Новая гипотеза и физические основы возникновения чëточной молнии в атмосфере Земли

Приведены новая гипотеза и базирующиеся на ней физические основы возникновения в воздушной атмосфере Земли чëточной молнии (ЧМ). Показано, что в основе электрофизического механизма формирования этого вида молнии находится волновое продольное распределение свободных электронов, движущихся в плазмен...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2016
Автор:	Баранов, М.И.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут технічних проблем магнетизму НАН України 2016
Назва видання:	Електротехніка і електромеханіка
Теми:	Теоретична електротехніка та електрофізика
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/147057
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Новая гипотеза и физические основы возникновения чëточной молнии в атмосфере Земли / М.И. Баранов // Електротехніка і електромеханіка. — 2016. — № 2. — С. 28-34. — Бібліогр.: 15 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-147057
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1470572019-02-14T01:26:22Z Новая гипотеза и физические основы возникновения чëточной молнии в атмосфере Земли Баранов, М.И. Теоретична електротехніка та електрофізика Приведены новая гипотеза и базирующиеся на ней физические основы возникновения в воздушной атмосфере Земли чëточной молнии (ЧМ). Показано, что в основе электрофизического механизма формирования этого вида молнии находится волновое продольное распределение свободных электронов, движущихся в плазменном канале линейной молнии (ЛМ) на стадии протекания в нем длительной компоненты тока грозового разряда. Из-за малой плотности тока в плазменном канале ЛМ на данной стадии разряда в нем происходит образование таких относительно длительно существующих волновых электронных пакетов, которые характеризуются сравнительно большими и поэтому визуально видимыми наблюдателями вначале ЛМ и затем ЧМ размерами своих периодически распределенных вдоль канала молнии «горячих» («светлых») и «холодных» («темных») продольных участков. Наведено нова гіпотеза і фізичні основи виникнення в повітряній атмосфері Землі четочної блискавки (ЧБ). Показано, що в основі електрофізичного механізму формування цього виду блискавки знаходиться хвилевий подовжній розподіл вільних електронів, що рухаються в плазмовому каналі лінійної блискавки (ЛБ) на стадії протікання в нім тривалою компоненти струму грозового розряду. Із-за малої щільності струму в плазмовому каналі ЛБ на даній стадії розряду в нім відбувається утворення таких відносно тривало існуючих хвилевих електронних пакетів, які характеризуються порівняно великими і тому візуально видимими спостерігачами спочатку ЛБ і потім ЧБ розмірами своїх періодично розподілених уздовж каналу блискавки «гарячих» («світлих») і «холодних» («темних») подовжніх ділянок. Purpose. Development and scientific ground of new hypothesis of origin of rosary lightning (RL) is in the air atmosphere of Earth. Methodology. Electrophysics bases of technique of high (ever-higher) impulsive voltage and large (weak) impulsive currents, and also theoretical bases of quantum physics. Results. The substantive provisions of new hypothesis of origin are formulated RL. Taking into account these positions bases of close electrophysics theory of origin are developed in an air atmosphere RL. Basic electrophysics terms, resulting in the transition of linear lightning (LL) in RL, are indicated. Originality. First on the basis of conformities to the law of quantum physics the new electrophysics mechanism of education is offered RL from LL. It is set that this mechanism the wave longitudinal distributing of drifting lone electrons is underlaid in the plasma cylindrical channel of a long spark storm digit in an air atmosphere, resulting in forming in him of «light» («hot») and «dark» («cold») longitudinal areas of periodic electronic wavepackages (EWP). It is shown that for LL information the areas of EWP periodically up-diffused along the channel of lightning are characterized the small and unnoticeable for observers lengths, and for RL − by large lengths and by sight noticeable for observers from earth. Practical value. Deepening of scientific knowledges about physics of such global atmospheric phenomenon as lightning. Expansion of scientific presentations of humanity about circumferential tellurians nature and difficult natural physical processes, flowings in it. 2016 Article Новая гипотеза и физические основы возникновения чëточной молнии в атмосфере Земли / М.И. Баранов // Електротехніка і електромеханіка. — 2016. — № 2. — С. 28-34. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. 2074-272X DOI: https://doi.org/10.20998/2074-272X.2016.2.04 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/147057 621.3.015.52 ru Електротехніка і електромеханіка Інститут технічних проблем магнетизму НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Теоретична електротехніка та електрофізика Теоретична електротехніка та електрофізика
spellingShingle	Теоретична електротехніка та електрофізика Теоретична електротехніка та електрофізика Баранов, М.И. Новая гипотеза и физические основы возникновения чëточной молнии в атмосфере Земли Електротехніка і електромеханіка
description	Приведены новая гипотеза и базирующиеся на ней физические основы возникновения в воздушной атмосфере Земли чëточной молнии (ЧМ). Показано, что в основе электрофизического механизма формирования этого вида молнии находится волновое продольное распределение свободных электронов, движущихся в плазменном канале линейной молнии (ЛМ) на стадии протекания в нем длительной компоненты тока грозового разряда. Из-за малой плотности тока в плазменном канале ЛМ на данной стадии разряда в нем происходит образование таких относительно длительно существующих волновых электронных пакетов, которые характеризуются сравнительно большими и поэтому визуально видимыми наблюдателями вначале ЛМ и затем ЧМ размерами своих периодически распределенных вдоль канала молнии «горячих» («светлых») и «холодных» («темных») продольных участков.
format	Article
author	Баранов, М.И.
author_facet	Баранов, М.И.
author_sort	Баранов, М.И.
