CC BY
2УДК 539.1.04
Сухоносов В.Я.
канд. физ.-мат. наук [email protected]
(г. Обнинск, Россия)
ВОЗНИКНОВЕНИЕ, ЭВОЛЮЦИЯ И ГИБЕЛЬ РИДБЕРГОВСКОГО СФЕРОИДА
Аннотация: рассмотрен механизм возникновения скользящих разрядов по поверхности воды в конфигурации электродов острие - поверхность воды. Оценены основные параметры скользящего разряда в рамках гатчинского разряда. Отмечено, что в резко неоднородном электрическом поле при крутом фронте нарастания напряжения в разрядном промежутке скользящий разряд становится многоканальным. В результате этого линейные скользящие разряды формируют двумерную область с образованием плазменного листа.
Приведены безэлектродные физико - химические реакции водяной плазмы скользящего разряда. В разрядном канале образуются гигантские ридберговские молекулы, которые покидают канал и образуют в атмосфере конденсат в виде аэрозоля. Ридберговский аэрозоль является самоорганизующейся и эволюционирующей системой, в которой возникает феномен структурной самоорганизации, заключающейся в том, что в процессе эволюции возникает последовательность сложных диссипативных структур. Эти структуры представляют собой лучистую материю и являются пятым агрегатным состоянием воды.
Ключевые слова: скользящий разряд, ридберговский вещество, самоорганизация, диссипативные структуры, лучистая материя, шаровая молния.
ВВЕДЕНИЕ.
В зависимости от внешних условий многие вещества способны существовать в трех разных агрегатных состояниях: газообразном, жидком и твердом. Майкл Фарадей был первым, кто предположил в 1819 году, что
вещество может существовать не только в трех состояниях, но и в четвертом состоянии. В 1831 году он наблюдал электрическое свечение разрядов в разреженных газах, которое назвал лучистым состоянием материи (radiant state of matter). Метеоролог и химик Уильям Крукс во второй половине 70-х годов XIX века в экспериментах по газовым разрядам в вакуумных трубках также обнаружил, что внутренность трубки светилась голубоватым светом. У. Крукс полагал, что это свечение является особыми катодными лучами. Свои результаты он опубликовал в статье «Лучистая материя, или четвертое физическое состояние» ("Radiant Matter, or the Fourth Physical State").
Однако фундаментальные открытия В. Рёнтгена и Д.Д. Томсона в конце XIX века были столь революционными, что идея У. Крукса о существовании «лучистой материи» как о четвертом состоянии вещества не нашла поддержки среди исследователей. Однако само предположение, что катодные лучи могут состоять из заряженных атомов газа, часто находило подтверждения в многочисленных экспериментах.
Идея Крукса о «лучистой материи» вновь возникла только в 1909 году в работах Ирвинга Ленгмюра по изучению электрических разрядов в газах и по термоэлектронной эмиссии. Им было обнаружено, что если в разряде степень ионизации газа не слишком мала, то газ приобретает совершенно новые свойства, которыми не обладают обычные газы.
И. Ленгмюр в 1923 г. для ионизированного газа ввел термин "плазма". Классическая плазма представляет собой ионно-электронный газ, возможно, разбавленный нейтральными частицами. Заряженные частицы плазмы взаимодействуют в соответствии с законом Кулона, которое проявляется на больших расстояниях. Именно в этом состоит ключевое отличие плазмы от нейтрального газа. В плазме частицы связаны дальнодействующими кулоновскими силами, каждая из которых находится в поле как ближних, так и дальних соседей. Это означает, что взаимодействие между частицами плазмы не парное, как между частицами газа, а коллективное. И. Ленгмюру потребовалось почти тридцать лет, чтобы разработать четкое научное
представление о природе плазмы как о четвертом состоянии вещества, но его работы были столь новыми, что нашли признание у научного сообщества только в середине 1950 годов. Можно утверждать, что, например, вода может находиться в следующих четырех состояниях: водяной пар, жидкая вода, лед и водяная плазма.
Одновременно с работами по изучению прохождения электрического тока через разреженный газ в газонаполненной трубке французский физик Гастон Планте с 1855 г. изучал электрические разряды на поверхности воды. Цель его работ заключалась в том, чтобы смоделировать шаровую молнию в лабораторных условиях. Такой эксперимент Г. Планте удалось реализовать в 1875 году. Эксперимент состоял в следующем: сосуд наполнялся слабым водным раствором поваренной соли. В него погружался платиновый электрод, соединённый с минусом батареи. Батарея, заряженная до 4,5 кВ, обеспечивала в воде силу тока разряда в несколько десятков ампер. Сверху плавно опускался другой платиновый электрод, соединённый с плюсом батареи. В момент соприкосновения с поверхностью водного раствора на конце электрода возникал светящийся шарик. При подъеме электрода шарик увеличивался до нескольких сантиметров в диаметре. Этот шарик был очень похож на малую шаровую молнию. Светящаяся сфера находилась в постоянном движении. Затем она угасала, либо прекращала свое существование взрывом. Результаты своего эксперимента Г. Планте изложил в докладе французской Академии наук «Электрические явления в атмосфере» (Comptes rendus de l'Académie, t. LXXX, S. 1133, 3 mai, 1875 année»), который затем был опубликован.
Светящийся объект принципиально отличался от ранее полученных тем, что это был не светящийся искровой разряд в виде узкого цилиндра, а долгоживущее светящееся образование (ДСО) в виде сферы. Современные исследования разряда типа Г. Планте показали, что светящаяся сфера существует, по крайней мере, в течение 1 секунды, даже при отключении батареи. Это означает, что ДСО не может быть плазменным образованием, время жизни которого ~ 1 мс после отключения источника тока. Самым
удивительным является то, что по прошествии 149 лет природа ДСО, обнаруженная Г. Планте, неизвестна по настоящее время.
В 1968 году академик Л.В. Келдыш впервые теоретически предсказал, что газ экситонов, которые представляют собой элементарные возбуждения в полупроводнике с водородоподобной структурой (атомы большого радиуса), при достаточной концентрации могут сконденсироваться в электронно-дырочные капли [1].
Идея конденсации плотных возбужденных состояний была применена проф. Э.А. Маныкиным с соавторами к плотному газу ридберговских состояний атомов цезия [2]. Экспериментально было подтверждено, что газ ридберговских атомов цезия действительно при определенной высокой плотности образовывал конденсат из ~ 104 атомов цезия [3]. В работе [4] была выдвинута гипотеза о возможном образовании в воздухе конденсата ридберговских молекул воды, которые имеют диаметр 98 нм и время жизни 58 мкс. Предполагалось также, что этот конденсат является ридберговским веществом (РВ).
