Как устроена молниетворная машина Грозовой Ячейки?

// Это один из тех редких случаев, когда следствия
намного интереснее, гораздо важнее и потому
значимее причины, их вызвавшей…//
( Неужели это я сказал!?)

Считается установленным, что лидер – пучок отрицательных ионов, - для простоты картины, - электронов, продвигается от облака к Земле ступенчато ( с шагом примерно в 50 м.) со значительной скоростью (10Е6-10Е7 м/с.); в конце ступени тормозится. За ним следует второй лидер, продвигающийся еще дальше первого на ступень и т.д. (паузы между разрядами составляют миллисекунды), пока не образуется между облаком и Землей хорошо проводящий канал, насыщенный ионами. Затем следует безостановочный марш-бросок лидера, который иногда называют «темным лидером» (из-за слабого свечения разрядного канала), почти до самой Земли. Однако есть утверждение, что, когда «темный лидер» чуть не достигает Земли (на высоте 0-50м), - ему навстречу устремляется стример, - пучок положительно заряженных ионов. Если причина «темный лидер», тогда стример, - следствие. Из исследований предельных и пороговых токов электронного пучка в плазме выявлен эффект: когда электронный ток запирается, т.е. тормозится до полной остановки, - говорят, - образовался «виртуальный катод». Это, несомненно, реальный объект, от которого отражаются электроны. На детектировании отраженных электронов и основано это утверждение. Это надо понимать как создание в динамике разряда электронного (или ионного) «фокуса».

С одной стороны, - «остановка» сгустка электронов означает возникновение чудовищных сил взаимного отталкивания, которые, если их не компенсировать или не экранировать, - мгновенно, в виде взрыва, разбросают во все стороны электроны головки лидера, т.к. в ней появились экстрасильные электрические поля. С другой стороны, если реализовался главный разряд, - стример, - который высвечивает весь «протоптанный» «темным лидером» канал, т.е. полный пробой состоялся, и это означает, что остановка лидера закономерна. Энергия для создания возвратного или главного разряда передалась из облака стримеру через «темный лидер», который в данном случае сыграл роль «посредника». Здесь усматривается строго обусловленная конфигурация взаимодействия сгустка электронов, - «виртуального катода» и нарождающегося стримера…

Но прежде хотелось бы понять, - как же образуется и работает та «электронная пушка», которая рождает лидера, «темного лидера» и весьма скорострельна!!! ( Прямо автомат Калашникова!!!).

Кстати, - «электронная пушка», - это устройство, которое в основном состоит из источника электронов, - катода и анода, - положительно заряженного кольца, играющего роль ускорителя электронов.

Известно, что сформировавшееся грозовое облако в поперечнике имеет 6-8 км, а высота может составлять 10-15 км. Верхняя часть облака имеет положительный заряд, нижняя, - отрицательный. Однако, как правило, в центре нижней оконечности ГЯ обнаруживается область концентрации положительного заряда, которая, по всей видимости, является необходимым условием для развития искровой активности системы. Это так называемая трехполюсная или трипольная структура грозового облака, объяснение которой является пробным или краеугольным камнем преткновения для любой гипотезы.

Специалисты считают, что в грозовой ячейке (ГЯ) несомненно должна «работать» огромная, быстродействующая машина, - генератор разделения зарядов, которая за 5с /Фейнман…/, или 15-20с /Мареев, Трахтенгерц, «Природа»№3, 2007г./ снова приводит ячейку в состояние разрядной готовности. Профессионалы считают, что в ГЯ самопроизвольно или случайно могут возникнуть условия для этого… Скажу честно: если физика предложенных механизмов разделения зарядов более или менее понятна, в причинах их последующей концентрации, а также развития искровой активности, - я так и не разобрался или не понял, В общем, сложновато для среднего ума (непрофессионала), но безумно интересно !

И, движимый этим интересом, подкрепленным самоуверенностью дилетанта, я взялся за работу, и, как мне кажется, получил на выходе альтернативный сценарий возникновения в ГЯ областей концентрации одноименных зарядов – ПОЗ (положительный объемный заряд) и ООЗ(отрицательный объемный заряд), - очагов разрядной активности с вполне адекватными причинно-следственными связями между процессами.

