ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2014, том 54, № 1, с. 124-133
УДК 551.594
РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ СПЕКТРА РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ ИСКУССТВЕННЫХ ШАРОВЫХ МОЛНИЙ И ПРОВЕРКА ГИПОТЕЗЫ ОБ ИХ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКОЙ ПРИРОДЕ © 2014 г. В. В. Копейкин
Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН
(ИЗМИРАН) г. Москва, г. Троицк
e-mail: kopeikin@izmiran.ru Поступила в редакцию 27.04.2012 г. После доработки 19.09.2013 г.
Приведены результаты измерений спектра радиоволн, излучаемых искусственными шаровыми молниями. Измерения проводились на двух различных установках: на генераторе импульсного напряжения (ГИН) и на трехконтурном трансформаторе Теслы. Результаты этих измерений подтверждают гипотезу о том, что шаровая молния — это автогенератор высоковольтных импульсов радиочастотного диапазона.
DOI: 10.7868/S0016794014010064
1. ВВЕДЕНИЕ
Шаровую молнию относят к проявлениям атмосферного электричества, поскольку в природе она чаще всего наблюдается в грозу, после разряда линейной молнии.
По всей видимости, впервые искусственную шаровую молнию получил Никола Тесла в 1899 г. в своей лаборатории в Колорадо Спрингс. Описание установки было найдено в его лабораторных тетрадях, и она была воспроизведена в 1988 г. братьями Кеннетом и Джеймсом Корумами, членами общества памяти Николы Теслы в Нью-Йорке [Корум и Корум, 1990].
После экспериментов с установкой Теслы авторы пришли к выводу, что возникающие долго-живущие (единицы и десятки секунд) светящиеся образования есть не что иное, как шаровые молнии, идентичные наблюдаемым в природе, и что Николе Тесле в свое время их действительно удалось получить.
Мы также воспроизвели установку Теслы по описаниям, опубликованным в научной печати Корумами, провели с ней эксперименты и присоединяемся к высказанному ими заключению: установка Теслы генерирует искусственные шаровые молнии.
Получив их на трехконтурном трансформаторе, одна из вторичных обмоток которого настроена на вторую гармонику основного колебания, Никола Тесла, с нашей точки зрения, до конца не понял физическую природу явления. Он предполагал, что шаровая молния — это горение органических веществ, в его случае — горение резиновой изоляции кабелей трансформатора.
В опубликованной в УФН статье братья Кору-мы также придерживаются гипотезы о химической природе шаровой молнии, хотя их собственные эксперименты, например, с прохождением молнии через оконное стекло, никак не укладываются в эту гипотезу.
Основная цель настоящей работы — измерение спектров радиоизлучения на двух различных установках, генерирующих искусственные шаровые молнии.
2. ГИПОТЕЗА О ПЛАЗМОХИМИЧЕСКОЙ ПРИРОДЕ ШАРОВОЙ МОЛНИИ
Нами высказана плазмохимическая гипотеза о природе шаровой молнии, в соответствии с ней первой составной частью шаровой молнии является автогенератор высоковольтных импульсов, который возникает в неравновесной азотно-кис-лородной плазме (в воздухе) при определенных соотношениях между величиной магнитного поля и скоростью электронов. Инициирующее магнитное поле природной шаровой молнии возникает в результате разряда обычной линейной молнии. В этих условиях генерируется нелинейная плазменная волна (волна Холла), идущая от центра молнии к ее внешней оболочке.
В процессе распространения волны растет амплитуда магнитного поля и крутизна его фронта, что приводит к появлению больших электрических полей. Возле границы плазмы волна исчезает, а часть ее энергии переходит в импульс кольцевого тока. Этот импульс возбуждает внутри молнии новое магнитное поле, которое служит исходным для возникновения очередной плазменной волны. При определенных условиях этот
Рис. 1. Сечение сфероидальной шаровой молнии.
Рис. 2. Сечение тороидальной шаровой молнии.
процесс может повторяться бесконечно долго. Здесь существуют две основные составляющие автогенератора: положительная обратная связь через кольцевой ток и линия задержки, которую представляет собой плазма как среда распространения нелинейной электромагнитной волны. Энергия, поддерживающая плазменную волну — это тепловая энергия электронов.
Схема распространения плазменной волны и протекания кольцевого тока для возможных конфигураций шаровой молнии — сфероидальной и тороидальной — показана на рисунках 1 и 2. Магнитное поле для обоих рисунков перпендикулярно плоскости сечения.
Второй составной частью шаровой молнии является плазмохимический реактор, возникающий на ее внешней оболочке. В холодной неравновесной плазме под действием высоковольтных импульсов нелинейной электромагнитной волны происходит колебательное возбуждение молекул и плазмохимическая реакция окисления азота воздуха с выделением энергии. Часть ее расходуется на разогрев электронов, поддерживающих плазменную волну, остальная часть в виде светового и радиоизлучения уходит во внешнее пространство [Копейкин, 2010].
Информацию о том, что азот воздуха при некоторых условиях окисляется с выделением энергии, можно найти, например, в Интернете [http:// ru.wikipedia.org/wiki/].
