Голубничий П.И., Крутов Ю.М., Каменев С.А., Цымбалюк А.Н., Алборов А.В., Надобных А.Т.

Транскрипт

1 УДК Голубничий П.И., Крутов Ю.М., Каменев С.А., Цымбалюк А.Н., Алборов А.В., Надобных А.Т. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИКИ ОБРАЗОВАНИЯ ДОЛГОЖИВУЩИХ СВЕТЯЩИХСЯ ОБЪЕКТОВ ПРИ УСЛОВИЯХ, БЛИЗКИХ К ВОЗНИКНОВЕНИЮ ШАРОВОЙ МОЛНИИ В ПРИРОДЕ В работе представлены результаты экспериментального исследования процесса образования долгоживущих светящихся объектов (ДСО) из продуктов распада водяной плазмы, инициированной мощным электрическим разрядом в струе и капле воды. Такие условия реализуются в атмосфере при грозах, которые согласно статистическим данным наблюдений, являются основной причиной возникновения шаровых молний. Показано, что ДСО образуются в обоих случаях, хотя формирование долгоживущих светящихся объектов происходит различным образом. Рис. 7. Ист. 10. Ключевые слова: долгоживущие светящиеся образования, мощный электрический разряд, шаровые молнии. В работах [1,2] сообщалось, что внутри пульсирующей полости, образовавшейся в результате электрического разряда в дистиллированной воде, могут возникать долгоживущие светящиеся образования, время жизни которых более чем на три порядка больше характерного времени высвечивания разрядной плазмы. В этих опытах разряд осуществлялся с помощью генератора Аркадьева Маркса с накапливаемой энергией 30 Дж и временем энерговыделения ~ 3 мкс. Уверенная регистрация ДСО, с помощью электронно-оптической камеры (ЭОК) происходила через 100 мкс после окончания разряда [3]. В ходе дальнейших экспериментов было установлено, что при выбросе долгоживущих светящихся объектов в воздух их размер увеличивается примерно в пять раз (до м), а время жизни более чем на порядок (до 0,1 с). ДСО представляют собой оптически прозрачные оранжевые сфероиды, которые сохраняют свою целостность и форму как при проникновении в воду, так и при движении в атмосфере со скоростями до 50 м/с [4, 5, 6]. Вышеперечисленные результаты экспериментов позволяют сделать вывод об аналогии между ДСО и природными объектами типа шаровой молнии (ШМ). Так, анализ данных по наблюдениям шаровых молний показывает [7], что в 90% случаев они наблюдаются во время грозы и в 50% непосредственно рядом с каналом линейной молнии. В 85 % случаев ШМ имеют форму шара. Цвет шаровой молнии может быть различным, однако более чем в половине случаев (белый - 23%, красный - 16%, оранжевый - 15%) он близок к цвету ДСО. Наряду с этим существуют и различия. Основным является то, что ДСО возникают в результате разряда, происходящего внутри большого ( 1000 см3) объема воды или в специальной камере, в то время как разряд линейной молнии происходит в воздухе, насыщенном влагой, каплями или струями дождя. В работе представлены результаты экспериментальных исследований динамики образования ДСО, возникающих после электрического разряда в струе и капле дистиллированной воды. Такие условия, во-первых, близки к тем, что реализуются в канале линейной молнии во время дождя, а во-вторых, малый объем используемой воды и отсутствие каких-либо деталей рабочей камеры, препятствующих наблюдению, позволяет детально изучить начальную стадию формирования светящихся сфероидов. На рис. 1 представлена принципиальная схема экспериментальной установки по исследованию динамики развития ДСО, инициированных мощным электрическим разрядом либо в струе, либо в капле воды. Энерговыделение осуществлялось в рабочей камере 1, устройство которой будет подробнее рассмотрено ниже. Инициирование электрического разряда производилось с помощью генератора высоковольтных импульсов

