Экспериментальное моделирование с помощью импульсного электрического разряда в воздушное полупространство лидера линейной молнии и шаровой молнии

экспериментальное Моделирование с помощью импульсного электрического разряда в воздушное полупространство лидера линейной молнии и шаровой молнии.

, ,

Петербургский институт ядерной физики им. РАН

188300 Ленинградская область, г. Гатчина, Орлова роща

*****@***ru; *****@

В 2000 году в ПИЯФ РАН, г. Гатчина открыт новый вид разряда. На основе этого разряда смоделирован лидер линейной молнии и получена лабораторная шаровая молния со временем жизни до 1с. Она поднимается вверх, имеет диаметр 12-14 см и 100% воспроизводима по геометрическим, оптическим, электрическим параметрам и похожа на природную шаровую молнию. Установка для получения объекта проста в эксплуатации: сменный электрод выдерживает несколько сотен «выстрелов» без замены, напряжение, подаваемое на разрядный промежуток, может меняться в достаточно широком интервале, изменение внешних условий (атмосферное давление, влажность, температура воздуха) практически не влияют на параметры объекта. Полученные данные позволили сформулировать гипотезу происхождения шаровой молнии и на основе этой гипотезы найти связь между основными параметрами средней шаровой молнии и средним потенциалом, доставляемым к земле, лидером линейной молнии. Проведённые исследования помогли определить основные требования к установке по генерации лабораторных шаровых молний со временем жизни 3-5с.

1. Введение

Экспериментально получено автономное долгоживущее светящееся образование (СО), которое формируется с помощью искусственно воспроизведенного лидера линейной молнии. Мы считаем, что полученный объект и шаровая молния (ШМ) имеют идентичные механизмы существования.

ШМ — это интересное и сложное образование [1]. В СССР систематический сбор наблюдательных данных о ШМ был организован . Это был исключительно важный шаг в решении проблемы изучения ШМ, так как статистика, основанная на большом количестве наблюдений (в настоящее время существует несколько десятков тысяч наблюдений ШМ), перешла в новое качество, — стала научно обоснованной [2]. Сейчас можно констатировать: «…массив данных о свойствах природных шаровых молний уже вполне достаточен для выработки критериев построения правильной модели этого явления» [3].

Вторым важным этапом в исследовании ШМ стало создание её наблюдательной модели. «Модель имеет собирательное значение и может служить основой при анализе природы шаровой молнии» [1], — наблюдательная модель имеет большую научную ценность.

Долгое время моделирование ШМ как «целое» [1], в лабораторных условиях, не приводило к успеху. Иногда удавалось получать СО в воздухе, — некие объекты, которые исследователи считали аналогами ШМ. Из-за отсутствия воспроизводимости эти эксперименты не позволили углубить наши представления о природе ШМ [1-3].

Мы считаем, что положение изменилось после описания СО в [4], которое создаётся импульсным электрическим разрядом в воздушное полупространство. Этот объект впервые оказался 100% воспроизводимым и удобным для проведения экспериментов с ним, так как существует сотни миллисекунд после окончания разряда и наблюдается всё это время визуально. Сравнение свойств СО и свойств природной ШМ [4,5] позволило сделать заключение, что полученное СО имеет практически все свойства ШМ. Таким образом, 100% воспроизводимое СО можно интерпретировать как лабораторную шаровую молнию (ЛШМ).

Участник подобных исследований [6] отмечает, что существуют определённые представления о направлении и конечных результатах исследований, и бывает очень трудно преодолеть связанное с этим предубеждение: «Беспристрастная оценка лабораторных экспериментов, предпринимаемых для исследования образования шаровой и четочной молний, оказывается очень трудной» [6]. Более того, Анри Пуанкаре считал, что и сам эксперимент, без предшествующей ему предвзятой идеи, бесплоден. Восприятию предлагаемой в данной работе модели ШМ может мешать груз собственных представлений, сформированный существующими в настоящее время сотнями гипотез ШМ [3].

2. Эксперимент. Гипотеза строения шаровой молнии. Преемственность эксперимента и гипотезы с имеющимися в литературе данными.

Схема и описание экспериментальной установки приведены в [7]. Установка проста — достаточно описания в [4] или [5], чтобы её собрать.

Основа установки — конденсаторная батарея ёмкостью 0,6 мФ, заряжаемая до 5,5-6,0 кВ. Разряд инициируется с графитового электрода диаметром 6 мм, выступающим над поверхностью воды на высоту 2-3 мм путем замыкания разрядника. Боковые поверхности электрода изолированы от воды кварцевой трубкой. Кольцевой электрод противоположной полярности (анод) находится в воде на глубине 15 см. После подключения конденсаторной батареи к разрядному промежутку по поверхности воды распространяется скользящий разряд, и с электрода, расположенного над водой, появляется струя, направленная вверх. На 80-ой мс разрядник размыкается (остаточное напряжение 3 кВ) и струя, оторвавшись от электрода, формируется в ЛШМ. Обычно на 60-100 мс визуально ЛШМ смотрится как желеобразное тело, иногда ЛШМ может принимать форму идеального шара. В первых экспериментах электрод выполнялся из стали (диаметром 2,2 мм) и был утоплен в миниатюрную кварцевую воронку. С момента образования ЛШМ, при использовании железного электрода, до момента полного её исчезновения проходит около 1 секунды. Но конструктивно электрод был неудобен: он плохо уплотнялся в кварцевой воронке и часто выходил из строя (через 5-10 выстрелов). В связи с этим, стальной электрод был заменён графитовым (диаметром 5,9 мм). Он легко уплотнялся в кварцевой трубке, имеющей внутренний диаметр 6,0 мм. В результате объект незначительно потерял в продолжительности времени свечения, но появилась возможность получать до нескольких сотен одинаковых объектов без замены электрода.

