Электричество в атмосфере. Шаровая молния. Марколия А. И., Попов А. Ф icon

Электричество в атмосфере. Шаровая молния. Марколия А. И., Попов А. Ф



НазваниеЭлектричество в атмосфере. Шаровая молния. Марколия А. И., Попов А. Ф
страница1/4
Дата конвертации30.06.2012
Размер1 Mb.
ТипДокументы
  1   2   3   4
1. /Глава4.doc
2. /Электричество в атмосфер1.doc
3. /Электричество в атмосфере.doc
Шаровая молния в наблюдениях и в теории
Электричество в атмосфере. Шаровая молния. Марколия А. И., Попов А. Ф
Электричество в атмосфере. Шаровая молния. Марколия А. И., Попов А. Ф

Электричество в атмосфере. Шаровая молния.

Марколия А.И., Попов А.Ф.


В настоящее время в печати имеются достаточно разнообразные сведения по наблюдению шаровой молнии в естественных условиях. Качественно установлены основные свойства этого явления. Необычность ее поведения и отсутствие лабораторных исследований послужили причиной появления самых различных гипотез о ее природе. Все это в совокупности способствовало длительному сохранению загадочности этого феномена. В данной работе представлена физическая модель шаровой молнии, которая позволяет просто и достаточно достоверно описать различные ее свойства и предсказать новые. Предлагаемая модель в какой-то степени является синтезом ранее выдвигаемых плазменных представлений. Однако некоторые положения этой модели осмыслены заново или существенно переработаны. В основе модели лежит теоретически предсказанная бессиловая магнитная конфигурация - –сферомак. Зарождается она в канале линейной молнии при развитии на нем неустойчивости типа перетяжек. При погружении магнитной ловушки, заполненной высокотемпературной плазмой, в атмосферу, вблизи ее сепаратрисы, на границе с влажным воздухом, образуется тонкая оболочка неизотермической плазмы, обладающей хорошей термоизолирующей способностью.

Благодаря высокой температуре плазмы в ловушке и наличию теплового и магнитного экранов данная магнитная конфигурация может существовать в автономном состоянии длительное время, порядка десятка секунд. Это явление находит свое объяснение в рамках современной теории плазмы и выводы, вытекающие из предлагаемой модели, не противоречат фундаментальным законам.


Глава 1 Общие сведения. Постановка задачи.


§1.1 Образ шаровой молнии и условия ее зарождения.


Первые сведения о шаровой молнии в научной печати появились более двух столетий назад. За прошедший период времени накоплен достаточно большой материл об этом удивительном явлении. В настоящее время издано несколько монографий, в которых собраны наиболее интересные наблюдения и произведена их предварительная обработка[1-5] .В этих работах приведены также различные гипотезы о природе шаровой молнии. Редкость этого явления и отсутствие систематических лабораторных исследований способствовали сохранению его загадочности.
Несмотря на разрозненность и противоречивость многочисленных сообщений можно указать ряд вполне определенных условий образования и свойств шаровой молнии[1-5] .

Зарождение шаровой молнии тесно связано с грозой. Обычно ей предшествует сильный разряд линейной молнии. Однако имеются редкие сообщения о наблюдении шаровой молнии и при ясном небе.

Шаровая молния представляет собой светящуюся массу с достаточно резкими границами и большой длительностью сушествования. По разным оценкам время ее жизни может составлять от долей секунды до нескольких минут.

Форма шаровой молнии близка к сферической. Диаметр ее может изменятся от нескольких сантиметров до размера порядка метра. Наиболее вероятный диаметр шаровой молнии составляет 10-15см.

Плотность энергии в шаровой молнии порядка 0,2-10Дж/см3 .Поведение шаровой молнии подобно автономной системе, не получающей энергию извне.

Теплообмен шаровой молнии с окружающей средой незначителен. В видимом спектре мощность излучения составляет несколько ватт.

Шаровая молния способна сильно намагничивать ферромагнетики и другие магнитные материалы.

Характер ее движения - весьма разнообразен. Она может падать как тяжелое тело, парить в воздухе над землей или даже отскакивать от нее, как бы обладая упругостью. Она может перемещатся как в направлении ветра, так и в прямо противоположном направлении. Способна проникать в помещения через небольшие отверстия, малые по сравнению с ее размерами.

Перечисленные свойства достаточно ярко характеризуют шаровую молнию как уникальный феномен природы. Однако они дают, в основном, чисто внешнею картину свойств, не достаточных зачастую для количественного анализа.

