В работе предложен новый физический механизм внутреннего устройства шаровой молнии.

Сферический лазер
Новое о природе шаровой молнии

Печатается в порядке обсуждения

Александр Ирлин

Введение

Издавна человек наблюдал грозовые явления в атмосфере, которые всегда проявлялись появлением молний как между облаками и Землёй, так и между облаками, заряженными атмосферным злектричеством. Процесс удара молний всегда сопровождается возникновением акустической волны — громом. Физика таких атмосферных явлений сегодня уже достаточно хорошо изучена. Обычные молнии по их распространению, направленности и форме, принято называть линейными молниями. Кроме таких часто встречающихся и всем знакомых линейных мол­ний, бывают электрические разряды и других видов.

Иногда в атмосфере, зачастую вблизи земли, после удара линейной молнии, наблюдаются особого вида разряды, представляющие собой светящиеся тела, пла­вающие в воздухе в виде шаров, и известные под названием шаровых молний (в дальнейшем ШМ). Чаще всего, их появление связывается с гро­зой, но известны и исключения из этого правила. Обычно шаро­вая молния имеет форму мячика, или напоминает форму груши.

Существует она от до­лей секунды до нескольких минут. Шар может быть иногда ослепительно белым и иметь очень резкий контур. Часто шаровая молния издает свистящий, жужжащий или шипящий звук. ШМ может исчезнуть тихо, но может издать при исчезновении слабый треск и даже оглу­шающий взрыв.

В некоторых случаях кажется, что ШМ гонит ветер, но обычно ее движение от ветра не зависит. Шаровые молнии проникают в помещения через открытые окна или две­ри, а иногда даже через небольшие щели. Хороший путь для них представляют трубы, поэтому шаро­вые молнии часто появляются из печей в кухнях. Покружившись по комнате, ШМ может спокойно оставить помещение, уходя часто по тому же самому пути, по которому она вошла в это помещение. Но известны много случаев, когда шар взрывается, производя значительные разрушения. Упоминания о ШМ встречаются и в древней литературе — с тех самых пор, как появились первые запи­си о метеорологических процессах. Ранее явление шаровой молнии находило также отражение и в древнем искус­стве народов Земли.

В течение нескольких столетий ученые упорно изучают шаровую молнию, десятки гипотез были предложены для объяснения загадочного поведения ШМ. Но, так как до настоящего времени, этот феномен природы экпериментально воспроизвести пока не удалось, весьма трудно оказалось создавать сколько-нибудь достоверную физику их внутреннего устройстаа, принцип возникновения и существрвания.

Основные обзоры литературы, показывающие, как менялись взгляды на проблему ШМ, были сделаны: Вебером в 1885 г., Заутером в 1890 и 1895 гг., де Янсом в 1910 г., Брандом в 1924 г., Аньолем в 1954 г., Силбергом в 1963 г., Леоновым в 1965г. и С. Сингером в 1971году. Большинство теорий, касающихся шаровой молнии, можно подразде­лить на два основных типа:

— согласно одним, ШМ возникает и поддерживается за счет энергии, посту­пающей от какого-то внешнего источника, который необходим для объяснения большой длительности существо­вания или высокой энергии шара;

— согласно другим, ШМ уже в момент своего образования содержит весь запас своей энергии и вещества [9], т. е. иначе — это ШМ с внутренним источником энергии.

К теориям о ШМ с внутренним источником энергии [1] относятся:

1. ШМ это медленно горящий газ; из­лучение за счет медленной рекомбинации неизвестных ио­нов;
2. —,,— представляет собой шар горячего воздуха при атмосферном давлении;
3. —,,— плазма очень высокой плотности (концентрация электронов 10²⁵ м^-3), которая проявляет квантовомеханические свойства, ха­рактеризующие твердое состояние;
4. ШМ— это одна из конфигураций замкну­тых кольцевых токов, сдерживаемых своим собственным полем. Однако такое образование в нормальных условиях не может возникнуть в воздухе [1].
5. —,,— одна из конфигураций замкну­тых кольцевых токов, сдерживаемых своим собственным полем;
6. —,,— представляет собой воздушный вихрь (подобный кольцам табачного дыма), что обеспечивает удерживание светящихся газов.

Позже появились и некоторые дополнительные теории (гипотезы) этого направления.

К другим теориям — относится подпитка ШМ энергией, поступающей от какого-то внешнего источника:

а) ШМ подпитывается высокочастотным (сотни мегагерц) электро­магнитным полем;

Пётр Капица предположил [17] , что высокочастотная энергия от грозового об­лака может создать и поддерживать шаровую молнию. Однако электрические поля высокой напряженности, необходимые для этого действия, никогда не наблюда­ются в грозовых облаках [1].

b) ШМ поддерживается постоянным током от облака к земле;

Однако, эта теория не может объяснить появление ШМ внутри строений, особенно металлических сооружений [1].

с) ШМ объясняется наличием сфокусированных частиц космического излучения.

Это предположил Арабаджи В. И. [1], что частицы космических лучей фкусируются (??) электрическими полями грозового облака и создают разряд в воздухе в одной точке пространства [1] (??).

