книги из ГПНТБ / Сингер, С. Природа шаровой молнии

а это ведет к дальнейшему сжатию. Быстрое нарастание магнитного поля около места сужения в свою очередь индуцирует сильное электрическое поле, как показано на рис. 23, в, которое может быть значительно сильнее внешних полей. Это поле иногда является причиной по­ явления частиц, обладающих большей энергией, чем предполагалось получить в таких экспериментах с плаз­ мой, нагрев которой мог быть достаточным для возникно­ вения кратковременных термоядерных реакций. В процес­ се образования плазменного столба магнитное поле, направленное вдоль оси цилиндра, оказывается вморо­ женным в плазму. Оно обеспечивает тогда устойчивость против деформации типа перетяжек, поскольку напря­ женность поля возрастает в месте наибольшего сужения. Те же неустойчивости (а также некоторые другие), види­ мо, могут иметь место и в разрядах молний. Предпола­ гается, что, например, подобные процессы играют опреде­ ленную роль в образовании четочной или шаровой мол­ нии из линейного разряда.

Из всех колебаний и деформаций, типичных для плазменного цилиндра, в кольце чаще всего встречается изгиб [474]. Хотя возможность использования магнитного поля, достаточно сильного для удержания любой высо­ котемпературной плазмы, породила идею об удержании плазмы в кольце, внутреннее давление в котором превос­ ходит внешнее, стабильность против обменной неустойчи­ вости имеет место только при малых относительных дав­ лениях плазмы [266]. Эксперименты с плазмой в торои­ дальной камере с сильным внешним магнитным полем' показали, что устойчивость к таким деформациям наблю­ дается лишь в том случае, если радиус тора и ток через плазму достаточно малы, хотя в это время кольцо плаз­ мы смещается в экспериментальной камере в результате обычного дрейфа поперек поля [132]. Обменной неустой-, чивости можно избежать в случае магнитного поля с от­ рицательной кривизной силовых линий, если плазма об­ ладает достаточно низкой по сравнению с внешним полем энергией [275]. Сложнее обстоит дело с другими неустойчивостями, такими, например, при которых разви­ ваются электростатические колебания вдоль силовых ли-

ний [276, 559]. Подходящим образом подобранные давле­ ние, магнитное поле и радиус кривизны тороидальной оболочки могут препятствовать также развитию неустой­ чивости, порождаемой компонентой тока вдоль поля [559]; однако более важный вопрос об отсутствии истин­ ного равновесия в тороиде при реально осуществимых ус­ ловиях остается открытым [185]. При подробном анализе свойств плазмы, связанных с ее удержанием, выявля­ ются многочисленные трудности создания правдоподоб­ ной модели плазменного кольца.

Теоретическое исследование свойств проводящей сфе­ ры, рассматриваемой как некоторая равновесная струк­ тура во внешнем электромагнитном поле, привело к вы­ воду, что можно добиться ее устойчивости к малым де­ формациям [589]. Внешнее электрическое поле вообще вызывает неустойчивости, и магнитное поле у поверхно­ сти должно превосходить его в определенное число раз, зависящее от характера возможной деформации. При возмущении поверхности сферы происходит концентрация внешнего магнитного поля в углублениях и уменьшение его напряженности у выступающих частей, что приводит к изменениям магнитного давления, способствующим развитию деформации.

Однако деформации скручивания, при которых маг­ нитное давление увеличивается, приводят к общей стаби­ лизации. Волновые компоненты препятствуют развитию неустопчивостей, связанных с взаимодействием плазмы и магнитного поля. Вращение поля делает сферу устойчи­ вой к малым деформациям. Эта модель была неполной в смысле описания конкретных характеристик самой плаз­ мы, по сравнению, например, с моделями плазмы в торои­ дальных трубках. При соответствующих скоростях, дав­ лениях и плотностях плазмы и подходящих соотношениях между полями исследовались электромагнитные и акусти­ ческие колебания в нейтральной или заряженной плаз­ менной сфере [590].

Были исследованы электростатические ионные коле­ бания в плазме сферической конфигурации, образован­ ной за счет мощного электромагнитного излучения с час­ тотой 15 МГц в стеклянной камере.

Колебания происходили на частотах от 82 до 260 кГц,

газами: кислородом, азотом, водородом, неоном, парами ртути [172].

