Разработка и испытание установки для изучения лабораторного аналога шаровой молнии

«Шаровой плазмоид» является результатом уникального типа импульсного «гатчинского» разряда, в котором плазменный сгусток вырастает из разряда и отделяется от центрального электрода. Его свечение длится в свободном полете в течение нескольких сотен миллисекунд без внешнего электрического источника питания, после чего он рассеивается. К настоящему времени детальное понимание процессов, определяющих ключевые стадии развития импульсного «гатчинского» разряда и необходимых для установления механизмов образования долгоживущих шаровых плазмоидов, отсутствует, поэтому экспериментальные исследования являются актуальными. В работе для изучения этого типа разряда создана установка. Описаны основные узлы установки, включающие в себя: реактор, высоковольтное оборудование, датчики тока и напряжения, газовый искровой разрядник. Кроме того, описан ряд экспериментов и включен набор предварительных данных, обеспечивающих основу для продолжения исследований: ток разряда и напряжение на емкости, форма и цвет образующихся плазмоидов, выбрасывание частиц из плазмоида и вспышки шариков внутри плазмоида. Получены следующие важные результаты: продемонстрированы образования объемных плазмоидов шарообразной и тороидальной форм; наблюдение за цветом плазмоидов показало, что они меняют цвет в течение своей жизни во время распространения (наблюдались желтые, красные, фиолетовые, зеленые цвета); зарегистрирован вылет ярко светящихся маленьких частиц из плазмоида в автономном режиме; показано, что внутри плазмоида в течение его жизни вспыхивают круглые светящиеся шарики. В результате экспериментов не было замечено высокой вариабельности от разряда к разряду. При реализации разряда стабильно воспроизводятся плазмоиды с близкими базовыми характеристиками (размер, время жизни, сила тока, скорость полета и т. д.) с разбросом до 20% от «гатчинского».

емкость, конденсаторная батарея, реактор, разрядник, сопротивление, высоковольтный источник напряжения, гатчинский разряд, шаровая молния, плазмоид, Тесла

1. Cen J., Yuan P., Xue S. Observation of the Optical and Spectral Characteristics of Ball Lightning // Physical Review Letters. - 2014. - V. 112. - Is. 3. - No. 035001. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.112.035001

2. Nikola Tesla. Colorado Springs Notes: 1899-1900 / Ed. A.S. Marincic. - Belgrade: Yugoslavia: Nolita, 1978.

3. The engines on the corona discharge. IYPT2019. 1. Invent Yourself [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://youtu.be/xtqPVszxKFg, свободный - (20.09.2020)

4. Егоров А. И., Степанов С. И. Долгоживущие плазмоиды - аналоги шаровой молнии, возникающие во влажном воздухе // Журнал технической физики. - 2002. - Т. 72. - № 12. - С. 102-104. (Переводная версия: Egorov A.I., Stepanov S.I. Long-lived plasmoids produced in humid air as analogues of ball lightning // Technical Physics. - 2002. - V. 47. - Is. 12. - P. 1584-1586. https://doi.org/10.1134/1.1529952).

5. Sakawa Y., Sugiyama K., Tanabe T., More R. Fireball Generation in a Water Discharge // Plasma and Fusion Research. - 2006. - V. 1. - No. 039. https://doi.org/10.1585/pfr.1.039

6. Hayashi N., Satomi H., Mohri T., Kajiwara T., Tanabe T. General nature of luminous body transition produced by pulsed discharge on an electrolyte solution in the atmosphere // IEEJ Transactions on Electrical and Electronic Engineering. - 2009. - V. 4. - Is. 5. - P. 674-676. https://doi.org/10.1002/tee.20460

7. Versteegh A., Behringer K., Fantz U., Fussmann G., Jüttner B., Noack S. Long-living plasmoids from an atmospheric water discharge // Plasma Sources Science and Technology. - 2008. - V. 17. - Is. 2. - No. 024014. https://doi.org/10.1088/0963-0252/17/2/024014

