ПЫЛЕГАЗОВЫЙ ОГНЕННЫЙ ШАР КАК ОСОБАЯ ФОРМА

ПОСЛЕСВЕЧЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЭРОЗИОННОГО РАЗРЯДА

 

С. Е. Емелин¹, А. Л. Пирозерский², Н. Н. Васильев²

 

¹ НИИ Радиофизики СПбГУ, ² НИИ Физики СПбГУ

 

 

Аннотация.

 

Приведены главные результаты исследований плазмы послесвечения эрозионного электрического разряда в атмосфере и формируемых огненных шаров, имеющих некоторые частные, но глубокие сходства с шаровой молнией. Анализ этих результатов, а также результатов некоторых других авторов позволил указать природу излучения и устойчивости формы аэрозольной химической шаровой молнии, сделать ряд предположений относительно механизма этих свойств. Экспериментальные результаты и рассуждения данной работы могут быть интересны для физики плазмы с различными видами конденсированного состояния, уточнения роли аэрозоля в механизме люминесценции, а также для понимания четочной молнии и совершенствования лабораторных аналогов шаровой молнии.

 

 

1. Введение.

 

Несмотря на высочайший уровень многих достижений современной науки, ини­циированных практическими потребностями человечества, проблема физической при­роды шаровой молнии (ШМ) по-прежнему остается неразрешенной. Накопленный к настоящему моменту опыт поиска подходов к ней и появления результатов, представ­ля­ющихся некоторым продвижением на этом пути [1-6], заставляет направить главное внимание  на получение и экспериментальные исследования объектов, проявля­ющих кроме общего какое-либо глубокое частное сходство с замеченными особеннос­тями естественно возникающего, но трудно уловимого феномена. Имея в виду электриче­ский разряд как основную причину появления ШМ и свечение как ос­новное ее свойство, можно рассматривать послесвечение электрических разрядов как общее яв­ление, в рамках которого находятся физические процессы, определяющие природу и совокупность свойств ШМ [5,7].

В последнее время определенный интерес вызывают лабораторные аналоги ШМ, представляющие собой ярко светящиеся непосредственно после завершения разряда, но, к сожалению, затем быстро гаснущие и теряющие форму шароподобные образования, н-р, [6]. Их отличает способность иногда иметь довольно резкую и весьма близкую к сферической внешнюю границу  с размером, характерным для среднестатистической ШМ. Вместе с тем они имеют низкую плотность энергии ~10^-1 cm^-3 и менее, не способны взрываться или прожигать фольгу, имеют слабое макроскопическое электрическое поле, проявляют сильную тенденцию к всплыванию в атмосфере. В работе [8] нами была указана физическая природа объектов подобного рода как образующихся в результате структурно-энергетической самоорганизации метастабильного вещества на основе кулоновской и поляризационной  неидеальности плазмы мельчайших частиц металла и диэлектрика, существование которой поддерживается каталитическим энерговыделением распадающейся химически активной плазмы или электрическим разрядом, причем наиболее крупные частицы собираются на внешней границе и образуют "холодную оболочку", а мелкие  - "горячее ядро". Последовавшие годы все более подтверждали правильность этой трактовки. В настоящей работе мы обсуждаем ряд экспериментальных данных поясняющих природу основных свойств пылегазовой ШМ.

 

2. Послесвечение стационарного электрического разряда в потоке воздуха.

 

            Непосредственно за электрическим разрядом в потоке воздуха  расположена зона релаксации параметров плазмы - область послесвечения. В работе [9] с помощью спектральных исследований показано, что воздействие разряда сопровождается эрозией электродов, приводит не только к нагреву и ионизации молекулярного газа, но и обогащает его состав химическими компонентами с высокой энтальпией образования и возбужденными состояниями атомов и молекул. Несмотря на относительно высокую газовую температуру ~ 2000 - 3000 K и, соответственно, малое время послесвечения ~ 0,1 ms, достигнута высокая степень неравновесности плазмы. На основе сравнения распределений вдоль струи интенсивности излучения линий CuI 510,5 nm и полосы N₂ (C³P_u-B³P_g) 2⁺ от 337,1 nm и выше делается вывод о том, что послесвечение обусловлено неравновесной эмиссией возбужденных молекул азота. В условиях потока азота пониженного давления  при добавлении NO₂  наблюдалась яркая люминесценция в зелено-голубой части спектра, которая предположительно связана с окислом меди – материала электрода [10] и объяснена как результат хемилюминесцентной реакции между атомами меди и молекулами двуокиси азота. Добавление в зону послесвечения кислорода приводило к сильному увеличению эмиссионного излучения атомов меди, объясненное ускорением передачи энергии от возбужденных молекул азота атомам меди [11].

