Линейная молния и электронный пучок

Введение

Сегодня каждый школьник знает, что молния – это искровой газовый разряд, возникающий при обычном давлении и напряженности электрического поля порядка 3000 кВ/м. Но что же можно сказать о другой более редкой и загадочной молнии: – шаровой молнии? Если говорить откровенно, то по сути – ничего. Конечно, существуют десятки различных теорий на природу шаровой молнии, в ряде лабораторий мира были получены явления очень похожие на шаровую молнию, наблюдаемую в природе, но... Но, как говорится «а воз и ныне там». Наука пока не может дать исчерпывающих ответов, что такое шаровая молния, какова ее природа, почему и как она возникает, как распадается и т.д.

Трудность в изучении шаровой молнии состоит в том, что это очень редкое явление природы и, хотя существуют тысячи свидетельств очевидцев, собранные по всему миру, многие люди, в том числе и научной среде, не верят даже в ее существование.

В 80% всех случаев описанных наблюдений шаровой молнии в природе, происходило во время или сразу после грозы, поэтому очевидно предположение, что эти два явления – линейная и шаровая молния – тесно взаимосвязаны. Некоторые свидетели утверждают, что именно после удара обычной линейной молнии они наблюдали молнию шаровую, а значит, именно линейная молния способна порождать шаровую. На вопрос, как это может происходить, возможно, даст ответ данная статья.

Каждый из нас видел линейную молнию и тот неповторимый путь, который она на миг вычерчивает между небом и землей. Но почему молния выбирает в воздухе тот, а не иной путь, в чем причина выбора столь замысловатой траектории линейной молнии? В принципе, ответ на этот вопрос и дает ключ к пониманию возникновения шаровой молнии, поэтому остановимся на нем подробнее.

Линейная молния и электронный пучок

Согласно последним представлениям линейная молния, это совокупность явлений, вызываемых в воздухе прохождением потока быстрых электронов (электронного пучка), движущихся в газовой среде с огромной скоростью – 100...10000 км/с по траектории наименьшего сопротивления. Электронный пучок – это по сути главный «виновник» возникновения линейной и шаровой молнии, поэтому стоит подробно рассмотреть его свойства и то, как он взаимодействует с газовой средой.

В ряде случаев описание отдельных частиц не дает представления о картине распространения пучка в целом. Например, если электронный пучок распространяется в тормозящей среде (плазме) или в случае сильноточного пучка с током более 1000 А.

Электронный пучок линейной молнии движется в среде с очень большой скоростью: в среднем более 1000 км/с. При такой скорости его распространения вдоль канала молнии его уже нельзя рассматривать как независимый набор свойств отдельных электронов, такой пучок обладает коллективными свойствами.

К коллективным процессам в электронном пучке относят:

1. Кулоновское отталкивание электронов пучка друг от друга, в результате, которого появляется разброс в направлениях и скоростях электронов в пучке. При этом электроны, находящиеся в «голове» пучка, ускоряются, а те, что в «хвосте», тормозятся электрическим полем соседних электронов пучка (рис. 1, а).

2. Магнитное сжатие электронного пучка. Механизм этого сжатия объясняется однонаправленным движением электронов в пучке, который можно уподобить набору элементарных токов, стремящихся притянуться друг к другу под действием магнитных полей (рис. 1, б).

F_k – сила кулоновского электростатического отталкивания,
V – скорость электронов в пучке

F _л – сила Лоренца, магнитного притяжения электронов

Рис. 1. Коллективные взаимодействия в электронном пучке:
а) электростатическое отталкивание электронов; б) магнитное притяжение электронов

Для того чтобы электронный пучок распространялся в вакууме, не распадаясь на отдельные электроны, и не сжимался, запираясь собственным магнитным полем, необходимо точное равенство сил электрического отталкивания электронов в пучке и их магнитного взаимодействия.

