Размещено на http://www.allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОПИСАНИЕ ЯВЛЕНИЯ ШМ

1.1 Понятие явления ШМ

1.2 Гипотезы природы шаровой молнии

ГЛАВА 2. ФИЗИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ШМ

2.1 Условия формирования шаровой молнии

2.2 Основные параметры ШМ

2.2 Электронно-ионная модель шаровой молнии

ГЛАВА 3 ИТОГИ ОБРАБОТКИ НАБЛЮДЕНИЙ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ВВЕДЕНИЕ

Шаровая молния (ШМ) - одно из наиболее таинственных и неисследованных явлений природы. Шаровая молния абсолютно не похожа на обычную (линейную) молнию ни по своему виду, ни по тому, как она себя ведет. Обычная молния кратковременна, ШМ живет десятки секунд, минуты. Обычная молния сопровождается громом, шаровая - почти бесшумна, в поведении ее много непредсказуемого. Высокая плотность энергии, сохранение постоянного объема, левитация и продолжительное время жизни ШМ до сих пор не получили исчерпывающего объяснения, что делает изучение данного феномена актуальной и приоритетной задачей современной экспериментальной физики.[1,2]

Шаровая молния задает нам множество загадок, вопросов, на которые нет ясного ответа. В настоящее время можно лишь предполагать, делать гипотезы. Поскольку до сих пор нет указаний на то, что явление ШМ удалось убедительно воспроизвести в лабораторных условиях, она не поддается систематическому изучению. Единственным методом изучения шаровой молнии является систематизация и анализ случайных наблюдений.

Существует масса разнообразных теорий о происхождении и существовании шаровых молний. Время от времени в лабораторных условиях получается создать объекты, по виду и свойствам похожие на шаровые молнии -- плазмоиды. Тем не менее, стройной картины и логичного объяснения этому явлению никто до сих пор предоставить так и не смог.

Наиболее известной и разработанной раньше остальных является теория академика Петра Леонидовича Капицы, которая объясняет появление шаровой молнии и ее некоторые особенности возникновением коротковолновых электромагнитных колебаний в пространстве между грозовыми тучами и земной поверхностью. Однако Петру Леонидовичу так и не удалось объяснить природу тех самых коротковолновых колебаний. Так же его теория не может объяснить явление шаровой молнии в ясную погоду. Тем не менее, большинство других теорий основано на выводах академика Петра Леонидовича Капицы.

Отличные от теории Петра Леонидовича гипотеза была создана Б. М. Смирновым, утверждающим, что ядро шаровой молнии -- это ячеистая структура, обладающая прочным каркасом при малом весе, причем каркас создан из плазменных нитей.

Для современной физики шаровая молния по-прежнему продолжает оставаться загадкой. Может поэтому вокруг нее появляется столько мистических теорий.

Страх человека чаще всего исходит от незнания. Мало кто боится обычной молнии -- искрового электрического разряда -- и все знают, как вести себя во время грозы. Но что такое шаровая молния, опасна ли она, и что делать, если вы столкнулись с этим явлением.

Однако на эти вопросы нет однозначного ответа, поэтому в данной работе будет рассмотрено несколько теорий, с помощью которых мы попытаемся ответить на выше перечисленные вопросы, волнующие каждого человека. ШМ остается крайне малоизученным явлением, предоставляя широкое поле для исследовательской деятельности.

Целью данной курсовой работы является изучить и систематизировать знания по теме «Физика шаровой молнии». Для достижения заданной цели были поставлены следующие задачи:

1. Проанализировать литературные источники.

2. Изучить явление шаровая молния.

3. Сопоставить свойства реальной шаровой молнии с рассматриваемой теоретической моделью.