 

3. Послесвечение нестационарного высокочастотного разряда.

 

            Более длительное послесвечение возникает в ограниченном межэлектродным промежутком объеме молекулярного газа, в том числе воздуха, азота, кислорода или закиси азота, в результате кратковременного воздействия мощного высокочастотного разряда, для которого характерно неравновесное энерговложение. В работе [4] для этой цели использовался 10-киловаттный генератор частотой 75 MHz. Затухание излучения ярко светящихся после обрыва тока  шаров диаметром порядка 10-20 cm и более длилось от десятых долей до двух секунд. В спектрах послесвечения отмечены исключительно атомные  линии примеси с энергией возбуждения менее 5 eV, прежде всего тугоплавких материалов электродов, а при наличии кислорода и полосы их окислов.  Спектр послесвечения был постоянен, изменялась лишь общая его интенсивность. Газовая температура внутри неравновесно светящегося образования T_g ~ 2000 - 2500 K была определена по нагреву расположенной там вольфрамовой проволочки толщиной около 0.075 mm. По мнению авторов, измеренная лучистая энергия была обеспечена возбужденными молекулами азота и кислорода, относительная концентрация которых составляла десятые доли процента. По нашему мнению, весьма существенно для понимания энергетической природы этих объектов то, что при использовании закиси азота, молекула которой имеет избыточную энергию ~ 0.85 eV, время свечения возрастало в ~ 4 раза, а диаметр зоны свечения до 0.5 m. Заметим, что при нормальных условиях в этом объеме закиси азота содержится четверть мегаджоуля энергии.

 

4. Послесвечение эрозионного капиллярного разряда.

 

            Этот разряд, представленный в работе [2], осуществлялся в цилиндрическом отверстии диаметром ~ 1 mm в полимерной пластине или трубке. Один из концов отверстия герметично закрывался металлическим или углеродным отрицательным электродом, а другой снабжался кольцевым медным анодом. Продукты разряда от конденсатора через индуктивность или сопротивление образовывали тонкую длинную скоростную светящуюся струю, обладавшую рядом интересных свойств [3]. При низкой газовой температуре до ~ 1000K спектр излучения струи вне зоны разряда в атмосфере содержал атомные линии СI, CuI, CaI, NaI, молекулярные полосы С₂ и CN. В ближней к разряднику зоне выделялись сильно уширенные линии атомарного водорода, имеющие потенциал возбуждения E_ex более 12 eV. Имелся слабый непрерывный спектр  горячих частичек углерода, по инфракрасному излучению обнаружено присутствие углеводородов CH₂, C₂H₄, C₃H₈, CH₃OH. Исследование временной динамики спектра в диапазоне 420-540 nm в локальной зоне керна струи на расстоянии 40 mm от разрядника позволило обнаружить вспышки длительностью ~ 10ms. Их излучение кроме непрерывного спектра содержало очень сильно уширенные линии атомарного водорода 486.1 nm и углерода 538.0 nm. Природа вспышек была предположительно объяснена взрывом или пролетом сквозь плазму высокотемпературных сгустков. Для получения автономного образования передняя часть плазменной струи, прошедшая через нить, смоченную концентрированным раствором NaCl, отделялась высокоскоростным спутным воздушным потоком. В спектре автономного объекта, существовавшего ~ 3 ms, обнаружены линии NaI, CaI, BaI, полосы CN-красный, слабая полоса CaCl - признак наличия свободного хлора, а главное - линия атомарного водорода 656,22 nm, что свидетельствовало о наличии большой энергии и концентрации водорода.

