Файл: Сингер, С. Природа шаровой молнии.pdf

Для этой проблемы определенный интерес представ­ ляет наблюдение светящихся шаров при атмосферном давлении при пропускании мощного импульса тока че­ рез металлическую проволоку [237, 477]. Такие огненные шары описывались как сгустки плазмы, и медленная ре­ комбинация, на которую указывает период существова­ ния порядка секунд, относилась к энергии, определяемой особой конфигурацией токов и зарядов [477]. Никакой* конкретной конфигурации, способной настолько задержать рекомбинацию, мы, однако, не знаем. Тем не менее сообщения о таких шарах доказывают, что долгоживущпе светящиеся сферы (возможно, вихревые образова­ ния из раскаленных газов или даже неизвестные плаз­ менные структуры) действительно существуют.

Идея образования шаровой молнии электромагнитны­ ми волнами как сгустка плазмы в естественных условиях была выдвинута Капицей в 1955 г. в статье, оказавшей большое влияние иа дальшейшиё исследования в этой об­ ласти [241]. Капица пришел к выводу, что длительное све­ чение, наблюдаемое у шаровой молнии, возможно только при наличии какого-то непрерывно действующего внеш­ него источника энергии. Даже максимальной энергии, ко­ торая может быть запасена в шаре в момент его обра­ зования, недостаточно для поддержания непрерывного свечения на протяжении всего времени его жизни. Оцен­ ка, на которую опирался этот довод, была выведена из времени свечения огненного шара при атомном взрыве. Такое облако должно содержать максимально возмож­ ный запас энергии; это позволяет оценить наибольшее время, в течение которого шар может светиться за счет только внутренней энергии. В основу расчета продолжи­ тельности существования небольших шаровых молний был положен тот факт, что длительность свечения огнен­ ного шара диаметром 150 м от ядерного взрыва состав­ ляет примерно 10 с. Количество энергии, содержащееся- в таком облаке, прямо пропорционально его объему и, следовательно, кубу его линейных размеров, а излучае-

мый свет пропорционален площади поверхности, т. е. квадрату линейных размеров. Отсюда Капица пришел к выводу, что время свечения шара пропорционально его линейным размерам, т. е. диаметру. Шар диаметром 10 см, если бы он мог быть уподоблен ядерному облаку, должен был бы светиться максимум 0,01 с. Длительность суще­ ствования шаровой молнии много больше, поэтому в него должна поступать энергия извне.

Образование в лазерном луче очень маленьких плаз­ менных шаров, объемом около 10~1 см, предоставляет в наше распоряжение дополнительную информацию о воз­ можной продолжительности жизни такого шара [20]. Про­ должительность жизни светящегося шара с начальной энергией 1 Дж, обеспеченной источником света, была по­ рядка 10 мкс, что согласуется с приближенным соотно­ шением t = kE'/2, определяющим время жизни t через на­ чальную энергию Е. Эта приближенная формула приложима не только к очень маленьким, но и к большим шарам. Излучение светящегося облака от ядерного взры­ ва мощностью 1 кт длится около 10 с (т. е. к ~ 10 с/кт Ѵз) • Продолжительность жизни большой шаровой молнии с энергией 11-Ю6 Д ж (3,3-Ю-6 кт) должна быть порядка 0,01 с [184, 512], что совпадает с оценкой Капицы, осно­ ванной на размерах шаровой молнии. Время жизни шаровой молнии, по-видимому, много больше времени, которое представляется возможным даже при макси­ мальной начальной энергии.

Капица предположил, что внешним источником энер­ гии, наличием которого можно было бы объяснить неожи­ данно долгую жизнь шаровой молнии, является какое-то естественное радиоизлучение. Диаметр плазменной сфе­ ры, т. е. шаровой молнии, определяется резонансом шара во внешнем переменном электромагнитном поле; при этом поглощение энергии в шаре максимально. Резонанс воз­ никает, когда длина волны внешнего излучения в 3,65 ра­ за больше диаметра сферы.