ГЛАВА 1. ОПИСАНИЕ ЯВЛЕНИЯ ШАРОВОЙ МОЛНИИ

1.1 Понятие шаровой молнии

Уже из самого названия следует, что эта молния имеет форму шара. Строго говоря, ее форма всего лишь близка к шару; молния может вытягиваться, принимая форму эллипсоида или груши, ее поверхность может колыхаться. Будем считать, что шаровая молния - это шар или почти шар. Он светится - иногда тускло, а иногда достаточно ярко. Яркость света шаровой молнии сравнивают с яркостью света 100 Вт лампочки. Чаще всего шаровая молния имеет желтый, оранжевый или красноватый цвет. Перед угасанием молнии внутри нее могут возникать темные области в виде пятен, каналов, нитей. В отдельных случаях на поверхности молнии начинают плясать язычки пламени, из нее выбрасываются снопы искр. Диаметр шаровых молний находится в диапазоне от долей см до нескольких м. Чаще всего встречаются молнии диаметром 15...30 см. Обычно шаровая молния движется бесшумно. Но может издавать шипение или жужжание - особенно когда она искрит.

Шаровая молния может двигаться по весьма причудливой траектории. Вместе с тем ее движение обнаруживается определенные закономерности. Во-первых, возникнув вверху, в тучах, она опускается поближе к поверхности земли. Во-вторых, оказавшись у поверхности земли, она движется далее почти горизонтально, обычно повторяя рельеф местности. ШМ обходит, огибает проводящие ток объекты и людей, но стремится попасть внутрь построек. Вызывает удивление способность ШМ проникать в помещение сквозь щели и отверстия, размеры которых много меньше размеров самой молнии. Так, молния диаметром 40 см может пройти сквозь отверстие диаметром всего в несколько мм. Проходя сквозь малое отверстие, молния очень сильно деформируется, ее вещество как бы переливается через отверстие. Еще более удивительна способность молнии, после прохождения сквозь отверстие, восстанавливать свою шаровую форму. Живет шаровая молния примерно от 10 с до 1 мин. Меньше живут очень маленькие молнии (диаметром () порядка см и меньше) и очень большие ( около м и больше). Наиболее долго живут молнии диаметром 10...40 см. Чаще всего (в 55% случаев) молния взрывается. В 30% случаев молния спокойно угасает. Маленькие молнии обычно угасают, а большие, в большинстве случаев, распадаются на части.[1]

Из вышесказанного следует, что шаровая молния - это одиночная ярко светящаяся относительно стабильная небольшая масса, которая наблюдается в атмосфере, плавающая в воздухе и перемещающаяся вместе с потоками воздуха, содержащая в своем теле большую энергию.

1.2 Гипотезы природы ШМ

Все гипотезы, касающиеся физической природы шаровой молнии можно разделить на две группы. В одну группу входят гипотезы, согласно которым шаровая молния непрерывно получает энергию извне. Предполагается, что молния получает энергию, накапливающуюся в облаках и тучах, причем тепловыделение в самом канале оказывается незначительным, так что вся передаваемая энергия сосредотачивается в объеме шаровой молнии, вызывая его свечение. К другой группе относятся гипотезы, согласно которым шаровая молния становится самостоятельно существующим объектом. Этот объект состоит из вещества, внутри которого происходят процессы, приводящие к выделению энергии.

Среди гипотез первой группы отметим гипотезу, предложенную в 1965 году академиком Петром Леонидовичем Капицей. Он подсчитал, что собственных запасов энергии шаровой молнии должно хватить на ее существование в течение сотых долей секунды. В природе, как известно, она существует гораздо дольше и нередко заканчивает свое существование взрывом. Возникает вопрос, откуда энергия?

Поиск решения привел Петра Леонидовича к выводу, что «если в природе не существует источников энергии, еще нам неизвестных, то на основании закона сохранения энергии приходится принять, что во время свечения к шаровой молнии непрерывно подводится энергия, и мы вынуждены искать источник вне объема шаровой молнии». Академик теоретически показал, что шаровая молния представляет собой высокотемпературную плазму, существующую довольно длительное время за счет резонансного поглощения или интенсивного поступления энергии в виде радиоволнового излучения.[6]

Он высказал мысль, что искусственная шаровая молния может быть создана с помощью мощного потока радиоволн, сфокусированного в ограниченную область пространства.

