Что происходит в паузах между наращиваниями канала проводимости.

Опыт показывает, что после очередного наращивания канала проводимости на длину одной ступени лидера – на что уходит примерно 1 ms – следует пауза перед наращиванием следующей ступени; эти паузы длятся примерно по 50 ms. Что происходит во время этих пауз?

Напрашивается ответ: во время этих пауз происходит продвижение свободных электронов из облака по всему сформированному каналу проводимости, с заполнением нового наращенного участка до самого его конца, чтобы на этом конце концентрация избыточных электронов оказалась достаточна для пробоя пограничного слоя между соседними слоями квази-синфазности. Подтверждение тезиса о продвижении электронов по каналу проводимости в паузах между наращиваниями ступеней лидера мы находим у Шонланда [7], который пишет о совпадении скорости ступенчатого лидера со скоростью дрейфа свободных электронов – при имеющих место плотности воздуха и напряжённости электрического поля. Здесь Шонланд говорит о средней скорости ступенчатого лидера, но ведь этот лидер продвигается кратковременными бросками, а в подавляюще большее остальное время – «отдыхает». И если результирующая средняя скорость ступенчатого лидера равна скорости продвижения электронов, то это и означает, что электроны продвигаются по новым наращиваемым участкам канала проводимости именно во время следующих за этим пауз – ведь, со своей скоростью дрейфа, они просто не успевали бы продвинуться по новому участку за время его формирования.

И, действительно, ВЧ-пробой формирует новый участок канала проводимости всего лишь через увеличение степени ионизации воздуха в нём – количества свободных электронов и положительных ионов при этом увеличиваются, но остаются равными друг другу. Поэтому изначально в новом участке канала проводимости нет избыточного заряда – а для его притока требуется время. Вот почему, на наш взгляд, является нерабочей модель Френкеля [2] об усилении поля на острие прорастающего пробоя. Для такого усиления поля требуется, чтобы на острие присутствовал избыточный заряд. Но мы видим, что наращивание канала проводимости происходит при отсутствии избыточного заряда на оконечности растущего пробоя – эти избыточные заряды притекают со значительным опозданием.

Подчеркнём, что именно модель продвижения электронов из облака по каналу проводимости во время пауз между последовательными наращиваниями этого канала даёт простейший и логичный ответ на вопрос о том, каким образом в канале поддерживается высокая степень ионизации во время этих пауз – когда механизм, обеспечивший быстрый пробой, может уже не справляться с потерями ионов в результате рекомбинации и диффузии. На наш взгляд, именно продвижение избыточных электронов создаёт дополнительные ионы через ударную ионизацию и способствует, таким образом, поддержанию состояния проводимости в канале.

Добавим, что продвижение свободных электронов в паузах между наращиваниями канала проводимости происходит не только по каналу, который достигнет земли, и по которому произойдёт главный токовый удар, но и по всем ответвляющимся тупиковым каналам. Об этом визуально свидетельствует полная схожесть роста сразу многих каналов – когда ещё не ясно, какой из них окажется каналом главного токового удара.

Главный токовый удар.

Когда канал проводимости между грозовым облаком и землёй оказывается полностью сформирован, по нему происходит главный токовый удар (или несколько токовых ударов). Иногда в литературе главный токовый удар крайне неудачно называют обратным токовым ударом или обратным разрядом. Эти термины вводят в заблуждение, порождая впечатление того, что при обратном разряде электроны движутся в направлении, обратном тому, в котором рос канал проводимости, и в котором они продвигались по мере этого роста. В действительности, при «обратном разряде» электроны перемещаются в «прямом» направлении, двигаясь из облака – т.е. из области их избыточного сосредоточения – на землю. «Обратность» же этого разряда проявляется исключительно через его наблюдаемую динамику. Дело в том, что сразу после формирования между облаком и землёй канала проводимости, заполненного избыточными электронами, главный токовый удар развивается таким образом, что в первую очередь приходят в движение электроны на участках канала, ближайших к земле, затем – на более высоких участках, и т.д. При этом край зоны интенсивного свечения, которое порождают эти мощные подвижки электронов, движется снизу вверх – что и даёт иным авторам повод говорить об «обратном разряде».