Следует заметить, что система: облако и восходящий поток влажного и теплого воздуха представляет собой классический образец неравновесной системы. Компонента меньшей плотности, - теплый и влажный воздух, - внизу, а более плотная, - холодный воздух с переохлажденными парами воды и снежинками со льдинками, - вверху). Вспомним, что в системах с неустойчивым равновесием могут и появляются самопроизвольно структуры типа ячеек Бенара…Аксиоматика синергетики состоит в том, что в неравновесных системах, где имеются потоки материи и (или) энергии, спонтанно возникают структуры, обеспечивающие наименьшие потери энергии наружу, а может быть, даже поглощающие ее из окружающей среды.

Наподобие дымовых колец, выпускаемых иногда курильщиками со стажем, но только очень больших размеров: сотни метров в диаметре, может даже километры. Лучшей (более понятной) цитаты о динамике развития, причинах стабильности и разрушения ВК, чем у А.В. Никитина //Вихрь и вихревой движитель//, я не нашел. Приведу ее полностью: «…За счет чего вихрь сохраняет стабильность? За счет низкого давления на оси вращения по средней линии. Система закрытая. Чем больше скорость вращения вихря, тем сильнее разрежение. Оно не дает частицам вихря разбежаться и удерживает баланс сил в структуре кольцевого вихря. С другой стороны, чем больше разрежение, тем более высокую скорость может развить поток, и тем большие центробежные силы будут сохранять равновесие системы. Чем дальше от центральной линии, тем меньше разность давлений, тем меньше компенсирующая скорость потока.

Трение постепенно нарушает баланс сил. Вязкость среды тормозит поток, скорость вращения постепенно падает, разность давлений уменьшается, и вихрь уже не может удержать весь объем. Он начинает терять массу, но наиболее сильное торможение вихрь испытывает на внешней стороне, там и потери наибольшие, Компенсация потерь идет за счет приближения средней линии вращения к периферии. Вихрь увеличивается в размерах по средней линии, но уменьшается его поток вращения. Вихрь «худеет». Когда разность давлений станет совсем незначительной, вихрь уже более ничем не удерживается, и центробежные силы разваливают вихрь на отдельные потоки…».

Специальные снимки ВК показывают, что оно представляет собой туго свернутую спираль, причем шаг спирали закономерно возрастает от средней линии к периферии вихревого кольца. Это некий спирально закрученный рулет в форме бублика или тороида. Чтобы подчеркнуть генетическую морфологию ВК и из соображений краткости назовем его – спироид. Спироид состоит из двух поверхностей: одна создана из порции газа (водяного пара и т.д.), которой сообщили начальный импульс каким-либо способом (удар по мембране в аппарате Тэта; подрыв взрывчатки на дне бочки), а вторая (на снимке темная, как фон) является попутным или спутным потоком , «прихваченным» с периферии во время образования ВК. Одна из поверхностей может служить для другой в качестве прокладки или изолятора, если последняя электрически заряжена. Применительно к нашей теме эту конструкцию можно назвать спироидальным конденсатором; точнее накопителем, аккумулятором заряда: однако надо иметь ввиду, что в отличие от классического конденсатора, - накопителя равных разноименных зарядов, спироид приобретает, упаковывает заряд одного знака, и еще: эти заряды являются связанными наподобие зарядов на поверхности твердого диэлектрика. Таким образом, - спироид – это поверхность, «нашпигованная» носителями одноименного заряда. И эта особенность придает структуре добавочную упругость за счет электростатических сил взаимного отталкивания слоев и является стабилизирующим фактором. Своеобразная структура спироида обеспечивает значительную экранировку зарядов через один слой. Например, третий слой слабо «чувствует» первый и пятый и т.д. Эффективное взаимодействие, видимо, реализуется между соседними слоями. Таким образом, можно сказать, что на этапе зарождения и развития ВК электростатические силы взаимодействия слоев являются короткодействующими. Внутреннее поле на этом этапе практически закрыто.

Поверхностная плотность заряда недостаточна для образования слоя с металлической проводимостью. Оставляя специалистам тонкости разделения зарядов при различных фазовых переходах и других физических процессах, попробуем выстроить схему развития искровой или молниевой активности. Для успеха нам понадобятся по меньшей мере два вихревых кольца: в нижней части ГЯ положительно заряженное ВК; над ним ВК с отрицательным зарядом. Появление длинной искры или молнии возможно лишь при достижении между электродами пробойной напряженности электрического поля (Е). Это означает, что со временем Е должна, как ни странно, расти вопреки здравому смыслу: по всем законам неупорядоченные заряды не могут «добровольно» концентрироваться; разбегаться, рекомбинировать, - это пожалуйста! (Логика не универсальный путь к познанию истины, - это зачастую способ оправдания, обоснования своих заблуждений…). Однако это происходит!