Объекты, полученные при помощи графитового электрода, до начала распада существуют около 200 мс, сам распад длится около 400 мс. Этапы усовершенствования установки описаны в [4], аналогия в поведении полученного ЛШМ и ШМ приведены в [4-5], основы гипотезы ШМ — [5,8].

Эксперимент и представления о строении ЛШМ тесно взаимосвязаны. Это необходимое условие, например, для зондовых измерений. Гипотезу о природе ШМ, отраженной в [5,8], можно назвать комплексной, так как часть результатов, полученных в некоторых более ранних исследованиях, вошли в нашу гипотезу. Например, «Итак, полученные результаты приводят нас к выводу о том, что плазмоид имеет углеводородную структуру-каркас, который образуется из аблирующего материала. На первой стадии плазмоид имеет диэлектрические свойства» [9]. В нашей гипотезе есть диэлектрическая оболочка, но практически отсутствует аблирующий материал — ШМ формируется лидером линейной молнии в том случае, когда лидер не завершается возвратным ударом. «Многие исследователи предполагают наличие прямой связи между обычной молнией и образованием шаровой молнии» [6].

В соответствии с этим, при создании ЛШМ нам не нужен аблирующий материал из плазмотрона, что ближе к природным условиям, так как ШМ может появляться и в облаках [1], где нет эрозионных плазмотронов. Как показано в [4,5], при создании нашей установки использовался большой опыт, приобретённый исследователями при изучении всем хорошо известной «струи Авраменко». Мы использовали схему получения эрозионной струи, но сердце «струи Авраменко» — эрозию мы в разряде свели к минимуму [4]. В [5] показана ошибочность представлений о «струе Авраменко», где основная запасаемая энергия была отнесена к так называемому ядру (керну).

Например, масса вещества, уносимая со стенок плазмотрона [9-10] (импульсные плазмотроны эрозионного типа [11]) за один выстрел, составляет 10-2 г. В нашем случае (при кварцевом плазматроне и графитовом электроде) расход материала катода составляет около 6*10-5 г за один выстрел. Уменьшение количества эрозионного вещества более чем на два порядка привело к увеличению времени жизни объекта на эти же два порядка (но это не единственная причина). У нас есть диэлектрический «каркас», только не объёмный, а в виде тонкой оболочки. Оболочка образуется из наработанных лидером в окружающем его объёме воздуха дипольных молекул (в [7] представлено лучшее на сегодняшний день моделирование лидера). В [10] упоминается, что без специально принятых мер определить наличие полимерных структур в плазмоиде не представляется возможным.

Исходя из иной концепции необходимости диэлектрической оболочки (не каркаса), мы провели эксперимент по выявлению оболочки путём воздействия на неё электрическим полем. При изменении собственного электрического поля объекта, когда принудительно изменяется его заряд, и в другом случае — при воздействии на объект неоднородным электрическим полем с помощью внешнего источника — получили ожидаемые изменения диэлектрической оболочки [8]. Дело в том, что оболочка ЛШМ защищает электронную сферу (чистая однокомпонентная плазма — 2D-система без положительного фона).[1]

Рис.1 – Лабораторная шаровая молния.

Основным положением нашей гипотезы является утверждение о том, что основным энергоносителем ШМ является энергия, запасаемая в электрическом поле, которое создаётся нескомпенсированным зарядом в виде электронной сферы. ЛШМ несёт нескомпенсированный электрический заряд и в нёй отсутствуют свободные заряды противоположного знака (или компенсирующий фон). Эта идея не нова. В предисловии, подписанном членами редколлегии издания [12], утверждается: «Ахиллесовой пятой многих моделей является трудность объяснения наиболее важного свойства природной ШМ — её способности нести большой нескомпенсированный электрический заряд, измеряемый кулонами (именно это свойство ШМ в последних публикациях вызвало особое внимание исследователей). Указанное ключевое свойство ШМ как острая «бритва Оккама» отсекает большинство гипотез и теорий, способных в той или иной мере объяснить только наиболее простые свойства этого явления и обходящих молчанием основную массу банка экспериментальных данных. В то же время признание факта наличия скрытого нескомпенсированного заряда как основного энергоносителя ШМ[2] способно поставить в тупик исследователя…»

Поэтому, наличие нескомпенсированного заряда в ШМ не является чем-то необычным. Мы уточняем, что основная масса свободных зарядов сосредоточена в сфере, внутренний объём также может иметь свободные заряды того же знака. Фона свободных зарядов противоположного знака нет [13-15].