Но, несмотря на многие привлекательные стороны данной гипотезы, она все же представляется несостоятельной: не объясняет характера перемещения шаровой молнии, зависимости ее поведения от воздушных потоков; в рамках данной гипотезы трудно объяснить хорошо наблюдаемую четкую поверхность молнии; взрыв такой шаровой молнии не должен сопровождаться выделением энергии и напоминает громкий хлопок.

И все же большинство ученых отдают предпочтение гипотезам второй группы.

Одна из них предполагает химическую природу шаровой молнии. Первым ее предложил Доминик Араго. А в середине 70-х годов ее детально разрабатывал Б.М.Смирнов. Предполагается, что шаровая молния состоит из обычного воздуха (имеющего температуру примерно на 100? выше температуры окружающей атмосферы), небольшой примеси озона и оксидов азота и . Принципиально важную роль здесь играет озон, образующийся при разряде обычной молнии; его концентрация около 3%. Внутри шаровой молнии происходят химические реакции. Они сопровождаются выделением энергии. При этом в объеме диаметром 20 см выделяется примерно 1 кДж энергии. Это мало, согласно подсчетам, запас энергии шаровой молнии таких размеров должен составлять примерно 1000 кДж. Недостатком рассматриваемой физической модели является также невозможность объяснения устойчивой формы шаровой молнии, существование поверхностного натяжения.[8]

В поисках ответа была разработана новая физическая теория. Согласно этой гипотезе шаровая молния состоит из положительных и отрицательных ионов. Ионы образуются за счет энергии разряда обычной линейной молнии. Затраченная на их образование энергия и определяет запас энергии шаровой молнии. Она высвобождается при рекомбинации ионов. Благодаря электростатическим (кулоновским) силам, действующим между ионами, объем, заполненный ионами, будет обладать поверхностным натяжением, что и определяет устойчивую шаровую форму молнии.

У рассматриваемой модели шаровой молнии есть одно уязвимое место. Дело в том, что если положительные и отрицательные ионы будут «перемешаны» по объему молнии, то они будут очень быстро рекомбинировать - за время порядка всего Следовательно, такая шаровая молния не может существовать в течение секунды, и не говоря уж о минутах. Таким образом, необходимо существенно задержать процесс рекомбинации ионов. Как это сделать?

Ответ дает кластерная гипотеза, предложенная в 1973 году И.П. Стахановым. Ион, окруженный водяной оболочкой, называется кластером, поэтому гипотеза профессора Стаханова получила имя кластерной.

Стаханов, как и многие другие физики, исходил из того, что молния состоит из вещества, находящегося в состоянии плазмы. Плазма похожа на газообразное состояние с единственной разницей: молекулы вещества в плазме ионизированы. Это значит, что молекулы могут взаимодействовать не только как частицы газа - при столкновениях, но и на расстоянии с помощью электрических сил.[4]

Суть кластерной гипотезы в том, что при низких температурах, характерных для ШМ, свободные электроны соединяются с нейтральными атомами или молекулами, образуя отрицательный ион, который затем сольватируется. Ион вместе со своей оболочкой составляет одну крупную молекулу - кластерный (сольватированный) ион. Кроме кластерных ионов, вещество ШМ содержит некоторое количество нейтральных молекул в свободном состоянии. Кластерные оболочки, относительно устойчивые при температурах до 1000К, могут задержать рекомбинацию, поэтому ШМ существует в течение долгого времени. При этом она, постепенно рекомбинируя, выделяет заключенную в ней энергию ионизации. Согласно расчетам, плотность энергии ШМ, состоящей из кластеров, может составлять 5-10Дж/см³, причем ее полная энергия будет равна примерно 20кДж, что полностью согласуется с данными наблюдений ШМ в природе.

Итак, согласно кластерной гипотезе шаровая молния представляет собой самостоятельно существующее тело (без непрерывного подвода энергии от внешних источников), состоящих из тяжелых положительных и отрицательных ионов, рекомбинация которых сильно заторможена вследствие гидратации ионов.