2 2, амплитуда напряжения которых могла меняться в пределах от 5 до 50 кв, а длительность от 2 до 20 мкс. Интегральный световой поток от разряда регистрировался ФЭУ-84 3, сигнал с которого подавался на вход двухлучевого запоминающего осциллографа С8 14 7,а. При подаче на этот осциллограф сигнала от ФЭУ в нем вырабатывался синхроимпульс, который поступал на вход блока управления 4 электронно-оптической камеры (ЭОК) 5. Блок управления позволял задерживать начало съемки ЭОК на время, необходимое для регистрации исследуемых процессов. ЭОК была собрана на основе времяанализирующего элетронно-оптического преобразователя (ЭОП) ПИМ 103 и усилителя яркости ПМУ -2В. Последний позволял усиливать световой поток от исследуемого изображения в 104 раз. В ходе эксперимента использовался только покадровый режим съемки, при котором ЭОК могла фотографировать 9 кадров. Экспозиция любого кадра могла меняться в диапазоне от 50 нс до 100 мкс, временной интервал между кадрами мог задаваться в дипазоне от 50 нс до 200 мкс. Разрядный ток измерялся с помощью калиброванного пояса Роговского 6, сигнал с которого подавался на второй двухлучевой запоминающий осциллограф С8 14 7,б. Использование двух осциллографов было необходимо из-за разных временных диапазонов, в которых регистрировались токи разряда (время энерговыделения < 10 мкс) и динамика образования ДСО (~ 1 мс). Сигнал от пояса Роговского позволял контролировать мощностные характеристики разряда. Контроль работы ЭОК производился путем подачи импульсов, управляющих затвором ЭОП на второй вход осциллографа 7,а. Осциллографирование этих импульсов и сигналов от ФЭУ позволяло сравнивать характер интегрального послеразрядного свечения и динамику образования долгоживущих светящихся объектов. Рис. 1. Принципиальная схема экспериментальной установки: 1 - рабочая камера; 2 - генератор высоковольтных импульсов; 3 - ФЭУ- 84; 4 - блок управления и синхронизации ЭОК; 5 - электронно-оптическая камера; 6 - Пояс Роговского; 7 - осциллограф двухлучевой запоминающий На рис. 2 показана фотография рабочей камеры, которая позволяла производить разряд в струе или капле воды. Дистиллированная вода через шланг 2 и вентиль 1 подается в устройство для формирования водяной струи 6, охватывающей электроды 3, между которыми происходит разряд. При полном открытии вентиля диаметр водяной струи составляет 8 мм, скорость струи ~ 1 м/с. Диаметр верхнего электрода 3 мм, нижнего 5 мм.

3 Для получения разряда в капле вентиль 1 перекрывался, а между электродами помещалась капля. Ее размер и расположение иллюстрирует рис. 3. Рис.2. Фотография разрядной камеры: 1 - вентиль; 2 - гибкий шланг для подачи воды; 3 - электроды; 4 - кабель для подачи высоковольтного импульса; 5 - струя воды; 6 - устройство для крепежа высоковольтного электрода и формирования водяной струи Рис. 3. Фотография капли дистиллированной воды, помещенной между электродами, полученная с помощью ЭОК На рис. 3 видно, что диаметр капли равен диаметру верхнего электрода 3 мм. Такой размер капли получался при каждом ее «нанизывании» на электроды, что объясняется величинами сил поверхностного натяжения дистиллированной воды и смачивания материала электродов. В нижнем левом углу снимка виден конструкционный фрагмент камеры. На рис. 4 показаны осциллограммы интегрального послесвечения продуктов распада низкотемпературной плазмы, инициированной высоковольтным разрядом в струе воды. Амплитуда разрядного тока во всех случаях А, длительность основного энерговклада 5 мкс. Регистрация велась с помощью ФЭУ 84. Напряжение питания 1200 В. Верхний луч отображает сигнал от фотоумножителя (увеличение интенсивности светового потока соответствует отклонению луча вверх), нижний показывает затворные импульсы ЭОК. На первом фото 4,а показана динамика послесвечения в том случае, когда ДСО не образуется. Видно, что интенсивность послесвечения плавно и быстро спадает, так что уже через 600 мкс фотоумножитель при данных условиях его не регистрирует. Это соответствует обычному процессу распада (рекомбинации)

