книги из ГПНТБ / Сингер, С. Природа шаровой молнии

она частично состоит из вещества, образующегося при разряде обычной молнии, будут рассмотрены ниже, в главах, посвященных этим вопросам. В книге о грозах, опубликованной через 5 лет после появления работы Араго, Гаррис [200] выдвинул предположение, что шаровая молния представляет собой электрический кистевой разряд. Но как бы то ни было, именно после статьи Араго вопрос о шаровой молнии вошел в крут научных проблем.

Глава 3

СВОЙСТВА РАЗРЯДА МОЛНИИ И ПРОТЕКАЮЩИЕ В НЕМ ПРОЦЕССЫ

Во многих сообщениях о шаровой молнии указывает­ ся на ее тесную связь с разрядами обычной молнии во время грозы. Хотя в ранних теориях шаровая молния не

скими явлениями, вскоре породила идею, что эти различ­ ные формы молнии находятся в тесной связи. Так, шаро­ вую молнию считали стационарной молнией [240], а обык­ новенную молнию — траекторией быстро движущейся шаровой молнии [348, 494].

Упоминания Аристотеля о медленно движущихся «грозовых стрелах» в отличие от быстро движущихся, а также Лукреция о молниевых вихрях, возможно, означают, что они считали обе молнии различными формами одной и той же природной субстанции, а не просто разными явлениями при грозах. Теории шаро­ вой молнии, выдвигавшиеся в различные эпохи, постоян­ но связывали это явление с обычной молнией, с важней­ шими процессами, происходящими в пей. Поэтому будет уместным рассмотреть здесь хорошо известные формы линейной молнии.

Грозовой разряд — этот непрерывно обновляющийся дар Прометея, принесшего человеку огонь — происходит, когда колоссальная разность потенциалов, накапливаю­ щаяся при разделении зарядов в облаке, внезапно по­ рождает электрический ток, уничтожающий эту разность потенциалов. Яркий свет молнии излучается каналом, по которому проходит ток, отчетливо выделяя эту область из окружающей атмосферы (рис. 2).

цессов. После образования канала молнии по нему не­ редко могут пройти три, а иногда и более сорока им­ пульсов. Суммарная продолжительность вспышки состав­ ляет примерно 0,25 с с интервалом между импульсами в 10—100 мс. Вспышки молний, состоящие из многократ­ ных разрядов, могут длиться от 40 мс до 0,27 с [253]. В каналах, сохраняющих достаточную проводимость, ток может возрастать без повторения лидерного процесса, и возникает длительное свечение, связанное с непрерыв­ но текущим током. С помощью фотометра свечение ионов азота N2 еще удалось наблюдать в течение 0,8 с после вспышки молнии.

В излучении разряда имеется полоса около 3914 Â (В2 ÜU+—K\2 Hg+), находящаяся в ультрафиолетовой, не­ видимой области спектра. Наибольшая интенсивность превышала фон неба примерно на 50 Релей (5-Ю7 фо­ тон/см2 • с). Однако это долго существующее излучение приписывается молекулярному и резонансному рассея­ нию света молнии с длиной волны 3914 À, а не свету от самой вспышки.

При вспышке обычной зигзагообразной молнии канал

зование канала с достаточной проводимостью для после­ дующих мощных электрических импульсов. Путь молнии от облака до земли нередко достигает 5 км длины. Ко­ гда лидер заканчивает формирование канала, от земли вверх со скоростью до 1010 см/с внезапно устремляется мощный импульс тока, создающий яркую световую вспышку, которую мы и видим. В небольшом по дли-

* В действительности лидер — это не поток электронов, а отно­ сительно высоко проводящая токовая нить, окруженная слабо све­ тящимися стримерами, на фронте которых протекают процессы иони­ зации.— Прим. ред.

тельности обратном, пли главном, разряде (100—115 мк/с) переносится ограниченный заряд, несмотря на высокие значения максимальных токов [365]. В итоге лидер может перенести вдвое больший заряд, чем обратный разряд. Каждый из них может перенести до 20 І\л [534]. Напря­ жение пробоя, вызывающее небольшие искры в воздухе, содержащем водяные капли, оценивается в 106 В/м, по естественный процесс в облаке, включающий развитие лидера и образование разрядного канала, может проте­ кать и при более низких градиентах электрического поля.

