книги из ГПНТБ / Сингер, С. Природа шаровой молнии

качестве механизма его возникновения снова рассматри­ валась эволюция отделившегося участка в разряде обыч­ ной молнии [236]. В таком образовании ток и магнитное поле как бы поменялись ролями по сравнению с тем, что

. мы имели в вихревой гидродинамической структуре, по­ казанной на рис. 22.

Можно предположить, что при быстром схлопыванин - магнитного поля уменьшение числа ионов и электронов при рекомбинации приведет к появлению ускорения ос­ тавшихся частиц и тем самым к поддержанию тока. Ча­ стицы нейтрального газа среды будут при соударениях с ионами выталкиваться из токовой области. Это приведет к появлению градиента давления, определяемого напря­ женностью магнитного поля. Время рекомбинации ионов и электронов, вычисленное по опубликованным значени­ ям коэффициента рекомбинации для концентрации 2• 101 8 электрон/см3 , составило 10~8—10~10 от времени жизни шаровой молнии.

Была выдвинута идея образования шаровой молнии как плазменного вихревого кольца благодаря импульсу молнии, в частности проходящей сквозь отверстие в твер­ дой поверхности, пораженной разрядом [584]. Магнитное поле предполагалось захваченным в кольце, как в сгуст­ ках плазмы, создаваемых импульсами сильных токов че­ рез тонкие проволоки [58]. Ударная волна канала молнии может создать плотности частиц, в сотни раз превышаю­ щие плотность газа при атмосферном давлении. Кинети­ ческая энергия вихревого движения может быть очень ве­ лика— до сотен джоулей. Исходя из примерной скорости излучения энергии плазмой, для магнитогидродинамического вихря было оценено время жизни в несколько се­ кунд, однако скорость рекомбинации специально не рас­ сматривалась.

В качестве другой возможности было предложено [118] образование шаровой молнии как плазменного сгустка в конфигурации полей, которую назвали «инвертирован­ ным ионным магнетроном». Согласно этой модели, удер­ жание обеспечивается магнитным полем земли и мощным радиальным электрическим полем, которое создается раз-

~рядом линейной молнии. Таким образом, соотношение магнитного и электрического полей оказывается здесь об-

ратным тому, которое обычно создают в лабораторных экспериментах с плазмой. Источником значительной энергии в этой вращающейся плазменной структуре счи­ тается ионная винтовая неустойчивость. Не было прове­ дено количественного расчета возможных полей и неустойчнвостен плазмы; экспериментального подтверждения того, что этот механизм может действовать при атмо­ сферном давлении, также не получено. Шаровая молния- . рассматривалась как участок линейной молнии, отделен- - нын за счет сжатия тока собственным магнитным полем. Такое описание может создать дополнительную труд­ ность для этой теории.

Хотя сильное радиальное электрическое поле может оказаться для удержания эффективнее, чем собственное магнитное поле, генерируемое сильным током, данные о радиальном электрическом поле, которое могло бы созда­ ваться молнией, в отличие от данных об атмосферном потенциале и изменениях этого потенциала во время раз­ ряда, по-видимому, отсутствуют. Высокие радиальные по­ ля пространственного заряда, затрудняющие удержание, представляются возможными ввиду присутствия элект­ ронного тока, участвующего в лпдериых процессах, кото­

в целом нейтральным. Радиальное поле зависит в таком случае от конкретного распределения заряда в попереч­ ном сечении канала. Любое поле будет существовать очень недолго, но удержание в результате ппнч-эффекта при нейтральности канала может быть довольно дли­ тельным. Это согласуется с появлением неточной молнии на конце длительных вспышек молнии как в случае, когда была сделана фотография рис. 5, так и в других, сообщав­ шихся в литературе.