Образование светящихся сгустков плазмы при разря-

-дах переменного тока уже давно привлекало к себе вни­ мание [582]. Такая высокотемпературная плазма иссле­ дуется обычно для газов, находящихся в стеклянных ка­ мерах при пониженном давлении, причем разряд возника­

ет в поле индукционной катушки или между электродами

процесс происходит при самых разных частотах (скажем, от 50 до 108 Гц [27]. Сообщались качественные характе­ ристики этих разрядов, полученных при мощностях от Ю - 2 до 10~3 Вт/см3 и при давлениях до атмосферного. Были получены холодные разряды с микроамперными токами и разряды типа дуги при токах в сотни ампер и мощностях порядка сотен киловатт. Цвет разрядов в ат­ мосферных газах при частотах порядка мегагерц изменя­

става, энергии и распределения заряженных частиц, что могло бы представить интерес с точки зрения физики плазмы.

Разряды в полях с частотами порядка мегагерц ис­ пользовались как источники в плазменных горелках [106, 421]. Индукционная катушка, окружающая подводя­ щую газ трубку, создает плазменный факел, устойчиво горящий и при атмосферном давлении. В плазменных

и измерения силы воздействия потока на помещенную в него вольфрамовую пластинку. Разряд происходил при низкой температуре, менее 600° С, хотя подводилась до­ вольно большая мощность — 0,5 кВт/см [136].

Сообщалось об эксперименте, когда подобная враща­ ющаяся плазма в «плазменном конденсаторе» являлась аккумулятором энергии. В этом эксперименте аргон при давлении 0,4 мм рт. ст. в короткой цилиндрической каме­ ре с проводящими стенками и центральным электродом был подвергнут воздействию короткого разряда напря­ жением 6 кВ. В магнитном поле 18 000 Гс, направленном Е Д О Л Ь оси цилиндра, плазма была приведена в быстрое вращение при токе до 200 кА.

Более сложные поля для удержания плазмы, как, на­ пример, октупольное магнитное поле, образованное че­ тырьмя большими кольцами в тороидальной камере квад­ ратного сечения, были способны удерживать плазму с энергией ионов 100 эВ и электронов 10 эВ [133]. Плот­ ность плазмы постепенно уменьшалась, предположитель­ но из-за потерь на опорах колец, без видимой неустойчи­ вости. Потерь плазмы можно избежать с помощью маг­ нитного подвешивания колец [437].

Иногда предлагалось использовать сочетание отдель­ ных цепей и таких собственных полей плазмы, при которых возможно самоудержание, в частности в тороидаль­ ных конфигурациях. Однако рассмотрение общего содер­ жания энергии в плазме вновь и вновь приводило к выво­ ду, что негравитирующий плазменный сгусток не может существовать как некоторая замкнутая равновесная структура [474]. Таково следствие условий, необходимых для устойчивого равновесия замкнутой плазменной систе­ мы, в которой энергия гравитационного, электрического и магнитного полей и внутренняя энергия плазмы долж­ ны уравновешиваться согласно теореме о вириале:

G + E + M + U = 0.

При отсутствии тяготения (G=0) равновесие в замк­ нутой системе невозможно. Но в работе [174] было вновь указано на возможность самоудержания плазмы, причем

тельна. Если бы эта часть общей энергии могла быть от­ рицательной и достаточной для компенсации кинетиче­ ской энергии, то было бы возможно существование равновесного плазменного сгустка. Выдвигалось предпо­ ложение о наличии отрицательной электромагнитной энергии в совокупности заряженных частиц.

Теория плазмы и экспериментальные исследования не в состоянии объяснить образование длительно существу­ ющего плазменного сгустка в естественных условиях. По-видимому, обязательными для образования любой структуры из плотной высокотемпературной плазмы яв­ ляются мощные и сложные внешние поля.

М. Плазменные модели шаровой молнии

Некоторые исследования плазмы предпринимались первоначально для изучения проблемы шаровой молнии. Плазма с высокой плотностью заряженных частиц рас-

сматривается в теориях, которые для объяснения значи­ тельной энергии и длительного существования шаровой молнии опираются на предположение, что в ней уже при образовании каким-то образом запасается вся необходи­ мая энергия. В качестве другой возможности предпола­ гается, что энергия непрерывно поступает в светящуюся массу от внешнего источника, например электрического или электромагнитного поля во время грозы. Теории, со­ гласно которым постоянным внешним источником энер­ гии является электромагнитное излучение, будут рас­ смотрены в заключительном разделе этой главы. В обеих группах теории вещество шаровой молнии рассматрива­ ется как плазма.

