Глава 4 Шаровая молния в наблюдениях и в теории

Попов А.Ф. СФТИ

 

Систематизация и анализ случайных наблюдений шаровой молнии наиболее полно произведен в монографии И.П. Стаханова^[4]. В ней приведено также большое количество сообщений очевидцев, описывающих различные свойства этого явления. Дополняющую информацию можно найти в монографиях [1,2,3,5]. На основе систематизции и обработки наблюдений создан образ шаровой молнии и установлены достаточно достоверные ее свойства. В каком соответствии это находится с представленной физической моделью будет рассмотрено в последующих параграфах. Отсутствие точных сведений о температуре молнии, ее весе и других параметрах не позволяет провести надежное количественное сравнение. Тем не менее на основе предлагаемой модели удается дать, по крайней мере качественное, объяснение различных свойств шаровой молнии, в том числе воспринимаемых часто как субъективных, и описать ее поведение в разных условиях. В дальнейшем используются данные опросов, проведенных в монографии^[4] и частично сообщения наблюдателей.

 

§4.1 Условия зарождения шаровой молнии и ее основные параметры

Подавляющее большинство наблюдателей показывают, шаровая молния образуется во время грозы после разряда линейной молнии. Лишь в сравнительно небольшом числе сообщений описываются случаи наблюдения шаровой молнии в ясную погоду. Поскольку молния может образоваться в произвольном участке канала линейной молнии, при разряде между тучей и землей или между тучами, наблюдатель далеко не всегда его видит, то вероятность наблюдения места возникновения шаровой молнии невелика. Сам процесс образования скоротечен и наблюдатель может видеть только результат этого процесса, когда канал линейной молнии исчезнет, спустя некоторое время после разряда.

Согласно предлагаемой модели шаровая молния образуется из участка канала линейной молнии в месте развития на нем перетяжечной нейстойчивости. Она не может образоваться в первом импульсе тока в данном канале, поскольку в это время давление горячего газа в канале значительно больше электродинамической силы. В последущих ударах при достаточно большой силе тока, когда магнитное давление тока превысит давление частично ионизованного газа (~1атм.), плазменный шнур сжимается и на нем возможно образование перетяжек. Оценки показывают, что в одной перетяжке может образоваться шаровая молния не большого диаметра (D<3см), поскольку разряды с большими токами очень редки (реально зарегистрованы токи в канале линейного разряда  ≤200кА). Однако в результате слияния нескольких магнитных конфигураций, возникающих в цепочке перетяжек, может образоваться шаровая молния с произвольной полной энергией при менее жестких требованиях к току разряда. Таким образом энергия шаровой молнии определяется не только силой тока в разряде, но и числом ячеек, участвующих в процессе слияния магнитных конфигураций.

Согласно данным опроса лишь 10% наблюдателей из 1500 опрошенных утверждают в своих сообщениях, что они видели момент зарождения шаровой молнии. Из них в 45 случаях она зародилась вблизи канала молнии, а в остальных 105 случаях- -из различных металлических предметов (розеток, радиоприемников, металлических батарей и других предметов).В целом это находится в неплохом соответствии с выводом о невозможности наблюдения процесса образования шаровой молнии. Согласие значительно лучше, если учесть, что в большинстве сообщений с положительным ответом, не описывается процесс образования шаровой молнии и строго их нужно отнести к разряду наблюдения шаровой молнии с момента ее образования. Кроме того имеется большое количество сообщений о том, что шаровая молния притягивается к незаземленным металлическим предметам, вызывает короткие замыкания в электро и радиоаппаратуре, которые сопровождаются звуковыми и световыми эффектами, привлекая внимание наблюдателя. По этой причине наблюдатель часто обнаруживает шаровую молнию в непосредственной близости от этих предметов, либо когда она находится в контакте с ними В результате он может сделать ошибочное заключение.

Важным фактором, играющим существенную роль при образовании шаровой молнии, является насыщение воздуха парами воды, которое обычно во время грозы достаточно велико. Пары воды необходимы не только для образования термоизолирующей оболочки шаровой молнии, но для придания ей соответствующего веса. Плотность вещества шаровой молнии из-за высокой температуры значительно ниже плотности воздуха и ее вес полностью определяется весом водяной оболочки. Только в случае заметного веса пленки шаровая молния под действием силы тяжести может опускаться на землю. Как правило, шаровая молния имеет достаточно четкую поверхность, отделяющую ее от окружающего воздуха, т.е. имеется типичная граница разделения двух различных веществ. Водяная пленка благодаря поверхностному натяжению способна при низких температурах обеспечить четкую границу, с ростом температуры пленки (до 100^о) граница будет размываться.

Форма шаровой молнии близка к сферической, что подтверждают сообщениями от 80 % до 90% в двух опросах наблюдателей. Остальная группа наблюдателей утверждает, что ее форма совпадает с эллипсоидальной или грушевидной. Лишь незначительное число наблюдателей (порядка долей процента) указывают на тороидальную и другие формы. В рамках данной модели в общем случае оболочка, образуемая неизотермической плазмой, имеет веретенообразную форму близкую к шаровой. Бессиловая магнитная конфигурация, расположенная внутри сепаратрисы, приближено имеет вид сплюснутого эллипсоида вращения. Очевидно, что форма шаровой молнии стремится стать сферической, поскольку этой форме соответствует состояние с минимумом энергии. Стремление шаровой молнии сохранить сферическую форму связана не только с фактом существования у нее поверхностного натяжения. Более важным является наличие у нее сильного электростатического давления в двойном слое, которое сдерживается давлением электронов неизотермической плазмы. По мере остывания шаровой молнии форма ее приближается к сферической. На форму молнии может оказывать воздействие электрическое поле и сила тяжести. Так под действием силы тяжести жидкость с поверхности пленки может стекать и накапливатся в нижней ее части, придавая молнии грушевидную форму. В принципе, по мере угасания она может иметь кратковременно и тороидальную форму.