На рис. 1 приведена ЛШМ, имеющая вышеописанное распределение зарядов и сфотографированная через 100 мс после окончания разряда. На цветной фотографии этого же рисунка[3] ЛШМ красно-желтая. Из-за проникающего света от не полностью затемненного окна на ЛШМ имеется белое пятно. На фотографии, снятой сразу после окончания разряда, ЛШМ интенсивно коронирует (см. второй цветной снимок[4]). На рис. 1 [15] приведен снимок ЛШМ при тех же режимах, что и рис. 1, но при ярком освещении. ЛШМ воспринимается как белый, матовый, слабосветящийся плафон. Наблюдения, когда ШМ в один и тот же момент времени определялась разными наблюдателями различными цветами, имеются в литературе, например, случай №1 из [2].Особенности цветовосприятия человеком ЛШМ и ШМ описаны в [4], они поразительно аналогичны.

Зондовые измерения в [13-15] отличались большой сложностью. Дело в том, что ЛШМ взаимодействует с проводниками точечно, с расплавлением последних. Проводник расплавляется вне зависимости от того, заземлён проводник/зонд или нет, поэтому потребовалась разработка специального зонда [14-15]. Расплавление и испарение проводников ЛШМ соответствуют имеющимся случаям взаимодействия ШМ с проводниками, в банках наблюдательных данных собрано много таких случаев [1-2]. Если рассматривать все зондовые измерения в комплексе, то можно сделать вывод, что в сфере из свободных зарядов одного знака заключён объём, который в той или иной мере может быть заполнен нейтральными и заряженными частицами (например, кислород, обладающий сродством к электрону), одноименными по знаку с зарядами сферы. За счёт кулоновского расталкивания между заряженной сферой и внутренними заряженными частицами, образуется зазор — несветящийся слой.

Это согласуется с исследованием «струи Авраменко» [16], которая моделирует ШМ. В структуре струи обнаружено несветящееся пространство (толщина составляет доли миллиметра). Можно отметить экспериментальное мастерство авторов, но физическая природа этого несветящегося пространства в работе [16] никак не комментируется. Частое обращение к «струе Авраменко» не случайно. В [1] она носит название «лабораторный аналог ШМ». Продолжение экспериментов со «струёй Авраменко», считает автор [1] «обещает привести к новым результатам». Наша работа подтверждает этот тезис.

Нескомпенсированный заряд должен быть каким-то образом удержан в объёме ШМ. Решение этой проблемы дано в [3]. В модели [3] нескомпенсированный заряд ШМ удерживается диэлектрической оболочкой, находящейся в неоднородном электрическом поле ядра ШМ. По [3] энергия ШМ запасается преимущественно в виде кинетической энергии протонов. В вопросе о виде запасаемой энергии мы существенно расходимся с [3] — у нас основная энергия ШМ запасена в виде электрического поля, создаваемого электронной сферой, эта энергия имеет потенциальный характер. Существуют модели, в которых основная запасаемая энергия имеет потенциальный характер (см. [10]), где «основная доля энергии ЭПО представляет собой электрическую энергию мозаично заряженной фронтальной полимерной структуры, сформированный в ЭПО». (ЭПО — энергоёмкое плазменное образование.) Мозаично заряженная структура в [10] представляет собой каркас с ловушками, где каркас и ловушки заряжаются зарядами разных знаков. Однако наши эксперименты (и более ранние [17]) показали, что в ЛШМ нет объёмных каркасов, а есть выдуваемая газообразная составляющая [5,17]. При максимальном удалении внутренней составляющей объект становится «прозрачным» и длительность его существования увеличивается [4].

Диэлектрическая оболочка, удерживающая нескомпенсированный заряд, должна обладать основными свойствами, каждое из которых имеет аналог в технике: это и высокая электрическая прочность, и определённая диэлектрическая проницаемость, и состоять из элементов (молекул) с большим дипольным моментом. Очень близким аналогом подобной оболочки является обычный электрет [8,18]. Наша оболочка, нарабатываемая в процессе долгого импульсного разряда, похожа на электрет, но она анизотропна, так как образуется в быстро меняющемся и неоднородном электрическом поле. Описанный в [18] механизм ориентации дипольных молекул, в нашем случае реализуется в неоднородном электрическом поле и дополняется возможностью послойного роста, поэтому оболочка неоднородна по толщине. В экспериментальном объекте оболочка сполохом исчезает. Выше мы приводили трудности исследования каркаса [10], где на два порядка больше эрозированного вещества, чем у нас. У нас — из практически неосязаемой оболочки удалось получать «мохнатую» ЛШМ [8], процесс сопровождается, предположительно, СВЧ излучением [5].