Описание шаровой молнии как плазмы было предвос­ хищено в ранних гипотезах задолго до того, как экспери­ ментальные и теоретические исследования в этой обла­ сти предоставили в наше распоряжение современные сведения и терминологию. В 1905 г. Карлгейм-Гилен- шельд описал шаровую молнию как вращающийся сфе­ рический вихрь, состоящий из ионизированного воздуха, отделившегося от цилиндрического канала разряда мол­ нии [65, 85]. В 1915 г. было выдвинуто предположение, что электронное вихревое кольцо образуется при им­ пульсе разряда обычной молнии. Согласно этому описа­ нию, кольцо быстро вращается и электроны при столк­ новениях ионизуют попавший в их поток воздух, созда­ вая таким образом вакуум внутри некоторого объема [581]. Подобные электронные и плазменные вихревые модели предлагались и 50 лет спустя [33, 584].

Первоначально подобные мнения редко излагались с достаточной ясностью, чтобы их можно было сравнить с современными плазменными теориями, но особое веще­ ство светящейся массы часто описывалось как высокотем­ пературный ионный газ. Например, «громовому веще­ ству» приписывалась температура 2500° С, а сферическая оболочка объяснялась поверхностными электростатиче­ скими силами, которые уравновешивают высокое внутрен­ нее давление [310, 311].

Если предположить, что удержание полностью иони­ зованного газа может происходить только за счет квантовомеханической обменной энергии, то можно оценить

минимальную равновесную температуру [156, 338, 339, 356]. Если для плазмы, состоящей из одинакового числа свободных ионов и электронов (что дает равный нулю полный заряд), можно пренебречь электромагнитными взаимодействиями, то обменная энергия определяется формулой

Е

Температура, найденная отсюда для концентрации 2,7-10'9 электрон/см3 , что соответствует концентрации молекул при атмосферном давлении, составляет 632 К. При более высокой температуре обменная энергия ока­ жется меньше необходимой для удержания плазмы. От­ сюда был сделан вывод о возможности существования низкотемпературных сфер, которые тем не менее облада­ ют высокой концентрацией заряженных частиц. С другой стороны, показано, что одной обменной энергией можно объяснить лишь удержание плазмы с низкой энергией.

Как видно из предыдущего раздела, свойства предпо­ лагаемого плазменного сгустка определяются другими параметрами плазмы, а не обменной энергией. На­ пример, рекомбинация заряженных частиц ограничивает время существования такого шара малыми долями секун­ ды, что, видимо, сравнимо с временем свечения обычной молнии. В первоначальном исследовании [356] предсказы­ валась медленная рекомбинация при рассчитанной «высо­ кой» температуре. Однако в экспериментальных исследо­ ваниях такие плотности зарядов были получены в газовой фазе только при действительно очень высоких темпе­ ратурах, на порядки выше приведенной в этой работе. Для разряда молнии с температурой 24 000 К концентра­ ция электронов была оценена [531] как 4,3-1018 см~3 ; по­ скольку в рассматриваемой теории не учитывалось ника­ ких других специфических процессов, кроме понижения

188 Глава 8

температуры, вычисленное время свечения после удара получается в общем таким же, как и у шаровой молнии, состоящей из подобного вещества. Применение к шаро­ вой молнии квантовой теории электронного газа, подоб­ ной теории электронного газа в кристаллах [479], имеет определенное сходство с попытками применить к этой за­ даче квантовую -теорию твердого тела, основанными на предположении об очень высокой концентрации заря­ женных частиц [382].

