Атмосферное электричество ТМ

Модификация кометной гипотезы Тунгусского метеорита (ТМ), использующая модель его реформации в грозовое облако (Галанцев, 1997), выявила первоначальную задачу определения зарядовой кинетики и релаксации до и после взрыва объемов атмосферы, возмущенных ТМ. Рассмотрение последнего этапа этих процессов, газоразряда атмосферного электричества Т.М., как одного из источников возникновения пожара в зоне катастрофного вывала леса наряду с полиспектром лучистой природы ожогов и пожара (Зенкин, 1964, Цымбал, 1988, Воробьев, 1976), являются актуальными в свете противоречий возникновения ожогов (Кулик, 1939, Плеханов, 1998).

Фактической базой построения модели разряда атмосферного электричества ТМ являются ожоговая, пожарная и иная параметрия леса Куликовского вывала (Пасечник, 1988). Контрастная неоднородность пожаров, лентовидные ожоговые повреждения лиственниц, обугливание крон в эпицентральной части вывала, ожог типа «птичьего коготка» (Кринов, 1949), объясняемые метеоритным и атмосферным электричеством (Невский, 1978, Дмитриев, 1983) в логическом развитии представляются последовательной композицией барьерного, коронного и стримерного разрядов атмосферного электричества.

Образование при необычно интенсивных грозах условий коронного разряда в атмосфере по типу сверхвысоковольтных разрядов с острий живой материи (Крупцов, 1996), подразумевают наличие высоковольтного электрического поля (>10⁵ В/м) как естественной, так и техногенной природы, генераторов эндогенного (Ольховатов, 19996) или экзогенного (Чижевский, 1936, 1960) геохарактеров.

На сегодняшний день актуальна композиционная модель конверсионно-инверсионной схемы трансформации послевзрывного материала ТМ во внутримассовую грозу необычайной мощности. Конверсия - в диапазоне температур возгонки в атмосфере Земли смерзшихся газов композиции ТМ (Быбин, 1998). Инверсия – конденсация паров воды на концентрате земной и космической пыли при послевзрывной T_cp ~ 3000^оK на высоте взрыва, в его центре.

В предлагаемой модели - теплота воздушного взрыва, промежуточного агрегатного состояния ТМ (Цымбал, 1986) и местный прогрев атмосферы потенциальны возбудить тепловые турбулентные потоки по известным схемам (Виниченко, 1986, Нагорнов, 1988) до стратосферных высот, характеризуемых очевидцами в пределах 35-40 км и более. Цилиндрический взрыв 250 мегатонн смеси газово-твердой фаз материи ТМ, его взрывная и баллистические волны (Коробейников, 1980) способны приблизить нижнюю границу метагрозового облака к поверхности Земли с последующим отражением взрывной волны и испарением осколков твердой фазы ТМ на грунте.

Температурный градиент, обусловленный послевзрывным тепловыделением и локальными областями переохлаждения атмосферы возгонкой смерзшихся газов ТМ, являются гипотетической базой запуска механизма внутримассовой грозы необычайной мощности до 10¹⁴ – 10¹⁶ дж, равной энергии термоядерной мегатонной бомбы.

Известно, что через аэроионизацию воздуха над хвойными массивами леса осуществляется электрический баланс в цепях атмосферного электричества слабой мощности. Электрические токи при «тихом» (барьерном) разряде не превышают единиц наноампер при общем напряжении электрического поля 10² – 10³ В. при наличии в такой цепи грозового облака, а в предлагаемой модели необычайной структуры до высоты 35 – 40 км, электрозаряд может представлять сложный эволюционный вид. С одной стороны, в условиях низкой тропосферы – это переход коронного заряда в стримерный (искровой) с 1-10% потерей электромощности облака, а с другой, в условиях средней стратосферы, переход от режима поднормального катодного слоя тлеющего разряда (Акишев, 1994) в стабильный нормализованный тлеющий разряд, как следствие электрической балансировки в облаке.

Как указывалось выше, актуальным является рассмотрение электроразрядовой эволюции на уровнях средних высот вершин хвойных пород деревьев эпицентральной части вывала леса и выше.

Модель эволюционирующего разряда представлена на рис.1

Рис. 1. Геометрические параметры положительного коронного
разряда «грозовое облако — хвойное дерево».
R — расстояние от нижней границы облака до хвойных острий;
r₀ — средний радиус хвойных острий.

В катастрофных условиях взрыва ТМ для рассмотрения выбрана схема положительного коронного разряда, исходя из классической поляризации облака (Капцов, 1956) и минимизации удельной энергии зажигания разряда.

