Файл: Сингер, С. Природа шаровой молнии.pdf

очень малой. Оценка энергии, требующейся для поддер­ жания такого шара, была сделана на основе предположе­ ния, что рассеяние энергии у него такое же, как у элект­

ром 10 см была получена величина энергии рассеяния 18 кВт. На этом основании для возникновения естествен^ ной шаровой молнии необходимо излучение приблизи* тельно пятикратной мощности, хорошо сфокусированное и при колебаниях частоты не более 2%; образование в естественных условиях подобной волны длиной 40 см рас­ сматривалось как весьма вероятное [520].

Обсуждение удержания заряженных частиц при гар­ монических колебаниях в высокочастотном поле было распространено и на трехмерные стоячие волны, создава­ емые тремя ортогональными бегущими волнами. В таком поле возможно полное удержание заряженных частиц, в отличие от изучавшихся ранее полей, которые не влияют на движение частиц вдоль одной из пространственных координат [475]. Уравнения трехмерной системы слиш­ ком сложны для общего аналитического решения, но бы­ ли получены численные решения на ЭВМ. Результаты показали, что возможно удержание электронов с энергией порядка 50 кэВ при мощности источника 2,5 МВт и часто­ те 1,6-109 Гц в облаке, состоящем из одних электронов с

ние в естественных условиях трех таких волн с необходи­ мой геометрической конфигурацией представляется мало­ вероятным. Рассматривалась и другая модель поля стоя­ чей волны, созданного не непрерывным излучением, как принималось в более ранних теориях, а импульсным поля­ ризованным излучением в узкой полосе частот [476,479]. Импульсное интерференционное поле образуется при от­ ражении такой волны, подобно тому, что имеет место в радиолокации.

По-видимому, некоторые наблюдения шаровой MOJb нии проще объяснить, исходя из предположения о внеш­ нем источнике энергии в виде высокочастотного радиоиз-

лучения. В частности, отсюда следует, что дымоход дей­ ствительно мог бы играть роль волновода, на что указал Капица. Имеется сообщение трех очевидцев, од­ новременно наблюдавших появление светящейся сферы величиной с кегельный шар, возникшей перед камином в тот момент, когда снаружи ударила сильная молния. Шар испускал голубой свет, похожий на цвет спиртового пламе-

""і-ій [413]. Шар вращался, а когда он прокатился по ками­ ну и упал на пол, очевидцы убежали из комнаты. Один из них в момент появления шара смотрел прямо на камин и был убежден, что шар не спустился через него снаружи. В другом случае потрескивающий огненный шар разме­ ром с яблоко появился в плите после сильного взрыва, когда плиту попытались затопить через два часа после

В качестве возражения против теории, рассматриваю­ щей внешнее высокочастотное излучение как источник энергии [277], приводился случай, когда шаровая молния вскипятила бочку воды, так как излучение подобного ти­ па в воде не распространяется. Распространенная оценка энергии шаровой молнии была сделана именно по описа­ нию этого случая. Однако в 1911 г. было описано наблю­ дение, которое свидетельствует о присутствии высокочас­ тотного излучения [65, стр. 123]. Согласно этому наблюде­ нию, возникновение шаровой молнии вызвало свечение нити электролампочки. Свет лампочки был очень ярким и погас сразу, едва исчезла шаровая молния. Теории, со­ гласно которым шаровая молния поддерживается внеш­ ним радиоизлучением, то отвергались как ненужные для объяснения содержащейся в ней энергии [213], то прини­ мались, поскольку они давали четкое объяснение кон­ кретным случаям вроде возникновения шаровой молнии вблизи носа самолета [33, 257].