Оболочка больше похожа на «мыльный пузырь», что совпадает с замечанием о ШМ в [2]. В некоторых экспериментах [10] это было отмечено, но в связи с тем, что объекты, получаемые в [10] плохо воспроизводились, интерпретация была следующей: «Процесс разрушения ЭПО при t3 > 3 мс под действием УФ — излучения происходил весьма примечательным образом: в головной части ЭПО возникали светящиеся «пузыри» (1), из которых зачастую вылетали «брызги» (2) светящегося вещества (рис. 5). Этот факт, по-видимому, может быть рассмотрен как результат образования полимерных структур (в частности, полимерных плёнок), которые и дают внешнюю схожесть с «мыльными пузырями»».

В заключение можно отметить, что наша гипотеза и наши эксперименты не противоречат имеющимся экспериментальным фактам, с учётом усиления на два порядка, отмеченных эффектов в наших экспериментах.

Таким образом, ЛШМ и ШМ представляют собой полое тело, у внутренней поверхности которого силами электростатического изображения удерживается нескомпенсированный электрический заряд. Внутреннее газообразное наполнение может содержать свободные заряды того же знака. В ЛШМ и ШМ свободных зарядов противоположного знака нет.

3. Соответствие нашей гипотезы наблюдательной модели ШМ.

Средние параметры ШМ указаны в таблице X [1]. Отметим из [19]: «Таким образом, пока нет оснований сомневаться в том, что ШМ представляет собой единое явление с одной физической природой».

Этот тезис постоянно подвергается ревизии. Появляются гипотезы о моделях ШМ, например, со временем жизни до 1 секунды. По всей видимости, нужно всё-таки говорить о ШМ с одной физической природой (наблюдательная модель которой дана в [1]), или о некоторых эффектах, возникающих при ударе линейной молнии: что-то сверкнуло, что-то расплавилось, посветилось и остыло или, например, огни святого Эльма.

[19] отмечал: «Неоднократно высказывалась мнение, что шаровая молния представляет собой комплекс разнородных явлений, обусловленных разными причинами. Такая точка зрения до некоторой степени представляет собой попытку уйти от решения вопроса. …Если предлагать различные причины для объяснения разных сторон явления, то противоречия сами собой устраняются, но эвристическая ценность при этом теряется. … Таким образом, пока нет основания сомневаться в том, что ШМ представляет собой единое явление с одной физической природой».

Из приведённого логично предположить, что наблюдательная модель ШМ [1] должна быть чётко увязана с наблюдательной моделью линейной молнии (см. авторов [3, 8-10]), если отталкиваться оттого, что одно событие вызывает другое. Долгое время конкурировали три модели ШМ [2, 20-21]. Модель [2] не даёт какой-либо значимой связи ШМ с линейной молнией (например, энергия ШМ и какой-либо параметр линейной молнии). Особо надо отметить модель П. Капицы [20]. Сейчас считается, что заложенный механизм существования ШМ в модели [20] не существует в природе, но очень привлекательна сама идея. В этом году исполняется полвека гипотезе [20], но до сих пор некоторые исследователи [22] пытаются смоделировать данные условия существования ШМ. Внесены существенные изменения в гипотезу [20], в [22] предполагается необходимость разряда линейной молнии для создания первоначального объёма ионизированного вещества. В чём живучесть данной гипотезы?

П. Капица исходил из самых общих законов природы. Он считал, что все плазменные и химические гипотезы о природе ШМ не верны, так как противоречат закону сохранения энергии. Несмотря на это, следующие широко известные гипотезы ШМ как раз были плазменная (на основе гидратированных ионов [2]) и химическая (на основе фрактальной концепции) [21]. В [20] и в [2; 21] есть перекрёстные ссылки с критикой конкурирующих гипотез. Критика, в основном, состоит в том, что в конкурирующих моделях ШМ расчетное энергосодержание имеет малую величину.

Рис.2 – Моделирование образования шаровой молнии лидером линейной молнии.

Возвращаясь к чрезвычайно популярной гипотезе [20], отметим ещё одну её сильную сторону — Капица чётко указал связь ШМ с возможным природным процессом.

В [3, 8-10] также указана связь с природным явлением — линейной молнией. Развитием работ [9-10] является [23], где отстаивается идея своего вида ШМ: «Некоторые виды шаровых молний, наблюдающихся в природе, могут иметь органическую основу — представлять собой горящие области тяжёлых органических паров, или светящиеся структуры с полимерным каркасом».

Выше упоминалось, что при ударе линейной молнии вещества могут расплавляться и даже гореть, но как это относится к ШМ? Например, всем известна способность ШМ преследовать самолёты, летящие со скоростью в несколько сот метров в секунду [1]. Трудно представить шар из органических паров, летящий несколько секунд со скоростью 100 метров в секунду. В [24] специально рассматривалась возможность перемещения ШМ и необходимое для этого поверхностное натяжение. Как видно из расчета [24], ШМ может перемещаться со скоростью 1 м/с при условии, если у неё будет поверхностное натяжение около 10 эрг/см2. Используя методику расчёта поверхностного натяжения [24] для скорости ШМ 100 м/сек поверхностное натяжение должно быть не менее 105эрг/см2, что противоречит гипотезам [2] и [23].

