Файл: Сингер, С. Природа шаровой молнии.pdf

сматривается в теориях, которые для объяснения значи­ тельной энергии и длительного существования шаровой молнии опираются на предположение, что в ней уже при образовании каким-то образом запасается вся необходи­ мая энергия. В качестве другой возможности предпола­ гается, что энергия непрерывно поступает в светящуюся массу от внешнего источника, например электрического или электромагнитного поля во время грозы. Теории, со­ гласно которым постоянным внешним источником энер­ гии является электромагнитное излучение, будут рас­ смотрены в заключительном разделе этой главы. В обеих группах теории вещество шаровой молнии рассматрива­ ется как плазма.

Описание шаровой молнии как плазмы было предвос­ хищено в ранних гипотезах задолго до того, как экспери­ ментальные и теоретические исследования в этой обла­ сти предоставили в наше распоряжение современные сведения и терминологию. В 1905 г. Карлгейм-Гилен- шельд описал шаровую молнию как вращающийся сфе­ рический вихрь, состоящий из ионизированного воздуха, отделившегося от цилиндрического канала разряда мол­ нии [65, 85]. В 1915 г. было выдвинуто предположение, что электронное вихревое кольцо образуется при им­ пульсе разряда обычной молнии. Согласно этому описа­ нию, кольцо быстро вращается и электроны при столк­ новениях ионизуют попавший в их поток воздух, созда­ вая таким образом вакуум внутри некоторого объема [581]. Подобные электронные и плазменные вихревые модели предлагались и 50 лет спустя [33, 584].

Первоначально подобные мнения редко излагались с достаточной ясностью, чтобы их можно было сравнить с современными плазменными теориями, но особое веще­ ство светящейся массы часто описывалось как высокотем­ пературный ионный газ. Например, «громовому веще­ ству» приписывалась температура 2500° С, а сферическая оболочка объяснялась поверхностными электростатиче­ скими силами, которые уравновешивают высокое внутрен­ нее давление [310, 311].

Если предположить, что удержание полностью иони­ зованного газа может происходить только за счет квантовомеханической обменной энергии, то можно оценить

минимальную равновесную температуру [156, 338, 339, 356]. Если для плазмы, состоящей из одинакового числа свободных ионов и электронов (что дает равный нулю полный заряд), можно пренебречь электромагнитными взаимодействиями, то обменная энергия определяется формулой

Е

Температура, найденная отсюда для концентрации 2,7-10'9 электрон/см3 , что соответствует концентрации молекул при атмосферном давлении, составляет 632 К. При более высокой температуре обменная энергия ока­ жется меньше необходимой для удержания плазмы. От­ сюда был сделан вывод о возможности существования низкотемпературных сфер, которые тем не менее облада­ ют высокой концентрацией заряженных частиц. С другой стороны, показано, что одной обменной энергией можно объяснить лишь удержание плазмы с низкой энергией.

Как видно из предыдущего раздела, свойства предпо­ лагаемого плазменного сгустка определяются другими параметрами плазмы, а не обменной энергией. На­ пример, рекомбинация заряженных частиц ограничивает время существования такого шара малыми долями секун­ ды, что, видимо, сравнимо с временем свечения обычной молнии. В первоначальном исследовании [356] предсказы­ валась медленная рекомбинация при рассчитанной «высо­ кой» температуре. Однако в экспериментальных исследо­ ваниях такие плотности зарядов были получены в газовой фазе только при действительно очень высоких темпе­ ратурах, на порядки выше приведенной в этой работе. Для разряда молнии с температурой 24 000 К концентра­ ция электронов была оценена [531] как 4,3-1018 см~3 ; по­ скольку в рассматриваемой теории не учитывалось ника­ ких других специфических процессов, кроме понижения

188 Глава 8

температуры, вычисленное время свечения после удара получается в общем таким же, как и у шаровой молнии, состоящей из подобного вещества. Применение к шаро­ вой молнии квантовой теории электронного газа, подоб­ ной теории электронного газа в кристаллах [479], имеет определенное сходство с попытками применить к этой за­ даче квантовую -теорию твердого тела, основанными на предположении об очень высокой концентрации заря­ женных частиц [382].

