Наблюдая молнию в природе, мы не замечаем, что разряд ее состоит из нескольких, иногда до десятка, последовательных импульсов. Каждый импульс длится порядка 10–3 секунд. Плазма в центральном канале нагревается до
2·104 К, а в промежутках между ними остывает до 103 К. Плазменный центральный канал очень тонкий – не более 1 см в диаметре. Окружающий его внешний канал имеет диаметр около 1 м и холодную температуру плазмы порядка
1000 К. Разряды молнии происходят не только между тучей и землей, но и между разноименно заряженными тучами.
Вокруг высокотемпературного канала молнии, как проводника с током, по всей длине создается поперечное магнитное поле, замкнутые силовые линии которого расположены концентрическими кругами с общим центром в середине канала. Это мощное поперечное круговое поле своим давлением удерживает плазму в центральном канале молнии, несмотря на высокую температуру и соответственно высокое давление внутри нее, то есть круговое поперечное магнитное поле несет в себе более половины энергии линейной молнии.
Здесь следует отметить, что это же мощное магнитное поле, пронизывая плотной сетью своих круговых силовых линий холодную плазму (1000 К) внешнего канала, очень своеобразно удерживает ее внутри себя. Ионы и электроны в холодной плазме движутся в сильном магнитном поле коллективно упорядочено. Это означает, что заряженные частицы, оказавшиеся в сильном магнитном поле и движущиеся поперек его силовых линий, под углом к ним, при этом вращаются вокруг силовых линий поля по так называемым ларморовским спиралям с постоянной скоростью до тех пор, пока не столкнутся с другими частицами или пока не исчезнет магнитное поле [1, стр. 149; 2, стр. 69].
Таким образом, вращающиеся вокруг силовых линий поля по ларморовским спиралям ионы и электроны одновременно движутся и вдоль силовых линий [3, стр. 536...537]. Поскольку силовые линии поля замкнуты вокруг центрального канала, то спирали ионов и электронов охватывают центральный канал. Плазма в холодном канале создается воздействием на воздух жесткого ультрафиолетового излучения, образующегося при рекомбинации ионов в горячем центральном канале [4, стр. 231], а также ступенчатым возбуждением и последующей ионизацией атомов воздуха видимым светом большой интенсивности
(плотность потока фотонов), излучаемых горячим каналом [3, стр. 229...230].
Газовое давление холодной плазмы Р мало в сравнении с магнитным давлением
Рм мощного поперечного кругового поля. При малых отношениях В = Р/Рм роль теплового движения заряженных частиц плазмы невелика. Такая плазма считается замагниченной. Радиус спирального вращения ионов азота и кислорода вокруг (и вдоль силовых линий кругового поля), как видно по ширине канала, не превышает 0,25 м. Похоже, этим и определяются размеры холодного канала.
Радиусы ларморовского вращения ионов воздуха в магнитном поле соответствуют их массе и скорости движения. Следовательно, радиус ларморовских спиралей протонов водорода должен быть раз в десять меньше радиуса спиралей ионов азота и кислорода. Частота вращения по спиральной орбите зависит только от напряженности магнитного поля, заряда и массы иона. Все ионы одного типа в определенном магнитном поле вращаются с одинаковой частотой [2, стр. 71].
Это означает, что их токовые нити почти параллельны, поэтому ближайшие из них, находящиеся на расстоянии магнитного взаимодействия, стягиваются или группируются в одну общую спиральную трубу. Таким образом, внешний канал холодной плазмы представляет собой великое множество коллективных спиральных труб ионов азота, кислорода, протонов водорода и электронов, нанизанных на горячий линейный канал. Ионы азота и кислорода движутся по периметру коллективных труб большого радиуса, а внутри них и между трубами движутся по спиральным трубам малого радиуса протоны и электроны.
Повсеместно в холодном канале движутся и нейтральные атомы воздуха, которые могут свободно покинуть его.