title	Новая гипотеза и физические основы возникновения чëточной молнии в атмосфере Земли
title_short	Новая гипотеза и физические основы возникновения чëточной молнии в атмосфере Земли
title_full	Новая гипотеза и физические основы возникновения чëточной молнии в атмосфере Земли
title_fullStr	Новая гипотеза и физические основы возникновения чëточной молнии в атмосфере Земли
title_full_unstemmed	Новая гипотеза и физические основы возникновения чëточной молнии в атмосфере Земли
title_sort	новая гипотеза и физические основы возникновения чëточной молнии в атмосфере земли
publisher	Інститут технічних проблем магнетизму НАН України
publishDate	2016
topic_facet	Теоретична електротехніка та електрофізика
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/147057
citation_txt	Новая гипотеза и физические основы возникновения чëточной молнии в атмосфере Земли / М.И. Баранов // Електротехніка і електромеханіка. — 2016. — № 2. — С. 28-34. — Бібліогр.: 15 назв. — рос.
series	Електротехніка і електромеханіка
work_keys_str_mv	AT baranovmi novaâgipotezaifizičeskieosnovyvozniknoveniâčetočnojmolniivatmosferezemli
first_indexed	2025-07-11T01:15:49Z
last_indexed	2025-07-11T01:15:49Z
_version_	1837311261167058944
fulltext	Техніка сильних електричних та магнітних полів. Кабельна техніка 28 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2016. №2 © М.И. Баранов УДК 621.3.015.52 doi: 10.20998/2074-272X.2016.2.05 М.И. Баранов НОВАЯ ГИПОТЕЗА И ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ЧËТОЧНОЙ МОЛНИИ В АТМОСФЕРЕ ЗЕМЛИ Наведено нова гіпотеза і фізичні основи виникнення в повітряній атмосфері Землі четочної блискавки (ЧБ). Показано, що в основі електрофізичного механізму формування цього виду блискавки знаходиться хвилевий подовжній розподіл вільних електронів, що рухаються в плазмовому каналі лінійної блискавки (ЛБ) на стадії протікання в нім тривалою компоненти струму грозового розряду. Із-за малої щільності струму в плазмовому каналі ЛБ на даній стадії розряду в нім відбувається утворення таких відносно тривало існуючих хвилевих електронних пакетів, які характеризуються порів- няно великими і тому візуально видимими спостерігачами спочатку ЛБ і потім ЧБ розмірами своїх періодично розподі- лених уздовж каналу блискавки «гарячих» («світлих») і «холодних» («темних») подовжніх ділянок. Бібл. 15, рис. 4. Ключові слова: лінійна блискавка, четочна блискавка, фізичні основи, плазмовий канал грозового розряду, вільні електрони, що дрейфують, хвилеві електронні пакети, «гарячі» («світлі») і «холодні» («темні») подовжні ділянки хвилевих електронних пакетів каналу грозового розряду. Приведены новая гипотеза и базирующиеся на ней физические основы возникновения в воздушной атмосфере Земли чëточной молнии (ЧМ). Показано, что в основе электрофизического механизма формирования этого вида молнии находится волновое продольное распределение свободных электронов, движущихся в плазменном канале линейной молнии (ЛМ) на стадии протекания в нем длительной компоненты тока грозового разряда. Из-за малой плотности тока в плазменном канале ЛМ на данной стадии разряда в нем происходит образование таких относительно дли- тельно существующих волновых электронных пакетов, которые характеризуются сравнительно большими и по- этому визуально видимыми наблюдателями вначале ЛМ и затем ЧМ размерами своих периодически распределенных вдоль канала молнии «горячих» («светлых») и «холодных» («темных») продольных участков. Библ. 15, рис. 4. Ключевые слова: линейная молния, чëточная молния, физические основы, плазменный канал грозового разряда, дрейфующие свободные электроны, волновые электронные пакеты, «горячие» («светлые») и «холодные» («темные») продольные участки волновых электронных пакетов канала грозового разряда. Введение. Общеизвестным и наиболее изучен- ным видом мощного природного электрического кратковременного длинного искрового разряда в воз- душной атмосфере Земли является линейная молния (ЛМ) [1-4], внешний вид которой приведен на рис. 1. Рис. 1. Общий вид ярко светящегося в атмосфере плазмен- ного канала длинного искрового разряда ЛМ между поло- жительно заряженным облаком и поверхностью земли [5] Как правило, длина плазменного канала ЛМ ме- жду грозовым облаком с отрицательным (положи- тельным) потенциалом UL до ±(30-50) МВ и поверх- ностью земли измеряется сотнями метров и в пределе может достигать нескольких километров [1-5]. Диа- метр плазменного канала ЛМ в воздушной атмосфере при этом согласно [1-5] может составлять от десятков сантиметров до нескольких метров. В настоящее вре- мя физика ЛМ благодаря результатам теоретических и экспериментальных работ отечественных [2-4] и зарубежных ученых и специалистов [1], представлен- ным в обзорной монографии [5], изложена на доста- точно высоком научно-техническом уровне. Тем не менее, до сих пор в технике и электрофизике высоких напряжений, технике больших (малых) импульсных токов, а также в слабо- и сильноточной технике длин- ных (коротких) искровых разрядов в газовых (воз- душных) средах отсутствуют научно-технические данные, строго или хотя бы приближенно объясняю- щие трансформацию (правда, не так часто и не всегда) в воздушной атмосфере ЛМ в дальнейшем в чëточную молнию (ЧМ). Возникновение ЧМ или «цепочечной» молнии («bead lightning» [1]) в электрически активной воздушной атмосфере является твердо установлен- ным научным фактом, задокументированным много- численными визуальными наблюдателями этого от- носительно редкого и интересного природного атмо- сферного явления [1, 5, 6]. Существующие на сегодня теории ЧМ базируются на том, что этот вид молнии в сверхвысоковольтной двухэлектродной системе «за- ряженное облако − земля» [1, 6]: 1) является результатом периодического прерыва- ния плазменного канала грозового разряда облаком или дождем; 2) обусловлен нестабильностью плазменного кана- ла грозового разряда с продольным током из-за воз- никающего в нем пинч-эффекта, приводящего к его поперечной «перетяжке» и образованию канала «со- сисочного» типа; 3) представляет собой ряд сфероподобных дуговых электрических разрядов, появляющихся на месте ра- нее «отработанного» с большим импульсным током грозового разряда плазменного канала ЛМ на завер- ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2016. №2 29 шающей стадии длительного протекания в нем не- большого непрерывного тока; 4) вызван относительно большим временем свече- ния продольных участков цилиндрического плазмен- ного канала ЛМ, имеющих необычно большой ради- ус. Прошедшие десятилетия с момента появления в научном мире указанных теорий ЧМ показали, что эти теоретические подходы оказались слабо аргумен- тированными и в итоге научно не состоятельными. В этой связи разработка нового подхода к науч- ному объяснению возникновения и короткого во вре- мени существования в воздушной атмосфере такого природного явления как ЧМ является актуальной научно-технической задачей, научно расширяющей наши представления об окружающей нас природе и физических процессах в ней протекающих. 1. Постановка задачи исследования. Рассмот- рим с электрофизических позиций формирование и протекание ЛМ в воздушной атмосфере на высотах до 1000 м, содержащей в своем составе многочисленные увлекаемые восходящими (нисходящими) воздушны- ми потоками атомы многих химических элементов, в том числе азота N, кислорода O, углерода C, кремния Si, серы S, железа Fe, свинца Pb и др. Часть из указан- ных атомов, образующихся из них молекул и тех или иных окислов вещества оказываются в воздушной атмосфере, прежде всего, за счет вторичных продук- тов от сгорания и окисления органического топлива на тепловых электрических станциях и крупных про- мышленных предприятиях, поднимающихся из высо- ких дымовых труб в земную атмосферу с горячими дымовыми отходами от их непрерывного функциони- рования. Отметим, что ток ЛМ на указанных высотах в воздушной атмосфере характеризуется двумя ос- новными компонентами [7, 8]: импульсной А- компо- нентой (с нормированной амплитудой ImL до 200 кА и длительностью τp до 0,5 мс) и длительной С- компо- нентой (с усредненным значением ImL до 200 А и дли- тельностью τp до 1000 мс). Считаем, что при возник- новении в воздушной атмосфере плазменного канала ЛМ указанные атомы (молекулы) вещества и их окис- лы оказываются задействованными в сложные физи- ческие процессы, протекающие на «тонком» атомар- ном уровне в активной зоне данного канала, имеющей локальную цилиндрическую конфигурацию. Не уг- лубляясь на данном этапе в эти процессы, отметим лишь то, что указанные микрообразования вещества будут за счет высокой температуры в плазменном канале ЛМ (порядка (20-30)103 К [9]) подвергаться сверхбыстрым процессам ударной и термической ио- низации. Именно эти атомы (молекулы) вещества бу- дут являться основными «поставщиками» дополни- тельных свободных электронов в канал ЛМ, элек- тронная температура Te которых будет поддерживать и определять его указанную выше высокую темпера- туру как на стадии протекания в нем импульсной А- компоненты тока, так и на стадии протекания в нем длительной С- компоненты тока грозового разряда. Принимаем, что движение свободных электронов по плазменному каналу ЛМ определяет перенос электри- ческого заряда как от отрицательно заряженной части грозового облака к земле («молнии отрицательной полярности»), так и от отрицательно заряженной по- верхности земли к положительно заряженной части грозового облака («молнии положительной полярно- сти»). Требуется рассмотреть на основе известных научных положений возможность образования ЧМ путем определенной трансформации в нее ЛМ на ста- дии протекания в ее плазменном канале длительной С- компоненты тока молнии, а также установить ос- новные электрофизические условия в плазменном канале ЛМ и воздушной атмосфере, обеспечивающие такую трансформацию одного вида молнии в другой. 2. Формулировка предлагаемой гипотезы воз- никновения ЧМ в воздушной атмосфере. Согласно [10] понятие «гипотеза» происходит от греческого слова «hypothesis», обозначающего «предположение». Применительно к рассматриваемому нами случаю это понятие будет обозначать научное предположение, выдвигаемое для объяснения природного физического явления в виде ЧМ, иногда протекающего в электри- чески активной воздушной атмосфере. По определе- нию данное предположение требует эксперименталь- ной проверки и теоретического обоснования для того, чтобы стать достоверной научной теорией. Опытная проверка явления ЧМ была осуществлена ранее его многочисленными зарубежными наблюдателями [1, 6]. Согласно опытным данным, приведенным в [5, 6], ЧМ возникает в конце протекания ЛМ. ЧМ по сравнению с ЛМ характеризуется относительно большим временем своего существования [1, 6]. На рис. 2,а и б показаны основные фазы протекания ЛМ и ЧМ, заснятые наблюдателями этих природных элек- трофизических явлений и приведенные в [5, 6]. На рис. 3 в укрупненном виде на месте бывшего плаз- менного канала ЛМ представлены отдельные «свет- лые» чëтки ЧМ, разделенные в зоне указанного кана- ла молнии друг от друга «темными» четками ЧМ. Ис- ходя из имеющихся на сегодня неопровержимых экспериментальных данных, полученных при пря- мых наблюдениях ЧМ в воздушной атмосфере [1, 6], и установленных фундаментальных теоретических и опытных закономерностей волнового продольного распределения дрейфующих