Несмотря на то, что к настоящему времени накоплено огромное количество наблюдений шаровых молний (ШМ) и известно сотни гипотез их физической природы, этот феномен ШМ продолжает оставаться загадкой для человечества. Проделано множество экспериментов по искусственному воссозданию ШМ в лабораторных условиях. Однако до настоящего времени оказалось в течение многих лет невозможны объяснить и физически обосновать все свойства этих наблюдаемых образований.

В таком изобилии попыток объяснений физического механизма возникающего природного феномена ШМ, считаем возможным предложить ещё один принцип его появления и наметить путь к экспериментальному подтверждению возможности реализации этого природного феномена в искусственных условиях.

В качестве начального введения ниже приведены известные наблюдения атмосферных явлений— линейных молний и их характеристик. Ланы описания основных результатов многочисленных наблюдений ШМ, некоторых гипотез их образования, поведения в природе и отдельных теоретических работ и предположений физической основы ШМ, частично понадобившихся автору для построения новой гипотезы физики внутренного устройства и возможного существования ШМ в природе. Также важным явилось привести параметры атмосферы над поверхностью Земли и наличие примесей газов в процентном отношении. Особо отмечено наличие примесей вблизи больших и промышленных предприятий.

При этом, наличие даже небольших количеств газообразных продуктов примесей в атмосфере отдельных районов, может давать дополнительные (к основному составу воздуха) присадки и, тем самым играть особую роль в организации примесных центров при рассматриваемых процессах внутри ШМ.

Предлагаемая к рассмотрению новая модель существования ШМ содержит физический механизм образования внутри неё излучения, направленного по радиусам шаровой оболочки вокруг плазменного образования. Таким образом, в работе предложен новый физический механизм внутреннего устройства шаровой молнии.

Идея такого механизма основана на полученном автором изобретении (Авторское Свидетельство СССР), которое в течение длительного времени (по понятным причинам) оставалось неизвестным общемировому сообществу.

В конце сообщения даются предложения по развитию 3-х направлений использования описываемого нового физического механизма шаровой молнии.

Напомним существующие сегодня факты по результатам наблюдений атмосферных явлений, в том числе линейных и шаровых молний (ШМ).

1. Линейные молнии

1.1. Основные известные свойства обычных молний приведены в [1-7]:

• средняя величина заряда обычных молний: 25 Кулон,
• скорость распространения: 10⁷ … 10 ⁸ m/сек,
• диаметр канала молний в среднем составляет: от 2 до 30см,
• температура в канале молний: несколько десятков тысяч °C,
• средний ток в канале молнии оценивается как 10000 А, максимальный— 100000 А!
• мощность, выделяющаяся в канале молнии достигает 10¹² Вт (энергия са. 10⁹ Дж),
• суммарная длительность вспышки — примерно 0,25 сек.,
• излучение разряда молнии содержит полосу 0,3914 мкм, находящуюся в ультрафиолетовой области спектра длин волн,
• в канале разряда молнии содержится около 4х10¹⁸ электронов /см³, а давление, создаваемое ими — ориентировочно 14 атм,
• основные ионы — однократно ионизованные атомы азота и кислорода:N⁺и O⁺ (другие основные ионы: молекулярные N₂⁺и NO⁺ ).

1.2. Линейная молния порождает шаровую молнию (ШМ), однако — не всегда.

Имеется достаточно много сообщений очевидцев появления ШМ в ясную, не грозовую и даже не дождливую погоду.

1.3. Разряд молнии происходит от облака к Земле, а также— между облаками.

1.4. Лидер — определяет путь основного линейного разряда молнии, длина— са. 5 метров, заряд около 5 Кулон. При этом ШМ обычно появляется, — если не происходит возвратного основного разряда на Землю после прошедшего лидера.

1.5. Разряд молнии приводит к расширению газа (в атмосфере) и ударным волнам (гром).

1.6. Уже на этапе ЛИДЕРА в канале линейной молнии возникает поток электронов со скоростями 10 ⁵ — 10⁶ м/сек. Этот пучок электронов вызывает размножение вторичных электронов и ионизацию воздуха. Взаимодействие электронного пучка с фронтом уплотнённой ударной волны даёт взрыв со скоростью (фронта) около 1000 м/сек, причём с концентрацией частиц в этой области во многом превышающей окружающий воздух.

При этом происходит концентрация ионизированных частиц во фронте ударной волны.

2. Шаровые молнии

К ним относятся шарообразные подвижные светящиеся образования, обычно (но не всегда!) возникающие во время гроз. В настоящее время в мире существует обширная библиография, включая статистику появления, наблюдений и огромное количество теоретических работ и гипотез образования, поведения и предполагаемых принципов организации шаровых молний (ШМ). Здесь возможно направить читателей к многочисленной литературе (книги, журнальные статьи, выступления на научных форумах и др.) [9-12, 17-19].

2.1. Плотность состава шаровой молнии близка к плотности атмосферного воздуха, либо несколько превосходит её: (1-2) 10^-3 г / куб. см. Из многих наблюдений известно, что ШМ опускается вниз, вероятно из-за компенсации конвекции ионными потоками разницы между выталкивающей архимедовой силой и силой тяжести.

2.2. Наиболее вероятный диаметр ШМ: от 10 до 15 см, а средний: 20— 30 см.

