составляет 1,8-1,9, а плотность капель жидкости соответственно была очень большой - 2,1 г / см3, а удельная температура испарения при -30 °С (энтальпия) составляет 550 ± 90С / q. Эта цифра примерно в 5 раз меньше, чем у обычной воды и очень близка к ацетону. Поэтому она быстро испаряется, быстро конденсируется, и капли быстро растут. Как видно, получается совершенно другая картина, капли воды, образующие облако, сильно отличаются от обычной воды, которую мы пьем. К сожалению, научный и теоретический анализ этого события не был убедительным. Главное преимущество опыта исследователя заключается в поиске физических понятий. Однако ключевым доводом этого вопроса должно быть объяснение от позиции атомно-молекулярных изображений. По словам А. Невзорова, «молекулы воды связаны с водородными и колебательными связями, а водородные связи в отличие от колебательных связей разъединяют молекул воды, Когда вода охлаждается, колебательные связи ослабляются, а наоборот, водородные связи начинают размножаться, что приводит к увеличению расстояния (увеличение объема) и уменьшению плотности». Длина водородных связей не может быть такой, чтобы она могла превышать расстояния между молекулами. С другой стороны, мы уже знаем об изменении физических параметров гексагональных кластеров при превращении льда в воду и наоборот.
Тогда как можно объяснить отличительные особенности конденсата А-воды из обычной воды? По нашему мнению, его нужно искать в химической структуре воды. Тот факт, что молекула воды может образовывать водородные связи с четырьмя дополнительными молекулами, связана с тетраэдрической формой молекулы с тетрагональным углом 104°27'. Однако нормальный тетраэдрический угол (например, в метане СН4) составляет 109°28'.Таким образом, разница составляет около 5°. Этот факт может привести к определенным отклонениям и предполагает, что в некоторых исключительных обстоятельствах образование гексагональных кластеров молекул воды затруднено с точки зрения энергии. Молекулы не могут образовывать регулярные кластеры друг с другом. Известно, что регулярная структура молекул создает благоприятные условия для образования устойчивой кристаллической клетки. Например, приведем некоторые примеры, очевидные химикам.
Бензол (С6Н6) представляет собой обычную (правильную) гексагональную молекулу и точка плавления его + 6,8°С. Точка плавления толуола (один из бензольных водородов был заменен метильной группой СН3) составляет -93°С. Большая разница! Если мы рассмотрим транс-транс-1,3,5-гексатриен (С6Н8) или обычную гомогенную цепь с открытой цепью бензола, точка плавления этого углеводорода составляет -12°С. Гексан (С6Н12), который является аналогичным, но не регулярным, имеет температуру плавления -95 °С и все еще ниже, чем бензол. Все эти факты показывают, что молекула мономера должна иметь регулярную структуру для образования устойчивой кристаллической клетки.
По сравнению с «А-вода» быстрое замораживание обычной воды основано на сложности образования кластеров. По-нашему, когда А-вода является газообразным мономером, молекула воды искажается от тетраэдрического угла, и образование кластеров затрудняется. Кстати, это мнение подтверждается результатами многочисленных экспериментов профессора доктора Дерягина. В результате рентгенографического анализа показано, что структура воды в аморфной форме неустойчива. И эта нерегулярность существенно отличала физические свойства «А-вода» от обычной воды. Так как А-вода не имеет правильной кристаллической структуры, он такой же аморфный, как и обычное оконное стекло. Поэтому она затвердевает при низких температурах (-39 °С).
Исходя из этого, можно сделать вывод, что облако является четвертым агрегатом воды и настало время рассуждать о возникновении молнии. Основной причиной
78
образования молнии является появление очень сильного электростатического поля, образованного между облаком и Землей или внутри облака. А как появляется это поле? Установлено, что верхние части тропосферы относительно холодные. Свыше 10 км температура воздуха может достигать -30 С. Относительно горячий поток облаков снизу быстро поднимается вверх, а наоборот, поток облаков мелких кристаллов льда из холодного слоя начинает течь вниз (конвекция!).
