Моделирование триггерной молнии в атмосфере

Математика. Физика. Механика


Авторы

Аполлонов В. В. *, Плетнев Н. В. **

Институт общей физики им. А. М. Прохорова Российской Академии наук, ИОФ РАН, ул. Вавилова, 38, Москва, 119991, Россия

*e-mail: vapollo@kapella.gpi.ru
**e-mail: pletnev@kapella.gpi.ru

Аннотация

В режиме электрического пробоя в атмосфере проведены эксперименты по коммутации промежутков произвольной геометрической формы длиной до ~1.9м, образованных взрывающейся проволокой из меди. На основании экспериментальных результатов обсуждается механизм электрического пробоя и условия зарождения стримера при средней напряженности электрического поля в разрядном промежутке 5.3-17кВ/м. Проводятся оценки геометрических размеров отдельных плазменных образований перегретых медных капель. Обсуждается механизм образования продуктов взрыва проволоки — крупных аэрозолей с участием частиц меди и оксида меди (CuO, Cu2O) и характер протекания электрического тока при пробое. Сделана оценка температуры канала и средней скорости его расширения. Показано, что при удельной вложенной в канал энергии ~600Дж/м электрический пробой моделирует реальные процессы, идущие в триггерной молнии — искусственной молнии, использующей запуск малых ракет для образования канала из тонкой проволоки в направлении грозового облака.

Ключевые слова

формирование проводящего канала в атмосфере, взрывающаяся проволока, пауза тока, электрический пробой, стример, аэрозоль