Однако при движении электронного пучка в воздухе (а именно такой процесс осуществляется при разряде линейной молнии) ситуация несколько иная, чем описана выше. Это объясняется тем, что в газовой среде уменьшение плотности объемного заряда, сосредоточенного в пучке, может достигаться не за счет развала пучка, а вследствие разлета вторичных, третичных и т.д. образованных при ионизации электронов. Если же магнитная индукция пучка достигает больших значений и стремится запереть электронный пучок к центру, то уменьшению собственного магнитного поля электронного пучка способствуют обратные токи, возникающие под действием прямого тока пучка в проводящей, тормозящей среде.

Таким образом, в газовой среде, где электронный пучок при движении непрерывно теряет свою кинетическую энергию на ионизацию, тормозится средой, он может быть более устойчивым, чем в вакууме. Конечно, не только среда воздействует на электронный пучок, но и сам пучок сильно влияет на среду, в которой он распространяется:

– во-первых, он ее разогревает, т.е. увеличивает кинетическую энергию хаотичного движения атомов и молекул;

– во-вторых, вызывает в среде целые ионизационные каскады, тем самым резко снижая ее сопротивление электрическому току и превращая, окружающий пучок, газ в плазму.

Потеря кинетической энергии электронного пучка на один акт ионизации можно определить по формуле

(1)

где W ₀ – полная кинетическая энергия электронного пучка, A_i – работа ионизации атома или молекулы газа.

Тогда кинетическая энергия вторичного электрона, образованного при ионизации W₂, есть разность между Δ W и A_i, т.е.

(2)

В результате расчетов получим, что скорость вторичных электронов, образованных при ионизации воздуха, больше скорости электронного пучка примерно на один порядок! Таким образом, ионизационный каскад, вызванный электронным пучком в среде, протекает с большей скоростью, чем скорость движения самого пучка (см. рис. 2).

Рис. 2. Распространение электронного пучка линейной молнии в атмосфере с образованием потоков вторичных электронов

Однако сама среда (воздух) не является однородной, она имеет различный химический состав, следовательно, различные энергии ионизации атомов и энергии диссоциации молекул среды. Изменения в концентрации частиц воздуха, обусловлены флуктуациями его плотности, температуры и давления.

Все это делает неравноправными различные направления распространения электронного пучка в газовой среде. Причем наиболее вероятным направлением можно считать направление с минимальным сопротивлением среды. Оно определяется по значениям плотности газовой среды (а точнее – концентрацией атомов и молекул) и числом заряженных частиц в ней (ионов и электронов).

Определяющим фактором в выборе траектории являются потоки вторичных, третичных и т.д. электронов, образуемых при ионизационном каскаде в воздухе.

Условие ионизации среды вторичными электронами выражается формулой (3), где длина свободного пробега λ определяется из соотношения (4):

(3)

(4),

где q – модуль заряда электрона, Е – напряженность электрического поля (результирующая напряженность электрического поля электронного пучка и поля между грозовым облаком и землей), n – концентрация атомов и молекул среды, σ – сечение неупругого соударения, которое включает в себя:

а) полное сечение ионизации атома или молекулы быстрым электроном;

б) полное сечение возбуждения атома или молекулы.

Полное сечение ионизации зависит от кинетической энергии электрона до соударения и энергии ионизации атомов среды А_i.

Z-число валентных электронов атома

(5)

Подставив формулы (4), (5) и формулы (1), (2) в формулу (3) и получим:

(6)

Из формулы (6) видно, что ионизационный процесс в среде будет тем эффективнее, чем больше значение кинетической энергии вторичных электронов (а значит, меньше энергия ионизации атомов и молекул воздуха), больше напряженность электрического поля и меньше концентрация частиц среды.

При ионизационном каскаде в среде мы имеем дело не с одним вторичным электроном, а с целыми потоками вторичных, третичных и т.д. образованных при ионизации электронов с различными направлениями скорости. Направление потоков электронов, для которых суммарная величина левой части формулы (6) будет наибольшей, можно считать наиболее вероятным направлением распространения электронного пучка в газовой среде!

Таким образом, траектория электронного пучка в среде, или, иначе говоря, путь линейной молнии, определяется всего двумя характеристиками газовой среды: химическим составом воздуха и концентрацией атомов и молекул в нем.