Самым важным достоинством кластерной гипотезы стало то, что она продолжает не просто жить в науке, но и обогащаться новым содержанием.

В отличие от многих других гипотез, данная гипотеза выдерживает сравнение с результатами нескольких тысяч известных сейчас наблюдений и удовлетворительно объясняет многие из них.

Число различных гипотез о природе шаровой молнии значительно превосходит сотню, но мы разобрали только несколько. Ни одна из существующих в настоящее время гипотез не является совершенной.[2]

Поэтому, хотя принципиальные закономерности природы шаровой молнии приняты, данную проблему нельзя считать решенной - осталось множество тайн и загадок, а также нет конкретных способов создания ШМ в лабораторных условиях.

ГЛАВА 2. ФИЗИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ШАРОВОЙ МОЛНИИ

2.1 Условия формирования шаровой молнии

Наблюдая молнию в природе, мы не замечаем, что разряд ее состоит из нескольких, иногда до десятка, последовательных импульсов. Каждый импульс длится порядка t =10-³ с. Плазма в центральном канале нагревается до T=2·10⁴ К, а в промежутках между ними остывает до Т=10³ К. Плазменный центральный канал очень тонкий - см. Окружающий его внешний канал имеет м и холодную температуру плазмы порядка Т=1000 К. Разряды молнии происходят не только между тучей и землей, но и между разноименно заряженными тучами.

В результате разряда, заряд земли и облака может значительно уменьшиться, однако заряд ионов воздуха практически не меняется. Более того, если учесть, что ток, который протекает по каналу молнии, создает значительные магнитные поля, а сам канал обладает большой протяженностью, следовательно и индуктивностью, то возможно такое перераспределение, при котором заряд участка земли станет отрицательным, а облака положительным. Ионизированный воздух, который раньше отталкивался от земли, теперь будет к ней притягиваться. В результате положительно заряженное облако воздуха под действие электрических сил будет прижиматься к земле. Таким образом, образуется область, в которой достаточно долгое время существуют два противоположных связанных заряда - один из них сосредоточен в ионизированном воздухе, а другой в земле. В этом случае разряд молнии будет происходить между отрицательно и положительно заряженными областями. При этом поток электронов будет двигаться вниз до тех пор, пока отрицательный заряд земли не станет его отталкивать.[3]

Таким образом поток электронов не доходит до земли, в которой произошло бы его растекание, а сосредотачивается в области положительно ионизированного воздуха, нейтральные молекулы которого являются изолятором. В данном случае речь идет об ионизированном воздухе. Та часть ионов воздуха, которая соприкасается с отрицательно заряженной частью облака рекомбинирует и становятся нейтральными.

В области с одноименно заряженными зарядами возникает разряженное пространство за счет отталкивания. В то же время на границе, где происходит нейтрализация положительно и отрицательно заряженных ионов будет присутствовать область повышенного давления, за счет их притяжения. Наличие области повышенного давления, в которой в основном находятся нейтральные молекулы, значительно уменьшает скорость перемещения ионов в этой области, а также увеличивает напряжение пробоя, которое определяется для газов способностью организации каналов. При рекомбинации будет происходить выделение энергии, в результате чего образуется плазма, которая в значительной степени экранирует электрическое поле, что так же ограничивает скорость встречного перемещения разноименных ионов воздуха. Эти процессы, в конечном счете, определяют время устойчивого существования структуры зарядов, которая называется шаровой молнией. Рассмотрим модель ШМ.

Рис. 2.1 Модель шаровой молнии

1)область низкого давления, занятая электронами;

2)область, где происходит ионизация молекул воздуха электронами;

3)область высокого давления (около 100000 атм.), в которой происходит рекомбинация положительно и отрицательно заряженных ионов и образуется экранирующий слой плазмы (радиус Дебая) и изоляции из нейтральных молекул воздуха;

4)окружающее пространство, насыщенное положительно заряженными ионами.

