Гипотеза о термоядерной природе шаровой молнии Текст научной статьи по специальности «Физика»

Секция микроволновых и квантовых приборов и

устройств

УДК 551.594.2(023)

В.А. Малышев

ГИПОТЕЗА О ТЕРМОЯДЕРНОЙ ПРИРОДЕ ШАРОВОЙ МОЛНИИ

Объяснение природы шаровой молнии является одной из наиболее фундаментальных проблем радиофизики и электроники, так как ни одна из широко обсуждавшихся теорий шаровой молнии [1-6] не может дать ответ на вопрос об источнике огромного запаса энергии (порядка Мкал [4]), который содержит такая молния. Согласно одной из последних гипотез [5,6], шаровая молния представляет собой плазменный шар, плазма в котором поддерживается за счет сверхвысокочастотных электромагнитных колебаний внутри этого сферического резонатора, причем эти колебания в свою очередь возбуждаются [6] «электрическим током продольных волн плотности зарядов» за счет того «механизма превращения энергии постоянного поля в радиоволны», который по мнению автора работ [5,6] «известен». Последнее утверждение не выдерживает критики, так как, во-первых, известные эксперименты по генерации и усилению СВЧ-колебаний с помощью плазмы [7] реализовались при давлениях на четыре-пять порядков меньших атмосферного,

- , (

2), -

духе под влиянием постоянного атмосферного электрического поля (в отсутствие ), , - ,

структуре не имеют ничего общего с теми полями сферического резонатора, которые согласно упомянутой гипотезе должны реализоваться в плазменном шаре. Кроме того, мощности (милливатты [7]), генерируемой в экспериментальных сис-, , несет шаровая молния. В то же время в работах [5,6] удачно объясняется эффект нулевой «плавучести» шаровой молнии путем предположения о наличии в шаре ,

молнию от подъема ее вверх под влиянием сил Архимеда из-за высокой температуры и относительно малой плотности газа в шаре. Ниже мы примем это объяснение, но рассмотрим иной механизм поддержания плазмы в шаровой молнии. В работе [8] была предложена гипотеза о выделении внутри шаровой молнии энергии за счет реакции термоядерного синтеза между ядрами компонент воздуха, хотя в более ранних публикациях [1] температура внутри шаровой молнии считалась на несколько порядков меньше той, при которой возможны термоядерные процессы.

, [4]

попадания шаровой молнии в резервуары с водой с последующим закипанием и испарением воды, свидетельствуют о том, что эта температура достигает (0,3-20)-107 К, то есть всего на порядок ниже той температуры, при которой возможны .

гипотезу, изложенную в работе [8], согласно которой шаровая молния представляет собой самостабилизируемую реакцию термоядерного синтеза. Действительно, известная зависимость энергии связи ядер атомов от их атомного номера показы,

энергии при соединении любых двух ядер, имеющих атомные номера, меньшие 18 ( ). , -деляется энергия, равная приблизительно 18 Мэв, что не на много меньше энергии,

(24 ). -

,

синтеза. Известно, что для реализации этой реакции в случае дейтерия необходимы 109 . -акции при тех же температурах может оказаться вопреки общепринятым представлениям значительно больше, чем в случае дейтерия, так как несмотря на большие , , ядер осуществляться до больших расстояний между центрами ядер, и, кроме того, вследствие большего времени взаимодействия (при той же энергии) вероятность слияния должна возрастать. Этому возрастанию может также способствовать такое перераспределение зарядов внутри ядер в процессе их медленного сближения, что отталкивающие силы между ядрами будут уменьшаться и ядра смогут сблизиться на меньшие расстояния. Наконец возможно существенное возрастание среднего поперечного сечения реакции термоядерного синтеза между ядрами компонент воздуха за счет того, что в этой реакции будут участвовать не ядра, лишенные , . ,

электронные оболочки двух взаимодействующих атомов будут разрываться непосредственно перед самым соприкосновением ядер, когда центры ядер находятся на расстоянии р друг от друга, то нетрудно подсчитать, что энергия, необходимая для преодоления кулоновского барьера, будет уменьшена в отношении (р - ф /р, где d

- диаметры ядер.

Оценим возможность сохранения электронных оболочек при сближении двух ядер кислорода, средняя температура движения которых равна Т=108 К. Для этого сравним время движения одного ядра до другого, пользуясь боровской моделью атомов, и время обращения электрона по боровской круговой орбите 1 = = 2п г/У, где г - радиус орбиты, равный для кислорода г * 3-10-10 м, У - скорость движения электрона по орбите.