В [3] ярко выражена необходимость молниевого процесса. Причём, в молнии должны присутствовать как минимум три возвратных удара. Средняя линейная молния как раз и имеет три возвратных удара [25]. К сожалению, никакой более существенной связи линейной молнии с шаровой в [3] не предлагается.

Рассмотрим в соответствии с нашей концепцией возможность образования ШМ лидером линейной молнии в том случае, когда лидер не завершается возвратным ударом. Эта ситуация смоделирована для ЛШМ [7] и присутствует в наблюдательных данных [8] (см. рис. 2). Очевидно, что в этом случае статистика ШМ и статистика линейных молний должны иметь взаимно согласующиеся параметры.

Лидер при своём движении имеет гигантскую стримерную зону радиусом до 10 метров. Ещё [2] отмечал её огромные возможности в образовании ионов, а мы имеем в виду последующую их рекомбинацию с наработкой фрагментов будущего многослойного диэлектрика — оболочки ШМ.

Это несколько упрощенный подход к данной теме, т. к. например, Ф. Мак-Таггарт [26] рассматривая электрические разряды в принципе, поделил происходящее в разрядах на две системы: «В системах, изучаемых физиками, степень ионизации очень высока. …Химик больше интересуется системами, имеющими низкую степень ионизации. Фактически его может заинтересовать только возможность использования нейтральных атомов, получаемых из электрического разряда. Так, Бонхёффер, вычислил, что на расстоянии 15 см от разряда концентрация ионов была 3*106 см-3, т. е. слишком мала для получения тех тепловых и химических эффектов, которые он наблюдал». В нашем случае эти варианты присутствуют одновременно и требуют совместного рассмотрения (вопросы химической физики). Но это только начальные условия для последующих процессов.

Вся стримерная зона представляет собой сильно неравновесную систему из-за наличия источника сильного электрического поля — лидерной головки, лидера. В сильно неравновесных системах возможны коллективные процессы и процессы самоорганизации. Это хорошо известные представления , когда неравновесные, нелинейные и необратимые процессы, являясь источником когерентности, приводят к пространственно-структурированному коллективному поведению, самоорганизации сильно неравновесных систем. Возникающая пространственно-временная структура (структуры) обладает определенной областью устойчивости. Все это происходит, в основном, в низкотемпературной плазме, на фоне ионизационно-рекомбинационных, плазмохимических и электрофизических процессов, образуется лидерный канал с тонкой структурой.

Транспорт фрагментов, для создания данной структуры, в зону лидерного канала требует времени. Соотношение времён, благоприятно для данного процесса, так как в [25] отмечается: «Лидер растёт достаточно долго до 0,01 с — целая вечность в масштабе быстротечного явления импульсного электрического разряда». Мы говорим об остановке лидера, когда заряд продолжает нагнетаться в головку лидера, и она начинает увеличиваться в диаметре. Поверхность лидерного канала эквипотенциальна и обладает неустойчивостью [25]. Это объясняется наличием собственного сильного поля, которое на порядки больше внешнего. Минимальное внешнее воздействие, как в [7, 13, 15][5] может вызвать изменение движения лидера. Если такого воздействия не будет, и процесс нарастания диэлектрической оболочки будет преимущественным, то в какой-то момент давление нескомпенсированного заряда уравновесится давлением оболочки из полярного диэлектрика. Нагнетание заряда прекратится и лидерный канал исчезнет. Так как построение оболочки в преобладающем количестве случаев происходит из воздуха, в основном однородного состава, то и оболочка будет в среднем одинаковая и тогда, энергия образующейся ШМ будет соответствовать средней энергии ШМ (таблица Х [1]).

Нескомпенсированный заряд средней шаровой молнии, поставляемый лидером:

Q = 2Wφ-1 (1),

где W — средняя энергия ШМ (около 6 кДж, таблица Х [1]), φ — потенциал, доставляемый к земле лидером средней линейной молнии (около 30 МВ [25]).

В то же время потенциал шаровой молнии, наследуемый от лидерного канала, можно выразить как функцию от заряда и диаметра (D) средней шаровой молнии:

j = (4pe0)-1 * Q * (0,5D,

где e0 — диэлектрическая постоянная.

Из (1) и (2) получим диаметр средней шаровой молнии, который при приведённых j и W равен 24 см, что хорошо согласуется с [1], таблица Х [1]: 23±5 см.

Энергию шаровой молнии удобнее представить в виде:

W = 4pe0 * 0,25D * φ2

или W = pe0 * D * φ2 (3).

Авторов [1-2, 19], удивляла способность ШМ организовывать электрический пробой в воздухе. Для [1] это ещё и «самый злободневный» вопрос, стоящий перед исследователями. В настоящей гипотезе вся энергия ШМ является электрической, и этот вопрос снимается сам собой. Имеется статистика [27], где указано на основании исследований более 6 тыс. случаев наблюдения ШМ, — 8,6% встреча людей с ШМ заканчивается трагически, из них 14,4% — летальным исходом. По данным этой статистики ясно, что основная причина травм и смертей связаны с поражением электротоком. В [19] поражение электрическим током от ШМ констатируется как обычный факт. Это дополнительно подтверждает нашу гипотезу.