Свечение при главном токовом ударе имеет интересные особенности. «Как только лидер достигает Земли, немедленно возникает главный разряд, распространяющийся от Земли к облаку. Главный разряд является гораздо более интенсивным по свечению, и было замечено, что по мере продвижения главного разряда вверх это свечение уменьшается, особенно по мере прохождения точек разветвлений. Никогда не наблюдалось увеличения свечения по мере продвижения разряда вверх» [13]. Мы объясняем эти особенности тем, что, на начальных стадиях главного токового удара, ток электронов в главном канале проводимости, тянущемся от облака до земли, подпитывается токами электронов из тупиковых ответвлений – как река подпитывается впадающими в неё ручьями. Вот эти-то токи, подпитывающие токовый удар в главном канале, являются действительно «обратными»: электроны при этом возвращаются из тупиковых ответвлений в главный канал.

В Интернете свободно доступны видеозаписи удара молнии «облако-земля» в замедленном темпе. На них прекрасно видна, по слабому распространяющемуся свечению, динамика продвижения электронов по наращиваемым каналам проводимости – с обильным ветвлением. Наконец, происходит ярко светящийся разряд по главному каналу, поначалу сопровождаемый свечением в боковых ответвлениях – которое угасает гораздо быстрее, чем свечение в главном канале, поскольку электроны из облака теперь не заходят в боковые ответвления, а движутся по главному каналу в землю.

Заключение.

Мы не претендуем на полный охват явлений, которые происходят при ударах молний. Мы рассмотрели лишь случай типовой линейной молнии «облако-земля». Но мы впервые дали системное объяснение физики такой молнии.Мы разрешили загадку самой возможности молнии при напряжённостях электрического поля, далеко не достаточных для лавинного пробоя воздуха – ведь пробой здесь оказывается не лавинным, а высокочастотным.Мы назвали причину, обеспечивающую этот ВЧ-пробой.И мы объяснили, почему этот пробой прорастает последовательными отрезками, со значительными паузами между ними.

Все эти объяснения оказались прямыми следствиями наших представлений [9] о природе электричества и об организации тяготения – впрочем, при некоторых уточняющих допущениях. Ключевую роль сыграли представления именно об организации тяготения, ведь молния предстаёт перед нами как гравитационно-электрическое явление. Поразительным образом, феномен молнии между грозовым облаком и землёй оказывается важным свидетельством корректности сразу двух базовых концепций «цифрового» физического мира [9], о сущностях электричества и тяготения – ведь молния находит разумное объяснение на основе сшивки этих двух концепций.

Добавим, что вышеизложенная физика линейной молнии между грозовым облаком и землёй может послужить отправным пунктом для объяснения природы молний других типов. Например, регулярность расположения слоёв с особыми условиями ионизации воздуха может играть ключевую роль при образовании т.н. чёточной молнии.

Ссылки.

1. Э.Д.Лозанский, О.Б.Фирсов. Теория искры. «Атомиздат», М., 1975.

2. Я.И.Френкель. Теория явлений атмосферного электричества. «Гос. изд-во технико-теоретической литературы», М.-Л., 1949.

3. Э.М. Базелян, Ю.П. Райзер. Физика молнии и молниезащиты. «Физматлит», М., 2001.

4. П.Н.Тверской. Атмосферное электричество. «Гидрометеоиздат», Л., 1949.

5. Н.А.Капцов. Электрические явления в газах и вакууме. «Гос. изд-во технико-теоретической литературы», М.-Л., 1947.

6. L.B.Loeb, J.M.Meek. The mechanism of the electric spark. Oxford, Clarendon Press, 1941.

7. B. F. J. Schonland. Progressive Lightning. IV. The Discharge Mechanism. Proceedings of the Royal Society of London. Series A - Mathematical and Physical Sciences. (1938) 164, p.132-150. – Доступна на: http://rspa.royalsocietypublishing.org/content/royprsa/164/916/132.full.pdf

8. М.Юман. Молния. «Мир», М., 1972.

9. А.А.Гришаев. Книга «Этот «цифровой» физический мир». М., 2010.

10. А.А.Гришаев. Энергетика свободного падения.

11. П.Д.Астапенко, А.М.Баранов, И.М.Шварёв. Авиационная метеорология. Стр.197-198.

12. М.И.Каганов. Электроны, фононы, магноны. «Наука», М., 1979.

13. М.А.Бак, Н.Н.Николаевская. Молния и её физическая природа. УФН, т.XXII, вып.3, 1939, с.294.