Шаровая молния (плазменно - пучковая модель)

возникнуть параметрическая неустойчивость, следствием которой является распад плазмы в виде взрыва шаровой молнии.

Надо также отметить, что данный процесс может быть осуществлен и без механизма трансформации колебаний. Его развитие возможно при распространении в плазме любой, даже от внешнего источника, электромагнитной волны заданной частоты и амплитуды, в результате чего будет иметь место периодическая пространственно-временная модуляция параметров плазмы. Такой электромагнитной волной может служить радиоволна определенной частоты и амплитуды от внешнего излучающего источника. Рассмотренный процесс, взрыва шаровой молнии, происходит без каких-либо видимых причин, поэтому такой взрыв является практически непредсказуемым, он может произойти в любой момент времени.

3.Взрыв ШМ может быть вызван и другими причинами, в частности, взаимодействием шаровой молнии с различными предметами и веществами. Так, например, к взрыву может привести активное горение вещества, соприкоснувшегося с поверхностью шаровой молнии, контакт ШМ с металлическими предметами и т.д. При этом взрыв может сопровождаться образованием искрового разряда – это выход электронного пучка в атмосферу, т.е. процесс обратный образованию ШМ из обычной линейной.

Можно только предполагать, какие процессы при этом развиваются. Возможно, что происходит нарушение равновесия в сбалансированной системе шаровой молнии, приводящее к развитию различных неустойчивостей, изменению состояния плазмы и ее взрыву.

Конечно, описанная выше завершающая стадия шаровой молнии ее мирное «испарение» и взрыв – это лишь возможный вариант поведения предложенной модели. Абсолютно точно предсказать завершающую стадию шаровой молнии практически не представляется возможным, т.к. все ее описание носит статистический, приближенный характер. Но все же попробуем определить основные свойства этой плазменно-пучковой модели шаровой молнии.

Свойства шаровой молнии

Химический состав

Химический состав плазмы шаровой молнии определяется составом газа на момент ее образования и химическим составом окружающего воздуха. Химический состав плазмы ШМ может быть разнообразным, но состав поверхности шаровой молнии, как правило (вследствие диффузии), определяется химическим составом окружающего воздуха. При этом помимо типичных групп молекул, входящих в состав воздуха, в плазме могут образовываться и существовать и другие типы молекул, например 03, NO2, NO и т.п.

Кстати, есть свидетельства очевидцев, что при появлении шаровой молнии или сразу после ее «испарения» либо взрыва в воздухе возникает специфический запах озона, оксидов азота или запах серы. Оксиды серы в шаровой молнии могут появиться при ее образовании либо нахождении в пыльной, задымленной атмосфере, богатой различными летучими оксидами.

Излучение и спектр шаровой молнии

Шаровая молния является активным излучателем энергии. Излучение ШМ состоит из двух видов:

–корпускулярные потоки – потоки релятивистских электронов;

–электромагнитное излучение.

Источником релятивистских электронов в системе шаровой молнии является электронный пучок. В электронном пучке, как уже отмечалось выше, действуют параллельно два механизма коллективного взаимодействия – электростатическое отталкивание электронов пучка и их магнитное притяжение при однонаправленном движении. Если же какой то из электронов пучка по каким-либо причинам (флуктуационным процессам, различным взаимодействиям) изменяет свое направление движения, которое не совпадает с направлением распространения электронного пучка в целом, то действие магнитных сил на такой «отбившийся» электрон

11

прекращается. Но действие электростатического поля пучка продолжается, при этом электрон ускоряется до релятивистских скоростей в направлении от пучка. В системе шаровой молнии не только электронный пучок воздействует на среду (газ, плазму), но и среда оказывает на него обратное влияние, внося в его коллективные взаимодействия возмущения, которые могут приводить к потере электронов электронным пучком. Т.о. могут возникать целые потоки релятивистских электронов. Эти потоки, как правило, слабо взаимодействуют с атомами и молекулами газа и поэтому могут иметь достаточно большую длину пробега в воздухе (несколько метров).

Взаимодействуя с ионами и атомами плазмы шаровой молнии релятивистские электроны (т.к. они обладают достаточно большой энергией) возбуждают в них электроны, находящиеся на низших электронных уровнях. При переходе ионов и атомов из возбужденного в основное состояние они излучают рентгеновское излучение. Кроме того, рентгеновское излучение способен давать сам электронный пучок вследствие резкого изменения направления его распространения при рассеянии на внутреннем слое ПС.

Потоки вторичных, третичных электронов, образованных при ионизационном каскаде в плазме, имеют тоже достаточно большую энергию и могут возбуждать в атомах, ионах и молекулах ультрафиолетовую область спектра. Такое ультрафиолетовое излучение плазмы шаровой молнии может иметь большую интенсивность.

Шаровая молния излучает почти весь видимый спектр электромагнитных излучений. Но цвет ее (т.е. преобладающая область видимого спектра) зависит, прежде всего, от химического состава окружающего воздуха т.к. активные излучательные процессы (видимого спектра) в системе ШМ происходят во внешнем слое, который непосредственно прилегает к окружающей среде. Допустим, что шаровая молния находится в обычном воздухе, тогда спектр ее видимого излучения определяет азот, так как его в воздухе 78%. Преобладающий цвет видимого спектра азота лежит в желто-оранжевом диапазоне. Тогда становится понятным, почему в большинстве случаев наблюдали именно желто-красную шаровую молнию. Хотя, если процентное содержание элементов и химических соединений в воздухе другое, то цвет (а возможно, и весь спектр) может быть другим. Стоит отметить, что если энергия запертого электронного пучка велика, то цвет ШМ может быть ярко белым и даже голубым.