электронов в металли- ческих проводниках с импульсным током [11], пред- лагаемая здесь гипотеза возникновения и развития в воздушной атмосфере ЧМ включает в себя следую- щие основные положения:  ЧМ является специфическим видом электриче- ского кратковременного длинного искрового разряда в воздушной атмосфере, возникающим на финальной стадии протекания в воздушной атмосфере ЛМ;  ЧМ возникает на стадии протекания в плазмен- ном канале ЛМ цилиндрической формы относительно большого диаметра длительной С- компоненты тока грозового разряда, характеризующейся непрерывны- ми токами в сотни и десятки ампер при длительности их канального протекания не менее 1 с;  Зоной возникновения ЧМ является главный плазменный канал ЛМ, а длительность существования ЧМ в воздушной атмосфере Земли определяется дли- тельностью протекания малого непрерывного тока на стадии длительной С- компоненты тока молнии; 30 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2016. №2  Электронный ток проводимости в плазменном цилиндрическом канале ЛМ и в последующем возни- кающем на его основе видоизмененном плазменном канале ЧМ подчиняется закономерностям квантовой физики и характеризуется в данных каналах соответ- ствующими волновыми периодическими продольны- ми и радиальными распределениями своих дрейфую- щих свободных электронов вначале в сильноточном канале ЛМ, а затем и в слаботочном канале ЧМ;  ЧМ появляется в результате электрофизической трансформации возникающих в плазменном канале ЛМ с большим импульсным током А- компоненты волновых электронных пакетов (ВЭП) с малыми и не видимыми наблюдателями ЛМ длинами своих перио- дически распределенных вдоль канала грозового раз- ряда относительно «горячих» («светлых») и «холод- ных» («темных») продольных участков в ВЭП с боль- шими и поэтому визуально видимыми с земли наблю- дателями ЧМ длинами своих относительно «горячих» («светлых») и «холодных» («темных») продольных участков, периодически расположенных вдоль видо- измененного плазменного канала ЧМ. а б Рис. 2. Основные фазы протекания в зоне одного плазмен- ного криволинейного канала грозового разряда вначале ЛМ (а), а затем и ЧМ (б) в воздушной атмосфере Земли [5, 6] Рис. 3. Общий вид отдельных «светлых» и «темных» чëток ЧМ, наблюдаемых с земли в воздушной атмосфере [5, 6] 3. Научное обоснование предлагаемой гипо- тезы возникновения ЧМ в воздушной атмосфере. Начнем с того, что ВЭП в плазменном канале гро- зового разряда на его начальной и финальной ста- диях протекания по аналогии с ВЭП, введенными и использованными при изучении в [11] периодиче- ских волновых продольных и радиальных распре- делений дрейфующих свободных электронов в кри- сталлической структуре металлических проводни- ков с постоянным, переменным и импульсным электрическим током, характеризуются относи- тельно «горячими» длиной Δzhn и «холодными» длиной Δzcn квантованными продольными участка- ми. Сумма длин этих участков (Δzhn+Δzcn) образует квантованный шаг продольной периодической структуры ВЭП в плазменном канале молнии. При- чем, величина данного шага (Δzhn+Δzcn) будет все- гда равна длине квантованной полуволны λen/2 де Бройля для дрейфующих в канале молнии свобод- ных электронов. В свою очередь, для величины λen/2 в плазменном канале молнии выполняется сле- дующее квантовомеханическое соотношение: nlken /2/  , (1) где lk − длина цилиндрического плазменного канала грозового разряда; n = 1,2,3,..., nm − целое квантовое число; nm=2nk 2 − максимальное значение квантового числа n [11]; nk − главное квантовое число для иони- зированных атомов вещества [12], присутствующих в плазменном канале грозового разряда в воздушной атмосфере Земли на стадии протекания в нем им- пульсной А- и длительной С- компонент тока молнии. Из (1) видно, что минимальное значение длины дебройлевской электронной полуволны λen/2 в плаз- менном канале молнии будет соответствовать макси- мальному значению квантового числа n = nm. При оце- ночных расчетах минимальной усредненной длины λe/2 дебройлевской полуволны для дрейфующих сво- бодных электронов в плазменном канале грозового разряда может быть использовано следующее класси- ческое квантовомеханическое соотношение [12]: )(2/2/ Dee vmh , (2) где h = 6,626·1034 Дж·с − постоянная Планка; me=9,108·1031 кг − масса покоя электрона; vD=δm/(e0ne0) − максимальное значение средней скоро- сти дрейфа свободных электронов в плазменном ка- нале молнии, формирующимся при электрическом пробое длинного воздушного промежутка в разрядной системе «заряженное облако − земля»; δm≈4ImL/(πdk 2) − максимальное значение плотности тока в плазменном канале молнии диаметром dk; e0=1,602·1019 Кл − мо- дуль электрического заряда электрона; ne0 − усред- ненное значение плотности дрейфующих свободных электронов в плазменном канале молнии. 3.1. Оценка минимальных длин «горячих» ΔzhL и «холодных» ΔzcL продольных участков ВЭП для ЛМ. Согласно расчетным и экспериментальным данным, приведенным в [11, 13], «горячие» продоль- ные участки ВЭП в круглом металлическом провод- нике с импульсным током большой плотности по сравнению с его «холодными» продольными участка- ми существенно отличаются уровнем электронной ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2016. №2 31 температуры Te (примерно в 3,5 раза). Вызвана эта особенность повышенной по сравнению с усреднен- ной первоначальной (до протекания тока) в цилинд- рическом объеме проводника концентрацией дрей- фующих свободных электронов на «горячих» про- дольных участках ВЭП, середины которых соответст- вуют амплитудам распространяющихся вдоль про- водника электронных полуволн де Бройля. При этом на «холодных» продольных участках проводника