2.3. Температура ШМ по имеющимся наблюдениям и предположениям весьма неоднородна (от почти „холодной“, либо — нескольких сотен градусов на внешней оболочке и до более тысяч °C — в центральной части) [ 13, 19, 21].

2.4. Величина энергии, накопленная в ШМ, также определяется в широких пределах: от нескольких килоджоулей до десятков, либо сотен КДж.

2.5. Особо надо отметить обладание ШМ значительной поверхностной энергией, обеспечивающей ей стабильность сферической формы и способность восстановления её после возможных деформаций.

2.6. Наблюдаются корреляции между временем существования ШМ и их размерами:

• долгоживущие ШМ, — 80% среди них диаметром более 30см;
• только 20% среди молний диаметром меньше 10см и
• короткоживущие, малый диаметр (80% меньше 10см, однако больше 30см— 20%).

Время жизни ШМ определяется временем диссипации магнитной энергии, запасённой в ней [ 9 ], при постоянной температуре. А. Ф. Попов это время оценивает как [10]:

t_n = n G R² / 10c²

Тогда для плазмы с однозарядными ионами, полагая G = 1,96e² N_e Т_е/m_e , при Т_e = 100 кэВ и R=10cм, для времени жизни такого плазмоида получаем t_n = 10 cек, что соответствует многим наблюдениям. Там же доказывается, что температура плазмы 100 кэВ вполне достижима!

2.7. Возможный существенный фактор при образовании ШМ — насыщение воздуха парами воды. При этом благодаря поверхностному натяжению образуется термоизолирующая оболочка и, кроме того,— ШМ получает дополнительный вес, ответственный за её положение относительно земной поверхности.

2.8. Цвет наблюдавшихся за многие годы ШМ отличается большим разнообразием: чаще всего [9,13] — красный, затем жёлтый, жёлто— оранжевый, белый, голубой, зелёный и даже чёрный.

2.9. Наиболее часто наблюдатели отмечают цвет ШМ в красно-жёлто— оранжевом диапазоне видимого спектра длин волн. В имеющихся публикациях отмечается, что в данных случаях видимое излучение ШМ определяется азотом, которого в воздухе более 78% [13].

Здесь— же, можно добавить— если процентное содержание элементов и химических соединений в воздухе данного района и именно во время этих грозовых явлений (примечание автора данной статьи А. И.) — другое, то цвет, а возможно и весь спектр ШМ может быть другим.

Рассмотрим состав воздушной атмосферы Земли. Атмосфера представляет собой механическую смесь газов с небольшой примесью твердых частиц (пыли) и паров воды.

В состав атмосферы входят следующие газы (% по объёму): азота N₂ 78,09; кислорода O₂ 20,95; аргона Ar 0,93; углекислого газа CO₂ 0,03. Воздух содержит очень небольшие количества остальных инертных газов, а также водород H₂, озон О₃, окислы азота, окиси углерода СО, аммиак NH₃, метан CH₄, сернистый газ SO₂ и др. Эти данные сведены в Таблицу 1. Учитывая молекулярную массу каждого компонента и его долю в составе воздуха, его средняя молекулярная масса определяется как 28,966 (приблизительно 29). Содержание в воздухе азота, кислорода и инертных газов практически постоянно, причём постоянная концентрация O₂ (и отчасти N₂) поддерживается растительным миром Земли). Количество углекислого газа, окислов азота, сернистых соединений существенно колеблется (отметим, что в частности, это количество различного рода примесей возрастает вблизи больших городов и промышленных предприятий!!!). Содержание воды также не постоянно и может составлять от 0,00002 до 3% по объёму.

Эти данные позволяют в дальнейшем предположить объяснение различий в сообщениях наблюдателей ШМ о их цвете и характерных признаках после исчезновения ШМ (остаточный запах и др.).

Таблица 1

ПРИМЕЧАНИЯ:

а) На высотах 200-250 км преобладает азот (N₂); на 500 — 700 км атомарный кислород (О); затем более 700км — гелий и водород, а у внешней границы — атомарный водород (Н).

б) основную роль жизнеобеспечения играют такие компоненты атмосферы как кислород, углекислый газ и водяные пары. Их содержание в зависимости от времени и места может меняться в широких пределах.

в) Средний молекулярный вес воздуха составляет: 28,966 (са.29).

г) Содержание CO_2, NО, SO_{2 ,} а также (?) СН₄ возрастает вблизи городов и промышленных предприятий!!!

Предлагаемая к рассмотрению новая модель существования ШМ содержит физический механизм образования внутри неё когерентного излучения, направленного по радиусам шаровой оболочки.

Данная идея конструкции ШМ основывается на использовании шарообразного лазера с неустойчивым резонатором с выпукло-вогнутыми отражателями сферической формы [22].

Само понятие неустойчивого резонатора предложил в 1965 году Siegman [15]. Такой конструкции единичный резонатор использован в лазерах повышенной мощности. Сам неустойчивый резонатор выполнен со сферическими зеркалами, причём иногда применяют асимметричный конфокальный неустойчивый резонатор, дающий на выходе параллельный пучок. Одно из зеркал его— выпуклое, а другое — вогнутое. При этом оба зеркала имеют одинаковую кривизну поверхности и общую точку фокуса (рис. 1).