Очень важными являются сообщения очевидцев о внутреннем строении шаровой молнии. Согласно многим наблюдениям она состоит из ядра, окруженного светящейся оболочкой. Вот как описывает строение шаровой молнии М.Т.Дмитриев в своем сообщении[6] , отличающимся достаточно высокой достоверностью:

«..Светимость молнии была. знчительной, особенно, при расстоянии в несколько метров, тем не менее ее все же можно было рассматривать, без чрезмерного напряжения. Было заметно, что цвет молнии неоднороден. Центральная часть представляла собой шар диаметром 6-8см, несколько вытянутый в вертикальном направлении. Эта часть была и наиболее яркой, по своему внешнему виду (кроме формы) весьма напоминала электроразрядный факел в воздухе, получаемый в плазмотронах, с температурой плазмы порядка 1300-16000 . Центральная часть молнии была окружена областью толщиной 1-2см с густым фиолетовым свечением, очень похожим на свечение воздуха при давлении 0,1мм.рт.ст.,бомбардируемого электронами в несколько десятков электронвольт. Следующая наружняя оболочка, толщиной около 2см, также была неоднородна, напоминая по цвету тихий электрический разряд при атмосферном давлении или периферийное свечение электронного пучка с энергией в несколько десятков килоэлектронвольт, попадающего из вакуумной трубки в воздух при обычном давлении. Светло-голубое свечение этой части молнии быстро убывало с увеличеиием расстояния от центрального шара, постепенно сходя на нет. Оболочки молнии хорошо просматривались только в горизонтальном направлении. В нижней части они, вероятно, были сжаты и их можно было различить только при сопоставлении с боковыми частями молнии. Над молнией сверху оболочки были значительно толще, но не так резко выражены. Кроме того, в них можно было видеть отдельные яркие конвективные струи (как над обычным костром, только цвет их был с беловатым оттенком). Общий диаметр составлял около 11-12см в горизонтальном направлении и около 14-16см в вертикальном. С расстояния в несколько десятков метров наблюдалась, повидимому, только центральная часть шара. Издали молния имела синеватый оттенок…..”

“….В молнии, по-видимому, беспрерывно выделялась энергия. На это указывали сплошной шорох и сильные потрескивания…..”

“…Молния оставила после себя сильный запах, по характеру совпадающий с запахом воздуха, подвергнутого воздействию ионизирующего излучения…..”

Несомненно, что это наблюдение, как многие другие, наводит на мысль,что шаровая молния является необычной разновидностью электрического разряда. Если предположить, что она обладает собственным источником энергии, то наиболее вероятно, что последняя запасена в виде магнитной энергии и сама молния преставляет собой высокотемпературное плазменное образование, удерживаемое собственным магнитным полем. Попытки объяснения природы шаровой молнии на основе последних достижений физики плазмы предпринимались неоднократно Уже на ранних этапах исследований высказывались предположения, что шаровая молния образуется во время грозового разряда из участка канала линейной молнии. Позднее в качестве возможных моделей шаровой молнии предпологались магнитные ловушки, создаваемые собственными токами сгустка высокотемпературной плазмы. Эти модели в какой-то степени являлись копиями магнитных систем, используемых в термоядерных исследов,аниях. Однако шаровая молния на плазменной основе имела низкую энргию и слишком малый вес. Непреодоимой, на первый взгляд, казалась проблема сопряжения горячего вещества молнии с окружающим ее холодным воздухом. Тем не менее тщательный анализ физических процессов на границе шаровой молнии показывает, что эти недостатки не принципиальны и при определенных условиях устранимы.

Учитывая выше сказанное, достаточно разумным является предположение, что шаровая молния образуется из отрезка канала линейной молнии[7] при развитии на нем перетяжечной неустойчивости[8] .Известно, что достижение равновессия в отрезке плазменного цилиндра с продольным током и отличным от нуля только азимутальным магнитным полем невозможно[9] Равновесная плазменная система может возникнуть лишь при наличии магнитного поля направленного вдоль тока. Конечное достаточно большой напряженности продольное магнитное поле при грозовом разряде может образоватся при сильном сжатии плазменного канала вместе с “вмороженным” в него слабым магнитным полем Земли. Усиление продольного магнитного поля происходит вследстие сохранения магнитного потока в проводяшей среде. В процессе сжатия плазменного отрезка канала в результате кумуляции ударной волны вблизи оси шнура происходит разогрев вещества до сотни миллионов градусов. Сильно нагретая плазма обладает высокой проводимостью, однако при однородном давлении в шнуре ток может протекать только вдоль силовых линий магнитного поля. Поэтому при выравнивании давления в отраженной от оси ударной волне возможно дальнейшее усиление полоидального магнитого поля. В результате перезамыкания силовых линий полоидального магнитного поля во внешней области перетяжки проихоит отключение участка канала и образование конфигурации с замкнутым током (Рис.1). При малом давлении плазмы по сравнению с давлением магитного поля результирующпя конфигурация является бессиловой. Натяжение тороидального магнитного поля в ней сдерживается противодавлением полоидального магнитного поля.

Вследствие высокой температуры плазмы проводимость ее велика и джоулева диссипация магнитной энергии в ней происходит достаточно медленно. Сильное магнитное поле существенно уменьшает теплопроводность плазмы поперек магнитного поля и перенос тепловой энергии в окружающую среду незначителен. Благодаря этим факторам время жизни такой конфигурации может быть большим.

