7.4. ТЕОРИИ СТУПЕНЧАТОГО ЛИДЕРА

7.4.1. Экспериментальные данные

Любая теория, описывающая ступенчатый лидер, неизбежно должна учитывать (и предсказывать) следующие наблюдаемые характеристики ступенчатого лидера. 1) Минимальная средняя скорость отрицательно заряженного, движущегося вниз ступенчатого лидера составляет около (табл. 2.1). 2) Интервал времени между ступенями относительно постоянен, и в общем случае за длинными интервалами следуют ступени большей длины (разд. 2.3.2). 3) Длина ступеней лидеров высоко над землей порядка 50 м; интервалы времени между ступенями порядка 50 мкс (разд. 2.3.2). 4) Свечение ступени продолжается в течение 1 мкс или менее (разд. 2.3.2). 5) Изменение электростатического поля, вызванное ступенчатым лидером, относительно монотонно, что объясняется тем, что ступенчатый лидер не переносит значительного заряда (разд. 3.7.2). 6) Оценка порядка величины заряда, переносимого ступенчатым лидером, дает 5 Кл. Для переноса заряда такой величины за десятки миллисекунд требуется средний ток порядка 100 А (разд. 3.7.2). 7) Ток движущихся вверх ступенчатых лидеров обычно составляет от 20 до нескольких сотен ампер и относительно равномерен (разд. 4.4). 8) Движущиеся как вверх, так и вниз лидеры могут быть ступенчатыми. Положительно заряженные лидеры являются более непрерывными по своей природе (разд. 2.5.4). Были получены фотографии движущихся вверх отрицательно заряженных ступенчатых лидеров, у которых наблюдался слабый коронный разряд, простиравшийся примерно на длину ступени перед яркой ступенью лидера. По-видимому, светимость короны развивается не между ступенями, а скорее

появляется одновременно с возникновением за ней яркой ступени. Светимость короны, определенная по ее изображению на пленке, длится менее 5 мкс, времени разрешения использованной камеры (разд. 2.5.4).

7.4.2. Две первоначальные теории ступенчатого лидера

Две первоначальные и, вероятно, до сих пор еще наиболее признанные теории ступенчатого лидера предложены Шонландом [59—61] и Бруком [4, 5]. Согласно модели Шонланда, лидер состоит из канала с однородными свойствами по поперечному сечению, радиус которого около 1 м. С другой стороны, согласно Бруку, канал лидера состоит из центрального ядра (дугового разряда) небольшого радиуса, окруженного оболочкой из коронного разряда. Теперь подробно рассмотрим эти теории.

Шонланд [59] считает, что наблюдаемый минимум средней скорости ступенчатого лидера и почти постоянное отношение длины ступени к интервалу времени между ступенями являются достаточным основанием для постулирования существования пилота-лидера или пилота-стримера. Шонланд определил пилот-лидер как «истинный отрицательный стример в неионизированном воздухе, который непрерывно движется вниз перед ступенчатым стримером со скоростью, равной эффективной скорости этого стримера». Минимальная наблюдаемая эффективная скорость ступенчатого лидера была отождествлена с минимальной скоростью продвигающегося пилота. Поскольку скорость пилота не может быть меньше скорости перемещения электронов у его вершины и электрическое поле у вершины пилота должно быть порядка или больше, минимальная скорость пилота порядка является вполне реальной, (Согласно для отношения в интервале от до скорость перемещения электронов в воздухе составляет от 1 до Дальнейшим подтверждением идеи [60] пилота-лидера явился тот факт, что ступенчатый процесс не приводит к заметным изменениям электростатических полей и, следовательно, он не является ответственным за сведение к земле отрицательного заряда (разд. 3.7.2). Измерения непрерывных токов

в движущихся вверх отрицательно заряженных лидерах подтверждают это заключение (разд. 4.4).

Согласно Шонланду [60], средний радиус как пилота-лидера, так и ступенчатого лидера равен 2,5 м; средний ток ступенчатого лидера, полученный как показано в разд. 3.7.2, наиболее часто составляет 320 А. Шонланд представил ряд доказательств, что заряд канала содержится внутри цилиндра с радиусом 2,5 м, что по существу эквивалентно расчетам радиуса лидера, приведенным в разд. 7.3.2. Используя эти значения радиуса и тока, он нашел, что плотность тока в пилоте-лидере составляет и одинакова по сечению канала. Для этой плотности тока и предполагаемого электрического поля концентрация электронов составляет

Шонланд предложил [59—611 качественные объяснения механизма ступенчатого движения лидера, полагая, что пилот-лидер развивается по направлению к земле с видимой ритмичной прерывистостью. Другими словами, пилот подготавливает путь для ступенчатого процесса. Для объяснения образования ступеней привлекаются такие понятия, как пространственный заряд, рекомбинация, захват электронов и процессы ионизации. Правда, это мало что дает, поскольку физика этих явлений запутана и неточна. Тем не менее ясно [62], что пилот не сможет продвигаться вперед до тех пор, пока канал за ним не сможет проводить ток, чтобы питать его. Таким образом, функция ступенчатого процесса состоит в том, чтобы сообщить каналу подходящую проводимость.