Этот процесс происходит в основном летних периодах. Трение, образованное при встрече холодного и горячего облаков вызывает большое электростатическое поле на миллион В/м. Поскольку такое электростатическое поле наполнено воздухом, водяным паром и водой, само явление напоминает обычный нагруженный конденсатор. Как упоминалось выше, вода имеет самую высокую диэлектрическую проницаемость (81) и высокий дипольный момент (1,8 D) среди жидких композитов, которая легко может быть поляризована под воздействием электростатического поля. Под воздействием сильного электростатического поля может прокалываться «естественный конденсатор», и получится гром. Причиной формирования грома является внезапное расширение воздуха. При этом энергия излучения частиц плазмы генерирует миллиарды джоуль, и температура может вырасти примерно до 30 000 оС. Это в 5 раз больше, чем жара на поверхности солнце. Под действием такого электростатического разряда и тепла молекулы кислорода в воздухе могут быть превращены в озон (302 ^ 20з), и азот может превратиться в азот-4-оксид + 02 = 2Ш + 02 = 2Ш2) .
Причина образования града еще не определена. Следует отметить, что до сих пор нет правильного и положительного ответа на этот вопрос. Несмотря на создание первой гипотезы по этому поводу еще в первой половине XVII века Декартом, однако, научную теорию градовых процессов и методов воздействия на них разработали физики и метеорологи лишь в середине прошлого века. Следует отметить, что ещё в средних веках и в первой половине XIX века было выдвинуто несколько предположений разных исследователей, таких как, Буссенго, Шведов, Клоссовский, Вольта, Рейе, Феррел, Ган, Фарадей, Зонке, Рейнольд и др. К сожалению, их теории не получили свои подтверждения. Следует отметить, что и последние взгляды по данному вопросу не представляют собой научную обоснованность, и до сих пор нет исчерпывающих представлений о механизме градообразования. Наличие многочисленных экспериментальных данных и совокупность литературных материалов, посвящённых этой теме дали возможность предположить следующий механизм образования града, который был признан Всемирной метеорологической организацией и продолжает действовать до сих пор (чтобы не было разногласий, мы дословно выдаём эти рассуждения) [3,27,11]:
«Поднимающийся от земной поверхности в жаркий летний день теплый воздух охлаждается с высотой, а содержащаяся в нем влага конденсируется, образуется облако. Переохлажденные капли в облаках встречаются даже при температуре — 40 °С (высота примерно 8—10 км). Но эти капли очень нестабильны. Поднятые с земной поверхности мельчайшие частицы песка, соли, продукты сгорания и даже бактерии при столкновении с переохлажденными каплями нарушают хрупкий баланс. Переохлажденные капли, вступившие в контакт с твердыми частицами, превращаются в ледяной зародыш градины.
Мелкие градины существуют в верхней половине почти каждого кучево-дождевого облака, но чаще всего такие градины при приближении к земной поверхности тают. Так, если скорость восходящих потоков в кучево-дождевом облаке достигает 40 км/ч, то они не в силах удержать зародившиеся градины, поэтому, проходя сквозь теплый слой воздуха на высоте от 2.4 до 3.6 км, они выпадают из облака в виде мелкого «мягкого» града либо и вовсе в виде дождя. В противном случае восходящие потоки воздуха поднимают мелкие градины до слоев воздуха с температурой от -10 °С до -40 °С (высота между 3 и 9 км), диаметр градин начинает
79
расти, достигая порой нескольких сантиметров. Стоит отметить, что в исключительных случаях скорость восходящих и нисходящих потоков в облаке может достигать 300 км/ч! А чем выше скорость восходящих потоков в кучево-дождевом облаке, тем крупнее град.
Для образования градины размером с шар для гольфа потребуется более 10 миллиардов переохлажденных капель воды, а сама градина должна оставаться в облаке как минимум 5—10 минут, чтобы достичь столь крупного размера. Надо заметить, что на формирование одной капли дождя необходим примерно миллион таких мелких переохлажденных капель. Градины диаметром более 5 см встречаются в суперячейковых кучево-дождевых облаках, в которых наблюдаются очень мощные восходящие воздушные потоки. Именно суперячейковые грозы порождают смерчи-торнадо, сильные ливни и интенсивные шквалы. Град выпадает обычно при сильных грозах в теплое время года, когда температура у поверхности Земли не ниже 20 °С».
