Шаровая молния

Чт, 05/21/2015 - 21:19



Рис. 1. Схемы возбуждения газовых разрядов: а — напряжение подается на электроды на границах разрядного объема (емкостный метод); б — напряжение внутри разрядного объема индуцируется меняющимся магнитным полем (индукционный метод)

Рис. 2. Кольцо с поверхностным винтовым током в плазме: J1 — полоидальный (перпендикулярный к средней плоскости тора) ток, создающий тороидальное магнитное поле Н1; J2 — продольный ток, создающий полоидальное магнитное поле Н2; R и а — внешний и внутренний радиусы тора

Рис. 3. Кольцо с полоидальным током внутри вихревого кольца: 1 — вихревое кольцо (стрелками показано направление вращения слоев вихря); 2 — тороидальное магнитное поле; 3 — токовое кольцо



Шаровая молния — светящийся шар, который порой возникает при разряде линейной молнии, — одно из самых загадочных атмосферных явлений. Природа шаровой молнии до сих пор неизвестна, хотя первая научная публикация на эту тему — книга «Гром и молния» известного французского физика и астронома Франсуа Араго — была издана еще в 1838 году. Предлагаемая гипотеза — попытка объяснить механизм образования шаровой молнии на основе физики плазмы и газового разряда.

Природа шаровой молнии

Природа обычной, линейной, молнии давно установлена — это газовый разряд в виде грандиозной искры, «проскакивающей» между сильно заряженными грозовыми облаками или облаком и землей. Поскольку появление шаровой молнии связано с линейной, естественно предположить, что природа их сходна. Поэтому рассмотрим вкратце основные группы газовых разрядов.

Сильное электрическое или переменное электромагнитное поле ионизует атомы и молекулы газа — возникает плазма и происходит электрический разряд. Газовые разряды можно условно разбить на две основные группы по признаку: замыкаются силовые линии электрического поля в плазме или нет, иначе говоря — вихревое электрическое поле или потенциальное.

Если напряжение подают на электроды (рис. 1а), силовые линии электрического поля Е замыкаются на них, а не в плазме. Пара электродов ведет себя как конденсатор, поэтому такие разряды называют емкостными или Е-типа. Электрическое поле может быть постоянным, переменным или импульсным.

К другой категории относятся безэлектродные индукционные разряды Н-типа, при возбуждении которых определяющую роль играет электромагнитная индукция (рис. 1б). Через катушку-индуктор пропускают ток высокой частоты или импульсный ток I, создающий магнитное поле Н. Под действием переменного магнитного потока внутри катушки возникает вихревое электрическое поле Е. Его силовые линии представляют собой замкнутые окружности, концентрические с витками катушки. Это электрическое поле может зажигать и поддерживать разряд, причем токи также замкнуты и протекают вдоль линий поля (рис. 2).

Если полагать, что обе молнии — и линейная, и шаровая — это газовые разряды, то линейную следует отнести к категории разрядов Е-типа, поскольку имеются электроды, например облако и земля. Шаровую молнию естественно отнести к категории индукционных разрядов Н-типа. Попытаемся обосновать данное предположение и найти конкретную структуру шаровой молнии.

Накопленный материал наблюдений позволяет установить несколько присущих шаровой молнии особенностей:
• она может производить электромагнитные воздействия, особенно сильные при ее гибели со взрывом, и выводить из строя электроприборы;
• время ее жизни — от десятых долей секунды до нескольких минут;
• шаровая молния может существовать в закрытых помещениях, в том числе и с электромагнитной экранировкой, например в железобетонных строениях;
• ее внутренняя температура достигает нескольких тысяч градусов (судя по спектру светового излучения), но внешняя поверхность имеет, как правило, низкую температуру (по данным очевидцев, которых она касалась).

Перечисленных свойств с учетом физики газовых разрядов достаточно для обоснования структуры молнии и ее физических свойств.
Шаровая молния при распаде выделяет ранее запасенную энергию.
Как и в любом замкнутом пространстве, в шаровой молнии энергия может существовать в виде переменного электромагнитного поля, постоянного электрического или постоянного магнитного поля.

Переменное электромагнитное поле может долго храниться только в резонаторах с чрезвычайно высокой добротностью (отношением величины запасенной энергии к средней за период колебаний мощности потерь), достижимой лишь в оптическом диапазоне. Однако свет не способен производить электромагнитные воздействия, и эта возможность отпадает.
Если большая энергия заключена в постоянном электрическом поле, внутри молнии не может быть высокой температуры, поскольку она приводит к ионизации вещества и нейтрализации разделенных зарядов. Но спектр ее излучения соответствует именно высокой внутренней температуре, и, следовательно, сильного электрического поля там нет.