из- за волнового характера распределения по его цилинд- рическому объему дрейфующих свободных электро- нов имеет место пониженная объемная плотность рассматриваемых микроносителей заряда. В результа- те такого волнового продольного периодического распределения дрейфующих свободных электронов в проводнике формируется неоднородное продольное периодическое температурное поле. Кроме того, со- гласно [14] при экспериментальном исследовании явления электрического взрыва (ЭВ) в воздухе тонких круглых медных проволочек (длина − 60 мм; диаметр − 100 мкм) путем пропускания по ним от высоко- вольтного генератора импульсных токов (ГИТ) сину- соидального затухающего по экспоненте разрядного тока большой плотности (δm≈6,4·1012 А/м2) в диспер- гированных продуктах взрывообразного разрушения твердой меди (фактически в «металлической» плазме) методом скоростного фоторегистрирования были за- фиксированы продольные периодические страты, со- стоящие из слоистой продольной периодической дис- кообразной структуры различной светимости, содер- жащей чередующиеся между собой «светлые» шири- ной Δzh и «темные» шириной Δzc продольные участки. Данные участки попарно образовывали в сильноточ- ном разрядном воздушном промежутке ГИТ с «ме- таллической» плазмой шаг периодической структуры ВЭП длиной около (Δzh+Δzc)≈1,76 мм. Очевидно, что в случае указанного ЭВ тонких медных проволочек «светлые» продольные участки его «металлической» плазмы в разрядном воздушном промежутке соответ- ствовали «горячим» участкам ВЭП, а его «темные» продольные участки − «холодным» участкам ВЭП. В этой связи достаточно обоснованно можно говорить о том, что «горячие» продольные участки минимальной длиной ΔzhL в плазменном канале молнии, возникаю- щем в сверхвысоковольтном разрядном воздушном промежутке системы «заряженное облако − земля», будут соответствовать его «светлым» продольным участкам, а «холодные» продольные участки мини- мальной длиной ΔzcL в плазменном канале молнии − его «темным» продольным участкам. На рис. 4 в схе- матическом виде качественно изображены «горячие» («светлые») и «холодные» («темные») периодические продольные участки ВЭП плазменного канала мол- нии, возникающего в воздушной атмосфере Земли. Минимальная длина ΔzhL «горячего» («светлого») продольного участка ВЭП в плазменном канале ЛМ, образовавшемся в сверхвысоковольтном разрядном воздушном промежутке системы «заряженное облако − земля», на основании квантовомеханического соотно- шения неопределенности Гейзенберга [12] примени- тельно к дрейфующим в нем (этом канале) свободным электронам может быть приближенно определена из следующего аналитического выражения [13]: ])2(8/[)( 21 00    meehL mhnez . (3) Для численной оценки по (3) значений ΔzhL при- мем, что сильноточный плазменный канал ЛМ на ста- дии протекания в нем импульсной А- компоненты тока молнии имеет следующие исходные геометрические и электрофизические параметры [1, 8, 12]: dk≈1 м; ne0≈1025 м3; ImL≈100 кА; δm≈1,27·105 А/м2. Тогда из (3) следует, что ΔzhL≈1 мм. С учетом (2) минимальная усредненная длина λe/2 электронной полуволны де Бройля для рассматриваемого нами случая окажется примерно равной λe/2≈0,5e0ne0h(meδm)1≈4,6 мм. В ре- зультате минимальная длина ΔzcL «холодного» («тем- ного») продольного участка ВЭП в плазменном кана- ле ЛМ на указанной стадии развития ее плазменного канала будет принимать численное значение, равное около ΔzcL≈λe/2−ΔzhL≈3,6 мм. Видно, что величины ΔzhL и ΔzcL для «горячих» («светлых») и «холодных» («темных») периодических продольных участков ВЭП практически на три порядка меньше диаметра dk плазменного канала грозового разряда на стадии фор- мирования и протекания в нем ЛМ. Визуально зафик- сировать наблюдателю с земли такие участки ВЭП для ЛМ практически не представляется возможным. Рис. 4. Схематическое безмасштабное изображение «горя- чих» («светлых») и «холодных» («темных») продольных участков периодической структуры ВЭП в плазменном кри- волинейном канале грозового разряда, развивающемся в воздушной атмосфере Земли (1 − «светлый» («горячий») участок цилиндрического канала молнии; 2 − «темный» («холодный») участок цилиндрического канала молнии) 3.2. Оценка минимальных длин «горячих» ΔzhL и «холодных» ΔzcL продольных участков ВЭП для ЧМ. Для этого принимаем, что на стадии проте- кания в плазменном канале грозового разряда дли- тельной С- компоненты тока молнии принятый диа- метр dk≈1 м данного канала из-за инерционности теп- ловых процессов в нем и за прошедшее время порядка 0,5 мс не успел измениться и остался таким же как и на предыдущей стадии протекания по нему импульс- ной А- компоненты тока молнии. Кроме того, счита- ем, что усредненная концентрация (объемная плот- ность) ne0 свободных электронов в случае протекания по плазменному каналу молнии длительной С- ком- поненты тока грозового разряда осталась также преж- ней и примерно равной ne0≈1025 м-3. Пусть в данном случае непрерывный длительный ток молнии характе- 32 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2016. №2 ризуется следующими параметрами [7, 8]: ImL≈100 А; δm≈1,27·102 А/м2. Подставив эти исходные данные в (3) получаем, что в рассматриваемом случае мини- мальная длина ΔzhL «горячего» («светлого») продоль- ного участка ВЭП в канале молнии будет численно составлять уже около ΔzhL≈1 м. Из расчетного соот- ношения λe/2≈0,5e0ne0h(meδm)1 находим, что на стадии протекания в принятом плазменном канале грозового разряда длительной С- компоненты тока молнии ми- нимальная усредненная длина λe/2 дебройлевской электронной полуволны численно составит примерно 4,6 м. Тогда минимальная длина ΔzcL «холодного» («темного») продольного