При погружении системы в атмосферу, налетающий на высокотемпературный сгусток плазмы газ ионизуется и отражается его магнитным полем. В результате этого в граничном слое возникает диамагнитный ток, который выполняет роль магнитного экрана .В итоге магнитная конфигурация плазмоида в атмосфере состоит из двух областей, разделенных сепаратрисой. В центральной области силовые линии магнитного поля замкнуты и его конфигурация близка к конфигурации магнитного поля классического сферомака[10] .С внешней стороны сепаратрисы магнитное поле неограничено в пространстве, но сосредоточено в узком слое неизотермической плазмы и достаточно быстро убывает при удалении от плазмоида.

Оболочка неизотермической плазмы непрозрачна для циклотронного излучения из плазмы центральной области плазмоида и оно оказывается запертым внутри объема сгустка. Во влажном воздухе она обладает хорошим теплоизолирущим свойством благодаря образованию двойного электрического слоя на границе с воздухом и интенсивной генерации в этой области тяжелых ионов - кластеров вследствие конденсации паров воды на положительных и отицатеьных ионах. В результате вокруг сфероида образуется тонкая заряженная пленка. Пондеромоторной силе, действующей на пленку со стороны электричесого поля двойного слоя, противостоит давление электронного газа сжатого между магнитным полем сфероида и пленкой. Благодаря этому плотность энергии в шаровой молнии может достигать значений ~10Дж/см3 .Плазмоид становится полностью автономным и долгоживущим образованием. Конфигурация магнитного поля плазмоида в обшем случае зависит от распределения давления плазмы в нем. В частности, в плазмоиде с конечным давлением плазмы внешнее магнитное поле может отсутствовать.

В последующем изложении приведенный кратко круг физических процессов, определяющих условия возникновения и физическую природу шаровой молнии, будет подробно обсужден. Предлагаемый подход позволяет проанализировать механизмы нагрева плазмы, усиления полоидального магнитного поля в перетяжках пинча, образования бессиловых структур и другие вопросы.

Важную роль в процессе образования шаровой молнии играют электрические и магнитные поля Земли, поэтому в следующем параграфе дается краткий обзор электричесих и магнитных явлений в атмосфере Земли.


§1.2 Электрические и магнитные явления в атмосфере


В обычных условиях напряженность электрическогот поля Земли достигает величины порядка 1В/см и напралено нормально к ее поверхности[11] Это.соответствует отрицательному заряду Земли. С увеличением расстояния от поверхности напряженность электрического поля уменьшается и на высоте в 50км (в ионосфере) исчезает. Полная разность потенциалов между поверхностью Земли и верхом ионосферы достигает 400000 вольт. Под действием этого поля в атмосфере протекает ток порядка 10-6 мкА с каждого квадратного метра. Весь ток, достигающий земной поверхности, равен приблизительно 1800А.

Земля заряжается отрицательно во-время гроз, как правило, молниевый разряд переносит к земле отрицательный заряд[11,12] .

Сильное электрическое поле в атмосфере возникает в результате электризации облаков. Разделение зарядов в облаке, по наиболее вероятному механизму[13] , происходит в результате относительного движения крупных капель, снежной крупы и градин, падающих на Землю под действием силы тяжести, сквозь массу мелких капель воды и кристалликов льда, находящихся во взвешенном состоянии. При столкновении крупных частиц с мелкими им передается отрицательный заряд, а мелким-положительный при температуре ниже -150С. При более высоких температурах, характерных для нижней части облака, крупным частицам сообщается положительный заряд. В результате образуется трехзарядная структура облака. Основной отрицательно заряженный слой, толщиной в несколько сотен метров, расположен между двумя положительно заряженными областями. Отрицательный заряд находится в облаке на высоте 6км и температура в нем –150С. Верхняя положительно заряженная область простирается до высот порядка 13км. Вторая положительно заряженная область, расположенная в нижней части облака, меньше первой. В результате разделения зарядов разность потенциалов между тучей и землей может достигать 100млн.вольт. Это огромное напряжение пробивает воздух и создает гигантский грозовой разряд- - линейную молнию. Разряды происходят также между облаками и внутри облака.