Время жизни шаровой молнии определяется временем диссипации магнитной энергии, запасенной в ней. При постоянной температуре его можно оценить с помощью варажения (2.52)

τ_n≈πσR²/10c² (4.1)

В плазме с однозарядными ионами, пологая σ=1,96e²N_eτ/m_e при T_e=100кэВ и R=10см для времени жизни плазмоида получим τ_n=10cек. Полное время жизни будет значительно больше. Это время находится в согласии со временем установленным наблюдателями. Плазма со столь высокой температурой не была получена в лабораторных условиях. Хотя имеются данные отдельных экспериментов, допускающих достижение этих параметров^[16]. Однако есть основания ожидать, что в процессе слияния бессиловых конфигураций и джоулева нагрева при хорошей термоизоляции плазма будет нагреваться до более высоких температур по сравнению с лабораторными пинчами. Действительно, что потоки тепла вследствие электронной и ионной теплопроводности из области ограниченной сепаратрисой медленно растут ~T^1/2, но остаются малыми. Во внешней оболочке неизотермической плазмы с возрастанием температуры уменьшается энергия, передаваемая электронами ионам пропорционально T^-1/2. В то же время возрастает разность потенциалов в двойном слое и напряженность электрического поля в нем, благодаря чему уменьшается доля электронов способных преодолеть потенциальный барьер, и,следовательно, скорость их восполнения. Потери энергии в основном определяются тормозным излучением (3.36). Энергия, выделяемая в плазме в единицу времени в результате джоулева нагрева Q=∫JE dv=H₁²/8πτ_n 4πR³/3. Из равенства этих потоков энергии для предельной температуры получим

T_q²=10²¹E_n²c²/6π²R²N_eN_iz² (4.2)

Предельная напряженность электрического поля в двойном слое определяется взрывной эмиссией, которая начинается при E_n~10⁷В/cм. Подставляя эту величину в (4.2) легко убедится, что температур плазмы порядка 100кэВ реально достижима.токов

Время жизни шаровой молнии пропорционально T^3/2 R² и в зависимости от этих параметров может изменятся в достточно широких пределах.

Полная энергия шаровой молнии равна сумме магнитной, электростатической, поверхностной и тепловой энергий. Поскольку толщины внешней плазменной оболочки, приближено равной глубине скинирования циклотронного излучения c/ω_pe, переходного токового слоя, приближено равной нескольким циклотронным радиусам электрона, и двойного электрического слоя, равной нескольким радиусам Дебая, малы по сравнению с радиусом шаровой молнии, то энергия, сосредоточенная в этих оболочках, невелика и ею можно пренебречь в полном балансе. Мала также поверхностная энергия W_a=β_oS. В центральной части молнии в области бессилового магнитного поля H²/8π>>P, поэтому тепловой энергией плазмы в ней можно пренебречь по сравнению с энергией магнитного поля. Тогда полная энергия шаровой молнии при форме близкой к сферической приближено равна выражению:

W≈E_n²/4π 4πR³/3. (4.3)

Если положить E_n=10⁷В/см и R=10 см, то полная энергия W=37кДж, что соответствует плотности энергии 9,2Дж/cм³. Эта величина практически совпадает со значением плотности энергии установленной И.П.Стахановым по тем последствиям, которые шаровая молния после своего воздействия на различные предметы. Приведем наиболее интересную оценку, сделанную на основании следующего сообщения^[4].

«Летом 1977г. в г. Фрязино Московской области преподователь и группа школьников, находившихся в классе на втором этаже, увидели «мохнатый»» светящийся шар приблизительно 5см в диаметре, который приблизился к наружнему оконному стеклу. В стекле образовалась небольшое круглое отверстие со светящимися краями красного цвета. Постепенно диаметр отверстия увеличивался до 3-4 см. Вслед за этим шаровая молния ярко вспыхнула и исчезла с громким звуком. В этот момент преподователь, державший в руках эпидиоскоп, включенный в цепь, почувствовал удар током. Второе (внутреннее) стекло оконной рамы не пострадало. Время, в течение которого молния проплавила стекло, наблюдатели оценивают в 5 с. “

Далее Стаханов И.П. пишет, что “последующее обследование показало, что диаметр отверстия в стекле оказался 5 см при толщине стекла 2,5 мм ,отверстие представляло собой правильный круг. Стенки отверстия конусообразные, так что его диаметр со стороны поверхности, обращенной к шаровой молнии, был на 1 мм больше. Это указывало на поверхностный характер нагрева…” Было произведено моделирование процесса нагревания стекла лучом лазера с длинной волны10,6мкм. В результате было установлено, что нагрев должен быть кратковременным, мощным и локальным. В противном случае стекло растрескивается и отверстие имеет неправильную форму. Для нагревания стекла (массой ~8г) до темпнратуры разегчения стекла (1000^oC) требуется около 10кДж. Такая же оценка (10—20 кДж) получена в произведеном эксперименте. Это согласуется с приведенной выше оценкой запаса энергии в шаровой молнии с диаметром ~10-15см. Стаханов И.П. отмечает, что в данном очень вероятно занижение размера диаметра наблюдателями (влияние размера отверстия в стекле). Из многочисленных наблюдений следует, что, как правило, шаровая молния проделывает на своем пути отверстия значительно меньше ее диаметра. Это сообщение является важным для понимания физики шаровой молнии.

