Молния - Юман М.
Скачать (прямая ссылка):
в движущихся вверх отрицательно заряженных лидерах подтверждают это
заключение (разд. 4.4).
Согласно Шонланду [60], средний радиус как пилота-лидера, так и
ступенчатого лидера равен 2,5 м; средний ток ступенчатого лидера,
полученный как показано в разд. 3.7.2, наиболее часто составляет 320 А.
Шонланд представил ряд доказательств, что заряд канала содержится внутри
цилиндра с радиусом 2,5 м, что по существу эквивалентно расчетам радиуса
лидера, приведенным в разд. 7.3.2. Используя эти значения радиуса и тока,
он нашел, что плотность тока в пилоте-лидере составляет 16 А/м2 и
одинакова по сечению канала. Для этой плотности тока и предполагаемого
электрического поля 6 * 105 В/м концентрация электронов составляет 1,8 -
1015 м~3.
Шонланд предложил [59-611 качественные объяснения механизма ступенчатого
движения лидера, полагая, что пилот-лидер развивается по направлению к
земле с видимой ритмичной прерывистостью. Другими словами, пилот
подготавливает путь для ступенчатого процесса. Для объяснения образования
ступеней привлекаются такие понятия, как пространственный заряд,
рекомбинация, захват электронов и процессы ионизации. Правда, это мало
что дает, поскольку физика этих явлений запутана и неточна. Тем не менее
ясно [62], что пилот не сможет продвигаться вперед до тех пор, пока канал
за ним не сможет проводить ток, чтобы питать его. Таким образом, функция
ступенчатого процесса состоит в том, чтобы сообщить каналу подходящую
проводимость.
Как видно, весьма немного известно о деталях ступенчатого процесса.
Различные оценки, в том числе и оценка Шонланда, тока в ступени приводят
к величине порядка 1 кА. Подробности этих оценок рассматривались в разд.
3.7.2.
В 1962 г. Шонланд [62] заявил, что канал ступенчатого лидера должен иметь
в центре тонкое проводящее ядро, подобное электрической дуге, и по этому
ядру течет ток лидера. Ядро окружено заряженной лидером оболочкой из
коронного разряда радиусом в несколько метров.
Выражение "пилот-лидер" было введено Шонландом [59] для обозначения
движущегося вниз ионизированного цилиндра с радиусом порядка метра,
который распро-
7.4. Теории ступенчатого лидера
281
странялся в неионизированном воздухе. Ранее Шонланд [59] предполагал, что
движение пилота должно быть равномерным. В дальнейшем он высказал мнение
[60], что пилот останавливается во время ступенчатого процесса. В длинной
искре, как предполагает Шонланд [62], может быть несколько вариантов
пилот-процесса. Очевидно, что пилот, на который ссылается Шонланд в связи
с длинной искрой, является первичным стримером Леба [36, 37], в то время
как лидер в длинной искре является вторичным стримером. Наиболее разумным
определением пилота-ли-дера в молнии является "сумма всех процессов,
предшествующих ярким ступеням". Чтобы не было неопределенности в
понятиях, слово- "пилот" следует использовать более осторожно.
Рассмотрим теорию ступенчатого лидера Врука [4, 5]. Его представления о
канале лидера, впервые высказанные в 1941 г., аналогичны точке зрения,
недавно изложенной Шонландом [62] (см. разд. 7.6), за исключением того,
что Брук придавал большое значение радиально направленному току короны.
Брук считал, что канал дуги в центре ступенчатого лидера имеет
достаточную проводимость и центр лидера находится под потенциалом
относительно земли около 108 В. Радиальные токи короны возникают из-за
высокой разности потенциалов между ядром и окружающим воздухом; эти токи
играют важную роль в определении свойств лидера, так же как и в
управлении ступенчатым процессом. Согласно Бруку, область впереди канала
лидера в результате высокого напряжения в вершине лидера находится в
состоянии коронного или тлеющего разряда. (Брук [53 отождествил этот
тлеющий разряд с пилотом-лидером Шонланда.) Ток, требуемый для
поддержания токов короны в тлеющем разряде, увеличивается с увеличением
длины тлеющего разряда. Согласно Бруку, в том случае, если ток тлеющего
разряда станет больше 1 А, произойдет резкий переход от тлеющего разряда
к дуговому. Удлинившаяся в результате перехода в дуговой режим часть
канала выглядит как светящаяся ступень. Если возникли условия для
дугового разряда, канал не будет возвращаться к тлеющему разряду, даже
если ток уменьшается в результате переходных процессов значительно ниже
1А.
582
7. Теория процесса разряда
С точки зрения Брука, ток, протекающий в ядре дуги канала ступенчатого
лидера, уменьшается с увеличением расстояния от источника канала,
поскольку ток, протекающий через данное поперечное сечение канала, идет
как на радикальные токи короны, так и на дальнейшее распространение
канала. Используя характеристики коронного разряда, экстраполированные из
лабораторных экспериментов, Брук [5] рассчитал ожидаемые токи из
источника канала и длину ступени движущихся вверх лидеров. Полученные им
величины длины ступени согласуются с результатами исследований на Эмпайр
стейт билдинг, но рассчитанный ток, порядка 5000 А, по-видимому, слишком