            Авторами настоящей статьи с помощью электрических и СВЧ измерений была  обнаружена униполярная генерация низкочастотных колебаний параметров плазмы и режима генератора вблизи обрыва тока [12]. Исследование динамики яркостных сгустков (волн переноса) вдоль относительно низкоскоростной струи разряда малого тока с помощью системы оптических и электрических зондов [13,14] показало, что они вносят анизотропию в проводимость плазмы, могут иметь скорость, превышающую в несколько раз скорость струи, и собираться в передней части струи, формируя волну возбуждения, своеобразный лидер, подпитываемый со стороны плазмогенератора  и способный к кратковременному самостоятельному существованию после обрыва тока или отделения от струи. Природа структурно-энергетического состояния была предположительно характеризована как  метастабильное вещество на основе конденсата сильно возбужденных атомов и молекул - Ридберговское вещество [15].

 

5. Исследование нестационарного разряда от силовой сети 380 V.

 

5.1. Установка для получения и исследования огненного шара.

 

            Для получения пылегазового огненного шара мы использовали нестационарный электрический разряд от силовой лабораторной сети напряжением 380 V [7]. Разряд осуществлялся путем кратковременного замыкания и последующего разведения до обрыва тока электродов, подключенных к сетевому источнику тока через резонансный последовательный колебательный контур. Конденсатор контура имел емкость C = 200 mF на 5 kV, а сопротивление проводника катушки индуктивности R = 6 W. В качестве материала электродов использовались углеродные стержни диаметром 8 mm, стальная, медная и алюминиевая проволока диаметром 1.2 - 2 mm, выбор которого зависел от температуры плавления металла.

            Для изучения физической природы химической пылегазовой ШМ мы проводили видео и фотосъемку светящихся объектов через оптические стекла цифровыми бытовыми камерами, относительную общую и спектральную интенсивности излучения измеряли фотодиодом и ФЭУ, динамику интенсивности излучения и тока разряда изучали с помощью двухканальных осциллограмм. Для изучения динамики спектрального состава излучения разряда и плазмы послесвечения использовался спектрограф оригинальной конструкции, состоявшей из двух отдельных блоков. Первый  представлял собой стойку с двумя металлическими листами 0.5 m х 0.5 m каждый, установленными в вертикальной плоскости с регулируемым зазором, образующим щель спектрографа, за которой производился разряд и располагалась He-Hg лампа с рефлектором. Второй блок представлял собой металлическую пластину - круглый столик, установленный на раздвижной треноге. Столик имел возможность поворачиваться на любой угол вокруг вертикальной оси и наклоняться на угол – 45⁰ - + 45⁰ вокруг одной из горизонтальных осей и фиксироваться. На столике была установлена  вертикально диффракционная решетка 2400 или 1200 штрихов на миллиметр с возможностью вращения вокруг вертикальной оси, лежащей по середине  плоскости отражения решетки. Горизонтально расположенная на столике штанга могла поворачиваться вокруг вертикальной оси решетки с возможностью фиксации. На штанге располагалась видеокамера или фотоаппарат с возможностью вращения на небольшой угол и перемещения вдоль штанги для приближения или удаления от решетки с возможностью фиксации.

            Данная конструкция позволяет снимать распределение спектра по вертикальной координате в диапазоне от ~200 nm до ~ 700 nm для решетки 2400 штрих/mm и от ~400 nm до ~ 1400 nm  для решетки 1200 штрих/mm. Возможности видеокамеры DCR-TRV11E, использовавшейся нами, позволяли снимать спектр в диапазоне 380 - 650 nm с отображением цвета и инфракрасном диапазоне при включении режима "night shot" до 1100 nm 50 раз в секунду с максимальным разрешением ~0.5 A.

 

5.2. Экспериментальные исследования.