Полученные значения плотности энергии и времени жизни позволяют надеяться на возможность осуществления термоядерного синтеза в магнитной ловушке шаровой молнии. Действительно, учитывая, что время обмена энергией между электронами и ионами меньше времени жизни шаровой молнии, при плотности дейтериево-тритиевой плазмы N=10¹⁴см^-3, T=100кэВ и R=10см выход энергии в результате синтеза по грубой оценке составит величину порядка 300кВт^[47]. Возможность длительного удержания плазмы с более высокой плотностью требует дополнительных исследований

и, прежде всего, исследование возможности повышения предельной напряженности электрического поля в двойном слое.

Сильная связь полоидального и тороидального магнитных потоков в бессиловой области обеспечивает устойчивость системы. В стадии угасания шаровой молнии давление плазмы максимально на ее границе и оси системы и минимално на магнитной оси, где магнитное давление максимально. Известно^[8,47]. что магнитные ловушки с таким распределением давления устойчивы. Многочисленные наблюдения спокойного угасания шаровой молнии, вплоть до полного исчезновения, несомненно, свидетельствуют в пользу ее высокой устойчивости. В процессе диссипации магнитной энергии отношение давления плазмы к давлению магнитного поля возрастает и при некотором отношении в плазме могут развиться неустойчивости, которые приведут к разрушению магнитной ловушки и выбросу плазмы в атмосферу. Неблагоприятное распределение давления может возникнуть при попадании во внутрь шаровой молнии пылинок. В результате развития неустойчивости энергия шаровой молнии превращается в тепло окружающего газа, шаровая молния взрывается. Сила взрыва определяется полной энергией, запасенной в молнии в этот момент.

Согласно этой модели наблюдение шаровой молнии в ясную погоду не должно быть. Часть таких сообщений можно отнести к разряду ошибочных, поскольку разряды могут происходить из небольших туч на достаточно значительном расстоянии от наблюдателя, которые мог он не заметить.Однако полностью отрицать нет достаточных оснований В принципе, шаровая молния могла прийти из космоса .Единственно, что необходимо отметить, что при зарождении ее размеры должны быть огромными, так как время ее жизни пропорционально R².

 

§4.2 Электрические и магнитные явления, вызываемые шаровой

молнией

Согласно многочисленным сообщенниям наблюдателей шаровая молния часто исчезает около металлических предметов, иногда оставляя на них заметные следы оплавления. Способна вызвать значительные импульсы тока в проводниках. Однако в ряде случаев контакт шаровой молнии не приводит к каким-либо последствиям. Очевидно, что интенсивность и характер взаимодействия будут различными в зависимости от того разрушается или не разрушается при таком контакте термоизолирующая оболочка шаровой молниии, соприкасается ли при этом проводник с плазмой бессиловой области. Если в месте контакта водяная пленка внешней оболочки не разрушается и остается открытым в область контакта доступ паров воды, то тепловой поток на проводник будет незначительным и он может привести лищь к слабому нагреву места контакта. В этом случае в результате действия молекулярных сил притяжения и возможно также электрической силы, шаровая молния как бы приклеивается к проводнику и она не оставит после себя заметных последствий. В некоторых сообщениях подробно описывается процесс “разгорания” шаровой молнии, находящейся в контакте с металлическим предметом, и увеличением ее объема. Подобные эффекты будут наблюдатся при медленном увеличении теплообмена в области контакта. В этом случае в результате охлаждения электронов плазмы внешней оболочки интенсивность излчения в видимом спектре возрастает. Поскольку давление элетронов при этом уменьшается шаровая молния должна расширятся, чтобы сохранить равновесие. С увеличением объема, действующая на нее сила Архимеда также увеличивается и она может оторватся от предмета. При разрушении пленки поверхность проводника в месте контакта заменяет ее собой. Он заряжается до высокого потенциала электронами и затем подвергается бомбардировке ускоренными в слое ионами. При отсутствии доступа воды в эту область тяжелые комплексные ионы не образуются и вследствие этого поток ионов увеличивается. Вещество проводника распыляется и плавится в результате местного нагрева. Наиболее драматические последствия возникают, если проводник касается бессиловой области плазмоида В этом случае быстрое охлаждение плазмы сгустка приведет к увеличению скорости диссипации магнитного поля и, следовательно, к генерации индукционного электрического поля. Это поле может вызвать в проводнике значительный импульс тока. Очевидно, что во время взрыва шаровой молнии из-за кратковременности этого процесса индуцируется мощный электромагнитный импульс. Имеется достаточно много сообщений о перегоревщих предохранителях в приемниках, о появлении во время взрыва искр между антеннами и другими металлическими предметами. Некоторые наблюдатели сообщают о появлении искровых пробоев на значительно расстоянии от места взрыва. При соприкосновении с телом человека она может вызвать такие же болезненные ощущения, как и при поражении электрическим током.

Шаровая молния в устойчивом состоянии является источником шумового излучения. Имеется немало убедительных сообщений на эту тему. Приведем наиболее яркое сообщение В.И.Степанова

“…При входе шаровой молнии в комнату треск в телефоной трубке стал оглушительным и достиг своего апогея, при минимальном расстоянии до телефоного аппарата. Молния обошла весь вагончик по периметру на высоте 1м от пола и вышлав в ту же дверь, в которую вошла. При этом треск в телефоной трубке продолжался еще несколько секунд и плавно затух. Восстановилась тишина…”

Многие наблюдатели сообщают также, что от шаровой молнии исходит звуковое излучение в виде потрескивний и шипения. Наблюдаются светящиеся точки на поверхности щаровой молнии и испускание искр. Вот как подобное наблюдение описывает доктор физико-математических наук А.Митрофанов^[48]

«…Двигалась в полном безмолвии, как, впрочем, и пропала без всякого звука. Она была тусклая, я бы сказал, фонарномлечного цвета, примерно такого, как выглядит ртутная лампа низкого давления через пластинку матового цвета. Граница шара была не размытой. Какой-нибудь внутренней структуры рассмотреть не удалось, однако на фоне шара были заметны какие-то прыгающие светлые точки, довольно яркие, словно ночные бабочки у фонаря…»