4 разлетающейся низкотемпературной плазмы. На остальных трех фотографиях 4,б; 4,в; 4,г показаны три основных типа послесвечения, сопровождающих образование долгоживущих светящихся объектов. Рис.4. Осциллограммы интегрального светового потока, излучаемого продуктами распада водяной плазмы. Временное разрешение 200 мкс/дел На рис. 4,б показано немонотонное спадание интенсивности послесвечения, сопровождающееся быстроосциллирующим изменением светового излучения. На рис. 4,в показан выход интенсивности свечения на примерно постоянную величину, сопровождающуюся скачкообразными изменениями послесвечения. На рис. 4,г зарегистрирован процесс, при котором плавное спадание интенсивности светового излучения сменяется его скачкообразными увеличениями. Представленные осциллограммы показывают, что при соблюдении условий, необходимых для формирования ДСО, из продуктов распада водяной плазмы формируются соединения, аккумулирующие часть энергии разрядной плазмы и проявляющие себя затем необычным и длительным послесвечением - фосфоресценцией. Необычность такой фосфоресценции заключается в том, что ответственные за нее соединения образуют довольно устойчивые макрообъекты ДСО. Этот факт подтверждают данные, полученные при регистрации динамики образования долгоживущих светящихся объектов в результате разряда в струе дистиллированной воды. На рис. 5 приведены типичные результаты покадровой съемки процесса формирования ДСО, осуществленной с помощью ЭОК. Съемка велась только в собственном свете продуктов распада разрядной плазмы и образовавшихся светящихся объектов.

5 Рис. 5. Результат покадровой съемки динамики образования долгоживущих светящихся объектов, инициированных разрядом в струе Порядок следования кадров слева направо, сверху вниз На рис. 5,а начало съемки задержано на 50 мкс по отношению к моменту окончания энерговыделения, временной интервал между кадрами 50 мкс, экспозиция первого кадра 1 мкс, второго и третьего 2 мкс. Экспозиция остальных 5 мкс. На рис. 5,б начало съемки задержано на 500 мкс по отношению к моменту окончания энерговыделения, временной интервал между кадрами 200 мкс, экспозиция каждого кадра 5 мкс. Для подавления ультрафиолетового излучения разрядной плазмы между каналом разряда и объективом ЭОК помещалась медная овальная пластинка с максимальным размером 5 мм. Она крепилась при помощи медной проволоки диаметром 1,5 мм. Этот экран располагался на расстоянии 10 мм от разрядного промежутка и виден на каждом кадре в виде неясной темной «кометы». Расплывчатость его изображения объясняется тем, что экран находится внутри диффузно светящегося облака, образовавшегося в результате распада водяной плазмы. На первом (верхний левый) кадре рис. 5,а видны продукты распада разрядной плазмы, сформировавшиеся в виде сильно светящегося овала. В нижней части этого кадра, как и на двух последующих, виден фрагмент водяной струи, подсвеченной этими продуктами. Из фотографий на рис. 5,а видно, что интенсивность излучения светящегося облака первоначально спадает (кадры 1 3), а затем практически не меняется. Уверенной регистрации формирования ДСО в течение первых 500 мкс после окончания энерговыделения не наблюдается. Начало покадровой съемки, результаты которой представлены на рис. 5,б, совпадает с окончанием регистрации процессов, показанных на рис. 5,а, и являются как бы ее продолжением. На снимках отчетливо виден процесс формирования долгоживущих светящихся объектов. Первоначально внутри диффузно светящегося облака образуются некоторые «сгущения», яркость которых затем нарастает. Причем увеличение яркости может происходить немонотонно (например, объект в верхней правой части кадров 5-9). На фотографии 5,б также зарегистрирован процесс, при котором формирование ДСО сопровождается его ростом. Начиная с четвертого кадра, почти в центре каждого из них виден светящийся объект, размеры которого растут. Постепенно он перекрывает изображение проволоки, держащей экран, из чего следует, что этот ДСО формируется между экраном и объективом ЭОК. Увеличение размеров этого светящегося объекта нельзя объяснить его движением к объективу, так как перемещение на необходимое расстояние (~ 25 см) приведет к полной расфокусировке его изображения на фотокатоде времяанализирующего ЭОП.

