№ 2
ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА
2008
УДК.537.224:533.98
© 2008 г. НИКИТИН А.И., ВЕЛИЧКО A.M., НИКИТИНА Т.Ф.
ПРИНЦИПЫ ПОИСКА УСЛОВИЙ СОЗДАНИЯ УПОРЯДОЧЕННЫХ ПЛАЗМЕННЫХ СТРУКТУР
Разрабатана модель шаровой молнии, согласно которой она рассматривается как гетерогенная структура, состоящая из энергетического ядра и диэлектрической оболочки. Энергия в системе накапливается в виде кинетической энергии протонов и энергии электрического и магнитного поля ядра. Причиной излучения шаровой молнии служит синхротронное излучение релятивистских электронов. Упорядоченная плазменная система может образоваться вблизи изгиба канала линейной молнии благодаря формированию в воздухе вакуумной полости, разделению и ускорению зарядов, потери части отрицательного заряда и созданию оболочки из капель воды.
Введение. Известно, что в открытых диссипативных термодинамических системах, к которым можно отнести шаровую молнию (ШМ), возможно развитие процессов самоорганизации [1]. Согласно наблюдениям, некоторые свойства ШМ можно объяснить тем, что в ее состав входят электрические заряды. Поэтому возможно, что вещество шаровой молнии может представлять собой некий вид высокоупорядоченной плазмы. Поскольку природа, бесспорно, нашла способ образования такого вида плазмы, можно попытаться найти аналогичный способ создания ШМ в лаборатории. Можно экспериментировать с электрическим разрядом в воздухе, варьируя условия эксперимента (энергию, напряжение и форму импульса тока, состав и влажность газа и т. п.), в надежде, что удастся в результате эмпирически найти условия, аналогичные условиям ее образования в природе. Однако этот путь может оказаться очень длинным и очень дорогим. Более того, он не гарантирует полного успеха, так как всегда остается сомнение, что в организации разряда не учтены какие-то детали, которые могут оказаться определяющими. Более предпочтительна попытка "угадать" структуру долгоживущего плазменного образования и направить эксперимент на создание такого объекта. Именно такой способ изучения устройства шаровой молнии предлагается в настоящей статье.
1. Основные свойства природных шаровых молний
Предположив, что упорядоченное долгоживущее плазменное образование может оказаться похожим на природную шаровую молнию, начнем изложение с перечисления основных свойств шаровой молнии. Данные об этих свойствах были получены при наблюдении за ШМ, которые проводятся более 150 лет. В настоящей работе сведения о свойствах ШМ взяты из публикаций [1-20].
Форма, структура, размеры
- Шаровая молния чаще всего имеет форму правильной сферы, иногда - форму эллипсоида, ленты, стержня.
- Она способна изменять и затем восстанавливать форму.
- Часто она выглядит как твердое тело с оболочкой.
- Толщина оболочки может составлять несколько сантиметров.
- Поверхность оболочки может быть гладкой, иногда на ней наблюдаются выступы, острия, иглы, меняющие форму.
- Иногда край поверхности ШМ кажется диффузным.
- На месте гибели ШМ иногда находят остатки желеобразного вещества, которое впоследствии испаряется [21].
- Иногда сквозь оболочку наблюдается движение внутренних частей ШМ.
- Она может делиться на части и собираться из частей.
- Размеры ШМ могут составлять от сантиметра до нескольких десятков метров.
- Средний диаметр шаровой молнии - 20 см.
Характер возникновения и гибели, время жизни
- Шаровая молния возникает практически мгновенно.
- В подавляющем числе случаев ШМ появляется при разрядах линейной молнии.
- Описан случай, когда ШМ была выброшена из места резкого изгиба очень яркой ветвистой молнии [3. С. 52].
- Иногда ШМ возникает при ударе линейной молнии в землю, в линии электропередачи.
- Во время гроз при наличии открытых воздушных электропроводок (силовых, телефонных) ШМ появляется внутри изолированных помещений из телефонных аппаратов, электрических розеток, патронов электрических лампочек, клемм электрических и радиотехнических приборов.
- Часто процесс образования ШМ указанным способом выглядит как вытекание из отверстия (например, розетки) одного или нескольких светящихся шнуров, которые впоследствии собираются в шар.
- Шаровая молния может существовать от нескольких секунд до нескольких минут.
- Среднее время жизни ШМ - 10 с.
- В течение жизни размеры ШМ и интенсивность излучаемого ею света остаются практически неизменными.
- Шаровая молния может тихо угаснуть, не оставив следов.
- Она может взорваться с выбросом языков пламени, оставляя после себя разрушения, дым и следы копоти.
- Взрыв может проявляться как истинный взрыв и как схлопывание вакуумной полости.
Последствия воздействия шаровой молнии на объекты, оценки ее энергии
- Описано несколько случаев, когда ШМ, попав в сосуд с водой, нагрела в нем воду до кипения и поддерживала кипение в течение нескольких минут. По этим данным была оценена энергия, запасенная внутри ШМ: 10 МДж [22], 260 МДж [5] и 2300 МДж [23].
- Описан случай, когда ШМ перед гибелью спекла 0,4 м3 влажной почвы, ее энергия была определена в 1000 МДж [24].
