Наблюдение оптических и спектральных характеристик шаровой молнии
Шаровая молния (ШM) – загадочное и редкое явление, которое веками привлекало внимание ученых [1–6]. Особенности ШM в основном основаны на сообщениях очевидцев. Как правило, шаровую молнию связывают с грозами, либо она рождается сразу после удара линейной молнии от облака к земле (ОЗ), либо в непосредственной близости от молнии. Она обычно наблюдается в непосредственной близости от земли, в форме сферы или эллипсоида диаметром от 1 до 100 см, движущихся горизонтально со скоростью в несколько метров в секунду. Срок жизни ШM может варьировать от 1 до 10 с, а цвет может быть белым, желтым, красным, оранжевым, фиолетовым или зеленым.
Для объяснения и воспроизведения ШM предлагалось множество различных моделей и экспериментов, которые обычно можно разделить на два класса в зависимости от того, является ли источник энергии внутренним или внешним. Самая последняя из теорий внутренней энергии была предложена Абрахамсоном и Динниссом (Abrahamson and Dinniss) [7], и предполагает, что ШM выбрасывается грозовым разрядом ОЗ. Последний, попадая в почву, выбрасывает ШМ в виде сплетений нитевидных наноструктур. Медленное окисление наночастиц кремния обеспечивает внутреннюю энергию для ее существования. В подтверждение этой теории Паива и др. (Paiva at al.) [8] сообщили, что электрическая дуга (напряжение находится в диапазоне 20–25 В, ток варьирует от 100 до 140 А, а частота составляет 60 Гц), разряжаясь в чистом кремнии может генерировать светящиеся шарики с некоторыми из свойств, обычно сообщаемых для естественных ШM. Видимые диаметры этих светящихся шариков находятся в диапазоне 1–4 см. Цвет ярко-голубовато-белого или оранжевого белого можно увидеть в течение 2–5 с. Стефан и Месси (Stephan and Massey) [9] сразу же провели аналогичный эксперимент, производя светящиеся шарики на основе кремния диаметром 0,1–1 мм. Расчетная температура этих шариков составляет около 3140 К. Для теории внешней энергии Лоуке и др. (Lowke et al.) предположили, что ШM рассматривается как пульсирующий электрический разряд с частотой в микросекундном масштабе времени, что может объяснить происхождение, время жизни, источник энергии и движение природной ШM [10, 11].
Наиболее известная модель была предложена Капицей [12], предполагает, что интенсивное радиочастотное электромагнитное поле может снабжать энергией, необходимой для формирования и поддержания ШM. На основе этой модели было проведено большое количество микроволновых экспериментов, ведущих к генерации огненных шаров [13–16].
Недавно Дихтяр и Джерби (Dikhtyar and Jerby) [17] сообщили о выбросе огненных шаров, вызываемых воздействием локальных микроволн на расплавленные горячие источники. Эти огненные шары диаметром около 3 см могут сохранять форму 30–40 мс после выключения микроволнового питания, и их цвет варьирует от желтого до красного. Более того, Дихтяр и Джерби (Dikhtyar and Jerby) считали, что экспериментальные наблюдения за выбросом огненного шара из силикатных горячих источников указывают на верность теории Абрахамсона-Диннисса (Abrahamson-Dinniss theory) [7], предполагающей генерацию естественных ШМ (прим. перев.: т.е. ШМ без внешнего подвода энергии).
В этой статье сообщается о наблюдении естественной шаровой молнии, создаваемой ударом линейной молнии от облака к земле. Были подробно представлены оптические и спектральные характеристики ШМ, что указывает на ее происхождение и состав.
Контрольно-измерительные приборы
Летом 2012 года на китайском плато Цинхай (Qinghai), когда мы проводили эксперимент по фиксации спектра естественной молнии ОЗ с двумя бесщелевыми спектрографами, то случайно стали свидетелями возникновения ШМ. Каждый бесщелевой спектрограф состоит из камеры и плоской передающей решетки с 600 линиями/мм перед линзами объектива. Две камеры, включая высокоскоростную камеру (M310) и цифровую видеокамеру (NV-GS400GC), были размещены в одном месте наблюдения и были синхронизированы по времени с GPS. Их полями обзора были уступчатые холмы, где часто происходили молнии ОЗ. Высота места наблюдения (37.013473° с.ш., 101.620080° в.д.) составляет около 2530 м. Наибольшая высота холма примерно на 200 м выше места наблюдения.
