Строение шаровой молнии

Ионизационные процессы, потеря энергии на акт ионизации и т.п., механизмы, протекающие при взаимодействии газовой среды с электронным пучком, описываются уже знакомыми формулами (1)...(6), только в них, для случая образования ШМ, под W ₀ следует принимать не полную кинетическую энергию электронного пучка разряда линейной молнии, а только кинетическую энергию запертого электронного пучка.

На начальной стадии образования ШМ, т.е. на стадии объемного взрыва газа и запирания электронного пучка фронтом ударной волны, обмен энергией электронного пучка со средой (а точнее передача энергии пучка газовой среде) осуществляется посредством процессов ударной ионизации атомов и молекул. При этом следует отметить, что происходит не только ионизация, но и процессы диссоциации молекул, возбуждение и разогрев газовой среды. В результате образуется система ионизированного газа (плазмы в ЗНК и ФУВ) и электронного пучка. Рассмотрим эту плазменно-пучковую систему (рис. 4).

С наибольшей кинетической энергией потоки вторичных электронов будут инициированы в среде, непосредственно прилежащей к электронному пучку, это в плазме ЗНК и внутренней поверхности плазменной сферы.

Естественно, что температура электронных потоков будет намного больше температуры ионов среды T_е > > T_i. Таким образом, можно сделать вывод, что плазма в ЗНК и внутреннем слое ПС является неравновесной. Это усугубляется также и мощным кулоновским полем запертого электронного пучка, которое поляризует плазму, прилегающую к пучку. Однако, вследствие инициирования пространственного заряда в плазме, электрическое поле пучка экранируется, уменьшается, и во внешнем слое плазменной сферы оно практически не сказывается на свойствах плазмы. К тому же в результате потери энергии каскадных потоков электронов на ионизацию и разогрев среды во внешнем слое ПС температуры электронной и ионной компоненты плазмы выравниваются, T_е = T_i т.е. внешний слой плазменной сферы представляет собой квазиравновесную плазму.

В результате процессов экранизации заряда в плазме шаровая молния может не нести электростатического заряда, что не говорит о том, что она имеет неэлектрическую природу.

Рис. 5. Плазменная система шаровой молнии

Для дальнейшего рассмотрения свойств модели шаровой молнии плазменную систему шаровой молнии можно условно представить в виде трех частей (см. рис. 5):

Плазма ЗНК – сильно неравновесная плазма, где температура электронов намного превышает температуру ионов. Она характеризуется низкой концентрацией ионов и почти полным отсутствием нейтральных атомов среды, высокой поляризованностью и большими флуктуационными возмущениями, которые вызваны движением электронного пучка.

Плазма внутреннего слоя плазменной сферы – неравновесная плазма, где температура электронов плазмы выше температуры ионов. Характеризуется высокой концентрацией положительно заряженных ионов, особенно в «пограничном» слое, разделяющем плазму ЗНК и ПС, поляризованностью и, как следствие этого, большой величиной пространственного заряда в плазме.

Плазма внешнего слоя ПС – квазиравновесная плазма, где температуры электронной и ионной компоненты плазмы примерно одинаковы. Она характеризуется малой концентрацией ионов по сравнению с нейтральными и возбужденными атомами и молекулами газа, активными рекомбинационными, возбуждающими и излучательными процессами в среде, является электрически квазинейтральной плазмой; электронейтральность сохраняется вплоть до размеров Дебаевского радиуса экранирования (D), меньше которого электронейтральность нарушается.

Конечно, такое разделение шаровой молнии на различные плазменные слои довольно условно, но все же оно помогает глубже понять процессы, происходящие в плазме на начальном этапе ее образования.

Так, например, плазму (1) и (2) характеризуют активные ионизационные и диссоциативные процессы, в то время как плазма (3) характеризуется в основном рекомбинационными и возбуждающими процессами.

Ионизационные процессы в среде быстро затухают по мере того, как потоки вторичных электронов теряют свою кинетическую энергию вследствие неупругих рассеяний от атомов и молекул. Здесь начинает развиваться процесс, обратный процессу ионизации, -рекомбинация ионов в среде. Вероятность рекомбинации тем выше, чем дольше рекомбинирующие частицы находятся друг около друга, т.е. скорость рекомбинации определяют самые медленные электроны. Поэтому скорость эта растет с уменьшением температуры реагирующих частиц.

Наиболее медленные «тепловые» электроны в системе шаровой молнии находятся во внешнем поверхностном слое плазменной сферы (3), и именно здесь происходят активные рекомбинационные процессы. При достижении скорости рекомбинации, значения скорости ионизации в плазме шаровой молнии устанавливается т.н. динамическое ионизационное равновесие. Следствием этого ионизационного равновесия является то, что в плазме шаровой молнии поддерживается относительно постоянное число ионов.