Токи намагничивания вращающихся по спиральной трубе объединившихся ионов, суммируясь, образуют собственное продольное поле, которое внутри спиральной трубы направлено навстречу круговому магнитному полю линейной молнии и ослабляет его, а поверх трубы – совпадает с ним по направлению, то есть усиливает его плотность. Собственные продольные поверхностные магнитные поля соседних спиральных ионных труб также усиливают магнитное поле линейной молнии. Следовательно, особенно усиливается плотность магнитного поля линейной молнии в промежутках между соседними спиральными трубами, примыкающими друг к другу. В результате несколько нарушается равномерность кругового магнитного поля линейной молнии. Появляется вероятность пережатия горячего центрального канала молнии в местах увеличения плотности его магнитного поля.
Одновременно с собственным продольным полем возникает еще и собственное поперечное магнитное поле, замыкающееся вокруг ионной спиральной трубы, создаваемое поступательным движением ионизованных частиц вдоль силовых линий поля линейной молнии, находящихся внутри трубы, а также и спиральным движением ионов вокруг и вдоль силовых линий этого же поля (если преобладает движение ионов в одну сторону).
Создают свои собственные магнитные поля и протонные, и электронные спирали, в том числе находящиеся внутри широких ионных спиралей, но там они почти взаимно компенсируются. О них пойдет речь ниже.
Если собственные продольные поля локализуются только вдоль своих собственных спиралей, то собственные поперечные магнитные поля ионных спиральных труб могут объединяться, они суммируются с рядом лежащими ионными спиралями, сцепляются с ними, образуя одно общее магнитное поле, проходящее вдоль периферии холодного канала и замыкающееся через центральный горячий канал, проходя его вдоль (когда преобладающие движения ионов в соседних спиральных трубах совпадают по направлению).
По сути дела, коллективные ионные спиральные трубы большого радиуса с находящимися внутри них тонкими спиралями частиц других типов являются зачатками шаровых молний. Но спирали холодной плазмы, очевидно, не успевают накопить энергии вращения в магнитном поле короткой линейной молнии и по завершении ее разряда быстро разрушаются и ионы с электронами рекомбинируют в атомы.
Круговое поперечное магнитное поле линейной молнии, удерживая горячую плазму от расширения на всей длине центрального канала молнии, однако не удерживает плазму на концах канала со стороны его торцов, благодаря чему и происходит разряд молнии. К торцу канала, упирающемуся в землю, стремительно текут токи проводимости радиально со всех сторон земли, а на противоположном конце токи устремляются из канала во все стороны тучи.
Находящаяся в канале под высоким давлением плазма выталкивается через торцы канала наружу и в туче и на стороне земли, преодолевая встречное движение электронов в туче, а ионов – на стороне земли. Наверное, по этой причине, а также из-за падения напряжения на большой длине канала, разряд молнии прерывается несколько раз. Магнитное поле на концах у торцов канала молнии все такое же мощное и должно быть заметно расширенное в виде рупоров, поскольку токи на одном конце сходятся к торцу, а на другом – расходятся от торца во все стороны, то есть плотность поля несколько расширяется. Вполне вероятно, что часть турбулентно выброшенной горячей плазмы может завернуться у торцов канала вокруг магнитного поля при разряде какого-либо очередного импульса молнии. То есть частицы горячей плазмы, разлетаясь в стороны, пересекают поперек или под углом силовые линии кругового магнитного поля молнии и в нем движутся по ларморовским окружностям или спиралям. Электроны вращаются с малым радиусом по часовой стрелке вокруг силовых линий (если силовые линии направлены от нас), а положительные ионы азота, кислорода и протоны – против часовой стрелки с радиусом в сотни раз большим, если они влетели в поле с такой же скоростью, как и электроны [2, стр. 8, 43, 70, 71]. Значительная часть ларморовских спиралей электронов и спиралей протонов оказываются внутри широких спиралей ионов азота и кислорода.
Таким путем холодная плазма у торцов линейной молнии пополняется довольно большой порцией горячей плазмы. Совершая в подогретых спиралях бесчисленные обороты и перемещаясь с большей скоростью вдоль замкнутых силовых линий магнитного поля, электроны и ионы оказываются более прочно связанными собственными магнитными полями взаимно с магнитным полем импульсов продолжающейся линейной молнии. Очевидно, из подогретых спиралей к концу разряда молнии успевает сформироваться плазменно-магнитное образование, имеющее вид тороида, который выталкивается в атмосферу. Возможно, плазменные тороиды образуются на обоих концах молнии, а также и на середине канала, ибо шаровые молнии часто наблюдают падающими сверху.