Высокоскоростная камера с объективом с фокусным расстоянием 20 мм делавшая черно-белые фотографии, работала со скоростью 3000 кадров в секунду (кадр/с), время экспозиции 333,32 мкс и пространственное разрешение 1280 × 400 пикселей (каждый пиксель равен размеру в 20 × 20 мкм2). Продолжительность ее записи составила 1,11 с. Диапазон спектрального отклика камеры составлял от 400 до 1000 нм, а разрешение по длине волны – около 1,1 нм.
Цифровая видеокамера с объективом и с фокусным расстоянием 3,3 мм, снимающая цветные фотографии, работала со скоростью 50 кадров в секунду с пространственным разрешением 640 × 480 пикселей (каждый пиксель имеет размер 4 × 4 мкм2). Она непрерывно записывала изображения, используя время экспозиции 2 мс на кадр. Ее диапазон спектрального отклика составлял от 400 до 690 нм, а разрешение по длине волны – около 1,8 нм для спектра первого порядка.
Результаты
ШМ возникла во время грозы в 21:54:59, 23 июля 2012 года (по пекинскому времени). Цифровая видеокамера записала весь процесс, включая видео, звук и 82 неподвижных изображения. Полная световая длительность ШМ составляет 1,64 с.
Видео шаровой молнии, записанное исследователями (изображение получено путем совмещения записи цифровой камеры и спектрографа)
Первое изображение объекта представлено на рис. 1 (a), где показана генерация ШМ от дна (прим. перев.: место попадания в землю линейной молнии по типу облако-земля) молниеносного канала ОЗ. Также записывался спектр первого порядка и второго порядка канала молнии ОЗ и ШМ.
Второе изображение представлено на рис. 1 (b), которое записывалось через 20 мс. Видно, что молниеносный канал ОЗ исчез и существует только ШМ. Дополнительные изображения ШМ, записанные цифровой видеокамерой, представлены в дополнительном материале, рис. 1 [18]. Высокоскоростная камера записала только последний период процесса ШМ из-за ограничения продолжительности записи и за 0,78 с было снято около 2360 неподвижных изображений. Выбранное черно-белое изображение, показывающее ШМ и спектр первого порядка, представлено на рис. 1 (c).
Поскольку явление ШМ происходило ночью, фон был слишком темным, чтобы видеть местоположение точки удара молнии на всех записанных изображениях. Тем не менее, он определен фотографией, сделанной при дневном свете с тем же полем обзора цифровой видеокамеры, которая показана на дополнительном материале рис. 2 [18] на основе Google Maps. Центр области местоположения ШМ находился на расстоянии 0,902 км (с погрешностью 0,0077 км) от наших приборов наблюдения. Между тем, согласно скорости звука (340,51 – 341,15 м/с, температура воздуха на пути распространения звука находилась в диапазоне 14–15 °C, а относительная влажность составляла 82%) и разнице во времени (2,64 с) между ударом молнии и звуком расстояние между инструментом наблюдения и ШМ оценивается примерно в 0,898–0,9 км, что соответствует указанному расстоянию. На основе фокусного расстояния (3,3 мм), длины стороны пикселя (4 мкм) и расстояния наблюдения (0,902 км) соответствующий размер пикселя на изображениях цифровой видеокамеры оценивается примерно в 1,1 м (горизонтальный или вертикальный). Некоторые увеличенные изображения ШМ, записанные цифровой видеокамерой, представлены на рис. 2.
Как видно на рис. 2 и дополнительном материале рис. 1 [18], цвет ШМ меняется со временем. Вначале она излучает интенсивный пурпурно-белый цвет, а затем изменяется на оранжевый через 80 мс. Она приблизительно сохраняет белый цвет от 160 до 1100 мс и меняет цвет на красный на стадии рассеивания после 1120 мс. Между тем, изменение спектра первого порядка ШМ также согласуется с изменением цвета (дополнительный материал, рис. 1 [18]). ШМ имела сферическую форму. Профиль интенсивности по всему изображению показывает интенсивность пика, общую интенсивность (площадь под кривой) и размер, как показано на рис. 2.
