Файл: Сингер, С. Природа шаровой молнии.pdf

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-