Структурно-энергетическая самоорганизация комплексной неидеальной химически активной плазмы
С.Е. Емелин1, А.Л. Пирозерский2
1. НИИ
радиофизики Санкт-Петербургского государственного университета
2. НИИ физики
Санкт-Петербургского государственного университета
Нынешний этап изучения явления шаровой молнии связан с переносом основной части исследований в экспериментальную лабораторию. Это обусловлено не только трудностями получения достаточной научной информации об уникальном природном феномене вне привычной для экспериментаторов диагностической среды, но, в первую очередь, значительно возросшими возможностями самих исследователей, совершенствующимися в процессе решения как практических, так и фундаментальных задач. Кроме того, теоретические знания и опыт, накопленные в ряде областей науки, прежде всего физике плазмы, опыт пионерских попыток воспроизведения и изучения шаровой молнии в настоящий момент позволяют заметно сузить диапазон физических условий, в которых ожидаются качественно сходные явления — т.н. «лабораторные шаровые молнии». По нашему мнению, выявление новых эффектов, составляющих физическую природу таких объектов, изучение и овладение ими будет способствовать не только решению рассматриваемой проблемы, но и обогащению науки и практики в целом.
Согласно одному из подходов, исходящему из указанной точки зрения и развиваемому нами, долгоживущие плазменные объекты рассматриваются как формы метастабильного вещества, а процесс их образования и релаксации — как его структурно-энергетическая самоорганизация на основе взаимообмена, т.е. совокупности явлений переноса. Одним из основных объектов исследования является т.н. эрозионный электрический разряд, осуществляемый нестационарно в ограниченном объеме или стационарно в потоке аэрозоля, создаваемом испарением металлических, электролитных электродов, тонкой проволочки или диэлектрических стенок. Особенностью подобранного режима такого разряда является наличие зоны распределенного разряда и длительного послесвечения, способной принимать шаровую форму. Низкая газовая температура таких объектов, пылегазовых огненных шаров и струй, указывает на нетепловой характер энергии, сохраняемой в них после выхода из разряда и переноса этой энергии. Наиболее вероятными ее формами являются химическая энергия и электронное возбуждение, а в переносе энергии участвует излучение. В настоящее время существует много вариантов создания таких огненных шаров с использованием мощных источников постоянного и переменного тока, генераторов ВЧ и СВЧ колебаний (рис.1) [1]. Эти объекты имеют субъективное внешнее сходство с шаровой молнией лишь в первые десятки-сотни миллисекунд периода релаксации, хотя полное время свечения достигает ~ 1 s; они не взрываются и не прожигают даже тонкую алюминиевую фольгу. Однако природа энергии, свечения и относительной устойчивости формы даже таких объектов, демонстрирующих лишь частичное подобие реальному феномену, требует прояснения.
Рис. 1. Электрический разряд
между угольными электродами и его послесвечение.
Из того, что огненные шары можно создать в негорючей газовой смеси (например, воздухе), а количество горючего аэрозоля может быть очень малым, следует, что энергия накапливается в основном в газе. Однако в атомарном газе аргоне разряд имеет дугоподобную форму, а длительность послесвечения уменьшается почти на два порядка и составляет несколько миллисекунд [2]. Это лишний раз подтверждает, что длительное послесвечение имеет нетепловую природу, а химическая энергия так или иначе участвует в процессе его рождения. Поэтому характеристики излучения вызывают интерес.
Для изучения динамики распределения интенсивности спектра огненных шаров в диапазоне 380-1100 nm с разрешением до ~ 0,5 A был создан спектрограф, конструкция которого учитывала относительно большой размер изучаемого объекта и его перемещение по вертикали. В нем цифровая видеокамера (720 х 576 пикселей и 50 полей в секунду) с расположенной непосредственно перед объективом и поворачивающейся дифракционной решеткой (2400 и 1200 штрихов на миллиметр) была удалена на несколько метров от зоны послесвечения, непосредственно перед которой располагались два больших металлических листа с регулируемым вертикальным зазором — щелью спектрографа. С помощью трансфокатора камеры можно было выделять узкие участки спектра до ~ 100 A шириной.
Оказалось, что спектр распределенного разряда и огненных шаров состоит из молекулярных полос и атомных линий материала электродов, его окислов и нитридов, радикалов на их основе (рис.2). Он не похож на спектры горения металлического аэрозоля и эл. дуги, отличаясь от последнего наличием составляющих, принадлежащих молекулам с низкой энергией диссоциации, и низкой относительной интенсивностью атомных линий, соответствующих состояниям с более высоким потенциалом возбуждения.
Рис. 2. Часть спектра
люминесценции огненного шара при разряде с медными электродами.
Однако данные по величине электронной температуры оказываются противоречивыми. Различие сглаживается, если предположить, что акт возбуждения атомов сопровождается диссоциацией молекулы его окисла, либо затратой части энергии на работу его выхода из аэрозольной частицы.
Предлагаемое нами объяснение, учитывающее также проявляемые огненными шарами поверхностное натяжение, тиксотропию, взаимодействие с магнитным полем, исходит из высокой неравновесности плазмы такого разряда и его послесвечения. Распределенный ток и излучение разряда создают из воздуха и испаренного материала электродов химически активное вещество на основе окислов и нитридов металла, углерода, окислов азота, озона, радикалов. В условиях низкой газовой температуры его атомы и молекулы образуют наночастицы метастабильного вещества, которое в процессе дезактивации выбрасывает электроны и ионы, заряжая наночастицы, а также возбужденные атомы и молекулы, создающие яркую люминесценцию. Конденсация (агрегация) в условиях неидеальной плазмы наночастиц, заряженных и имеющих особые электрические и магнитные характеристики благодаря некоторой плотности неспаренных электронов в них, приводит к формированию аэрогеля. По-видимому, наличие короткоживущих, но возобновляемых за счет выделяемой энергии (в частности в виде излучения), химических, электрических и магнитных взаимодействий объясняет особые механические свойства вещества пылегазового огненного шара — поверхностное натяжение и тиксотропию, деградирующие в процессе релаксации объекта.
Литература:
1.
Emelin S.E., Pirozerski A.L.,
Vassiliev N.N. Dust-gas fireball as special form of electric erosive discharge
afterglow. http://arxiv.org/abs/physics/0604115
2.
Powel J.R., Finkelstein D. Ball
lightning. Amer. Scientist. 1970. V. 58. № 3. P. 262-280.
Отослано 04.06.06 в МИФИ на студ.
семинар-школу по диагностике плазмы.
Интересная ссылка от 06.06.06: http://www.physorg.com/news68812957.html