 

5.2.1. Общие свойства разряда. Данный разряд состоит из нескольких стадий. Замыкание электродов приводит к появлению тока, который устанавливается несколько периодов, достигая величины ~ 60 A (рис. 1), и разогреву   области   контакта.

 

 

Рис. 1. Динамика интенсивности излучения и тока разряда.

 

Последующее разделение электродов вызывает появление всплывающей расконтрагированной дуги, сопровождающейся повышенной эрозией материала электродов. В верхней части дуги происходит накопление продуктов разряда в ярко светящемся объеме плазмы, в котором распределен ток разряда (рис. 2).

 

 

 

 

Рис. 2. Объемный разряд с углеродными электродами и начало послесвечения.

 

 

            Этот объем размером ~10 - 20 cm стремится принять шаровую форму, но это легко нарушается посторонними воздушными потоками, неоптимальной ориентацией эрозионных струй, рассогласованием переходного плазмодинамического процесса и приема раздвижения электродов. При достаточном уменьшении величины тока происходит его обрыв при переходе через одну из нулевых точек, после чего начинается период послесвечения. Около разряда ощущается запах озона.

 

5.2.2. Общие свойства огненных шаров. В течение периода послесвечения яркость шара уменьшается, в некоторых случаях его цвет сильно изменяется (Al, Cu). Релаксация формы всплывающего огненного шара происходит по нескольким возможным сценариям. Если в течение первого короткого периода, когда поверхностное натяжение максимально, внутренняя газодинамика не успела прорелаксировать с формированием единого ядра, то затем объект разделяется на части, иногда разлетающиеся в разные стороны, или принимает вид улетающей струи. Объект с внутренним тороидальным вихревым ядром первые 50 - 100 ms имеет сферическую оболочку, которая затем трансформируется в тороидальную (рис. 3).

 

 

Рис. 3. Трансформация огненного шара в тороид при разряде с медными электродами.

 

 

 

Рис. 4. Различные формы послесвечения при углеродных электродах.

 

            "Спокойный" объект на основе углерода имеет яркость, нарастающую к его центру, и релаксирует, уменьшаясь в размере. Его подъем может сопровождаться изменением формы на эллипсовидную, каплевидную и др (рис. 4). Объекты, содержащие минимальное количество пылевого вещества при относительно большом объеме захваченного разрядом газа, состоят только из оболочки, иногда незамкнутой снизу аналогично [6]. Объекты способны поджигать хлопковую вату, но только в начале периода релаксации (рис. 5). В отличие от плазмы разряда, они не способны поджечь лист газетной бумаги (рис. 6) или прожечь алюминиевую фольгу.

 

 

Рис. 5. Поджигание хлопковой ваты.

 

 

 

Рис. 6. Тепловой импульс не достаточен для поджигания газетной бумаги.

 

            В течение первых десятков миллисекунд объекты обладают свойством тиксотропии: способностью не разрушаясь пропускать через себя небольшие предметы (рис. 7). Аналогичный разряд с послесвечением удалось реализовать и в камере, заполненной азотом, однако оптимизация разряда для получения объектов шаровой формы не проводилась.

 

 

Рис.7. Релаксация поверхностного натяжения и тиксотропии

    

5.2.3. Исследование излучения разряда и огненных шаров. Свечение разряда содержит две составляющие: изменяющуюся почти (задержка ~ 1-3 ms) синхронно с абсолютной величиной тока и слабо изменяющуюся в масштабе одного полупериода тока (рис. 1). Последняя плавно нарастает в течение импульса тока и обусловливает наличие послесвечения. На осциллограмме интенсивности общего излучения можно выделить три участка, различающиеся видом зависимости, что проявляется особенно сильно при углеродных электродах и связано с влиянием   пылегазодинамики   на   темп    горения. Наличие коротко и долгоживущей составляющих имеет место на всех спектральных линиях, однако между ними имеется различие в длительности существования. Так например, при алюминиевых электродах яркие линии Al I 669,602 и 669,867 nm (E_ex = 4.99 eV) присутствуют  в прилегающих к электродам областях расконтрагированной дуги в период наибольшего тока (рис. 8), но слабы или  отсутствуют в зоне распределенного тока и в послесвечении.