Первоначально область, в которой возникает шаровая молния, содержит в небольшой концентрации ионизиро­ ванный газ, образованный предшествующим ударом мол-

гнии или каким-либо другим электрическим явлением во время грозы. Сначала возникает резонанс с высокочас-

тотным полем области меньших размеров, где ионизуют­ ся частицы, имеющие низкий потенциал ионизации, затем энергия волны поглощается все более п более по мере того, как происходит ионизация и увеличивается объем сферы, пока не будет достигнут, наконец, равновесный размер, который в дальнейшем сохранится. Если же, например, увеличивается энергия внешнего излучения, то повышается температура плазмы, и объем шара соответ-* ственно увеличивается. Сфера большого размера уже и& будет находиться в резонансе с электромагнитной волной. Это в свою очередь уменьшит поглощение энергии шаром, и размер его уменьшится до равновесного. Наиболее обычные размеры шаровой молнии, отмечавшиеся в на­ блюдениях, соответствовали бы длинам электромагнит­ ных волн от 35 до 100 см.

Напряженность электрического поля в пучности стоячей

ной. Оба эти обстоятельства наводят на мысль, что имен­ но стоячие волны могут создать наиболее благоприятные условия для образования ионизированного сгустка, при^- чем постоянная высота стационарной пучности, возмож-* но, как раз и не позволяет ему подниматься вверх подоб­ но облаку раскаленных газов от ядерного взрыва. Соглас­ но этой теории, проникновение шаровой молнии в здания объясняется распространением возникающих радиоволн по имеющимся волноводам, например по дымоходам. Среди проблем, связанных с этой теорией, Капица, в част­ ности, рассматривал вопрос о требуемых электромагнит­ ных волнах, которые должны были бы возникать в резуль­ тате электрической активности грозы, но до сих пор еще не наблюдались. Он полагал, что источником такого из­ лучения может быть колебание ионизированного газа ли­ бо около облака, либо вблизи земли.

Более ранние исследователи также высказывали пред­ положение, что шаровая молния может возникать как электрический разряд, созданный стоячей волной. Де Яне [230] указывал, что, согласно мнению Лоджа [288], стоячая электрическая волна возникает в подземных проводни-

ках, пораженных молнией. Шаровая молния образуется подобно кистевому разряду над земной поверхностью в максимумах напряженности поля такой волны. Термин «стоячая волна» употреблялся только в обзоре де Янса, опубликованном в 1912 г., но не в более ранней работе 1892 г., на которую он ссылался. Подобные же соображе­ ния привлекались в 1930 г. для объяснения описанного Ѵранее образования шаровой молнии в закрытом помеще­ нии [303]. Сфера величиной с апельсин и такого же цвета возникла на металлической ручке с внутренней стороны двери в момент удара грома. Когда шар исчез, не сдви­ нувшись с места, раздался громкий взрыв. Наблюдатель предположил, что в телефонном проводе, протянутом по двум стенам, могла возникнуть стоячая волна в результа­ те возбуждения высокочастотного тока в телефонных проводах при разряде молнии.

Капица также особо рассмотрел проблему возникно­ вения шаровой молнии в закрытых помещениях, в част­ ности в самолетах, которые почти полностью окружены металлической оболочкой, и пришел к выводу, что теория электромагнитной волны вполне может объяснить и это явление.

В 1930 г. появление очень ярких разноцветных шаров из печки в здании вблизи горной вершины также было приписано действию стоячей волны [429]. В отдалении бы­ ла замечена молния, но ни дождя, ни града не было, хотя небо закрывала темная туча. Снова теория стоячей волны была предложена [479] в связи с появлением шаровой молнии в глинобитных хижинах в мексиканской пустыне (позлее этой работе незаслуженно приписывался приори­ тет). Предполагалось, что удар молнии возбуждал внут­ ри" глинобитной хижины, игравшей роль электромагнит­ ного резонатора, стоячие электромагнитные волны. Не­ сомненно, однако, что именно работа Капицы послужила основой последовавшего затем интенсивного обсуждения теории, рассматривающей стоячую волну как источник шаровой молнии.

