книги из ГПНТБ / Сингер, С. Природа шаровой молнии

этом может способствовать разряду молнии, или же метастабильные молекулы шара могут внезапно высвобо­ дить свою энергию.

Был проведен расчет одномерной модели развития разряда, для чего использовались уравнения, описываю­ щие изменение во времени: концентрации положительных ионов

и концентрации электронов

уравнение Пуассона для электрического поля

? £ ^ / ( я + _ 7 Г ) /

дх

уравнение для потока электронов

Гх = — \)Гп~Ех

Здесь п — концентрация ионов или электронов (верх­ ние индексы « + » или «—» показывают, что величины от­ носятся к ионам или электронам соответственно), Іх — поток ионов или электронов, Ех — электрическое поле, ц — подвижность (~26 см2 /В в 1 с для положительных ионов, 4-103 для электронов); е0 — диэлектрическая по­ стоянная среды; ах — коэффициент Таунсенда, который определяется как число свободных электронов, образуе­ мых при соударении с частицами газа одним электроном на 1 см своего пути; этот коэффициент связан с напря­ женностью электрического поля соотношением

ах = А ехр (— ВІЕХ),

где А и В— эмпирические константы. Числовые решения были получены при следующих граничных и начальных условиях:

/ ; ( х = 0) = 1 0 » см-3 • с"1 ,

от нуля, имеет следствием в этой модели отличное от нуля поле на бесконечности. Расчеты были проведены для разряда при 1 атм и 3000 К во внешнем поле 1750 В/см и при входящем в слой электронном токе 10~8 А/см2 . Устойчивое решение получалось уже для времени, боль­ шего ~ 10~4 с, что соответствует времени, за которое один ион проходит область разряда. В результате накопления положительных ионов происходит резкое уменьшение электрического поля с 3400 В/см до 60 В/см и увеличение толщины разрядного слоя от 0 до 4 см. При толщине бо­ лее 4 см концентрации электронов и положительных ионов почти равны, и влияние объемного заряда на поле крайне мало. При этой толщине токи из шара также ста­ новятся постоянными, причем ток положительных ионов, направленный вниз, к земле, чуть меньше 10~7 А/см2 , а ток электронов, направленный вверх, равен Ю - 5 А/см2 .

Равновесный размер сферы с учетом потерь энергии устойчив в отличие от температуры, которая заметно ме­ няется, причем потери на излучение пропорциональны четвертой степени температуры, а потери за счет тепло­ проводности прямо пропорциональны ей, в то время как прирост энергии при увеличении температуры в основном определяется линейным увеличением подвижности за­ ряженных частиц. Стабилизация в этом случае обеспечи­ вается за счет излучения. Важнейшими процессами, опре­ деляющими радиус шара, являются поступление энергии, .. потери на излучение, конвективные потери и перемешива­ ние. Подобно тому как потери на излучение стабилизиру-

ют температуру, так и размер стабилизируется за счет конвективных потерь, причем и радиус и температура определяются конкретными условиями, наиболее важным из которых является внешнее поле.

Свечение шаровых молний приписывалось электролю­ минесценции воздуха — его частицы, перешедшие после соударений с электронами в метастабильные состояния с большими временами существования, должны постепенно передать накопленную ими энергию частицам, быстро переизлучающим ее в видимой области спектра, напри­ мер молекулам углекислого газа.

В качестве наиболее вероятных из долгоживущих метастабильных молекул были названы молекулы кислоро­ да Oo^'Ajj") и 02 (61 2g"), времена жизни которых состав­ ляют соответственно 45 мни и 8 с. Обе молекулы сохраня­ ют относительную устойчивость до 2000 К. Первая из них наблюдается в количестве свыше 10% в микроволновых разрядах, а вторая является источником сильного излу­ чения при взрывах окиси углерода и кислорода под дав­ лением в несколько атмосфер. Однако, согласно оценкам, потеря энергии в этих состояниях при соударениях с части­ цами воздуха при давлении 1 атм и температуре 2000 К должна была бы произойти уже через секунду или малую

возбужденные молекулы азота N2 (Л3 2^~).