Разряд начинается с лидерного процесса. К земле рапространяется степунчатый лидер, скорость которого порядка 107см/cек. Примерно через каждые 50м он останавливается. Часто при приближении ступенчатого лидера к земле навстречу ему также начинает двигатся лидер, который через некоторое время сливается с ним По образовавшемуся проводящему каналу распространяется. со скоростью 5 107м/сек так называемый возвратный удар. Ток возвратного удара достигает величины порядка 10-20кА в течение нескольких микросекунд, а затем примерно в течение 40мксек спадает в два раза. Токи порядка сотен ампер могут длится в течение нескольких миллисекунд. Зарегистрированы разряды с токам до 200кА, которые встречаются достаточно редко. Кроме того наблюдаются разряды, которые переносят к земле положительный заряд. Иногда они следуют за серией отрицательных разрядов. Во время грозы электрическое поле сильно изменяется. Непосредственно перед вспышкой молнии зарегистрирована напряженность поля 2700В/см[12]

Таким образом формирование канала молнии начинается с лидерного процесса, который приводит к замыканию промежутка земля - облако. Известно[12]., что распространение лидера сопровождается образованием канала с достаточно высокой плотностью плазмы. Благодаря большой проводимости лидер при своем движении переносит значительную часть потенциала центра зарядов в облаке, с которым он электрически связан, в промежуток между облаком и землей. При этом напряженность электрического поля вблизи его головки существено превышает первоначальную напряженность электрического поля в этой области пространства. Согласно работе[12] форма конца лидера близка к форме половины эллипсода вращения расположенного основанием на проводящем электроде. Распределение потенциала вокруг проводящего эллипсоида, с большой и малой полуосью a и b, соответственно, помещенного в однородное поле Eo,находится точно.Напряженность электриеского поля максимальна на конце лидера и в случае сильно вытянутого эллипсоида (a>>b) она равна выражению

Eo?a2Eo/b2(ln2a/b-1) (1.1)

Внутри остова лидера с высокой проводимостью напряженность электрического поля близка к нулю. Во внешней области вектор электрического поля En= 4??o, где ?o – поверхностный заряд, и направлен по нормали к его поверхности. Под действием тянущей электрической силы лидер вытягивается вдоль своей оси и внешнего поля. При достижении пробивной величины газ вблизи головки лидера в результате развития электронной лавины ионизуется и нагреается. Сильно нагретый газ со звуковой скоростью, определяемой его температурой, расширяется. Однако скорость распространения лидера выше скорости теплового расширения. Вследствие высокой проводимости частично ионизованного газа (проводимость ?=107T3/2/z, где T-температура электронов плазмы и z-заряд иона, степень ионизации газа газа выше 1%) cлой пробоя всегда остается на границе с ионизованным газом. Слой с максимальной напряженностью электрического поля (слой пробоя) cмещается в направлении оси лидера. Радиальное расширение плазмы подобно движению газа при сильном взрыве[14]

Энергия электронов, приобретаемая в электрическом поле, в конечном итоге расходуется на.ионизацию, нагрев газа и высвечивание. Сильно нагретая область при температуре порядка 10эВ и выше является источником излучения, которое играет существенную роль в возбуждении и ионизации холодного газа в слое пробоя. Особенно это ярко проявляется в случае встречного лидера, несущего положительный потенциал. В этом случае «затравочные» электроны в слое пробоя могут появиться только в результате фотоионизации. Известно[14] ,что холодный воздух прозрачен для светового излучения. Заметное поглощение начинается в ультрафиолетовой области спектра. Сильное фотоэлектрическое поглощение испытывают кванты с энергией, превышающей потенциалы ионизации кислорода и азота Io=12,1эВ, In=15,6эВ. В интервале энергий от 13—25эВ длина пробега кванта l=0,0083cм. Повидимому коэффициент поглощения кванта остается достаточно большим вплоть до энергий квантов порядка 40эВ, что связано с фотоионизацией атомов азота и кислорода с L- -оболочки. В дальнейшем с ростом энергии кванта коэффициент поглощения монотонно убывает. Длина пробега кванта изменяется от 10-2 см до 10-1 см в интервале энергий от 40эВ до 200эВ. В области пробоя, прилегающей к головке лидера, в результате развития лавины газ существенно прогревается и становится непрзрачным для светового излучения. Сильно нагретый газ при температурах 10-100эВ прозрачен для теплового излучения с энергией порядка kT, которое может обеспечить необходимую предионизацию в слое пробоя.

Очевидно, что скорость лидера определяется временем лавинной ионизации газа перед его головкой в сильном электрическом поле. Этот вывод подтверждается простыми расчетами. На длине свободного пробега L=v/?m, где ?m -частота столкновений электрона с атомами, он набирает энергию в электрическом поле W=eEL=eEv/?m=e2E2/m?m2оскольку.при столкновении лишь малая доля энергии порядка 2m/M. передается атому, то упорядоченная энергия превращается в этом процессе в тепловую энергию электрона. Поэтому скорость набора энергии электроном в эектрическом поле равна выражению

dW/dt=e2E2/m?m (1.2)

Для того, чтобы набрать энергию равную энергии ионизации Io электрон должен испытать Io?2mm/e2E2 столкновений с тяжелыми частицами газа. Тогда время удвоения числа электронов t1=Iom?m/e2E2 .Плотность электронов растет по экспоненциальному закону

N=Noexpt/t2 , (1.3)