Различные виды неустойчивых резонаторов были хорошо представлены в статьях Ю. Ананьева ещё в 1971 году. [20] и [21]. (Рис.1) [1]

Генерация возникает в приосевой зоне, а покидающее эту зону излучение усиливается при многократных проходах между зеркалами, смещаясь к периферии резонатора. Относительная величина смещения положения луча на выпуклом (внутреннем) зеркале за один проход между зеркалами называется коэффициентом увеличения резонатора. Eсли площадь внутренней выпуклой сферы такого неустойчивого резонатора меньше внешней вогнутой сферы, не происходит значительного расширения, либо (как будет показано далее) эта часть излучения „включается в работу“в соседнем таком— же элементе

резонатора. Из этого видно, что интенсивность излучения на одном проходе не будет падать в М2 раз.

Теперь осталось перейти к главной идее — шарообразной форме когерентного излучателя, образованного внутренней поверхностью внешней оболочки шара и его некоей внешней поверхностью виутренней сферы, то есть полностью сферического резонатора, в котором расположена газовая смесь «рабочего тела» (рис. 2). [2]

Отражающие свойства внутренней поверхности (1 рис.2) внешней оболочки (2 рис.2) такого шарообразного лазера сравнительно не сложно себе представить как определяемую оптической границей: „воздух (3 рис.2) — оболочка (2 рис.2) шара — активная газовая среда (4 рис.2)“. Сложнее обстоит понимание существования внутри шара — поверхности с кривизной малой сферы (5 рис. 2), идентичной кривизне внешней и имеющую софокусную с ней точку А обеих сфер. Здесь остаётся нам предположить наличие области (6 Рис.2) внутри ШМ, которая отличается по физико— химическому составу, внутреннему давлению и др. свойствами от остального объёма активной среды (7 Рис.2) шара.

Принимая за основу начальный процесс образования ШМ, описываемой в частности, в работе [13] с возникновением фронта ударной волны и его распространением со

скоростью около 1000м/с и зоной низкой (по сравнению с окружающей атмосферой) концентрацией частиц, весьма вероятным оказывается дальнейшее развитие процессов в сфере ШМ по сценарию, схожему с активной средой газовых лазеров. При этих условиях оптические свойства граничной поверхности этой внутренней физической области ШМ могут играть роль выпуклого резонаторного зеркала для отражения части падающего на неё светового потока по обратному пути через активную газовую среду к вогнутому зеркалу внешней оболочки шара с образованием совокупности стоячих волн, слитых в конечном итоге в сферическую, -с соответствующей длиной,— стоячую волну. Для такой конструкции «шарового лазера» может оказаться достаточным минимальное количество проходов отражённого светового потока, вплоть до единичного прохода и получение высокого КПД процесса выхода когерентного света.

При этом заселение уровней может осуществляться:

— за счет поглощения света (оптическая накачка). Это возможно ожидать от светового воздействия первичного разряда молнии (соответственно — с ограничением длительности „запасённой“лучевой энергии);

— в неупругих столкновениях атомов и молекул со свободными электронами, при которых часть энергии электрона идет на возбуждение атома или молекулы. Свободные электроны могут создаваться или в газовом разряде, или вводиться в газ в виде пучков, подобных описываемым в [12 ], где фронт ударной волны и газ в зоне с низкой концентрацией частиц ионизируются и превращаются в плазму;

— за счет неупругих столкновений атомов основного захваченного состава газа с возбужденными атомами или ионами примесного газа с передачей энергии возбуждения от них — основному составу;

— передача энергии может носить и резонансный характер, где достигается высокая степень селективности заселения уровней;

— за счет мощного нагрева (тепловая накачка). Это может происходить при накачке колебательных уровней в молекулах, инверсия на переходах между которыми осуществляется за счет различных времен релаксации для верхнего и нижнего уровней при быстром адиабатическом расширении газа. На этом принципе основана работа газодинамических лазеров.
Очистка возбужденных состояний осуществляется: спонтанным излучением;

— в столкновениях с электронами или атомами примесного газа, при которых энергия возбуждения передается от основного состава электронам или атомам некоторой газовой примеси;

В работе [13] автор автор объясняет образование шаровой молнии из электронного пучка линейной молнии. Электронный пучок, запертый в области пониженного давления, ионизирует окружающий его воздух, создавая плазменный шар. Причем, плазма поддерживается энергией запертого в ней электронного пучка и поэтому может существовать относительно долгое время. Рассмотренный в работе [13] процесс передачи энергии электронного пучка газовой среде посредством ударной ионизации атомов и молекул, взят автором данной работы за основной механизм на начальной стадии образования ШМ. Далее автор предположил строение ШМ в виде условных 3-х зон. Такой плазменный сфероид представлен как:

• плазма в зоне низкой концентрации (ПЗНК), где температура электронов намного превышает температуру ионов. Она характеризуется низкой концентрацией ионов и почти полным отсутствием атомов среды, поляризованностью и флюктуационными возмущениями, вызванными движением электронного пучка;
• плазма всего внутреннего слоя сферы (ПВнуС) — неравновесная плазма с температурой электронов плазмы выше температуры ионов. Эта зона характеризуется высокой концентрацией ионизированных частиц — положительных ионов, особенно в „пограничном“слое, разделяющем плазму ЗНК и ПВС (А.И.), поляризованностью и, как следствие этого, — большой величиной пространственного заряда в плазме;
• плазма внешнего слоя (ПВншС).