Очевидно, что шумовое радиоизлучение светящиеся точки и искры являются следствием микропробоев на поверхности шаровой молнии. Как уже отмечалось, в двойном электрическом слое напряженность поля может достигать значений порядка 10⁷В/см. При такой напряженности электрического поля с поверхности вещества начинается взрывная эмиссия. Суть этого явления заключается в том, что вследствие шероховатости поверхности напряженность электрического поля вблизи микровыступов значительно выше и они становятся источником холодной эмиссии. Джоулев нагрев приводит к тепловому взрыву микровыступов и образованию плазмы. Выбросы горячей плазмы могут происходить в местах микроразрушений водяной пленки. В частности, пленку могут проколоть пылинки, случайно попадающих на ее поверхность. Микропробои сопровождаются шумовым радиоизлучением в широком диапозоне частот. Эти наблюдения являются косвенным подтверждением существования сильного электрического поля на границе шаровой молнии. Во влажном воздухе выбросы плазмы быстро «залечиваются» образованием в этих местах кластерной плазмы и водяной пленки.

Сообщений, указывающих на магнитные свойства шаровой молнии, относительно невелико. Однако имеется достаточно много наблюдений по намагничиванию металлических предметов, компасов и другой аппаратуры на кораблях и самолетах. Часть этих наблюдений можно связать с импульом тока, индуцируемого в этих предметах во время взрыва шаровой молнии. Полностью на этой основе эффект намагничивания магнитных материалов невозможно объяснить. Кроме того, такие сообщения как наблюдение связанных шаровых молний, соединенных невидимой или чуть светящей зернистой нитью, свидетельствуют в пользу существования у них общего потока магнитного поля. Имеются также сообщения прямо указывающие на наличие магнитного поля у шаровой мопнии. Вот как описывает подобное наблюдение школьница в сообщении, приведенном в ^[3]

«…Через форточку влетело облачко, кажется, голубовато-фиолетового цвета, приблизилось к столу, где лежали пособия, тут же поднялась и снова вылетело в форточку не разбив окна. И тут произошло чудо, которое останется у меня в памяти на всю жизнь. Когда облачко поднялось со стола, мы все увидели, как магниты, словно живые, поднялись и вылетели в форточку. Один подковообразный магнит пробил стенку железного бака, стоявшего на противоположной стороне железнодорожной линии, другой упал около линии и глубоко ушел в землю…»

Это сообщение первоначально вызывает ощущение недостоверности этого события. На первый взгляд, не ясно, каким образом легкая шаровая молния могла переместить на большое расстояние тяжелые магниты. Однако, если учесть что она обладает зарядом и что во время грозы напряженность электрического поля перед вспышкой линейной молнии может достигать величины порядка10⁴В/см^[12], которое на четыре порядка превышает среднюю напряженность электрического поля земли, то кажущееся противоречие с законом сохранения импульса снимается. Всплеск импульса напряжения перед последующим разрядом мог дать ту силу, которая переместила шаровую молнию с притянутыми к ней ее собственным магнитным полем твердыми магнитами.

 

§4.3 Движение шаровой молнии

 

Движение шаровой молнии часто подобно движению обособленного тела с плотностью вещества близкой к плотности воздуха. Оно имеет много общего с движением мыльных пузырей. Однако иногда она падает с высоты как тело с заметной массой. Может отскакивать от земли подобно мячику и перемещаться в направлении противоположном направлению ветра.

Вес собственного вещества шаровой молнии пренебрежительно мал и он полностью определяется весом водяной пленки. При перемещении молнии над сырым или сухим местом толщина ее пленки изменяется вследствие конденсации или испарения воды с ее поверхности. Соответственно, изменяется действующая на нее сила тяжести. Как и на мыльный пузырь действует выталкивающая сила Архимеда равная весу вытесненного воздуха

В отличие от мыльного пузыря она обладает зарядом и электрическим и магнитным моментами. Заряд у шаровой молнии связан с различной скоростью диффузии заряженных частиц. В центральной бессиловой области скорость диффузии ионов значительно больше электронной. В результате создается избыток отрицательного заряда. Во внешней области более подвижны электроны и возникает положительный заряд. Однако с учетом отрицательного заряда пленки полный заряд приблизительно равен нулю. Вследствие отличия формы от сферической, она обладает также и дипольным моментом. Электрическая сила, действующая на шаровую молнию, равна выражению F=qE+DgradE, где q-заряд шаровой молнии и D-ее дипольный момент. Магнитный момент определяется незамкнутым магнитным потоком в оболочке и сила, обусловленная магнитным моментом F₁=-MgradH, где M-магнитный момент шаровой молнии. В воздухе, не возмущенном никакими воздушными потоками, она движется под действием перечисленных выше сил.В зависимости от их соотношения траектории шаровой молнии могут сущестенно различатся. Как и на мыльный пузырь сильное влияние на ее движение оказывают воздушные потоки. Действующая н нее сила может изменится в течение времени наблюдения. При интенсивной конденсации паров воды в нижней части шаровой молнии возможно скопление жидкости в виде капли, под дополнительным весом которой молния будет падать на землю. При соприкосновении с землей капля стечет с нее и облегченная молния вновь взлетить. В дальнейшем процесс может повторится и в целом в этом случае ее движение бкдет сходно с движением резинового мячика упруго отражающегося от земли.