И кольцевой ток, и сферическая структура типа гид­ родинамического вихря предлагались в качестве форм шаровой молнии и исследовались при магнитогидродииамическом подходе, для которого характерно отсутствие рассмотрения взаимодействия заряженных частиц [434, 448, 474, 483]. Как указывалось выше, для получения рав­ новесного магнитогидродинамического образования не­ большой массы, в котором не существенна гравитация частиц, необходимо приложение внешних сил. В торе, удерживаемом с помощью внешнего магнитного давле­ ния, необходимые магнитные поля могут быть созданы замкнутым током /д и током, текущим вокруг поперечно­

Если внутреннее давление пренебрежимо мало по сравнению с атмосферным, радиус кольца R= 10 см, а ра­ диус поперечного сечения г— \ см, то оба тока [474] дол­ жны быть порядка 10 000 А. Поверхностный ток считался барьером, препятствующим проникновению внешнего га­ за в плазму. Внешнее магнитное поле, перпендикулярное плоскости кольца, могло бы компенсировать большее внутреннее давление [266]. Тороидальные токи, рассмат­ риваемые в этой модели, подобны токам, которые наблю­ даются в плазменных тороидах, получаемых в экспери­ ментах по проблеме термоядерного синтеза. Однако во­ прос о естественном образовании таких специфических потоков заряженных частиц необходимой величины оста­ ется открытым, если учитывать, с помощью каких мето­ дов удается создавать эти токи в лабораторных условиях. Поскольку в создании шаровой молнии в качестве посто-

янного внешнего магнитного поля могло бы участвовать лишь слабое магнитное поле Земли (около 0,3 Гс), с по­ добными же трудностями мы сталкиваемся и при объяс­ нении высокой энергии и длительного существования по­ добной вихревой структуры сферической молнии.

Отсутствие сильного внешнего магнитного поля, что является основной трудностью получения равновесной плазменной структуры в естественных условиях, привело к возникновению нескольких теорий, рассматривающих возможность самоудержания плазмы. Образование ша­ ровой молнии из сегмента обычной [86, 87] было объясне­ но как преобразование плазменного стержня в сгусток со структурой типа вихря Хплла. Цилиндрический столб имеет сильное захваченное магнитное поле, но лишен электрического. Заряженные частицы обращаются во­ круг оси стержня, и считается, что ионы и электроны дви­ жутся вдоль столба в противоположных направлениях. Электрический диполь, созданный разделением зарядов, и магнитное поле заставляют соответствующие частицы образовывать на каждом конце столба зонтообразное расширение. Затем эти расширения с противоположными зарядами приближаются друг к другу, создавая замкну­ тый проводящий путь через .центр столба, по внешней части, где образовались расширения, и опять в центр, об­ разуя сферическую внешнюю поверхность. Это напоми­ нает рассматривавшийся выше плазменный вихрь [473] с той разницей, что тут отсутствует внешнее магнитное по­

ложительные ионы составляют кольцевой, а электроны — поверхностный полопдалы-іый ток, как и в ранее рассмот­ ренных тороидальных образованиях. Рассматривались также тонкие кольца с электронами в очень тонкой внеш­ ней оболочке [86] и толстые кольца, приближающиеся по форме к шаровидным образованиям [87]. В этой модели предполагались очень мощные токи порядка 107 А и ско­ рости электронов около '/з скорости света. При этом должны возникать потоки энергичных электронов и рент­ геновское излучение; это приводит к выводу, что шаровая молния должна быть интенсивным источником такого из-

нии предположения о высоких скоростях частиц и из рас­ смотрения лишь некоторых из большого числа процессов потерь энергии. Параллельная оценка [184] длительности существования шаровой молнии при предполагаемой пер­

экспериментальных данных принять это допущение для

Давление в канале молнии было принято равным 200 атм, что примерно в 10 раз превышает обычную оцен­ ку. При резком уменьшении тока происходит быстрое уменьшение диаметра канала (коллапс), в результате че­ го создается сильная ударная волна, на что указывает звуковая волна. Ответвление главного канала, в котором ток прекратится раньше, или еще одна вспышка молнии в непосредственной близости могут, таким образом, соз­ дать ударную волну, которая разорвет канал молнии. Когда ударная волна прерывает ток, магнитное поле во­ круг канала схлопывается, преобразуя этот отрезок вы­ сокотемпературного ионизованного канала в вихрь. Ско­ рость ионов в вихре также высока. Воздействие несколь­ ких ударных волн, разрывающих канал разряда в нескольких местах, могло бы, согласно этому предполо­ жению, объяснить возникновение меточного разряда, по­ казанного на рис. 6. Для проверки этой теории было предложено провести опытное изучение воздействия силь­ ных ударных волн на искровые разряды.

Рассматривалась и другая модель шаровой молнии с самоудержанием плазмы — аналогичное вихревое образо­ вание, но только с тороидальным магнитным полем и полоидальными электронными и ионными токами, причем в

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