Высокочастотные разряды давали особенно яркое из­ лучение при 2000—2500 К, которое у газа в тепловом рав­ новесии могло бы появиться только при более высоких температурах — порядка 4000 К. Согласно этой теории не­ равновесная концентрация частиц в возбужденном со­ стоянии обусловливается процессами столкновений в электрическом поле после вспышки. Световое излучение высокочастотного разряда мощностью в 50 Вт было уже весьма ярким. Значительно больший приток энергии тре­ буется для поддержания температуры и процессов воз­ буждения, особенно если происходит смешивание с внеш­ ними газами. Видимое излучение высокочастотных

.разрядов в воздухе представляет собой в основном конти­ нуум двуокиси углерода. Были зарегистрированы также кислородные полосы Шумана — Рунге, а также полосы

гпдрокснла ОН и молекулы СО. Возможно также, что и органические загрязнения в экспериментальной установ­ ке являются источниками света, переизлучаемого их воз­ бужденными молекулами, которые, согласно этой теории, получают энергию от молекул кислорода в метастабильном состоянии. Сами эти молекулы кислорода не дают видимого излучения в высокочастотных разрядах, воз­ можно потому, что устойчивы они более длительное вре­ мя, чем период видимого свечения разрядов после отклю­ чения тока, пли потому, что условия для передачи энергии быстро перензлучающпм молекулам более бла­ гоприятны.

Долго державшийся свет линейной молнии, которая перешла затем в неточную [68], также был приписан при­ сутствию метастабнльных возбужденных частиц, на чем строится теория, развитая в работе [405]. Однако изуче­ ние долгосветящихся вспышек молний показывает, что

V/'между импульсами в канале сохранялся ток, из чего сле­ дует, что длительное свечение может объясняться и пря­ мым возбуждением быстро высвечивающихся частиц [253]. Прямое их возбуждение может произойти также и без посредства метастабнльных молекул [с большим вре­ менем жизни]: для этого достаточно электрического поля с обратной полярностью, возникающего вслед за обычной молнией и существующего достаточно долго. О светящих­ ся сферах, длительно существующих после отключения источника разрядов постоянного тока, сообщений не име­ ется.

Тот факт, что шаровая молния существовала в само­ летах на протяжении времени, которое превышало период распада, полученный в экспериментальных разрядах вы­ сокой частоты, был отнесен за счет резонансного возбуж­ дения СВЧ-колебаний в фюзеляже внешним разрядом постоянного тока.

В такой же модели шаровой молнии сделан вывод: теплопроводность и электропроводность — нелинейные функции, причем зависят они не только от тока и напря­ женности поля, а и от температуры [532]. В тепловом балансе такой модели предполагается, что температура • поддерживается за счет энергии внешнего электрического поля, а в качестве механизма потери энергии рассматри-

вается только теплопроводность. Условие, необходимое для возникновения подобного разряда, — это существова­ ние некоторого объема нагретого воздуха, например в ос­ тывшем проводящем канале, оставшемся после вспышки молнии, как и в теории Теплера. Сформированный таким образом шар диаметром 20 см и температурой в центре 5000 К имеет запас энергии 2000 Д ж и излучает 100 Вт в

'( видимой области спектра, создавая свечение приблизи­ тельно такое же, как и 1000-ваттная лампа. Время, требу­ емое для остывания шара таких размеров, содержащего воздух с первоначальной температурой в несколько ты­ сяч градусов, при прекращении дальнейшего поступления энергии составляет несколько секунд [535]. При этом учи­ тывались только потери энергии за счет теплопроводности при обычных условиях баланса энергии и импульса, а также при сохранении массы шара. Давление в шаре бы­ ло принято равным атмосферному и никакие изменения давления не рассматривались. Свечение шара должно

'уменьшаться при остывании от 5000 К на порядок и более па каждую тысячу градусов, причем падение до 3000 К должно происходить примерно за 1,5 с. Однако автор

'указывает, что во многих наблюдениях яркость огненных шаров была, по-видимому, постоянной, а не уменьшалась, как это должно происходить согласно модели. Кроме то­

го, горячая сфера должна была бы быстро подниматься при отсутствии силы, которая смогла бы удерживать шар в одном положении, противодействуя всплываншо. Ни в одном случае нет объяснений, каким образом удержива­ ются в области шара нагретые газы, поскольку даже при отсутствии давления, превышающего давление окружаю­ щей атмосферы, обладающие большой скоростью моле­ кулы быстро диффундировали бы из области шара.

В этих более поздних теориях шаровой молнии были сделаны попытки аналитического описания электрических разрядов, относительно которых уже давно предполага­ лось, что они могли бы служить в качестве возможных моделей шаровой молнии. Этим исследованиям пока еще не удалось преодолеть тех трудностей, с которыми стал-

—киваются теории разряда при попытке объяснить отмечав­ шиеся в наблюдениях свойства шаровой молнии. Общая энергия, предполагаемая для таких сфер, в 103 раз мень-

молния, вскипятившая бочку воды; с другой стороны, на­ званные выше величины температур показывают, что это и не абсолютно холодные шары, от которых совсем не исходит тепло [184, 345].