В силу аксиальной симметрии шаровой молнии магнитный и электрический моменты направлены вдоль ее оси. Поскольку во внешнем электрическом поле они ориентируются так, чтобы их оси совпадали направлением соответствующего поля, то ось шаровой молнии направлена вдоль результирующей силы. Действием электрического поля можно объяснить такие наблюдения как притяжение шаровой молнии к некоторым предметам, огибание заземленных проводников и, в частности, человека, гидирование ее движения проводниками идругие наблюдения. Очевидно что шаровая молния, несущая отрицательный заряд, притягиваетсяк положительно заряженным или к незаземленным, благодаря индуцировнию заряда, предметам. Поскольку земля заряжена отрицательно он отталкивается от нее и от от заземленных проводников. Известно, что поверхность проводника и земли являются эквипотенциальными поверхностями, поэтому на некоторой эквипотенциали электрическая сила, действующая на шаровую молнию, может уравновесится силой тяжести, в это случае она будет перемещатся вдоль этой поверхности. В частности, при движении вблизи земли она будет повторять, как эквипотенциальная поверхность рельеф местности и огибать человека.

Наибольшее удивление вызывает способность шаровой молнии проделывать отверстия в стеклах окон и проникать через них, или через имеющиеся малые отверстия и щели, в помещения. Причем, часто размеры этих отверстий много меньше самой шаровой молнии. Проходя через отверстие она сильно деформируется и как бы переливается через него. После прохождения она вновь востанавливает свою форму (Рис.5). В общем случае проникновение щаровой молнии в помещение связано с рядом причин. Во первых, во многих помещениях имеется электро и радиопроводка, вдоль которой часто перемещается молния. Во вторых, как правило, в помещниях имеются проводящие или магнтные материалы. В третьих, в результате разницы температур внутри и снаружи помещений создаются воздушные потоки в щелях, дымоходах и других отверстиях. Электрический заряд в изолированных от земли или диэлектричеих предметах может наводится самой шаровой молнией в результате поляризации вещетва в ее собсвенном поле. Вблизи диэлектрической поверхности, в частности, вблизи оконного стекла, в электрическо поле наведенного заряда,молния ориентируется так, ее ось ( вдоль которой направлен ее электрический момент) становится параллельной направлению электрического поля, совпадающего с направлением нормали к поверхности диэлектрика. Поэтому соприкасается она с диэлектриком частью поверхности в окрестноти ее полюса, где наиболее интенсивен поток электров. Именно здесь вдоль силовых линий магнитного поля уходят захваченнне частицы. Стекло в районе контакта в результате местного нагрева электронным и ионным потоками плавится и распыляется. В результате этого в стекле образуется отверстие, диаметр которого будет близок к диаметру перетяжки у полюса,уходящего н бесконечность магнитного потока. Под воздействием разности давлений внутри и вне помещения или под воздействием электрического поля плазма шаровой молнии вместе с “вмороженным” в нее магнитным полем перетекает через это отверстие. В процессе перетекания края отверстия по прежнему остаются частью двойного электрического слояи если доступ паров воды в эту область недостаточен, то края и дальше будут оплавлятся. Шаровая молния может полностью израсходовать всю свою энергию на плавление вещества. Эта точка зрения подверждается наблюдением и произведенными экспериментами, изложеннми в параграфе (4.1).

 

§4.4 Излучение шаровой молнии

 

Интенсивность излучения шаровой молнии в видимом спектре по оценкам лежит в диапозоне от нескольких до десятка ватт. Опытные данные о наличии у нее излучения в ультрафиолетовой и рентгеновской областях спектра отсутствуют. Однако наблюдение голубого ореола у шаровой молнии, симптомы болезни людей, пострадавших от шаровой молнии, схожих с теми какие бывают при сильно радиоактивном облучении, являются косвенными признаками присутствия в ее спектре этого излучения и достаточно значительной интенсивности. Основной вклад в видиую область спектра излучения дает неизотермическая плазма во внешней оболочке, обладающая более высокой плотностью и более низкой температурой по сравнению с этими же параметрами плазмы бессиловой области.

Очевидно, что нагрев электронов внешней оболочки происходит в резкльтате поглощения циклотронного излучения из центральной области плазмоида. Полная интенсивность этого излучения без учета поглощения в плазме бессиловой области и неоднородности магнитного поля при плотности энергии шаровой молнии порядка 10Дж/см³, N_eT_e≈1Дж/см³ и R=10см порядка 40кВт. Излучаемая энергия очень велика. Если в плазме оболочки выполняется условие ω_pe>>ω>>1/τ излучение на этих частотах скинируется на расстоянии равном c/ω_pe и значительная часть излучения отражается от слоя. Лишь малая доля его поглощается электронами неизотермической плазмы. Поскольку температура плазмы в бессиловой области велика и магнитное поле неоднородно, то спектр излучения близок к непрерывному с достаточно большой шириной, содержащем до десятка гармоник циклотронной частоты. Коэффициент поглощения плазмой центральной области относительно невелик, поэтому при наличии отражения на границе области плотность энергии циклотронного излучения будет высокой. Давление электронов в неизотермической плазме не может превышать значения E_n²/8π, где E_n-предельная напряженность электрического поля в слое. С другой стороны плотность плазмы не может быть меньше определяемой равенством плазменной частоты высшей границе циклотронного спектра. В противном случае прозрачность оболочки для циклотронного спектра приведет к быстрой диссипации магнитной энергии и уменьшению напряженности магнитного поля. По грубой оценке при H²/8π~4Дж/см³ плотность плазмы N_e~5 10¹⁵см^-3, что соответствует T_e~8кэВ

Для этих параметров интенсивность излучения в видимом спектре ~4ватт, если предположить, что плазма оболочки состоит 2/3 ионов водорода 1/3 ионов кислорода. Температура плазмы в оболочке и ее плотность могут изменятся в достаточно широких пределах в зависимости от интенсивности циклотронного излучения. Поэтому световой поток и цвет могут существенно различаться в разных конкретных условиях. Шаровая молния прозрачна для светового излучения. Имеются сообщения очевидцев, что сквозь шаровую молнию можно рассматривать окружающие предметы.