Положение интенсивности пика, соответствующее центру ШМ, перемещается на девять пикселей в горизонтальном направлении от 20 мс до 1160 мс, что указывает на то, что средняя 2D-скорость ШМ составляет около 8,6 м/с. Учитывая, что ШМ может одновременно перемещаться в направлении прямой видимости, фактическая скорость ШМ должна быть быстрее, чем 2D скорость. Полная ширина на половине максимума (ПШПМ) (анг. full width at half maximum, FWHM) кривой используется здесь для представления видимого диаметра ШМ. Эволюции видимого диаметра, интенсивности пика и общей интенсивности представлены на рис. 3. Интересно, что эволюционный процесс состоит из трех этапов, которые разделены на рис. 3 (c).
В первые 160 мс (I) видимый диаметр, интенсивность пика и общая интенсивность значительно уменьшаются, за исключением небольшого увеличения в диапазоне 20–60 мс. Затем максимальная интенсивность и общая интенсивность остаются практически постоянными на стабильной стадии (II) в течение длительного времени от 160 до 1080 мс, и в течение этого времени видимый диаметр составляет около 5 м. После этого они медленно уменьшаются в течение последних 560 мс (III), пока ШМ не исчезнет. В целом, цвет, размер и интенсивность света не сильно меняются в течение большей части срока жизни (II) ШМ. Только более поздний процесс (642–1440 мс) ШМ был зафиксирован высокоскоростной камерой. Изменение общей интенсивности света представлено на рис. 3 (d). Можно видеть, что интенсивность света периодически изменяется со временем в диапазоне от 642 до 1080 мс, а затем уменьшается в течение оставшегося периода. Два цикла показаны в расширенном масштабе времени на графиках. Время двух циклов составляет 10 мс. Кроме того, каждый цикл имеет почти одинаковое время, а среднее значение составляет 10,06 мс.
Изображения, показывающие спектр первого порядка ОЗ-молнии и ШМ, преобразуются в спектральные графики, которые показаны на рис. 4. Абсцисса представляет собой длину волны в нанометрах, а вертикальная ордината – интенсивность. Калибровки по длине волны осуществлялись по характерным спектральным линиям [19–21] ОЗ-молнии. Интенсивность не нуждалась в калибровке. Спектр молниеносного канала ОЗ показан на рис. 4 (a), что соответствует спектру обычного удара молнии в обратном направлении [22, 23]. Из-за высокой температуры около 30000 К (прим. перев.: 29726,85°C) в канале молнии [24] большинство спектральных линий излучается ионами N II. Спектр ШМ, представленный на рис. 1 (a), показан на рис. 4 (b). Сплошной спектр сильный, проявляющий линии излучения кремния, железа и кальция. Спектры ШМ четко фиксировались высокоскоростной камерой, которая предлагает более высокое временное разрешение и более широкий диапазон спектра. Пять спектров в разное время показаны на рис. 4 (с). Первые четыре спектра выбираются в соответствии с пиковой интенсивностью света четырех циклов соответственно. Каждая спектральная линия отмечена в спектре на 647,684 мс. В видимом диапазоне большинство линий излучения излучается нейтральным кремнием, железом и кальцием. Можно видеть, что линии Si I, Fe I и Ca I существуют в течение большей части времени жизни ШМ, а Si I 594,8 нм четко регистрируется даже в последний период. Спектры ШМ в цикле от 642,351 до 652,351 мс (врезка на рис. 3 (d)) показаны на рис. 4 (d).
В этом цикле видимые линии Si I, Fe I и Ca I присутствуют все время, и их интенсивности почти остаются неизменными. Линии ближнего инфракрасного диапазона N I и O I появляются упорядоченно с увеличением интенсивности света до тех пор, пока их интенсивность не достигнет максимального значения на 647,684 мс, что точно является временем максимального значения интенсивности света. После этого их интенсивности постепенно уменьшаются с уменьшением интенсивности света, и они исчезают в обратном порядке от своего появления. Более того, одна и та же закономерность присутствует в каждом цикле. В целом видимые линии Si I, Fe I и Ca I присутствуют все время, а линии N I и O I в ближнем инфракрасном диапазоне периодически появляются в стабильной стадии.