Цель настоящей работы состояла в том, чтобы показать, что в условиях скользящих разрядов по поверхности воды вблизи их плазменных каналов формируется конденсат сверхвозбужденных молекул воды как конечный результат распада разрядной плазмы. Этот конденсат представляет собой ридберговское вещество, которое излучает ослепительно яркий свет, является лучистой материей и пятым агрегатным состоянием воды.
ФОРМИРОВАНИЯ СКОЛЬЗЯЩИХ РАЗРЯДОВ В КОНФИГУРАЦИИ ЭЛЕКТРОДОВ «ОСТРИЕ - ПОВЕРХНОСТЬ ВОДЫ». ФИЗИЧЕСКАЯ СТАДИЯ.
Необходимым условием возникновения конденсата сверхвозбужденных молекул является, прежде всего, получение этих молекул в больших концентрациях. Это можно реализовать в скользящих разрядах на поверхности воды. Для этого выбирается конфигурация электродов типа острие -
поверхность воды. При подаче постоянного напряжения на такую конфигурацию электродов создаётся резко неоднородное электрическое поле Е с преобладанием нормальной составляющей к поверхности воды. Это позволяет достигать в скользящих разрядах высоких значений Е при умеренных амплитудах высоковольтных импульсов. При этом электроды используются только для подводы энергии, а электрический разряд по сути представляет собой разновидность искрового разряда, разрядные каналы которого стелются по поверхности воды в области раздела: воздух - поверхность воды. Скользящие разряды широко используются в устройствах для обеззараживания и очистки питьевой и сточных вод, а также как источник УФ излучения для дезактивации микроорганизмов в воде [5 - 7].
Высоковольтная электрическая установка включает в себя сосуд с водой и катод в виде проволоки, расположенной на некотором расстоянии от поверхности воды над центром сосуда. В качестве анода использовали латунный диск, который располагался в воде в сосуде. Разряд инициировался с помощью емкостной батареи. Схема сосуда с электродами представлена на рис.1а [7]. Эта установка практически совпадает с установкой Г. Планте.
В 2000 г. была сконструирована модифицированная высоковольтная электрическая установка, разряд в которой был назван гатчинским разрядом [8,9]. В этой установке анод в виде медного кольца погружался в воду, а катод в виде графита с изолирующей кварцевой трубкой также погружался в воду, но небольшая часть трубки выступала над водой, см. рис.1б.
катод
Рис 1а Рис. 1С
Рисунок 1. Схемы расположения катодов и анодов в сосудах в традиционной установке рис.1а и в модифицированной установке (гатчинский разряд) рис.1б.
Принципиальное отличие установок [7] и [8] состоит в расположении катода: в первом случае катод расположен над поверхностью воды, а во втором случае - выступает из воды.
Дальнейшее рассмотрение механизма разряда будет связано именно с гатчинским разрядом. Для определенности были выбраны следующие исходные данные: сосуд с водой имеет диаметр 15см и высоту 18 см. Толщина слоя воды равна 16 см. Катодом является графитовый стержень диаметром 8 мм. Катод изолирован от воды кварцевой трубкой с внутренним диаметром 8 мм и толщиной стенки - 0,5 мм. Торец катода расположен по уровню поверхности воды в сосуде, а срез трубки находится на 3 мм выше этого уровня. Для улучшения коммутации на катод в кварцевой трубке нанесена капля воды объемом 0,1 мл. Анод в виде медного кольца погружен в воду на дно сосуда.
Электрическая емкость батареи С равна 500 мкф, которая заряжается до начального напряжения, равного 5 кВ. Сосуд с водою характеризуется электрическим сопротивлением Я0 и электрической емкостью слоя воды
С 0. Электрическое сопротивление слоя воды равно Я0 = — — ~ 906 Ом,
ря
где р = 10-4 Ом-1 см-1- электропроводимость водопроводной воды, И =16 см -толщина слоя воды, Б= 176,63 см2 - площадь сосуда. Электрическая емкость С0
= ^^ = 78,32 пф. Удельная электрическая емкость равна Суд = 0,44 10-12 ф/см2. —
Зажигание отрицательного коронного разряда. Напряженность электрического поля в конфигурации электродов острие-плоскость можно оценить по формуле [10]:
Е = —^
1 л
г 1п(1 + —) г
где Ио - напряжение на разрядном промежутке, г = 0,5 мм - толщина стенки кварцевой трубки,
ё = 3 мм - расстояние, на котором находится срез трубки над поверхностью воды.
На катоде с начальным отрицательным напряжением и0 ~ 5 кВ в воздушном промежутке имеем Е = 31 кВ/см.
Работа выхода электронов для графита равна ~ 4,6 эВ, что близко к значениям работы выхода для металлов (4-5 эВ). При отрицательной полярности катода электрическое поле непосредственно у острия приводит к холодной эмиссии электронов с поверхности катода, которые сразу попадают в сильное поле и производят ударную ионизацию, образуя большое число лавин. Средние длины свободного пробега X и энергия ионизации электронов We в различных газовых средах представлены в табл. 1.
Таблица 1. Средние длины свободного пробега X и энергия электронов We в различных газовых средах.
Н2 N2 02 Н2О
X , мкм 0,63 0,33 0,36 0,23
^^е , эВ 15,9 15,6 12,1 12,7
Если на среднем пробеге электронов в направлении электрического поля в воздухе Х= 0,35 мкм электроны приобретает энергию We = еИ = еЕХ =
13,9 эВ, то их энергии достаточно для ионизации молекул воздуха. Этому соответствует напряженность электрического поля ~ 25 кВ/см. В нашем случае напряженность поля равна Е = 31 кВ/см, следовательно, в сильном
неоднородном электрическом поле при атмосферном давлении воздуха зажигается коронный разряд.
Напряжение зажигания разряда равно и = —^ = 3,85 кВ,
Суд
где к1 = 1,06-10-5 [11]. Нижней границей порогового напряжения коронный разряда является значение потенциала около 3 кВ. Понизить разрядное напряжение ик можно за счет увеличения удельной поверхностной емкости, т.е. за счет уменьшения толщины слоя воды И. С началом зажигания в воздушном промежутке коронного разряда в разрядной цепи наблюдается появление тока величиной порядка 10-6 А с длительностью импульса короче 10-7 с.