Из-за разности угловых скоростей вращения слоев центра и периферии постепенно нарушается спиральность ВК, начиная от центра; этому дополнительно способствует одноименный заряд, который стремится распределиться на внешней стороне замкнутой поверхности. С наименьшими затратами энергии спироид может превратиться в тороид. Система вращающаяся. Увеличивающийся в размерах центральный тороид «наматывает» на себя спиральную поверхность спироида изнутри вместе с ее зарядом: поверхостная плотность заряда тороида неуклонно растет; возрастающая Е раздвигает спирали периферии. В результате ВК приобретает новое свойство, - электромагнитное. Полоидально вращающиеся заряды создают круговой электрический ток и магнитное поле своеобразного соленоида по круговой оси. Новое качество существенно расширяет способы взаимодействия спироида с окружающей средой. Таким образом, если даже у ВК вследствие развития каких-то процессов распадается внешняя спираль, на ее место выдвигается последующая.

Из практики импульсных плазменных ускорителей (ИПУ) с напуском рабочего газа в межэлектродное пространство известно: электрический разряд (пробой) «добирает», восполняет дефицит массы за счет эрозии (разрушения, деструкции) материала электродов и изолятора. «Берет» сколько нужно, - не больше и не меньше. Масса вовлеченного в разряд вещества, по-видимому, в общем случае зависит от конкретных свойств пространства и энергоемкости процесса.

В какой-то момент Е достигает пробойного значения: между двумя ВК (верхним и нижним) с кольцевым распределением зарядов (ООЗ и ПОЗ в вертикальной проекции) наступает фаза разрядной активности.

Специалисты отмечают воспроизводимую зависимость частоты и интенсивности молниевых разрядов от времени. В частности, в "Арсеньев Сергей со ссылкой на данные Качурина…" отмечается, что в начале грозы разряды молний следуют чаще, но менее мощные; ближе к концу, - реже, но более мощные. Это прямое указание на существование четкой и динамичной структуры у ПОЗ и ООЗ: в начале грозы расстояние между ними меньше и разряд происходит при меньшей разности потенциалов между очагами (отсюда малая мощность), большая частота свидетельствует о том, что предпробойное поле воссоздается почти на том же месте, что и предыдущее. Как будто на смену одному структурному фрагменту приходит другой носитель одноименного заряда (…за павшим строем свежий строй!); это похоже на чередование подобных друг другу заряженных поверхностей, разделенных в пространстве на минимально возможное расстояние. Надо сказать, что эта структура обнаруживает завидную стабильность в течение всего времени активной фазы грозы:»…при полном цикле жизни около часа, длительность стадии зрелости равна 15-30 мин, стадии затухания – около 30мин…». "Всеволод Арабаджи. Грозы планеты".

В условиях слабопроводящей среды (ГЯ) процесс образования и развития ВК может оказаться решающим для разделения и концентрации зарядов.

Естественно назвать первопричиной зарождения вихревой структуры циклонический подъем теплого и влажного воздуха от подстилающей поверхности. Поток (до 30 м/с и больше) насыщен парами воды, а вода, испарившаяся с поверхности Земли, - изначально имеет тот же заряд, что и Земля, - отрицательный. В северном полушарии (СП) вертикальная составляющая магнитного поля Земли направлена вниз. Набегающие по касательной в зону депрессии потоки теплого и влажного воздуха несут отрицательный заряд. На них действует сила Лоренца, закручивающая их против часовой стрелки (если смотреть сверху). Ток направлен антипараллельно потоку. Вспомним правило левой руки: 4 вытянутых пальца располагаем по направлению электрического тока, т.е. от зоны депрессии против потока; силовые линии магнитного поля входят в ладонь (т.е. ладонь вверх), и тогда, отогнутый на прямой угол (90 град) большой палец покажет направление действия силы Лоренца (или Ампера). Если смотреть сверху, потоки должны закручиваться против часовой стрелки. Итак, поток теплого и влажного воздуха вращается против часовой стрелки и одновременно поднимается вверх, т.е. совершает подъем по спирали. Совсем как циклон (да простят меня апологеты мифической силы Кориолиса !). Антициклоны, наоборот, вращаются в СП по часовой стрелке и представляют собой нисходящий, холодный поток сухого воздуха. Есть обоснованное подозрение, что они несут положительный заряд (возможно стратосферный, с высоты около 50 км). Уместно заметить, что циклоны и антициклоны каждый по своему «работают» на уничтожение отрицательного заряда Земли и положительного – стратосферы, т.е. они «стремятся» выровнять их потенциалы. В связи с этим закономерно появляется вопрос: какой же процесс эффективно восполняет отрицательный заряд Земли?.

