Файл: Сингер, С. Природа шаровой молнии.pdf

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 15.10.2024

Просмотров: 90

Скачиваний: 0

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

Исследования

шаровой молнии

181

силовых линий создается

большее магнитное

давление,

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-


182

Глава 8

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,

 

 

Исследования

 

шаровой молнии

183

а

скорость

примерно

соответствовала

формуле

v= (3kTe/irii)'/2,

где

Те — температура

электронов,

піі — масса иона. Эксперимент проводился с

различными

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

без

гальванической связи с источниками

тока, отчего

его

называют

безэлектродным

разрядом

[201]. В этих

образованиях

с низкой концентрацией заряженных

час­

тиц

внешнее поле может управлять движением электро­

нов, вызывать

ионизацию за счет их столкновений

с мо­

лекулами газа

и - генерировать

тем самым

плазму.

Этот

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

ется

с

изменением

давления

от розовато-красного при

нескольких

мм рт. ст. и желто-белого

при

 

10 мм рт. ст.

до огненно-оранжевого при

нескольких

см рт. ст. При

частоте

62 МГц цвет

изменялся

от розово-красного при

5 мм рт. ст. до лилового или

красно-бурого,

зеленого и,

наконец, оранжево-белого при

давлении

более 400 мм

рт. ст. Эти

разряды

изучались

для

выяснения харак­

тера

тока

в области

свечения,

а не

для

изучения со­

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


184

 

 

Глава

8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

горелках

 

достигается

темпера­

 

 

 

тура

до

 

19 000

К

при

мощно­

 

 

 

сти

3,1

кВт.

 

 

 

 

 

 

 

 

В цилиндрической

установ­

 

 

 

ке, показанной на рис. 24, был

 

 

 

получен

при

низком

давлении

 

 

 

светящийся

быстро

вращаю­

 

 

 

щийся

голубой

диск.

 

Разряд

 

 

 

образовался

в

электрическом

 

 

 

поле

100

 

В/см

при

давлении

 

 

 

0,5 мм рт. ст., вращение созда­

 

 

 

валось

за счет

действия маг­

 

 

 

нитного

поля

6000 Гс,

направ­

Р и с. 24

Сверхзвуковая вра­

ленного по оси цилиндра. Ско­

рость

вращения

составляла

щающаяся дуга.

 

/ — а н о д ,

2 с в е т я щ и й с я

д и с к 17 000

об/с.

Скорости

газа

3 — к а т о д ,

4 — с л ю д я н о й

ци

1,3—2-Ю

5

см/с

измерялись с

 

л и н д р .

 

 

 

 

 

помощью введения в поток га­

 

 

 

за с характерным

свечением

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].


Исследования шаровой молнии

185

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

возражение

было

основано и а

том,

что надо рассматри­

вать плазму

как

совокупность

дискретных

заряженных

частиц,

а не

как

непрерывную

жидкость — в таком слу­

чае ее электромагнитная

энергия

может

быть отрица­

тельна.

В любой

нейтральной в целом плазме энергия

заряженных

частиц в

электромагнитном

поле положи­

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-