Оксид азота (2) — единственный из окислов азота, который можно получить непосредственно из свободных элементов соединением азота с кислородом при высоких температурах (1200— 1300°C) или в электрическом разряде. В природе он образуется в атмосфере при грозовых разрядах (тепловой эффект реакции —180.9 кДж/моль):
N2 + O2 ^ 2NO и тотчас же реагирует с кислородом 2NO + O2 ^ 2NO2.
Важным фактом, подтверждающим справедливость предположения о том, что энергию шаровая молнии получает из реакции окисления азота, служат результаты химического анализа следа природной шаровой молнии, пробы которого удалось взять М.Т. Дмитриеву. В результате анализа было обнаружено превышение концентрации двуокиси азота в 110 раз, озона — в 52 раза по отношению к обычному воздуху. Никаких дополнительных химических веществ в пробах обнаружено не было [Дмитриев, 1969].
Насколько нам известно, теории протекания плазмохимической реакции окисления азота пока не существует. Но, тем не менее, понятно, что она происходит в холодной неравновесной плазме при колебательном возбуждении молекул. Как для азота, так и для кислорода максимальная энергия, передаваемая электронами на колебательный уровень возбуждения молекул, наблюдается при их собственной энергии в 1 эВ. Исходя из этого, можно вычислить напряженность электрического поля, необходимую для эффективного протекания плазмохимической реакции в нормальных условиях, 2.7 МВ/м.
Изложенная выше гипотеза о природе шаровой молнии, основой которой служит плазменная волна Холла, пока может быть использована, в основном, лишь для качественного описания физико-химических процессов в ней. Объясняется это тем, что многие параметры разряда и его динамика остаются неясными, а потому количественная модель малоинформативна. Это касается, прежде всего, процесса окисления азота. Необходимость задания целого ряда параметров модели, к настоящему времени не известных, приводит к необходимости ничем не обоснованного выбора их значений.
3. ЧИСЛЕННЫЙ РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ПЛАЗМЕННОЙ ВОЛНЫ
Нелинейное волновое уравнение для магнитного поля в идеальной плазме [Копейкин, 2005,
0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06
X, т
Б, Т 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2
0
Б, Т 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2
0
Б, Т 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06
X, т
г = 0
г = 50 п
0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06
X, т
г = 100 п
Е, У/т 40 30 20 10 0 10 20 30 )
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05
Е, У/т 70 60 50 40 30 20 10 0 10 20 )
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05
Е, У/т 600
500
400
300
200
0.06 X, т
0.06 X, т
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05
0.06 X, т
Рис. 3. Численный расчет индукции магнитного и напряженности электрического поля в нелинейной плазменной волне.
2010], получено при рассмотрении траекторий столкнувшихся с нейтральными частицами электронов, движущихся по ларморовским орбитам под действием поля самой волны. Уравнение для Вг — компоненты вектора магнитной индукции имеет вид
дВ. - кВ дг 1
В-дВл
ч дх ду
= 0.
(1)
Электрическое поле описывается следующим уравнением:
Е = К В
^ 1х + дВ 1
V дх ду
(2)
Здесь К1 и К2 — коэффициенты, определяемые параметрами плазмы, 1х и 1у — единичные векторы по осям х и у.
Т
г
Рис. 4. Последовательность импульсов во времени.
Рис. 5. Спектр последовательности.
Численный расчет уравнений для магнитного (1) и электрического (2) полей в различные моменты времени приведен на рис. 3. Из рисунка следует, что в процессе движения крутизна левого фронта нелинейной магнитной волны растет, и возникают большие величины напряженности электрического поля.
Плазменный автогенератор шаровой молнии вырабатывает последовательность коротких высоковольтных импульсов, параметры которых однозначно связаны с характером их спектра (рисунки 4—5).
4. ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСНОГО НАПРЯЖЕНИЯ (ГИН)
Установка ГИН, показанная на рис. 6, разрабатывалась специально для проверки плазмохими-ческой гипотезы о природе шаровой молнии.
Ее основные параметры:
1. Выходное напряжение 160 КВ
2. Энергия импульса 8 Дж
3. Частота повторения импульсов 1 КГц
4. Длительность пачки до 1 с.
Рис. 6. Внешний вид установки ГИН.
Параметры установки выбирались исходя из условия колебательного возбуждения молекул азота и кислорода в неравновесной плазме и из условия существования нелинейных волн Холла. Фотография шаровой молнии, полученной на установке ГИН, приведена на рис. 7.
5. ТРЕХКОНТУРНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР ТЕСЛЫ
Параметры трансформатора: число витков обмоток, индуктивности и емкости контуров соответствуют опубликованным в научной печати [Корум и Корум, 1990]. Его внешний вид приведен на рис. 8. Фотография шаровой молнии, полученной на трансформаторе Теслы, показана рис. 9.
6. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Напряженность поля инициирующего электрического разряда, при котором появление шаровой молнии имеет максимальную вероятность, лежит в диапазоне 2—3 МВ/м, что соответствует нашим теоретическим оценкам, а также результатам Корумов.
Измерения радиочастотного излучения проводились вертикальным широкополосным диполем, расположенным на удалении 4 м от зоны существования шаровых молний как д
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.