Молния - Юман М.
Скачать (прямая ссылка):
39 Гц. При введении в канал энергии 105 Дж/м преобладающая частота
составляет около 200 Гц, что находится в хорошем согласии с
экспериментальными данными, приведенными в [18]. Даусон и др. [15]
показали, что использование эмпирического выражения
где / - преобладающая частота, ас - скорость звука, приводит к хорошим
результатам при описании как разряда молнии (W&105 Дж/м), так и
лабораторной искры длиной 4 м (для которой W=5-i03 Дж/м и частота
звуковых колебаний лежит в интервале 1350-1650 Гц). Тот факт, что теория
дает разумные результаты для исходных энергий, различающихся по величине
на полтора порядка, можно рассматривать как подтверждение справедливости
теории.
Оценим давление, создаваемое сильной ударной волной. Из (6.2) следует,
что давление за фронтом ударной волны для W~ 105 Дж/м равно
(6.3)
(6.4)
атм.
(6.5)
Таким образом, избыточное давление при радиусе 0,02 м составляет ~500
атм, приг=0,05 ~80 атм и при г=0,14 м
6.3. Гипотезы и теории
251
-'10 атм. Живлюк и Мандельштам [50] использовали т.еорию Брагинского [10]
для расчета давления ударной волны в зависимости от скорости нарастания
тока в импульсе. Они установили, что для типичной скорости нарастания
тока н первом импульсе 3 кА/мкс избыточное давление ударной волны при
г=0,05 м составляет ~91 атм, при г=0,5 м ~8,9 атм и при г=5,0 м~0,87 атм.
Эти значения избыточного давления приближенно согласуются с величинами,
полученными из ф-лы (6.5) для малых радиусоа, однако теория Брагинского
предсказывает более медленное уменьшение давления ударного фронта с
увеличением радиуса, чем теория сильной ударной волны (для избыточных
давлений выше 10 атм) или теория Фью и др.
Как уже отмечалось в разд. 5.5.2, давления в канале могут быть оценены
путем спектроскопических измерений. Именно это высокое давление в канале
порождает ударную волну. Полученное из спектроскопических данных значение
исходного давления в канале является усредненным за интервал около 5 мкс.
Определенная таким путем величина составляет ~10 атм. Однако процесс
усреднения преувеличивает вклад давлений ~10 атм или ниже. Это происходит
из-за того, что 1) линия На сильно размыта и по ней трудно судить о
концентрации электронов выше 1024 м-3; если такие концентрации и
существуют, то они не регистрируются; 2) линии N11, используемые для
оценок температуры, наиболее ярки при температурах близ 30 000 К;
вследствие этого если температура канала была порядка 50 000 К в течение
0,1 мкс и 30 000 К в течение 4,9 мкс, то анализ суммарного излучения за
весь интервал в 5 мкс дает значение около 30 000 К, В свете имеющихся
данных об ударных волнах вполне вероятно, что начальное давление внутри
канала значительно превышает 10 атм.
Единственные экспериментальные данные о давлении ударной волны на
расстояниях в несколько метров от канала молнии были сообщены Ньюманом и
др. [30]. Ими были искусственно вызваны разряды молнии выстреливанием
тонких проволок в воздух под грозовыми облаками. Большая часть
возбужденных таким способом разрядов имела относительно медленный скачок
252
6. Гром
тока (время нарастания миллисекунды) и, по-видимому, была вызвана
движущимися вверх лидерами (см. разд. 2.4.2, 2.5.4 и 4.4). Для четырех
разрядов максимальное избыточное давление, измеренное на расстоянии 0,3 м
от искрового промежутка, через который протекал ток, составляло 1,2; 1,2;
2,0 и 0,3 атм соответственно. Поскольку скорость нарастания тока была
бтносительно мала, можно ожидать, что измеренные избыточные звуковые
давления ниже, чем избыточные давления в обычных разрядах облако - земля.
Ньюман и др. [31 ] установили, что необходимо пересмотреть точность
калибровочной эталонной воздуходувки, использованной для получения данных
по избыточному давлению. Согласно теории Фью и др. [18], избыточное
давление на расстоянии 0,3 м от разряда с исходной энергией 105 Дж/м
составляет около 4 атм.
6.3.2. Звуковая волна
Как было показано в предыдущем разделе, цилиндрическая ударная волна,
испускаемая возвратным ударом, ослабевает до звуковой волны на расстоянии
нескольких метров от канала. Очевидно, именно эта звуковая волна,
порождаемая всем каналом и видоизмененная средой, через которую она
проходит, становится громом. Когда гром слышится с расстояния порядка 100
м от ка-' нала разряда, то он состоит из одного громкого удара, хотя
часто сообщают, что перед ударом имеют место свистящие и щелкающие звуки
малой интенсивности. Когда гром слышится с расстояния километра от канала
'разряда, то он обычно состоит из грохочущего шума, прерываемого рядом
резких ударов. Ниже мы прежде всего рассмотрим, почему гром можно слышать
только на относительно небольших расстояниях, а затем перейдем к
объяснению наблюдаемых изменений давления грома, особенно происхождения
преобладающей частоты грома и ударов грома.
Обычно гром нельзя услышать на расстояниях больше 25 км от канала.
Отдельные сообщения о слышимости грома на больших расстояниях сделали