В экспериментах коронный разряд наблюдают визуально в виде прерывистого голубоватого свечения на трубке катода. Специфика этого коронного разряда состоит в том, что конфигурация электродов типа «острие -плоскость» позволяет разделить момент зажигания коронного разряда и момент возникновения искрового пробоя. Коронный разряд становится предшественником искрового разряда.
С ростом напряжения на разрядном промежутке и при малых расстояниях катод - поверхность воды порядка ~ 1 - 3 мм чехол коронного разряда достигает поверхности воды, разряд становится неустойчивым и легко переходит из коронного в искровой разряд с лидерным механизмом развития вдоль поверхности воды в виде скользящих разрядов [6]. Лидеры исходят из ярко светящейся области около катода.
Формирование скользящих разрядов с лидерным механизмом развития. Длина разряда. Оценочное разрядное напряжение скользящего разряда по поверхности воды равно [12]:
Иср = к
и Г5
102, кВ
где к = 0,81 для системы электродов с преобладанием нормальной составляющей электрического поля, е = 80 - относительная диэлектрическая проницаемость воды, ё = 0,3 см - длина воздушного разрядного промежутка.
Численное значение иСР равно 0,31 кВ. Это значит, что в системе электродов с преобладающей нормальной составляющей электрического поля, скользящие разряды очень легко возникают на поверхности воды. Длина канала скользящего разряда зависит от его проводимости, а следовательно, от значения тока в нем. В свою очередь ток зависит от напряжения между электродами, изменения напряжения и емкости канала относительно противоположного электрода. Влияние этих параметров отражено в эмпирической формуле Теплера, согласно которой длина скользящего разряда
где а - коэффициент, определяемый опытным путем, и =5 кВ -максимальная амплитуда напряжения на катоде, - скорость нарастания
напряжения на катоде, кВтах/мкс. При постоянном напряжении, когда dU/dt=0, развитие скользящих разрядов затруднено, и удельная поверхностная емкость перестает играть решающую роль. В этом случае иСР практически не зависит от толщины слоя воды И. Увеличение слоя воды приводит к уменьшению длины канала разряда, что позволяет реализовать незавершенный разряд. Лидерно — стримерные разряды возникают на поверхности воды около трубки катода через t ~ 0,5 мс. К этому моменту времени максимальная длина лидера может иметь длину ~ 7 см и даже достигать стенок сосуда. Длинные скользящие разряды с лидерным механизмом развития реализуются также в молниевых разрядах в атмосфере [13].
Многоканальная форма незавершенного скользящего разряда. Плазменный лист. В случае формирования незавершенного скользящего разряда при большой скорости роста приложенного напряжения Шп/ё возникает большая область непрерывного ускорения электронов, в которой
Е > 105 В/см. Если скорость роста напряжения становится Шп/ё > 1012 В/с, то в этой области инициируются множественные поверхностные разряды в виде четко локализованной нитевидной структуры [14]. Обычно на
поверхности воды начинают развиваться 3 - 6 скользящих разрядов с лидерным механизмом развития.
В результате многоканальности скользящие разряды представляет собой двумерную область [7] вокруг катода. Формирование двумерной области разрядов является фундаментальным свойством скользящих разрядов в резко неоднородном электрическом поле на границе раздела двух сред с разной диэлектрической проницаемостью и с преобладанием нормальной составляющей электрического поля к поверхности воды. Особенностью скользящего разряда является возможность быстрой конверсии энергии разряда в энергию плазмы. Распределенный поверхностный энерговклад осуществляется в приповерхностную область большой площади. В результате этого появляется возможность получения достаточно однородных тонких плазменных двумерных листов большой площади.
Модель разрядного канала как элемента Щ^С - цепи. Электрический ток протекает от отрицательного полюса батареи с электрической емкостью С к катоду через разрядный промежуток ионизационного воздуха к поверхности слоя воды, которая представляет собой заземленный анод. Эта электрическая цепь представляет собой Я(1:) С - цепь, через которую происходит заряжение слоя воды. Временная зависимость электрического сопротивления разрядной среды Я(1:) отражает процесс развития скользящего разряда по поверхности воды. Было установлено, что при развитии разряда экспоненциальный спад тока и напряжения в цепи не имеет места. Разряд формирует линейно падающий характер тока в цепи 1 (1) = 10 (1- 1/т) , где т - время релаксации [6]. Для облегчения коммутации разряда в слой воды обычно добавляют хлористый натрий. При этом сопротивление слоя воды уменьшается от 906 Ом до 200 Ом.
Из 2-ого закона Кирхгофа и закона Ома можно определить сопротивление разрядного канала Я(1) из следующей задачи: Ис (1) + Ик (1) = 0
Ик (1) = 1 ад
1 (1) = 10 (1- ^т) К0) = Япк ,
где Япк - начальное сопротивление плазменного канала. Заряд на
t 1 t конденсаторе равен р (1) = |, а Ис (1) = — |. После преобразований
0 С 0
имеем:
ШЯ Я 1 Ш т -1 С
я(0) = Япк
При условии, что 1 << т получим решение:
т t Я(1) = Т (Япк - £). т-1 С
Основной вывод данного рассмотрения состоит в том, что электрическое сопротивление разрядной цепи Я(1;) имеет слабую зависимость от времени. В начальные моменты времени ток в цепи ограничен только сопротивлением плазменного канала Япк.
Скорость разряда емкостной батареи характеризуется временем релаксации, равным т =Я0С = 100 мс. Из экспериментальных данных следует, что начальное сопротивление плазменного канала Я пк на порядок меньше, чем Я0 и равно Япк = 20 Ом. Скользящий разряд по поверхности воды формируется за время 0,5 мс, которое будем считать временем отсчета протекания тока в цепи.
Тогда начальный ток равен 10 = И0/ Япк = 250 А. Начальный заряд батареи равен р0 = СИ0. Напряжение на батареи за время 11 =5 мс станет
п
си0 -1/0 (г)йг
равным и1 = -о-= 2,5 кВ. Ток в разрядной цепи равен 11 = и / Япк =
с
125 А, который затем линейно уменьшается со временем 1 (1) = 11 (1- 1/х).
Как видно из табл.2, в начальный момент имеет место резкий всплеск тока с амплитудой 250 А, который обусловлен образованием на поверхности воды разрядного плазменного канала. Этому току соответствует большое падение напряжения на батареи. Затем ток разряда убывает по линейному закону.
Таблица 2. Временная зависимость тока скользящего разряда в воде.