Эшергия, передаваемая электронами ионам в оболочке, также изменяется в зависимости от состояния шаровой молнии. Часто по многим сообщениям наблюдтелей шаровая молния не излучает тепла. Однако в других сообщениях отмечается, что поверхность шаровой молнии напоминала кипящую жидкость или что капли дождя испарялись с ее поверхности. Очевидно, что в этих случаях температура пленки изменялась от комнатной до 100^оС.

Достаточно часто наблюдатели не могут приписать шаровой молнии определенный цвет, сообщают о нескольких световых оттенках. Имеются также сообщения о «экзотических»» черных шаровых молниях. Очевидно, что в основе этих наблюдений лежат те же физические причины, которык вызывают различные цветовые явления (игра красок) в экспериментах с мыльными пузырями^[49]. Многообразие расцветок последних обусловлена интерференцией световых лучей, отражнных от границ воздух--пленка и пленка-воздух. В зависимпсти от разности фаз этих лучей происходит усиление света определенной длины волны или гашение, вызывая тем самым игру красок на поверхности мыльного пузыря при изменеиии угла наблюдения. Подобные эффекты происходят при отражении световых лучей от границ воздух – водяная пленка и водяная пленка-воздух, а условиях, когда интенсивность собственного излучения шаровой молнии меньше интенсивности падающего на нее излучения от внешних источников и не мешает наблюдению. Если толщина пленки много меньше длины волны световых лучей, то они отражаются от нее со сдвигом фаз равным 180^о. В результате интерференции такие лучи гасят друг друга и шаровая молния окрашивается в черный цвет.

Значительную часть своей энергии шаровая молния теряет в виде тормозного излучения. Поскольку температура и объем плазмы в бессиловой области значительно выше этих параметров плазмы в оболочке, то она и дает основной вклад в это излучение. Интенсивность излучения азотной плазмы с предельной плотностью N~10¹⁴см^-3 и T~10^9oK приближено равна 0,3Вт/см³ и она является мощным источником рентгеновского излучения. Вывод, который можно сделать на основании некоторых сообщений, что нахождение заземленного человека на небольшом расстоянии от шаровой молнии не представляет для него опасности, является глубоко ошибочным. На самом деле это чревато сильным радиоактивным облучением и опасно для жизни.

Очевидно, что электроны, преодолевшие потенциальный барьер в двойном электрическом слое, ответственны за фиолетовое свечение в воздухе, наблюдаемое за центральной областью шаровой молнии. Следующую оболочку с голубым свечением разумно связать с поглощением в воздухе ультрафиолетового и рентгеновского излучений. Эти оболочки достаточно точно описаны и охарактеризованы в приведенном в первой главе сообщении М.Т. Дмитриева.

 

§4.5 О возможности экспериментального воспроизводства шаровой

молнии

 

Возможность на основе представленной модели дать удовлетворительное описание, практически, всех наблюдений появления шаровой молнии в естественных условиях дает надежду на скорое лабораторное ее воспроизводство. Интерес к этому связан в большой степени с возможностью использования ее ловушки в термоядерныж целях.

Наиболее перспективным направлением такого поиска является использование процесса слияния магнитных конфигураций, образуемых в перетяжках z-пинча при высоком давлении рабочего газа. Камера представляет собой некоторый объем, заполняемой рабочим газом. В камере расположены два пинчевых диска, к которым подведены две конденсаторные батареи, одна из которых подключена к электродам. Предварительный пробой рабочего газа осуществляется с помощью лазерного луча с относительно малой энергией в импульсе, но с большой мощностью. После окончания процесса формирования проводящего канала к камере подключается основная батарея, которая формирует сильноточный сжимающий разряд.Токи в батареях порядка 100кА. В установке должна предусмотрена система напуска паров воды с необходимой временной задержкой. Управляемое стимулирование перетяжечной неустойчивости позволит изучить процесс слияния магнитных конфигураций и, в принципе, решить вопрос геперации шаровых молний с произвольной энергией. Напуск термоядерного сырья позволит сделать заключение о пригодности ловушки шаровой молнии для решения термоядерных задач.

 

Заключение

 

Педставленая теория происхождения шаровой молнии и ее физической природы находится в удовлетворительном качественном и количественном соглассии с многочисленными описаниями и оценками наблюдателей и позволяет сделать вывод, что шаровая молния представляет собой единое физическое явление.

В основе модели шаровой молнии лежит теоретически предсказанная бессиловая

магнитная конфигурация – сферомак. Зарождается она в канале линейной молнии при повторных разрядах в местах развития на нем неустойчивости типа перетяжек. Затравочным полоидальным магнитным полем служит слабое магнитное поле Земли. В процессе сжатия токовой оболочки полоидальное магнитное поле возрастает и становится сравнивым с азимутальным магнитным полем пинча. В результате перезамыкания силовых линий полоидального магнитного поля в области перетяжек образуются бессиловые магнитные конфигурации с замкнутым магнитным полем, которые и являются основой шаровой молнии. В зависимости от числа слившихся бессиловых ячеек энергия и размеры шаровой молнии могут изменяться в достаточно широких пределах. В итоге в центральной области шаровой молнии силовые линии магнитного поля замкнуты и его распределение подобно распределению бессилового магнитного поля сплюснутого эллипсоида вращения. Во внешней области, за сепаратрисой, силовые линии магнитного поля незамкнуты и уходят в бесконечность. Основная энергия в ней запасена в виде энергии магнитного поля. В результате джоулевой диссипации магнитная энергия превращается в тепло и тем самым восполняются потери энергии плазмой на излучение, а также в результате теплопроводности. При малой плотности плазмы и высокой электронной температуре она может существовать в этом состоянии достаточно длительное время.

