Интернет-журнал "Домашняя лаборатория", 2007 №11

Журнал «Домашняя лаборатория»

Шаровая молния иногда убивает животных и людей. Общеизвестно, что живые организмы хорошо проводят электрический ток. Если взрыв шаровой молнии — это мощный электрический разряд, то, как следствие, в близлежащих проводниках на водятся значительные вихревые токи, которые при неблагоприятных обстоятельствах могут убить живой организм. То же самое происходит и с металлическими проводниками. Если шаровая молния взрывается вблизи проводника или при его касании, то наведенными токами мелкие детальки могут расплавиться, а у больших — возникают оплавленные раковины.

Говорят, что из взрывающейся молнии вылетают маленькие линейные молнии. Такие наблюдения подтверждают электрическую природу шаровой молнии. Очевидно, при взрыве видят вспышку электрического пробоя конденсатора; или же вслед за взрывом действительно между распыленными ионными и электронными облачками или землей возникают небольшие линейные молнии.

По поводу свечения и цвета шаровой молнии. На свечение шаровых молний во многом оказывает влияние наличие в ее плазме возбужденных молекул и атомов воздуха,

которые при возвращении в основное состояние испускают дискретное и рекомбинационное излучения. Так, возбужденные атомы кислорода, возвращаясь в основное состояние, высвечивают зеленую и красную линии спектра. Возбужденные молекулы азота высвечиваются темно-красным светом. А ионизованные молекулы азота при рекомбинации высвечиваются синими и фиолетовыми линиями спектра. Поэтому в течение жизни шаровой молнии спектр линейчатого излучения плазмы испытывает изменение от белого цвета до темно-красного. (Основные цвета: красный + зеленый + синий образуют белый цвет; синий + зеленый образуют голубой цвет; красный + зеленый = желтый цвет; красный + синий = пурпурный цвет) [1, стр. 161; 6, стр. 213].

Вихреподобная модель шаровой молнии

Между плазмой и газом (воздухом) нет резкой границы. Плазма подчиняется газовым законам и во многих отношениях ведет себя как газ. Плазменные вихревые кольца в виде тороидов могут образоваться у торцов линейной молнии и без участия ее кругового магнитного поля; то есть так, как они образуются из воздуха, если небольшую порцию воздуха (для наблюдения подкрашенного дымом) вытолкнуть из какой-нибудь полости через небольшое отверстие [7, стр. 13…24]. Такие вихревые кольца, наверное, многие наблюдали при взрывном выхлопе отработанного газа у автомашин или тракторов. Был даже проект забрасывать дымы заводов высоко в атмосферу при помощи таких вихревых колец большого размера, поскольку самые высокие трубы этого не обеспечивают.

Для получения и демонстрации воздушных вихревых колец используют очень простое устройство: обычный ящик, у которого с одной стороны имеется отверстие диаметром 3…5 см, а с противоположной — тугая мембрана из кожи или клеенки. Резким, коротким ударом по мембране сообщают прилегающему слою воздуха некоторую скорость. Этот слой, придя в движение, вызывает уплотнение соседнего слоя, тот — следующего и так далее, когда уплотнение дойдет до отверстия, из него наружу вырвется струя воздуха. В движущейся струе воздуха давление меньше, чем в покоящемся воздухе, находящемся снаружи непосредственно за кромками отверстия, и оттуда произойдет его засасывание в струю. Одновременно движущаяся струя упрется в покоящийся воздух по фронту, несколько уплотнит его, а сама при этом радиально растечется в стороны и далее назад к кромкам отверстия в образовавшееся разрежение воздуха, ушедшего в струю. Таким путем происходит завихрение воздуха в виде тороида. Кроме завихрения тороид получает импульс движения вперед и улетает от отверстия на десятки метров. (Еще раз надо отметить, что удар по мембране должен быть очень коротким, иначе струя воздуха раздвинет впереди покоящийся воздух и тороид не получится.)

Нечто подобное может происходить и при разряде линейной молнии. На торце линейной молнии, упирающейся в землю, возникает клубок из плазмы. При последующих импульсах этого же разряда молнии возникают условия, сходные с условиями образования воздушных тороидальных вихрей. Плазма, вытолкнутая из канала очередного импульса молнии, встретив препятствие со стороны клубка плазмы, заворачивается в тороид. В первые мгновения все тело тороида состоит из вращающихся колец заряженных частиц. Вокруг каждой из них тут же возникает магнитное поле, и, следовательно, вдоль всего тороида возникает продольное магнитное поле. А те кольца заряженных частиц, которые оказались не строго перпендикулярно к полю, а под углом к нему, мгновенно разворачиваются в ларморовские спирали. Столкновения с другими частицами приводят к тому, что вскоре и основная масса заряженных частиц движется по ларморовским спиралям. Вслед за продольным возникает поперечное магнитное поле. Оба магнитных поля стягивают тороид в овал, отграничивают плазму от внешней среды и в результате образуется шаровая молния. И в этом втором варианте образования шаровой молнии ионы кислорода и азота движутся по спиралям большого радиуса, образующим внешнюю оболочку молнии, а протоны и электроны движутся по спиралям малого радиуса внутри широкой ионной спирали. Далее в результате дрейфовых перемещений в образовавшемся магнитном поле может произойти разделение зарядов и образование электрического конденсатора, то есть во втором варианте образования шаровой молнии происходит все так же, как в первом.

Шаровая молния — генератор колебаний

Пожилые связисты, наверное, помнят, что начальный период в развитии радиотехники связан с использованием в ней плазмы. На заре радиотехники главным элементом в радиопередатчиках была плазма. Это она сначала в виде искрового разряда, а затем в виде дугового разряда обеспечивала в те времена работу довольно мощных (до 1000 кВт) радиопередатчиков.