В связи с наблюдением шаровой молнии в 1967 г. в

СССР на р. Онеге [128а] было высказано предположение, что шаровая молния возникает в результате отделения сегмента линейной молнии благодаря неустойчивости плазменного канала типа перетяжек. Этот шар появился вскоре после вспышки обычной молнии, хотя замечен онбыл над рекой на некотором расстоянии от того места, где

разряд-предшественник ударил в берег (см. рис. 8). Если это наблюдение и подразумевало движение огненного ша­ ра от берега к той точке, где он был замечен наблюдате­ лем, расположенной несколько ближе к противоположно­ му берегу в 1,5 м над водой, то все время, пока вели на­ блюдения, шар двигался от этой точки к тому берегу, куда ударила до этого молния. Наблюдатель сравнил яр­ кую желто-белую центральную часть шара, имевшую в поперечнике 6—8 см, с плазмой, образующейся при раз­ ряде с температурой 14 000 К. Температура 13 900 К бы­ ла рассчитана исходя из периода полураспада за счет рекомбинации ионов в шаре:

температуры плазмы Т. Период полураспада был оценен в 1,35 мин. В действительности эта величина определяет всю продолжительность существования шара, если счи­ тать, что он возник в предварительном разряде линейной

При этих расчетах предполагалось, что плазма шаро­ вой молнии состоит только из положительных ионов и электронов; отрицательные же ноны образуются лишь в малых количествах. За первоначальную концентрацию ионов было принято их равновесное количество для дан­ ной температуры, причем считалось, что рекомбинация происходила во время всего существования шара, но без падения температуры. Экспериментальные исследования плазмы неоднократно показывали, что время существова­ ния в атмосфере сгустка плазмы указанной температуры без непрерывного его снабжения энергией на несколько порядков меньше 1,35 мин. Поэтому представляется, что использованная в этих расчетах модель рекомбинации явно непригодна. Было высказано предположение о ста­ билизирующем воздействии рекомбинации на темпера­ турные изменения. Уменьшение температуры в централь­ ной области шара привело бы к сопутствующему ускоре­ нию рекомбинации, восстанавливающей более высокую

-стационарную температуру. Повышение температуры в центре замедлило бы рекомбинацию и увеличило бы теп-

лоотдачу с поверхности шара, что опять привело бы к по­ нижению температуры до равновесного значения при некоторой потере энергии. Первоначальная степень иони­ зации была оценена по температуре в 22%, что соответст­ вует концентрации ионов 1,2-10'7 нон/см3 для высокотем­ пературного газа шаровой молнии с плотностью, предпо­ ложительно меньшей плотности атмосферы. Исходя из средней энергии ионизации 14,5 эВ, вся энергия ионов со- ставит 530 Дж при объеме молнии 1450 см3 .

Теория температурных колебаний, компенсируемых рекомбинацией и сопровождаемых потерей энергии, бы­ ла расширена, чтобы объяснить повторные пульсации, которые могли бы произойти, поскольку оценка степени ионизации говорит о значительном запасе энергии. Из­ лучение, испускаемое шаром, будет пульсировать вместе с колебаниями температуры и энергии, высвобождаемой при рекомбинации. Подобные отклонения от устойчивой равновесной температуры с последующими возвращения­ ми к ней требуют, чтобы рекомбинация не успевала их компенсировать при относительно больших потерях энер­ гии. Если бы вся энергия первоначальной ионизации была высвобождена за 10—' с, сила взрыва соответствовала бы примерно силе взрыва 100 г нитроглицерина.

Дмитриев предположил, что первоначальные процес- . сы образования шаровой молнии заключаются в исчезно­ вении электронов в центральной высокотемпературной области при их прилипании к молекулам кислорода, в ре­

обеспечивать барьер против диффузии заряженных час­ тиц, так как иначе подвижность ионов может привести к исчезновению плазменного шара менее чем за 0,01 с. Слой низкотемпературных ионов кислорода может захва­ тывать электроны в центре шара, а бомбардировка элек­ тронами может вызвать некоторое возбуждение и све­ чение оболочки. Перемещения сферы частично объясня­ ются меняющимся положительным электрическим заря­ дом примерно 3 мкКл, возникающим вследствие микро­ амперного тока коронного разряда.

