Теория искры - Лозанский Э.Д.
Скачать (прямая ссылка):
246
ные ионы, иногда чаще отрицательные. Вероятность того, что мгновенный заряд частицы равен q, дается формулой Больцмана
Wq ~ exp (-UIkT), (8.51)
где U = q2l2C, С — электрическая емкость частицы (для сферической капли С — г). Следовательно, среднее значение энергии при
этом
U = ~фПг = 6Г/2, (8.52)
или _
7 = rkT. (8.53)
Если T = 300° К, а г = IO-3 см, то jf q2 да 7- IO-9 ед. СГСЭ. С увеличением г Vf растет пропорционально J/Y.
Зарождение и распространение лидера. Для возникновения начальной стадии разряда молнии — лидера требуется достаточно сильное электрическое поле. Оценим длину пробивного промежутка в воздухе в однородном поле напряженностью 10 кв/см. При таких полях эмпирическая формула для а (3.3) работает плохо, поэтому воспользуемся более подходящей в этом случае эмпирической формулой (3.11), согласно которой для атмосферного давления а = = 2 • IO"3 см"1. Подставляя эти значения параметров в формулу
(8.6), получаем
daр= —1------(ъ + In----------—----------) « 2,1. IO4 см. (8.54)
пр 2-Ю-3 V 300-4,8-IO-10-4-IO-6/
Эта длина соответствует длинам молний.
Разумеется, эта оценка довольно грубая, так как молния распространяется в неоднородном поле, геометрия которого неизвестна, но она позволяет судить о порядке напряженности поля при пробое молнии. Вследствие уменьшения давления с высотой пробивная напряженность поля уменьшается примерно в два раза. Кроме того, благодаря большим объемам пространства, в котором возникают молнии, имеется большое количество начальных электронов, рождаемых космическими или ультрафиолетовыми лучами, не говоря уже о других источниках электризации. Следовательно, пробой в этом случае может развиваться с помощью нескольких лавин, что также уменьшает напряженность пробивного поля.
Между тем атмосфера земли имеет нормальную напряженность поля, обусловленную ионосферой, в среднем 1 в!см. Наличие грозовых облаков (см. разд. 7.9) может привести к появлению больших напряженностей в локализованных областях. Измерения Симпсона и Скарзе [14] показали, что во время грозы напряженность поля вблизи земли достигала 300 в!см, а непосредственно во время вспышки молнии было зафиксировано значение 2700 вісм. Это значение уже близко к полученной нами оценке.
Кроме того, следует учесть, что капельки воды, помещенные в электрическое поле, можно рассматривать как квазипроводники
247
(диэлектрическая проницаемость воды є = 81). Поэтому в соответствии с формулой (6.8) поле на полюсах сферической капли возрастает примерно в 3 раза*, а возрастание поля на головке льдинки, имеющей приблизительно форму эллипсоида, еще больше.
Следовательно, можно считать, что концентрации зарядов внутри облака во время грозы способны образовывать в некоторых областях поля, достаточные для возникновения и распространения стримера. Поэтому гипотеза Шонланда [22]. о существовании пило-та-стримера, предшествующего ступенчатому лидеру и движущегося непрерывно, как обычный стример, по-видимому, вполне разумна. Однако говорить о параметрах пилота-стримера еще рано, так как теории распространения стримера в неоднородном поле пока не существует.
Различные оценки, имеющиеся в литературе, обычно приводятся без достаточного обоснования. Достаточно сказать, что у Шонланда в разных работах оценки параметров пилота меняются надва-три порядка. Подтверждением гипотезы Шонланда о пилоте-стримере является тот факт, что ступенчатый лидер не приводит к заметным изменениям электростатических полей и, следовательно, не является ответственным за сведение к земле отрицательного заряда. Отметим, что позже Шонланд отказался от идеи распространения непрерывного пилота-стримера и заменил его ступенчатым пилотом, но сделанные выше оценки показывают, что этот отказ преждевременен.
Итак, вслед за пи лотом-стримером, формирующим пробивной канал, из отрицательного облака по этому каналу устремляется ступенчатый лидер, который, согласно многочисленным экспериментальным данным, распространяется ступенями длиной ~50 м и с остановками ~50 мксек. Попытки объяснить причины остановок ступенчатого лидера предпринимали многие исследователи [22, 25—29], однако полной ясности в этом вопросе пока нет. Существующие объяснения причин остановок ступенчатого лидера неубедительны, и не будем их здесь приводить (см. работу [20]).
Учитывая, что развитие длинных искр связано с неустойчивостью (см. гл. 6,7), можно оценить среднее отклонение молнии от ее первоначального направления. При продвижении искры на расстояние порядка радиуса кривизны канала R она сместится перпендикулярно полю на расстояние vR> где ft ~ 1 — геометрический фактор. Так как направление смещения произвольно, то полное смещение на длине L порядка ^/,/($#), а средний квадрат отклонения Ax2 = ft LR. Много экспериментальных данных по этому вопросу было получено В. С. Комельковым [26, 27].
Возвратный удар, искровой канал и стреловидный лидер. После замыкания разрядного промежутка облако — земля ступенчатым лидером, достигшим земли, или встречей лидеров, движущихся вниз