В [3, стр. 864] приведена вольт-амперная характеристика электрического разряда в газах, где имеется участок, приобретающий падающий характер. В этом месте разряд в газе получил название дуговой. Дуговой разряд характерен тем, что при увеличении тока, проходящего через плазму, не увеличивается падение напряжения на ее сопротивлении, а наоборот — уменьшается. То есть при дуговом разряде плазма

обладает «отрицательным» сопротивлением. «Отрицательное» сопротивление дугового разряда, включенного в колебательный контур, суммируется с «положительным» сопротивлением контура и в результате общее сопротивление контура оказывается равным нулю или слегка «отрицательным». В этом случае колебания в контуре будут обязательно незатухающими, что и обеспечивало работу старинных радиопередатчиков.

Дуговой разряд хорошо горит при атмосферном давлении. В этой связи возникает мысль: не является ли шаровая молния сама генератором электромагнитных незатухающих колебаний, генерируемых некоторое время по вышеуказанному принципу. Вполне может оказаться, что разряд линейной молнии в землю — это и есть дуговой разряд. Вытолкнутые из дугового раскаленного клубка плазмы шаровые молнии, пока не остыли, сохраняют некоторое время свойства дугового разряда. А по предложенной идее шаровая молния является тороидальным плазмоидом, сжатым в овал, а в нем к этому времени уже образовался конденсатор, появление которого приведет к возникновению незатухающих электромагнитных колебаний, так как колебания не встречают сколько-нибудь заметного сопротивления. Некоторое время стационарность колебаний будет обеспечиваться взаимной компенсацией образования и потерь (рекомбинаций) заряженных частиц в плазме. Если колебания, не затрачивая энергии на преодоление сопротивления, чрезмерно возрастают, то шаровая молния взрывается из-за пробоя конденсатора. В остальных случаях она тихо угасает. Но при этом продолжительность жизни шаровой молнии будет все-таки больше теоретической, на что и указывают их наблюдатели.

Колебательные системы и резонанс

По поводу возникновения шаровых молний или плазмоидов на проводах антенн, в розетках, в телефонах и пр.

По работе мне приходилось участвовать в наладке и настройке (после монтажа) мощных радиопередатчиков от 20 до 100 кВт излучаемой мощности. Самой трудной задачей являлось устранение обнаруженных так называемых паразитных колебаний в выходных (оконечных) усилителях мощности. Их выявление производилось изменением параметров колебательного контура по всему рабочему диапазону. В усилителе мощности устанавливался обычный рабочий режим, но возбуждающий сигнал с предоконечного усилителя на вход мощного не подводился. Иногда почти или при полностью закороченной катушке индуктивности и минимальной емкости в мощном усилителе возникало самовозбуждение и сопровождалось появлением овального плазмоида величиною побольше грецкого ореха бело-голубого цвета. Плазмоид перемещался по закороченным виткам катушки, а также перескакивал и на металлические опорные конструкции.

Эти наблюдения наводят на мысль о том, что в грозу при громадных электрических полях и потенциалах между тучей и землей вполне возможно возникновение мощных электромагнитных колебаний, которые могут вызвать образование плазмоидов, живущих десятки секунд.

Во время грозы в атмосфере создаются все условия для образования параметрических колебательных контуров, которые могут генерировать электромагнитные колебания. Их может быть несколько или один мощный. В параметрическом контуре обкладками конденсатора служат нижняя поверхность тучи и поверхность земли. Роль индуктивности выполняет распределенная проводимость атмосферы. По данным [1, стр. 96…97] емкость атмосферного конденсатора может составить до 0,15 мкФ. Разность потенциалов между тучей и землей бывает порядка 10⁹ В, а энергия, запасенная в конденсаторе, может составить 7,5•10¹⁰ Дж. Во время грозы его емкость непрерывно меняется, поскольку непрерывно меняется по высоте нижняя поверхность тучи, да и электронный слой в туче также меняет свою высоту. Проводимость атмосферы тоже меняется. Таким образом, в грозу параметры в атмосферном параметрическом колебательном контуре (по большей части в конденсаторе) непрерывно изменяются около некоторых средних значений, чем обеспечивается раскачка колебаний в контуре и поддержание в нем параметрического резонанса [3, стр. 520]. Параметрический резонанс возникает в результате малых начальных возмущений, неизбежных во всякой системе флуктуаций, среди которых всегда найдется составляющая с подходящей фазой по отношению к фазе изменения параметров, что приводит к самовозбуждению колебаний. В отсутствии потерь энергии самовозбуждение наступает при сколь угодно малом изменении параметров. Можно ожидать, что в атмосферном параметрическом колебательном контуре потери энергии явно невелики и его самовозбуждение происходит при небольших изменениях параметров контура, то есть накачка энергии заведомо превосходит потери в контуре. По-видимому, не последнюю роль в самовозбуждении параметрического контура играют и разряды линейных молний, вызывающие сильную встряску и атмосферы, и изначально существующего электромагнитного поля, занимающего все пространство, да и физического вакуума, наконец.

Грозовая туча, как правило, не бывает в виде сплошного монолита. Она состоит из нескольких частей грозовых облаков, поэтому в грозу могут образовываться несколько параметрических контуров между землей и этими облаками. Каждый из параметрических контуров возбуждается на своей собственной частоте, ибо у каждого свои отличные от других параметры и изменяются они около некоторых средних значений по своему случайному закону. Однако части грозовой тучи, а следовательно и параметрические колебательные контура оказываются связанными между собой через небольшие емкости (конденсаторы). Значения этих емкостей непрерывно изменяются, поскольку непрерывно меняется скорость перемещения частей тучи относительно друг друга.