Техника - молодёжи 1995-07, страница 8

ТРИБУНА СМЕЛЫХ ГИПОТЕЗ

Сергей ДЕМКИН, инженер

рирода шаровой молнии, ее изучение и моделирование — одна из постоянных тем нашего журнала. Публикации на эту тему трудно даже просто перечислить (укажем хотя бы самые "весомые" из последних: №1 — 7 за 1982 г., № Зза 1983 г.). Но чему удивляться — ведь сейчас известно уже более ста теоретических моделей и механизмов образования ШМ — начиная от всевозможных фантастических комбинаций электромагнитного поля и частиц вещества и кончая структурированной плазмой или связанными состояниями возбужденных частиц.

Среди работ российских исследователей можно выделить по крайней мере пять принципиально различных концепций:

кластерная, согласно которой вещество шаровой молнии может состоять из тяжелых и "полутяжелых" положительных и отрицательных ионов, возникающих за счет присоединения к ионам плазмы дипольных молекул воды;

плвзмоидная, рассматривающая вещество ШМ как коллективный ансамбль сильновозбужденных атомов и молекул;

химическая, предполагающая формирование аэрогельных фрактальных структур, если их звенья состоят из частиц, адсорбирующих озон, — например, частиц углерода;

"полимерная", исходящая из образования неоднородных многозвенных структур в плазме (в частности, при наличии в воздухе примеси метана) с рвзноименно заряженными отдельными звеньями;

квантово-механическая, объясняющая природу ШМ на основе квантовых свойств микрочастиц, способных образовывать так называемый бозе-конденсат.

Даже из этих кратких характеристик ясно: уже и перечисленные модели практически несовместимы. А ведь их гораздо больше! Так можно ли вообще разобраться, какая из них ближе к истине? И если нельзя — стоит ли теоретизировать далее? Однако среди множества противоречивых концепций все же есть, выразимся осторожно, достойная повышенного внимания. Речь идет об одном из вариантов плазмоидной модели, разработанном Д.М.Мельниченко. Привлекает то, что ее автор учел ряд новых экспериментальных результатов, полученных при попытках лабораторного моделирования LUM.

До сих пор большинство теорий и гипотез о природе шаровой молнии объясняют лишь элементарные свойства этого удивительного явления. Но, кроме теории, есть, как известно, эксперимент. В данном случае имеется в виду получение в лабораторных условиях физических объектов, близких по свойствам ШМ. Называют их обычно плаз-моидами или энергоемкими плазменными образованиями (ЭПО).

Исследователи, входящие в Российский национальный комитет по физике шаровой молнии, в последние годы получили в этой области ряд интересных результатов. Лучше всего ими освоена техника создания ЭПО в виде разряда, инициированного в газовой среде излучением СВЧ-генераторов. С такими разрядными плазмоидами удобно работать благодаря их хорошей локализо-ванности, управляемости (по размерам, структуре и т.д.) и практически неограниченному времени жизни — пока сохраняется питающее излучение.

"Зажигаются" ЭПО прежде всего на различных инициаторах: металлических или диэлектрических иглах или пластинах, на пламени, в аэрозольных средах, на ранее созданных ЭПО, внутри плазменного облака разряда, на конце или в разрыве одно-проводной линии, по которой распространяется СВЧ-волна вблизи линейного стримера (разряда-аналога обычной линейной молнии), равно как и в отдалении от него.

Наряду с инициированными возможны и самостоятельные ЭПО — возникающие в свободном пространстве.

Для "искусственных молний" в целом характерна энергетическая неравновесность. При этом их свойства и поведение определяются множеством внешних факторов. Прежде всего еажны параметры питающего излучения — мощность (точнее, ее плотность в пучке), длина волны, поляризация, пространственная конфигурация пучка. Играет роль и вид инициатора, если он есть, а также тип, состав и концентрация среды, где возникают ЭПО.

Но в некоторых условиях состояние разрядных плазмоидов перестает зависеть от перечисленных факторов (конечно, не всех сразу и лишь в определенных пределах). Иными словами, эти объекты обретают устойчивость и автономность.