В положительно ионизированную область пространства отрицательные заряды могут попадать не только в результате разряда в эту область новой молнии, они могут поступить туда по проводящим предметам попавшими хотя бы частично в эту область.

Согласно предлагаемой модели шаровая молния образуется из участка канала линейной молнии в месте развития на нем перетяжечной неустойчивости. 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 последующих 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?5см), поскольку разряды с большими токами очень редки (реально зарегистрированы токи в канале линейного разряда I?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.[5]

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.[6]

Важным фактором, играющим существенную роль при образовании ШМ, 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.

Круговое поперечное магнитное поле линейной молнии, удерживая горячую плазму от расширения на всей длине центрального канала молнии, не удерживает плазму на концах канала со стороны его торцов, благодаря чему и происходит разряд молнии. К торцу канала, упирающемуся в землю, стремительно текут токи проводимости радиально со всех сторон земли, а на противоположном конце токи устремляются из канала во все стороны тучи. Находящаяся в канале под высоким давлением плазма выталкивается через торцы канала наружу и в туче и на стороне земли, преодолевая встречное движение электронов в туче, а ионов - на стороне земли.

По этой причине, а также из-за падения напряжения на большой длине канала, разряд молнии прерывается несколько раз. Магнитное поле на концах у торцов канала молнии все такое же мощное и должно быть заметно расширенное в виде рупоров, поскольку токи на одном конце сходятся к торцу, а на другом - расходятся от торца во все стороны, то есть плотность поля несколько расширяется. Вполне вероятно, что часть турбулентно выброшенной горячей плазмы может завернуться у торцов канала вокруг магнитного поля при разряде какого-либо очередного импульса молнии.[2]

То есть частицы горячей плазмы, разлетаясь в стороны, пересекают поперек или под углом силовые линии кругового магнитного поля молнии и в нем движутся по ларморовским окружностям или спиралям. Электроны вращаются с малым радиусом по часовой стрелке вокруг силовых линий (если силовые линии направлены от нас), а положительные ионы азота, кислорода и протоны - против часовой стрелки с радиусом в сотни раз большим, если они влетели в поле с такой же скоростью, как и электроны.[4]

Здесь необходимо отметить следующее. В процессе формирования плазменного тороида ионизованные частицы плазмы, движущиеся спиралеобразно вокруг и вдоль силовых линий замыкающегося в тороиде магнитного поля молнии, совершают еще и дрейфовые движения под воздействием других сил. Дрейфовые движения ионизованных частиц имеют ту же известную особенность, заключающуюся в том, что постоянная сила, действующая поперек магнитного поля, вызывает движение частицы в направлении перпендикулярном к этой силе и к этому магнитному полю, причем без ускорения, а с постоянной скоростью. В плазменном тороиде характерны дрейфовые движения ионизованных частиц, возникающие в силу неоднородности магнитного поля вдоль и поперек его направления. Поперечная неоднородность заключается в сгущении и разрежении силовых линий поля, продольная - в их искривлении.

Рис. 2.2Модель внутреннего строения ШМ

На (рис.2.2) показана внутреннее строение ШМ: ток разряда линейной молнии направлен вверх, следовательно её поперечное магнитное поле направлено по часовой стрелке. Плазменный тороид рассечен вертикальной плоскостью пополам. В правом сечении тороида магнитное поле линейной молнии (изображено маленькими кружочками) направлено от нас, а в левом сечении направлено к нам (изображено точками). Сгущение силовых линий, то есть плотность поля, возрастает в сторону отверстия тороида, а разрежение к внешним его сторонам. В зоне сгущения поля радиус вращения заряженных частиц меньше, а в разряженной зоне больше. В результате спирали протонов дрейфуют вверх, а спирали электронов вниз, то есть из-за градиента поля происходит разделение зарядов. Такой же результат дает и центробежный дрейф. (Ионы азота и кислорода, вращающиеся по большой орбите не изображены).

