"МИС-РТ" - 1999. Сборник №15-9

Физическая природа шаровой молнии

В.Г. Широносов (НИЦ "ИКАР", Кафедра БиоМедФизики УдГУ, т.24-77-74 ikar@udm.ru )

Тезисы докладов 4-й Российской Университетско-Академической Научно-практической конференции Ч.7.
Отв.ред. В.А.Журавлев, С.С.Савинский. Ижевск: Изд-во Удм. ун-та, 1999, с. 58

----Природа шаровой молнии до сих пор остается загадкой [1, 2]. П.Л. Капицей [3], более 40 лет назад, была предложена резонансную модель шаровой молнии. В ней, впервые, возникновение и устойчивость шаровой молнии объясняется влиянием коротковолновых резонансных электромагнитных колебаний во время грозы на движение ионов.
----Резонансная модель П.Л. Капицы объяснив многое, не объяснила причин возникновения и существования интенсивных коротковолновых электромагнитных колебаний во время грозы.
----В данной работе на основе ряда положений [3-9] о том, что:

  1. внутри шаровой молнии существует резонансное коротковолновое электромагнитное излучение (длинна волны l соизмерима с ее геометрическими размерами d [3]);
  2. наиболее устойчивыми состояниями движения в природе являются резонансные [6], характер которых един и не зависит от природы взаимодействующих тел [9] (с. 89);
  3. неустойчивые состояния в статике могут стать устойчивыми в динамике (ловушки для заряженных частиц, перевернутый маятник П.Н. Капицы вне и в зонах параметрического резонанса, системы из одного, двух и более намагниченных гироскопов при резонансе) [4-8];

------- - предложена самосогласованная резонансная модель шаровой молнии.

----Предположим, что при грозе происходит мощный разряд. "Линейная" молния (одна, в особенности две) приведет к индуцированию перекрестных, кратковременных магнитных и электромагнитных полей (излучатель Герца [9]) . В результате, движение образовавшихся ионов будет происходить в сложных комбинированных электромагнитных полях ("постоянных" и переменных). Наведенные "постоянные" магнитные поля вызовут появление кратковременных, разнополярных токовых витков - m+ и m-. В первом приближении систему из двух токовых витков m+, m- будем рассматривать как намагниченные и противоположно заряженные гироскопы. При определенных условиях в такой системе возможно возникновение магниторезонансных устойчивых динамических состояний на расстояниях r~r0=g2m, где g - гиромагнитное отношение, m - масса [7]. Таким образом, разряд молнии, при определенном стечении обстоятельств, может привести к появлению самоустойчивого сгустка плазмы.
----Сам механизм возникновения устойчивых состояний движения при резонансе достаточно прост [6, 7, 8]. За счет прецессии намагниченных заряженных гироскопов m+, m-, одного в поле другого, на определенных расстояниях r0, при резонансе, может возникнуть отталкивание диполей, вместо притяжения, и система станет устойчивой [7, 8].
----Оценим параметры такой системы. Известно, что "эффективное поглощение извне интенсивных радиоволн электромагнитных колебаний ионизованного газового облака-плазмы может происходить только при резонансе, когда собственный период электромагнитных колебаний плазмы совпадет с периодом поглощаемого излучения..." Если считать, что поглощаемая частота соответствует собственным колебаниям сферы, то нужно чтобы длина поглощаемой волны была приблизительно равна четырем диаметрам шаровой молнии, точнее, l =3,65 d [3].
----Наиболее часто наблюдаются шаровые молнии с диаметром от 10 до 20 см, которым будут соответствовать длины волн от 35 до 70 см. При d~10 см, учитывая известные формулы:

----g = e/(2mc),
----l = 3,65d,
----d=2r0,
----d = n /(g H),
----w=gH,
----N0/V0 = 4mc2/ (e2d2),
----E = mv2/2 = (mc2/2)(d/l)2;
получим:
----E = (0.2-16)Мдж,
----N0/V0 = m/m1 = (3-96).1016частиц/куб.см,
----H = (17-400)Мэ;
----для m1 = (1-32).mp (протона).

----Таким образом, внутри шаровой молнии, помимо предполагаемых П.Л. Капицей коротковолновых электромагнитных колебаний, существуют дополнительно значительные магнитные поля ~Мэ. В первом приближении шаровую молнию можно рассматривать как самоустойчивую плазму - "удерживающую" саму себя в собственных резонансных переменных и постоянных магнитных полях. Резонансная модель шаровой молнии, возможно, при ее более строгом рассмотрении, позволит объяснить многие её особенности не только качественно, но и количественно, в частности получить экспериментально самоустойчивые плазменные резонансные образования, управляемые электромагнитными полями. Любопытно заметить, что температура такой самоудерживающейся плазмы в понимании хаотического движения будет "близка" к нулю, т.к. мы имеем дело со строго упорядоченным синхронным движением заряженных частиц. Соответственно время жизни t0 шаровой молнии (резонансной системы) велико ~ Q (добротности). Учитывая формулу для полной мощности излучения движущихся заряженных частиц по окружности в постоянном магнитном поле: Р = 2N0e4H2v2/ (3m2c5 (1-v2/c2))

получим оценку P~25-500 Вт, при d~10 см, соответственно t0 ~ E/P~4*103 c.

----Ниже представлена таблица значений параметров, полученных из самосогласованной резонансной модели шаровой молнии и данных наблюдений [1, 2].

----Таблица сравнения параметров шаровой молнии (для d ~ 10 см).

  E,Мдж N0/V0,
част./куб.см
H,э t0, с T,град.К P,Вт
  (0.2-16) (3-96)*1016 (17-400) 4*103 ~ 0 25-500
[1,2] (0.85-9.5) 5.8*1016 170 1-103 4000 10-500
[]/стр. [1]/71 [1]/67 [1]/80 [1]/66,46 [1]/76 [2]/25

где Н поле на расстоянии ~1 м от молнии (к сожалению, расстояние в случае [1] до колокола точно не известно).

    ЛИТЕРАТУРА

  1. Барри Дж. Шаровая молния и четочная молния: Пер. с англ.-под ред. Елецкого А.В. М.: Мир, 1983. - 288 с. (1980 Plenum Press, New York).
  2. Смирнов Б.М. Проблема шаровой молнии. -М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит., 1988. - 208 с.
  3. Капица П.Л. // ДАН СССР, 1955, т. 1, N 2, с. 245-248.
  4. Капица П.Л. // ЖЭТФ, 1951, т. 21, вып. 5, с. 588-597.
  5. Широносов В.Г. // ЖТФ, 1990, т. 60, в. 12, с. 1-7.
  6. Широносов В.Г. // ЖТФ, 1983, т. 53, вып. 7, с. 1414-1516.
  7. Широносов В.Г. // Изв. вузов, Физика, 1985, N 7, с. 74-78.
  8. Широносов В.Г. // ДАН СССР, 1990, т.314, N 2, с. 316-320.
  9. Лебедев П.Н. Избранные сочинения/ Под ред. А.К. Тимирязева,- М.Л.: Гостехиздат, 1949. - 244 с.