Основные параметры наблюдательной модели средней ШМ [1]:

Диаметр (D) = 23см.

Время жизни (T) = 8 с.

Внутренняя энергия (W) = 6*103 Дж.

Распад в 50% случаев заканчивается взрывом.

Эти данные можно дополнить:

Потенциал (φ) = 30 МВ.

Заряд (Q) = 4*10-4 Кл.

Оценка массы диэлектрической оболочки по существующим у материалов показателям: электрической прочности, дипольному моменту молекул, составляющих диэлектрическую оболочку и диэлектрический проницаемости показывает, что масса оболочки составляет часть от массы воздуха, вытесненной ШМ. Внутреннее наполнение не всегда компенсирует силу Архимеда, которая зависит от высоты и поэтому часты наблюдения ШМ на большой высоте (в облаках) [19,27].

Есть очень квалифицированное наблюдение ШМ [28], которое дополнительно подтверждает нашу гипотезу. Отметим изменение описания этого же наблюдения в [29] по сравнению с [28]: исчезло сравнение с вакуумом (0,1 мм рт. ст.) и все энергетические характеристики похожести объекта на некоторые процессы, осуществляемые в технике. В соответствии с нашей гипотезой описание в [28] совпадает с описанием ЛШМ с учетом имеющегося в ЛШМ энергозапаса.

4. Параметры установки для получения ШМ со временем жизни 3-5с.

В принципе, решение дано в [2]. отмечает, что в экспериментах по моделированию ШМ использовали либо большие токи, либо большое напряжение. Оба параметра довольно сложно совместить.

Нам кажется, что это не совсем так. В некоторых экспериментах эти параметры совмещались, но на микроскопическое время — десятки, сотни микросекунд. Как ясно из вышеприведённого, это недостаточная длительность импульса (далее будет показано, что это не единственное условие увеличения жизни ШМ).

Существует резерв — это создание диэлектрической оболочки в более подходящей смеси газов, этот состав был подобран в работе автора [6]. Недостаточная воспроизводимость экспериментов в [6] не позволила инструментально протестировать образующееся СО. К тому же, по нашему опыту, сами измерения оказались очень непростыми, даже при условии 100% воспроизводимости.

С разрешения можно привести эксперимент, где в схеме были использованы конденсаторы ёмкостью 2,4 мФ, заряжаемые до 5 кВ. Как видно из видеозаписи, диаметр образующегося СО вырос от стандартного ~12 см (при 0,6 мФ) до 35 см, однако время жизни оболочки не возросло. Это дополнительно свидетельствует в пользу

Рис.3 – Незначительная деформация оболочки лабораторной шаровой молнии после снятия небольшой части заряда.

Рис.4 – Потеря устойчивости оболочки при большей потере заряда лабораторной шаровой молнией по сравнению с предыдущим рисунком

того, что в нашем разряде конструктивная особенность установки достаточно жестко определяет электрическое поле в оболочке (перпендикулярное к поверхности), которое и обеспечивает наработку диэлектрической оболочки именно с таким временем жизни.

Давление нескомпенсированного заряда уравновешивается давлением диэлектрической оболочки, находящейся в неоднородном электрическом поле этого заряда. Когда снимаем часть заряда с сформировавшегося СО, то в зависимости от величины снимаемого заряда, мы наблюдаем различие в форме оболочки СО (рис. 3,4). Таким образом, видно, что на рис.1, где заряд не снимался, — оболочка имеет форму шара. На рис. 3 сняли небольшую часть заряда, поэтому оболочка потеряла форму шара. На рис. 4 с СО сняли больший заряд — оболочка, практически потеряла устойчивость. В ранних опытах создавали СО с большим внутренним наполнением диспергированного вещества, рис. 5. При полном снятии заряда металлическим проводником оболочка исчезает и остается внутреннее наполнение (см. рис. 6). На рисунках 5 и 6 СО получены при одинаковых режимах.

Для увеличения времени жизни оболочки нужно обеспечить более высокие электрическую прочность, дипольный момент и диэлектрическую проницаемость оболочки. Это возможно при увеличении электрического поля. Напряжение, подаваемое на разрядный промежуток, естественно, должно быть выше какого-то порогового значения [30], в то же время, существует ограничение сверху, более того, в [30] создавался околокритический режим (напряжение разряда всегда подбиралось достаточно низким). Наши эксперименты показали, что в большом диапазоне напряжения (ΔU ~ 1 кВ), подаваемого на электродный промежуток, разряд малочувствителен к этому параметру. Начальное напряжение должно быть относительно низким, но далее, в соответствие с формулой (3), мы должны увеличивать напряжение для получения более долгоживущего СО.

Рис.5 – Лабораторная шаровая молния с большим внутренним наполнением.