где t2=t1/ln2-постоянная времени лавины. Толщина слоя поглощения (слоя пробоя) порядка пробега кванта l??10-2cм. На границе с остовом лидера N=Noexpl?/vt2, где v-скорость лидера. Откуда получаем v=l?/t2lnN/No (1.4)

Скорость лидера лишь логарифмически зависит зависит от отношения конечной плотности плазмы к начальной. Поскольку в лидере можно считать газ полностью ионизованным положим N=3 1019-3 , а No=3 102-3 . Произвольный выбор начальной плотности в силу слабой зависимости от иее незначительно изменит конечный результат. В то время с помощью спектрального распределения интенсивности тормозного излучения легко убедится[14] , что поток квантов в интервале энергий от 13эВ до 40эВ из области нагретого газа с температурой10-100эВ заведомо в состоянии обеспечить эту величину фотоионизации. При величине напряженности электрического поля равной пробивной E=30кВ/см и средней частоте столкновений электрона с энергией 10эВ в воздухе порядка 2 1012сек-1 из равенства (1.4) получим v?107см/сек. Несмотря на приближенный характер расчетов эта величина совпадает со скоростью ступенчатого лидера и дает правильные зависимости от различных параметров.

В случае отрицательного лидера дополнительную ионизацию могут производить электроны, диффундирующие из остова лидера в слой пробоя. Однако физика распространения в основных чертах аналогична выше изложенной. Утечка зарядов через боковую поверхность лидера в нормальном к ней электрическом поле в обеих случаях приближенно одинакова. Поскольку электроны в холодном воздухе охотно прилипают к тяжелым молекулам, образуя малоподвижный ион. В результате наличия паров воды эффективно образуются кластеры типа A+(H2O)n или A-(H2O)n и утечка заряда незначительна[4]

Распространение лидера прекращается как только напряженность электрического поля в слое поглощения становится меньше пробивной величины. За время прохождения ступенчатым лидером одной ступени ts=ls/v?5000/107=500мксек плазма заметно остывает, так как омический нагрев не велик вследствие малости тока (Ток лидера определяется утечкой заряда и переносом заряда в головке лидера I=?ov=EnvS/4??3 10-3А при поперечной площади лидера S=10-2 cм2). Полный ток порядка десятка миллиампер При температуре плазмы в канале остова лидера меньше одного электронвольта сопротивление ступени лидера больше 50ком и падение напряжения на ней может быть сравнимым с пробивным. Дальнейшее продвижение лидера возможно только при подключении его канала к другому центру зарядов в облаке.В этом случае, повидимому, первоначально по старому каналу распространяется стреловидный лидер, скорость которого порядка порядка 108см/сек. Он разогревает плазму в остове и ступенчатый лидер продвигается дальше в промежуток.

Качественно канал лидера можно рассматривать как однопроводную заряженную линию. После закорачивания промежутка вверх к источнику устремляется волна разрядки. На фронте волны напряженность электрического поля велика. Конечность соприотивления закорачивающего участка обуславливает замедление скорости разрядки. С ростом во времени этого сопротивления скорость разрядки уменьшается. В течение возвратного удара по каналу протекает ток большой величины и газ в нем в результате омических потерь быстро нагревается до температуры порядка 5эВ. Вследствие этого электропровоность существенно возрастает. Повышение температуры приводит к сильном увеличению давления и к сверхзвуковому расширению канала, воспринимаемому как гром. На стадии расширения канала процессы, протекающие в нем, имеют характер свойственный цилиндрическому сильному взрыву[14] .Плотность газа максимальна на фронте расходящейся ударной волны, а в центре она на несколько порядков ниже. Температура максимальна в центре канала и в этой области концентрируется ток. Приблизительно через десяток микросекунд давление в канале сравнивается с атмосферным и расширение шнура прекращается. Для типичных разрядов диаметр канала молнии достигает размера порядка нескольких сантиметров. В общем случае скорость расширения канала и его диаметр зависят от скорости вклада и величины, выделяемой в нем, энергии. Охлаждение газа в канале на этой стадии происходит через излучение[14] и протекает достаточно медленно, поэтому плотность газа в канале длительное время (порядка миллисекунды) 1-2 порядка ниже плотности невозмущенного воздуха, а температура газа больше или порядка 30000К. Время нарастания тока в возвратном ударе изменяется от долей микросекунды до десятков микросекунд.