Для уяснения дрейфовых движений представим себе плазменный тороид лежащим горизонтально. Рассечем его вертикальной плоскостью пополам. Допустим, мы увидели в правом сечении тороида магнитное поле, направленное от нас, то в левом сечении оно направлено к нам. Поперечная неоднородность поля, то есть сгущение силовых линий, наблюдается вокруг центрального отверстия, а разрежение - у наружной стороны тороида. Продольная неоднородность заключается в искривлении силовых линий поля, обращенных выпуклостью от центра тороида к наружной стороне.

Поперечная неоднородность приводит к тому, что радиус кружка спирали ионизованной частицы в области сгущенного поля меньше, чем в области разреженного. Поэтому кружок с частицей будет выталкиваться поперек поля с силой, пропорциональной градиенту магнитного поля. Эта сила вызывает градиентный дрейф, в результате которого протонные спирали перемещаются вверх тороида, а электронные спирали - вниз.

При движении ионизованной частицы по спирали вдоль искривленной силовой линии поля, обращенной выпуклостью к наружной стороне тороида, частица испытывает на себе центробежную силу к наружной стороне тороида. Эта сила увеличивает (растягивает) радиус вращения частицы за чертой выпуклости силовой линии поля и уменьшает (укорачивает) радиус вращения до черты выпуклости силовой линии поля. В результате протонные спирали дрейфуют вверх, а электронные - вниз тороида.

Таким образом, и градиентный, и центробежный дрейфы ионизованных частиц вызывают в плазменном тороиде одинаковые разделения зарядов, приводящие к тому, что некоторая часть протонных спиралей оказывается на верхней половине тороида, а часть электронных спиралей - на нижней его половине.

Такое заметное разделение зарядов приводит к образованию сильного электрического поля. В этом случае плазменный тороид можно рассматривать как заряженный конденсатор.

Образовавшийся плазменный тороид, отделившись от линейной молнии, остается с той энергией, которую ему сообщила линейная молния. Некоторое время 10...20 с движение ионизованных частиц происходит по ларморовским спиралям вдоль захваченного магнитного поля линейной молнии, пока оно, сокращаясь к центру, не просочится наружу. Сразу же после отделения от линейной молнии плазменный тороид быстро сжимается. Собственные магнитные поля, обладая упругостью, отграничивают плазму от внешней среды, сжимая тороид, уменьшают его размеры пока не наступит равновесие с противодавлением изнутри со стороны плазмы. С повышением в плазме давления в ней повышается температура, то есть ускоряется движение плазмы, что означает продление жизни тороида. Отверстие в центре тороида, сокращаясь, становится незаметным, а тороид похожим на овал. Коллективные движения ионизованных частиц стабилизируют плазму тем, что их пути по большей части разделены. Электроны реже встречаются с ионами, от чего рекомбинация плазмы замедляется.

Плазма может находится в равновесии без стенок, если ее газовое давление уравновешивается давлением внешнего магнитного поля.[4]

У образовавшейся шаровой молнии - поле не внешнее (не постороннее). У нее собственные магнитные поля, благодаря которым плазменный тороид, сжатый в овал, наделен на границе плазма-атмосфера поверхностным натяжением и не смешивается с воздухом. Ближайшие линейные молнии, индуцируя токи в тороиде, поддерживают ионизацию плазмы, продляя этим жизнь тороида. На продление жизни тороида влияет и фотоионизация плазмы ультрафиолетовым излучением, а также видимым светом большой интенсивности и плотности потока фотонов (ступенчатая ионизация) от этих же недалеких молний.