Согласно этой теории, длительное существование ша-"~~ ра, несмотря на множество искр при столкновениях с де-

ревьями, объясняется наличием устойчивой внешней обо­ лочки из отрицательных ионов кислорода (0~2, О - ) , возникших благодаря прилипанию электронов. Сопри­ косновение с заземленным металлом нейтрализует стаби­ лизирующую оболочку и может уничтожить всю систему.

Факты появления шаровой молнии внутри строений, экранирующих ее от внешних электрических полей, и про­ никновения ее сквозь диэлектрики приводились в каче­ стве доказательства того, что огненные шары плазмы не могут поддерживаться внешними источниками энергии. Шаровая молния рассматривалась как замкнутая по­ лость, окруженная сильно ионизованной проводящей сфе­ рической оболочкой, по которой текут большие поверх­ ностные токи и внутри которой имеется интенсивное вы­ сокочастотное электромагнитное поле [119]. Энергия такой молнии — это не только энергия плазмы, но и энер­ гия самого поля. Такие резонаторы для микроволн могут образоваться маленькой петлей канала молнии пли силь­ ным током в молниеотводе.

Длительное существование шаровой молнии свиде­ тельствует о том, что рассеяние энергии невелико. Имен­ но так и должно происходить, если высокочастотное элек­ тромагнитное излучение сосредоточено внутри хорошо проводящей и отражающей радиоволны сферической обо­ лочки, а частота этого излучения много больше частоты столкновений электронов с молекулами. Удержание плазмы при незначительном рассеянии энергии может иметь место в этом случае только при пониженном внут­ реннем давлении, так как атмосферное давление будет дополнительно уравновешиваться за счет давления элек­ тромагнитного излучения. Основная резонансная гармо­ ника электромагнитного поля создает неоднородное дав­ ление излучения по поверхности, и, следовательно, для равновесия необходимы несколько гармоник.

В таком образовании высокочастотное поле напря­ женностью 3-108 В/м при частоте 1,6-1010 Гц могло бы обеспечить давление 105 Н/м2 , при котором могла бы под­ держиваться плотность 6-Ю1 0 электрон/см3 . Если при­ нять, что энергия внутреннего поля излучения определя­ ется в основном лишь необходимостью уравновесить атмосферное давление, то для сферы радиусом 10 см по-

плазмы в высокочастотном электромагнитном поле, при­ чем используются частоты, на порядок более низкие, и напряженности.поля, на 5 порядков меньшие, чем указа­ но выше. Об этом будет идти речь в следующем разделе [404, 405].

Сгустки плазмы поддерживались с помощью внешне­ го радиоизлучения в течение 10—20 с, что указывает на поглощение энергии, проходящей в сгусток сквозь стенки; однако и после прекращения подачи энергии видимое свечение продолжалось 0,5 с или больше. Это время жиз­ ни достаточно хорошо согласуется с тем, что можно было ожидать при данном запасе энергии поля излучения, ес­ ли учесть соответствующие параметры и уменьшение кон­ центрации заряженных частиц во внешней области сгуст­ ка. С другой стороны, авторы экспериментальной работы объясняют большую длительность свечения медленными переходами частиц газа из возбужденных метастабильных состояний с выделением энергии в виде светового из­ лучения. В естественных условиях генерация чрезвычайно мощных высокочастотных электромагнитных излучений, как это необходимо по теории, рассматривающей шаро­ вую молнию как сферический резонатор, едва ли возмож­ на даже при самыЗГсильных грозах.

В одной необычной теории шаровой молнии [503] предложена модель, представляющая собой окруженное плазмой небольшое тороидальное сверхпроводящее ядро из атомов кислорода и азота, уплотненных до металли­ ческого состояния. Плазму удерживает магнитное поле токов ядра. Ядро создается сжатием канала линейной молнии. Сначала канал сжимается за счет обычного магнитогидродинамического пиич-эффекта. Сопротивление канала в области возникающих при этом узлов возраста­ ет. Ток проходит в основном по внешнему слою канала, что создает сильное сжатие плазмы сверхвысоким дав­ лением магнитного поля, в результате чего достигается сверхвысокая плотность при относительно низкой темпе­ ратуре. Это сжатие за счет пинч-эффекта приводит атомы атмосферных газов в металлическое состояние, Затем этот отрезок разряда молнии изгибается в петлю, которая от-

деляется от остального канала. Содержание энергии в веществе ядра было оценено в 1400 ккал/г. Плазма, окру­ жающая ядро, имеет высокую температуру и излучает тот свет, который упоминается обычно в описаниях шаровой молнии.

