Постепенно обо всем…
Некоторые свойства химической пылевой плазмы для физического моделирования шаровой молнии
Объекты, возникающие при релаксации продуктов эрозионного электрического разряда в атмосфере.
Один из важных этапов понимания природы шаровой и четочной молнии связан с изучением автономных светящихся образований, получаемых с помощью электрического эрозионного разряда в атмосфере [1-6]. Введение аэрозоля в эти разряды обеспечивается эрозией электродов (металлических, угольных, электролитических) или диэлектрика, пережиганием проволочки или проводящего покрытия на диэлектрической пластине и т.д. Такие объекты способны иметь правильную шаровую форму при размере порядка единиц-десятков сантиметров и времени существования ~ 0.1 - 1 s, к концу которого сила их свечения значительно падает, а форма теряет устойчивость. Релаксация формы всплывающих в атмосфере объектов часто сопровождается преобразованием шара в тор (рис. 1).
Рис. 1. Трансформация огненного шара, созданного в разряде между медными проволочными электродами.
Плотность энергии в них весьма невелика, порядка десятых долей джоуля в кубическом сантиметре, они не взрываются и не прожигают металлическую фольгу.
Особенностью порождающего их электрического разряда (рис. 2) является наличие в нем области объемного гетерогенного разряда в газе (атмосфере, парах воды), содержащем активную добавку в виде небольшого количества достаточно мелкого аэрозоля (паров) тугоплавкого материала: проводника или диэлектрика.
Рис. 2. Накопление метастабильного вещества и формирование огненного шара в разряде с электродами из углерода.
Накапливаемая в такой системе энергия в случае лабораторного нестационарного разряда имеет химическую природу и при использовании молекулярного газа вкладывается в конечном итоге главным образом в газ, создавая в нем небольшую концентрацию активных атомов, молекул и электронно возбужденных атомных и молекулярных метастабилей [7]. Аэрозоль же в процессе энерговложения играет роль фото- и электрохимического катализатора. Рекомбинация радикалов сопровождается его хемовозбуждением. Мельчайший аэрозоль является активатором хемилюминесценции, а также термо- и хемоэмиссии. Относительно крупные частицы (если они есть) размером около микрона и более активно охлаждаются излучением и в сильно неравновесном разряде приобретают отрицательный заряд, способный дать вклад в кулоновскую неидеальность. На поверхности объекта образуется слой, обладающий довольно высокой азимутальной проводимостью, при пересечении которого электрический зонд фиксирует скачок потенциала. После завершения разряда состояние вещества огненного шара поддерживается в основном
за счет накопленной энергии. Поэтому его можно характеризовать как химическую неравновесную сильно неидеальную пылегазовую плазму с метастабилями.Влияние добавки горючего газа.
Горение газообразного углеводородного топлива также сопровождается формированием светящегося объекта сходной природы — пламени. Благодаря присутствию в нем ионизированных углеродных частиц плазма пламени неидеальна. При недостатке воздуха в струе горючей смеси пламя горелки имеет большую яркость и способно давать отделяющиеся объемы, беспорядочно изменяющие свою форму. Почему же в этом случае не образуются огненные шары аналогичные возникающим в электрическом разряде?
Для понимания характера влияния горения газа на свойства огненного шара был проведен следующий эксперимент. В зону разряда, образующего при обычных условиях объект, представленный на рис. 1, перед его началом из незажженной горелки вводился объем смеси природного газа с воздухом.
Рис. 3. Релаксация огненного шара, созданного в разряде между медными проволочными электродами после введения в зону разряда смеси природного газа с воздухом.
Из рис. 3 видно, что уже на третьем кадре после обрыва тока наблюдаются признаки потери устойчивости формы. Объект приобретает вид облака, люминесценция становится слабой, а цвет ее желтовато-красным. В конце ее яркость сильно падает, и объект "расплывается" в атмосфере.
Этот эксперимент показывает, что продукты разряда являются более подходящим "топливом" для пылегазовой шаровой молнии, чем горючий газ пропан-бутан. В терминах физики неидеальной плазмы неустойчивость формы, отсутствие резких границ объясняются малостью параметров неидеальности, один из которых — параметр кулоновской неидеальности пропорционален квадрату величины заряда частиц аэрозоля, т.е. в первом случае на частицах поддерживается значительно больший заряд, чем во втором. От чего это зависит?
Роль работы выхода.