Так как момент количества движения Ь=шУг, причем согласно законам кван-

И I---------

товой механики Ь =-ф(\ +1) , где И=6,62-10-34 Дж-с - постоянная Планка; 1 -

2п

орбитальное квантовое число, равное для внешней орбиты атома кислорода 1 =1, то учтя, что ш= 9,11 -10-31 кг, получим

2пг 2лг2ш 4ж2г 2ш ,

X =-----=---------= —, * 3,5 -10 15 сек. (1)

V Ь Ид/1(1 +1)

С другой стороны, средняя скорость и атома кислорода при температуре Т определяется из условия МИ2/2=3кТ/2, где М - масса атома кислорода, равная 16-1,66-10-27 кг, к=1,38-10-23 Дж/К - постоянная Больцмана. Приближенно полагая, что ядро атома кислорода в результате столкновения с другим таким же ядром ос, , 2г, ,

2г/Иср =4г/И=4г VМ /3кТ * 3 -10 1 5 сек., где И *И/2 - средняя скорость дви-

,

по орбите вокруг ядра. Это дает основание полагать, что за то короткое время

, 108 , -вать ядра на значительном пути их сближения внутри атомов. Поэтому в том случае, который как раз и реализуется в шаровой молнии, когда в высокотемпературную среду непрерывно поступают извне атомы, способные при этом достаточно быстро набрать большую энергию без полного разрушения электронной оболочки, появляется большая вероятность реализации вышеуказанной реакции термоядерного синтеза между атомами и молекулами воздуха при тех сравнительно неболь-(107 - 108) , . -,

ядер, входящих в состав атомов и молекул воздуха, могут быть меньше и даже зна-, . температуры могут реализоваться в отдельных участках ствола обычной молнии за счет разного рода неоднородностей ствола, а затем поддерживаться вследствие выделения энергии в актах термоядерного синтеза, происходящих внутри шаровой молнии, которая отделяется от ствола обычной молнии, как одна из его незатух-.

[1,2,4,6] явлением существования «четочной молнии», которая в ряде случаев наблюдалась после исчезновения основного ствола обычной молнии и превращалась в серию шаровых молний. Тот факт, что реакция термоядерного синтеза, реализуемая внутри шаровой молнии, представляет собой реакцию превращения двух ядер кислорода в ядро серы находит себе подтверждение в том обстоятельстве, что многие случайные наблюдатели, мимо которых проплывала шаровая молния, «чувствовали запах серы» [1,2].

Принимая предложенную выше термоядерную гипотезу существования шаровой молнии за основу, необходимо выяснить условия тепловой устойчивости такой самостабилизированной термоядерной реакции и установить связь средней температуры молнии с ее размерами.

Изменение энергии в каждом отдельном элементе объема шаровой молнии и во всей ее активной области в единицу времени может быть описано уравнением

dW/dt = рВЬ1Д(Т) - ротд (Т)=д(Т), (2)

где рвьщ и ротд есть, соответственно, энергия, выделяемая в единицу времени в результате реакции термоядерного синтеза и отданная за то же время в окружающее

,

участка молнии. В случае, когда уравнение (2) рассматривается применительно ко всей активной части молнии, температура Т представляет собой усредненную температуру по этой активной области. В стационарном режиме, когда Т =Тст имеет место равенство

( )= ( ). (3)

Пусть температура Тст получила некоторое флюктуационное приращение АТ, так что энергия W(T) ~Т системы также возросла на АW. Найдем условия, при которых эти величины АТ и АW=АT/к0 будут уменьшаться с течением времени, что и

. (2),

й(Ж + АЖ) _ йЖ

йі

йі

+

т _тс„

й (АЖ) йі

д£

дт

Ат _ (дт + й (Ат)ї 1

т =тст Э і К т _т 1 1 СП йі / ко

(4)

откуда следует уравнение

й (АТ) ,Э0

й і

кп

дТ

АТ,

т _т.

(5)

имеющее решение

(АТ) _ (АТо)ехр

к

V

Э£

'эт

т _т,

(6)

у

причем ко - коэффициент пропорциональности между W и Т. Из (6) следует, что неравенство

Э0 _ ддРвыд дРо,п д(Т )

дт т _т ± ст дт т _т дт 1 1 ст т _т ± ст

< 0

(7)

является условием устойчивости шаровой молнии. Выясним подробнее возможность реализации неравенства (7).

Энергия передается в окружающее пространство от шаровой молнии за счет теплопроводности и за счет излучения, причем последнее играет основную роль, так что можно для температурной зависимости ротд в соответствии с законом Сте-

-

Ротд^Т4. (8)

Следует заметить, что, как указано в [9], потери шара за счет теплопроводности также определяются степенной зависимостью от температуры, но только с показателем степени, равным 3,5, а не 4. Если считать, что зависимость рвыд(Т) может быть аппроксимирована выражением

т^т Рвыд а Т

(9)

то используя (3), нетрудно установить, что условие устойчивости (7) выполняется при т <4.