которая сохранялась бы достаточное время, несмотря на динамические неустойчивости плазмы. Собственные поля плазмы не могут обеспечить самоудержание в замкнутой системе при сохранении энергии, определяемом условия­ ми, налагаемыми теоремой о вириале. Необходимы еще и внешние силы, например такие, как атмосферное давле­ ние. Если же единственной силой, способствующей удер­

молнии, основанных на сообщениях о выделении ею теп­ ла или о ее взрывах; соотношение

PV>U + E + M

дает верхний предел полной удельной энергии ~ 100 Дж/л. Однако параметры, рассматриваемые в теореме о вириа­ ле, не включают добавочной «химической» энергии, ко­ торая может присутствовать в форме энергии ио­ низации, возбуждения или энергии химических ре­ акций в веществе плазмы. Тепловые потери с поверхнос­ ти шара вплоть до максимума, допустимого теоремой о вириале, слишком велики, и без какой-нибудь изоляции вся масса могла бы существовать не дольше нескольких миллисекунд. Неспособность объяснить достаточно дли­ тельное удержание плазмы с большой энергией, будь то любая кинетическая, тепловая или энергия электромаг­ нитного поля, привела к появлению теорий, согласно ко­ торым шаровая молния поддерживается за счет внешне­ го источника [151]. Образование шаровой молнии как сферического разряда постоянного тока уже рассматри­ валось выше. В следующем разделе в качестве источ­ ника ее энергии будут рассмотрены естественные элект­ ромагнитные волны.

Для этой проблемы определенный интерес представ­ ляет наблюдение светящихся шаров при атмосферном давлении при пропускании мощного импульса тока че­ рез металлическую проволоку [237, 477]. Такие огненные шары описывались как сгустки плазмы, и медленная ре­ комбинация, на которую указывает период существова­ ния порядка секунд, относилась к энергии, определяемой особой конфигурацией токов и зарядов [477]. Никакой* конкретной конфигурации, способной настолько задержать рекомбинацию, мы, однако, не знаем. Тем не менее сообщения о таких шарах доказывают, что долгоживущпе светящиеся сферы (возможно, вихревые образова­ ния из раскаленных газов или даже неизвестные плаз­ менные структуры) действительно существуют.

Идея образования шаровой молнии электромагнитны­ ми волнами как сгустка плазмы в естественных условиях была выдвинута Капицей в 1955 г. в статье, оказавшей большое влияние иа дальшейшиё исследования в этой об­ ласти [241]. Капица пришел к выводу, что длительное све­ чение, наблюдаемое у шаровой молнии, возможно только при наличии какого-то непрерывно действующего внеш­ него источника энергии. Даже максимальной энергии, ко­ торая может быть запасена в шаре в момент его обра­ зования, недостаточно для поддержания непрерывного свечения на протяжении всего времени его жизни. Оцен­ ка, на которую опирался этот довод, была выведена из времени свечения огненного шара при атомном взрыве. Такое облако должно содержать максимально возмож­ ный запас энергии; это позволяет оценить наибольшее время, в течение которого шар может светиться за счет только внутренней энергии. В основу расчета продолжи­ тельности существования небольших шаровых молний был положен тот факт, что длительность свечения огнен­ ного шара диаметром 150 м от ядерного взрыва состав­ ляет примерно 10 с. Количество энергии, содержащееся- в таком облаке, прямо пропорционально его объему и, следовательно, кубу его линейных размеров, а излучае-

мый свет пропорционален площади поверхности, т. е. квадрату линейных размеров. Отсюда Капица пришел к выводу, что время свечения шара пропорционально его линейным размерам, т. е. диаметру. Шар диаметром 10 см, если бы он мог быть уподоблен ядерному облаку, должен был бы светиться максимум 0,01 с. Длительность суще­ ствования шаровой молнии много больше, поэтому в него должна поступать энергия извне.