Самым первым обстоятельством, ограничивающим саму возможность заряжения, является необходимость совершения работы выхода электрона с поверхности частицы аэрозоля. Если в случае дугового контрагированного разряда ионизация частиц ввиду термоэмиссии естественна, то после прекращения тока, когда газовая температура гораздо ближе к комнатной, чем к дугоразрядной, поддержание ионизации требует особых причин. В случае аэрозоля таких причин две: фото- и хемоэмиссия.
Фотоэффект с точки зрения энергии электромагнитных квантов относится к пороговым явлениям: для фотоэмиссии электронов (ионов) нужны кванты с энергией равной или превышающей работу выхода. Для меди она составляет 4.4 eV (для закиси меди 5.15 eV), для углерода 4.7 eV, что соответствует ультрафиолетовому диапазону. Заметим, что при горении природного газа такое излучение очень мало. С другой стороны, ультрафиолетовое излучение огненных шаров было зафиксировано Пирозерским А.Л. при исследовании Гатчинского разряда [6], что свидетельствует о наличии в них весьма энергичных радикалорекомбинационных актов. Интересно также, что в Гатчинском разряде при значительном превышении солености раствора по отношению к оптимальной для образования огненных шаров при проведении разряда заряжаются окружающие изолированные предметы на расстоянии 1-2 m от разрядника, включая экспериментатора.
Гетерогенная химическая реакция на холодной поверхности
оказывает действие, аналогичное фотоэффекту. Для исследования хемоэмиссии в [8]
используется реакция моляризации атомарного водорода 4.5 eV.
Сказанное не означает, что несколько квантов, каждый из которых в отдельности меньше работы выхода, никогда не могут выбить электрон, поскольку в некоторых случаях возможна ступенчатая ионизация. Первый квант создает возбужденное состояние, благодаря чему для второго работа выхода становится меньше. Но это требует существования достаточно долгоживущих возбужденных состояний и достаточно интенсивного потока квантов. За счет многоквантового колебательно-электронного механизма возможна неравновесная эмиссия заряженных частиц [9]. Однако выход на один акт адсорбции весьма низок: 10
-3 - 10-5 для электронов, а для ионов еще на два порядка меньше. Хотя в случае наших огненных шаров нужно иметь в виду не поликристаллы, а кластеры и наночастицы, имеющие особые свойства в этом плане [10], эксперимент, по-видимому, показывает, что при энергии радикалов ниже работы выхода необходимая степень электризации аэрозоля не достигается.Излучение огненных шаров и порождающего их разряда.
Эрозионное вещество изменяет внешний вид дугового разряда. При разведении электродов дуга сильно вытягивается, исчезает контракция. Выбрасываемое дугой вещество образует, как правило, единый ярко светящийся объем, в котором более или менее равномерно распределена часть разряда (рис.2). Общая интенсивность излучения сначала растет по мере вытяжения дуги
и накопления плазмы, а затем падает с уменьшением тока. При обрыве тока происходит нескачкообразное уменьшение излучения, которое далее релаксирует все более плавно до некоторого уровня, после чего и область свечения начинает сужаться вплоть до исчезновения (рис. 4).
Рис. 4. Сужение зоны свечения при релаксации огненного шара, полученного при замыкании-разведении проволочных электродов из углеродистой стали.
Излучение огненных шаров лежит в основном в оптическом диапазоне. Поскольку свечение имеет люминесцентный характер, съемка объектов в разных частях спектрального диапазона позволяет выделять в нем различные процессы и структурные элементы, наблюдать динамику их интенсивности и распределения.
Рис. 5. Видеосъемка в ближнем инфракрасном диапазоне формирующегося огненного шара при разряде с медными проволочными электродами.
Так, например, изображения в ближнем инфракрасном диапазоне разряда с медными проволочными электродами позволяют выделить распределение наиболее крупных дисперсных частиц окислов меди (рис. 5), которые стремятся сосредоточиться у границы объекта (рис.6).
Рис. 6. Изображение объекта "неправильной" формы в виде части тора позволяющее представить себе распределение больших частиц в поперечном сечении огненного шара. Условия разряда и наблюдения аналогичны рис. 5.
В то же время весьма яркий источник более коротковолнового, ультрафиолетового излучения концентрируется внутри объекта (рис. 7).
Рис. 7. Видеосъемка формирующегося огненного шара в ультрафиолетовом диапазоне 380-390 nm. Обрыв тока происходит на восьмом кадре. Материал электродов — углерод, основные окислы которого газообразные. Цвет, последовательно изменяющийся от черного к синему, затем лиловому и белому, отражает лишь градации яркости хемофосфоресценции.
Спектральные характеристики излучения огненных шаров (0,3 MB).
Литература
Петергоф 27.12.2005.