Страница 146 из 176
Источники информации:
1. Л.В. Тарасов. Физика в природе. — М: «Просвещение», 1988.
2. Д.Л. Франк-Каменецкий. Плазма — четвертое состояние вещества. — М: Атомиздат, 1968.
3. Физический энциклопедический словарь. / Под ред. А.М. Прохорова. — М: «Советская энциклопедия», 1983.
4. И.П. Стаханов. Физическая природа шаровой молнии. — М: Атомиздат, 1979.
5. И.М. Имянитов, Д.Я. Тихий. За гранью закона. — Л: Гидрометеоиздат, 1967.
6. И.Д. Артамонов. Иллюзия зрения. — М: Наука, 1969.
7. И.К. Кикоин. Опыты в домашней лаборатории. Библиотечка «Квант», вып. 4. — М: Наука, 1981.
ЭЛЕКТРОННО-ИОННАЯ МОДЕЛЬ ШАРОВОЙ МОЛНИИ
С.Г.Федосин, А.С.Ким
Введение
Практически неослабевающий интерес к шаровой молнии (ШМ) обусловлен по-видимому тем, что до сих пор не существует какой-то одной общепринятой модели их внутреннего строения. Точно также нет и экспериментальной техники, которая позволяла бы в любой момент времени создавать искусственные ШМ, не отличающиеся по своим свойствам от природных аналогов. Время жизни наблюдаемых ШМ достигает десятков секунд и учитывая их внезапное появление слишком мало для детального исследования. Отсюда основным источником информации об ШМ становятся последствия их взаимодействия с окружающими предметами. Некоторые примеры из [1–2] повреждения предметов после контакта с ШМ позволяют сделать оценки внутренней энергии, содержащейся в ШМ. В работах [3–5] представлены результаты экспериментов, в которых создавались светящиеся плазменные образования, напоминающие по форме ШМ. Здесь же имеются описания различных аварийных ситуаций, при которых спонтанно возникали ШМ. Как следует из опыта контактов с ШМ, они обычно образуются вблизи источников сильных электромагнитных разрядов — при ударе молнии, при замыкании-размыкании высоковольтного или сильноточного электрооборудования, при высокочастотных импульсах мощных генераторов. Представляемая далее электронно-ионная модель ШМ имеет ту особенность, что в ШМ протекают токи значительной величины, а сама модель допускает экспериментальную проверку.
Схема образования и структура шаровой молнии
Если не учитывать появление ШМ при срабатывании мощного электрооборудования постоянного или переменного тока, то практически во всех остальных случаях ШМ наблюдается в связи с обычными линейными молниями или просто в облачно-грозовую погоду. В рамках электронно-ионной модели природная ШМ может быть непосредственным следствием линейной молнии, когда грозовая туча разряжается на землю, передавая ей своё отрицательное электричество (или при разряде соседних облаков). На рис. 1а показаны вторичные ветви и основной канал молнии, наполненные соответственно покоящимися и движущимися электронами. Быстрое движение электронов и основная вспышка молнии начинаются после соединения основного канала с землей; таким образом, светящаяся часть молнии растёт от Земли к туче. Электроны, находящиеся во вторичных ветвях, также движутся к основному каналу и ссыпаются через него на землю. При этом возможен почти замкнутый контур электронного тока (рис. 1б), когда в его центре появляется магнитное поле с индукцией В. В наэлектризованном воздухе вокруг молнии находится много положительных ионов, которые начинают закручиваться вокруг силовых линий магнитного поля и тем самым фиксируются в центре. В свою очередь ток электронов из канала 2 может перескочить на ветвь 1 через область 3, образуя далее замкнутый ток. Необходимым условием для этого должна быть сила, удерживающая электроны на замкнутой орбите. При достаточном количестве положительных ионов в центре они могут притягивать к себе электроны и тем самым обеспечить их устойчивое вращение.
Рис. 1.
a) 1 — вторичные ветви молнии, 2 — основной канал, в котором движутся электроны (обозначены — q).
b) Движение электронов из вторичной ветви 1 в основной канал 2 молнии может быть замкнуто через область 3. В — индукция магнитного поля от тока электронов. Ионы с зарядом +q вращаются вдоль линий магнитного поля
Исходя из данной картины, на рис. 2 представлено экваториальное сечение модели ШМ в виде осесимметричной конфигурации со сферическим электронным током. Положительные ионы находятся при атмосферном давлении в очень горячем воздухе внутри ШМ, оставшемся после удара линейной молнии. Быстродвижущиеся во внешней оболочке электроны генерируют магнитное поле с индукцией В, которое удерживает положительные ионы на орбитах во внутренней оболочке. Наконец, электрическое притяжение положительных ионов и отрицательно заряженных электронов удерживает электроны во внешней оболочке от разлёта, являясь основной частью центростремительной силы. Исходя из сферической формы ШМ радиус вращения г внешнего электронного облака вокруг общей оси уменьшается по мере перехода от экватора к полюсам. Данная относительно устойчивая конфигурация позволяет объяснить наблюдаемое время жизни ШМ, существенно превышающее время жизни однородной ионно-электронной плазмы при атмосферном давлении. Электронная оболочка эффективно изолирует нагретый до высокой температуры воздух внутри ШМ, замедляя перенос энергии в окружающую среду. Положительные ионы внутри ШМ практически не притягиваются электронами из внешней оболочки, так как электрическое поле от электронов внутри сферы равно нулю из-за уравновешивания всех электрических сил. Поэтому ионы могут распределяться равномерно по всему объёму ШМ, а рекомбинация ионов и электронов существенно замедляется.
Рис. 2. Экваториальное сечение модели шаровой молнии, выделяющее кольцо на электронной оболочке сфероидальной формы.
R — радиус вращения ионов вокруг магнитного поля с индукцией В, r — радиус внешней электронной оболочки
Как видно из рис. 1b, ШМ фактически есть небольшой кусок линейной молнии, закрученный в клубок с характерным размером 10–40 см. Соответственно в обоих типах молний токи и магнитные поля могут быть близки по величине. По данным из [1–3], характерные параметры линейной молнии таковы: сечение основного канала около 10-2 м2; токи в главном разряде от 104 А и вплоть до 5∙105 А; за время короткого разряда порядка 10-3 с может быть перенесено 20 кулон электричества; температура воздуха в канале молнии достигает 25000 К; концентрация электронов в канале линейной молнии до 4∙1018 в 1 см3; скорости теплового движения у ионов не менее 104 м/с, у электронов более 106 м/с.
Вероятность наблюдения ШМ невелика и по статистике одна замеченная ШМ приходится на 1000 обычных молний.
Оценим параметры самых мощных ШМ с помощью данных о линейных молниях. Вблизи основного канала молнии при токе IM = 2∙105 A и радиусе RM = 0.1 м индукция магнитного поля достигает величины:
B = μμ0IM/2πRM ~= 0.4 T
Если электрон вращается в таком магнитном поле с радиусом орбиты, то его скорость должна быть меньше скорости света:
v = Bqre/m < c, re < mc/Bq = 8∙10-3 м