Значительно чаще встречаются многоимпульсные разряды, когда по одному каналу разряжается через некоторый промежуток времени несколько центров зарядов в облаке. Возвратному удару в этом случае может предшествовать стреловидный лидер, который распространяется без остановок и его скорость приблизительно на порядок выше, чем у ступеньчатого лидера. Обычно роль электродинамической силы в одиночном разряде мала. Однако в повторных разрядах ее влияние может быть существенным. Дейстительно, если последующий разряд происходит через промежуток времени не превышающего времени заметного остывания газа, то ток в этом возвратном ударе протекает по еще ионизованному и разреженному газу с достаточно высокой проводимостью. Вследствие нестационарности процесса ток скинируется и в первоначальной фазе сосредоточен в узком цилиндрическом слое вблизи границ канала, внутри которого ионизованный газ сохраняет свое первоначальное давление. Под действием избыточной электродинамической силы скинирующий слой плазмы получает ускорение направленное к оси канала. В результате плазма в канале сжимается и нагревается сходящейся ударной волной. Этот процесс протекает наиболее эффективно, когда магнитное давление H2?/4? велико по срвнению с давлением газа, где H?=2I/cr- азимутальное магнитное поле, создаваемое продольным током величиной равной I, r-радиус канала и с-скорость света. При диаметре канала равном 5см и давлении гзза P=1атм ток в канале должен превышать величину равную 62,5кА.

В действительности приведенная картина сжатия не наблюдается в лабораторных пинчах, поскольку скинированный разряд с резкой границей неустойчив, прежде всего, по отношению к образованию на нем перетяжек[8,15] .Механизм возникновения этой неустойчивости заключается в том, что вместе случайного сужения плазменного канала магнитное давление возрастает и станоится больше, чем в соседних участках. Увеличение магнитного давления не уравновешивается соответствующим возрастанием давления плазмы. Плазма из этого участка свободно вытекает в соседние области с меньшим давлением. В результате радиус перетяжки уменьшается и магитное давление быстро нарастает. Благодаря вытеканию плазмы из области перетяжки достигается более высокая степень сжатия и более высокая температура плазмы. По современным представлениям в перетяжке реально получение плазмы с температурой до десятка килоэлектронвольт. Таким образом, в повторных разрядах могут развиватся процессы подобные тем, которые наблюдаются в импульсных лабораторных разрядах с большими токами[16] . Физика этих экспериментов будет рассмотрена в следующей главе.

Часто за шаровую молнию ошибочно принимают так называеые «огни святого Эльма» - коронный разряд с острийных электродов, громоотводов и матч кораблей. Очевидно, что коронный разряд представляет собой пробой газа вблизи острийных выступов в области усиленного электрического поля. Однако зародившийся стример при своем движении в область более слабого поля расширяетоя вследствие этих причин напряженность электрического поля в слое пробоя уменьшается. Когда напряженность поля становится меньше пробивной величины распространение стримера прекращается. Затем плазма остова стримера распадаетя и процесс вновь повторяется. В результате ионизация и свечение газа происходит только в приэлектродных областях.

В первом приближении магнитное поле Земли подобно полю гигантского диполя, расположенного в центре Земного шара[17] . Несмотря на малую величину магнитного поля в атмосфере Земли, напряженность которого изменяется от 0,4эрстеда на экваторедо 0,7эрстеда на полюсах, оно может оказать существенное влияние на процессы в перетяжках при сильном электродинамическом сжатии токовой оболочки, поскольку в повторных разрядах линейной молнии оно мохет оказатся ”вмороженным” в плазму шнура и не сможет в процессе сжатия проникнуь через хорошо проводящий токовый слой. На начальной стадии сжатия токовой оболочки действием земного магнитного поля можно пренебречь. Однако в конечном сжатом состоянии вследствие сохранения магнитного потока напряженность магнитного поля возрастает пропорционльно (ro/r1)2, где ro и r1 – начальный и конечный радиусы канала разряда, и может достигать сотен эрстед. Как будет показано в дальнейшем, в отраженной от оси плазменного шнура ударной волне происходит дальнейшее усиление этого поля и его напряженность может быть порядка напряженности азимутального магнитного поля продольного тока. Вследствие этого оно оказывает существенное воздействие на эволюцию магнитной конфигурации в перетяжке

плазменного шнура.

Глава 2. Физические процессы в перетяжках пинча и бессиловые магнитные поля

§2.1 Состояие исследовний импульсных сильноточных разрядов

Современное состояние экспериментов по исследованию мощных импульсных разрядов и теории изложено в обзорах[16,18-21], в которых приводится также большая

литература. Достигнут достаточно высокий уровень понимания физики процессов в высокотемпературных пинчевых образованиях. Однако ряд явлений, наблюдаемых после кумуляции плазмы на оси системы, таких как резкое уменьшение проводимости плазмы, приводящее к срыву тока в пинче, генерации пучков заряженных частиц, электромагнитного, рентгеновского и нейтроннного излучений не находят должного описания в цитируемых работах Несмотря на сущестование различных точек зрения на процессы в заключительной фазе пинча в настоящее время возможно непротиворечивое описание[22] экспериментально наблюдаемых явлений. Для достижения этой цели необходим учет сильной анизотропии проводимости высокотемпературной плазмы в магнитном поле. Как известно[23] , плотность тока в этом случае определяется обобщенным законом Ома

J=?[E+1/c [UH] +1/Ne gradPe ] -?/eNc [JH], (2.1)

где J-плотность тока, P=Pe+Pi-давление, U-макроскопическая скорость и N-плотность плазмы, ?=e2Ne?/me классическая проводимсть плазмы, e и me – заряд и масса электрона, ?=3me.1/2T3/2/4(2?)1/2e4Nez? – время кулоновского рассеяния электронов, ze – заряд иона, Te температура электронов и ? – кулоновский логарифм. Индексы e и i относятся к электронам и ионам, соответсвенно. Только при выполнении условия равновессия

gradP=1/c [JH] (2.2)

применим закон Ома в простой форме.