Теории, рассматривающие шаровую молнию как не­ который вид электрического разряда (что позволяет свя­ зать ее с другими видами разрядов при грозах), разрабо­ таны шире и детальнее всех остальных теорий шаровой' молнии. Эта модель обладает тем преимуществом, что позволяет принять во внимание в расчетах мощные ис­ точники энергии, которые, несомненно, имеются в грозах. Однако некоторые из наиболее своеобразных свойств шаровой молнии — движение, появление в закрытых по­

В ранней работе о вспышках молнии, в которой было высказано предположение о том, что шаровая молния может быть тлеющим или кистевым разрядом, Сноу Гаррис, кроме того, описал образование раскаленных метал­ лических шариков при помощи электрического разряда, пропущенного через проволоку [200]. В экспериментах Ван-Марума [538], описанных им в 1800 г., из железных, медных и свинцовых проволок неоднократно возникали подвижные сферы, которые отскакивали от холодной по­ верхности. Предположения, что шаровая молния — это не электрический разряд, а светящееся раскаленное ве­ щество [524] или, в частности, раскаленный металл, пря­ мо были высказаны гораздо позднее [355]. Планте срав­ нивал четочную молнию, возникшую из обычной, с сег­ ментированной раскаленной цепочкой, которую электри­ ческий разряд создает из металлической проволоки [389].

Некоторые из наблюдений шаровой молнии указыва­ ют на возможность того, что первоначальная линейная молния может породить светящуюся сферу, ударив в ка­ кое-то твердое вещество и испарив его. Появление огнен­ ного шара, который катится от дерева, пораженного мол-

нией, достаточно типично [469]. В одних случаях он может представлять собой движущийся фронт свечения корон­ ного или тлеющего разряда, как это, видимо, имело место

интенсивному нагреванию током. С таким процессом со­ гласуется факт обнаружения смолы в фульгурите от ша­ ровой молнии, возникшей после удара линейной молнии в дерево [328], хотя сообщение не позволяет ясно уста­ новить роль шаровой молнии в этом событии. В другом сообщении о горящем шаре на земле, который взорвался через полминуты [564], говорится о дегтеобразных остат­ ках. Эта молния возникла во время чрезвычайно интен­ сивной грозы. Остаток имел запах серы и был настолько горячим, что обжег руку очевидца через 10 мин после исчезновения шара. От прикосновения к этому веществу его пальцы пожелтели.

Светящиеся шары наблюдались и после ударов мол­ ний в металлические сооружения, а в некоторых случаях испарение участков телефонной или антенной проволоки было явно теснейшим образом связано с возникновением шара. Свидетель видел, как после чрезвычайно сильного удара молнии в телефонный столб по улице катилась яр­ кая масса диаметром почти 1 м, а следом за ней еще не­ сколько шаров поменьше [398]. Позже было обнаружено, что провод между двумя столбами оборван и не хватает значительного его куска. Еще в одном случае очень силь­ ный удар молнии уничтожил медную антенну вскоре пос­ ле того, как она была установлена для изучения грозо­ вого электричества [528]. Свидетель, наблюдавший грозу, заметил большой огненный шар, по-видимому образо­ вавшийся благодаря превращению в пар 65 м двухмилли­ метровой проволоки.

Случайный разряд в медную проволоку в студенче­ ской лаборатории создал светящийся шар, похожий на те, о которых сообщал Ван-Марум.. Этот шар, казалось, медленно катился по столу, пока не исчез [237]. На пути "Шара осталась линия опаленных пятен, которая конча­ лась у трещины в столе шириной 1—2 мм. В ящике пря­ мо под щелью был найден медный шарик диаметром око-

раскаленной до свечения меди. Свидетель сообщил, что цвет ее был желто-белым, а не зеленым, характерным для паров меди.

Браид [65] описал возникновение таких же светящих­ ся масс в результате короткого замыкания в силовых це­ пях. В одном случае возник шар диаметром 5 см, который двигался по ветру около 50 м. В мощных разрядах —при*-' мощности 4 -107 Вт в цепи — между медными и серебря­ ными электродами возникали зеленые раскаленные до свечения шары диаметром 10—15 см [477, 479]. Продол­ жительность жизни этих шаров, согласно сообщению, была порядка секунды. Первоначальная энергия шара была оценена в 0,02—0,4-106 Дж, исходя из того, что в разряд, длящийся 0,01—0,1 с, переходит 5—10% мощно­ сти. Ионизация всех молекул газа, содержащихся в сфе­ ре диаметром 10 см при нормальном давлении и темпе­ ратуре, потребовала бы чуть больше энергии, чем рассчи­ танный таким образом нижний предел запаса энергии, если учесть, что для образования каждой пары ион — электрон требуется — 15 эВ. Исследователь предполо­ жил, что шар обладает некоторой потенциальной энерги­ ей, связанной с его структурой, что может объяснить так-, же замедление рекомбинациоиных процессов, которые в ином случае должны были бы протекать очень быстро. Концентрация заряженных частиц при этой оценке соста­ вила бы примерно 1019 ионов и электронов на 1 см3 , что близко к значению 4,3-1018 электронов на 1 см3 , получен­ ному для концентрации в разряде молнии [513]. В этом случае следовало бы ожидать чрезвычайно быстрого ис­ чезновения ионизированного шара, исходя как из кратко­ сти жизни обычной молнии, так и из большой скорости рекомбинации, наблюдаемой в плазме при высокой кон­ центрации ионов и электронов.