Как видно, весьма немного известно о деталях ступенчатого процесса. Различные оценки, в том числе и оценка Шонланда, тока в ступени приводят к величине порядка 1 кА. Подробности этих оценок рассматривались в разд. 3.7.2.

В 1962 г. Шонланд [62] заявил, что канал ступенчатого лидера должен иметь в центре тонкое проводящее ядро, подобное электрической дуге, и по этому ядру течет ток лидера. Ядро окружено заряженной лидером оболочкой из коронного разряда радиусом в несколько метров.

Выражение «пилот-лидер» было введено Шонландом [59] для обозначения движущегося вниз ионизированного цилиндра с радиусом порядка метра, который

распространялся в неионизированном воздухе. Ранее Шонланд [59] предполагал, что движение пилота должно быть равномерным. В дальнейшем он высказал мнение [60], что пилот останавливается во время ступенчатого процесса. В длинной искре, как предполагает Шонланд [62], может быть несколько вариантов пилот-процесса. Очевидно, что пилот, на который ссылается Шонланд в связи с длинной искрой, является первичным стримером Леба [36, 37], в то время как лидер в длинной искре является вторичным стримером. Наиболее разумным определением пилота-лидера в молнии является «сумма всех процессов, предшествующих ярким ступеням». Чтобы не было неопределенности в понятиях, слово «пилот» следует использовать более осторожно.

Рассмотрим теорию ступенчатого лидера Врука [4, 5]. Его представления о канале лидера, впервые высказанные в 1941 г., аналогичны точке зрения, недавно изложенной Шонландом [62] (см. разд. 7.6), за исключением того, что Брук придавал большое значение радиально направленному току короны. Брук считал, что канал дуги в центре ступенчатого лидера имеет достаточную проводимость и центр лидера находится под потенциалом относительно земли около 108 В. Радиальные токи короны возникают из-за высокой разности потенциалов между ядром и окружающим воздухом; эти токи играют важную роль в определении свойств лидера, так же как и в управлении ступенчатым процессом. Согласно Бруку, область впереди канала лидера в результате высокого напряжения в вершине лидера находится в состоянии коронного или тлеющего разряда. (Брук [5] отождествил этот тлеющий разряд с пилотом-лидером Шонланда.) Ток, требуемый для поддержания токов короны в тлеющем разряде, увеличивается с увеличением длины тлеющего разряда. Согласно Бруку, в том случае, если ток тлеющего разряда станет больше 1 А, произойдет резкий переход от тлеющего разряда к дуговому. Удлинившаяся в результате перехода в дуговой режим часть канала выглядит как светящаяся ступень. Если возникли условия для дугового разряда, канал не будет возвращаться к тлеющему разряду, даже если ток уменьшается в результате переходных процессов значительно ниже 1А.

С точки зрения Брука, ток, протекающий в ядре дуги канала ступенчатого лидера, уменьшается с увеличением расстояния от источника канала, поскольку ток, протекающий через данное поперечное сечение канала, идет как на радикальные токи короны, так и на дальнейшее распространение канала. Используя характеристики коронного разряда, экстраполированные из лабораторных экспериментов, Брук [5] рассчитал ожидаемые токи из источника канала и длину ступени движущихся вверх лидеров. Полученные им величины длины ступени согласуются с результатами исследований на Эмпайр стейт билдинг, но рассчитанный ток, порядка 5000 А, по-видимому, слишком велик.

Целесообразно далее сделать некоторые замечания относительно теорий Шонланда и Брука. По общему мнению, для того чтобы канал лидера проводил токи порядка сотен ампер или больше, он должен иметь в центре ядро высокой проводимости, аналогичное лабораторной дуге. На фотографиях ступенчатых лидеров такого дугового ядра не выявлено. Чтобы объяснить снижаемый лидером заряд, дуговое ядро должно быть окружено отрицательным зарядом радиусом около 1 м. Будут ли значительны радиальные токи короны или нет, зависит от протяженности и свойств пространственных зарядов, которые должны нести токи короны [53]. Этот вопрос остается нерешенным. Шонланд, так же как и Брук, предполагает, что перед последней ступенью лидера существует непрерывно развивающийся, слабо светящийся коронный разряд. Непрерывное развитие разряда необходимо для того, чтобы объяснить непрерывное изменение электрического поля, вызываемое лидером, и непрерывные токи лидера. По-видимому, пульсирующую корону, появляющуюся впереди последней ступени лидера и одновременно с ней (разд. 2.5.4), будет трудно объяснять на основе любой из этих теорий.

