7.5. ТЕОРИИ СТРЕЛОВИДНОГО ЛИДЕРА

Стреловидный лидер проходит по ионизированному следу, оставленному предыдущим импульсом, расстояние от облака до земли примерно за 1 мс и переносит на землю заряд около 1 Кл. Отсюда следует, что ток, который должен течь в канале стреловидного лидера, составляет порядка 1 кА. Длина светящейся стрелы, которая проходит к земле, около 50 м. Радиус, внутри которого содержится заряд стреловидного лидера, согласно расчетам, приведенным в разд. 7.3.2, порядка 1 м. Стреловидные лидеры, проходящие каналы предыдущих

импульсов после длительного интервала между импульса имеют меньшие скорости распространения, чем стреловидные лидеры, зарождающиеся после короткого интервала между импульсами (см. табл. 2.5 и рис. 2.10). Свойства стреловидного лидера были рассмотрены в разд. 2.3.3 и 3.7.3.

Основные особенности распространения стреловидного лидера можно объяснить с точки зрения теории стримера. Схема распространения стреловидного лидера дана на рис. 7.16. Величина концентрации электронов перед головкой стреловидного лидера неизвестна. В разд. 7.7 будет показано, что концентрация электронов составляет Можно ожидать, что скорость стреловидного лидера убывает с уменьшением начальной концентрации электронов, так что стреловидный лидер после длительного интервала между импульсами становится более медленным [63]. Дополнительными факторами, которые могут влиять на скорость распространения стреловидного лидера, являются концентрация тяжелых частиц в канале и радиус канала. Эти факторы будут рассмотрены в разд. 7.7.

Интересно применить соотношения (7.11) и (7.13) для случая стреловидных лидеров. Согласно Шонланду [61], стреловидный лидер с радиусом головки и потенциалом 107 В может вызвать сильную ионизацию на расстоянии примерно перед головкой (на это требуется заряд содержащийся в сферической головке с радиусом На расстоянии электрическое поле достигает а скорость перемещения электронов при условии, что давление в канале равно атмосферному, а температура канала около 300 К, составляет Если температура канала выше 300 К, что вполне вероятно, и давление равно атмосферному, то скорость перемещения электронов будет выше найденной. Разумной величиной для а является для приведенных выше значений напряженности электрических полей. Из соотношения (7.11) можно рассчитать для типичного стреловидного лидера, поскольку скорость его известна, а другие необходимые данные приведены выше. Для этих условий Шонланд [61] нашел, что при скорости стреловидного лидера

концентрация электронов составляет Формула Шонланда (7.11) подвергалась критике с двух точек зрения. Во-первых, нет физических оснований для использованного в выводе формулы предположения, что время, за которое волновой фронт проходит расстояние равно среднему времени между столкновениями. Во-вторых, для начальных концентраций электронов больших формула предсказывает скорости больше скорости света.

Формулу Леба (7.13) можно использовать для определения скорости распространения стреловидного лидера, если выбрано отношение Предположим, что т. е. Тогда для напряженности электрического поля получается скорость волнового фронта около Общая разность потенциалов на волновом фронте составляет около Для приведенных выше параметров скорость стреловидного лидера равна скорости света. Меньшая величина напряженности электрического поля приведет к уменьшению следовательно, даст реальную величину скорости стреловидных лидеров. Тогда, по-видимому, согласно формуле Леба (7.13), волновой фронт стреловидного лидера может распространяться при умеренных напряженностях электрического поля. Расчеты, аналогичные приведенным выше, были выполнены Лебом [33] для случая возвратного удара.

Из сказанного следует, что протяженность электрического поля волнового фронта стреловидного лидера меньше, чем Это сильное поле ответственно за светимость стреловидного лидера. Согласно Шонланду [59], поле волнового фронта вызывает светимость канала, которая видима, пока существуют наиболее важные атомные или молекулярные возбужденные состояния, ответственные за светимость. Для стреловидного лидера, распространяющегося со скоростью наблюдаемая длина светящейся стрелы составляет около Таким образом, эффективное время существования возбужденных состояний, ответственных за светимость, должно быть Большинство спектральных линий, наблюдаемых в спектрах дугового и искрового разряда в

воздухе, существуют от Например, с для с для с для . Измерение спектральных характеристик светимости стреловидного лидера могло бы послужить проверкой предположения Шонланда о том, что длина стрелы определяется временем существования возбужденного состояния. До сих пор не было получено ни одного спектра стреловидного лидера. В случае, если важные спектральные линии в спектре стреловидного лидера существуют много меньше то, вероятно, продолжительность светимости может быть объяснена на основе модели рассеяния тепла (см. разд. 7.7). Значит, можно считать канал стреловидного лидера нагретым полем волнового фронта, так что канал будет излучать свет, характерный для некоторой повышенной температуры, пока эта температура не снизится из-за потери энергии в результате теплопроводности, конвекции и излучения.

Некоторые свойства стреловидных лидеров были воспроизведены в лабораторных условиях Вином [76]. Он подводил импульсы напряжения к погасшим каналам искры в воздухе длиной и при этом воспроизводил волны светимости, которые пересекали погасшие каналы. Волны распространялись медленнее, если искровые каналы бездействовали большие промежутки времени.