Файл: Сингер, С. Природа шаровой молнии.pdf

разряд-предшественник ударил в берег (см. рис. 8). Если это наблюдение и подразумевало движение огненного ша­ ра от берега к той точке, где он был замечен наблюдате­ лем, расположенной несколько ближе к противоположно­ му берегу в 1,5 м над водой, то все время, пока вели на­ блюдения, шар двигался от этой точки к тому берегу, куда ударила до этого молния. Наблюдатель сравнил яр­ кую желто-белую центральную часть шара, имевшую в поперечнике 6—8 см, с плазмой, образующейся при раз­ ряде с температурой 14 000 К. Температура 13 900 К бы­ ла рассчитана исходя из периода полураспада за счет рекомбинации ионов в шаре:

температуры плазмы Т. Период полураспада был оценен в 1,35 мин. В действительности эта величина определяет всю продолжительность существования шара, если счи­ тать, что он возник в предварительном разряде линейной

При этих расчетах предполагалось, что плазма шаро­ вой молнии состоит только из положительных ионов и электронов; отрицательные же ноны образуются лишь в малых количествах. За первоначальную концентрацию ионов было принято их равновесное количество для дан­ ной температуры, причем считалось, что рекомбинация происходила во время всего существования шара, но без падения температуры. Экспериментальные исследования плазмы неоднократно показывали, что время существова­ ния в атмосфере сгустка плазмы указанной температуры без непрерывного его снабжения энергией на несколько порядков меньше 1,35 мин. Поэтому представляется, что использованная в этих расчетах модель рекомбинации явно непригодна. Было высказано предположение о ста­ билизирующем воздействии рекомбинации на темпера­ турные изменения. Уменьшение температуры в централь­ ной области шара привело бы к сопутствующему ускоре­ нию рекомбинации, восстанавливающей более высокую

-стационарную температуру. Повышение температуры в центре замедлило бы рекомбинацию и увеличило бы теп-

лоотдачу с поверхности шара, что опять привело бы к по­ нижению температуры до равновесного значения при некоторой потере энергии. Первоначальная степень иони­ зации была оценена по температуре в 22%, что соответст­ вует концентрации ионов 1,2-10'7 нон/см3 для высокотем­ пературного газа шаровой молнии с плотностью, предпо­ ложительно меньшей плотности атмосферы. Исходя из средней энергии ионизации 14,5 эВ, вся энергия ионов со- ставит 530 Дж при объеме молнии 1450 см3 .

Теория температурных колебаний, компенсируемых рекомбинацией и сопровождаемых потерей энергии, бы­ ла расширена, чтобы объяснить повторные пульсации, которые могли бы произойти, поскольку оценка степени ионизации говорит о значительном запасе энергии. Из­ лучение, испускаемое шаром, будет пульсировать вместе с колебаниями температуры и энергии, высвобождаемой при рекомбинации. Подобные отклонения от устойчивой равновесной температуры с последующими возвращения­ ми к ней требуют, чтобы рекомбинация не успевала их компенсировать при относительно больших потерях энер­ гии. Если бы вся энергия первоначальной ионизации была высвобождена за 10—' с, сила взрыва соответствовала бы примерно силе взрыва 100 г нитроглицерина.

Дмитриев предположил, что первоначальные процес- . сы образования шаровой молнии заключаются в исчезно­ вении электронов в центральной высокотемпературной области при их прилипании к молекулам кислорода, в ре­

обеспечивать барьер против диффузии заряженных час­ тиц, так как иначе подвижность ионов может привести к исчезновению плазменного шара менее чем за 0,01 с. Слой низкотемпературных ионов кислорода может захва­ тывать электроны в центре шара, а бомбардировка элек­ тронами может вызвать некоторое возбуждение и све­ чение оболочки. Перемещения сферы частично объясня­ ются меняющимся положительным электрическим заря­ дом примерно 3 мкКл, возникающим вследствие микро­ амперного тока коронного разряда.

Согласно этой теории, длительное существование ша-"~~ ра, несмотря на множество искр при столкновениях с де-

ревьями, объясняется наличием устойчивой внешней обо­ лочки из отрицательных ионов кислорода (0~2, О - ) , возникших благодаря прилипанию электронов. Сопри­ косновение с заземленным металлом нейтрализует стаби­ лизирующую оболочку и может уничтожить всю систему.

Факты появления шаровой молнии внутри строений, экранирующих ее от внешних электрических полей, и про­ никновения ее сквозь диэлектрики приводились в каче­ стве доказательства того, что огненные шары плазмы не могут поддерживаться внешними источниками энергии. Шаровая молния рассматривалась как замкнутая по­ лость, окруженная сильно ионизованной проводящей сфе­ рической оболочкой, по которой текут большие поверх­ ностные токи и внутри которой имеется интенсивное вы­ сокочастотное электромагнитное поле [119]. Энергия такой молнии — это не только энергия плазмы, но и энер­ гия самого поля. Такие резонаторы для микроволн могут образоваться маленькой петлей канала молнии пли силь­ ным током в молниеотводе.