6 Таким образом, при одинаковых мощностных параметрах разряда образование ДСО при разряде в водяной струе происходит значительно позже (> 500 мкс) по сравнению с образованием аналогичных объектов внутри полости [4]. Максимальный размер фиксируемых ДСО (~ 5 мм) близок к тому, который реализуется при выбросе светящихся объектов из специальной камеры [6, 8, 9]. ДСО формируются из бесформенного светящегося облака, излучение которого к моменту начала образования светящихся объектов нельзя объяснить рекомбинацией разрядной плазмы [10]. Рис.6. Динамика образования ДСО, формирующихся в результате разряда через каплю воды. Порядок следования кадров такой же, как и на рис.5 На рис. 6,а начало съемки задержано по отношению к моменту окончания энерговыделения на 200 мкс, экспозицией первого кадра - 2 мкс, остальных 5 мкс и интервалами между кадрами по 200 мкс. На рис. 6,б начало съемки задержано по отношению к моменту окончания энерговыделения на 70 мкс. Экспозиция первого кадра 0,5 мкс, второго 1 мкс, третьего 2 мкс, остальные 5 мкс. Интервал между кадрами 100 мкс. На рис. 6,в начало съемки задержано на 500 мкс по отношению к моменту окончания энерговыделения, экспозиция каждого кадра 5 мкс. Интервал между кадрами 100 мкс. В результате разряда через каплю воды также образуются ДСО, однако процесс их формирования отличается от того, что происходит после разряда в струе. В этом случае светящиеся объекты формируются раньше, практически сразу после окончания разряда. Слабосветящиеся продукты распада водяной плазмы, из которых «конденсируются» ДСО, проявляют себя значительно слабее. На рис. 6 показаны фотографии, иллюстрирующие вышесказанное. Здесь изображены две разные последовательности событий, приводящие к образованию долгоживущих светящихся объектов. Результаты покадровой съемки,

7 представленные на рис. 6,а, показывают, что уже через 200 мкс после окончания энерговыделения на фоне слабо светящегося облака видны крупные светящиеся объекты. На следующих фотографиях видно, что часть этих светящихся объектов исчезает, а из того, что осталось, начинают формироваться ДСО. Размер некоторых долгоживущих светящихся объектов при этом растет (объект в левой части кадров 7-9). Свечение фона спадает. Таким образом, процесс, зарегистрированный на фотографиях рис. 6,а, близок к тому, что показан на фотографиях рис. 5,б. Отличием является наличие распадающихся светящихся областей (РСО), сформировавшихся из продуктов распада водяной плазмы, инициированной разрядом в капле воды. РСО возникают в непосредственной близости от разрядного промежутка сразу после разряда, то есть до того момента, когда начинает образовываться ДСО (рис. 6,б). Здесь представлено 6 кадров, из которых видно, что РСО, сформировавшись через 70 мкс после окончания энерговыделения, практически не меняет своей формы в течение 500 мкс. Интенсивность свечения спадает. В нижней части каждого кадра видна светлая вертикальная черта, которая представляет собой отрезок нижнего электрода, подсвеченный РСО. На рис. 6,в показан результат регистрации последующей эволюции другого РСО. Из фотографий видно, что светящаяся область распадается на две части, которые медленно и монотонно угасают. Слабосветящиеся области, состоящие из продуктов распада водяной плазмы, практически отсутствуют и образования ДСО не происходит. Однако время существования (свечения) угасающих РСО сравнимо со временем существования (свечения) ДСО. По форме и размерам они также близки к долгоживущим светящимся объектам. Для оценки размеров исследуемых объектов на рис. 7 показаны два снимка. На левом представлена