1, мс 0,5 5 20 40 60 80 95
1, А 250 125 100 75 50 25 2,5
При больших временах 1 > т ток в цепи связан с электрической зарядкой
водного слоя емкостью С0 = 78,32 пф. Будем считать, что емкость С0
пропорциональна длине скользящего разряда Ь(1:), тогда емкость слоя воды
также зависит от времени С 0(1:). Ток в цепи I равен:
I = йд = 4Ср(г) • и (г)] = + с сЮ_ йг йг йг 0 йг
Если распространение скользящего разряда остановилось, то его длина,
а следовательно, и емкость слоя воды не изменяется йСо = 0. Тогда ток в цепи I
йг
будет равен току смещения I = I
смещ
= с,
йи йг
. Следовательно, при больших
временах ток в цепи обусловлен зарядкой водного слоя и ограничен током смещения.
Волна ионизации при своем движении заряжает распределенную емкость водного слоя (плазменный канал - заземленный анод) при замыкании тока через ток смещения. Вследствие этого, волна ионизации существенно замедляется. Средняя скорость распространения разряда равна V = ЬЛ имп.
Как показывают многочисленные эксперименты, скользящие
поверхностные разряды имеют скорость порядка V ~ 7см ~ 140 м/с и являются
0,5 мс
низкоскоростными. Считаем, что длительность физической стадии развития разряда равна 0,5 мс.
ФОРМИРОВАНИЕ ПЛАЗМЕННОГО КАНАЛА И РИДБЕРГОВСКОГО АЭРОЗОЛЯ. ФИЗИКО - ХИМИЧЕСКАЯ СТАДИЯ.
Низкотемпературная плазма скользящего разряда. Одним из чрезвычайно важных свойств скользящего по поверхности воды разряда является возможность генерации плазмы в безэлектродных реакциях. Электроды катод и анод используются только для возбуждения скользящего разряда и не принимают непосредственного участия в физико-химических реакциях. По своей сути эти безэлектродные реакции являются электрохимическими реакциями.
Другим важным свойством является возможность создания тонкого плазменного слоя («плазменного листа») большой площади за счет формирования многоканального разряда. Механизм образования плазменного канала очень сложен и связан с большим числом физико-химических реакций. Поэтому, рассмотрим физико-химическую стадию только в общих чертах. Все реакции, протекающие в плазменном канале, можно разделить на первичные, вторичные и третичные.
Первичные реакции: Н2О + е- ^ Н2О+ + 2е- (1) Н2 О + е- ^ Н2О* + е- (2) Н2 О* ^ Н + ОН (3) Н2 О* ^ Н2 + О (4) Н2 О + е- ^ Н2О** + е- (5)
е- ^ е- (6)
Н2 О+ + Н2О ^ Нз О+ + ОН (7)
Н2 О+ + ^ ^ Н2 О* (8)
Н2О+ + вщ ^ Н2О* ^ Н* + ОН, (9)
либо ^ Н2О* ^ Н + ОН* (10) Вторичные реакции: ОН + ОН ^ Н2 О 2 (11) Н + ОН ^ Н2 О (12) Н + Н ^ Н2 (13) Третичные реакции: ОН + Н2 ^ Н 2 О + Н (14) Н + О2 ^ ОН + О (15) Н + О2 ^ НО2 (16) О + Н2 ^ ОН + Н (17) 2Н2 + О2 ^ 2Н2О (18)
ОН + Н2 О 2 ^ НО2 + Н 2 О (19) НО2 + Н2О2 ^ ОН + О2 +Н2 О (20) НО2 + НО2 ^ Н2 О2 + О2 (21)
В результате первичных реакций создается область ионизационных и возбужденных состояний, и формируется разрядный плазменный канал. Энергия ионизации !ион в жидкой воде равна 8,76 эВ, что значительно ниже, чем !ион = 12,56 эВ в водяном паре. Поэтому, в жидкой воде эффективно протекают процессы ионизации в реакции (1), которые значительно превышают число возбужденных состояний, образующихся в реакции (2). Электронно-возбужденные состояния Н2О* имеют время жизни ~ 10-12 с, а затем распадаются в соответствие с реакциями (3) - (4). Наряду с образованием возбужденных состояний Н2 О*, в канале образуются также сверхвозбужденные состояния (ридберговские) Н2О** в реакции (5). Это гигантские ридберговские молекулы с диаметром, равным 98 нм, и с временем жизни ~ 58 мкс [4].
Гатчинский разряд позволяет создавать очень высокую плотность таких возбужденных состояний. Электроны ионизации гидратируются в реакции (6).
Возбужденные состояния образуются также в результате рекомбинации в реакции (8), которые затем распадаются в результате процессов диссоциации в реакциях (9) - (10). Ионы Н2 О+, ещ, атомы Н, О, и радикалы ОН образуют
низкотемпературную плазму.
Во вторичных реакциях (11) - (13) протекает гибель радикалов ОН и атомов Н с образованием молекулярных продуктов: перекиси водорода Н2О2 и молекулярного водорода Н2. В третичных реакциях (14) - (21) протекает гибель молекулярных продуктов, включая растворимый в воде кислород.
Возбужденные частицы канала переходят в основные состояния, что вызывает свечение разрядной плазмы. Многие физико-химические реакции являются экзотермическими. Поэтому, в плазменном канале возникает резкий скачок давления и возбуждается ударная волна. На больших расстояниях ударная волна вырождается в звуковую, которая воспринимается как хлопок.
В результате реакции (8) происходит распад плазмы скользящих разрядов. Плотность зарядов в плазме уменьшается с течением времени по закону [15]:
ШПе г,
—е=-рпеп+,
Ш
где в - коэффициент электрон - ионной рекомбинации. Решение этого уравнения имеет вид пе = ^ в ^ . В разрядном канале ионы рекомбинируют за время 10-11 - 10-10 сек. С учетом диффузии ионов при больших 1 имеет место
1
равенство пе , которое позволяет оценить время распада плазмы ~ 10 с .
Специфика плазменного канала скользящих разрядов состоит в том, что в канале протекают относительно большие токи ~ 200 - 20 А. Поэтому, в объеме канала создаются высокие плотности активных частиц, что ведет к большой вероятности гибели частиц при взаимодействии друг с другом. После
прекращения протекания тока в разрядном канале, канал быстро охлаждается и происходит распад разрядной плазмы за ~1 мс.