участка ВЭП в плазменном канале молнии на финальной стадии ее протекания будет принимать численное значение, равное около ΔzcL≈λe/2−ΔzhL≈3,6 м. Полученные количественные результаты для продольных ВЭП в плазменном кана- ле грозового разряда на стадии протекания по нему длительной С- компоненты тока молнии неопровер- жимо указывают на то, что исследуемый цилиндриче- ский канал молнии может разбиваться на сравнитель- но большие и поэтому визуально обнаруживаемые с поверхности земли наблюдателями «светлые» и «тем- ные» продольные участки (отдельные чëтки), перио- дически расположенные вдоль пути протекания в воз- душной атмосфере описываемого мощного длинного искрового разряда. Поэтому согласно приведенным здесь приближенным расчетным результатам ЧМ «рождается» из ЛМ, протекающей в сверхвысоко- вольтном длинном разрядном воздушном промежутке двухэлектродной системы «заряженное облако − зем- ля» на заключительной стадии своего существования. 3.3. Оценка возможного числа «горячих» ΔzhL и «холодных» ΔzcL продольных участков ВЭП для ЧМ. Число nL отдельных чëток, каждая из которых содержит один «горячий» («светлый») и один «хо- лодный» («темный») продольный участок периодиче- ски распределенных ВЭП в плазменном канале грозо- вого разряда, в ЧМ с учетом (1) формально может быть оценено по следующей приближенной формуле: ekL ln /2 . (4) При lk≈460 м и λe/2≈4,6 м из (4) получаем, что nL≈100. Полученный нами в первом приближении количественный результат для числа nL чëток в ЧМ вступает в противоречие с численным показателем максимального значения квантового числа nm из (1), определяемого главным квантовым числом nk для ио- низированных атомов вещества, оказавшихся в зоне протекания цилиндрического канала ЛМ и затем ЧМ. По-видимому, согласно данным, приведенным выше в постановочном разделе 1 и в периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева [12], кванто- вое число nm≥nL применительно к плазменному кана- лу грозового разряда в воздушной атмосфере при nk≈6 не должно превышать 2nk 2≈72. Отсюда вытекают оп- ределенные ограничения на численные значения воз- можной длины lk цилиндрического плазменного кана- ла грозового разряда для случая возникновения в нем ЧМ, минимальной длины λe/2 электронных полуволн де Бройля, распространяющихся в данном канале, и числа nL отдельных чëток в плазменном канале ЧМ. 3.4. Оценка температуры «горячих» ΔzhL про- дольных участков ВЭП в плазменном канале ЧМ. Считаем, что данная температура из-за первоначаль- ной неизотермичности электронного и ионного газов в длинном сильноточном разрядном канале ЛМ будет определяться электронной температурой Te плазмен- ного канала грозового разряда на стадии протекания в нем импульсной А- компоненты тока молнии. Учиты- вая скоротечность этой стадии развития молнии (по- рядка 0,5 мс), практическое отсутствие на ней ради- альной теплоотдачи от канала молнии в окружающее ЛМ воздушное пространство и сравнительно боль- шую инерционность тепловых процессов, для оценки электронной температуры Te «горячих» («светлых») продольных участков ВЭП длиной ΔzhL в плазменном канале ЧМ с учетом результатов приближенного рас- чета теплового состояния ионизированного квази- нейтрального газа в воздушных промежутках высоко- вольтных искровых разрядников, приведенных в [11], можно воспользоваться следующим соотношением: 4/13/1 )]/([83,5 mcmLe tIT  , (5) где σс=5,67·10-8 Вт·(м2·К4)1 − постоянная Стефана- Больцмана [12]; tm − время (в секундах), соответст- вующее амплитуде ImL (в амперах) тока молнии на электрофизической стадии протекания в ее длинном воздушном искровом промежутке импульсной А- компоненты тока мощного грозового разряда. Приняв, что на начальной стадии развития ЛМ ImL≈100 кА, а tm≈10 мкс [4], из (5) для электронной температуры Te «горячих» («светлых») чëток ЧМ в первом приближении находим, что она в рассматри- ваемом случае составляет около 31·103 К. Такой рас- четный уровень термодинамической температуры в плазменных каналах ЛМ и ЧМ соответствует извест- ным температурам в искровых каналах сильноточных электрических разрядов в газовых средах [8, 9, 11]. 3.5. Оценка длительности существования ЧМ в воздушной атмосфере. Длительность tL существо- вания ЧМ после финальной стадии протекания ЛМ может быть оценена по следующему соотношению: mLLL Iqt / , (6) где qL − электрический заряд, протекающий на стадии непрерывной длительной С- компоненты тока грозо- вого разряда с его усредненной величиной ImL через видоизмененный из-за трансформированных про- дольных участков ВЭП плазменный канал ЛМ. При qL≈200 Кл [7, 8] и принятой нами величине непрерывного тока ImL≈100 А на указанной токовой стадии формирования ЧМ численное значение дли- тельности tL протекания этого вида молнии будет со- ставлять по (6) около 2 с. Данное значение tL оказыва- ется существенно больше длительности протекания ЛМ, включающей длительность ее начальной стадии с большим импульсным током А- компоненты тока грозового разряда и ее финальной стадии на начале протекания длительной С- компоненты тока молнии. 