Рассмотрим возможность представления зависимости ротд(Т) в виде (9). Строгое вычисление величины рвьщ для единицы объема должно проводиться с помощью выражения

Рвыд роУ, V

$а(Г )п(¥ )й¥,

(10)

в котором р0 - энергия, выделяемая при одном акте термоядерного синтеза, V -частота столкновений в единицу времени, приводящих к таким актам, и(У) - концентрационная функция распределения взаимодействующих ядер по скоростям V их хаотического движения, а(^ - поперечное сечение взаимодействия ядер, при-

і

водящего к реакции термоядерного синтеза; VH - скорость, при которой величину a(VH) можно считать отличной от нуля. Так как при V<VH подынтегральная функция близка к нулю, то нижний предел интеграла в (10) можно взять равным нулю.

Анализ зависимости a(V) известной для случая дейтерия [9] показывает, что она в ограниченном интервале изменения V может быть представлена в виде

C=CoV2^ (11)

где о0 с ростом V монотонно растет, а ц монотонно уменьшается от величины, равной 15, при энергии дейтона, близкой к 1 кЭв, до 2 при энергии дейтона, близкой к 100 кЭв. Будем считать, что в нашем случае зависимость (11) также будет иметь место, причем ц тоже будет уменьшаться с ростом V и температуры среды,

(10) . , -тать, что n(V) определяется функцией распределения Максвелла, то вычисления

(10)

V = 2n0°0

г 2k' Ц+°,5

V M у

C [(ц + 1)!]Г", (12)

п

в котором к - постоянная Больцмана; М - масса ядер; С - постоянная Сёзерленда; По- концентрация взаимодействующих атомов вблизи молнии, которую мы считаем равной концентрации соответствующих ядер. При записи соотношения (12) было учтено действие эффекта термодиффузии, благодаря которому стационарная

концентрация изменяется согласно [10] при больших температурах как С.

\Т

(1о) (12) ,

(11) действительно имеет место выражение (9), причем ш=д. Таким образом, шаровая молния устойчива лишь при достаточно высоких температурах, таких что наклон зависимости ^а =Д^^), равный д, становится меньше 4. Очевидно, что на границе молнии температура понижается до таких значений, при которых скорости атомов и ядер, лежащие в области значений, превышающих среднюю скорость, соответствуют зависимости (11), отвечающей условию д «4.

Проведенное достаточно приближенное рассмотрение устойчивости, осно-(9),

, .

необходимо наличие экспериментально снятой зависимости а =f (V) для случая термоядерного взаимодействия ядер кислорода или азота, ответственных согласно изложенной гипотезе за поведение шаровой молнии. Однако даже вышеприведенное качественное рассмотрение позволяет объяснить, во-первых, устойчивость шаровой молнии при больших температурах, а во-вторых, наличие конечной об, -

ет размеры молнии. Более подробно последний вопрос обсуждается ниже.

Если считать, что соотношение (8) определяет энергию, излучаемую единицей поверхности молнии, а выражение (9) характеризует энергию, выделяемую в единице объема молнии, то соотношение (2) для случая молнии радиуса Я будет иметь вид

— = 4пЯ3аТт - 4П2ахТ4, (13)

Ж 3 1

из которого следует, что усредненная стационарная температура молнии Т определяется соотношением

показывающим, что в случае реализации условия устойчивости, когда ш<4, средняя температура молнии растет с ростом ее радиуса, причем этот рост будет идти тем медленнее, чем выше температура, так как с ростом последней разность (4-ш) .

Эти результаты находятся в соответствии с рядом наблюдений, согласно которым молния уменьшала свои размеры в процессе существенной потери ею энер-.

Вышеизложенная гипотеза о термоядерной природе шаровой молнии объясняет основные закономерности ее поведения и в определенной степени находится в соответствии с теми количественными оценками ее параметров (энергия, температура и пр.), которые на основе экспериментальных данных приводятся в

Предложенное объяснение природы шаровой молнии предполагает существование сравнительно низкотемпературных реакций термоядерного синтеза между ядрами относительно тяжелых элементов. На возможность реализации таких ре, - , -бильного раскаленного ядра нашей планеты, источник нагрева которого до последнего времени не находил вполне аргументированного объяснения.