Однако из (2.2) следует, что перпендикулярная магнитному полю составляющая плотности тока

Js =?/H2 [HgradP] (2.3)

и определяется только градиентом давления. Плотность тока, выраженное через эффективное электрическое поле E?=E+1/c [UH]+1/Nee gradPe, имеет вид[23]

J= ?Es? + ?/(1+ ?ce2?2)(E?p+?ce?[H/H E?]), (2.4)

где ?ce = eH/mec – электронная циклотронная частота и Es?,Ep?-параллельная и перпендикулярная магнитному полю составляющие напряженности эффективного электрического поля. Из этого выражения следует, что в бесстолкновительной и однородной плазме установившийся ток поперек магнитного поля равен нулю. Обычно считается, что при нарушении равновесия в плазме в результате небольшого разделения зарядов в рамках квазинейтральности возникнет холловское электрическое поле

Eh =Ep?=1/eNec[JH] , | Eh| = ?ce?Eo (2.5)

которое уравновесит действующую на электроны электродинамическую силу и восстановит ток в плазме поперек магнитного поля. При этом предпологается, что ионы находятся в равновесии с холловским электрическим полм, что заранее не очевидно для высокотемпературной плазмы. Таким образом условия для протекания тока в высокотемпературной плазме могут существенно отличатся от случая незамагниченной плазмы (?сe? <<1).

§2.2 Кумулятивные процессы в пинчах

Экспериментальные установки по исследованию пинч-эффекта в конструктивном плане достаточно просты[16] .Общим их элементом является полый цилиндрический изолятор, который разделяет два электрода: катод и анод. Пространство между электродами (камера) заполняется газом (обычно это водород или дейтерий) при давлениях порядка 10-1-20тор. После приложения к электродам напряжения (порядка103-105вольт) от малоиндуктивной батареи в камере развивается сильноточный разряд, величина тока в котором может достигать нескольких мегаампер.

Разряд начинется с пробоя газа вблизи изолятора, где и формируется токовая оболочка. Благодаря нестационарности процесса ток скинируетсчя и протекает по срвнительно тонкой оболочке. Электродинамическая сила, которая не может быть уравновешена внутренним давлением невозмущенного газа, ускоряет оболочку в направлении оси системы. С момента времени, когда толщина плазменного слоя становится больше свободного пробега в ней нейтрального атома, газ увлекается в движение. Он сжимается и нагревается ударной волной. Вследствие больших потерь на возбуждение и ионизацию гзза температура электронов за фронтом волны относительно невелика. порядка нескольких эектронвольт. Благодаря низкой температуре электронов фактор замагниченности ?ce.??1 и связь между током и электрическим полем опредеяется простым законом Ома.

При приближении сходящейся ударной волны е оси системы начинается процесс кумуляции[14,24]. Температура и давление на фронте возрастают, в то время как плотность плазмы не изменяется и она остается равной плотности на фронте сильной ударной волны. Когда фронт ударной волны входит в область, радиус которой мал по сравнению с радиусом токовой оболочки, движение, фактически, становится независимым от движения поршня. Ударная волна непрерывно ускоряется и усиливается при схождении к оси. Движение в этой области близко к автомодельному[24] Фронт сходящейся автомодельной ударной волны движется в идеальном газе по закону R~(-t)q при t?0, где R(t)-радиус фронта ударной волны и q-показатель автомодельности. При показателе адиабаты ?=5/3, q=0,816. Параметры фронта выражаются через его скорость с помощью предельных формул для сильной ударной волны

N=(?+1)/(?-1)No, P=2/(?+1)R?́2~R-2(1-q)/q и U1=2/(? -1)R?~ R-(1-q)/q , (2.6)

где U1- скорость с которой газ вытекает из разрыва. В момент схлопывания давление, температура и скорость на фронте неограничено растут, а плотность остается постоянной. На любом конечном радиусе величины N(t) и P(t) монотонно возрастают с течением времени в промежутке между прохождением сходящейся волны и приходом отраженной, в тоже время температура остается приблизительно постоянной. После схлопывания (при t>0) отраженная от оси ударная волна распространяется на встречу нестационарного потока. Движение на этой стадии также автомодельно с тем же показателем автомодельности q. Отраженная ударная волна является слабой. Движение фронта отраженной волны происходит по закону R~tq .Для этой как и для волны, возникающей при сильном взрыве, характерным является то, что давление между фронтом и осью в каждый момент времени приблизительно постоянно. Плотность на оси стремится к нулю, а давление к бесконечности. Хотя отраженная волн является слабой, она усиливает параметры плазмы. Так отношения плотности, давления и температуры, достигаемые на заданном радиусе, при прохождении сходящейся и расходящейся ударных волн, соответствено, равны Np/Nc=5,7, Nc=4No, Pp/Pc=10,3, Tp/Tc=1,81, если ? =5/3. За фронтом расходящейся ударной волны газ с малой скоростью разлетается радиально.