Постоянное магнитное поле имеет две формы. Оно может быть полоидальным (поле витка с током) или тороидальным (поле катушки с током, свернутой в тор). Посмотрим, может ли основная часть электромагнитной энергии сосредоточиться в полоидальном поле (магнитном диполе), которое создает плазменный виток с током. В этом случае на каждый его участок действуют силы Ампера, стремящиеся расширить виток, который распадется за тысячные доли секунды. Это противоречит свидетельствам о времени жизни шаровой молнии, и, следовательно, полоидальное магнитное поле электромагнитную энергию хранить не способно.

Из сказанного следует, что основным носителем электромагнитной энергии в шаровой молнии может быть только постоянное тороидальное магнитное поле. Классик термоядерного синтеза В.Д. Шафранов доказал: оно может существовать в плазме в виде кольца с поверхностным винтовым током. Остается, однако, непонятным, почему поверхность шаровой молнии холодная. Кроме того, для сохранения стабильности данной конфигурации требуется точное соблюдение соотношения величин полоидального и продольного токов (J1 и J2 на рис. 2), что на практике трудновыполнимо.

Рассмотрим токовое кольцо внутри вихревого газо-плазменного кольца (рис. 3). Как показал, например, известный исследователь Ю.П. Райзер, можно весьма эффективно стабилизировать газовый разряд, особенно индукционный, закрученным газовым потоком.

В этом случае горячую область от внешней среды отделит кольцевой вихрь (плазма в нем существует лишь в слоях, прилегающих к токовому слою), и оболочка шаровой молнии останется холодной. Кроме того, такая конфигурация может быть стабильной и в отсутствие продольной составляющей поверхностного тока; необходимо лишь, чтобы скорость слоя вихря, прилегающего к магнитному полю, превосходила критическую величину.

Создать токовое кольцо с полоидальным током может только безэлектродный индукционный газовый разряд. Гипотезу о шаровой молнии как высокочастотном разряде в сфокусированном электромагнитном излучении линейной молнии выдвинул лауреат Нобелевской премии по физике академик П.Л. Капица. Однако его предположение не подтвердилось. Поэтому обратимся к импульсным индукционным разрядам, возникающим при резком нарастании магнитного поля (они называются «тета-пинч», см. рис. 4).

К недостатку метода относится в первую очередь слабая устойчивость плазмы. Однако тороидальное магнитное поле вполне может быть захвачено плазмой (или, как говорят физики, вморожено в нее). Для этого после достижения необходимой величины индукции магнитного поля отключают ток (рис. 5). Таким образом, подавая на виток мощный импульс тока с резким задним фронтом, можно «вморозить» в плазму тороидальное магнитное поле.

Другие материалы рубрики


  • ...В некоторых же отношениях электроны ведут себя подобно волнам. Человеческое воображение бессильно представить нечто такое, что может быть одновременно и волной, и частицей, но само по себе существование дуализма волна-частица, которая называется корпускулярно-волновым дуализмом, не вызывает сомнения. Так, объект, который обычно считают волной, обретает в микромире свойство частицы, например, световая волна, ведет себя подобно потоку частиц, выбивая электроны с поверхности металла (фотоэлектронный эффект). Частицы света называются фотонам, и физики относят их наряду с электронами и кварками к фундаментальным частицам. Наглядно представить волну-частицу невозможно, не стоит и пытаться, потому что в повседневной жизни нет ничего такого, что хотя бы отдаленно напоминало подобную нелепость...

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4
    • 5


  • Ответ на вопрос, поставленный в заголовке, кажется очень простым... Действительно, стоит взять любую популярную книгу по авиации и даже некоторые издания, претендующие на роль учебника, как сразу натолкнетесь на уже ставшую хрестоматийной притчу о двух частицах воздуха, бегущих в струйках по крылу и встречающихся на задней кромке...

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4


  • Полное отсутствие проводов у электробытовых приборов и доступ к электроэнергии в любой точке земного шара без ограничений, в требуемом количестве — имея при себе лишь передатчик размером со спичечный коробок…

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3


  • Как родилась и эволюционирует наша Вселенная? Почему кольца Сатурна такие тонкие, но протяженные? Почему активность Солнца изменяется периодически с периодом около 11 лет? Что вызвало гибель динозавров? Отчего нас так пугают ослепительные вспышки молний, оглушительные удары грома, неистовые землетрясения, разбушевавшиеся вулканы? Отчего во время шторма возникает «девятый вал»? Почему цунами — столь грозная стихия? Почему рельеф снежных заносов волнистый? Почему у ягуара тело пятнистое, а хвост полосатый? И что объединяет эти совершенно не связанные между собой явления? Оказывается, все они — результат нелинейности.