Здесь необходимо отметить следующее. В процессе формирования плазменного тороида ионизованные частицы плазмы, движущиеся спиралеобразно вокруг и вдоль силовых линий замыкающегося в тороиде магнитного поля молнии, совершают еще и дрейфовые движения под воздействием других сил. Дрейфовые движения ионизованных частиц имеют ту же известную особенность, заключающуюся в том, что постоянная сила, действующая поперек магнитного поля, вызывает движение частицы в направлении перпендикулярном к этой силе и к этому магнитному полю, причем без ускорения, а с постоянной скоростью.
В плазменном тороиде характерны дрейфовые движения ионизованных частиц, возникающие в силу неоднородности магнитного поля вдоль и поперек его направления. Поперечная неоднородность заключается в сгущении и разрежении силовых линий поля, продольная – в их искривлении [2, стр. 82, 86].
Рис. 1.
Ток разряда линейной молнии направлен вверх, следовательно её поперечное
магнитное поле направлено по часовой стрелке. Плазменный тороид рассечен
вертикальной плоскостью пополам. В правом сечении тороида магнитное поле
линейной молнии (изображено маленькими кружочками) направлено от нас, а в
левом сечении направлен о к нам (изображено точками). Сгущение силовых
линий, то есть плотность поля, возрастает в сторону отверстия тороида, а
разрежение к внешним его сторонам. В зоне сгущения поля радиус вращения
заряженных частиц меньше, а в разряженной зоне больше. В результате спирали
протонов дрейфуют вверх, а спирали электронов вниз, то есть из-за градиента
поля происходит разделение зарядов. Такой же результат дает и центробежный
дрейф. (Ионы азота и кислорода, вращающиеся по большой орбите не
изображены).
Для уяснения дрейфовых движений представим себе плазменный тороид лежащим
горизонтально. Рассечем его вертикальной плоскостью пополам. Допустим, мы
увидели в правом сечении тороида магнитное поле, направленное от нас, то в
левом сечении оно направлено к нам. Поперечная неоднородность поля, то есть
сгущение силовых линий, наблюдается вокруг центрального отверстия, а
разрежение – у наружной стороны тороида. Продольная неоднородность
заключается в искривлении силовых линий поля, обращенных выпуклостью от
центра тороида к наружной стороне.
Поперечная неоднородность приводит к тому, что радиус кружка спирали
ионизованной частицы в области сгущенного поля меньше, чем в области
разреженного. Поэтому кружок с частицей будет выталкиваться поперек поля с
силой, пропорциональной градиенту магнитного поля. Эта сила вызывает
градиентный дрейф, в результате которого протонные спирали перемещаются
вверх тороида, а электронные спирали – вниз.
При движении ионизованной частицы по спирали вдоль искривленной силовой
линии поля, обращенной выпуклостью к наружной стороне тороида, частица
испытывает на себе центробежную силу к наружной стороне тороида. Эта сила
увеличивает (растягивает) радиус вращения частицы за чертой выпуклости
силовой линии поля и уменьшает (укорачивает) радиус вращения до черты
выпуклости силовой линии поля. В результате протонные спирали дрейфуют
вверх, а электронные – вниз тороида.
Таким образом, и градиентный, и центробежный дрейфы ионизованных частиц
вызывают в плазменном тороиде одинаковые разделения зарядов, приводящие к
тому, что некоторая часть протонных спиралей оказывается на верхней
половине тороида, а часть электронных спиралей – на нижней его половине.
Такое заметное разделение зарядов приводит к образованию сильного
электрического поля. В этом случае плазменный тороид можно рассматривать
как заряженный конденсатор.