При рассмотрении модели шаровой молнии, изображенной на рис. 5, может сложиться субъективное мнение, что шаровая молния – это замкнутая, консервативная система, состоящая из плазмы и электронного пучка, к тому же никак (кроме теплопередачи в виде излучений) с внешней средой не взаимодействующая. Однако это далеко не так, хотя бы потому, что четкой и жесткой границы между поверхностью шаровой молнии и окружающей средой не существует.

Ионы возбужденные и нейтральные атомы во внешнем, поверхностном слое ШМ (плазме (3) см. рис. 5) имеют более высокую скорость, чем частицы в окружающем воздухе, и поэтому существует большая вероятность их диффузии во внешнюю среду. При этом сама плазма ШМ будет постоянно пополняться из окружающей газовой среды, относительно «холодными» атомами и молекулами, которые в свою очередь тоже ионизируются, возбуждаются и увеличивают свою тепловую скорость при взаимодействии с электронами и ионами плазмы. Следствием этого процесса может служить то, что характеристический спектр и цвет излучения может резко изменяться при изменении химического состава газа, окружающего шаровую молнию. Кстати, есть ряд свидетельств очевидцев, описывающих изменение цвета поверхности ШМ без каких-либо внешних видимых причин.

В результате перепадов температуры в плазме ШМ и возмущений вносимых движением электронного пучка могут образовываться конвективные процессы. Хотя процесс перемешивания струй газа в плазме менее вероятен, чем процесс атомной диффузии, но именно с помощью конвективных процессов можно объяснить появление в ряде случаев «протуберанцев» на поверхности шаровой молнии.

Рассмотренный выше процесс передачи энергии электронного пучка газовой среде посредством ударной ионизации атомов и молекул является основным механизмом на начальной стадии образования шаровой молнии. Однако с образованием плазмы начинается и другой процесс, а именно: взаимодействие электронного пучка с плазменными волнами.

Одной из наиболее важных особенностей плазмы является возможность существования и распространения в ней различных типов колебаний и волн. В равновесной плазме уровень этих колебаний весьма мал, это т.н. тепловые флуктуации.

В плазме могут распространяться как линейные, так и нелинейные волны. К линейным относят волны, которые описываются в приближении малой амплитуды. К нелинейным относятся ударные волны и другие возмущения большой амплитуды, не описываемые линейным приближением. Примерами линейных волн могут служить ионнозвуковые, электромагнитные, дрейфовые и плазменные волны.

Рассмотрим из всего разнообразия колебаний в плазме только плазменные (ленгмюровские) волны.

В процессе ленгмюровских колебаний происходит обмен энергией между электростатическим полем и кинетической энергией движущихся заряженных частиц. Энергия магнитного поля этих колебаний равна нулю, поскольку вызванные токи смещения и конвективные токи компенсируют друг друга, так что средний ток в плазме равен нулю.

Ленгмюровские колебания представляют собой возмущение пространственного заряда, возникающего вследствие смещения электронов плазмы относительно ионов, при этом электростатическая сила стремится вернуть их в положение равновесия. Коллективность плазменных процессов (условие возникновения которых n_eD > > 1) приведет к тому, что в колебаниях сразу примет участие много электронов. Если температура плазмы относительно мала («холодная» плазма), то возникают только электростатические ленгмюровские колебания на частоте (7):

(7)

где е -заряд электрона, n_е – концентрация электронов в плазме, m_е – масса электрона.

Взаимодействие поля электронного пучка с электромагнитными полями плазмы может приводить к обмену энергией между пучком и плазмой. Поскольку пучок – среда более неравновесная, более энергичная, чем плазма, обмен этот обычно сводится к передаче энергии быстрых электронов плазме и их торможению.

Необходимо отметить, что данный процесс происходит параллельно с процессом ионизации, поэтому можно сказать, что в системе шаровой молнии протекают два основных механизма передачи энергии электронного пучка газовой среде (плазме): это ударная ионизация и передача энергии пучка плазменным волнам.

Односторонняя передача энергии от электронного пучка плазме может вызвать неограниченный рост амплитуды у различных колебаний (волн), существующих в плазме: следствием этого может стать изменение состояния плазмы и даже ее распад. Этот процесс нарастания малых возмущений в плазме до высокого уровня (электрический ток в плазме, пучок быстрых частиц и т.д.) называется неустойчивостью плазмы.

Существует целый ряд такого рода неустойчивостей плазмы, развитие которых возможно при наличии конкретных причин их вызывающих. Развитие той или иной неустойчивости в плазме также связано с параметрами, характеризующими данную плазму.

Вопрос о неустойчивости плазмы лежит в основе вопроса о времени «жизни» шаровой молнии и ее завершающей стадии – стадии распада.