- В подавляющем числе случаев энергия ШМ не достигает указанных экстремальных значений и в среднем составляет 20 кДж [8].
- Иногда следы, оставленные ШМ, можно объяснить протеканием больших токов (происходит плавление проводников, намагничивание стальных предметов).
- Часто результаты повреждений, вызванных ШМ, трудно отличить от повреждений, оставленных обычной линейной молнией.
- Наблюдались случаи контакта ШМ с оконными стеклами, в результате которого из стекла выпадал круглый диск, размеры которого точно соответствовали размерам оставленного в стекле отверстия. Иногда центральный диск, оставшееся стекло или они оба не имели трещин.
Характер излучения энергии шаровой молнией
- Шаровая молния в течение жизни непрерывно теряет энергию.
- Часть энергии излучается в видимой части спектра, интенсивность свечения ШМ сопоставима с интенсивностью света лампы накаливания, питаемой мощностью 10 -100 Вт.
- Цвет излучения может быть любым - от красного до синего, включая и смесь цветов (вплоть до белого цвета).
- Иногда наблюдались "черные" ШМ, не излучающие в видимом диапазоне спектра.
- Цвет ШМ может быстро меняться.
- Часто перед гибелью ШМ ее цвет становится красным.
- Часто одинаковым цветом равномерно светится вся оболочка.
- Иногда на поверхности ШМ проявляются неоднородности интенсивности и цвета излучения ("бегающие огоньки").
- Иногда свет излучается в виде одного или нескольких узких конусов [11. С. 223, 25].
- Интенсивность свечения ШМ в течение ее жизни вплоть до гибели остается практически постоянной.
- В темное время суток вокруг ШМ наблюдается слабо светящийся ореол диаметром ~2 м.
- Часть энергии излучается в диапазоне коротких и средних радиоволн.
- На расстоянии > 1 м излучение ШМ не вызывает у наблюдателя ощущения тепла, которое должно чувствоваться от тела, нагретого > 1000 К (температуры красного каления).
- При близком контакте с кожей ШМ вызывает сильные ожоги.
Места появления, характер движения
- Шаровая молния наблюдалась на равнинах, в горах и на море.
- Она наблюдалась вблизи поверхности земли, а также с самолетов на больших высотах (7000 м).
- Она наблюдалась как на открытом воздухе, так и в помещениях, в т.ч. и герметически изолированных (в самолетах).
- Чаще всего появление ШМ связано с грозой.
- Иногда ШМ наблюдались в отсутствие грозы.
- Шаровые молнии часто возникают при смерчах, торнадо, землетрясениях и извержениях вулканов.
- Шаровая молния может двигаться в любом направлении со скоростью от 0 до 100 м/с (например, сопровождая самолет).
- Она может быстро изменять направление и величину скорости.
- Она может двигаться вдоль воздушных потоков.
- Она может двигаться против ветра.
- Шаровая молния может двигаться вдоль проводников, находясь от них на расстоянии 30-100 см.
- В самолете ШМ обычно движется вблизи оси фюзеляжа от носа к хвосту с постоянной скоростью.
- Шаровая молния может пройти через оконное стекло, вырезав в нем круглое отверстие с острыми краями.
- Шаровая молния может пройти сквозь стекло, не повредив его (к сожалению, сведений о том, какие малозаметные изменения при этом могли произойти в стекле, не сообщается).
- Шаровая молния может проходить сквозь отверстия и щели в диэлектриках (оконных рамах и стеклах), размер которых (0,5-1 см) меньше ее диаметра. При этом
она изменяет свою сферическую форму и, перетекая сквозь отверстие, вновь восстанавливает форму на другой стороне препятствия.
- Шаровая молния иногда вращается.
- Шаровая молния, двигаясь вдоль ствола дерева, может отщепить от него полосу коры [26].
- ШМ иногда движется прыжками, отскакивая от препятствий и земли.
- В домах с печным отоплением она часто попадает в помещение через дымовые трубы.
Физические и химические свойства шаровой молнии
- Иногда ШМ движется бесшумно.
- Иногда она издает шипящий или свистящий звук.
- Иногда ее появление сопровождается едким запахом, напоминающим горящую серу.
- В следе ШМ обнаружены озон и окислы азота.
- У ШМ отсутствует заметное магнитное поле.
- Шаровая молния может поднять в воздух магнит (массой ~1 кг) или стальную клетку (массой ~100 кг) и переместить их на расстояние от 10 до 100 м [5, 27].
- Шаровая молния способна испарять кольцевые металлические предметы (кольца, браслеты, золотые цепочки). При этом на теле человека обычно остается темный след испаренного металла [5].
- При пролете ШМ над головой человека у него поднимаются волосы. В экспериментах с высоковольтными электростатическими генераторами подобный эффект наблюдается, если человек заряжен до потенциала 300 кВ [28. С. 179].
- Характер электрического поражения людей ШМ похож на результат поражения током линейной молнии, однако вероятность летального исхода для первой ниже.
- Смертельный исход при поражении ШМ животных выше, чем при поражении людей.
- Описано несколько случаев, когда у людей, оказавшихся вблизи места взрыва ШМ, появились симптомы лучевой болезни.
2. Принципы создания модели шаровой молнии
Перечисленные свойства ШМ позволяют сделать выводы об отдельны
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.