Длительное существование шаровой молнии свиде­ тельствует о том, что рассеяние энергии невелико. Имен­ но так и должно происходить, если высокочастотное элек­ тромагнитное излучение сосредоточено внутри хорошо проводящей и отражающей радиоволны сферической обо­ лочки, а частота этого излучения много больше частоты столкновений электронов с молекулами. Удержание плазмы при незначительном рассеянии энергии может иметь место в этом случае только при пониженном внут­ реннем давлении, так как атмосферное давление будет дополнительно уравновешиваться за счет давления элек­ тромагнитного излучения. Основная резонансная гармо­ ника электромагнитного поля создает неоднородное дав­ ление излучения по поверхности, и, следовательно, для равновесия необходимы несколько гармоник.

В таком образовании высокочастотное поле напря­ женностью 3-108 В/м при частоте 1,6-1010 Гц могло бы обеспечить давление 105 Н/м2 , при котором могла бы под­ держиваться плотность 6-Ю1 0 электрон/см3 . Если при­ нять, что энергия внутреннего поля излучения определя­ ется в основном лишь необходимостью уравновесить атмосферное давление, то для сферы радиусом 10 см по-

плазмы в высокочастотном электромагнитном поле, при­ чем используются частоты, на порядок более низкие, и напряженности.поля, на 5 порядков меньшие, чем указа­ но выше. Об этом будет идти речь в следующем разделе [404, 405].

Сгустки плазмы поддерживались с помощью внешне­ го радиоизлучения в течение 10—20 с, что указывает на поглощение энергии, проходящей в сгусток сквозь стенки; однако и после прекращения подачи энергии видимое свечение продолжалось 0,5 с или больше. Это время жиз­ ни достаточно хорошо согласуется с тем, что можно было ожидать при данном запасе энергии поля излучения, ес­ ли учесть соответствующие параметры и уменьшение кон­ центрации заряженных частиц во внешней области сгуст­ ка. С другой стороны, авторы экспериментальной работы объясняют большую длительность свечения медленными переходами частиц газа из возбужденных метастабильных состояний с выделением энергии в виде светового из­ лучения. В естественных условиях генерация чрезвычайно мощных высокочастотных электромагнитных излучений, как это необходимо по теории, рассматривающей шаро­ вую молнию как сферический резонатор, едва ли возмож­ на даже при самыЗГсильных грозах.

В одной необычной теории шаровой молнии [503] предложена модель, представляющая собой окруженное плазмой небольшое тороидальное сверхпроводящее ядро из атомов кислорода и азота, уплотненных до металли­ ческого состояния. Плазму удерживает магнитное поле токов ядра. Ядро создается сжатием канала линейной молнии. Сначала канал сжимается за счет обычного магнитогидродинамического пиич-эффекта. Сопротивление канала в области возникающих при этом узлов возраста­ ет. Ток проходит в основном по внешнему слою канала, что создает сильное сжатие плазмы сверхвысоким дав­ лением магнитного поля, в результате чего достигается сверхвысокая плотность при относительно низкой темпе­ ратуре. Это сжатие за счет пинч-эффекта приводит атомы атмосферных газов в металлическое состояние, Затем этот отрезок разряда молнии изгибается в петлю, которая от-

деляется от остального канала. Содержание энергии в веществе ядра было оценено в 1400 ккал/г. Плазма, окру­ жающая ядро, имеет высокую температуру и излучает тот свет, который упоминается обычно в описаниях шаровой молнии.

которая сохранялась бы достаточное время, несмотря на динамические неустойчивости плазмы. Собственные поля плазмы не могут обеспечить самоудержание в замкнутой системе при сохранении энергии, определяемом условия­ ми, налагаемыми теоремой о вириале. Необходимы еще и внешние силы, например такие, как атмосферное давле­ ние. Если же единственной силой, способствующей удер­

молнии, основанных на сообщениях о выделении ею теп­ ла или о ее взрывах; соотношение

PV>U + E + M

дает верхний предел полной удельной энергии ~ 100 Дж/л. Однако параметры, рассматриваемые в теореме о вириа­ ле, не включают добавочной «химической» энергии, ко­ торая может присутствовать в форме энергии ио­ низации, возбуждения или энергии химических ре­ акций в веществе плазмы. Тепловые потери с поверхнос­ ти шара вплоть до максимума, допустимого теоремой о вириале, слишком велики, и без какой-нибудь изоляции вся масса могла бы существовать не дольше нескольких миллисекунд. Неспособность объяснить достаточно дли­ тельное удержание плазмы с большой энергией, будь то любая кинетическая, тепловая или энергия электромаг­ нитного поля, привела к появлению теорий, согласно ко­ торым шаровая молния поддерживается за счет внешне­ го источника [151]. Образование шаровой молнии как сферического разряда постоянного тока уже рассматри­ валось выше. В следующем разделе в качестве источ­ ника ее энергии будут рассмотрены естественные элект­ ромагнитные волны.