Положительная корона в атмосферном диффузионном режиме вокруг коронирующего электрода – острия хвоинок, ветки хвойных деревьев создают диффузионное свечение. Его интенсивность пропорциональна произведению локальных плотности электронов и напряженности электрического поля в композитной газовой среде H₂O , CO₂ , CH₄ , NH₃ и др. (Кондаков, 1988).

Развитие нестационарного стримерного режима через механизм ионизационной неустойчивости – следствие изменения характерных геометрических и физических параметров короны, описываемых системой уравнений взаимообуславливающих напряжение, токи и характерные геометрические параметры электроразряда положительной короны (Акишев, 1994):

Для решения задачи зарядовой кинетики в настоящей статье, т.е. определения критериальных пороговых токов положительной короны для перехода в стримерный режим при атмосферном давлении на высотах нахождения острий хвойных пород деревьев, проведены эксперименты на модели «грозовое облако – хвойное дерево», описываемой блок-схемой (Рис.2)

Рис. 2. Блок-схема разрядовой и измерительной цепей
модели «грозовое облако — хвойное дерево».

Исходя из теорем теории подобия, представим ряд критериев подобия модели «грозовое облако – хвойное дерево»:

...	(1)

где U₀ — общее напряжение электрозаряда;
r₀ — средний радиус острий;
R — среднее расстояние от облака до острий;
P — атмосферное давление;
N_остр. — среднее количество острий под облаком;
I₁ — ток насыщения барьерного электроразряда;
I₂ — ток начала коронного разряда с острий;
I₃ — пороговый ток стримерного разряда с острий.

В первом приближении, без использования степенных критериальных зависимостей к кинетической модели электроразряда с острий хвойных пород деревьев в рамках блок-схемы (рис.2), представим синтетический критерий по K₃ и K₄ из (1):

	(2)
откуда:
	(3)

что дополним для предварительных расчетов:

	(Калашников, 1970)
	(Капцов, 1956)
[кВ/см]	— формула Пика (Там же)
	(Там же)

В условиях эксперимента — при P_атм=760мм рт.ст., Т=21.5°С, влажности атмосферного воздуха 65%, конвективном потоке СО₂ при расходе 15 л/мин — применялись хвойные острия и ветки с сезонными свойствами на 15.04.98 г.

Данные, полученные в ходе экспериментов, усреднены и представлены в таблице.

U_xx — напряжение холостого хода источника;
I₃ — пороговый ток стримерного разряда;
б — барьерный («тихий») вид разряда;
к — коронный вид разряда;
с — стримерный вид разряда;
r₀ — средний радиус острий (<0.1 мм)

Для веток без концевых игл усредним значения I₃, R, и U₀, из таблицы: I₃=317μA; R=3мм; U₀=6.86 кВ, тогда из (2) К_стрим=7.2 10⁹.

При перепаде давления прямой ударной волны к Земле, при полете и взрыве ТМ, (Бояркина, 1980), определим для формулы Пика δ=5, тогда E_K = 2.22·10⁸ В / м; U₀ = E_K·r₀ = 2.22·10⁷ В, подставив в (3), определим:
т.е. прямая взрывная ударная волна, в случае модели «грозовое облако – хвойное дерево», с высоты 10 метров способна создать условия стримерного разряда.

Далее, исходя из перепада давления отраженной взрывной волны определим δ = 12, откуда по формуле Пика:
E_K = 4.76·10⁸ В / м;       U₀ = 4.76·10⁷ В,

т.е. до высоты 20.8 метра прямая и отраженная волны создают гипотетические условия стримерного разряда.

Отличие во времени возгорания после стримерного разряда (см. табл.), обусловлено, в большей степени, сезонными свойствами электропроводности и смолистостью дерева, а также положением (направлением) острия ветки относительно топографии электрического поля в модели «грозовое облако – хвойное дерево». Так, возгорание хвойных веток всех пород деревьев с наклоном к горизонту менее 60÷65° формирует ожог типа «птичий коготок», через механизм изгиба ветки к вершине дерева под воздействием электростатических сил, указанных в модели. Лабораторный ожог хвойной ветки стримерным электроразрядом имеет вид «уголька на изломе» – обугливание торца при совершенно неповрежденной боковой поверхности хвойной ветки, ниже вогнутой плоскости обугливания.

После прохождения через ветку электрического тока стримерного разряда (I₃), обнаружено ускоренное засыхание образцов лиственных веток по сравнению с контрольными экземплярами, не подвергавшимися воздействию электротока.

Далее необходимо отметить прогнотип электроразряда верхней части грозового облака необычайной мощности в ионосферу (Рис.1). Создание условий режима катодного слоя тлеющего разряда, его эволюционирование в нормализованный тлеющий разряд в нижней и средней ионосфере – тема отдельного исследования. Необходимо отметить, что данная гипотеза хорошо объясняет возникновение светлых ночей вдоль траектории ТМ с 29.06 по 1.07.1908 г.