3.6. Оценка геометрической формы «горячих» и «холодных» продольных участков ВЭП для ЧМ. Геометрическая форма отдельных чëток ЧМ (ее «светлых» и «темных» продольных участков) должна повторять локальную цилиндрическую конфигура- ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2016. №2 33 цию первоначального криволинейного в целом длин- ного плазменного канала ЛМ. Краевые зоны «свет- лых» и «темных» продольных участков ВЭП в канале ЧМ вероятно должны содержать эллипсоидальные поверхности (см. рис. 3), обусловленные не скачкооб- разным изменением в этих зонах объемной плотности ne0 дрейфующих свободных электронов, а ее плавным изменением по одному из основных универсальных физических законов нашей природы − экспоненци- альному закону [15]. Из-за возможной продольной неоднородности распределения основных носителей электричества (свободных электронов) в плазменном канале ЧМ геометрические размеры (длины и диамет- ры) его отдельных чëток («светлых» и «темных» про- дольных участков периодически изменяющихся ВЭП) могут отличаться друг от друга, а сами чëтки приоб- ретать деформированный и неканонический вид. 4. Формулировка электрофизических условий появления ЧМ в воздушной атмосфере. Приведем ниже основные электрофизические условия, при ко- торых, по-мнению автора, возможна трансформация ЛМ в ЧМ, протекающую в воздушной атмосфере:  Диаметр dk цилиндрического канала грозового разряда в длинном воздушном разрядном промежутке сверхвысоковольтной двухэлектродной системы «за- ряженное облако − земля», величины большого тока на стадии протекания в этом канале импульсной А- компоненты тока молнии и непрерывного слабого тока на стадии протекания по нему длительной С- компоненты тока молнии, а также усредненная объ- емная плотность ne0 дрейфующих свободных электро- нов в канале грозового разряда должны способство- вать формированию в нем (канале молнии) таких пе- риодических ВЭП, продольные «горячие» («светлые») и «холодные» («темные») участки которых изменяют- ся в диапазоне соответственно от тысячных долей метра для ЛМ до единиц и десятков метров для ЧМ;  Длина lk цилиндрического плазменного канала грозового разряда в длинном воздушном разрядном промежутке сверхвысоковольтной двухэлектродной системы «заряженное облако − земля» и минимальная усредненная длина дебройлевских электронных полу- волн λe/2 в плазменном канале молнии должны удов- летворять квантовомеханическому соотношению (1);  В длинном воздушном разрядном промежутке сверхвысоковольтной двухэлектродной системы «за- ряженное облако − земля» и соответственно в цилин- дрическом плазменном канале грозового разряда должны главным образом присутствовать такие иони- зированные атомы вещества, образовавшиеся с их электронных подоболочек и поступающие в плазмен- ный канал молнии свободные электроны будут спо- собствовать выполнению соотношений (1) и nL≤nm. На взгляд автора, невыполнение указанных выше условий во многих случаях протекания в воздушной атмосфере такого наиболее изученного вида молнии как ЛМ и не вызывает появления ЧМ вслед за ЛМ. Выводы. 1. Предложена новая гипотеза возникновения тако- го малоисследованного природного атмосферного явления как ЧМ и дано в первом приближении ее на- учное обоснование, построенное на фундаментальных закономерностях квантовой физики. 2. Показано, что ЧМ может возникать в плазмен- ном канале ЛМ на стадии протекания по нему в тече- ние не менее 1000 мс непрерывной длительной С- компоненты тока грозового разряда с его величинами на ее спаде («хвосте») в сотни и десятки ампер. 3. В основе электрофизического механизма обра- зования ЧМ из ЛМ может лежать трансформация в плазменном канале молнии периодических ВЭП и их коротких (длиной до единиц миллиметров) «горя- чих» («светлых») и «холодных» («темных») про- дольных участков на стадии протекания в нем им- пульсной А- компоненты тока грозового разряда в ВЭП с их длинными (длиной до десятков метров) «горячими» («светлыми») и «холодными» («темны- ми») продольными участками на финальной стадии развития грозового разряда с протеканием в его плазменном канале непрерывной длительной С- компоненты тока молнии. 4. Сформулированы основные электрофизические условия, при выполнении которых возможно форми- рование в электрически активной воздушной атмо- сфере Земли ЧМ, возникающей в видоизмененном за счет указанной трансформации продольных периоди- ческих ВЭП плазменном канале ЛМ на ее заключи- тельной стадии развития после протекания импульс- ной А- компоненты тока грозового разряда. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Юман М.А. Молния. − М.: Мир, 1972. − 327 с. 2. Базелян Э.М., Горин Б.Н., Левитов В.И. Физические и инженерные основы молниезащиты. − Л.: Гидрометеоиздат, 1978. − 223 с. 3. Базелян Э.М., Райзер Ю.П. Физика молнии и молниеза- щита. − М.: Физматлит, 2001. − 319 с. 4. Кужекин И.П., Ларионов В.П., Прохоров Е.Н. Молния и молниезащита. − М.: Знак, 2003. − 330 с. 5. Кравченко В.И. Молния. Электромагнитные факторы и их поражающее воздействие на технические средства. − Х.: НТМТ, 2010. − 292 с. 6. Барри Дж. Шаровая молния и четочная молния. − М.: Мир, 1983. − 288 с. 7. Баранов М.И., Колиушко Г.М., Кравченко В.И., Недзель- ский О.С., Дныщенко В.Н. Генератор тока искусственной молнии для натурных испытаний технических объектов // Приборы и техника эксперимента. − 2008. − №3. − С. 81-85. doi: 10.1134/s0020441208030123. 8. Баранов М.И. Избранные вопросы электрофизики: Мо- нография в 2-х томах. Том 2, Кн. 2: Теория электрофизиче- ских эффектов и задач. − Х.: Точка, 2010. − 407 с. 9. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. − М.: Наука, 1987. − 592 с. 10. Большой иллюстрированный словарь иностранных слов. – М.: Русские словари, 2004. – 957 с. 11. Баранов М.И. Избранные вопросы электрофизики: Мо- нография в 2-х томах. Том 2, Кн. 1: Теория электрофизиче- ских эффектов и задач. − Х.: НТУ «ХПИ», 2009. − 384 с. 12. Кузьмичев В.Е. Законы и формулы физики / Отв. ред. В.К. Тартаковский. − К.: Наукова думка, 1989. − 864 с. 13. Баранов М.И. Особенности нагрева тонкого биметалли- ческого проводника большим импульсным током // Элек- тричество. − 2014. − №4. − С. 34-42. 14. Соболев Н.Н. Исследование электрического взрыва тон- ких проволочек // Журнал экспериментальной и теоретиче- ской физики. − 1947. − Том 17. − №11. − С. 986-997. 