Физическая модель шаровой молнии

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 100 000 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.