Мал. 1. Схеми збудження газових розрядів: а - напруга подається на електроди на кордонах розрядного об'єму (ємнісний метод); б - напруга всередині розрядного об'єму індукується мінливих магнітним полем (індукційний метод)
Мал. 2. Кільце з поверхневим гвинтовим струмом в плазмі: J1 - полоідальним (перпендикулярний до середньої площині тора) струм, що створює тороїдальне магнітне поле Н1; J2 - поздовжній струм, що створює полоідальним магнітне поле Н2; R і а - зовнішній і внутрішній радіуси тора
Мал. 3. Кільце з полоідальним струмом всередині вихрового кільця: 1 - вихровий кільце (стрілками показано напрямок обертання шарів вихору); 2 - тороїдальне магнітне поле; 3 - струмовий кільце
Кульова блискавка - куля, що світиться, який інколи виникає при розряді лінійної блискавки, - одне з найзагадковіших атмосферних явищ. Природа кульової блискавки до цих пір невідома, хоча перша наукова публікація на цю тему - книга «Грім і блискавка» відомого французького фізика і астронома Франсуа Араго - була видана ще в 1838 році. Запропонована гіпотеза - спроба пояснити механізм утворення кульової блискавки на основі фізики плазми і газового розряду.
Природа кульової блискавки
Природа звичайної, лінійної, блискавки давно встановлена - це газовий розряд у вигляді грандіозної іскри, «проскакує» між сильно зарядженими грозовими хмарами або хмарою і землею. Оскільки поява кульової блискавки пов'язане з лінійної, природно припустити, що природа їх схожа. Тому розглянемо коротко основні групи газових розрядів.
Сильне електричне або змінне електромагнітне поле ионизует атоми і молекули газу - виникає плазма і відбувається електричний розряд. Газові розряди можна умовно розбити на дві основні групи за ознакою: замикаються силові лінії електричного поля в плазмі чи ні, інакше кажучи - вихровий електричне поле або потенційне.
Якщо напруга подають на електроди (рис. 1а), силові лінії електричного поля Е замикаються на них, а не в плазмі. Пара електродів поводиться як конденсатор, тому такі розряди називають ємнісними або Е-типу. Електричне поле може бути постійним, змінним або імпульсним.
Накопичений матеріал спостережень дозволяє встановити кілька властивих кульової блискавки особливостей:
• вона може виробляти електромагнітні впливу, особливо сильні при її загибелі з вибухом, і виводити з ладу електроприлади;
• час її життя - від десятих часток секунди до декількох хвилин;
• кульова блискавка може існувати в закритих приміщеннях, в тому числі і з електромагнітної екрануванням, наприклад в залізобетонних будівлях;
• її внутрішня температура досягає декількох тисяч градусів (судячи по спектру світлового випромінювання), але зовнішня поверхня має, як правило, низьку температуру (за даними очевидців, яких вона торкалася).
Перерахованих властивостей з урахуванням фізики газових розрядів досить для обгрунтування структури блискавки і її фізичних властивостей.
Кульова блискавка під час розпаду виділяє раніше накопичену енергію.
Як і в будь-якому замкнутому просторі, в кульової блискавки енергія може існувати у вигляді змінного електромагнітного поля, постійного електричного або постійного магнітного поля.
Змінне електромагнітне поле може довго зберігатися тільки в резонаторах з надзвичайно високою добротністю (відношенням величини запасеної енергії до середньої за період коливань потужності втрат), досяжною лише в оптичному діапазоні. Однак світ не здатний виробляти електромагнітні впливу, і ця можливість відпадає.
Якщо велика енергія укладена в постійному електричному полі, всередині блискавки не може бути високої температури, оскільки вона призводить до іонізації речовини і нейтралізації розділених зарядів. Але спектр її випромінювання відповідає саме високою внутрішньою температурі, і, отже, сильного електричного поля там немає.
Постійне магнітне поле має дві форми. Воно може бути полоідальним (поле витка зі струмом) або тороідальним (поле котушки зі струмом, згорнутої в тор). Подивимося, чи може основна частина електромагнітної енергії зосередитися в полоідальним поле (магнітному диполі), яке створює плазмовий виток зі струмом. У цьому випадку на кожну його ділянку діють сили Ампера, які прагнуть розширити виток, який розпадеться за тисячні частки секунди. Це суперечить свідченнями про час життя кульової блискавки, і, отже, полоідальним магнітне поле електромагнітну енергію зберігати не здатне.
Зі сказаного випливає, що основним носієм електромагнітної енергії в кульової блискавки може бути тільки постійне тороїдальне магнітне поле. Класик термоядерного синтезу В.Д. Шафранов довів: воно може існувати в плазмі у вигляді кільця з поверхневим гвинтовим струмом. Залишається, однак, незрозумілим, чому поверхню кульової блискавки холодна. Крім того, для збереження стабільності даної конфігурації потрібно точне дотримання співвідношення величин полоідальним і поздовжнього струмів (J1 і J2 на рис. 2), що на практиці важко виконати.
Розглянемо струмове кільце всередині вихрового газо-плазмового кільця (рис. 3). Як показав, наприклад, відомий дослідник Ю.П. Райзер, можна досить ефективно стабілізувати газовий розряд, особливо індукційний, закрученим газовим потоком.
В цьому випадку гарячу область від зовнішнього середовища відокремить кільцевої вихор (плазма в ньому існує лише в шарах, прилеглих до токовому шару), і оболонка кульової блискавки залишиться холодної. Крім того, така конфігурація може бути стабільною і під час відсутності поздовжньої складової поверхневого струму; необхідно лише, щоб швидкість шару вихору, який прилягає до магнітного поля, перевершувала критичну величину.
Створити струмове кільце з полоідальним струмом може тільки безелектродний індукційний газовий розряд. Гіпотезу про кульову блискавку як високочастотному розряді в сфальцьованому електромагнітне випромінювання лінійної блискавки висунув лауреат Нобелівської премії з фізики академік П.Л. Капіца. Однак його припущення не підтвердилося. Тому звернемося до імпульсних індукційним розрядами, які виникають при різкому наростанні магнітного поля (вони називаються «тета-пинч», див. Рис. 4).
До недоліку методу відноситься в першу чергу слабка стійкість плазми. Однак тороїдальне магнітне поле цілком можуть захопити плазмою (або, як кажуть фізики, вморожени в неї). Для цього після досягнення необхідної величини індукції магнітного поля відключають струм (рис. 5). Таким чином, подаючи на виток потужний імпульс струму з різким заднім фронтом, можна «вморозіть» в плазму тороїдальне магнітне поле.