Обсуждение
Может быть более одного типа ШМ и более одного механизма, объясняющего ШМ из-за широкого диапазона наблюдаемых характеристик [6]. Наше наблюдение – это только одно событие, которое не может быть репрезентативным для всех шаровых молний. По нашим наблюдениям, ШМ и молниеносный канал ОЗ-молнии появляются вместе в кадре (Рис. 1 (a)), а также сильные эмиссионные линии из кремния, железа и кальция (рис. 4 (b), 4 (c) и 4 (d)) обнаруживаются в течение всего времени жизни ШМ. Известно, что кремний, железо и кальций – основные компоненты почвы. Следовательно, есть все основания полагать, что наблюдаемая нами ШМ вызвана ударом ОЗ-молнии в почву. Кроме того, алюминий также является одним из основных компонентов почвы. Отсутствие алюминиевого компонента в спектрах ШМ можно объяснить следующим. В спектрах ШМ периодически появляются линии ближнего инфракрасного диапазона с энергиями возбуждения 11,7–11,9 эВ (рис. 4 (d)), делая энергии возбуждения постоянных линий ниже 11,7 эВ. Диапазоны спектрального отклика двух камер составляли 400–690 и 400–1000 нм соответственно.
Основываясь на публикации [25], можно сказать, что в спектре алюминия нет сильных линий Al I в диапазоне 400–1000 нм, и присутствуют только сильные линии Al II [25]. Тем не менее, энергии возбуждения этих линий Al II находятся в диапазоне 15,0–18,2 эВ. Поэтому алюминиевые линии не наблюдаются в спектрах ШМ. Отсутствие калибровки интенсивности спектральной линии ограничивает наш количественный анализ до температуры ШМ. Изменение температуры может быть выведено из изменения цвета. Закон смещения Вина [26] указывает, что объекты с более высокой температурой излучают большую часть излучения на более коротких длинах волн, а объекты с более низкой температурой излучают большую часть излучения на более длинных волнах. Цвет изменяется от фиолетового до оранжевого за 80 мс, что говорит о падении температуры ШМ. Цвет приблизительно белый на стадии II, что указывает на постоянную температуру ШМ, и красный на более поздней стадии, что также подразумевает более низкую температуру на этой стадии.
Кроме того, в спектрах ОЗ молниеносного ступенчатого лидера можно четко зафиксировать устойчивые линии N I и O I, даже N II [21], а температура ступенчатого лидера находится в диапазоне от 15000 до 30000 K [27] (прим. перев.: от 14726,85 до 29726,85°C). Напротив, только линии N I и O I периодически появляются на стадии II ШМ, что указывает на то, что температура ШМ должна быть ниже, чем у ступенчатого лидера ОЗ-молнии.
Важно отметить, что видимый диаметр не является реальным диаметром ШМ. Видимый диаметр более правильно относится к диапазону яркости. Эксперимент Стефана и Месси (Stephan and Massey) [9] может подтвердить эту точку зрения. Сообщается, что кремниевые светящиеся шарики имеют видимый диаметр 1–4 см, но они просто освещаются жидким ядром диаметром около 1 мм. Наблюдение за ШМ может быть связано с теорией Абрахамсона-Диннисса [7], описывающей возможный механизм удара молнии в почву. Кроме того, интересно, что интенсивность света показывает устойчивые колебания во время стабильной стадии. Наблюдаемая частота составляет 99,4 Гц, что легко ассоциируется с частотой линии электропитания в 50 Гц. Как показано в дополнительном материале на рис. 2 [18], вблизи местоположения ШМ имеется ряд высоковольтных (35 кВ) линий электропередач, а горизонтальное расстояние от ближайшей линии электропередач до местоположения составляет в нашем случае было около 20 м. Это позволяет сделать вывод, что флуктуация ШМ на устойчивой стадии, возможно, вызвана эффектом второй гармоники, связанным с высоковольтными линиями электропередач.
Выводы
Наблюдение за естественной шаровой молнией проводилось с использованием двух бесщелевых спектрографов. Шаровая молния следовала за ударом линейной молнии от облака к земле и двигалась горизонтально со средней 2D-скоростью около 8,6 м/с. В течение продолжительности свечения в 1,64 с можно было увидеть по очереди пурпурный, оранжевый, белый и красный цвета. В течение большей части срока жизни шаровой молнии размер оставался приблизительно постоянным, а интенсивность света периодически менялась. Излучение от элементов почвы присутствовало в течение всего срока жизни шаровой молнии.