Плазма ШМ разогрета по сравнению с окружающим воздухом до относительно высокой температуры, примерно 4000...5000 К, и поэтому она, естественно, является мощным источником инфракрасного излучения.

Вследствие распадной неустойчивости и флуктуаций в плотности частиц плазмы ленгмюровские колебания в плазме могут трансформироваться в электромагнитные волны. Т.о., шаровая молния может быть источником и радиоволн различной частоты и амплитуды.

Рис. 6. Области наивероятнейшей генерации излучений в системе шаровой молнии

12

Все описанное выше, касающиеся излучения шаровой молнии, можно представить более наглядно, разбив систему ШМ, представленную на рис. 5, на области наивероятнейшей генерации того или иного типа излучения (рис. 6).

Температура шаровой молнии

Если исходить из теоретической модели ШМ, изображенной на рис. 5, то видно, что она имеет довольно сложную структуру и состоит как из равновесной, так и из неравновесной плазмы. Процессы, происходящие в неравновесной плазме, носят настолько нестационарный характер, что теряет смысл само понятие температуры плазмы. В такой плазме температура оценивается отдельно для каждого из компонентов ее составляющих – электронов и ионов. Резко отличная ситуация в равновесной плазме шаровой молнии, где температура любого из компонентов плазмы характеризует температуру плазмы в целом.

Видимый спектр излучения определяется в основном температурой электронной компоненты плазмы. Так, например, для желтой ШМ температура электронной компоненты должна составлять (по закону Вина) примерно 5000 К, а для красной – около 4000 К. Но электронная температура еще не говорит о том, что это температура поверхности шаровой молнии. Хотя что в данном случае считать поверхностью шаровой молнии – ее излучающую (видимую) поверхность, которая характеризуется температурой электронов порядка 5000 К, или поверхность с равновесной плазмой, которая может иметь температуру меньшую или равную температуре электронов в излучающем, видимом слое?

Градиент температуры в системе шаровой молнии убывает по мере продвижения от центральной области (см. рис. 6) к внешней поверхности. Однако сама ШМ, как это уже отмечалось выше, не имеет каких-либо четко определенных границ поверхности, поэтому на вопрос о температуре поверхности шаровой молнии можно дать лишь приближенный ответ. Из всего сказанного выше можно сделать вывод, что температура ШМ должна составлять величину примерно 5000 К.

Естественно, что чем ближе к центру шаровой молнии, тем будет выше температура, а соответственно будет сильнее тепловое воздействие на контактирующие с ней предметы и вещества.

В большинстве же случаев температура шаровой молнии оценивалась по ее тепловому действию на различные предметы (дерево, металлы, стекло и т.д.), без учета «глубины» проникновения тел в шаровую молнию (при одинаковом времени контакта), а значит, давалась различная оценка температуры ее поверхности.

Т.о., для одной и той же шаровой молнии может быть получен целый спектр различных температур, что является абсурдом с точки зрения тех теорий ШМ, которые рассматривали ее как однородную среду с равномерно распределенной температурой по объему, но что является вполне объяснимым в рамках данной модели.

Звуковые эффекты, сопровождающие шаровую молнию

В результате существующих в плазме различных типов колебаний, флуктуаций, развития различных неустойчивостей, в ней могут генерироваться звуковые колебания различной интенсивности.

По существу, «шумит» любая плазма, отличие лишь составляет, величина мощности и частота звуковых колебаний, но в ряде случаев наблюдалась и бесшумная шаровая молния.

Распределение электрического заряда в шаровой молнии

Как уже отмечалось выше, в системе ШМ имеет место значительное неравномерное распределение электрического заряда. Понятно, что отрицательный заряд ШМ сосредоточен в ЗНК там, где движется электронный пучок, плазма ЗНК имеет высокую степень ионизации, но её положительный заряд не способен полностью экранировать мощное электрическое поле пучка, поэтому существует сильная поляризация ПС. Следствием этой поляризации служит

13

то, что на внутреннем слое ПС имеется высокая концентрация положительно заряженных ионов плазмы, которая радиально убывает к внешнему слою плазменной сферы из-за эффекта экранирования заряда. Т.о. во внешнем слое ПС концентрации электронной и ионной компонент плазмы одинакова и плазма электронейтральна.

Заключение

Все описание шаровой молнии с момента ее образования и до момента ее распада в данной теории носит приближенный, статистический характер. Но даже такое «грубое» описание шаровой молнии, позволяет объяснить ряд ее наблюдаемых свойств.

Кстати проведенное компьютерное моделирование и расчеты данной плазменно-пучковой модели показали, что среднее время «жизни» шаровой молнии может достигать нескольких минут. Имеются некоторые предположения по созданию ШМ в лабораторных условиях, но только на установках способных давать мощный искровой разряд.

Список литературы:

1.Никеров В.А. «Электронные пучки за работой», М.: Энергоатомиздат, 1988 г.

2.Стаханов И.П. «О физической природе шаровой молнии», М.: Энергоатомиздат 1985 г.

3.Кролл Н., Трайвелпис А. «Основы физики плазмы», М.: 1975 г.

4.Смирнов Б.М. «Введение в физику плазмы», М. 1975 г.

5.Франк-Каменский Д.А. «Плазма четвёртое состояние вещества», «Лекции по физике плазмы»,

М.: 1968 г.

6.Яворский Б.М., Детлаф А.А. «Справочник по физике», М.: Наука, 1990 г.

7.Иванов Б.Н. «Законы физики», М.: Высшая школа, 1986 г.

14