Существует проблема: в ламинарном потоке гидродинамически невозможно образование устойчивых ВК, - они получаются только из импульсного, дискретного потока. Однако для вращающегося потока это неверно. На принципиальную возможность этого указывает, в частности, образование семейства ВК вокруг вертикального вращающегося в воде цилиндра. Цилиндр внезапно начинают вращать; через некоторое время примерно на равных расстояниях по его высоте образуются кольцеобразные вихри; они растут и сливаются "Институт механики МГУ. Механика жидкости и газа. Рис.121.". Дальнейшие рассуждения основываются на возможности образования семейства ВК вокруг вращающегося потока и на обширном материале обзорной статьи "Мареев, Трахтенгерц". Однако думается, что это не единственно возможный вариант развития событий, так как цельной картины динамики конвективных потоков в ГЯ нет. В частности, лично я в доступных мне источниках не нашел даже упоминания о возможности образования ВК в грозовой ячейке…

Восходящий вертикальный поток теплого влажного воздуха проходит последовательно области с разными термодинамическими условиями. С высотой температура снижается примерно от 0 до -40 град (стоград.шкала); давление также закономерно падает с высотой. Поток влажного воздуха сначала попадает в так называемую зону нулевой изотермы, где он интенсивно теряет свою влажность за счет эффективного контакта с нижней частью облака, наполненной холодными каплями воды, которые служат центрами конденсации паров воды, - пар «вымораживается». Одновременно с парами воды из потока в окружающий объем удаляется отрицательный заряд, который несли пары воды, - нижняя часть облака заряжается соответственно. Эти процессы идут параллельно и благодаря образованию ВК: сначала при внедрении потока в подобную среду (облако) образуется грибовидный объект: шляпка гриба с загибающимися вниз и внутрь краями (начальный этап вихревого кольца) и ножка, - восходящий поток. Между этими двумя сонаправленными ламинарными потоками возникает зона сильного разрежения. В эту зону устремляется периферийный газ из «невозмущенной» области, не участвовавшей в трении и обмене зарядами. По своей родословной это – спутный поток. Этот поток как раз и образует вторую поверхность спироида, обеспечивающую положительный заряд ВК (считается, что облако изначально целиком заряжено положительно). Процесс этот сопровождается многократным увеличением площади контактной поверхности; прореагировавший и электростатически нейтральный слой немедленно сворачивается внутрь вихревого кольца, а благодаря росту объема ВК его последующие слои контактируют (и реагируют) уже со «свежим» объемом облака. Обе поверхности спироида зарождаются одновременно и кинетически представляют собой ускоренный процесс: элемент внешней спиральной поверхности (разумеется, какой-то конечной толщины) в виде кольца большего диаметра при транспортировке внутрь вихря (спираль меньшего диаметра) обязан сжаться (уменьшается объем и, как следствие, растет плотность), либо увеличить скорость.

На самом деле, вероятно, происходит и то и другое. При этом часть внутренней энергии потока, преобразованного в ВК, превращается в кинетическую энергию ускоряющихся слоев спироида, что приводит к дополнительному снижению температуры последнего. Ранее теплоотдача потока была обусловлена почти адиабатическим расширением восходящего потока (внешний признак процесса: облако «клубится»), конденсацией паров и охлаждением получившейся при этом воды. За счет полученной энергии температура нижней части облака (вне ВК) становится существенно выше установившейся до вторжения в нее восходящего потока. Облако в целом как система становится неравновесным.

Итак, какую виртуальную ситуацию в результате мы получили?

    1. Нижняя часть облака целиком поменяла заряд с положительного на отрицательный; облако стало гидродинамически неустойчивым из-за приобретенной за счет теплообмена высокой температуры.

    2. В центральной области нижней части облака образовалась обособленная зона, состоящая из сухого и холодного воздуха, заряженная целиком положительно. Электро – и теплообмен затруднены, так как вихревое кольцо, пока существует, является системой замкнутой.

    3. Существование холодной зоны косвенно подтверждает тот факт, что непосредственно перед грозой регулярно наблюдается нисходящий холодный поток воздуха, доходящий до поверхности Земли.

