Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.
На сегодняшний день не существует теории, полностью описывающей явление молнии. Сложность ее изучения в природе обусловлена хаотическим разбросом областей поражения. На каждый квадратный километр поверхности земли молния ударяет в среднем 2–4 раза в год на территории Европы. Высотные же объекты поражаются преимущественно восходящими молниями, оставляя затруднительным исследование нисходящего разряда. К примеру, Останкинская башня (560 м) поражается молниями 25–30 раз за год, среди которых только 2–3 оказываются нисходящими.
Значительных успехов в понимании механизма молнии удалось достичь при изучении длинного искрового разряда 10...100 м, создаваемого высоковольтными электродами в лабораторных условиях. Однако такой подход не отражает полной картины процессов, происходящих при атмосферном разряде. Средняя длина канала реальной молнии порядка 3 км, а облачный заряд, рассеянный в диэлектрической воздушной среде на поверхности капель воды и льда, не имеет ничего общего с зарядом на поверхности конденсатора. Все это накладывает существенное отличие на динамику развития реальной молнии. До сих пор остаются не изученными процесс зарождения нисходящего отрицательного ступенчатого лидера, характеристики многокомпонентного разряда, тонкая структура молнии и т. д. [1]
В данной работе предлагается новый подход к исследованию электрического разряда в атмосфере, заключающийся в синтезе естественных и лабораторных условий. Такая постановка задачи может позволить устранить описанные выше недостатки современных методов исследования, обеспечив возможность систематического изучения электрического атмосферного разряда с характеристиками, наиболее приближенными к реальному явлению молнии.
На рис. 1 показана примерная схема предлагаемого эксперимента. Лабораторной установкой является линейный ускоритель протонов средних энергий с отклоняющими магнитами на выходе, позволяющими направлять пучок заряженных частиц в нужную точку пространства. В момент приближения дождевого облака, созданного естественным или искусственным путем (распылением с самолета), ускоритель генерирует пучок высокоэнергетических протонов, которые, проходя через атмосферу, попадают в облако под некоторым рассеянным углом и остаются в нем, распределяясь на поверхности капель воды. Облучение происходит в течении времени, необходимого для достижения электрического поля с напряженностью , при которой возникает пробой в сухом воздухе в промежутке облако – земля или облако – облако. Проведем оценку параметров дождевого облака, используемого в описанной схеме.
1. Рассмотрим для простоты расчетов сферическое облако радиусом r, расположенное на высоте h = 500 м над землей. Пусть протоны с энергией E= 400 МэВ вылетают из ускорителя под углом 60º. Пробег протона в воздухе при такой энергии составляет tвоз = 93,73 г/см2 [2]. Переходя к единицам длины в метрах:
(1)
где — плотность воздуха.
Так как протоны должны остаться в облаке,
где L — часть пути, пробегаемой протоном в атмосфере; D = 2r — часть пути, приходящаяся на диаметр рассматриваемого облака.
Параметры L иr можно выразить из геометрических характеристик:
Решив систему из этих двух условий, получим оценку параметров L и r для пробега протона в воздухе:
(2)
2. Для определения длины пробега протона в облаке рассмотрим двухфазную систему, состоящую из воздуха и капелек воды. Плотность такой системы выражается формулой [3]:
(3)
где — объемная доля капель воды в облаке:
(4)
Vк — объем сферической капли; n — концентрация капель в облаке; d — диаметр капли.
В метеорологии используются понятия интенсивности осадков и водности облаков.
Водность облака — это масса сконденсированной воды mвод приходящаяся на единичный объем воздуха Vобл [4]:
(5)
где — количество капель воды в облаке.
Интенсивность определяется, как поток осадков через горизонтальную площадку в единицу времени и при наличии восходящих потоков выражается формулой [4]
(6)
где v — скорость падающей капли, м/с; u — скорость восходящих потоков, м/с.
Из (5) и (6) получим связь водности с интенсивностью:
(7)
Подставив (4) в (3) с учетом (5), получим формулу, в которой плотность облака будет зависеть только от его водности:
(8)
Заряженные частицы, попадая в облако, будут скапливаться на поверхности капель воды, поэтому для наиболее эффективной зарядки необходимо, чтобы оно обладало максимальной водностью. В работах [4, 5] показано, что и , а . Возьмем для расчета плотности облака максимальные значения параметров, при скорости восходящего потокаu = 1 м/с, что довольно часто встречается в природе [5]:
Тогда максимальная водность облака
(9)
Плотность облака
(10)
3. Поскольку на общую длину пробега протона в воздухе Rвоз приходится k диаметров облака D:
(11)
Величина пробега протона в воздухе t в г/см2 (1), приходящаяся на долю k, составляет
(12)
Тогда длина пробега протона в облаке
(13)
Так как цель задачи состоит в зарядке облака, то его диаметр D не должен быть меньше длины пробега протона в нем:
(14)
Поскольку протоны в описываемом методе пробегают в воздухе значительное расстояние, то рассеяние пучка в результате большого числа столкновений с атомами воздуха может оказаться существенным при достижении облака. Чтобы все протоны в заданном пучке попали внутрь необходимо учесть этот эффект при расчете размеров используемого облака.
1. В работе [6] средний квадрата угла многократного рассеяния заряженных частиц выражается формулой
(15)
Запишем необходимые параметры для вычисления среднеквадратичного угла многократного рассеяния:
Получим значение среднеквадратичного угла многократного рассеяния:
(16)
2. Вычислим ширину S области на облаке, образуемой рассеиваемым пучком протонов (рис. 2):
(17)
Ширина полученной области рассеяния S на облаке значительно меньше его предполагаемого диаметра D, полученного в (14), что удовлетворяет условию попадания всех частиц в облако.
В результате проведенных оценок оптимальным диаметром сферического облака представляется значение D = 150 м.
Для полученного размера облака рассчитаем время, необходимое на зарядку до значения электрического потенциала, при котором возникает пробой воздуха. Напряженность такого электрического поля должна быть [1]. Тогда потенциал сферического облака с радиусом r = 75 м должен быть равен
(18)
Вычислим, сколько заряда нужно сообщить облаку, чтобы произошел пробой:
(19)
Ток пучка в рассматриваемом типе ускорителей достигает величины I = 0,1 А. Тогда искомое время зарядки облака можно получить из определения силы тока:
(20)
В результате проведенных расчетов установлено, что при энергии протонов E = 0,4 ГэВ радиус сферического облака на высоте h = 500 м должен составлять r = 75 м. Для образования электрического разряда в атмосфере этому облаку необходимо сообщить заряд q = 1,7 Кл, на что при токе пучка I = 0,1 А потребуется 17 с.
Данная оценка количественно иллюстрирует предложенный метод изучения электрического атмосферного разряда. Из полученных значений видно, что рассмотренный подход вполне реализуем на практике и открывает возможность систематического исследования молнии в заданный момент времени и в заданной области поверхности земли.