 

 

Рис. 8. Часть спектра разряда с алюминиевыми электродами

 

 

В начале послесвечение создается ярчайшими (рис. 9) полосами AlO (энергия диссоциации E_dis = 5.24 eV), а затем исключительно линиями щелочных металлов в основном - Li I 670,776 nm и 670,791 nm (E_ex = 1.85 eV) и Na I 589.0 nm и 589.6 nm (E_ex = 2.1.eV), что приводит к изменению цвета объекта с голубого на желтооранжевый.

 

 

Рис. 9. Спектр послесвечения в зеленоголубой области при алюминиевых электродах.

 

В случае медных электродов наряду с яркими полосами CuO (E_dis = 2.77 eV) с кантами 614.68 nm и 616.15 nm и CaO (E_dis = 4.11 eV) с кантами 625.85 nm и 627.8 nm в начале послесвечения существовали атомные линии Cu I 402.27 nm и 406.27 nm (E_ex = 6.87 eV), Cu I 515,32 nm и 521.82 nm (E_ex = 6.19 eV), несколько дольше Ca I 422.67 nm (E_ex = 2.93 eV). Более длительное время существовали линии с более высокой энергией возбуждения Cu I 510.55 nm и 570.02 nm (E_ex = 3.82 eV), 578.21 nm (E_ex = 3.79 eV) и Na I. Аналогично [10] устойчиво наблюдалась яркая система полос в зелено-голубой области, по-видимому, относящаяся к закиси меди (рис. 4).

 

 

Рис. 10. Спектр послесвечения в зеленоголубой области при медных электродах.

 

При использовании углеродных электродов в послесвечении кроме  молекулярных полос, наблюдались очень яркие атомные линии исключительно примеси: Fe I, Cu I, Ca I, Ba I, Cs I, Rb I, Li I, Na I, K I, причем последние четыре - дольше всего.

Во всех случаях для объектов, имеющих ядро, атомные линии с наибольшей энергией возбуждения концентрировались в ядре. Видеосъемка через оптический фильтр в полосе 1 - 1.1 mm при электродах из меди давала изображения, содержащие лишь оболочку объектов.

 

6. Обсуждение.

 

Сравнивая истинную ШМ, свойства которой вытекают из свидетельств очевидцев, с нашими аналогами, мы должны констатировать, что они могут быть интересными только в трех главных аспектах: природа энергии, излучения и устойчивости формы ШМ одного из возможных типов.  Характер излучения наших объектов оказался чисто люминесцентным, а его спектр качественно схожим с [4]. Излучение в основном представлено молекулярным спектром окислов и атомарным спектром металлов. Наличие двухатомных окислов указывает на их образование из атомов, возникающих при сильном нагреве металла в электродном пятне и в токовом филаменте, а также в результате диссоциации молекул кислорода под действием у/ф излучения. Хотя отсутствие возбужденных атомов не означает буквально отсутствие и самих атомов, все же исчезновение линий Al I задолго до окончания разряда заставляет считать, что   металлический пар полностью сгорает еще до начала послесвечения (в отличие от [5], где для предотвращения этого эрозионный выброс образовывал тороидальный вихрь). Поэтому люминесценция окислов и атомов в послесвечении косвенно указывает на наличие источника возбуждения и даже разложения молекул в этот период.

Заметим, что, в отличие от алюминия (энергия диссоциации AlO E_dis  = 5.24 eV), в плазме послесвечения наблюдаются атомы Li (E_dis (LiO) = 3.55 eV), а при других электродах и других щелочных металлов, меди, кальция, железа. Это означает, что двухатомные окислы со значительной вероятностью способны получить от указанного источника энергию E_max лишь несколько меньшую

E_max  < E_dis (AlO) + E_ex (Al) = 5.24 eV + 4.99 eV = 10.23 eV,

но даже в конце послесвечения превосходящую

E_min > E_dis (LiO) + E_ex (Li) = 3.55 eV + 1.85 eV = 5.4 eV.