Образование конденсата ридберговских молекул воды. Гигантские ридберговские молекулы Н2О**, имеющие диаметр 98 нм и время жизни 58 мкс, будут покидать разрядный плазменный канал в виде потока пара с нарастающей концентрацией. Ридберговские молекулы обладают большой поверхностью по сравнению с молекулами воды и имеют тенденцию к конденсации с образованием частичек конденсированного вещества (ридберговского вещества) в виде светящихся шариков.
Пар ридберговских молекул, как и пар обычной воды, представляет собой бесцветный газ. Плазменный канал всегда имеет более высокую температуру по сравнению с окружающим воздухом из - за протекания экзотермических реакций внутри канала. Поэтому, в какой-то момент пар ридберговских молекул воды становится насыщенным и при дальнейшем охлаждении начинает конденсироваться, образуя частицы аэрозоля [Н2О**]п. В эксперименте над разрядными каналами возникает туман в виде белого облачка.
В кварцевой трубке катода образуется тонкая упругая и эластичная пленка с высокой механической прочностью из - за высокого поверхностного натяжения и сильных водородных связей [16,17]. Поднимающаяся вверх пленка с большим запасом поверхностной энергии самопроизвольно стремится минимизировать свою энергию в соответствие с изменением энергии Гиббса: АО < -БёТ + Уёр, где Б - энтропия, Т и р - соответственно температура среды и давление. В результате эволюции пленка «выдувается» в сфероид подобно мыльному пузырю. В процессе формирования оболочки сфероида внутрь его захватываются частицы аэрозоля [Н2О**]п и компоненты воздуха: К2, О2, Аг, Н2О. Таким образом, сфероид имеет структуру типа оболочка - ядро и представляет собой ослепительно светящуюся материю, которая не является плазмой. Следует отметить, что в природе структуру типа оболочка - ядро имеют вирусы [18].
С течением времени частицы аэрозоля [Н20**]п внутри оболочки излучают свет с образованием пара воды:
[Н20**]п ^ [Н20**]т + к и® + кН20 (пар) .
В конце жизни сфероида внутри оболочки образуется большое количество пара воды, который становится насыщенным. По мере подъема сфероида происходит его охлаждение, и пар воды конденсируется: кН20 ^ [Н20]к. Таким образом, ядро сфероида содержит частицы аэрозоля [Н20**]т ридберговских молекул и частицы аэрозоля [Н20]к молекул воды. В работе [19] было установлено, что при прохождении лазерного луча через ДСО наблюдалось рассеяние лазерного излучения на аэрозольных частицах разного размера. Был сделан вывод о том, что внутренность ДСО заполнена водным аэрозолем из двух фракций: одна фракция имеет частицы со средним диаметром 460 мкм, а другая - 19 мкм. По нашему мнению частицы первой фракция являются частицами аэрозоля ридберговских молекул [Н20**]т. Большую разницу в диаметрах частиц разных фракций можно объяснить большим отношением поверхности ридберговской молекулы к поверхности молекулы воды Бв, которое равно / Бв = (ёр/ёв )2 = (98/0,3)2 ~ 105. Вторую фракцию со средним диаметром 19 мкм представляют частицы аэрозоля [Н20]к молекул воды.
Частицы аэрозоля ридберговских молекул со средним диаметром 460 мкм являются довольно крупными частицами. Их диаметры сопоставимы с частицами порошка кофе или с крупными частицами песка, диаметры которых равны ~ 400 мкм. Человеческий глаз способен разглядеть частицы размером 40 микрон, поэтому такие частицы можно наблюдать в эксперименте при разрыве оболочки сфероида. Скорость осаждения таких частиц равна 0,5 м/с.
СТАДИЯ САМООРГАНИЗАЦИИ РИДБЕРГОВСКОГО АЭРОЗОЛЯ И ФОРМИРОВАНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ СТРУКТУР.
При достаточно большой концентрации частиц ридберговский аэрозоль под действием сил поверхностного натяжения имеет тенденцию к
самоорганизации с образованием ряда диссипативных структур, которые последовательно переходят в новые устойчивые структуры. Механизм самоорганизации связан с кооперативным взаимодействием частиц аэрозоля, обусловленный поверхностным натяжением и приводящий к синхронизации внутренних процессов и их когерентному поведению. Необходимым условием самоорганизации с возникновением структур является наличие в системе неустойчивых состояний. Тогда при возникновении в системе спонтанных флуктуаций рождаются новые пространственные структуры. Инициирующим стимулом самоорганизации является стремление аэрозоля к минимизации его поверхности. Управляющим параметром самоорганизации является концентрация ридберговских молекул.
Известно небольшое количество физических систем, в которых имеют место процессы самоорганизации. В гидродинамических системах при подогревании жидкости снизу возникает конвективное движение жидкости. В неравновесном состоянии миллионы молекул двигаются согласовано и образуют ячейки Бенара в форме правильных шестиугольников. Источником порядка становится тепловой поток.
Самоорганизация возникает также в химических системах. При определенных неравновесных условиях реакция Белоусова - Жаботинского демонстрирует колебательный режим. В некоторый момент времени при комнатной температуре вся химическая система внезапно окрашивается в голубой цвет, через несколько минут голубой цвет сменяется красным. Затем красный цвет сменяется голубым.
Процессы самоорганизации имеют место и в молекулярном аэрозоле.
Уникальность самоорганизации аэрозоля ридберговских молекул воды заключается в том, что образуется не одна диссипативная структура, а целый ряд устойчивых структур, которые последовательно переходят из одной структуры в другую. Поэтому, изучение самоорганизации ридберговского аэрозоля будет плодотворным для исследования самоорганизующих структур.
Цилиндрическая структура (струя). На начальной стадии вокруг катода к моменту времени 10 мс образуется воздушный аэрозоль ридберговских молекул. Цилиндрическая структура формируется, если концентрация частиц аэрозоля недостаточна для образования пленки на поверхности воды внутри кварцевой трубки катода. Взаимодействие между частицами отсутствует. Поверхностное натяжение частиц также отсутствует. При подходящем подборе параметров электрического разряда в эксперименте [8] удавалось наблюдалась цилиндрическую структуру (струю). Это тривиальная структура, представляющая собой поток невзаимодействующих частиц аэрозоля. Струя, помещенная в горизонтальное электрическое поле конденсатора, должна отклоняться от вертикального направления. С ростом напряженности электрического поля время жизни струи будет резко уменьшаться из - за автоионизации ридберговских молекул Н20** ^ Н20+ + е-.