34 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2016. №2 15. Баранов М.И. Феномен экспоненциального закона рас- пределения физического поля в природе и учебный процесс // Електротехніка і електромеханіка. − 2004. − №3. − С. 111-115. REFERENCES 1. Yuman M.A. Molniya [Lightning]. Moscow, Mir Publ., 1972. 327 p. (Rus). 2. Bazelyan E.M., Horin B.N., Levitov V.I. Fizicheskye i inzhenernуе osnovу molniezashchitу [Physical and engineering bases lightning protection]. Leningrad, Gidrometeoizdat Publ., 1978. 223 p. (Rus). 3. Bazelyan E.M, Raiser Yu.P. Fizyka molnii i molnyezash- chita [The physics of lightning and lightning protection]. Mos- cow, Fizmatlit Publ., 2001. 319 p. (Rus). 4. Kuzhekin I.P., Larionov V.P., Prokhorov E.N. Molniya i molnyezashchita [Lightning and lightning protection]. Moscow, Znak Publ., 2003. 330 p. (Rus). 5. Kravchenko V.I. Molniya. Elektromahnitny faktory i poraz- hayushchie vozdeystviya na tekhnycheskie sredstva [Lightning. Electromagnetic factors and their impact on the striking techni- cal objects]. Kharkov, NTMT Publ., 2010. 292 p. (Rus). 6. Barry J. Sharovaya molniya y chetochnaya molniya [Ball lightning and rosary lightning]. Moscow, Mir Publ., 1983, 288 p. (Rus). 7. Baranov M.I., Koliushko G.M., Kravchenko V.I., Nedzel’skii O.S., Dnyshchenko V.N. A Current Generator of the Artificial Lightning for Full-Scale Tests of Engineering Objects. Pribory i tehnika eksperimenta − Instruments and Experimental Technique, 2008, no.3, pp. 401-405. doi: 10.1134/s0020441208030123. 8. Baranov M.I. Izbrannye voprosy elektrofiziki. Tom 2, Kn. 2: Teoriia elektrofizicheskikh effektov i zadach [Selected topics of Electrophysics. Vol.2, Book 2. A theory of electrophysical effects and tasks]. Kharkiv, NTU «KhPІ» Publ., 2010. 407 p. (Rus). 9. Raiser Yu.P. Fizika gazovogo razryada [Physics of gas dis- charge]. Moscow, Nauka Publ., 1987. 592 p. (Rus). 10. Bol'shoj illjustrirovannyj slovar' inostrannyh slov [Large illustrated dictionary of foreign words]. Moscow, Russkie slovari Publ., 2004. 957 p. (Rus). 11. Baranov M.I. Izbrannye voprosy elektrofiziki: Monografija v 2-h tomah. Tom 2, Kn. 1: Teorija elektrofizicheskih effektov i zadach [Selected topics of Electrophysics: Monograph in 2 vols. Vol. 2, book. 1: Theory of electrophysics effects and tasks]. Kharkov, NTU «KhPI» Publ., 2009. 384 p. (Rus). 12. Kuz'michev V.E. Zakony i formuly fiziki [Laws and formulas of physics]. Kiev, Naukova Dumka Publ., 1989. 864 p. (Rus). 13. Baranov M.I. Features heating thin bimetallic conductor large pulse current. Elektrichestvo – Electricity, 2014, no.4, pp. 34-42. (Rus). 14. Sobolev N.N. The study of electrical explosion of thin wires. Zhurnal eksperimental'noy i teoreticheskoy fiziki – Journal of experimental and theoretical physics, 1947, Vol.17, no.11, pp. 986-997. (Rus). 15. Baranov M.I. Phenomenon of physical fields distributing on the exponential law in nature and educa-tional process. Elektrotekhnіka і elektromekhanіka − Electrical engineering & electromechanics, 2004, no.3, pp. 111-115. (Rus). Поступила (received) 05.10.2015 Баранов Михаил Иванович, д.т.н., гл.н.с., НИПКИ «Молния» Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт», 61013, Харьков, ул. Шевченко, 47, тел/phone +38 057 7076841, e-mail: eft@kpi.kharkov.ua M.I. Baranov Scientific-&-Research Planning-&-Design Institute «Molniya» National Technical University «Kharkiv Polytechnic Institute», 47, Shevchenko Str., Kharkiv, 61013, Ukraine. A new hypothesis and physical bases of origin of rosary lightning in the atmosphere of Earth. Purpose. Development and scientific ground of new hypothesis of origin of rosary lightning (RL) is in the air atmosphere of Earth. Methodology. Electrophysics bases of technique of high (ever-higher) impulsive voltage and large (weak) impulsive currents, and also theoretical bases of quantum physics. Re- sults. The substantive provisions of new hypothesis of origin are formulated RL. Taking into account these positions bases of close electrophysics theory of origin are developed in an air atmosphere RL. Basic electrophysics terms, resulting in the transition of linear lightning (LL) in RL, are indicated. Origi- nality. First on the basis of conformities to the law of quantum physics the new electrophysics mechanism of education is offered RL from LL. It is set that this mechanism the wave longitudinal distributing of drifting lone electrons is underlaid in the plasma cylindrical channel of a long spark storm digit in an air atmosphere, resulting in forming in him of «light» («hot») and «dark» («cold») longitudinal areas of periodic electronic wavepackages (EWP). It is shown that for LL in- formation the areas of EWP periodically up-diffused along the channel of lightning are characterized the small and unnotice- able for observers lengths, and for RL − by large lengths and by sight noticeable for observers from earth. Practical value. Deepening of scientific knowledges about physics of such global atmospheric phenomenon as lightning. Expansion of scientific presentations of humanity about circumferential tellurians nature and difficult natural physical processes, flowings in it. References 15, figures 4. Key words: linear lightning, rosary lightning, physical bases, plasma channel of a storm discharge, drifting lone electrons, electronic wavepackages, «hot» («light») and «cold» («dark») longitudinal areas of electronic wavepackages of channel of a storm discharge.

Новая гипотеза и физические основы возникновения чëточной молнии в атмосфере Земли

Репозитарії

Схожі ресурси