  • ...Технология плазменных ускорителей развивается семимильными шагами. Многие принципиальные проблемы уже решены, но создание конкретных устройств пока сопряжено с серьезными трудностями. В частности, инженерам еще предстоит повысить эффективность ускорителя (долю энергии ведущего импульса, которая передается ускоряемым частицам), точность настройки пучков (в точке столкновения они должны быть выровнены с точностью до единиц нанометров) и частоту повторения рабочих циклов (количество импульсов, ускоряемых за единицу времени). Плазменные установки могут ускорять и более тяжелые частицы, например, протоны. Однако тут есть одно важное требование: вводимые частицы должны двигаться почти со скоростью света, чтобы не отстать от плазменной волны. Это означает, что энергия ускоряемых протонов должна быть не меньше нескольких ГэВ...

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3


  • Очевидные успехи в развитии науки и техники в XIX и ХХ веках вызвало в мировом общественном сознании некую эйфорию, уверенность в том, что человек стал властелином Природы, что его знания об устройстве окружающего Мира почти абсолютны, что человек может все. И действительно, изобретение в конце 18 века паровой машины существенно изменило жизнь общества, в значительной мере освободив его от утомительного физического труда, заложило основы современной промышленности и транспорта. Постулирование Исааком Ньютоном на рубеже 17 и 18 веков его трех принципов движения материальных тел и закона всемирного тяготения, создание начал дифференциального исчисления вызвало к жизни целый ряд научных открытий. Трудами нескольких поколений ученых в 18-19 столетиях была построена научная дисциплина, очертившая основы машиностроительной и технологической культуры нашей цивилизации, называемая сегодня теоретической механикой. Далее последовали фундаментальные открытия в области астрономии, физики, химии, получившие выход в различные области технических приложений — металлургию, строительство, транспорт, химическое производство, энергетику, судостроение, электротехнику, проводную и беспроводную связь, военное дело. Быстро развивались биология и медицина.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4
    • 5


  • ...Состояние в сверхпроводнике 1-го рода, когда сверхпроводящие домены соседствуют в материале с нормальными областями, называется промежуточным. Такое состояние может возникать при значениях индукции приложенного поля, лежащих в интервале (1–D)Bc < B < Bc, где размагничивающий фактор D определяется формой образца. Интервал изменения размагничивающего фактора — от нуля (для длинного цилиндра или тонкой пластины в параллельном поле) до единицы (для плоскопараллельной пластины в случае, когда поле приложено перпендикулярно ее поверхности)...

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4
    • 5
    • 6


  • Около 40 лет назад ученый В. Веселаго предположил, что существуют материалы, у которых показатель преломления имеет отрицательную величину. Световые волны в таком веществе могут передвигаться против движения распространения светового луча и вести себя нестандартно. Линзы, которые изготовлены из такого материала, — иметь чуть ли не волшебные характеристики. Но Веселаго в процессе своей работы и многолетних поисков не обнаружил ни одного вещества, имеющего подходящие электромагнитные свойства, у всех исследованных им материалов показатель преломления оказался положительным. Потому о его идее вскоре забыли. Вспомнили о ней только в начале 21 века.

    • Страницы
    • 1
    • 2


  • Известно, что в состав топлива входят такие горючие элементы, как углерод, водород и сера. Поэтому на основе предположения о том, что данные компоненты в топливе имеют вид смеси, можно осуществить подсчёт теплотворной способности данного топлива, как суммы компонентов смеси.



  • Термин «фотополимер» традиционно связывают со стоматологами, а также с чем-то инновационным и надежным. Первая волна моды на эти материалы, похоже, прошла, но вскоре, очевидно, сменится второй. Пока сдерживающим фактором выступают дороговизна или неразвитость производства компонентов. Но как не раз было в производстве пластмасс, подобные затруднения иногда решаются одним патентом в течение полугода, после чего идет рост популярности материала.

    Теоретические вопросы фотополимеризации композиций изобилуют спецтерминами. Наиболее уместно разделить их на фотосшиваемые и фотополимеризуемые материалы. Фотосшиваемые материалы уже являются полуполимерами (например, эфиры ПВС и коричной кислоты, поливинилциннаматы), для окончательного сшивания которых требуется облучение. Фотополимеризующиеся — как правило, композиции нескольких отверждаемых олигомеров и мономеров, полимеризующихся по классическому механизму при помощи фотоинициаторов или фотоинициируемых групп в своей полимерной цепи.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4