Рис.6 – Оболочка отсутствует, светится внутреннее наполнение.

К сожалению, есть ещё более серьёзные ограничения на разряд, который должен сформировать ШМ. Разряд должен осуществляться от источника с низкими внутренним сопротивлением, индуктивностью и иметь определённую структуру. В [5] приводится описание эксперимента с попыткой получения СО при наложении продольного магнитного поля на проводник, идущий к электроду. Магнит расположен на значительном расстоянии от межэлектродного промежутка. СО образуется только при отсутствии магнитного поля.

Мы считаем, что для создания ШМ со временем жизни 3-5 с необходим источник питания, обеспечивающий программируемый разряд, с возможностью иметь на разрядном промежутке до 50 кВ при токе до 100 Ампер с учётом выше приведённых условий. Длительность разряда может достигать 100 мс. Детали конструкции разрядного промежутка должны быть уточнены в результате экспериментов. Ожидаемое время существования ШМ около 4 с при запасённой энергии около 700 Дж.

В настоящей работе не ставилась задача дать обзор работ по имеющимся на настоящее время экспериментам по воспроизведению ШМ. Такие обзоры имеются, например, в [31-32]. Данные работы очень интересны и отражают не только положение вещей в экспериментальных попытках по воспроизведению ШМ, но и личную точку зрения авторов.

5. Выводы

Впервые получено 100% воспроизводимое светящееся образование со временем жизни до 1 секунды. Светящееся образование проявляет многочисленные (практически все в рамках имеющегося энергозапаса) свойства, присущие природным шаровым молниям.

Благодаря воспроизводимости светящегося образования проведены инструментальные измерения. Измерения показали, что светящееся образование является полым телом, несущим в себе нескомпенсированный электрический заряд (тело имеет свободные заряды одного знака).

Установлено, что свободные заряды образуют сферу. Внутри сферы имеется газообразное наполнение, состав и количество которого можно регулировать в определённом диапазоне. Предполагается, что к внутренней поверхности тела (диэлектрика) силами электростатического изображения (в одномерной потенциальной яме) притягиваются заряды (электроны), образующие стационарные состояния, каждое из которых представляет двумерную проводящую систему.

Уникальная для данных исследований воспроизводимость, позволила понять процессы, необходимые для образования ШМ. Показано, что в рамках предлагаемой модели статистика свойств средней ШМ хорошо согласуется с представлениями об атмосферном электричестве, а именно со статистикой средней линейной молнии, в частности, со средним потенциалом, доставляемым к земле лидером линейной молнии.

В процессе экспериментов впервые в мире получены не имеющие по совокупности параметров следующие аналоги:

1. Лидер линейной молнии;

2. Шаровая молния.

Получен гигантский механический отклик лидерного канала на сверхслабое электромагнитное гармоническое воздействие.

Предлагается идея эксперимента для получения ШМ со временем жизни 3-5 с. Получение ожидаемого результата может существенно развить представления о природе ШМ.

Авторы благодарят за постоянное внимание к работе , , полезные дискуссии с , , за участие в экспериментах и , за фотосъемку Стаса Левшина и большую помощь .

Авторы благодарны за многочисленные замечания, часть которых учтена в данной работе. Замечания побудили авторов подготовить статью для журнала «Химическая физика» с подробным рассмотрением данных инструментальных измерений.

Авторы искренне признательны за внимательное отношение к статье и взвешенные замечания.

Список литературы:

1.  Смирнов свойства шаровой молнии. //УФН. 1992. Т. 162. № 8. С. 43-81.

2.  Стаханов природа шаровой молнии. М.: Атомиздат. 19с.

3.  Никитин создания теории шаровой молнии. Сб. Трудов 10-ой Российской конф. по ХТЯ и ШМ. Дагомыс, Сочи 29.0С. 243-264.

4.  Шабанов свойства долгоживущих светящихся образований. Сб. трудов 3-ей междунар. конф. «Естественные и антропогенные аэрозоли». СПб. 24.09.-27.С. 368-370. Сокр. вариант //Technical Phys. Lett. 2002. V. 28. № 2. P. 164-166.

5.  , Жеребцов моделирование аналога шаровой молнии. Сб. Трудов 10-ой Российской конф. По ХТЯ и ШМ. Дагомыс, Сочи 29.09.-6.10.2002. С. 285-301.

6.  Барри Дж. Шаровая молния и чёточная молния. М.: Мир. 19с.

7.  , Жеребцов разряд в воздушное полупространство. //Оптический журнал. 2004. Т. 71. № 1. С. 6-8. Сокр. вариант //New Energy Technologies 2003. № 2. P. 8-10.

8.  Shabanova N. G., Shabanov G. D. Ball lightning in nature and laboratory //New Energy Technologies 2004. № 4. P. 71-76.

9.  , , и др. ПЭМ - и РЭМ - исследования каркаса полимерного плазмоида. //Известия АН. Серия физическая. 1996. Т. 60. № 2. С. 112-115.