Были экспериментально и теоретически исследованы '"некоторые свойства плазменных образований в электро­ магнитных волнах. Результаты подтвердили часть поло­ жений этой теории и породили дополнительные проблемы.

Размеры плазменных сгустков, полученных эксперимен­ тально в высокочастотных электрических полях, будут возрастать с увеличением мощности, передаваемой сгуст­ ку от поля [141, 201]. Постоянство величины и яркости большинства шаровых молний, описанных в обзоре [420], рассматривалось как довод в пользу существования внешнего источника энергии шара, поскольку расходова­ ние начального запаса энергии должно было бы сопро­ вождаться заметными изменениями, например уменьше­ нием размеров. С другой стороны, в 15% сообщений это­ го обзора упоминаются изменения, среди которых наибо­ лее обычны уменьшение шара пли изменение цвета.

Исследование удержания заряженных частиц лпнейнополярпзованноп стоячей электромагнитной волной, проведенное в развитие теории Капицы с помощью урав­ нений движения типа уравнений Матье, показало, что частицы могут удерживаться силами, какие фигурируют в этих уравнениях, только вблизи узла электрического поля [562], а не пучности. Тот факт, что подобные решения этих уравнении не имеют места для пучностей электрического поля, свидетельствует о невозможности удержания плаз­ мы. Поле стоячей волны оказывает влияние на движение частиц сгустка по двум направлениям. Вдоль же бегущей волны частицы движутся свободно, но если происходит отражение волны, как предположил Капица, то может осуществляться удержание частиц в плазме в двух попе­ речных к направлению распространения волны направле­ ниях. Таким образом, обычное горизонтальное движение шаровой молнии требует изменения направления распро­ странения волны. Удержание в узлах стоячей синусои­ дальной волны отличается от процесса, который имел в виду Капица, рассматривавший усиление электрического поля в пучности, что способствовало образованию час­ тиц высоких энергий и ударной ионизации, а также под­ держанию этой области на определенном расстоянии от земли.

Оценка возможности удержания плазмы с помощью приведенных выше уравнений движения отдельных час­ тиц предполагает, что осуществляется лишь взаимоде^^еі*?* вие частиц с внешним полем. Это может быть справедли­ во только для малых концентраций заряженных частиц,

поскольку уже при средних величинах концентрации по­ ле внутри сгустка искажается собственным внутренним полем, а поглощение энергии внешнего поля происходит лишь у поверхности сгустка. Добавочная сила, возникаю­ щая в поле за счет магнитной составляющей электромаг­ нитной волны при движении заряженных частиц, также может препятствовать удержанию [167], хотя это затруд­ нение исчезает, если плазма находится в резонансе с внешней волной. Эти исследования [167, 520] подтвердили локализацию шара у узлов электрического поля, где на­ пряженность электрического поля минимальна.

Однако, как замечено в работе [520], остается пробле­ ма о возможном удержании при сдвиге из области пучно­

ва образования характерных разрядов как в узлах, так и в пучностях высокочастотного поля [27, 479].

Использование давления излучения внешней электро­ магнитной волны для того, чтобы помешать шару диамет­ ром 10 см и с температурой в несколько тысяч градусов подняться благодаря силам плавучести ~600 дин, пред­ ставляется затруднительным. Согласно оценке [520], при мощности 40 кВт, половина которой уходит на поддержа­

давшейся над р. Онегой, была оценена примерно 1700 дин [128]. Сила, препятствующая подъему шара, была объяс­ нена электростатическим притяжением земли или зазем­ ленных предметов из-за избыточного заряда 2,8 мкКл, который возник в шаре и при небольших отклонениях удерживался на нем в результате ухода электронов бла­ годаря коронному разряду.

Общее движение шара также было сочтено результат з?ѳм неустойчивого электростатического равновесия, в ко­ тором он должен был находиться. Вероятно, его положе­ ние осталось бы постоянным даже в отсутствие заряда,