Купольная структура. С увеличением начальной концентрации частиц аэрозоля между частицами возникнет коллективное взаимодействие, обусловленное поверхностным натяжением. Через несколько миллисекунд после формирования разрядных лидеров на поверхности воды из ридберговских молекул в трубчатом катоде формируется пленка. На эксперименте она визуализируется в виде святящегося выпуклого пятна [20]. Одновременно вокруг катода образуется водяной аэрозоль из ридберговских молекул. В эксперименте уже через 20 мс лидерные каналы визуально плохо видны из -за ридберговского тумана.
К моменту времени 12 — 60 мс происходит подъем пленки, которая деформируется с образованием купольной структуры. Форма купола образуется благодаря тому, что частицы аэрозоля из-за нарастания поверхностного натяжения самопроизвольно стремятся образовать выпуклую снаружи структуру, близкую к форме тела вращения, и представляющую собой сегмент сферы (полусферы). Причем, чем больше частиц вовлечены в построение структуры, тем ближе она приближается по форме к полусфере.
Таким образом, эволюция ДСО должна представлять собой ряд структур сферических поверхностей. Ранее было показано, что сферическая поверхность пленки состоит из элементарных ячеек шести и пятиугольников [17].
Грибовидная структура. С течением времени купол разрастается в атмосферном воздухе в радиальном направлении с увеличением длины пленки, скрывая свечение разрядных лидеров. При этом частицы пленки взаимодействует с частицами аэрозоля, и ко времени 80 мс образовавшаяся структура представляет собой купол со столбом аэрозольных частиц в виде грибовидной формы. Грибовидная структура возникает в результате того, что поверхностное натяжение между частицами еще недостаточно сильное. Принципиально важно, что грибовидная структура формируются в неавтономной фазе, когда имеется связь с разрядом емкостной батареи. Экспериментально можно установить, что свечение периферии этой структуры, находящейся на расстоянии в несколько сантиметров от катода, не зависит от параметров разряда. Это служит доказательством того, что структура состоит из возбужденных молекул воды и не связана с частицами разрядной плазмы.
Шарообразная структура. Грибовидная структура не является термодинамически устойчивой системой. В процессе эволюции структуры неустойчивость системы только нарастает. Система стремится принять более устойчивую форму, минимизируя энергию АО = оАб ^шт, где Аб - изменение поверхности. Минимизация энергии будет протекать за счет минимизации поверхности Аб ^шт. В результате к моменту времени t ~
100 мс происходит замыкание куполообразной пленки в сферическую оболочку с образованием сфероида. В отличие от грибовидной структуры в данном случае поверхность имеет минимально возможное значение. Сфероид имеет наименьшее отношение его площади к внутреннему объёму среди всех фигур одинакового объема. При замыкании пленки происходит захват ридберговского аэрозоля во внутрь оболочки сфероида. Ридберговский сфероид имеет четкую границу с атмосферным воздухом, а его структура состоит из оболочки и ядра. Динамика формирования сфероида приведена на рис.2 и
обусловлена нарастанием поверхностного натяжения между частицами аэрозоля.
Выбрасывание частиц с поверхности сфероида. Сфера очень легкая и прочная конструкция с идеальная аэродинамической формой, благодаря чему сферическая форма обеспечивает хорошее огибание воздушных потоков и достаточно высокую устойчивость оболочки.
12 мс 60 мс 80 мс 100 мс
Рисунок 2. Динамика формирования сфероида.
Тем не менее, в работе [20] через 70 мс после образования оболочки было визуально обнаружено выбрасывание светящихся шариков с поверхности оболочки. По нашему мнению, это происходит из-за аэродинамических неустойчивостей в процессе подъема ДСО в воздушном потоке. Шарики представляют собой кластеры (капли) ридберговских молекул.
Тороидальная структура. В результате аэродинамических неустойчивостей происходит локальное понижение поверхностного натяжения оболочки сфероида, снижается ее упругость, происходит механическая деформация и локальный прорыв поверхности оболочки с образованием дырки. Разрыв оболочки с большой вероятностью может привести к гибели сфероида. Альтернативное событие состоит в том, что оболочка сфероида с дыркой за время 28 мс перестраивается в тороидальную структуру. Образование тора также происходит в результате минимизации поверхности, как и в случае шарообразной структуры. Наиболее поразительным фактом является то, что через 33 мс тороидальная структура самопроизвольно перестраивается обратно в сфероид [20].
Структура типа крендель. Топологические свойства сфероида. Из
предыдущего рассмотрения следует, что трехмерные геометрические структуры способны самопроизвольно перестраиваться одна в другую и обратно. Возникает вопрос: какими свойствами должна обладать поверхность сфероида, чтобы это было возможно? Во - первых, поверхность сфероида должна обладать сильным поверхностным натяжением. Во - вторых, сфероид должен быть диссипативной системой, в которой в процессе самоорганизации возможно возникновение пространственных структур [21]. В - третьих, оболочка сфероида должна состоять из молекул, которые образуют сплошную и непрерывную среду.
Предположим, что оболочка является сплошной и абсолютно упругой. На микроскопическом уровне деформация связана со смещением ридберговских молекул, мерой которого является механическое напряжение. В результате последовательности упругих деформаций оболочка оказывается в новом равновесном состоянии. Это обеспечивается принципом суперпозиции напряжений, согласно которому всякая новая деформация вызывает такие же добавочные напряжения, как если бы все прежние деформации отсутствовали. В результате последовательности деформаций получается напряжение, равное сумме всех тех напряжений, которые возникли бы, если бы каждая из деформаций существовала отдельно.
По нашему мнению, преобразование сферы в тор проходит следующим образом. На оболочке сфероида развиваются неустойчивости, которые способствуют ее локальному утончению вплоть до образования дырки. Молекулы оболочки самопроизвольно стремятся минимизировать ее поверхность путем упругих деформаций: сжатие(растяжение), сдвиг, кручение и изгиб. Деформация оболочки не должна ее разрывать, т.е. она должна оставаться непрерывной. Деформация также не должна приводить к склеиванию ее различных точек. В результате минимизации поверхности под действием таких деформаций образуется тор. Это значит, что оболочка сфероида должна обладать топологическими свойствами, т.е. это объект,
который сохраняет свои свойства при непрерывных преобразованиях. Для этого необходимо, чтобы оболочка имела минимальную поверхность, была механически прочной, упругой и эластичной.