В случае медных электродов: 

E_max  > E_dis (CaO) + E_ex (Ca) = 4.11 eV + 2.93 eV = 7.14 eV,

а также

E_max  > E_dis (CuO) + E_ex (Cu) = 2.77 eV + 6.19 eV = 8.96 eV.

В таблице 1 приведены величины E_dis двухатомных окислов, E_ex  линий атомов с наименьшей энергией возбуждения и их сумма для ряда металлов E_min.

 

Таблица 1.

 

 

 

Имея в виду энергетическую природу указанного источника мы обращаем внимание на малое время послесвечения, обусловленное возбужденными молекулами азота ~ 100 ms [9], лишь несколько большее время жизни атомизированного газа в воздухе [3], многократное увеличение времени существования и размера огненного шара при использовании закиси азота [4], возникновение под действием разряда в потоке воздуха окислов азота [9], сильный запах озона. Учитывая, что наши объекты с трудом поджигают даже хлопковую вату и весьма медленно всплывают в атмосфере, мы полагаем, что их газовая температура не превышает 300-400⁰C уже в начале послесвечения. Это объясняется небольшой величиной энерговложения ~ 1 kJ и распределенным характером разряда, оказывающего к тому же значительное химическое воздействие на воздух и вещество электродов. Температура высока только в токовых пылевых филаментах, где быстро возникает некоторая концентрация окислов азота, которая, перемешиваясь с окружающим холодным воздухом, испытывает закалку [16]. Излучение разряда производит атомарный кислород, который быстро уходит на образование озона. Взаимодействие горячих частичек углерода с азотом приводит к появлению циана, который при существующей в распределенном разряде температуре может образовывать аморфный полимер парациан, способный гореть в чистом озоне красным пламенем с очень высокой температурой. Поэтому мы считаем, что действие разряда заключается в создании в воздухе небольшой концентрации химически весьма активного вещества (NO, O₃, CN, сажи и т.д.) и тончайшего аэрозоля окислов, нитридов при небольшом нагреве.

Заметим, что химическая энергия, выделяемая при любых возможных в данном случае элементарных реакциях не превосходит 3 eV, что значительно меньше, чем даже минимальная необходимая для появления атомной линии (E_min (Rb) - 4.19 eV). Это прямо указывает на коллективный характер накопления и передачи энергии в канал люминесценции. Поскольку излучают в основном свободные возбужденные атомы и молекулы, то их появление может быть объяснено эмиссией их [17] горячими  или электронно-возбужденными частицами аэрозоля. Т.о., послесвечение обусловлено горением химически активного вещества на аэрозольных частицах как катализаторе, сопровождаемом термоэмиссией, либо кооперативной хемоэмиссией возбужденных атомов и молекул, создающих люминесценцию.

Если отнести этот эффект к термоэмиссии, то исходя из относительной интенсивности линий меди Cu I 515,32 nm, 521.82 nm и 510.55 nm с учетом энергии диссоциации окислов электронная температура чаcтиц аэрозоля T_e падает в период послесвечения с ~ 0.8 до ~ 0.4 eV и менее. Высокая неравновесность такой “плазмы” может быть объяснена наноразмером частиц: как имеющие большое отношение поверхности к объему они быстро отдают колебательную энергию окружающему холодному газу, а избыточное электронное возбуждение сбрасывают посредством эмиссии возбужденных атомов, молекул, ионов, электронов или взрыва [3]. Для более крупных частиц аэрозоля эффект может быть объяснен повышенной устойчивостью их метастабильного электронно-возбужденного состоянии, возникающего под действием хемовозбуждения (примесные полупроводники, электреты),  их нитевидной формой  или способностью люминесцировать без выброса возбужденных частиц, что предпочтительнее для увеличения времени жизни ШМ [18].