И кольцевой ток, и сферическая структура типа гид­ родинамического вихря предлагались в качестве форм шаровой молнии и исследовались при магнитогидродииамическом подходе, для которого характерно отсутствие рассмотрения взаимодействия заряженных частиц [434, 448, 474, 483]. Как указывалось выше, для получения рав­ новесного магнитогидродинамического образования не­ большой массы, в котором не существенна гравитация частиц, необходимо приложение внешних сил. В торе, удерживаемом с помощью внешнего магнитного давле­ ния, необходимые магнитные поля могут быть созданы замкнутым током /д и током, текущим вокруг поперечно­

Если внутреннее давление пренебрежимо мало по сравнению с атмосферным, радиус кольца R= 10 см, а ра­ диус поперечного сечения г— \ см, то оба тока [474] дол­ жны быть порядка 10 000 А. Поверхностный ток считался барьером, препятствующим проникновению внешнего га­ за в плазму. Внешнее магнитное поле, перпендикулярное плоскости кольца, могло бы компенсировать большее внутреннее давление [266]. Тороидальные токи, рассмат­ риваемые в этой модели, подобны токам, которые наблю­ даются в плазменных тороидах, получаемых в экспери­ ментах по проблеме термоядерного синтеза. Однако во­ прос о естественном образовании таких специфических потоков заряженных частиц необходимой величины оста­ ется открытым, если учитывать, с помощью каких мето­ дов удается создавать эти токи в лабораторных условиях. Поскольку в создании шаровой молнии в качестве посто-

янного внешнего магнитного поля могло бы участвовать лишь слабое магнитное поле Земли (около 0,3 Гс), с по­ добными же трудностями мы сталкиваемся и при объяс­ нении высокой энергии и длительного существования по­ добной вихревой структуры сферической молнии.

Отсутствие сильного внешнего магнитного поля, что является основной трудностью получения равновесной плазменной структуры в естественных условиях, привело к возникновению нескольких теорий, рассматривающих возможность самоудержания плазмы. Образование ша­ ровой молнии из сегмента обычной [86, 87] было объясне­ но как преобразование плазменного стержня в сгусток со структурой типа вихря Хплла. Цилиндрический столб имеет сильное захваченное магнитное поле, но лишен электрического. Заряженные частицы обращаются во­ круг оси стержня, и считается, что ионы и электроны дви­ жутся вдоль столба в противоположных направлениях. Электрический диполь, созданный разделением зарядов, и магнитное поле заставляют соответствующие частицы образовывать на каждом конце столба зонтообразное расширение. Затем эти расширения с противоположными зарядами приближаются друг к другу, создавая замкну­ тый проводящий путь через .центр столба, по внешней части, где образовались расширения, и опять в центр, об­ разуя сферическую внешнюю поверхность. Это напоми­ нает рассматривавшийся выше плазменный вихрь [473] с той разницей, что тут отсутствует внешнее магнитное по­

ложительные ионы составляют кольцевой, а электроны — поверхностный полопдалы-іый ток, как и в ранее рассмот­ ренных тороидальных образованиях. Рассматривались также тонкие кольца с электронами в очень тонкой внеш­ ней оболочке [86] и толстые кольца, приближающиеся по форме к шаровидным образованиям [87]. В этой модели предполагались очень мощные токи порядка 107 А и ско­ рости электронов около '/з скорости света. При этом должны возникать потоки энергичных электронов и рент­ геновское излучение; это приводит к выводу, что шаровая молния должна быть интенсивным источником такого из-

нии предположения о высоких скоростях частиц и из рас­ смотрения лишь некоторых из большого числа процессов потерь энергии. Параллельная оценка [184] длительности существования шаровой молнии при предполагаемой пер­

экспериментальных данных принять это допущение для

Давление в канале молнии было принято равным 200 атм, что примерно в 10 раз превышает обычную оцен­ ку. При резком уменьшении тока происходит быстрое уменьшение диаметра канала (коллапс), в результате че­ го создается сильная ударная волна, на что указывает звуковая волна. Ответвление главного канала, в котором ток прекратится раньше, или еще одна вспышка молнии в непосредственной близости могут, таким образом, соз­ дать ударную волну, которая разорвет канал молнии. Когда ударная волна прерывает ток, магнитное поле во­ круг канала схлопывается, преобразуя этот отрезок вы­ сокотемпературного ионизованного канала в вихрь. Ско­ рость ионов в вихре также высока. Воздействие несколь­ ких ударных волн, разрывающих канал разряда в нескольких местах, могло бы, согласно этому предполо­ жению, объяснить возникновение меточного разряда, по­ казанного на рис. 6. Для проверки этой теории было предложено провести опытное изучение воздействия силь­ ных ударных волн на искровые разряды.

Рассматривалась и другая модель шаровой молнии с самоудержанием плазмы — аналогичное вихревое образо­ вание, но только с тороидальным магнитным полем и полоидальными электронными и ионными токами, причем в