Весьма близко к такому объяснению ШМ примыкает и опубликованная НИТ в 2002 году статья К. Резуева Шаровая молния [14], к-й её автор делает допущения:

• шаровая молния (ШМ) существует без подвода энергии извне, т. е. энергия необходима только в начальный момент;
• после образования, например, в результате электрического разряда, ШМ существует без поглощения дополнительной энергии и
• ШМ состоит из плазмы, т. е. из полностью ионизированного вещества.

Эти вышеназванные предположения оказались нам весьма пригодными для построения физической модели ШМ на основе спонтанного процесса возникновения в плазменной сфере когерентного источника излучений по типу газовых лазеров.

Среда с инверсией населенности способна усиливать световую волну, образуя оптический усилитель когерентного сигнала с коэффициентом усиления по мощности.

Чтобы превратить усилитель в генератор, достаточно обеспечить наличие обратной связи. В обычных газовых лазерах это достигается при размещении активного состава рабочего газа между отражающими поверхностями (зеркалами), образующими так называемый «открытый резонатор» за счет того, что часть излученной активным веществом энергии отражается от зеркал и опять возвращается в активное вещество. Система из двух параллельных зеркал обладает резонансными свойствами, т. е. — резонирует только на определенных частотах, а использование именно открытого резонатора принципиально для оптического диапазона. При этом „открытость“резонатора в обычных лазерах, отсутствие в них каких либо боковых стенок значительно уменьшает число возможных типов колебаний (мод) за счет того, что волны, распространяющиеся под углом к оси резонатора, быстро уходят за его пределы, и позволяет сохранить его резонансные свойства при: .

Не нарушая основной картины построенной в модели ШМ, характеризующихся на стадии объёмного взрыва газа при ударе молнии и “запирании“электронного пучка фронтом ударной волны, примем предположение автора, что при этом происходит ионизация молекул газа [13], возбуждение и разогрев газовой среды. Используем и утверждение, что наибольшую кинетическую энергию вторичных электронов имеют потоки, непосредственно прилегающие к внутренней поверхности образующейся плазменной сферы и температура этой зоны „неравновесной“плазмы значительно выше температуры „квазиравновесной“поверхности внешнего слоя (оболочки) ШМ.

Это, в свою очередь, предполагает значительное отличие оптических свойств внутренних поверхностей плазменной сферы от её внешней оболочки. Тем самым, оказывается возможным появление квазиустойчивого резонатора внутри плазменного сфероида, образованного в результате ударного воздействия фронта первичной волны в газе.

Автор второй работы [14] предполагает, что за счёт разлёта ядер ионизированного в плазме газа, в центре образуется область с очень малой концентрацией положительных зарядов, то есть — в этой области находятся только электроны. При этом максимум энергии электронов будет находиться не в центре ШМ, а на сфере около центрального объёма

ШМ. Этот же центральный заряд тормозит ядра, разлетающиеся от центра ШМ. Атомы воздуха не могут помешать этим процессам, так как их скорости намного меньше скоростей выше рассмотренных частиц, и процесс формирования ШМ успевает закончиться, прежде чем атомы воздуха пройдут какое-либо значимое расстояние. В дальнейшем происходит увеличение отрицательного заряда в центре, который уже становится способным замедлить и затем — ускорить при движении к центру положительных частиц. Через некоторое время наступает равновесное состояние.

В работе автор приводит распределения: зарядов, потенциала электрического поля и напряжённости этого поля по радиусу ШМ. Далее автор показывает, что происходящая потеря электронами энергии, уменьшает радиус ШМ, что приводит к уменьшению поверхности ШМ и к увеличению плотности потока электронов через неё. Последнее уменьшает вероятность проникновения атомов воздуха в область электронов с высокой энергией. В результате делается вывод [14], что „… шаровая молния всё время старается прийти в равновесное состояние“.

Далее. В работе [23 ] автор пишет о „…надёжно установленных наблюдательных и экспериментальных данных…“, касающихся ШМ и описанных М. Т. Дмитриевым в [19]:

