Физическая природа шаровой молнии

В.Г. Широносов (ЗАО НИЦ "ИКАР", Кафедра БиоМедФизики УдГУ, т.763-466 svg@uni.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 r_0, 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)^.m_p (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).

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.