Образование в лазерном луче очень маленьких плаз­ менных шаров, объемом около 10~1 см, предоставляет в наше распоряжение дополнительную информацию о воз­ можной продолжительности жизни такого шара [20]. Про­ должительность жизни светящегося шара с начальной энергией 1 Дж, обеспеченной источником света, была по­ рядка 10 мкс, что согласуется с приближенным соотно­ шением t = kE'/2, определяющим время жизни t через на­ чальную энергию Е. Эта приближенная формула приложима не только к очень маленьким, но и к большим шарам. Излучение светящегося облака от ядерного взры­ ва мощностью 1 кт длится около 10 с (т. е. к ~ 10 с/кт Ѵз) • Продолжительность жизни большой шаровой молнии с энергией 11-Ю6 Д ж (3,3-Ю-6 кт) должна быть порядка 0,01 с [184, 512], что совпадает с оценкой Капицы, осно­ ванной на размерах шаровой молнии. Время жизни шаровой молнии, по-видимому, много больше времени, которое представляется возможным даже при макси­ мальной начальной энергии.

Капица предположил, что внешним источником энер­ гии, наличием которого можно было бы объяснить неожи­ данно долгую жизнь шаровой молнии, является какое-то естественное радиоизлучение. Диаметр плазменной сфе­ ры, т. е. шаровой молнии, определяется резонансом шара во внешнем переменном электромагнитном поле; при этом поглощение энергии в шаре максимально. Резонанс воз­ никает, когда длина волны внешнего излучения в 3,65 ра­ за больше диаметра сферы.

Первоначально область, в которой возникает шаровая молния, содержит в небольшой концентрации ионизиро­ ванный газ, образованный предшествующим ударом мол-

гнии или каким-либо другим электрическим явлением во время грозы. Сначала возникает резонанс с высокочас-

тотным полем области меньших размеров, где ионизуют­ ся частицы, имеющие низкий потенциал ионизации, затем энергия волны поглощается все более п более по мере того, как происходит ионизация и увеличивается объем сферы, пока не будет достигнут, наконец, равновесный размер, который в дальнейшем сохранится. Если же, например, увеличивается энергия внешнего излучения, то повышается температура плазмы, и объем шара соответ-* ственно увеличивается. Сфера большого размера уже и& будет находиться в резонансе с электромагнитной волной. Это в свою очередь уменьшит поглощение энергии шаром, и размер его уменьшится до равновесного. Наиболее обычные размеры шаровой молнии, отмечавшиеся в на­ блюдениях, соответствовали бы длинам электромагнит­ ных волн от 35 до 100 см.

Напряженность электрического поля в пучности стоячей

ной. Оба эти обстоятельства наводят на мысль, что имен­ но стоячие волны могут создать наиболее благоприятные условия для образования ионизированного сгустка, при^- чем постоянная высота стационарной пучности, возмож-* но, как раз и не позволяет ему подниматься вверх подоб­ но облаку раскаленных газов от ядерного взрыва. Соглас­ но этой теории, проникновение шаровой молнии в здания объясняется распространением возникающих радиоволн по имеющимся волноводам, например по дымоходам. Среди проблем, связанных с этой теорией, Капица, в част­ ности, рассматривал вопрос о требуемых электромагнит­ ных волнах, которые должны были бы возникать в резуль­ тате электрической активности грозы, но до сих пор еще не наблюдались. Он полагал, что источником такого из­ лучения может быть колебание ионизированного газа ли­ бо около облака, либо вблизи земли.

Более ранние исследователи также высказывали пред­ положение, что шаровая молния может возникать как электрический разряд, созданный стоячей волной. Де Яне [230] указывал, что, согласно мнению Лоджа [288], стоячая электрическая волна возникает в подземных проводни-