теневая фотография капли дистиллированной воды, через которую будет производиться разряд. Рядом с ней в том же масштабе показана фотография РСО, снятая через 1,1 мс после окончания энерговыделения (экспозиция 5 мкс). Рис. 7. Фотографии капли воды, в которой проводился разряд, и РСО, снятые в одинаковом масштабе Сравнивая фотографии 7 и 6,б, можно получить верхнюю границу плотности светящегося объекта. Зная, что диаметр капли 3мм и считая, что вся вода из нее приняла участие в образовании РСО, легко посчитать, что ее плотность не должна превышать ~ 10 кг/м³. Выводы В экспериментах по исследованию эволюции распадающейся плазмы, инициированной мощным электрическим разрядом в струе или капле воды, было установлено:

8 1. В обоих случаях происходит образование долгоживущих светящихся объектов. Этапы формирования ДСО различны. 2. При разряде в струе воды долгоживущие светящиеся объекты начинают формироваться через ~ 500 мкс после окончания энерговыделения. ДСО формируются не из разрядной плазмы, а из слабосветящихся продуктов ее распада, имеющих вид бесформенного облака. 3. Область формирования ДСО, инициированных разрядом в струе воды, может располагаться на значительном удалении от разрядного промежутка. В процессе образования видимые размеры ДСО растут, а их яркость намного превышает яркость окружающей их слабосветящейся зоны. 4. После разряда в капле воды в области, окружающей разрядный промежуток, сразу формируются распадающиеся светящиеся области (РСО), размер которых превосходит наибольший наблюдаемый размер ДСО почти на порядок. 5. С течением времени размер и яркость РСО уменьшаются. 6. В ряде случаев распад РСО сопровождается образованием ДСО, процесс формирования которых аналогичен динамике образования ДСО после разряда в струе воды. 7.Яркость свечения и время жизни (свечения) РСО и долгоживущих светящихся объектов близки по порядку величины. 8. Плотность РСО не превышает 10 кг/м³. Полученные данные, в дополнение к уже имеющимся [1-10], указывают на то, что долгоживущие светящиеся объекты являются естественным продуктом распада низкотемпературной плазмы электрического разряда в дистиллированной воде. Это означает, что ДСО и метастабильные энергоемкие соединения, из которых они образуются, возникают при каждом разряде линейной молнии, когда ее канал каким-либо образом соприкасается с водой. Длительность существования и размер таких долгоживущих светящихся объектов, как показывают эксперименты, зависит от качественноколичественных параметров водно-воздушной смеси, через которую проходит разряд, и его токовых характеристик. При соблюдении определенных условий в результате удара линейной молнии могут образовываться крупные ДСО, которые по нашему мнению получили название «шаровая молния». Л и т е р а т у р а 1. Голубничий П.И., Громенко В.М., Крутов Ю.М. Долгоживущие светящиеся образования внутри пульсирующей каверны, инициированной мощным энерговыделением в воде. ДАН СССР, 1990, Т. 311, 2, С Голубничий П.И., Громенко В.М., Крутов Ю.М. Образование долгоживущих светящихся объектов при распаде плотной температурной водяной плазмы. // Журн.техн.физики, 1990, Т. 60, Вып. 1, С Голубничий П.И., Громенко В.М., Крутов Ю.М. Экспериментальные исследования динамики образования долгоживуших светящихся объектов в релаксирующей плазме, инициированной высоковольтным разрядом в воде. Тез. докл. III Всесоюзного семинара по шаровой молнии, М., ИВТАН. 1990, С И.Л. Веремеенко, П.И. Голубничий, Ю.М. Крутов, Д.В. Решетняк Долгоживущие светящиеся объекты, образующиеся в крупномасштабной водяной каверне. // Труды международной конференции VIII Забабахинские научные чтения. Российский федеральный ядерный центр - ВНИИТФ, Снежинск, Голубничий П.И., Громенко В.М., Крутов Ю.М. Формирование и динамика долгоживущих светящихся объектов, Тез. докл. IV Всесоюзного семинара по шаровой молнии, М., ИВТАН, 1991, С Голубничий П.И., Громенко В.М., Крутов Ю.М. Лысенко Н. И. Динамика выброса в атмосферу долгоживущих светящихся объектов, инициированных мощным искровым энерговыделением в воде. Тез. докл. 15 Всесоюзной научно-технической конференции