В воздухе за сепаратрисой расположена тонкаяя оболочка нгеизотермической плазмы. В ней по внутренней к сепаратрисе поверхности протекает диамагнитный ток, экранирующий ее от магнитного поля плазмоида. На внешней поверзности оболочки неизотермической плазмы возникает двойной электрический слой, являющийся потенцильным барьером для электронов. В результате интенсивной конденсации паров воды на положительных и отрицательных ионах в воздухе на границе двойного слоя образуется водяная пленка. Полярные молекулы воды играют также важную роль в образоании кластерной плазмы вблизи поверхности пленки. В результате этого существенно снижается величин и энергия потока ионов в двойном электрическом слое. Кроме того, неизотермическая плазма оболочки служит отражательным экраном для интенсивного циклотронног излучения электроно плазмы центральной бессиловой области. В целом, внешняя оболочка шаровой молнии является эффективным тепловым и магнитным экраном.

Вес шаровой молнии приближено равен весу водяной пленки. Время ее жизни определяется временем джоулевой диссипации магнитной энергии и достигает десятка секунд при электронной температуре порядка 100кэВ. В общем случае она обладает зарядом, электрическим и магнитным моментами. Перемещается она под действием силы тяжести, воздушных потоков и электромагнитных сил.

 

Плотность энергии в ней может достигать значений ~10Дж/см³ и определяется электростатическим давлением в двойном элетрическом слое и давлением окружающего газа. В случае бессилового удержания плазмы плотность ее N≤10¹⁴ cм^-3

Шаровая молния – это яркое свидельство о возможности длительного удержания высокотемпературной плазмы в бессиловой магнитной ловушке. Она может быть использована в качестве источника интенсивного рентгеновского излучения.

В работе кратко рассмотрена возможность лабораторного воспроизводства шаровой молнии. Практическое осуществление этого процесса представляет интерес для общей проблемы термоядерного синтез.

При встрече с шаровой молнией необходимо помнить, что она обходит заземленного человека. Может перемещаться воздушными потоками. Нельзя касатся ее руками или проводящими предметами. Нахождение на небольшом расстоянии от нее опасно для здоровья. Невыполнение этих условий может привести к тяжелым поражениям током и к сильному рентгеновскому облучению.

 

 

Рис.1.

Рис.2

 

 

 

Рис.3.

Рис.4

Рис.5.

Подписи к рисункам

Рис.1. Последовательные стадии нелинейного развития перетяжечной неустойчивости.

а) Развитие перетяжек на плазменном шнуре; Iz-продольный ток; Hφ,Hp-азимутальное и полоидльноеи магнитные поля,соответственно; v-скорость плазмы;стрелками указано

направление вытекания;

б) Перезамыкание противоположно направленных силовых линий полоидального магнитного поля; P-области перезамыкания;

в) Ячейки с замкнутыми магнитными полями.

 

Рис.2. Качественное поведение электрического поля, тока и радиальной ионной скорости позади фронта отраженной ударной волны в плзменном фокусе для случая, когда электронный ток проводиости превышает ионный ток.

 

Рис.3. Слияние бессиловых конфигураций магнитного поля.

а) первоначальная цепочка бессиловых магнитных конфигураций;

б) перезамыкание силовых линий полоидального магнитного поля;

в) конечная равновесная конфигурация магнитного поля.

 

Рис.4. Общий вид шаровой молнии.

1-горловина внешнего магнитного поля; 2-водяная пленка; 3-двойной электрический слой; 4-оболочка неизотермичекой плазмы; 5-переходной токовый слой; 6-сепаратриса; 7- область бессилового магнитного поля.

 

Рис.5.Последовательные стадии проникновения шаровой молнии через оконное стекло.

 

Литература

1.Сингер С. Природа шаровой мошнии. Перевод с английского. Москва, “Мир”, 1970.

2.Леонов Р. Звгадка шаровой молнии. Изд-во ”Наука”, М.,1965.

3.Имянитов И., Тихий Д. За гранью законов науки. Атомиздат, Москва, 1980.

4.Стаханов И.П. О физической природе шаровой молнии. Энергоатомиздат. М., 1985.

5.Смирнов Б.М. Проблема шаровой молнии. Москва, ”Наукв”, 1988.

6. Дмитриев М,Т. Природа шаровой молнии. Природа 6, стр.98, 1967.

7. Телетов Г.С. Шаровая молния. Природа 9, стр.84, 1966.

8. Арцимович Л.А. Управляемые термоядерные реакции. ГИФМЛ, Москва, 1961.

9. Шафранов В.Д. Равновесие плазмы в магнитном поле. Вопросы теории плазмы. Госатомиздат, стр. 92, 1963.

10. Rosenbluth M.N.,Bussac M.N. Nuclear Fus. v.19, №4, 1979.

11. Фейнман Р.,Лейтон Р., Сэнде М. Фейнмановские лекции по физике. Т.5, Изд-во «Мир», Москва,1977.

12.Лозанский Э.Д., Фирсов О.Б. Теория искры. Атомиздат, Москва, 1975.

13. Вильямс Э.Р. В мире науки. №1,1989.

14. Зельдович Я.Б., Райзер Ю.П. Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинмических течений. Изд-во «Наука»,Москва, 1966.

15.Кадомцев Б.Б. Гидромагнитная неустойчивость плазмы. Вопросы теории плзмы. Вып.2, Госатомиздат, Москва, 1963.

16. Бурцев В.А., Грибков В.А.. Филиппова Т.И. Высокотемпературные пинчевые образования. Итоги науки и техники. Фмзика плазмы. Т.2, стр.80,ВИМИТИ, АнСССР, Мосува, 1981.

17.Белов К.П.,Бочкарев Н.Г. Магнетизм н земле и в космосмосе.Изд-во «Наука», 1981.

18.Вихрев В.В.,Брагинский Н.Г. Динамика z-пинча. Вопросы теории плазмы. Вып.10, Атомиздат, Москва,1980.