Библиографический список
1. S. Singer, The Nature of Ball Lightning (Plenum, New York, 1971).
2. J. D. Barry, Ball Lightning and Bead Lightning (Plenum, New York, 1980).
3. D. J. Turner, Phys. Rep. 293, 2 (1998).
4. M. Stenhoff, Ball Lightning: Unsolved Problem in Atmospheric Physics (Kluwer Academic and Plenum Publishers, New York, 1999).
5. J. Abrahamson, A. V. Bychkov, and V. L. Bychkov, Phil. Trans. R. Soc. A 360, 11 (2002).
6. V. A. Rakov and M. A. Uman, Lightning: Physics and Effects (Cambridge Univeristy Press, Cambridge, 2003).
7. J. Abrahamson and J. Dinniss, Nature (London) 403, 519 (2000).
8. G. S. Paiva, A. C. Pavao, E. A. de Vasconcelos, O. Mendes, Jr., and E.F. da Silva, Jr., Phys. Rev. Lett. 98, 048501 (2007).
9. K. D. Stephan and N. Massey, J. Atmos. Sol. Terr. Phys. 70, 1589 (2008).
10. J. J. Lowke, J. Phys. D 29, 1237 (1996).
11. J. J. Lowke, D. Smith, K. E. Nelson, R. W. Crompton, and A. B. Murphy, J. Geophys. Res. 117, D19107 (2012).
12. P. L. Kapitsa, Sov. Phys. JETP 30, 973 (1970).
13. Y. H. Ohtsuki and H. Ofuruton, Nature (London) 350, 139 (1991).
14. H. Ofuruton, N. Kondo, M. Kamogawa, M. Aoki, and Y. H. Ohtsuki, J. Geophys. Res. 106, 12 367 (2001).
15. K. D. Stephan, Phys. Rev. E 74, 055401(R) (2006).
16. J. B. A. Mitchell, J. L. LeGarrec, M. Sztucki, T. Narayanan, V. Dikhtyar, and E. Jerby, Phys. Rev. Lett. 100, 065001 (2008).
17. V. Dikhtyar and E. Jerby, Phys. Rev. Lett. 96, 045002 (2006).
18. See Supplemental Material at http://link.aps.org/supplemental/10.1103/PhysRevLett.112.035001 for images showing the ball lightning and the location.
19. C.E. Moore, A Multiplet Table of Astrophysical Interest (Princeton University Observatory, Princeton, NJ, 1945).
20. L. E. Salanave, R. E. Orville, and C. N. Richards, J. Geophys. Res. 67, 1877 (1962).
21. T. A. Warner, R. E. Orville, J. L. Marshall, and K. Huggins, J. Geophys. Res. 116, D12210 (2011).
22. R. E. Orville and R. W. Henderson, J. Atmos. Sci. 41, 3180 (1984).
23. J. Cen, P. Yuan, H. Qu, and T. Zhang, Phys. Plasmas 18, 113506 (2011).
24. M. A. Uman, J. Geophys. Res. 74, 949 (1969).
25. V. Kaufman and W. C. Martin, J. Phys. Chem. Ref. Data 20, 775 (1991).
26. J. A. S. Lima and J. S. Alcaniz, Phys. Lett. B 600, 191 (2004).
27 R. E. Orville, J. Geophys. Res. 73, 6999 (1968).
Об авторах:
Цзяньюн Цен (Jianyong Cen), Пин Юань (Ping Yuan), Симин Сюэ (Simin Xue), Ключевая лаборатория атомной и молекулярной физики и функциональных материалов провинции Ганьсу, Колледж физики и электроники, Северо-Западный педагогический университет, Ланьчжоу, Ганьсу, Китай.
Мы благодарим Институт исследований окружающей среды и инженерных исследований в холодных и засушливых регионах, Академию наук Китая, и особенно Гуаншу Чжана (Guangshu Zhang), за помощь в проведении экспериментальных работ. Эта работа поддержана Национальным фондом естественных наук Китая (грант № 11365019) и Открытым фондом ключевой лаборатории экологической оптики и технологии Академии наук Китая (грант № 2005DP173065-2013-01).
Опубликовано: Cen, J., Yuan, P., Xue, S. 2014 Observation of the optical and spectral characteristics of ball lightning. Phys Rev Lett. 112, 035001. DOI: 10.1103/PhysRevLett.112.035001.
Перевод с английского М. А. Дебелого.
1