9 Высокоскоростная фотография, фотоника и метрология быстропротекающих процессов, М., ВНИИОФИ, 1991, С Смирнов Б. М. Проблема шаровой молнии, М., Наука, Голубничий П.И., Громенко В.М., Крутов Ю.М.Эксперимениальные исследования динамаки выброса долгоживущих светящихся объектов, образованных при искровом энерговыделении в воде. Исследования электрических разрядов в атмосфере, Сб. трудов, Ярославский гос. Университет, 1991, С И. Л. Веремеенко, А. П. Голубничий, П. И. Голубничий, Ю. М. Крутов Анализ свойств долгоживущих светящихся объектов, образующихся при мощном энерговыделении в воде. // Вісник Східноукраїнського національного університету ім. Володимира Даля, 2000, 12, с Голубничий П.І., Нікітін Є.В., Крутов Ю.М., Решетняк Д.В., Conditions accompanying formation of long-living luminous objects from dissipating plasma of electric discharge in water, Вопросы атомной науки и техники. Серия: Плазменная электроника и новые методы ускорения (6). 4. С Golubnichy P.I., Krutov Y.M., Kamenev S.A., Tsimbaluk A.N., Alborov A.V., Nadobnix A.T. Experimental research of formation dynamics of long-living luminous objects at conditions which are close to conditions of ball lightning formation in Nature Experimental results for formation of long-living luminous objects from disintegrated products of water plasma initiated with powerful electrical discharge in water jet and drop of water are presented in this article. Such conditions are realized in atmosphere during thunderstorms which, according to statistical database, are the main reason for ball lightning formation. It was shown that LLO appear in the both of the cases though LLO formation occurs differently. Fig. 7. Ref. 10. Keywords: long-living luminous objects, powerful electrical discharge, ball lightning formation. Голубничий П.І., Крутов Ю.М., Каменев С.О., Цимбалюк О.М., Алборов А.В., Надобних А.Т. Експериментальні дослідження динаміки виникнення довгоіснуючих світних об єктів за умов, близьких до виникнення кульової блискавки в природі У роботі представлено результати експериментального дослідження процесу утворення довгоіснуючих світних об'єктів (ДСО) з продуктів розпаду водної плазми, ініційованої потужним електричним розрядом в струмені і краплі води. Такі умови реалізуються в атмосфері при грозах, які згідно зі статистичними даними спостережень, є основною причиною виникнення кульових блискавок. Показано, що ДСО утворюються в обох випадках, хоча формування ДСО відбувається по-разному. Рис.7. Дж. 10. Ключові слова: довгоіснуючі світні об єкти, потужний електричний розряд, кульова блискавка. Голубничий П. И. д. ф.-м. н., профессор, заведующий кафедрой «Физика», ВНУ им. В. Даля, г. Луганск, Украина. Крутов Ю. М. с.н.с. кафедры «Физика», ВНУ им. В. Даля, г. Луганск, Украина. Цымбалюк А.Н. аспирант кафедры «Физика», ВНУ им. В. Даля, г. Луганск, Украина. Каменев С.А. инженер кафедры «Физика», ВНУ им. В. Даля, г. Луганск, Украина. Алборов А.В. м.н.с. кафедры «Физика», ВНУ им. В. Даля, г. Луганск, Украина. Надобных А.Т. аспирант кафедры «Физика», ВНУ им. В. Даля, г. Луганск, Украина.