Выводом настоящей работы является возможность объяснения всех видов необычных ожогов хвойных пород деревьев зоны Куликовского вывала леса длительным стримерным электроразрядом через растительные острия, инициированным послевзрывными ударными волнами и/или внутримассовым грозовым облаком необычайной мощности, явившимся следствием Тунгусской катастрофы.

Литература

1. Акишев Ю.С. и др. Экспериментальное исследование и численное моделирование тлеющего разряда постоянного тока атмосферного давления. //Физика плазмы. 1994.№6.
2. Акишев Ю.С., Трушкин Н.И. Структура генерационной зоны положительной короны в цилиндрической геометрии. //Физика плазмы. 1994. Т.20, №12.
3. Бояркина А.П., Бронштен В.А., Станюковия А.К. нестационарные взаимодействия ударных волн в газодинамических задачах метеоритики. //Взаимодействие метеоритного вещества с Землей. – Новосибирск: Наука. Сиб.отд-е. 1980.
4. Быбин Г.С. Как падала «высохшая» комета. /\ Сегодняшняя газета. 5.05.1998. Красноярск.
5. Виниченко Н.К., Пинус Н.З., Шматер С.М., Шур Г.Н. Турбулентность в свободной атмосфере. – Л.: Гидрометеорологическое издательство, 1968.
6. Воробъев В.А., Демин Д.В. Новые результаты исследования термических поражений лиственниц в районе падения Тунгусского метеорита. //Вопросы метеоритики. – Томск: Из-во Томского унив-та, 1976.
7. Галанцев Г.П. модификация кометной гипотезы ТКТ на основе геомагнитной и динамической моделей. //Тунгусский вестник КСЭ. 1997. №6.
8. Дмитриев М. В пожаре – молнии блистали. //Техника и наука. 1983. №3
9. Зенкин Г.М., Ильин А.Г. О лучевом ожоге деревьев в районе взрыва Тунгусского метеорита. //Метеоритика. 1964. Вып.24
10. Имянитов И.М., Чубаркина Е.В., Шварц Я.М. Электричество облаков. – Л.: Гидрометеорологическое издательство. 1971.
11. Каймаков Е.А., Лизункова И.С. Деструкция кометных льдов. //Актуальные вопросы метеоритики в Сибири. – Новосибирск: Наука. Сиб. отд-е. 1988.
12. Калашников С.Г. Электричество. – М.: Наука. 1970.
13. Капцов Н.А. Электроника – М.: Госиздат технико теоретической литературы. 1956.
14. Коробейников В.П., Чушкин П.И., Шуршалов Л.В. Моделирование и расчет взрыва Тунгусского метеорита. //Взаимодействие метеоритного вещества с Землей. Новосибирск: Наука. Сиб. отд-е. 1980.
15. Кринов Е.Л. тунгусский метеорит. – М.-Л. Изд-во АН СССР. 1949.
16. Крупцов. Статья в газете «Известия». 1996.
17. Кулик Л.А. Данные по Тунгусскому метеориту к 1939г. //ДАН СССР, 1939, т.XXII, №8.
18. Нагорнов В.И. Моделирование процесса свободно-конвективного теплообмена при Тунгусском взрыве. //Актуальные вопросы метеоритики в Сибири. Новосибирск: Наука. Сиб. отд-е. 1988.
19. Невский А.П. Явление положительного стабилизируемого электрического заряда и эффект электроразрядного взрыва крупных метеорных тел при полете в атмосферах планет. //Астрономический вестник. Т.XII. №4. 1978.
20. Ольховатов А.Ю. Метеорит ... которого не было. //Наука в России. №2, 1996
21. Пасечник И.П., Зоткин И.Т. Спектрофотометрические особенности зоны светового ожога деревьев в эпицентре Тунгусской катастрофы. //Актуальные вопросы метеоритики в Сибири. Новосибирск: Наука. Сиб. отд-е. 1988.
22. Плеханов Г.Ф. Размышления о Тунгусском метеорите (конспект). – Томск. Самиздат КСЭ. 1988.
23. Цымбал М.Н., Шнитке В.Э. Газовоздушная модель взрыва Тунгусской кометы. //Космическое вещество и Земля. – Новосибирск: Наука Сиб. отд-е. 1986.
24. Цымбал М.И., Шнитке В.Э. Об ожоге и пожаре в районе падения Тунгусского метеорита. //Актуальные вопросы метеоритики в Сибири. Новосибирск: Наука. Сиб. отд-е. 1988.
25. Чижевский А.Л. Земное эхо солнечных бурь. М.: Мысль. 1973.
26. Чижевский А.Л. Аэроионификация в народном хозяйстве. М.: Стройиздат. 1960.