Всемирная метеорологическая организация в 1956 году дала определение, что такое град: "Град - осадки в виде сферических частиц или кусочков льда (градины) диаметром от 5 до 50 мм, иногда больше, выпадающие изолированно или же в виде неправильных комплексов. Градины состоят только из прозрачного льда или ряда его слоёв толщиной не менее 1 мм, чередующихся с полупрозрачными слоями. Выпадение града наблюдается обычно при сильных грозах".
Почти во всех бывших и современных источниках по данному вопросу указывают, что град образуется в мощном кучевом облаке при сильных восходящих потоках воздуха. Это верно. К сожалению, совсем забыто про молнии и грозы. И последующая интерпретация формирования градины, на наш взгляд, нелогична и трудно вообразима.
Профессор Клоссовский тщательно изучил внешние виды градин и обнаружил, что они кроме сферической формы, имеют ряд других геометрических форм существования [12]. Эти данные указывают на образование градины в тропосфере по иному механизму.
После ознакомления со всеми этими теоретическими взглядами, привлекло наше внимание несколько интригующих вопросов:
1. Состав облака, находящегося в верхней части тропосферы, где температура достигает приблизительно -40 оС, уже содержит смесь переохлаждённых водяных капелек, кристалликов льда и частиц песка, солей, бактерий. Почему не нарушается хрупкий энергетический баланс?
2. По признанной современной общей теории [3,27,11] , градина могла бы зарождаться и без разряда молнии или грозы. Для образования градины с большим размером, маленькие льдинки, обязательно должны подниматься несколько километров вверх (минимум 3-5 км) и опускаться вниз, переходя нулевую изотерму. Притом это должно повториться до тех пор, пока не образовалась в достаточно большом размере градина. Ещё к тому же, чем больше скорости восходящих потоков в облаке, тем крупнее должна получиться градина (от 1 кг-а до нескольких кг) и для укрупнения она должна оставаться в воздухе 5 - 10 минут. Интересно!
3. Вообще, трудно вообразить, что в верхних слоях атмосферы сосредоточится столь громадных ледяных глыб с весом 2-3 кг? Выходит, что градины были ещё крупными в кучево-дождевом облаке, чем наблюдаемые на Земле, поскольку часть ее растает при падении, проходя через тёплый слой тропосферы.
4. Поскольку метеорологи нередко подтверждают: "... град выпадает обычно при сильных грозах в тёплое время года, когда температура у поверхности Земли не ниже 20°С", тем не менее, не указывают причину этого явления. Естественно, спрашивается: в чем заключается эффект грозы?
При разряде молнии высвобождается колоссальная тепловая энергия, и температура при этом достигает- 30 000 оК! Это примерно в 5 раз больше, чем температура поверхности Солнца. Безусловно, частицы такой громадной
80
энергетической зоны должны существовать в форме плазмы, которые после разряда молнии путём рекомбинации превращаются в нейтральные атомы или молекулы.
Как образуется град?
При разряде молнии из-за выделения огромного количества внутренней энергии вода начинает остывать. Согласно известному закону физики, интенсивное выделение внутренней энергии системы приводит к охлаждению. Примечательно, что энергия во время разряда молнии не вводится извне, а, наоборот, исходит от самой системы (в данном случае система: вода, поляризованная в электростатическом поле). Процесс выделения энергии потребляет кинетическую энергию самой поляризованной водной системы. В этом процессе интенсивное и мгновенное высвобождение энергии приводит к сильному и быстрому затвердеванию воды. Чем сильнее выделение, тем интенсивнее происходит процесс застывания воды. Для такого процесса не обязательно, чтобы температура окружающей среды была ниже нуля. При ударах молнии образуются разные типы градин, различающиеся по размеру. Количество града зависит от мощности и силы молнии. Чем мощнее молния, тем крупнее град. Обычно град быстро прекращается, как только перестает мигать молния. Процессы подобного типа действуют и в других сферах Природы. Приведём несколько примеров.