10.  , , О природе искусственных шаровых молний. Исследования структуры и физических свойств полимерных плазмоидов в атмосфере. //ТВТ. 1994. Т. 32. № 2. С. 190-194.

11.  , , и др. Исследования плазменных образований, инициируемых эрозионным разрядом. //ЖТФ. 1990. Т. 60. В. 12. С. 57-64.

12.  Шаровая молния в лаборатории. Cб. ст. под ред. Авраменко и др. М.: Химия. 19с.

13.  , Жеребцов разряд в воздушное полупространство. Сб. трудов 5-ой Российской конф. по атмосферному электричеству. Владимир. 21.09.-26.09.2003. Т. 1. С. 279-282.

14.  , Жеребцов свойства автономных долгоживущих светящихся образований. Сб. Трудов 11-ой Российской конф. По ХТЯ и ШМ. Дагомыс, Сочи 28.0С. 279-290.

15.  , Соколовский разделение зарядов в импульсном электрическом разряде. //Физика плазмы. 2005. Т. 31. № 6. C. 560-566.

16.  , , и др. Энергоёмкие плазменные образования, инициируемые эрозионным разрядом, - лабораторный аналог шаровой молнии. //Шаровая молния в лаборатории. Сб. ст. под ред. Авраменко и др. М.: Химия. 1994. С. 15-56.

17.  , Мишин волновые и газодинамические свойства долгоживущих энергоёмких плазмоидов. //Письма в ЖТФ. 1993. Т. 19. В. 13. С. 19-26.

18.  и др. Электрические свойства полимеров. Л.: Химия. 19с.

19.  О физической природе шаровой молнии. М.: Энергоатомиздат. 19с.

20.  О природе шаровой молнии. //ДАН 1955. Т. 101. № 2. С. 245-248.

21.  Смирнов шаровой молнии. М.: Наука. 19с.

22.  Ofuruton H., Kondo N., Kamogawa M., etc. Experimental conditions for ball lightning creation by using air gap discharge embedded in a microwave field.// Journal of geophysical research. 2001. V. 106. № D12. P. 12.367-12.369.

23.  , , Тимофеев моделирование долгоживущих светящихся образований на основе полимерных органических материалов. //ЖТФ. 2004. Т. 74. В. 1. С. 128-133.

24.  Об устойчивости шаровой молнии. //ЖТФ. 1974. Т. 44. В. 7. С. 1373.

25.  , Райзер молнии и молниезащиты. М.: Физматлит 20с.

26.  Ф. Мак-Таггарт. Плазмохимические реакции в электрических разрядах. М.: Атомиздат. 19с.

27.  Григорьев убийцы. Ярославль. «Дебют». 19с.

28.  Дмитриев шаровой молнии. //Природа. 1967. № 6. С. 98.

29.  О механизме устойчивости шаровой молнии. //ЖТФ. 1969. Т. 39. В. 2. С. 387-394.

30.  , Пирозерский -энергетическая самоорганизация аэродисперсных систем в сильно неравновесных условиях электрического эрозионного разряда. Сб. трудов 3-ей междунар. конф. «Естественные и антропогенные аэрозоли». СПб. 24.09.-27.09.2001. С. 360-367.

31.  Синкевич плазменные образования и проблемы шаровой молнии. Часть I. //ТВТ. 1997. Т. 35. № 4. С. 651-664. Синкевич плазменные образования и проблемы шаровой молнии. Часть II. //ТВТ. 1997. Т. 35. № 6. С. 968-982.

32.  , , Тимофеев результаты в физике шаровой молнии.//Сб. Трудов 9-ой Российской конф. По ХТЯ и ШМ. Дагомыс, Сочи 30.09.-7.10.2001.С.207-234.

ABSTRACT

G. D. Shabanov, O. M. Zherebtsov, B. Yu. Sokolovsky,

*****@***ru; [e-mail]

A new type of electric discharge excited in air over a water surface was discovered (2000 year) at the Konstantinov Institute of Nuclear Physics (Gatchina). In such a discharge, two phases can be distinguished: a discharge that is initially produced around a negative electrode (a jet ejected from water) and a long-lived autonomous luminous object – the laboratory ball of lightning (LBL) into which the discharge transforms thereafter.

We want to perform the LBL. The LBL exists over a few hundred milliseconds without external energy supply. LBL is a hollow body; it has free like charges (negative charge) inside itself. LBL doesn’t have free positive charges. LBL and nature ball of lightning have the identical mechanism of formation and of lifetime. BL forms when the leader of a streak lightning stops (lightning stroke doesn’t exist). The statistical data on ball lightning in our hypothesis corresponds to the same data on linear lightning.

[1] a pure electron plasma

[2] Выделено авторами настоящей статьи.

[3] Фотография опубликована в журнале «Русский Newsweek» №6, 2004г, стр.55

[4] Фотография опубликована в журнале «Русский Newsweek» №6, 2004г, стр.54

[5] В [7,13,15] приведены примеры гигантского механического (макроскопического) отклика системы на слабое гармоническое электромагнитное излучение; протекание в системе процессов самоорганизации.