Косвенным подтверждением справедливости обсужденной гипотезы, по, , , образованные в местах соприкосновения высокотемпературной раскаленной магмы и воздуха, заполнены серной кислотой, а их берега покрыты пластами серы, так что есть некоторые основания полагать, что в данных случаях ядра атомов серы получены в результате реакции термоядерного синтеза ядер атомов кислорода воздуха под влиянием достаточно высокой температуры магмы при извержении вул-.

Наконец, целый ряд других аномальных атмосферных явлений, сопровождаемых выделением большой энергии (свечение над Петрозаводском 20 сентября 1977 года, аналогичное свечение над Джакартой в 1989 году [11], «огненные сферы», замеченные летчиками 22 июня 1977 года и 14 сентября 1981 года [12]) и коррелированных с прорывами солнечного излучения через защитное магнитное , -тами реализации процессов рассмотренного выше «теплого» термоядерного синтеза между атомами и молекулами воздуха.

1. Сингер С. Природа шаровой молнии. - М.: Мир, 1973. - 239 с.

2. Имянитов И.М.,Тихий Д.Я. За гранью закона. - Л.: Гидрометеоиздат, 1967. - 205 с.

3. Юман М. Молния. - М.: Мир, 1972. - 327 с.

4. Имянитов И.М.,Тихий Д.Я. За гранью законов науки. - М.: Атомиздат, 1980. - 191 с.

5. Хазен А.М. Шаровая молния: стационарное состояние, подвод энергии, условия взаимодействия. Доклады АН СССР. 1977. Т. 235. № 2. - С. 288-291.

6. Хазен А.М. О возможном и не возможном в науке. - М.: Наука, ГРФМЛ. 1988. 384 с.

7. Бернашевский Г.А.,Богданов Е.В.,Кислов В.Я.,Чернов 3X1 Плазменные и электронные усилители и генераторы СВЧ / Под ред. З.С. Чернова. - М.: Сов. Радио, 1965. - 96 с.

(14)

[1,2,4,6].

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

8. Малышев В.А. Сверхвысокочастотная и термоядерная гипотезы о природе шаровой молнии / Труды Таганрогского радиотехнического института. Вып.27. - Таганрог, 1974.

- С. 237-243*

9. Арцимович Л.А. Управляемые термоядерные реакции. - М.: Физматгиз, 1961.

10. Мал ышев В.А. Феноменологическая теория однокомпонентной термодиффузии // Известия вузов. Физика. 1965. № 2. - С. 70-72.

11. Заметка «НЛО над Джакартой?» // Комсомольская правда/ 1989. 28 января.

12. Павлов А. «НЛО помогли создать американцам супероружие» // Газета Комсомольская правда. 2002. 21 мая.

УДК 621.382

С.В. Караваев, ЕЛ. Осадчий

МЕТОД АНАЛИЗА ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЧАСТОТЫ НА СЛОЖНЫХ

НЕГАТРОНАХ

Вольт-амперная характеристика сложных негатронов обычно имеет вид ко, -проксимировать функцией 1= ДИ)=аИ- Ьи3+си5, где постоянные а, Ь, с могут быть определены из системы трех уравнений 1) = ДИ0); ^Ш=0 при и=и0; 1 =0 =ДкИ0), где 10 и и0 - соответствует максимуму функции ДИ), а при и=ки0 кривая пересекает ось И. Определенные таким образом параметры а, Ь, с позволяют найти функ-

• / • гг • тг • у

ции ШМИ=1 =^(И); 1 =f2(И); =1 =fз(И); 1 =f4(И); 1 =f5(И), которые по аналогии с методами, описанными в [1], дают возможность рассчитать те зависящие от амплитуд Аь А2; А3 переменных полей частот юь ю2 и (®1± ш2) проводимости У1, У2, У3, в соответствии со способом, изложенном в [1], после приравнивания их

У1=У 1;

У2=У 2; У3=У 3 1 2

сигналов амплитуды А3 напряжения промежуточной (либо суммарной) частоты и, подбирая элементы схем и рабочую точку на характеристике 1= ДИ), дают возможность оптимизировать параметры негатронного преобразователя частоты.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Мал ышев В.А.,Червяков Г.Г.,Ганзий ДД. Нелинейные микроволновые полупроводниковые устройства. - Таганрог: ТРТУ, 2001. - 354 с.

УДК 621.373

. . , . .

АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ШУМА СПОНТАННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ПАРАМЕТРЫ АМПЛИТУДНОЙ МОДУЛЯЦИИ ИНЖЕКЦИОННЫХ ЛАЗЕРОВ НАКАЧКОЙ

Скоростные уравнения (уравнения Статца де Марса), полученные на основе представлений, развитых в работе [1], с учетом влияния доли (Ь) шума, ограниченного спонтанного излучения, попадающей в рабочую моду резонатора, имеют вид