В экспериментальных исследованиях было получено образование областей светящихся разрядов в высокочас­ тотном поле в условиях, аналогичных тем, которые были указаны в теории, рассматривающей стоячую волну как источник шаровой молнии. Мощные импульсы радиоло­

ка т о р о в фокусировались с помощью параболических от­ ражателей, чтобы получить светящиеся массы в откачан-

атмосферного [175, 195,435]. При волнах длиной 3 см и дав­ лении 10 мм рт. ст. возникал бочкообразный разряд диа­

низких давлениях разряд был красно-фиолетовым, при более высоких он стал фиолетовым и более ярким [435]. Форма светящейся области менялась в зависимости от" положения баллона и от величины давления. При 3— 20 мм рт. ст. в разряде появлялись нерегулярные слои. При более низких н более высоких давлениях в баллоне вдоль осп отражателя возникали одии-два разряда с «пе­ ретяжкой». Увеличение давления до 50 мм рт. ст. в бал­ лоне погасило эти разряды. Импульсный луч давал мощ­ ность в среднем 50 Вт. Стенка камеры оставалась холодной, кроме тех случаев, когда область разряда не­ посредственно касалась стекла. При контакте с яркой массой стенка за 10 с нагревалась так, что к ней нельзя было прикоснуться.

Высокочастотный генератор, нагруженный на полувол­ новую линию из двух параллельных проводов, создавал в воздухе при атмосферном давлении яркий пламеподобный разряд [478]. Разряд, как соообщалось, имел место • только у пучности электрического поля и отличался по форме от разрядов, наблюдавшихся при более низких давлениях в поле, созданном при отражении волной. Мощ­ ность источника 10 кВт мала для создания в шаре поля с разностью потенциалов 10б В, что необходимо для иони­ зации, согласно теории стоячей волны, в случае, когда шар находится у узла поля [562]; однако разряд, каза­ лось, был того же типа, что и при высоких напряжениях.

Очень яркий, почти сферический плазменный сгусток диаметром ~2,5 см был получен в цилиндрической квар­ цевой трубке, введенной в индукционную катушку, питае­ мую источником с частотой 10 МГц [334]. Вопреки обще­ принятому мнению, что генерация высокочастотных раз­ рядов при атмосферном или более высоком давлении потребует мощности порядка 10 кВт пли .больше, для поддержания разряда в аргоне и криптоне оказалось достаточно 600 Вт. Разряды образовывались при иизкотй^ давлении, причем оно постепенно повышалось при увели-

чении энергии излучения. Подстройка частоты генера­ тора во время разряда с целью добиться наиболь­ шей передачи энергии в плазму дала очень эффективный результат. Энергия, использовавшаяся для поддержания плазменных сгустков, определялась по разности между общей мощностью генератора и измерявшейся термоэле­ ментом мощностью, рассеиваемой на анодах его ламп. Ли­ нии загрязнений в излучении плазмы были очень слабы. Наиболее интенсивны были линии нейтрального аргона, и

при повышении давления интенсивность видимого непре­ рывного спектра значительно возрастала. Температура аргонной плазмы высокого давления была оценена в 9000 К при концентрации электронов — 2 -101 6 см - 3 .

Вращение газа в разряде с помощью вентилятора, установленного снизу в экспериментальной камере, дол­ жно было бы в соответствии с теорией обеспечить устой­ чивость плазмы, что находится в согласии с наблюдени­ ями шаровых молний [482]; однако такое вращение оказа­ лось неэффективным. В разряде между электродами переменного тока с частотой 60 Гц для его устойчивости оказалось необходимым вращательное движение газа [552]. Эффект небольшого вихревого движения, при кото­ ром, кроме того, снижаются высокочастотные шумы раз­ ряда, сравнивался с особенностями свечения в воронке торнадо. С другой стороны, в индуцированном безэлект­ родном разряде плазма при высоком давлении была ус­ тойчива без дополнительного движения, а вращение с по­ мощью вентилятора вызывало развитие винтовых неустойчивостей в плазме, которое прекращалось при повышении давления.

В высокочастотном разряде при атмосферном давле­ нии в воздухе также образовывались долгоживущие све­ тящиеся массы [404]. Огненные области, а именно изогну­ тые или змееобразные шнуры диаметром 5—7 см, продол­ жали светиться 0,5—1 с после выключения генератора. Разряд с металлических электродов был вызван из­ лучением частотой 75 МГц внутри камеры с алюминиевы­ ми стенками, имевшей форму куба со стороной 2,5 м. На- "Тгр_яженность электрического поля в этом резонаторе при

типе резонансных колебаний ТМПй была оценена в 1000 В/см. Пока подача энергии продолжалась, свободно

208 Глава 8

всплывающий шар пролетал до стенки за 10—20 с. Иног­ да он взрывался. Пауэлл и Финклстайн провели спектро­ скопические исследования светящихся компонент такого разряда в стеклянных трубках диаметром 15 см, для че­ го использовали источник радиоизлучения мощностью 30 кВт [405]. Разряд создавался между электродамп. Ког­ да источник отключался, плазма сама отделялась от элек­ тродов и поднималась к верхушке цилиндра, где остава­ лась до прекращения свечения. В стеклянной камере све­ чение продолжалось 0,5—1 с после выключения источника.