В рассмотренной задаче плазменный шнур считался неограниченным, в то время как в эксперименте он конечен и более того наиболее высокие параметры плазмы получены при развитии на шнуре перетяжек, когда выброс массы в продольном направлении существеннен. Особенно это характерно для плазменных фокусов, в которых токовая оболочка при сжатии принимает форму воронки, обращенной горловиной к аноду. Тем не менее и в этих случаях области, где угол между касательной к токовой оболочке и осью меньше критического ?с=arcsin1/?, процесс кумуляции будет близок к рассмотренному[25] .При углах схлопывания больших критического вдоль оси формируется кумулятивная плазменная струя с высокой продольной скоростью. Значительная часть плазмы выбрасывается в сторону катода и она является мишенью для ускоренных в перетяжке дейтонов.

В экспериментальных исследованиях получены в момент максимального сжатия плотность плазмы порядка 1019см-3. Пинч имеет поперечный размер в области перетяжки порядка нескольких миллиметров. Температура по разным оценкам изменяется от одного до десятка килоэлектронвольт.

После момента кумуляции в относительно слабой зависимости от конкретных физических параметров наблюдается ряд явлений, которые носят достаточно общий характер. Свойства пинча в это время характеризуются следующими основными процессами:

-резкое увеличение сопротивления пинча и генерация в нем сильного электрического поля;

-формирование мощного электронного пучка;

-ускорение ионов до значительных энергий;

-эмиссия жесткого рентгеновского излучения;

-эмиссия нейтронного излучения

-генерация мощного электромагнитного излучения на частотах порядка 30-120Ггц; модуляция на этих частотах других излучений[26] .

При наличии в плазменно-фокусной системе слабого продольного магнитного поля наблюдается также усиление этого поля в процессе сжатия до величины порядка азимутального магнитного поля пинча[27,28]

  1   2   3   4




Похожие:

Электричество в атмосфере. Шаровая молния. Марколия А. И., Попов А. Ф iconЭлектричество в атмосфере. Шаровая молния. Попов А. Ф
При погружении магнитной ловушки, заполненной высокотемпературной плазмой, в атмосферу, вблизи ее сепаратрисы, на границе с влажным...
Электричество в атмосфере. Шаровая молния. Марколия А. И., Попов А. Ф iconДокументы
1. /Глава 4 Шаровая молния в наблюдениях и в теори1.doc
2. /Глава...

Электричество в атмосфере. Шаровая молния. Марколия А. И., Попов А. Ф iconДокументы
1. /Глава 4 Шаровая молния в наблюдениях и в теори1.doc
2. /Глава...

Электричество в атмосфере. Шаровая молния. Марколия А. И., Попов А. Ф iconДокументы
1. /Глава 4 Шаровая молния в наблюдениях и в теори1.doc
2. /Глава...

Электричество в атмосфере. Шаровая молния. Марколия А. И., Попов А. Ф iconДокументы
1. /Глава 4 Шаровая молния в наблюдениях и в теори1.doc
2. /Глава...

Электричество в атмосфере. Шаровая молния. Марколия А. И., Попов А. Ф iconШаровая молния в наблюдениях и в теории
В дальнейшем используются данные опросов, проведенных в монографии[4] и частично сообщения наблюдателей
Электричество в атмосфере. Шаровая молния. Марколия А. И., Попов А. Ф iconДокументы
1. /Глава4.doc
2. /Электричество в атмосфер1.doc
Электричество в атмосфере. Шаровая молния. Марколия А. И., Попов А. Ф iconДокументы
1. /Глава4.doc
2. /Электричество в атмосфер1.doc
Электричество в атмосфере. Шаровая молния. Марколия А. И., Попов А. Ф iconДокументы
1. /Электричество/3.1.1 Электростатика.doc
2. /Электричество/3.1.2....

Электричество в атмосфере. Шаровая молния. Марколия А. И., Попов А. Ф iconДокументы
1. /тексты-Пить Электричество/01 - Venenum rerum omnium.txt
2. /тексты-Пить...

Разместите кнопку на своём сайте:
Документы


База данных защищена авторским правом ©podelise.ru 2000-2014
При копировании материала обязательно указание активной ссылки открытой для индексации.
обратиться к администрации
Документы

Разработка сайта — Веб студия Адаманов