8. Khorunzhiy M. O., Kuleshov A. N., Yefimov B. P. Long-living plasma excited by electric discharge in water // IEEE Transactions on Plasma Science. - 2011. - V. 39. - Is. 11-1. - P. 2648-2649. https://doi.org/10.1109/TPS.2011.2166408

9. Fantz U., Kalafat S., Friedl R., Briefi S. Generation of an atmospheric plasmoid from a water discharge: An analysis of the dissipated energy // Journal of Applied Physics. - 2013. - V. 114. - Is. 4. - No. 043302. https://doi.org/10.1063/1.4816311

10. Friday D. M., Broughton P. B., Lee T. A., Schutz G. A., Betz J. N., Lindsay C. M. Further insight into the nature of ball-lightning-like atmospheric pressure plasmoids // Journal of Physical Chemistry A. - 2013. - V. 117. - Is. 39. - P. 9931-9940. https://doi.org/10.1021/jp400001y

11. Dubowsky S. E., Friday D. M., Peters K. C., Zhao Z., Perry R. H., McCall B. J. Mass spectrometry of atmospheric-pressure ball plasmoids // International Journal of Mass Spectrometry. - 2015. - V. 376. - P. 39-45. https://doi.org/10.1016/j.ijms.2014.11.011

12. Stephan K. D., Dumas S., Komala-Noor L., McMinn J. Initiation, growth and plasma characteristics of ‘Gatchina’ water plasmoids // Plasma Sources Science and Technology. - 2013. - V. 22. - Is. 2. - No. 025018. https://doi.org/10.1088/0963-0252/22/2/025018

13. Dubowsky S. E., Deutsch B., Bhargava R., McCall B.J. Infrared emission spectroscopy of atmospheric-pressure ball plasmoids // Journal of Molecular Spectroscopy. - 2016. - V. 322. - P. 1-8. https://doi.org/10.1016/j.jms.2016.02.005

14. Stelmashuk V., Hoffer P. Experimental Study of a Long-Living Plasmoid Using High-Speed Filming // IEEE Transactions on Plasma Science. - 2017. - V. 45. - Is. 12. - P. 3160-3165. https://doi.org/10.1109/TPS.2017.2770224

15. Шабанов Г. Д. О возможности создания природной шаровой молнии импульсным разрядом нового вида в лабораторных условиях // Успехи физических наук. - 2019. - Т. 189. - № 1. - С. 95-111. (Переводная версия: Shabanov G.D. On the possibility of making natural ball lightning using a new pulse discharge type in the laboratory // Physics-Uspekhi. - 2019. - V. 62. - Is. 1. - P. 92-107. https://doi.org/10.3367/UFNr.2018.03.038318).

16. Donoso J., Trueba J. L., Ranada A. F. The Riddle of Ball Lightning: A Review // TheScientificWorldJournal. - 2006. - V. 6. - P. 254-278. https://doi.org/10.1100/tsw.2006.48

17. Shmatov M. L., Stephan K. D. Advances in ball lightning research // Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics. - 2019. - V. 195. - No. 105115. https://doi.org/10.1016/j.jastp.2019.105115

18. Yousuo Z. Conditions for producing and maintaining plasma ball lightning in the atmosphere // Advances in Atmospheric Sciences. - 1989. - V. 6. - Is. 1. - P. 62-74. https://doi.org/10.1007/BF02656918

19. Abrahamson J. Ball lightning from atmospheric discharges via metal nanosphere oxidation: From soils, wood or metals // Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. - 2002. - V. 360. - Is. 1790. - P. 61-88. https://doi.org/10.1098/rsta.2001.0919

20. Abrahamson J., Dinniss J. Ball lightning caused by oxidation of nanoparticle networks from normal lightning strikes on soil // Nature. - 2000. - V. 403. - Is. 6769. - P. 519-521. https://doi.org/10.1038/35000525

21. Stephan K. D., Massey N. Burning molten metallic spheres: One class of ball lightning? // Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics. - 2008. - V. 70. - Is. 11-12. - P. 1589-1596. https://doi.org/10.1016/j.jastp.2008.05.014