Таким образом, объемно рассеянный заряд облака концентрируется на поверхности многослойной структуры спироида. Более эффективного способа разделения, концентрации и упаковки зарядов, пожалуй, и придумать трудно…

Затем поток может достичь высоты с интервалом температур -15 и -20 гр.С. Это так называемая точка реверса, - температура, при которой меняется знак приращения заряда, которым обмениваются частицы. Речь идет о безындукционном разделении зарядов при столкновении мелких (с размерами от единиц до десятков микрометров) кристаллов льда и частиц снежной крупы (с размерами порядка нескольких миллиметров). Иными словами: если ВК в первой области приобретало за счет трения, фазовых переходов и спутного потока положительный заряд, то во второй области при температуре реверса, - противоположный, т.е. – отрицательный.

Вопрос формирования второго этажа, - назовем его Верхнее Вихревое Кольцо (ВВК), которое сосредоточивает отрицательный заряд, - оказывается более сложным, чем механизм создания Нижнего Вихревого Кольца (НВК) – концентратора положительного заряда. Не просто ответить и на вопрос о топологии восходящего и нисходящего потоков. Ведь подъем наверх значительного количества увлажненного воздуха не может остаться «незамеченным» системой ГЯ – окружающая ее атмосфера. Что-то должно инициировать начало падения холодного потока…

Попробуем твердо придерживаться изначальной идеи: носителями отрицательного заряда являются пары воды, снежинки, частицы льда, т.е. минерал – вода, - независимо от фазового состояния. Иными словами, повышенное содержание воды в любом агрегатном состоянии придает области отрицательный заряд. А сухой, холодный воздух, - положительный.

Как уже упоминалось, НВК – это по сути быстро вращающийся положительно заряженный тороидальный соленоид: магнитное поле по круговой оси создается за счет полоидального вращения положительно заряженной поверхности. Такая структура способна забросить часть отрицательно заряженного облака вверх. Этот поток состоит из переохлажденных капель воды и водяного пара, доставленных в зону нулевой изотермы и в НВК на первом этапе формирования его. Поток несет отрицательный заряд. Формирование ВВК сопровождается кристаллизацией: образуются снежинки, снежная крупа, льдинки.

Во втором ВВК, богатом парами воды (и отрицательного заряда) понижение температуры в момент формирования вихря приводит к образованию снежно-ледяных агрегатов – градин. Причем градины, вероятно, образуются конкретно в «теле» вихревых нитей, представляющих места уплотнений в вихревой структуре. Вначале капли переохлажденной воды и водяной пар, контактируют со льдинками, являющимися катализаторами (центрами) кристаллизации. Вокруг этих вихревых нитей вращаются образующиеся снежинки и льдинки, образуют конгломераты. Известно, что градины напоминают луковицу в срезе, т.е. видно, что градины наслаиваются концентрическими цилиндрами. Вначале тороидальная структура: вложенные друг в друга круговые полые цилиндрические трубки. Как только сформировался многослойный тороид, - вихревая нить перестает существовать: ВК разрушается, распадается на отдельные агрегаты, - градины. Градины начинают свое падение из верхнего ВК вниз, - ближе к нижнему ВК. Им «помогает» сила тяжести и электростатическое притяжение заряженного положительно НВК. Так как к этому времени ВВК и НВК вполне сформировались как ООЗ и ПОЗ, достаточно для инициации длинной искры или молнии появления между анодом и катодом «мостика» из градин, сильно облегчающего разряд. Тем более, что и сами градины являются носителями отрицательного заряда. Навстречу им снизу формируется положительно заряженный пучок.

Кто-то сказал: «…Града без грозы не бывает. Обратное – неверно, - гроза без града бывает…» Это, видимо, справедливо для наблюдателя, находящегося у поверхности земли, внизу.

Попытаюсь опровергнуть это устоявшееся мнение. Скорее, все дело в изначальном размере градин: более мелкие имеют больше шансов: 1) к разрушению, когда через их «мостик» проходит разряд, и, 2), связанное с 1) ым: скорость мелких градин меньше, а время падения через теплые слои атмосферы, соответственно, больше. По этим причинам до Земли эти мелкие градины долетают в виде крупных (часто холодных) капель дождя. Таким образом, можно утверждать:

  1. Града без грозы не бывает.

  2. Грозы без града не бывает.

ШАКИРОВ Марат Муртазович