7.4.3. Другие теории ступенчатых лидеров

Теории ступенчатого лидера были предложены также Комельковым [25, 26], Вагнером и Хилеменом [70, 71], Грискомом [17] и Лебом [38]. Все эти авторы,

за исключением последнего, считали, что канал лидера состоит из проводящего ядра небольшого диаметра и оболочки из коронного разряда. предположил, что ступенчатый лидер состоит из невидимого (слабо светящегося) канала пилота-лидера, который аналогичен по характеристикам пилоту Шонланда и образуется за счет наложения различных явлений стримера и бегущей волны.

Комельков [25, 26] предположил, что головка лидера питается током из термически ионизованного ядра канала с напряженностью поля внутри ядра около и плотностью тока Коронный разряд, состоящий из слабо светящегося стримера, создается вокруг и впереди головки в поле от до Остановка короны и развитие дуги приписываются физическим процессам, вызываемым падением напряжения на головке дуги. Как и в теории Шонланда, физика явления неясна, так что никаких деталей представленная теория не объясняет»

Вагнер и Хилемен [70, 71] предложили строение канала лидера, которое очень близко к модели Комелькова. Они заявили, что ступени лидера «образуются попеременным продвижением центрального канала и окружающей его коронной оболочки; действительный переход от свечения к дуге соответствует теории Брука». При этом следует учесть, что область короны перед вершиной ядра — дуги поддерживается многочисленными волокнистыми каналами. Ток у основания каждого из этих каналов увеличивается с увеличением длины канала. Когда в одном из этих волокон разовьется достаточный ток, он переходит в дугу, накоротко замыкает другие волокна и становится ступенью лидера. Приводится ряд ценных числовых расчетов плотности заряда, потенциала и напряженности электрического поля внутри и вокруг их модели лидера.

Гриском [17] представил теорию ступенчатого лидера, которую он назвал «предударной» теорией. Согласно этой теории, головка лидера представляет собой гигантский луковицеобразный объемный заряд, во много раз больший по диаметру, чем цилиндрическая оболочка заряда вокруг дугового ядра канала лидера. Головка лидера содержит непропорционально большой заряд по

сравнению с аналогичной длиной собственно канала лидера. Гриском предсказывает, что передача заряда головци лидера на заземленный объект будет приводить к кратковременному предударному току большой амплитуды, предшествующему току действительного возвратного удара. Согласно предударной теории, ступень лидера зарождается в случайной точке поверхности луковицеобразной головки лидера и развивается обратно к каналу лидера.

При образовании новой ступени луковицеобразная корона головки сплющивается, а ее заряд перетекает в ступень. Когда головка лидера сплющивается, из конца новой ступени лидера начинает расти новая головка лидера. Критическое рассмотрение предударной теории дано Вагнером [69].

Леб [38] предложил теорию ступенчатого лидера, основанную на исследованиях [72] электрического пробоя в воздухе. С точки зрения Леба, несветящаяся ступень образуется положительными и отрицательными "лидерами, испускаемыми, соответственно, к земле и к облакам из пилота Шонланда, причем пилот создается предыдущими стримерами. Каждый из двух стримеров проходит около половины длины ступени, когда движущийся вверх стример зарождается на ионизированной волне, которая увлекает вниз новую ступень. Последняя волна освещает ступень.

Созданный таким образом канал имеет, согласно Лебу, концентрацию электронов или более. Возбужденные молекулы в канале высвечиваются за после чего канал становится темным, но еще имеет высокую концентрацию электронов. Проводимость канала выше ступени поддерживается за счет различных бегущих волн, связанных с образованием ступени. Канал лидера, имеющий вначале радиус порядка 1 м, медленно сжимается под действием последовательно проходящих волн в проводящем ядре. Таким образом, когда лидер достигает земли, для распространения возвратного удара подготовлен относительно узкий канал высокой проводимости, хотя начальный радиус ступени был значительно больше.

7.4.4. Зарождение ступенчатого лидера

Многие исследователи полагают [6, 32, 38, 42], что разряд молнии облако — земля начинается с местного разряда между -областями облака. Этот делает -заряд подвижным и снижает его ближе к земле (как побочный результат нейтрализации более низко расположенного и меньшего -заряда). Экспериментальные данные относительно рассмотрены в разд. 3.7.2. На основе этих данных можно предположить, что также часто начинается из области -заряда, как и из области -заряда; вслед за начальной стадией пробоя наступает вторая стадия, во время которой канал заряжается отрицательно. Наиболее подробные физические (теоретические) объяснения процесса зарождения ступенчатого лидера даны Лебом [38]. Леб считает, что небольшой объем положительно заряженных дождевых капель диаметром порядка нескольких сот метров (р-заряд) внезапно переносится вверх по направлению к -заряду, поперечное сечение которого составляет несколько квадратных километров. На вершине положительного -заряда создаются электрические поля от до Дождевые капли в области -заряда удлиняются и создают коронные стримеры, направленные вверх к -заряду. рассчитал форму и объем облака, который связывается стримерами, и время, которое необходимо если он начался, чтобы направить ступенчатый лидер вниз из основания облака.