Некоторые линии спектра из наблюдаемых в начале послесвечения имеют работу выхода+возбуждения значительно превышающую работу выхода+ионизации для ионов, например, щелочных металлов. Заметим, что такие ионы должны ускоряться (тормозиться) эл. полем выбрасывающей их положительно (отрицательно) заряженной аэрозольной частицы с характерной величиной потенциала ~ eV. Рекомбинация ионов в условиях кулоновской неидеальной плазмы, по нашему мнению, может сопровождаться формированием кластеров Ридберговского вещества [15], распаду которого на атомы и должно сопутствовать наблюдаемое нами в начале послесвечения излучение из высоковозбужденных состояний.

Являясь свойством дисперсных систем, тиксотропия, проявляемая нашими объектами и сопутствующая устойчивости их формы, указывает на существование, по меньшей мере, в периферийной части - оболочке конденсата пылевой плазмы. Скорее всего он составлен нитевидным аэрозолем на основе нитридно-оксидно-примесных полимерных электризованных [19, 20] частиц. Тиксотропия плазменно-пылевого конденсата объясняет способность ШМ принимать различные относительно устойчивые формы и налагает соответствующую специфику на ее гидродинамику.

Рис. 1 демонстрирует наличие двух каналов возбуждения люминесценции: короткоживущими (электронно-возбужденные молекулы и атомные радикалы) и долгоживущими активными частицами (окислы азота, озон, горение аэрозоля). Поскольку длительное послесвечение обусловлено исключительно последним механизмом, нельзя признать корректным отождествление с ШМ объектов  до стадии их релаксации после прекращения энерговложения от электрического источника, за исключением только плазменной и ядерной ШМ [21].

 

7. Заключение.

 

Анализ результатов исследований плазмы послесвечения эрозионного электрического разряда от силовой сети 380 V, формируемых ею автономных пылегазовых огненных шаров, имеющих частные, но глубокие сходства с ШМ в отношении внешнего вида, свечения и относительной устойчивости формы, а также исследований некоторых других авторов привел нас к следующим выводам:

-         природа излучения огненного шара как особой формы длительного послесвечения – яркая люминесценция окислов и атомов металлов,

-         источником энергии является каталитический распад химически активного вещества, созданного разрядом из воздуха и эрозионного выброса – окислы азота, озон, нитросоединения, пары и аэрозоль металлов, органики, сажа,

-         люминесценция имеет химическую природу (хемилюминесценция) и помимо элементарных хемилюминесцентных реакций опосредована накоплением энергии частицами аэрозоля в форме колебательного или электронного возбуждения вследствие их горения и элементарных реакций на их поверхности. Одним из каналов сброса избыточной энергии является выброс пылевыми частицами электронов, ионов и активатора люминесценции: возбужденных молекул и атомов, прежде всего легко ионизируемой примеси – атомов щелочных металлов,

-          структура огненного шара может быть трех видов. При малом количестве пыли и относительно большом объеме захваченного разрядом газа пыль собирается на границе объекта, образуя только оболочку на основе неидеальной плазмы. Второй вид состоит из оболочки и внутреннего тороидального вихревого ядра с горючей пылью. В процессе релаксации такой объект способен изменить форму с шаровой на тороидальную. Третий вид не содержит внутренних динамических возмущений и состоит целиком из конденсата комплексной неидеальной плазмы. В узких диапазонах релаксирующих параметров такие объекты обладают существенным поверхностным натяжением, свойством тиксотропии и особой гидродинамикой [18].

 

Литература.

 

1. К. Л. Корум, Дж. Ф. Корум. Эксперименты по созданию шаровой молнии при помощи высокочастотного разряда и электрохимические фрактальные кластеры. УФН.160 (4) 47-58 (1990).

2. Р. Ф. Авраменко, Б. И. Бахтин, В. И. Николаева, Л. П. Поскачеева, Н. Н. Широков. Исследование плазменных образований, инициированных эрозионным разрядом. ЖТФ 60(12)57-64 (1990)

3. Ред. Р. Ф. Авраменко. Шаровая молния в лаборатории. Сб.статей. М.: Химия. 1994. -256 с.