Временное разрешение спектров [366] выявило пик давле­

оценкам, полученным для максимальных условий, в ка­

да—нейтральную пли ион), а давление в канале разря­ да, создаваемое только электронами, составляет 14 атм. Основными ионами являются однократно ионизованные атомы азота и кислорода N + и О1" при относительной концентрации соответственно 0,64 и 0,16. Другими основ­

определяются по оптическому спектру. Также по оптиче­ скому спектру и термодинамическим характеристикам воздуха определяется п температура вспышки. При та­ ком определении параметров приходится исходить из некоторых допущений, однако полученные величины хо­ рошо согласуются с более ранними оценками. Видимый свет молнии в основном излучается нейтральными атома­ ми азота и кислорода, а также основными ионами N1 " и 0+. Кроме того, некоторый вклад в излучение дают моле­

происходит описанный выше мощный разряд, по-преж­ нему остается трудной проблемой в изучении атмосфер­ ного электричества, относительно которой не существует единого мнения. В теориях рассматриваются процессы разделения зарядов, в которых необходимые носители образуются из нейтральных газовых частиц, дождевых капель и кристаллов льда. Особую трудность представ­ ляет объяснение переноса колоссальных зарядов в мно­ гочисленных разрядах молнии во время грозы. Соглас-

относительно механизмов разделения зарядов, и сущест­ вует, много экспериментальных данных, показывающих, что такие процессы действительно приводят к разделе­ нию зарядов [108, 307]. Столкновение дождевых капель разных размеров в слабом электрическом поле, которое существует даже в ясную погоду, приводит к образова­ нию заряда на каплях. Капли, падающие в таком поле, способны, кроме того, захватывать находящиеся в атмос­ фере свободные ионы или электроны. Далее, столкнове­ ние капель в электрическом поле может привести к их раздроблению и к сопровождающему его разделению за­ рядов [189]. Рассматривалась возможность подобных же процессов и для содержащихся в облаке частиц льда. Замерзание воды в облаке наступает после переохлаж­ дения, на что указывают, в частности, изменения темпе­ ратуры и электрического поля в зависимости от высоты; переохлажденная вода остается жидкой вплоть до тем­ пературы — 40° С. С частицами возникающего льда мо­ гут происходить процессы, подобные описанным выше для дождевых капель. К тому же эксперименты показа­ ли, что замерзание само по себе вызывает разделение зарядов [585]. В качестве возможного основного процес­ са, создающего электрические поля при грозе, указыва­ лось на слипание переохлажденных дождевых капель с частицами града и их последующее замерзание и раз­ дробление [108, 307]. При этом наблюдается и термо­ электрический эффект — перепад температур создает в частицах льда разделение зарядов.

Хотя большинство исследователей старалось устано­ вить преобладание какого-то одного из этих механизмов

тотой разрядов молнии, ни один из этих процессов, взя­ тый в отдельности, генерировать не может. Чрезвычайно высокая скорость разделения зарядов доказывается как

Все процессы разделения зарядов, очевидно, являют­ ся гетерогенными, и в них участвуют частицы: дожде­ вые капли или кристаллы льда, снег, град и т. д. Тесная взаимосвязь между электризацией облака и наличием таких частиц в определенной степени доказывается сде­ ланными в течение столетия наблюдениями, что в неко­ торых случаях за вспышкой молнии сразу же следуют /ливни [103, 343]. Возникновение в вулканических обла­ тках ярких электрических разрядов, являющихся, по-ви­ димому, молниями (рис. 3), показывает, что разделение зарядов может происходить при участии твердых частиц

ватмосферных процессах, таких, как столкновения твердых частиц с газами или между собой, даже если полностью отсутствуют жидкие пли замерзающие ком­ поненты [11]. Вулканологи рассматривают две возможно­ сти образования положительного заряда: появление в воздухе частиц соли при вытекании расплавленной лавы

вморе или при попадании лавы в водоносные слои (лабо­ раторные эксперименты подтверждают возможность воз­ гонки соли с водяными парами в таких условиях); еще одна возможность — трение вырывающихся наружу ча­ стиц о стенки кратера. Возникновение электрического поля над вулканами, находящимися на суше, показыва­ ет, что роль морской воды несущественна. Эксперимен­ тально было продемонстрировано разделение зарядов в газовом потоке на твердых частицах с размерами поряд­ ка микрона [264, 289].

Таким образом, во всех теориях, объясняющих обра­ зование в грозовых облаках электрических зарядов, не­ обходимых для возникновения молний, главная роль от­ водится процессам, в которых участвуют разнородные частицы.

Различные разряды молний сильно отличаются друг от друга не только по внешнему виду, ио и по указанным выше электрическим параметрам. В некоторых районах земного шара разряды молний обладают особыми свой­ ствами [255]. Имеются сообщения о грозах, при которых число необычных форм молний было особенно велико. Необычные разряды действительно происходят время от времени, но, как уже более 75 лет назад отметил один видный ученый, занимавшийся этими вопросами, очень