Излучение и спектр шаровой молнии

Шаровая молния является активным излучателем энергии. Излучение ШМ состоит из двух видов:

– корпускулярные потоки – потоки релятивистских электронов;

– электромагнитное излучение.

Источником релятивистских электронов в системе шаровой молнии является электронный пучок. В электронном пучке, как уже отмечалось выше, действуют параллельно два механизма коллективного взаимодействия – электростатическое отталкивание электронов пучка и их магнитное притяжение при однонаправленном движении. Если же какой то из электронов пучка по каким-либо причинам (флуктуационным процессам, различным взаимодействиям) изменяет свое направление движения, которое не совпадает с направлением распространения электронного пучка в целом, то действие магнитных сил на такой «отбившийся» электрон прекращается. Но действие электростатического поля пучка продолжается, при этом электрон ускоряется до релятивистских скоростей в направлении от пучка. В системе шаровой молнии не только электронный пучок воздействует на среду (газ, плазму), но и среда оказывает на него обратное влияние, внося в его коллективные взаимодействия возмущения, которые могут приводить к потере электронов электронным пучком. Т.о. могут возникать целые потоки релятивистских электронов. Эти потоки, как правило, слабо взаимодействуют с атомами и молекулами газа и поэтому могут иметь достаточно большую длину пробега в воздухе (несколько метров).

Взаимодействуя с ионами и атомами плазмы шаровой молнии релятивистские электроны (т.к. они обладают достаточно большой энергией) возбуждают в них электроны, находящиеся на низших электронных уровнях. При переходе ионов и атомов из возбужденного в основное состояние они излучают рентгеновское излучение. Кроме того, рентгеновское излучение способен давать сам электронный пучок вследствие резкого изменения направления его распространения при рассеянии на внутреннем слое ПС.

Потоки вторичных, третичных электронов, образованных при ионизационном каскаде в плазме, имеют тоже достаточно большую энергию и могут возбуждать в атомах, ионах и молекулах ультрафиолетовую область спектра. Такое ультрафиолетовое излучение плазмы шаровой молнии может иметь большую интенсивность.

Шаровая молния излучает почти весь видимый спектр электромагнитных излучений. Но цвет ее (т.е. преобладающая область видимого спектра) зависит, прежде всего, от химического состава окружающего воздуха т.к. активные излучательные процессы (видимого спектра) в системе ШМ происходят во внешнем слое, который непосредственно прилегает к окружающей среде. Допустим, что шаровая молния находится в обычном воздухе, тогда спектр ее видимого излучения определяет азот, так как его в воздухе 78%. Преобладающий цвет видимого спектра азота лежит в желто-оранжевом диапазоне. Тогда становится понятным, почему в большинстве случаев наблюдали именно желто-красную шаровую молнию. Хотя, если процентное содержание элементов и химических соединений в воздухе другое, то цвет (а возможно, и весь спектр) может быть другим. Стоит отметить, что если энергия запертого электронного пучка велика, то цвет ШМ может быть ярко белым и даже голубым.

Плазма ШМ разогрета по сравнению с окружающим воздухом до относительно высокой температуры, примерно 4000...5000 К, и поэтому она, естественно, является мощным источником инфракрасного излучения.

Вследствие распадной неустойчивости и флуктуаций в плотности частиц плазмы ленгмюровские колебания в плазме могут трансформироваться в электромагнитные волны. Т.о., шаровая молния может быть источником и радиоволн различной частоты и амплитуды.

Рис. 6. Области наивероятнейшей генерации излучений в системе шаровой молнии

Все описанное выше, касающиеся излучения шаровой молнии, можно представить более наглядно, разбив систему ШМ, представленную на рис. 5, на области наивероятнейшей генерации того или иного типа излучения (рис. 6).