Холодильные системы работают по указанному принципу. То есть, искусственный холод (минусовые температуры) образуется в испарителе в результате кипения жидкого хладагента, который подаётся туда по капиллярной трубке. Благодаря ограниченной пропускной способности капиллярной трубки, хладагент поступает в испаритель относительно медленно. Температура кипения хладагента обычно составляет порядка — 30 оС. Попадая в тёплый испаритель, хладагент моментально вскипает, сильно охлаждая стенки испарителя. Пары хладагента, образовавшиеся в результате его кипения, попадают из испарителя во всасывающую трубку компрессора. Откачивая из испарителя газообразный хладагент, компрессор нагнетает его под высоким давлением в конденсатор. Газообразный хладагент, находящийся в конденсаторе под высоким давлением охлаждаясь, постепенно конденсируется, переходя из газообразного в жидкое состояние. Заново жидкий хладагент из конденсатора подаётся по капиллярной трубке в испаритель и цикл повторяется.
Химикам хорошо известно получение твёрдого углекислого газа (СО2). Углекислый газ обычно перевозится в стальных баллонах в сжиженной жидкой агрегатной фазе. При медленном пропускании газа из баллона при комнатной температуре переходит в газообразное состояние, если его выпускать интенсивно, то он тут же переходит в твёрдое состояние, образуя «снег» или «сухой лёд», имеющий температуру сублимации от —79 до —80 оС. Интенсивное испарение приводит к затвердеванию углекислого газа, минуя жидкую фазу. Очевидно, температура внутри баллона плюсовая, однако, выделенный таким путём твёрдый углекислый газ («сухой лёд) имеет температуру сублимации примерно —80 оС [26].
В заключение хочется затронуть очень важный вопрос, касающийся многослойности градин (рис. 2).
Рис. 2. Аморфная агрегатная форма льда 81
Чем обусловлена мутность в структуре градины? Считают [23, 11, 6]: «чтобы носить по воздуху градину диаметром около 10 сантиметров, восходящие струи воздуха в грозовой туче должны иметь скорость не меньше 200 км/ч, и таким образом, в него включаются снежинки и пузырьки воздуха. Такой слой выглядит мутным. Но если температура выше, то лёд намерзает медленнее, и включённые снежинки успевают растаять, а воздух улетучивается. Поэтому такой слой льда прозрачный. По кольцам можно проследить, в каких слоях облака побывала градина, прежде чем упасть на землю». Из рис. 2 отчётливо видно, что лёд, из которого состоят градины, действительно, неоднородный. Почти каждая градина состоит из чистого и в центре мутного льда. Непрозрачность льда может вызываться по разным причинам. В больших градинах иногда чередуются слои прозрачного и непрозрачного льда. На наш взгляд, белый слой отвечает аморфную, а прозрачный слой кристаллическую форму льда. К тому же, аморфная агрегатная форма льда получают путём чрезвычайно быстрого охлаждения жидкой воды (со скоростью порядка 107 оК в секунду), а также быстрого повышения давления окружающей среды, так что молекулы не успевают сформировать кристаллическую решётку [20]. В данном случае это происходит разрядом молнии, что полностью соответствует благоприятному условию образования метастабильного аморфного льда. Громадные глыбы весом 1 - 2 кг образовались из скоплений сравнительно мелких градин. Оба фактора показывают, что образование соответствующих прозрачного и непрозрачного слоёв в разрезе градины обусловлено воздействием чрезвычайно высоких давлений, порождённых при разряде молнии. Выводы
Физические и химические характеристики мономерной воды до сих пор неизвестны. Исходя из аномальных физических характеристик, следует учитывать, что облако четвертая агрегатная форма воды представляет собой смесь мономерных и димерных молекулярных состояний воды. Причиной образования града является мгновенное высвобождение внутренней энергии воды при разряде молнии в кучево-дождевое облако. Сильный выброс внутренней энергии воды приводит к быстрому охлаждению и образованию льда соответственно. Процесс практически близок к адиабатическому процессу, поскольку генерируемая тепловая энергия не вводится в системе извне, но исходит из самой системы. Этот процесс не требует перехода нулевой изотермы атмосферы, которая имеет отрицательная температура и может легко возникнуть в низких и теплых слоях атмосферы. Мощный разряд молнии создает условия для образования большой градины.