Образовавшийся плазменный тороид, отделившись от линейной молнии, остается
с той энергией, которую ему сообщила линейная молния. Некоторое время
10...20 секунд движение ионизованных частиц происходит по ларморовским
спиралям вдоль захваченного магнитного поля линейной молнии, пока оно,
сокращаясь к центру, не просочится наружу. Сразу же после отделения от
линейной молнии плазменный тороид быстро сжимается. Собственные магнитные
поля, обладая упругостью, отграничивают плазму от внешней среды, сжимая
тороид, уменьшают его размеры пока не наступит равновесие с
противодавлением изнутри со стороны плазмы. С повышением в плазме давления
в ней повышается температура, то есть ускоряется движение плазмы, что
означает продление жизни тороида. Отверстие в центре тороида, сокращаясь,
становится незаметным, а тороид похожим на овал. Коллективные движения
ионизованных частиц стабилизируют плазму тем, что их пути по большей части
разделены. Электроны реже встречаются с ионами, от чего рекомбинация плазмы
замедляется.
Плазма может находится в равновесии без стенок, если ее газовое давление
уравновешивается давлением внешнего магнитного поля [2, стр. 56]. У
образовавшейся шаровой молнии – поле не внешнее (не постороннее). У нее
собственные магнитные поля, благодаря которым плазменный тороид, сжатый в
овал, наделен на границе плазма-атмосфера поверхностным натяжением и не
смешивается с воздухом. Ближайшие линейные молнии, индуцируя токи в
тороиде, поддерживают ионизацию плазмы, продляя этим жизнь тороида. На
продление жизни тороида влияет и фотоионизация плазмы ультрафиолетовым
излучением, а также видимым светом большой интенсивности и плотности потока
фотонов (ступенчатая ионизация) от этих же недалеких молний.
Нужно заметить, что в образующемся в результате разделения зарядов
электрическом поле (которое в горизонтальном тороиде направлено
вертикально) должен происходить электрический дрейф остальной плазмы к
наружным сторонам тороида [2, стр. 74]. Магнитная оболочка тороида
испытывает деформации в зависимости от внутреннего давления на нее плазмы.
Поэтому может создаться впечатление, что электрический дрейф вызовет
раздвигание тороида в ширину. Однако градиентный и центробежный дрейфы –
это первичный процесс по отношению к электрическому дрейфу. Дрейфующие
вертикально в противоположные стороны спирали протонов и электронов в
первую очередь будут растягивать круглое сечение тела тороида вертикально,
а электрический дрейф остальной плазмы, вызванный появлением электрического
поля, всего лишь будет препятствовать чрезмерному сжатию боков тороида при
его вертикальном растягивании. Поэтому иногда наблюдают шаровые молнии в
виде пульсирующего по ширине овала (продолжается борьба вертикального и
горизонтального дрейфов).
Итак, плазменный тороид в завершающей стадии формирования стянут двумя
собственными магнитными полями в овальную форму со сквозным вертикальным
отверстием небольшого диаметра на месте центральной вертикальной оси.
Центральное отверстие тороида сократилось, потому что упругость силовых
линий захваченного магнитного поля линейной молнии и упругость силовых
линий собственного продольного поля направлены к центральной оси тороида, а
они стремятся сократиться до возможно минимальной длины. Через это
отверстие замыкаются все силовые линии другого собственного поперечного
магнитного поля тороида, которые также стремятся сократиться до минимальной
длины. Стянутый тороид (теперь овал) выглядит в поперечном сечении как два
рядом расположенных вертикально удлиненных плосковыпуклых овала, обращенных
плоскими сторонами к отверстию. Массивные ионы движутся по периферии овала,
то есть по широким спиралям, сжатым в овал, образующим в результате такого
движения замкнутую овальную трубу. Внутри вдоль трубы в верхней ее половине
движутся с некоторым преимуществом протоны по спиралям меньшего радиуса, а
в нижней половине – преимущественно электроны по своим спиралям совсем
малого радиуса. Хотя плазменный овал в целом остается квазинейтральным, но
поскольку положительные ионы преимущественно движутся по периферии овала,
то этим самым они экранируют отрицательный заряд внутренних электронов и
внешне у шаровой молнии больше проявляется положительный заряд.