Нужно заметить, что в образующемся в результате разделения зарядов электрическом поле (которое в горизонтальном тороиде направлено вертикально) должен происходить электрический дрейф остальной плазмы к наружным сторонам тороида.[2]

Магнитная оболочка тороида испытывает деформации в зависимости от внутреннего давления на нее плазмы. Поэтому может создаться впечатление, что электрический дрейф вызовет раздвигание тороида в ширину. Однако градиентный и центробежный дрейфы - это первичный процесс по отношению к электрическому дрейфу. Дрейфующие вертикально в противоположные стороны спирали протонов и электронов в первую очередь будут растягивать круглое сечение тела тороида вертикально, а электрический дрейф остальной плазмы, вызванный появлением электрического поля, всего лишь будет препятствовать чрезмерному сжатию боков тороида при его вертикальном растягивании. Поэтому иногда наблюдают шаровые молнии в виде пульсирующего по ширине овала (продолжается борьба вертикального и горизонтального дрейфов).[8]

Итак, плазменный тороид в завершающей стадии формирования стянут двумя собственными магнитными полями в овальную форму со сквозным вертикальным отверстием небольшого диаметра на месте центральной вертикальной оси. Центральное отверстие тороида сократилось, потому что упругость силовых линий захваченного магнитного поля линейной молнии и упругость силовых линий собственного продольного поля направлены к центральной оси тороида, а они стремятся сократиться до возможно минимальной длины. Через это отверстие замыкаются все силовые линии другого собственного поперечного магнитного поля тороида, которые также стремятся сократиться до минимальной длины. Стянутый тороид (теперь овал) выглядит в поперечном сечении как два рядом расположенных вертикально удлиненных плосковыпуклых овала, обращенных плоскими сторонами к отверстию. Массивные ионы движутся по периферии овала, то есть по широким спиралям, сжатым в овал, образующим в результате такого движения замкнутую овальную трубу. Внутри вдоль трубы в верхней ее половине движутся с некоторым преимуществом протоны по спиралям меньшего радиуса, а в нижней половине - преимущественно электроны по своим спиралям совсем малого радиуса. Хотя плазменный овал в целом остается квазинейтральным, но поскольку положительные ионы преимущественно движутся по периферии овала, то этим самым они экранируют отрицательный заряд внутренних электронов и внешне у шаровой молнии больше проявляется положительный заряд.

Рис. 2.3Модель ШМ в поперечном сечении

На (рис.2.3) изображена в поперечном сечении шаровая молния, представляющая собою плазменный тороид, стянутый двумя собственными магнитными полями. В сечении тороид выглядит как два плосковыпуклых овала, обращенных плоскими сторонами к центральному отверстию. Продольное поле окрашено условно синим цветом, поперечное зеленым и изображены эти поля также условно одно поверх другого, в действительности же они взаимно пронизывают друг друга. Азотные и кислородные ионы, движущиеся по спиралям на периферии тороида, образуют замкнутую саму на себя овальную трубу большого диаметра. Внутри трубы по замкнутому кольцу движутся протоны и электроны по спиралям малого диаметра. При формировании тороида часть протонных спиралей сместились вверх, а часть электронных спиралей сместились вниз овальной трубы. Разделившиеся протоны и электроны образуют электрическое поле, иначе говоря, заряженный электрический конденсатор.[6]

Наблюдатели сообщают, что иногда из ярко светящегося клубка, возникающего на нижнем конце разряда линейной молнии, выскакивают несколько шаровых молний. Наблюдают шаровые молнии, которые разделяются на несколько мелких молний.

Думается, что предлагаемая идея может объяснить такие явления. При разряде линейной молнии в магнитное поле с холодной плазмой, охватывающей ее торец, влетают несколько пространственно разделенных порций горячей плазмы. Каждая отдельная порция горячих ионов и электронов образуют там с уже имеющимися ионными и электронными спиралями свою обособленную от других подогретую спиральную трубу, замкнутую в тороид. В результате внутри каждой подогретой тороидальной трубы в магнитном поле движутся по своим спиральным дорожкам электроны и протоны и те, что были там и те, что влетели в холодную плазму вместе с порцией горячей плазмы. Двигаясь в неоднородном магнитном поле внутри ионной трубы, протоны и электроны частично разделяются, образуя электрическое поле. Если образовавшиеся автономные тороиды не успели объединиться, сцепившись собственными поперечными магнитными полями, то они выталкиваются в атмосферу по отдельности, а если успели объединиться, то выталкивается одна большая шаровая молния в виде удлиненного овала.