“Светимость молнии была значительной, особенно при расстоянии в несколько метров, тем не менее, её всё же можно было свободно рассматривать без чрезмерного напряжения. Было заметно, что цвет молнии неоднороден. Центральная часть представляла собой шар диаметром около 6— 8 см, несколько вытянутый в вертикальном направлении. Эта часть была и наиболее яркой, по своему внешнему виду (кроме формы) весьма напоминая электроразрядный факел в воздухе, получаемый в плазмотронах, с температурой плазмы порядка 13000 — 16000° (выделено А.И.). Центральная часть молнии была окружена областью толщиной 1— 2 см с густым фиолетовым свечением, очень похожим на свечение воздуха при давлении 0.1 мм. рт. ст., бомбардируемого электронами с энергией в несколько десятков электронвольт. Следующая, наружная оболочка, толщиной около 2 см, также была неоднородна, напоминая по цвету тихий электрический разряд при атмосферном давлении или периферийное свечение электронного пучка с энергией в несколько десятков килоэлектронвольт, попадающего из вакуумной трубки в воздух при обычном давлении. Светло-голубое свечение этой части молнии быстро убывало с увеличением расстояния от центрального шара, постепенно сходя на нет… . Кроме того, в них (областях внутри ШМ, прим. автора данной статьи) можно было видеть отдельные яркие конвективные струи (как над обычным костром…). Общий диаметр шара составлял около 11— 12 см в горизонтальном направлении и около 14 — 16 см в вертикальном. С расстояния в несколько десятков метров наблюдалась, по-видимому, только центральная часть шара. Издали молния имела синеватый оттенок… В молнии, по-видимому, всё время выделялась энергия (выделено А. И.). Автор отмечает, что на это указывал сплошной шорох и сильные отдельные потрескивания… Молния оставила после себя сильный запах, по своему характеру почти совпадающий с запахом воздуха, подвергнутого воздействию ионизирующего излучения”. Далее автор [23] высказывает гипотезу о природе ШМ, в результате чего автор утверждает: „загадки ШМ больше не существует…?: остается один-единственный вид радиоактивности, который может отвечать за природу шаровой молнии…

Как бы там ни было, но нас интересует в данном (и аналогичных) случаях и причинах — возбуждение энергетических уровней газовой среды, состоящей из атомов, молекул основных и „примесных“газов, а также наблюдения очевидцев цветовых эффектов ШМ. (выделено А. И.).В работе [25] коротко обращено внимание на „ …возможное разнообразие химического состава ШМ (на что явственно указывает цвет излучения)“. Так как скорость электронов в линейной молнии колеблется в широком диапазоне, следовательно, и температура плазмы также имеет различные значения, что определяет, в свою очередь, атомы каких газов участвуют в образовании ШМ. Что касается типа газов, подпадающих под действие мощных разрядов линейных молний, нам представляется необходимым рассматривать: с одной стороны состав атмосферного воздуха, приведенный ранее в Таблице1. С другой — принципиально важно знать районы возникновения грозовых явлений и нахождения там различных промышленных объектов, выделяющих в атмосферу выбросы различных отходов производства.

Наличие этих, даже небольших количеств газообразных продуктов в атмосфере таких районов, может давать дополнительные (к основному составу воздуха) присадки и, тем самым играть роль в организации примесных центров при генерации излучения рассматриваемых природных образований — шаровых молний! Таким образом, цвет центрального и остального объёма ШМ будет определяться как максимальным содержанием основного газа (в объёмных процентах), так и наличием таких компонентов как, например, метан (NH₄), сернистый газ (SO₂), окись азота (NO), окись углерода (CO), углекислый газ (CO₂) и др.

В дальнейшем рассмотрении возможных физических механизмов развития процессов существования ШМ как плазменного образования, будем опираться на развитие внутри данной системы — вынужденного индуцированного, с определённой степенью, когерентности, монохроматичности, расходимости и большой спектральной плотности излучения.

На возможность такого рода физического механизма указывают имеющиеся наблюдения значительной световой яркости центральной зоны ШМ по сравнению со светимостью остального её объёма. [см. например 19].

Известно, что при электронном ударе возникает возбуждение частиц. Обычно для увеличения эффективности накачки к основному рабочему газу добавляются вспомогательные, передающие возбуждение на верхний лазерный уровень рабочего газа и опустошающие его нижний лазерный уровень. Этот метод позволяет использовать в качестве активной среды различные атомные и молекулярные смеси и различные типы электрических разрядов. Активные среды можно также создать в газовой смеси, которая нагревается до высоких температур, формируется в сверхзвуковой поток и затем, распространяясь, — резко охлаждается (газодинамический лазер).