Для внутреннего строения ЭПО, при всей их энергетической неравновесности, характерно стремление к самоорганизации и четкому структурированию. В ряде случаев, на

пример, они способны собирать из окружающего пространства себе "на пропитание" злектромагнитные излучения, в том числе довольно слабые (с плотностями порядка единиц мВт/куб.см объема плазмоида). Так вот — стереосъемка обнаруживает в этих объектах сложные фрактальные структуры типа дерева, с огромным количеством тончайших еетвящихся плазменных волосков. И судя по всему, они работают как своеобразные антенны, "всасывая" рассеянную энергию из внешней среды.

Получаемые в экспериментах ЭПО могут оказаться и легче, и тяжелее воздуха. В свободном пространстве они, соответственно, всплывают (зависают) или опускаются вниз. Многие плазмоиды легко проникают через диэлектрические экраны, например, стеклянные, стимулируя на противоположной стороне дочерний" разряд. Кроме того, они способны с большой скоростью двигаться навстречу внешнему источнику излучения и, наконец, исчезать — со взрывом или без оного.

Как можно убедиться многие перечисленные свойства получаемых ныне плазмоидов уже весьма близко напоминают их природный прототип — шаровую молнию.

Типичная установка для исследования разрядных ЭПО показана на иллюстрации 1. Пучок СВЧ-излучения фокусируется в разрядную камеру — вакуумированную или заполняемую различными газами. Протяженность области фокусировки вдоль луча — от нескольких до десятка длин волн излучения, диаметр — обычно порядка одной длины волны. В этой области могут находиться те или иные инициаторы.

СВЧ-разряд будет самостоятельным или инициированным в зависимости от напряженности электрического поля волны (Е), а также от типа газа и от концентрации его молекул (N). Установлено, что самостоятельный разряд возникает обычно при E/N > 10"¹⁵ В-см² (в молекулярных газах). Сразу же после рождения он как правило, устремляется навстречу источнику излучения — иногда со скоростью более 50 км/с.

Если отношение E/N меньше указанной величины, зажечь разряд помогает инициатор. Через определенное время после начала облучения на нем возникает слабое свечение. Далее, подпитываясь знергиеи оно расширяется и структурируется. При достаточной напряженности поля Е и длительности воздействия "окрепший" плазмоид отры

вается от инициатора и движется опять-та-ки к источнику излучения. В этом режиме вид, структура и другие характеристики ЭПО не зависят от типа инициатора.

При изучении инициированного разряда в пучках с линейнои и круговой поляризацией В.Г.Бровкину, Ю.Ф.Колесниченко и Д.В.Хмаре удалось проследить формирование его структуры. Основа последней складывается из типовых "базовых элементов". А затем, разрастаясь, они обретают конфигурацию... хорошо известных радиотехнических устройств — приемных антенн бегущей волны.

В общем случае при изменении параметров Е и N, поляризации излучения и вида газа — антенные структуры также меняются, перес раиваются. Однако было выявлено несколько зон стабильности, в границах которых формы антенн сохраняют устойчивость, не зависят от Е и N, пока те остаются в соответствующих пределах. А в двух из этих зон пропадает зависимость и от вида газа.

Те же исследователи впервые получили низкопороговыи СВЧ-разряд в виде шара, устойчивый при плотностях потока питающей мощности порядка сотен и даже всего десятков мВт/кв.см. Опыты велись в сходящемся пучке с линеиной и круговой поляри-зациеи, в воздухе и в гелии. На инициатор подавался одиночный СВЧ-импульс длительностью от 1 мкс и амплитудой Е до 3 кВ/см.

Возникающий после этого шаровой разряд живет практически неограниченное время — десятки минут. Диаметр его зависит от плотности мощности подпитки; максимальный равен примерно длине волны, минимальный — меньше ее четверти. Как выяснилось, разряд может питаться и непрерывным излучением, и импульсным (периодическим).

В.М.Шибков, А.Ф.Александров и А.А.Ку-зовников решили задачу длительного удержания ЭПО в заданной области свободного пространства.

Идея метода состоит в подводе энергии к плазмоиду вертикальным лучом снизу. Что в этом случае должно произойти? Казалось бы, наш объект и здесь рано или поздно начнет двигаться навс речу источнику излучения — вниз. Причем, удаляясь от области фокусировки, он пойдет по все больше расширяющемуся лучу, то есть туда, где плот

Т Е X Н И К А - М О Л О Д Е Ж И 7 ' 9 5