Такие же разряды создавались и вне стеклянных ка­ мер, причем оставались видимыми 0,2—0,4 с. Эти огнен­ ные шары образовывались при давлении от 0,5 до 3 атм. При давлении ниже 0,5 атм разряды больше походили на обычные тлеющие разряды и при отключении тока исче­ зали очень быстро. Долгожпвущие светящиеся массы об­ разовывались в азоте, кислороде, смесях азота с кислоро­ дом при соотношениях от 20: 1 до 1 :2 (включая и смесь, соответствующую по составу воздуху), а также в окиси азота. В аргоне и двуокиси углерода возникали дугооб­ разные разряды, которые после отключения тока свети­ лись лишь несколько миллисекунд. Свечение в азоте бы­

был желтовато-белым и средней яркости. Огненный шар в воздухе постепенно становился все более желтым по ме­ ре того, как в газе разряда накапливалась двуокись азота.

Наиболее крупные шары, иногда более 50 см в диамет­ ре, возникавшие в закиси азота, были ярко оранжевого цвета. Они сохранялись после отключения тока до 2 с. Для образования этих разрядов успешно использовались электроды из разных металлов (платина, золото, серебро, медь, цинк, кадмий, олово, алюминий, вольфрам), а так­ же угольные. Свинцовые электроды и электроды, покры­ тые ртутью, результатов не дали. Исследователи пришли к выводу, что разряды в среднем сохранялись тем доль­ ше, чем труднее испарялся электрод. Температура огнек^ ных шаров была определена в 2000—2500 К по сопротив­ лению вольфрамовых проволочек толщиной 75 мкм. Эта

измеренная температура много ниже необходимой для та­ кой интенсивности излучения.

Было выдвинуто предположение [405] о возбуждении метастабильных уровней молекулярного азота или кисло­ рода, энергия которых передается излучающим частицам, создающим видимое свечение. Для объяснения длитель­ ного свечения самого азота было выдвинуто предположе,- ние о возбуждении состояний A^t, а>'Д„ И 3 А м молекулы азота. Но в воздухе переход молекулы азота в нормаль­ ное состояние из возбужденных уровней при столкнове­ ниях, по-видимому, должен быть очень быстрым; учиты­ вая большую яркость послеразрядиого свечения кисло­ рода, для объяснения длительного свечения в воздухе бы­ ло принято, что молекула кислорода может находиться в состояниях bl*Z~g и a'Ag. Хотя высвечивание в таких со­

давлении и температуре 2000 К, согласно известным ко­ эффициентам, должно быть настолько быстрым, чтобы оно эффективно уничтожило возбужденные молекулы кислорода менее чем за микросекунду, за исключением, может быть, молекулы в состоянии a'As.

Ввиду важнейшей роли, которую играют в этой моде­ ли шаровой молнии молекулы двуокиси углерода, атомы металлов и другие частицы с сильным излучением в ви­ димой части спектра, образование огненного шара, со­ гласно этой теории, зависит от возникновения излучаю­ щей смеси, содержащей эти вещества. Такая смесь могла бы образовываться при предварительном ударе линейной молнии в металлический или деревянный предмет. На­ блюдавшиеся излучающие вещества в целом не харак­ терны для воздуха, за исключением, возможно, двуокиси азота. Вот почему это относительно низкотемпературное свечение отличается от высокотемпературного излучения обычной молнии.

Оценка электрического поля в этих высокочастотных разрядах в 1000 В/см, что на несколько порядков превос­ ходит высокочастотные поля, наблюдавшиеся в природе, заставила исследователей отказаться от мысли о возмож­ ности образования шаровой молнии естественным высо-