Библиографический список

  1. Diels J.C. Zhao X. M. Discharge of lighting with ultrashort laser pulses // Patent No. 5,175,664, US, Appl. No: 804, 268, Filed: Dec.5, 1991, Date of Patent: Dec.29, 1992.
  2. Mourou G., Braun A., Diels J.-C., Bouvier M., Zhao X. M. Apparatus and method for enabling the creation of multiple extended conduction paths in the atmosphere // Patent No. 5,726,855, US, Appl. No: 515,761, Filed: Aug.15, 1995, Date of Patent: Mar.10, 1998.
  3. Schillinger H, Sauerbrey R. Electrical conductivity of long plasma channels in air generated by self-guided femtosecond laser pulses // Applied Physics, 1999, B 68, pp.753-756.
  4. Способ создания токопроводящих каналов в непроводящей среде. Патент РФ № 2400005. Аполлонов В.В., Аполлонова З. П., Вагин Ю.С., Вагина Т. Г. Заявка № 2009118874/06 от 20.05.2009. Бюл. № 26, 20. 09. 2010.
  5. Apollonov V.V., Pletnev N.V. Super-long conductive canal for energy delivery. Experimental and theoretical modeling // SPIE Pros. XVIII Int. Symposium on Gas Flow and Chemical Lasers and High-Power Lasers. 30-3 Aug. — Sept. Sofia. Bulgaria, 2010, V. 7751, pp.775118-1-775118-5.
  6. Apollonov V.V., Pletnev N.V. Super long conductive channel production by Impulsar // J. of Marine Science and Technology, Taiwan, 2012, 20(6), pp.670-674.
  7. Александров Г.Н., Иванов В.Л., Кадзов Г.Д., Парфенов В.А., Пахомов Л.Н., Петрунькин В.Ю., Подлевский В.А., Селезнев Ю.Г. О возможности повышения эффективности защитного действия молниеотводов с помощью лазерной искры // Электричество. 1980. № 2. С. 47-48.
  8. Аполлонов В.В., Василяк Л.М., Казанцев С.Ю., Кононов И.Г., Поляков Д.Н., Сайфулин А.В., Фирсов К.Н. Направление электрического разряда сплошной лазерной искрой при фокусировке излучения СО2 — лазера коническим зеркалом // Квантовая электроника. 2002. № 32(2). С.115-120.
  9. Apollonov V.V. Feasibility study of a CO2-laser based lightning-protection system realization // Optical Engineering, 2005, 44(1), pp.014302-1-014302-9.
  10. Apollonov V.V., Baitsur G.G., Ermachenko A.V. et al. High-power molecular lasers pumped by a volume self- sustained discharge // Journal of the Optical Society of America B, 1991, 8(2) pp.220-229.
  11. Kinoshita F., Morooka Y., Uchiumi M., Tanaka T., Chang Y.- M., Muraoka K., Tsuji T., Honda C., Miki M., Wada A., Shindo T. Laser- Triggered Lightning under Optimized Laser Beam Conditions // Proc. XII Intern. Conf. on Gas Discharge and their Applications. Greifswald, Germany, 1997, pp.II-475- II-478.
  12. Paustian P.J. Microwave facilitated atmospheric energy projection system // Patent No. 6,054, 694, US, Appl. No: 08/834,421, Filed: Apr.16, 1997, Date of Patent: Apr. 25, 2000.
  13. Базелян Э.М., Райзер Ю.П. Физика молнии и молниезащита. — М.: Физматлит, 2001.- 320c.
  14. Kasparian J., Rodriquez M., M´ejean G., Yu J., Salmon E., Wille H., Bourayou R., Frey S., André Y.-B., Mysyrowiez A., Sauerbrey R., Wolf J.-P., Wöste L. Light Filaments for Atmospheric Analysis// Science, 2003, 301, pp.61-64.
  15. Diels J.—C., Rudolph W. Ultrashort Laser Pulse Phenomena: fundamentals, techniques, and applications on femtosecond time scale. — Burlington: Acad. Press, 2006. — 652 p.
  16. Berge L., Skupin S., Nuter R., Kasparian J., Wolf J.-P. Ultrashort filaments of light in weakly ionized, optically transparent media // Rep. Prog. Phys., 2007, 70, pp.1633-1713.
  17. Winn W., Rison W., Aulich G., Hunyady S. Teramobile Laser and Lighting // Report No. FA9451-04-C-0392. — New Mexico: Institute of Mining & Technology, 2005.- 26 p.
  18. Зворыкин В.Д., Левченко А.О, Устиновский Н.Н. Управление протяженными высоковольтными электрическими разрядами в атмосферном воздухе УФ излучением KrF-лазера // Квантовая электроника. 2011. 41(3). С. 227 −233.
  19. Базелян Э.М., Райзер Ю.П. Искровой разряд.- М.: МФТИ, 1997.- 320 c.
  20. Александров Г.Н. О механизме искрового разряда с отрицательно заряженного острия. Молния // Журнал технической физики. 1967. № 37. С. 288-293.
  21. Uman M. A. The Lightning Discharge. — Orlando: Academic Press, 1987.-377 p.
  22. Rakov V.A., Uman M.A. Lightning: Physics and Effects. — Cambridge University Press, 2003.- 687 p.
  23. Newman M.M., Stahmann J.R., Robb J.D., Lewis E.A., Martin E.A., Zinn S.V. Triggered Lightning Strokes at Very Close Range // J. Geophys. Res., 1967, 72, pp. 4761-4764.
  24. Hubert P.P., Laroche A., Eybert-Berard, Barret L. Triggered lightning in New Mexico // J. Geophys. Res., 1984, 89, pp. 2511-2521.
  25. R.J. Fisher R.J., G.H. Schnetzer G.H., R. Thottappillil R., Rakov V. A., Uman M. A.,
  26. Goldberg J. D. Parameters of triggered-lightning flashes in Florida and Alabama // J.
  27. Geophys. Res., 1993, 98, pp. 22,887-22,902.