4. J. R. Powel, D. Finkelstein. Ball lightning. Amer. Scientist. 1970. V. 58. № 3. P. 262-280.

5. Л. В. Фуров. Получение автономных долгоживущих плазменных образований в свободной атмосфере. ЖТФ 75 (3) 380-383 (2005)

6. А.И. Егоров, С.И. Степанов, Г.Д. Шабанов. Лабораторная демонстрация шаровой молнии. УФН. 174 (1) 99-101 (2004)

7. С.Е. Емелин, А.Л. Пирозерский. Некоторые вопросы энергоемкой плазменно-химической шаровой молнии. Химфизика. 25 (3) 82-88 (2006)

8. С.Е. Емелин, А.Л. Пирозерский, А.И. Егоров, С.И. Степанов, Г.Д. Шабанов, В.Л. Бычков. Моделирование шаровой молнии с помощью электрического разряда через поверхность слабого водного раствора. Сб.докл. 9-ой Российской конф. по хол. транмут. ядер хим. эл. Mосква, 2002. С. 240-248

9. V. Chernyak, V. Naumov, V.Yukhimenko. Spectroscopy of atmospheric pressure air jet plasma in transverse arc discharge. 12-th International Congress on Plasma Physics (ICPP), 25-29 October 2004, Nice (France). (e-print: physics/0410267)

10.  P.A. Mikheev, A.A. Shepelenko, N.V. Kupryaev, A.I. Voronov. Chemiluminescence reaction of copper atoms and NO2 in afterglow of DC glow discharge in fast gas stream. Proc. 3-th Int. Symp. on Theor. and Appl. Plasmachemistry (ISTAPC). Ples Ivanovo. 2002. V. 1. P. 120-121

11.  P.A. Mikheev, A.A. Shepelenko, N.V. Kupryaev, A.I. Voronov. Chemiluminescence of copper atoms in afterglow of DC glow discharge in fast gas stream. Proc. 3-th Int. Symp. on Theor. and Appl. Plasmachemistry (ISTAPC). Ples Ivanovo. 2002. V. 1. P. 122-124

12.  С.Е. Емелин, В.С. Семенов, А.И. Эйхвальд, А.К. Хассани. Некоторые условия образования неидеальной плазмы эрозионного разряда. Шаровая молния в лаборатории. Сб.статей под ред. Р.Ф. Авраменко. М.: Химия. 1994. С. 87-95

13.  С.Е. Емелин, Н.К. Белишева, Г.Е. Скворцов, Е.В. Безниско, А.К. Хассани, В.С. Семенов. Исследование распространения фронта состояния плазмы в струе капиллярного разряда. Письма в ЖТФ. 1996. Т. 22. Вып. 24. С. 21-24

14.  С.Е. Емелин, А.Л. Пирозерский, В.С. Семенов, Г.Е. Скворцов. Характеристики распространения динамического состояния в струе капиллярного разряда. Письма в ЖТФ. 1997. Т. 23. Вып. 19. С. 54-59

15.  Э.А. Маныкин, М.И. Ожован, П.П. Полуэктов. // ЖЭТФ. 1983. Т. 84, Вып. 2. С. 442-453

16. В.Д. Русанов, А.А. Фридман, Г.В. Шолин. Физика химически активной плазмы с неравновесным колебательным возбуждением молекул. УФН.134(2)185-235 (1981)

17.  Ю. И. Тюрин. Хемовозбуждение поверхности твердых тел. -Томск: Томск.Унив. 2001. -622 с.

18.  И.С. Осадько. Флуктуирующая флуоресценция одиночных молекул и полупроводниковых нанокристаллов. УФН. 176 (1) 23-57 (2006)

19.  В.Л. Бычков. Об электрическом заряжении полимерных структур. Препринт МИФИ. М., 1992. 16 с.

20.  С.Е. Емелин, А.Л. Пирозерский. Конденсация неидеальной плазмы в эрозионном электрическом разряде, сопровождаемом горением. Сб.докл. 9-ой Российской конф. по хол. транмут. ядер хим. эл. Mосква, 2004. С. 291-297

21.  V. Dikhtyar, E. Jerby. Fireball Ejection from a Molten Hot Spot to Air by Localized Microwaves. Phys. Rev. Lett. 96, 045002 (2006)