Файл: Сингер, С. Природа шаровой молнии.pdf

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

температуре. Такое вещество получило название плазмы, а состоящие из плотной плазмы образования называются обычно плазменными сгустками. Экспериментальные на­ блюдения и теоретические работы в области физики плаз­ мы очень ценны для проблемы шаровой молнии, особен­ но в связи с новейшими теориями, которые обычно рас­ сматривают шаровую молнию как плазменный сгусток.

Процессы, при которых происходит образование плаз- ~мы, свойства вещества в таком состоянии и условия об­ разования плазменных сгустков — вот те основные во­ просы, ответы на которые нам следует извлечь из обшир­ ной информации, накопленной физикой плазмы. Конечно, не все эти вопросы решены. Свойства плазменных моде­ лей в конечном счете должны оказаться сопоставимыми со свойствами, обычно фигурирующими в сообщениях о шаровой молнии. Именно с этой точки зрения и был ото­ бран материал, который мы сейчас рассмотрим. Теория и эксперименты с плазмой, специально посвященные только шаровой молнии, рассмотрены в следующем разделе.

В некоторых теориях шаровой молнии для объяснения заключенного в ней запаса энергии, на что указывает длительное свечение и мощный завершающий взрыв отно­ сительно небольшой массы, выдвигается предположение о высоких концентрациях электронов и положительных ионов. Плазма — это совокупность большого числа элект­ рически заряженных частиц. Мощные электрические силы препятствуют возникновению в ней заметных отклонений от электрической нейтральности. Например, если про­ исходит накопление зарядов определенного знака в ка­ кой-то области пространства, то это вызывает быстрое по­ ступление туда частиц с противоположным зарядом. Наи­ большее расстояние, на которое электростатическое поле проникает в плазму, определяется формулой

kT 4t ne? (щ + tig)

где k — постоянная Больцмана, Г —кинетическая темпе­ ратура, е — величина заряда электрона в электростатиче- -ских единицах, а пе и П і — концентрации электронов и ионов соответственно (см - 3 ) (ионы полагаются однократ­ но, ионизованными).. Это известный дебаевский радиус

экранирования, определяемый из условия равенства ки­ нетической энергии частиц и их потенциальной энергии в электрическом поле. В областях пространства, характер­ ный размер которых порядка или меньше дебаевского радиуса, возможны отклонения от нейтральности при теп­ ловом движении заряженных частиц. Если же характер­ ный размер значительно больше дебаевского радиуса, то газ в целом нейтрален и только тогда, собственно, счита­ ется плазмой. Следовательно, размер шаровой молниидолжен превышать дебаевскпй радиус по крайней мере раз в 10, чтобы можно было считать, что она состоит из плазмы. Оценки концентрации заряженных частиц в ша­ ровой молнии, а также предполагаемые давления и темпе­ ратуры показывают, что этот критерий выполняется и вещество шаровой молнии может рассматриваться как плазма даже при частичной его ионизации.

Для образования замкнутой структуры, содержащей ионы и электроны, требуется удержание их в ограничен­ ном объеме. Из исследовании плазмы, связанных в ос­ новном с проблемой термоядерных реакций, известно не­ сколько основных методов удержания плазмы довольно небольшой плотности при определенных ее конфигураци­ ях. Для этого может быть использовано сильное магнит­ ное поле или же комбинация магнитного и электрическо­ го полей. Магнитное поле не влияет на движение заря­ женных частиц вдоль него, но направление поперечной скорости изменяется. Частицы, движущиеся поперек маг­ нитного поля с постоянной по величине скоростью ѵ, опи­ сывают окружности, радиус которых определяется фор­ мулой R = /nv/qB, где m — масса, q— величина заряда частицы, В — напряженность магнитного поля. Если ѵ — скорость теплового движения, то мы можем выразить ее через температуру Т, откуда получаем

D (2mkT)l-

R=s~lB—

На движение электрона, масса которого много мень­ ше массы положительного иона, магнитное поле влияет сильнее. Если, например, речь идет о молнии, температу­ ра которой составляет 10 000 К, то радиусы окружностей, описываемых в геомагнитном поле электронами и иона-

ми, обладающими при такой температуре лишь тепловыми скоростями, весьма различны и составляют соответствен­ но 10 см и 22 м, если речь идет о молекулярном ионе N<>~- Движение этих частиц в плазме не следует рассматривать как независимое, поскольку любое разделение зарядов в пространстве в масштабах, превышающих дебаевский радиус, определяет потенциальную энергию в электриче­ ском поле, большую тепловой. При достаточно сильном

'-магнитном поле траектории обеих частиц не выходят из объема, занятого плазмой. Если магнитное поле слабо, удержание тяжелых ионов может дополнительно обеспе­ чиваться электрическим полем. Эти поля могут быть как внутренними, порождаемыми токами и зарядами плазмы, так и внешними. Те или иные комбинации этих полей рас­

сматриваются в большинстве исследований плазмы для

ко конфигураций плазмы типа магнитной «бутылки» и тора [276]. Для удержания высокоэнергичной плазмы даже в течение микросекунд необходимы очень мощные внешние поля и детальный расчет внутриплазмеиных процессов.

Обеспечить удержание плазмы могут также электро­ магнитные волны. Переменное электрическое поле волны оказывает влияние на движение любой заряженной час­ тицы. После того как частица проходит короткое рассто­ яние, поле меняет знак, возвращая частицу в исходное положение, если выполняется определенное соотношение между напряженностью и частотой поля, с одной стороны, и зарядом и массой частицы — с,другой. Удержание с по­ мощью только электрических полей может быть описано [373] следующими уравнениями, имеющими форму изве­ стных уравнений Матье: