Физическая модель кульової блискавки

Физическая модель кульової молнии

Николай Носков На протязі століть багато дослідників в усьому світі намагалися розкрити секрет кульової блискавки (далі ШМ), проте природа їх поки що залишається таємницею під сімома печатками. Так було в монографії Дж. Баррі «Кульова і четочная блискавки» [1] (1983) згадується близько чотирьохсот авторів, яких явище ШМ. У тому числі Ломоносов і Рихман (1753), Тейт (1880), Риманн (1897), Гезехус (1899). Особливий інтерес викликають автори, на роботах яких висловлені більш-менш реальні гіпотези природи ШМ: Рабат (високовольтний електричний розряд в разряженном газі); Капіца [2] (ШМ підживлюється невидимим каналом лінійної блискавки); Смирнов [3] (перезарядження іонів в плазмі на многоэлектронных примесях); Баррі (горіння вуглеводнів), Стаханов [4] (освіту високотемпературних кластерів — високомолекулярних плівок як бульбашок) і др.

В 1975…1977гг. Стаханов буквально зробив штурм по спробі розкрити природу ШМ. Через журнал «Наука життя й» він звернувся безпосередньо до населенню колишнього СРСР із проханням до очевидцям надіслати описи явища ШМ. Настав понад тисячу листів. Стаханов провів обробку отриманих відомостей. Результати то воно ж словами: «матеріали опитування населення вкотре підтвердили, що реальність ШМ не сумніваюся, як і те, що питання про її походження продовжує залишатися відкритим». І треба додати: «…і що котрась із висловлених гіпотез нічого очікувати реалізована в эксперименте».

Анализ описів очевидців показав, що ШМ:

плазменное освіту, має температуру в межах 500…1500°С (судячи з гарячих слідах оплавлення металевих речей, нагріванню води у судинах, опіків дерев під час руйнації ШМ). Разом про те випромінювання тепла і променистої енергії до її руйнації настільки малий, що вона лишає жодних слідів навіть за суцільному прольоті майже впритул;

шаровидное світну освіти з чіткої кордоном, яка відділяє його від довкілля. Рух ШМ не призводить до розмивання цього кордону повітря (як із горінні, наприклад). Оболонка ШМ стійка і пружна за умов сильної деформації (при проникненні через щілини і отвори), причому шаровидная форма освіти негайно повністю відновлюється;

имеет великий розкид величин енергій (зруйновані, наприклад, цегляна димова труба, кут цегельного вдома; створено поглиблення в асфальті; нагріта вода в відрі і т.д.);

способна мати великий величини електричний заряд, який неспроможна нести звичайне тіло такого ж обсягу й маси. (Його сили досить, аби вбити людини, тварина, розплавити дроти на радіоприймачі чи телефоні, як із короткому замиканні великого струму).

имеет аномально велике тривалість життя, що вагалося від 1 сік до 2 хв. У звичайній плазми воно становить приблизно 10−3 сек, а рекомбінація іонів триває лише 10−10 сік (!).

движется таким чином, можна зробити висновок: напрям її руху залежить не тільки від напрями вітру, але у більшою мірою — від напруженості магнітного поля, оскільки він або виштовхується до області зі зниженою напруженістю (зачинене приміщення), або рухається по эквипотенциальным лініях магнітного поля (огинає будівлі, ландшафт певному відстані). У цьому вертикальне електричне поле, на її рух неможливо впливає;

является продуктом лінійної блискавки (далі ЛМ), або іншого електричного розряду.

Гипотеза квантової природи ШМ

Явления, супроводжують руйнація ШМ, такі як схлопування, вибух, великі струми, звільнення теплової енергії, збереження при щодо тривалому існуванні ШМ, — усе це приналежності певної конструкції, які повинні виявлятися природним чином, за відповідних передумови у атмосфері Землі. Аналізуючи властивості ШМ і характеристики електричних і магнітних полів Землі способом моделювання фізичних процесів, що відбуваються при розрядах ЛМ у атмосфері, можна запропонувати нову гіпотезу природи ШМ.

Отклонение ЛМ від вертикального становища спостерігається регулярно. Відбувається це те, що провідність атмосфери нерівномірна, оскільки неоднорідний хімічний склад, щільність і вогкість повітря. Можна ще часто бачити, як від основного каналу блискавки відриваються бічні рукави, що майже миттєво зникають у атмосфері. Деякі їх потрапляють у сприятливі до появи ШМ умови. Відхилення ЛМ можуть відбутися й під час удару її про поверхні Землі, дерево чи опору ЛЕП. Що й казати у своїй происходит?

При відхиленні ЛМ від вертикального положення у східному чи західному напрямах вона потрапляє під агресивний вплив схрещених магнітного і електричного полів Землі. Електрони плазми в каналі блискавки, обертаючись під впливом магнітного поля по ларморовскому радіусу (під впливом сил Лоренца), одночасно виштовхуються електричним полем з плазми межі хмари позитивних іонів. Якщо за цьому сили електростатичного тяжіння між іонами і електронами виявляються рівними відцентровим, то електрони потрапляють на стійкі квантованные (з квазиклассическим наближенням) орбіти навколо хмари іонів і стискають їх у магнітної ловушке.

Такое долгоживущее освіту може мати великий спектр величин запасеної енергії (у кількох її видах). Саму істотну значна її частина становить потенційна электростатическая енергія розділених зарядов.

Посмотрим, як узгоджується гадана модель ШМ з умовами у атмосфері Землі. Силові лінії магнітного поля Землі спрямовані із півночі на південь. Магнітна індукція його коливається не більше 3· 10−5…7·10−5 Тле. Напруженість електричного поля, спрямованого вертикально — від 2,5 до 130 В/м і може досягати під час грози значно більших величин.

Рассчитывая умова рівноваги оболонок на орбітах для найбільш поширеного випадку що спостерігається ШМ діаметром 10 див, одержимо такі дані: швидкість електронів на орбітах — 80м/с (порівняйте, швидкість електронів в каналі ЛМ — ?105 м/с); магнітна індукція щоб одержати ларморовского радіуса 5 см при швидкості електронів 80м/с мусить бути 10−8 Тле (порівняйте, магнітне полі Землі - 3· 10−5 Тле). Отже, для освіти ШМ необхідно, щоб швидкість електронів в ЛМ дуже сповільнилася, а магнітна індукція Землі було б сильно ослаблена.

Замедление швидкості електронів цілком імовірно при відхиленні рукави ЛМ від основного каналу. Що ж до ослаблення магнітної індукції, воно може відбутися лише поблизу каналу ЛМ, як наслідок впливу її вихрового магнітного поля, бо вона репрезентує собою струм, котрі можуть досягати величини 4· 104 А.

Расчет також показує, що з освіти однієї електронної оболонки ШМ (прийнятої величини) необхідно приблизно 2· 109 електронів (виходячи з принципу Паулі). А у тому, щоб конструкція ШМ була стійка до магнітному полю Землі, таких оболонок потрібно майже 103. І тут іонізація плазми становитиме лише близько 1%, що цілком реальне при таких температурах.

Состояние матерії, яке досягається поділом зарядів й утворенням стійкою конфігурації з рухом електронів в оболонках навколо хмари позитивних іонів, не може називатися плазмою, оскільки порушена її квазинейтральность. Разом про те, при руйнуванні ШМ речовина знову проходить стан плазми. При цьому виділяється теплова енергія, що була законсервовано роботою електричного поля була в потенційної енергії поділу зарядів й у русі електронів на орбитах.

Законсервированная енергія магнітного і електричного полів в ШМ може виділятися у її руйнуванні у вигляді тепла, але ще у двох унікальних проявлениях.

Так, якщо товщина (кількість) електронних оболонок значна, то зв’язок зовнішніх оболонок з «ядром» з іонів ослаблена, і можуть ініціювати потужний імпульс струму, зіткнувшись з провідником. У цьому ШМ спочатку частково розрядиться, та був забере цей заряд назад. За повної її руйнуванні також виникає подвійний імпульс струму: розряджається спочатку оболонка з електронів, та був іони з «ядра» забирають ці електрони тому і рекомбинируют із тепла.

Кроме цього, ШМ може «працювати» як і вакуумна бомба. Річ у тім, що початкова температура атомів і іонів всередині оболонки з електронів, яка є непроникним бар'єром для атомів і електронів як зсередини, і зовні, неспроможна через втрат на випромінювання довго зберігатися. Розрядження, що у своїй всередині оболонки, збільшується до того часу, поки нічого очікувати розчавлена різницею тисків і схлопнется (те й визначає тривалість життя ШМ). Якщо товщина оболонки невеличка, то схлопування станеться м’яко, без особливих ексцесів (як переважно можна побачити випадках), якщо ця товщина значна, то схлопування набуває характеру вибуху, викликаючи сильні руйнації. Вибух відбувається і натомість імпульсу струму на провідник і виділення теплової енергії рекомбінації ионов.

Необходимо зазначити можливе розмаїтість хімічного складу ШМ (потім виразно вказує колір випромінювання). Швидкість електронів в ЛМ коливається у широкому діапазоні, отже, і температура плазми також має різні значення, який визначає, своєю чергою, атоми яких газів можуть брати участь у освіті ШМ.

Итак, оскільки на її появи потрібні особливі передумови у атмосфері Землі, гарна блискавка, по-перше, досить рідкісне явище; і, по-друге, не отримана (хоча б випадково) до лабораторій. Останнє здійсненне лише під час створення низки необхідних умов, а именно:

наличие ослабленого магнітного поля впоперек руху плазми відповідно до величині, рассчитываемой ШМ (за кількістю атомів і молекул при гаданої температурі);

создание сильного електричного поля, скрещенного з магнітним і з одночасним спрямуванням руху плазми;

удлинение часу життя плазми (наприклад, з допомогою перезарядок на многоэлектронных іонах), щоб він був більше часу дрейфу електронів перш ніж в оболонку під дією електричного поля;

создание що просувалася плазми в схрещених магнітному і електричному полях. І тому необхідна спеціальна лабораторна установка (наприклад, на кшталт описаної в книзі В. Г. Чейса і Г. К. Мура «Що зволікання» М. 1963 [5]) і легований матеріал (метал з домішками), має малу роботу плавлення, випаровування та іонізації.

Список литературы

Дж. Баррі. Кульова блискавка і четочная блискавка. Пер. з анг., Світ, М., 1983.

П.Л.Капица. Про природі кульової блискавки. Докл. АН СРСР, т. 101, № 2, стор. 245, 1955.

Б.М.Смирнов. Процеси в кульової блискавки. Ж.Техн. Фіз., т. 47, стор. 814, 1977.

И.П.Стаханов. Про фізичну природу кульової блискавки. Энергоатомиздат, М., 1985.

Взрывающиеся зволікання. Рб. під ред. В. Г. Чейса і Г. К. Мура, перекл. з анг., Вид. ін. літ., М., 1963.

Чинарёв І.П. Підходи до пояснення кульової блискавки. НиТ, 1999.

Маханьков Ю. П. Умови освіти кульової блискавки. НиТ, 2000.

ФедосинС.Г., КимА.С. Кульова блискавка: электронно-ионная модель. НиТ, 2000.

Резуев К. В. Кульова блискавка. НиТ, 2002.