Список литературы
1. Алекин О.А. Основы гидрохимии. Л., 1970. 446 с.
2. Анцышкин Д.В., Дунаева А.Н., Кусков О.Л. Термодинамика фазовых переходов в системах // Геохимия, 2010. 7. С. 675-684.
3. Баттан Л.Д. Человек изменит погоду. // Гидрометеоиздат. Л., 1965. 111 с.
4. Дерягин Б.В., Чураев Н.В. «Новые свойства жидкостей». М.: Наука, 1971. 176 с.
5. Айзенберг Д., Каутсман В. Структура и свойства воды // Пер. с англ. Л., 1975. 280 с.
6. Ермаков В.И., Стожков Ю.И. Физика грозовых облаков. ФИАН РФ им. П.Н. Лебедева. М., 2004. 26 с.
7. Федякин Н.Н. «Изменение структуры воды при конденсации в капиллярах» // Коллоидный журнал, 1962. 24. 497.
8. Свойства водорода, получение, хранение, транспортировка, применение. Под ред. Д.Ю. Гамбург, Я.Ф. Дубовкина. М.: Химия, 1989. 672 с.
9. Стрэнджуэйс Ян. Теория осадков, измерение и распределение. // Кембридж. University Press, 2006. 290 с.
10. Канарев Ф.М. Начала физической химии микромира. Монография. II. Краснодар, 2009. 450.
11. Хучунаев Б.М. Микрофизика возникновения и предотвращения града. Дисс. доктора физико-математических наук. Нальчик, 2002. 289 с.
12. Клоссовский А.В. // Транзакции метеора сети Юго-Запада России, 1889. 1890. 1891.
13. Кульский Л.А., Даль В.В., Ленчина Л.Г. Вода знакомая и загадочная. Киев: Радянская школа, 1982, 120 с.
14. ЛарионовА.К. Занимательная гидрогеология. М.: Недра, 1979. 157 с.
15. ЛосевК.С. Вода. Л. Гидрометеоиздат, 1989. 272 с.
16. МаленковГ.Г. В кн.: Физическая химия. М., 1984. С. 41-76.
17. Мосин О.В., Игнатов И. Строение воды и физическая реальность, 2011.17. С. 16.
18. Назаренко А.В. Опасные погодные явления конвективного происхождения. Воронеж, Государственный университет, 2008. 62 с.
19. Невзоров А.Н. О механизме кристаллизации метастабильной воды и ее влиянии на внутриоблачные процессы. ФАО, 2006. Т. 42, № 6. С. 830-838.
20. Рассел Дж. Аморфный лед. Эд. «VSD», 2013. 157 с.
21. Савич Е.В. ISSN 2074-272X. Электромеханика, 2013. № 2. С. 19-22.
22. Силонов В.М., Чубаров В.В. Аморфный лед. Физика конденсированного состояния. РЕНСИТ, 2015. Т. 7. № 1.
23. Тлисов М.И. Физические характеристики града и механизмы его формирования. Гидрометеорологическое издательство, 2002. 385 с.
24. Третьяков М.Ю., Кошелев М.А., Серов Е.А. и др. Димер воды и атмосферный Континуум УФН, 2014. Т. 184. С. 1199-1215.
25. ЮманМ.А. Молния. Пер. с англ., М. 1972. 328 с.
26. Юрьев Ю.К. Практикум по органической химии. Московский государственный университет, 1957. Выпуск 2. 231 с. № 1. С. 39.
27. Железняк Г.В., Козька А.В. Загадочные явления природы. Книга клуб. Харьков, 2006. 180 с.