2.2 Основные параметры шаровой молнии

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 в нижней ее части, придавая молнии грушевидную форму. В принципе, по мере угасания она может иметь кратковременно и тороидальную форму.[1]

Время жизни шаровой молнии определяется временем диссипации магнитной энергии, запасенной в ней. При постоянной температуре его можно оценить с помощью выражения (2.2.1).

(2.2.1)

В плазме с однозарядными ионами, пологая, что у=1,96e²N_eф/m_e при T_e=100кэВ и R=10см для времени жизни плазмоида получим ф_n=10c. 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. 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. Энергия, выделяемая в плазме в единицу времени в результате джоулева нагрева равна:

(2.2.2)

Из равенства этих потоков энергии для предельной температуры получим

(2.2.3)

Предельная напряженность электрического поля в двойном слое определяется взрывной эмиссией, которая начинается при E_n~10⁷В/cм. Подставляя эту величину в (2.2.3) легко убедится, что температур плазмы порядка 100кэВ реально достижима.

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

Полная энергия шаровой молнии равна сумме магнитной, электростатической, поверхностной и тепловой энергий. Поскольку толщины внешней плазменной оболочки, приближено равной глубине сканирования циклотронного излучения c/щ_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=в_oS. В центральной части молнии в области бессилового магнитного поля H²/8р>>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 приближенно равна выражению:

(кДж)(2.2.4)

E_n=10⁷В/cм - предельная напряженность электрического поля,

R=10 см - радиус шаровой молнии.

Если положить E_n=10⁷В/см и R=10 см, то полная энергия W=33кДж, 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.

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 минимально на магнитной оси, где магнитное давление максимально.

Известно, 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.[4]

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.

2.3 Электронно-ионная модель шаровой молнии

Предложена модель шаровой молнии, внешняя электронная оболочка которой удерживается внутренним объёмным положительным зарядом. Согласованное движение электронов во внешней оболочке создаёт сильное магнитное поле, управляющее состоянием ионизованного горячего воздуха внутри шаровой молнии.

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.

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 следствием линейной молнии или при разряде соседних облаков, когда грозовая туча разряжается на землю, передавая ей своё отрицательное электричество. 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 B. 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.

а) б)

Рис.2.4

а) 1 - вторичные ветви молнии, 2 - основной канал, в котором движутся электроны (обозначены -q).

б) Движение электронов из вторичной ветви 1 в основной канал 2 молнии может быть замкнуто через область 3. - индукция магнитного поля от тока электронов. Ионы с зарядом +q вращаются вдоль линий магнитного поля.

Исходя из данной картины, на (рис.2.4) 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 B, 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 r 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. 2.5. R - радиус вращения ионов вокруг магнитного поля с индукцией B, r - радиус внешней электронной оболочки.

Экваториальное сечение модели шаровой молнии, выделяющее кольцо на электронной оболочке сфероидальной формы.

Как видно из (рис. 2.4(б)), 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 104А и вплоть до А, за время короткого разряда порядка 10-3 с может быть перенесено 20 Кл электричества, температура воздуха в канале молнии достигает 25000 К. Концентрация электронов в канале линейной молнии до в 1 см3. Скорости теплового движения у ионов не менее 104 м/с, у электронов более 106 м/с. Вероятность наблюдения 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 и радиусе м индукция магнитного поля достигает величины:

(2.3.1)

Если электрон вращается в таком магнитном поле с радиусом орбиты , то его скорость должна быть меньше скорости света:

м (2.3.2)

Поскольку , то в магнитном поле вблизи канала молнии могут удерживаться и накапливаться даже релятивистские электроны. С другой стороны, при токах более 1000 А в импульсных вакуумных разрядах энергия электронов достигает 1 кэВ, а скорости движения электронов до 107 м/с [6]. Так как дальнейшее увеличение напряжённости электрического поля приводит к сжатию токового шнура и увеличению излучения при неизменном токе и температуре частиц.

...