Известно, что большая часть ШМ (около 60%) испускает видимый свет ближе к красному концу спектра длин волн (красный— оранжевый или жёлтый). Имеются и наблюдения са.15% ШМ, испускающих свет в более коротковолновой части спектра (голубой, реже— синей, фиолетовой, зелёной областях). Наблюдались также приблизительно в 25% случаев ШМ белого свечения. При вышеизложенном механизме свечения основного (внешнего) объёма ШМ становится понятным наличие комбинаций различных газов, содержащихся в атмосфере вблизи Земли. Появляется также большая уверенность в объяснении реже встречающихся наблюдений других окрасок шарообразных плазменных образований, а также фактов возникновения странного запаха, которым сопровождается появление или исчезновение ШМ: „этот запах описывается как резкий и неприятный, напоминающий озон, горящую серу или окислы азота“[24]. На запах серы указали 35% очевидцев, гари— 20%, озона –10%. Имелись сообщения о запахе фосфора, сероводорода и др. [26 ]. Например в случае распространённого Не — Nе лазера,— рабочим составом его является смесь гелия и неона. Электрическое поле в газовой смеси создаётся с помощью специальных электродов, а на трубку накладывается напряжение всего в несколько киловольт. Вынужденное излучение создается атомами неона, а атомы гелия участвуют лишь в передаче энергии атомам неона. В газоразрядных CO₂ -лазерах инверсия населённостей также достигается возбуждением молекул электронным ударом и резонансной передачей возбуждения. Для передачи энергии возбуждения служат молекулы азота N₂ (содержится в атмосфере Земли — 78% ! (см. Таблицу1), возбуждаемые, в свою очередь, также электронным ударом. Обычно в условиях тлеющего разряда около 90% молекул азота переходит в возбуждённое состояние, время жизни которого очень велико. Тогда становится понятным почему в большинстве наблюдений ШМ сообщалось о жёлто— красном цвете их основного свечения [13] (Максим Анисимов. „Шаровая молния. Плазменно— пучковая модель“). Но молекулярный азот хорошо аккумулирует энергию возбуждения и также легко передаёт её молекулам CO₂ в процессе неупругих соударений. Высокая инверсия населённостей достигается при добавлении „Не“в разрядную смесь такого рода лазеров, который, во-первых, облегчает условия возникновения разряда и, во-вторых, в силу своей высокой теплопроводности охлаждает разряд и способствует опустошению нижних лазерных уровней молекулы CO₂. СО₂-лазеры обладают высокой мощностью, возбуждение молекул CO₂ обеспечивается электронным ударом. Рабочая длина волны таких лазеров находится интервале длин волн от 9,4 до 10,6 мкм. Таким образом, если энергия запертого электронного пучка велика, то цвет ШМ может быть ярко белым и даже голубым. Плазма ШМ разогрета по сравнению с окружающим воздухом до весьма высокой температуры (4000 — 5000К) и в этом случае она является мощным источником инфракрасного (ИК) излучения. На этом примере можно ожидать в некоторых случаях появление ШМ с высоким уровнем теплового ИК — излучения, чем и объясняется наличие крупных ожогов при касании человека к такого рода ШМ! Однако ШМ присущ градиент температуры, постепенно убывающий от её центра к периферии. Кроме того электронная температура ШМ — это не температура поверхности ШМ. Поэтому какие-либо утверждения об общей температуре ШМ являются абсурдными. Тем не менее остаётся фактом, что центральная область ШМ — это высокотемпературная и наиболее опасная её зона.

Этих примеров вполне достаточно для предположения существования различных по цвету, размерам шара, длительности времени существования, тепловым свойствам и даже степени взрывоопасности наблюдавшихся в природе ШМ. Что касается последнего, то в предлагаемой новой физической модели её природы, возможно объяснить и пока— что бывшие неразрешимыми случаи сравнительно спокойного исчезновения и наоборот — взрывные эффекты конца жизни этих плазменных образований. В этом случае имеет место лазерный перегрев до гигантских температур центрального объёма ШМ за очень короткое время, что фактически является прообразом термоядерных эффектов в шарообразном лазере (выделено автором статьи).

Таким образом, основным вопросом создания новой действующей модели ШМ и создания такого шарообразного лазера (ШЛ) становится организация своеобразного сферического резонатора для искусственного воссоздания длительно-живущего образования вместо быстро исчезающего природного явления. Такой когерентный излучатель шарообразного типа оказывается возможным представить на основе отдельного элемента асимметричного конфокального неустойчивого резонатора со сферическими софокусными отражателями одинаковой кривизны поверхностей отражения. На Рис.3 [3] показан ассиметричный конфокальный неустойчивый (телескопический) резонатор, который „замкнут“ в шарообразную конструкцию. Волна, отражённая от внутренней поверхности внешнего отражателя с радиусом R₁ является сферической с центром в точке, не обязательно совпадающим с центром кривизны (или фокальной точкой) этого отражателя [27]. Часть этой энергии проходит вне отдельно рассматриваемого диаметра малой сферы внутреннего отражателя с радиусом кривизны R₂ , а другая часть — отражается назад по прежнему пути. Процессы накачки среды внутри ближнего к оси объёма отдельного рассматриваемого элемента дают основную моду неустойчивого оптического резонатора, образованную сферическими волнами, распространяющимися между отражателями навстречу друг другу. В случае телескопического резонатора одна из волн может быть даже плоской [27]. Центр сферической волны лежит на расстоянии x= R₂/ 2 за выпуклым внутренним отражателем с радиусом кривизны R₂ , а радиус кривизны внешнего (вогнутого) зеркала: R₁ = R₂ + 2l (R₁< 0). При поперечных размерах большого (внешнего) отражателя по сравнению с размерами внутреннего отражателя, пучок излучения кольцевой формы идёт в сторону внутреннего (выпуклого) отражателя с волновым фронтом, близким к плоскому (Рис.3).

Для такого резонатора большая часть отражённого от поверхности большого отражателя выводится во внеосевую зону и, в случае обычно— используемых отдельных конструкций неустойчивого оптического резонатора, приводит к потерям большей части энергии. Кстати, там это используется для достижения хорощей селекции поперечных мод, связанной с большой величиной геометрическо— оптических потерь на излучение.

В случае использования замкнутой шарообразной конструкции конфокального резонатора, эти кажущиеся потери энергии возможно эффективно использовать в накачке газовой среды такого ШАРА. Этому не помешает и кольцевая форма образующегося при распространении внутри ШАРА излучения внеосевой части поступающей от верхнего отражателя энергии.