Из топологии известно, что сфера с двумя дырками и крендель являются топологически эквивалентными (гомеоморфными), т.е. можно непрерывным образом перейти от одной из этих фигур к другой и непрерывным же образом вернуться обратно [23]. Можно предсказать, что если бы в ходе эксперимента в оболочке сфероида образовалось сразу две дырки (физически это возможно, хотя менее вероятно, чем образование одной дырки), то сформировалась бы структура типа крендель, см. рис.3.
В таб.3 представлены типы структур и времена их образования. Купольная и грибовидная структуры формируются в неавтономной фазе, когда имеется связь с разрядом батареи. Граница между этими фазами находится во временном диапазоне 80 - 100 мс.
Рисунок 3. Динамика трансформации сфероида в крендель (на поверхности сфероида две дырки не изображены).
Таблица 3. Типы структур, стадии и времена их образования.
Тип структуры Время, мс
Физическая стадия
Система стримеров коронного разряда в виде голубоватого чехла 0,1 мкс
Система лидерных каналов длиной 7 см 0,5
Физическо-химическая стадия (неавтономная фаза)
Конденсат ридберговских молекул (формируется облачко тумана) 8
Ридбеговская пленка ( из пленки формируется оболочка сфероида) 8
Купольная структура 12
Грибовидная структура 80
Стадия самоорганизации структур (автономная фаза)
Шарообразная структура 100
Шарообразная структура с выбросом капель с оболочки сфероида 165
Шарообразная структура с детализацией структуры (оболочка - ядро) 170
Оболочка сфероида, содержащая бугорчатые поверхности 190
Тороидальная структура 200
Шарообразная структура после трансформации тора 235
Структура типа крендель -
ДЕГРАДАЦИЯ СФЕРОИДА И ЕГО ГИБЕЛЬ.
В начальной стадии вертикального подъема сфероида диаметром 18 см в воздушной атмосфере его скорость равна ~ 1 м/с. При всплывании сфероида за счет трения между текучими средами на оболочке сфероида могут возникать колебания частиц. Под действием поверхностного натяжения оболочки и за счет поверхностной энергии деформация оболочки сфероида генерирует капиллярные волны (рябь). Поверхность оболочки становится возмущённой и похожей на бугорчатую поверхность. Возбуждение капиллярных волн (КВ) наблюдали в работе [20].
Для возникновения КВ на оболочке сфероида значение амплитуды возбуждающих колебаний должно достигать некоторого порогового значения
Ап = , где 5 - декремент затухания, ю - частота колебаний, Кк = 2п/Ак (А* -длина капиллярной волны). Амплитуда волн находится в диапазоне 1 - 6 мкм. Скорость КВ V определяется ее длиной Ак и свойствами среды [24] V =
К
2п(!
Кр '
где а и р - поверхностное натяжение и плотность среды.
Согласно капиллярно - волновой гипотезе, даже при незначительном превышении амплитудой колебаний А порогового значения Ап происходит экспоненциальное нарастание как амплитуды КВ, так и характерной длины волны возмущения. Поверхность сфероида становится неровной. На ней возникают вспучивания и бугорки, которые поднимаются и опускаются [20].
В результате капли аэрозоля образуются путем отрыва их от гребней КВ конечной амплитуды. Из - за нарушения целостности оболочки произойдет ее разрушение и гибель сфероида с выбросом аэрозолей ядра в атмосферу, либо перестройка сфероида в другие структуры. Окончательная гибель этих структур будет обусловлена переходом ридберговских молекул в основное состояние и превращением их в молекулы воды.
ФОРМИРОВАНИЕ ШАРОВОЙ МОЛНИИ В ПРИРОДЕ.
Как правило, шаровую молнию (ШМ) порождает линейная молния, которая возникает внутри грозового облака. Формирование облаков в атмосфере протекает в результате мощных восходящих воздушных потоков и интенсивной конденсации в них водяных паров. При этом происходит образование и разделение электрических зарядов. Микроскопические капли воды захватывают отрицательные ионы с последующей дипольной релаксацией молекул таким образом, что внутри капли потенциал оказывается на 0.26 В выше, чем снаружи [15]. Капля захватывает отрицательные ионы до тех пор, пока разность потенциалов не исчезнет. По мере захвата отрицательных ионов, капли постепенно опускаются. Положительные заряды, не захваченные каплями, остаются наверху. В результате в облаке образуются разделенные очень большим расстоянием "электроды", заряженные до высокого напряжения.
При росте концентрации отрицательных ионов в нижней части облака увеличивается напряженность электрического поля. При критическом значении напряженности ~ 20 кВ/см начинает развиваться внутри облака искровой разряд по лидерному механизму.
На начальной стадии молния представляет собой плазменный канал, развивающийся со средней скоростью в среднем 1,5 м/с. Плазма имеет плотность, равную ~ 1017 см~3 .Ток в канале за 5-10 мкс достигает десятков и даже 1-2 сотни килоампер, а затем за время 25-200 мкс спадает до половины амплитудного значения. Канал разряда разогревается до температуры (20-30)-103 °С. В завершающей (финальной) стадии молнии по каналу в течение десятков миллисекунд проходит ток порядка десятков, сотен ампер. В это время нейтрализуются заряды облака. Молния, как световая вспышка, может длиться до 1 с, но чаще всего длительность удара молнии не превышает 200 мс.
Согласно нашему рассмотрению, необходимым условием формирования ШМ является наличие многоканального разряда. Для этого должно иметь место не только высокое электрическое напряжение между электрическим зарядами в
облаке, но и большая скорость нарастания этого напряжения, равная ёЦ/ё > 1012 В/см. При этих условиях ШМ возникнет в области пересечения нескольких искровых каналов. Поэтому, в облаке должна реализоваться разветвленная молния, т.е. молния, имеющая точку разветвления нескольких каналов. Разветвленная молния по своей природе является линейной молнией, разряд в которой происходит не по одному, а по системе нескольких каналов.
Разветвленные молнии возникают среди внутриоблачных молний, доля которых растет по мере смещения к экватору, меняясь от 0,5 в умеренных широтах до 0,9 в экваториальной полосе. Внутриоблачная молния известна как "листовая молния", яркие вспышки света которой освещают почти всю область облака, придавая ей вид плазменного листа. Из этого плазменного листа формируется ШМ.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.
Рассмотрена единая схема возникновения, эволюции и гибели ридберговского сфероида. Рождение сфероида протекает в условиях многоканальных скользящих разрядов. Многоканальность разрядов играет ключевую роль, т.к. позволяет перейти от линейного (одномерного) распределения активных частиц в плазме разряда к двумерному распределению или плазменному листу. В таких условиях вблизи плазменного листа удается создать высокую концентрацию ридберговских молекул воды. При критической концентрации молекул образуется конденсат в виде аэрозоля с двумя распределениями частиц со средним диаметром частиц, равным 460 и 19 мкм. Этот конденсат представляет собой туман ридберговских молекул воды.