19. Дьяченко В.Ф.,Имшеник В.С. Двумерная мгнитогидродинмическая модель плзменного фокуса z-пинча. Вопросы теории плзмы Вып.8,Атомиздат, М.,1974.

20.Вихрев В.В. Физика плазмы,т.12, вып.4, 1986.

21. Трубников Б.А. Физика плазмы, т.12, вып.4, 1986.

22. Жуков Ю.Н., Марколия А.И., Попов А.Ф., Чачаков А.Ф.ЖТФ т.71, стр.32, 2001.

23.Брагинский С.И. Явления переноса в плазме. Вопросы теории плазмы. Вып.1, Атомиздат, Москва, 1963.

24.Сомон Д. Кумулятивные процессы, автомодельные решения в газодинамике. Физика высоких плоностей энергии. Изд-во «Мир», М 1974.

25. Анисимов С.И. и др. Письма в ЖЭТФ,т.41,вып.5,1985.

26.Herziger G. «16 Int.Соnf.Phen. Ionized Gases», Дisseldorf, pp259-264, 1983.

27.Альфвен Х. Космическая плазма. Москва, Изл-во «Мир», 1983.

28. Herold H, et. al. «10^th Int. Conf.on Plasma Phis. and Cjntr.Nucl. Fuss.Pesearch” ,London, 2, 597, 1984.

29.Бенфорд Ф. Бук Д.Л. Равновесие релятивисткого пучка. Достижения физики плазмы

Изд-во “Мир”, Москва, 1974.

30.Франк-Каменецкий Д.А.Лекции пофизике плазмы. Атомиздат, Москва, 1964.

31. Пикельнер С.Б. Основы классической электродинамики. Изд-во “Наука”, Москва,1966.

32.   Katsurai M., Yamada M. Nuclear Fussion v.22, .№11, 1982.

33.   Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Электродинамика сплошных сред. ГИТТЛ, Москва, 1967.

34.   Моффат Г. Возбуждение магнитного поля в проводящей среде. М, Изд-во «Мир»,

1980.

35.Васецкий и др. ДАН УССР, серия А, №12, 1984.

36 Кадомцев Б.Б.УФН т.151, вып.1,1987.

37 Reiman A.Phys.Fluids v.25, pp 1882,1985.

38.Захаров Л.Е., Шафранов В.Д. Равновесие плазмы с током в тороидальных системах. Вопросы теории плазмы. Вып.11, стр.118, М.,Энергоиздат,1982.

39.Bert. H., Hammer J.H.and et.al. Phys.Fluids v.24, pp. 1758,1981.

40.Hunming Wu andYunming Chen. Phys.Fluids B, v.1, pp. 1753,1989.

41. Кадомцев Б.Б. Турбулентность плазмы. Вопросы теории плазмы. Вып.4, Москва, Госатомиздат, 1964.

42.Чен Ф. Электрические зонды. Диагностика плазмы. Изд-во “Мир”, Москва, 1967.

43..Барнет К.,Харрисон М. Прикладная физика атомных столкновений. Плазма. Атомиздат, Москва, 1987.

44. Капица П.Л. ЖЭТФ, т.57,стр.1801, 1969.

45. Куриленков Ю.К., Протасевич Е.Т. Письма в ЖТФ, т.15,в.14,1989.

46. Трубников Б.А.Универсальный коэффициент выхода циклотронного излучения из плазменных конфигураций. Вопросы теории плазмы. Вып.7,Атомиздат,Москва,1973.

47.Синельников К.Д.,Руткевич Б.И. Лекции по физике плазмы.Изд-во ХГУ,Харьков, 1964.

48. Митрофанов А. Техника молодежи, №7,1982.

49. Гегузин Я.Е. Пузыри. Изд-во “Наука”, Москва,1985.

 

Оглавление.

Предисловие………………………………………………………………………………. 1

Глава 1. Общие сведения. Постановка задачи…………………………………………. 1

§1.1. Образ шаровой молнии и условия ее зарождения…………………………… 1

§1.2. Электрические и магнитные явления в атмосфере………………………….. 4 

Глава 2. Физические процессы в перетяжках пинча и бессиловые магнитные поля….. 9

§2.1. Состояние исследований импульсных сильноточных разрядов……………. 9

§2.2. Кумулятивные процессы в z-пинчах…………………………………………. 10

§2.3. Физические процессы в заключительной стадии плазменного фокуса………11

§2.4. Усиление продольного магнитного поля в перетяжке пинча…………………14

§2.5. Бессиловые еонфигурации магнитного поля………………………………… 16

§2.6. Слияние бессиловых магнитных конфмгураций……………………………. 18

Глава 3. Автономные высокотемпературные сгустки плазмы и вопросы их

термоизоляции………………………………………………………………….. 22

§3.1. Постановка задачи. Исходные уравнения……………………………………. 22

§3.2. Автономные системы…………………………………………………………...23

§3.3. Равновесные конфигурации в плазме с конечным давлением…………… 25

§3.4. Термоизоляция высокотемпературного сгустка плазмы двойным

электрическим слоем……………………………………………………………26

§3.5. Излучение высокотемпературной плазмы…………………………………….29

Глава 4 Шаровая молния в наблюдениях и в теории…………………………………. 31

§4.1. Условия зарождения и основные параметры шаровой молнии…………….. 31

§4.2. Электрические и магнитные явления, вызываемые шаровой молнией……. 34

§4.3. Движение шаровой молнии……………………………………………………..36

§4.4. Излучение шаровой молнии…………………………………………………….38

§4.5. О возможности экспериментального воспроизводства шаровой молнии… 39

Заключение…………………………………………………………………………..40

Рисунки……………………………………………………………………………….

Подписи к рисункам……………………………………………………………….

Литература………………………………………………………………………….