Идея ШАРОВОГО лазера была высказана автором данной статьи (А. И.) в 1973 году, предложена во ВНИИПЭ (Всесоюзный НИИ патентной экспертизы, г. Москва) по заявке с приоритетом от 26.11.1973г., получено Авторское свидетельство СССР от 3.11.1975г. [22]

Однако это изобретение в течение длительного времени (по понятным причинам) оставалось неизвестным общемировому сообществу.

Всё вышеизложенное предполагает развитие 3-х направлений использования описываемой новой конструкции оптического неустойчивого ассиметричного конфокального телескопического резонатора сферической формы:

1. Развитие идеи высокоэнергетичного ШАРООБРАЗНОГО ЛАЗЕРА с концентрацией энергии в центре фокусировки когерентного излучения для создания гипертепловой зоны нагрева материала, вплоть до образования термоядерных реакций.
2. Создание модели образования природного феномена — ШАРОВОЙ МОЛНИИ.

Основными вопросами в этом направлении являются осмысление и объяснение 2-х отражающих поверхностей внутри сферического резонатора, причём:

а) верхний (внешний) вогнутый отражатель уже сегодня вполне объясним с использованием физики внешней атмосферы, сил поверхностного натяжения и поверхностной энергии оболочки ШМ, физических параметров газовой среды…;

б) произвольно возникающий внутренний сферический отражающий объём (выпуклое шаровое зеркало) с высокой концентрацией ионизированной плазмы, с отличающимся цветом свечения по сравнению с остальным объёмом многократно наблюдаемых ШМ, их временем жизни и способностью либо к взрывам, либо к тихому исчезновению…

Развитие работ по реализации весьма интересной идеи низкоэнергетического всенаправленного лазера сферической формы и необходимых длин волн излучения…

Л И Т Е Р А Т У Р А

[1] М. Юман. Молния, пер. с англ., Изд. МИР, Москва 1972 г.,

[2] И. Именитов. Измерение параметров атмосферного электричества, в кн. Метеорологические приборы, Ленинград, 1953г.-421 с.

[3] Э. Базелян, Ю. Райзер Физика молнии и молниезащиты, М. Физматгиз, 2001. 320 с.

[4] Г. Бенидорф, Атмосферное электричество, пер. с нем., М. 1934.

[5] Дж. А. Чалмерс. Атмосферное электричество, Гидрометеоиздат Л., 1974. 421 с.

[6] Malan D.J. Проблемы электричества атмосферы, Гидрометеоиздат, пер. с англ., Л., 1969.

[7] И. Имянитов. Приборы и методы для изучения электричества атмосферы, Гостехтеоретиздат. 1957.

[8] И. Стекольников. Физика молнии, изд. АН СССР, М.— Л., Изд. АН СССР 1943г., 235 с.

[9] С. Сингер. Природа шаровой молнии, пер. с англ., Изд. МИР, Москва 1973 г. 239 с.

[10] А. Ф. Попов. Шаровая молния в наблюдениях и в теории, Гл.4.

[11] И. П. Стаханов. О физической природе ШМ, Научный Мир Москва 1996г. 264 с.

[12] И. Г. Стаханова. Характеристики шаровой молнии, Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н. В. Пушкова.

[13] М. Акимов. Шаровая молния. Плазменно— пучковая модель. Статьи. Наука и техника. 30.09.2005 года.

[14] К. Резуев. Шаровая молния. Статьи. НИТ.

[15] Siegman A.E. Proc. IEEE, 1965, v. 53, p .277.

[16] Prof. Dr. Jürgen Eichler, Prof.Dr.-Ing. Haus Joachim Eichner LASER Bauformen, Strahlfürung, Anwendungen 5. Auflage, SPRINGER — Verlag Berlin Heidelberg New York, 2003 (2007)

[17] П. Л. Капица. О природе шаровой молнии. ДАН СССР 1955. Том 101, 2, стр.245— 248.

[18] Б. М. Смирнов. Наблюдательные свойства шаровой молнии. 162, Nr.8 УФН, 1992 (Ин-т высоких температур, Москва).

[19] М. Т. Дмитриев. Природа шаровой молнии, Природа 1967, 6 стр.98.

[20 ] Ю. А. Ананьев. Угловое расхождение излучения твёрдотельных лазеров, УФН, апрель т.103, вып.4, 1971 г.

[21] Ю. А. Ананьев. Оптические резонаторы и лазерные пучки. Наука. М. 1990.

[22] А. В. Ирлин. Лазер. Авторское свидетельство (АС) СССР 1975г. приоритет от 1973 г.

[23] Ю. Л. Ратис, arisfera.info. Статьи. Загадки шаровой молнии больше не существует (?).

[24] Дж. Барри. Шаровая молния и чечёточная молния. М. Мир. 1983.

[25] Н. Носков. Физическая модель шаровой молнии.(?)«Наука Казахстана», 24 (132),1998

26] И. Имянитов, Д. Тихий. За гранью законов науки., М. 1980г. Стр.70

[27] Н. В. Карлов. Лекции по квантовой электронике. Ч.I, 9. Устойчивость резонаторов. 10. Неустойчикые резонаторы.

[28] Photonik I WS 07/08 Berlin, 5.; 5.3. Resonatoren mit sphaerische Spiegeln.