  28. Wang D., Rakov V. A., Uman M.A., Fernandez M. I., Rambo K. J., Schnetzer G. H., Fisher R. J. Characterization of the initial stage of negative rocket-triggered lightning // J. Geophys. Res., 1999, 104, pp.4213-4221.
  29. The International Center for Lightning Research and Testing (ICLRT). http://www. lightning. ece. ufl. еdu.
  30. Sinton R., Herel R., Enright W., Bodger P. Observations of the long distance exploding wire restrike mechanism // J. Appl. Phys., 2010, 108, 053304-1- 053304 −5.
  31. Sinton R., Herel R. van, Enright W., Bodger P. Generating extra long arcs using exploding wires // J. Appl. Phys., 2011, 110, pp. 093303-1- 093303-4.
  32. Аполлонов В.В., Плетнев Н.В. Формирование протяженных направленных каналов пробоя в атмосфере // Квантовая электроника. 2012. № 42(2). С.130-139.
  33. Аполлонов. В.В., Плетнев Н.В. Формирование протяженных направленных каналов пробоя в атмосфере, образованных взрывающейся медной проволокой // Журнал технической физики. 2013. № 83(12). С. 67-80.
  34. Фукс Н.А. Механика аэрозолей. — М.: АН СССР, 1955. — 349 с.
  35. Компания APT. Металлические нанопорошки. http://www.nanosized-powders.com
  36. Герасименко Н.И., Грашина Н.А., Медведков А.Г., Мещеряков А.Б., Плетнев Н.В. Цветная сверхскоростная фотосъемка импульсных электрических разрядов // Приборы и техника эксперимента. 1988. № 1. С.212-215.
  37. Гончаренко Г.М. Установки для нагрева газов импульсными токами: Труды МЭИ. Выпуск 45. Электроэнергетика.- М.: МЭИ, 1963. — 169 с.
  38. Насонов А.Г., Ланцман Л.С. Высоковольтный стабилизированный источник зарядных напряжений // Приборы и техника эксперимента. 1984. № 2. С.134-135.
  39. Кварцхава И.Ф., Плютто А.А, Чернов А.А., Бондаренко В.В. Электрический взрыв металлических проволок // Журнал теоретической и экспериментальной физики. 1956. № 30. С.42-53.
  40. Абрамова К.Б., Валицкий В.П., Вандакуров Ю.В., Златин Н.А., Перегуд Б.П. Магнитогидродинамические неустойчивости при электрическом взрыве // ДАН СССР. 1966. Т.167. С. 778-781.
  41. Обзор литературы по моделированию процессов взрыва тонких металлических проволочек. Часть 1. Основные процессы электрического взрыва проводников в вакууме: препринт / Иваненков Г.В., Пикуз С.А., Шелковенко Т.А., Романова В.М., Глазырин И.В., Котова О.Г., Слесарева А.Н. / Препринт / ФИАН. 2004. № 9.
  42. Лебедев С. В. Взрыв металла под действием электрического тока // Журнал теоретической и экспериментальной физики. 1957. № 32. С.199-207.
  43. Лебедев С.В., Савватимский А.И. Металлы в процессе быстрого нагревания электрическим током большой плотности // Успехи физических наук. 1984. № 144. С. 215-250.
  44. Александров А.Ф., Зосимов В.В., Курдюмов С. П., Попов Ю. П., Рухадзе А. А., Тимофеев И.Б. Динамика и излучение прямых сильноточных разрядов в воздухе // Журнал теоретической и экспериментальной физики. 1971. № 61. с.1841-1854.
  45. Александров А.Ф., Рухадзе А.А. Физика сильноточных электроразрядных источников света. — М: Атомиздат, 1976. — 184с.
  46. Перегуд. Б.П., Абрамова К.Б. Экспериментальное исследование электрического взрыва // ДАН СССР. 1964. № 157. С. 837-840.
  47. Стекольников И.С. Молния. — М.-Л.: АН СССР, 1940.- 327с.
  48. Андриатис А.В., Василевский С.А., Соколова И.А. Описание пакета программ SOVA, предназначенного для расчета равновесного состава и коэффициентов переноса низкотемпературной плазмы в высших приближениях метода Чепмена — Энскога // Электронный журнал «Физико-химическая кинетика в газовой динамике», 2005, № 3: http://chemphys.edu.ru/volume/8/ (Дата публикации 27.09.2005)
  49. Протопопов Н.А., Кульгавчук В.М. К теории механизма возникновения паузы тока и ударных волн при нагреве металла импульсами электрического тока большой плотности // Журнал технической физики. 1961. № 31. С. 557-564.
  50. Vlasto¢s A.E. Current Pause in Exploding —Wire Discharges // J. Appl. Phys., 1967, 38, pp.4993-4998.
  51. Vlasto¢s A.E. Restrike Mechanisms of Exploding Wire Discharges // J. Appl. Phys. 1968, 39, pp. 3081-3087.
  52. Мартынюк М.М. Роль испарения и кипения жидкого металла в процессе электрического взрыва проводника // Журнал технической физики. 1974. № 44. С. 1262-1270.
  53. Гаврилов В.Н., Литвинов Е.А. Получение частиц методом электрического взрыва проводника // Прикладная механика и техническая физика. 1993. № 34. С. 28-35.
  54. Базелян Э.М., Гончаров В.А., Горюнов А.Ю. Безлидерный пробой в электроположительном газе // Известия АН СССР. Энергетика и транспорт. 1985. № 2. С. 154-158.
  55. Александров Г.Н. Главная стадия разряда молнии: механизм и выходные характеристики // Журнал технической физики. 2006. № 76. С.101-105.
  56. Vlastos А.E. Dwell times of thin exploding wires // J. Appl. Phys., 1973, vol. 44, pp. 2193-2196.

Скачать статью

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 2000—2021

Вход