Сообщалось о свободно передвигающихся сферах, об­ разовавшихся из огней св. Эльма или из светящихся ша­ ров, перемещавшихся по проводам линий высокого на­ пряжения. Согласно теории Теплера [180], это явление было бы описано как переход первоначального корон­ ного разряда в кистевой, но вполне вероятно, что при этом возникало также и испарение части проводника, обычно

металлического, как это происходило в описанных выше экспериментах со светящимися массами.

Де Янс полагал, что неверно было бы считать шаровую молнию раскаленным шаром металлических паров; с этой точки зрения возникновение подобной сферы, когда мол­ ния превратила в пар телефонный провод, было лишь особым случаем, не имеющим никакого отношения к обычной шаровой молнии [230]. С другой стороны, светя­ щиеся шары, получаемые экспериментально с помощью пропускания через металл интенсивных электрических разрядов, обладают той свободой движения и длитель­ ностью существования, о которых упоминается в сообще­ ниях о шаровой молнии и которые являются камнем преткновения для других теорий.

Изучение сфер из газообразного или жидкого металла требует выяснения дальнейших вопросов об их составе и физической структуре. Предварительное рассмотрение сильно нагретых сфер из углеродных паров показывает, что только конденсированные фазы могут обладать плот­ ностью, достаточно близкой к плотности воздуха, чтобы образовавшийся шар не поднимался [293]. Расчет излуче­ ния таких сфер, связанного либо с паром, либо с суспен­ зией конденсированных частиц, показывает, что и интен-

кспвность, и длительность его много меньше соответствую­ щих экспериментальных величин. Пока еще не было пред­ ложено удовлетворительного механизма, объясняющего замедление рекомбинации .ионных компонент. Заряжен­

ные частицы, имеющиеся первоначально в таких сферах, не могут сохраниться в достаточном количестве за вре­ мя порядка длительности существования светящейся массы. Оценка скорости остывания горячих сфер показы­ вает, что для остывания сферы диаметром 20 см только за счет теплопроводности требуется всего несколько се­ кунд [535]. Поскольку же время остывания при уменьше­ нии размеров сферы падает по экспоненте, время суще­ ствования описанного выше небольшого случайно возник­ шего шарика из меди составило бы, согласно этому рас­ чету, лишь несколько сотых долей секунды. Таким обра­ зом, уже за счет одной теплопроводности температура

—шарика должна была бы упасть гораздо быстрее, чем это наблюдалось в действительности.

Поскольку сферы из металлических паров, получен­ ные в лаборатории, существовали более длительное вре­ мя, то следует вывод, что упомянутые процессы потери энергии не определяют времени существования этих экс­ периментальных тел и что необходимо принять во внима­ ние еще какие-то процессы [482]. Если мы примем, что энергия шаровой молнии невелика, как чаще всего вы­ текает из наблюдений [420], то излучаемый свет может приписываться переходам из долгоживущих возбужден-., ных состояний с относительно малой энергией возбужде­ ния, например в молекуле азота, как полагал Релей. В та­ ких сферах может происходить передача энергии возбуж­ дения атомам металла. Постоянство геометрической фор­ мы светящегося образования указывает на то, что здесь, как и при возникновении, например, дымового кольца или вихря, образуется устойчивая структура [332]. Пока еще не предложено убедительного объяснения ни боль­ шой длительности свечения, ни устойчивости формы та­ ких сфер.

Странные свойства шаровой молнии и неудачи, кото­ рыми завершались неоднократные попытки связать ее^ с другими, более изученными явлениями, постепенно"" привели к убеждению, что шаровая молния состоит из какого-то необычного вещества, которому разные иссле­ дователи давали различные наименования. Среди типич­ ных названий, придуманных для этого предположительно обладающего высокой энергией электрически заряженно­ го светящегося вещества, можно упомянуть «весомую материю» (из-за высокой плотности, на которую указы­ вает быстрый спуск раскаленного шара) [524], «энергию

вформе шара» [130] и «громовое вещество» [310].

Втеоретических исследованиях о шаровой молнии речь шла обычно об образованиях сферической формы с высокими концентрациями электронов и ионов. С другой стороны, в связи с проблемами ядерной физики в послед­ ние годы была получена и накоплена значительная ин­ формация о подобном состоянии вещества, обладающего большой концентрацией заряженных частиц при высокой