Ридберговский аэрозоль является самоорганизующейся и эволюционирующей системой, в которой возникают надмолекулярные структуры: куполообразная, грибовидная, сфероидальная, тороидальная и структура типа крендель. В этом проявляется феномен структурной самоорганизации, заключающейся в том, что в процессе эволюции возникает последовательность сложных надмолекулярных структур. При этом происходит
спонтанный переход от менее сложной к более сложной структуре, проявляя признаки иерархической системы. Сделан вывод, что диссипативные структуры типа сфероидальной, тороидальной и крендель являются лучистой материей и пятым агрегатным состоянием воды.
Рассмотренный механизм возникновения и эволюции ридберговского сфероида позволяет объяснить рождение шаровой молнии в процессе искрового разряда линейной молнии. Возникновение шаровой молнии возможно в области внутриоблачной (листовой) молнии, разряд в которой происходит по системе нескольких каналов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Келдыш Л.В. Труды IX Международной конференции по физике полупроводников // 1968. Ленинград. Наука. С. 1303;
2. Маныкин Э.А., Ожован М.И., Полуэктов П.П. О возможности металлизации газа в возбужденном состоянии //Письма в ЖТФ. 1980. Т. 6. Вып. 4. С. 218 - 220;
3. Holmlid L., Manykin E.A. Rydberg matter - a longlived excided state of matter // ЖЭТФ 1992. Т. 102. Вып. 3 (9). С. 804-813;
4. Сухоносов В.Я. О возможности образования ридберговского вещества в облученной быстрыми электронами жидкой воде //Международный научный журнал «Вестник науки». 2022. Т.4. № 12 (57). С. 391-411;
5. Белошеев В.П. Устройство для обеззараживания и очистки питьевой и сточных вод // Патент РФ № 2042641 от 14.05.92 г;
6. Белошеев В.П. Особенности формирования искрового разряда по поверхности воды // ЖТФ 1996 т. 66. вып. 8 .С. 50 - 58;
7. Белошеев В.П. Самоорганизация структуры лидерного разряда по поверхности воды //ЖТФ 2000 т. 70. вып. 7 .С. 109 - 114;
8. Егоров А. И., Степанов С. И., Шабанов Г. Д. Демонстрация шаровой молнии в лаборатории // УФН. 2004. Т. 174. № 1. С. 107-109;
9. 9.Zhao Shixin, Yuan Chengxun, Кудрявцев А.А., Жеребцов О.М., Шабанов Г.Д. Исследование динамики формирования плазмоидов в гатчинском разряде //ЖТФ 2021 т. 91. вып. 7. С. 1108 - 1123;
10. Важов В.Ф., Лавринович В.А. Техника высоких напряжений // 2015. М.: ИНФРА - М. 263 с;
11. Сканави Г.И. Физика диэлектриков (область сильных полей) // 1958. М.: ГИФМЛ;
12. Бутенко В.А., Важов В.Ф., Кузнецов Ю.И. и др. Техника высоких напряжений // Томск. Изд-во ТПУ. 2008. 118 с;
13. Базелян Э.М., Ражанский И.М. Искровой разряд в воздухе // 1988. Новосибирск. Наука. 165 с;
14. Журавлев О.А., Некрасов В.В., Шорин В.П. Исследование процессов формирования плазменных электродов импульсных и импульсно-периодических СО2 -лазеров атмосферного давления - Самара: НПО "Импульс", 1997. - 140 с;
15. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. М.: Наука, 1992. 536 с;
16. Сухоносов В.Я. Аэрозольная модель ридберговского вещества воды // Международный научный журнал «Вестник науки». 2023. Т.1. №6 (63) С.1096-1114;
17. Сухоносов В.Я. Самоорганизация выпуклой оболочки ридберговского сфероида в виде сферического квазикристалла // Международный научный журнал «Вестник науки». 2024. Т.2. №3 (72). С. 356 -377;
18. Войтеховский Ю.Л. Кристалломорфология сферических вирусов // Записки Горного института. 2021. Т.248. С. 190 - 194;
19. Черемисин А.А., Исаков В.П., Шишкин Е.А., Онищук А.А., Пармон В.Н. Водный аэрозоль в искусственном аналоге природной шаровой молнии // Вестник РАН 2023. т.93. №2. С.171 - 178;
20. Ким Д.Ч., Семенов А.С., Бебихов Ю.В., Ефимов В.А., Спиридонов В.М., Татаринов П.С. Разработка и испытание установки для изучения лабораторного
аналога шаровой молнии. Вестник Северо-Восточного федерального университета им. М.К. Аммосова 2020. № 6(80). С. 34-47;
21. Пригожин И. От существующего к возникающему: время и сложность в физических науках. Изд. 2-е. доп. М.: Едиториал УРСС. 2002. 288 с;
22. Болтянский В.Г., Ефремович В.А. Наглядная топология. 1983, М.: Наука. 160 с;
23. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика. Т. VI. Гидродинамика. Изд. 4-е. М.: Наука.1988.736 с.
Sukhonosov V.Ya.
Candidate of Physical and Mathematical Sciences [email protected]
(Obninsk, Russia)
EMERGENCE, EVOLUTION AND DEATH OF THE RYDBERG SPHEROID
Abstract: the mechanism of occurrence of sliding discharges on the surface of water in the configuration of electrodes tip - surface of water is considered. The main parameters of the sliding discharge within the framework of the Gatchina discharge are estimated. It is noted that in a sharply inhomogeneous electric field with a steep voltage rise front in the discharge gap, the sliding discharge becomes multi-channel. As a result, linear sliding discharges form a two-dimensional region with the formation of a plasma sheet.
The electrodeless physicochemical reactions of a sliding discharge water plasma are presented. Giant Rydberg molecules form in the discharge channel, which leave the channel and form an aerosol condensate in the atmosphere. The Rydberg aerosol is a self-organizing and evolving system in which the phenomenon of structural self-organization arises, which consists in the fact that in the process of evolution a sequence of complex dissipative structures arises. These structures are radiant matter and they are the fifth aggregate state of water.
Keywords: sliding discharge, Rydberg matter, self-organization, dissipative structures, radiant matter, ball lightning.
