Том 39, номер 08, статья № 2

Аннотация:

В настоящей работе исследованы происхождение и эволюция водного аэрозоля в так называемом плазмоиде, который образуется во время высоковольтного разряда над поверхностью воды и представляет собой светящийся сферический объект, рассматриваемый как лабораторный аналог природной шаровой молнии. Лабораторная шаровая молния изучалась не только in situ с использованием бесконтактных методов лазерного зондирования, но и путем отбора проб. Показано, что на стадии свечения плазмоида происходит конденсация водяного пара, образуется среднедисперсный водный аэрозоль, а температура внутри плазмоида снижается как минимум до 100 °C. Установлено, что капли воды внутри плазмоида не светятся, что указывает на газофазный механизм его длительного свечения. Выявлено существование фантома плазмоида, внутри которого можно наблюдать водный аэрозоль после окончания свечения. Можно предположить существование «оболочки», ограничивающей шарообразный объект, не только в момент свечения, но и в течение определенного временного интервала после этого. Определен дисперсный состав аэрозоля, образующегося в результате эрозии центрального электрода во время разряда. Можно утверждать, что длительное свечение является результатом химических процессов в газовой фазе плазмоида и не связано с высокотемпературным нагревом газа внутри плазмоида или со свечением частиц аэрозоля. Полученные результаты позволяют лучше понять природу шаровой молнии и могут быть полезны в области атмосферного электричества, физики плазмы и электрических разрядов.

Ключевые слова:

водный аэрозоль, плазмоид, шаровая молния

Иллюстрации:

Список литературы:

1. Shabanov G.D. The optical properties of long-lived luminous formations // Tech. Phys. Lett. 2002. V. 28, N 2. P. 164–166. DOI: 10.1134/1.1467315.
2. Шабанов Г.Д. О возможности создания природной шаровой молнии импульсным разрядом нового вида в лабораторных условиях // Успехи физ. наук. 2019. Т. 189, № 1. С. 95–111. DOI: 10.3367/UFNr.2018.03.038318.
3. Barry J.D. Ball Lightning and Bead Lightning: Extreme Forms of Atmospheric Electricity. New York: Springer, 1980. 298 p. DOI: 10.1007/978-1-4757-1710-5.
4. Смирнов Б.М. Проблема шаровой молнии. М.: Наука, 1988. 208 с.
5. Stenhoff M. Ball Lightning: An Unsolved Problem in Atmospheric Physics. New York: Kluwer Academic, 1999. 350 p.
6. Boerner H. Ball Lightning: A Popular Guide to a Longstanding Mystery in Atmospheric Electricity. Cham: Springer, 2019. 206 p. DOI: 10.1007/978-3-030-20783-0.
7. Bychkov V.L. Natural and Artificial Ball Lightning in the Earth's Atmosphere. Cham: Springer, 2022. 224 p. DOI: 10.1007/978-3-031-07861-3.
8. Степанов С.И. Ультразвуковое зондирование плазмоида // ЖТФ. 2014. Т. 84, № 1. С. 109–114.
9. Bychkov V.L., Anpilov S.V., Savenkova N.P. Gas dynamics modeling of a plasmoid created by the Gatchina discharge // Russ. J. Phys. Chem. B. 2014. V. 8, N 1. P. 50–55. DOI: 10.1134/S1990793114010102.
10. Bychkov V.L., Anpilov S.V., Savenkova N.P., Stelmashuk V., Hoffer P. On modeling of “plasmoid" created by electric discharge // J. Phys.: Conf. Ser. 2018. V. 996, N 012012. DOI: 10.1088/1742-6596/996/1/012012.
11. Zhao S., Lyu X., Wang Y., Yuan C., Wu J., Astafiev A., Miao L., Kudryavtsev A., Shabanov G., Zhou Z. Visualization of a toroidal vortex structure forming in the laboratory ball lightning of the Gatchina discharge // IEEE Trans. Plasma Sci. 2024. V. 52, N 4. P. 1193–1202. DOI: 10.1109/TPS.2024.3382930.
12. Friedl R., Fantz U., Pilottek I., Schmid D., Steibel S. Spatio-temporal structure and emission of a large plasmoid in atmosphere // J. Phys. D: Appl. Phys. 2021. V. 54, N 9. P. 095205. DOI: 10.1088/1361-6463/abc918.
13. Stelmashuk V., Hoffer P. Experimental study of a long-living plasmoid using high-speed filming // IEEE Trans. Plasma Sci. 2017. V. 45, N 12. P. 3160–3165. DOI: 10.1109/TPS.2017.2770224.
14. Friday D.M., Broughton P.B., Lee T.A., Schutz G.A., Betz J.N., Lindsay C.M. Further insight into the nature of ball-lightning-like atmospheric pressure plasmoids // J. Phys. Chem. A. 2013. V. 117, N 39. P. 9931–9940. DOI: 10.1021/jp400001y.
15. Egorov A.I., Stepanov S.I. Properties of short-living ball lightning produced in the laboratory // Tech. Phys. 2008. V. 53, N 6. P. 688–692. DOI: 10.1134/S1063784208060029.
16. Noack S., Versteegh A., Jüttner B., Fussmann G. Analysis of long-living plasmoids at atmospheric pressure // AIP Conf. Proc. 2008. V. 993. P. 129–132. DOI: 10.1063/1.2909094.
17. Versteegh A., Behringer K., Fantz U., Fussmann G., Jüttner B., Noack S. Long-living plasmoids from an atmospheric water discharge // Plasma Sour. Sci. Technol. 2008. V. 17, N 2. P. 024014. DOI: 10.1088/0963-0252/17/2/024014.
18. Stephan K.D., Dumas S., Komala-Noor L., McMinn J. Initiation, growth and plasma characteristics of “Gatchina” water plasmoids // Plasma Sour. Sci. Technol. 2013. V. 22, N 2. P. 025018. DOI: 10.1088/0963-0252/22/2/025018.
19. Sakawa Y., Sugiyama K., Tanabe T., More R. Fireball generation in a water discharge // Plasma Fusion Res. 2006. V. 1, N 39. DOI: 10.1585/pfr.1.039.
20. Dubowsky S.E., Deutsch B., Bhargava R., McCall B.J. Infrared emission spectroscopy of atmospheric-pressure ball plasmoids // J. Mol. Spectrosc. 2016. V. 322. P. 1–8. DOI: 10.1016/j.jms.2016.02.005.
21. Dubowsky S.E., Friday D.M., Peters K.C., Zhao Z., Perry R.H., McCall B.J. Mass spectrometry of atmospheric-pressure ball plasmoids // Int. J. Mass Spectrom. 2015. V. 376. P. 39–45. DOI: 10.1016/j.ijms.2014.11.011
22. Черемисин А.А., Исаков В.П., Шишкин Е.А., Онищук А.А., Пармон В.Н. Водный аэрозоль в искусственном аналоге природной шаровой молнии // Вестн. РАН. 2023. T. 93, № 2. С. 171–178. DOI: 10.31857/S0869587323020044.
23. Gregory P.H. Deposition of air-borne lycopodium spores on cylinders // Ann. Appl. Biology. 1951. V. 38, N 2. P. 357–376. DOI: 10.1111/j.1744-7348.1951.tb07811.x.
24. Lang R.J. Ultrasonic atomization of liquids // J. Acoust. Soc. Am. 1962. V. 34, N 1. P. 6–8. DOI: 10.1121/1.1909020.
25. Buglia J.J. Introduction to the Theory of Atmospheric Radiative Transfer. NASA Reference Publication RP-1156. Hampton, Virginia: Langley Research Center, 1986. 170 p.
26. Dubtsov S., Ovchinnikova T., Valiulin S., Chen X., Manninen H.E., Aalto P.P., Petaj T. Laboratory verification of aerosol diffusion spectrometer and the application to ambient measurements of new particle formation // J. Aerosol Sci. 2017. V. 105. P. 10–23. DOI: 10.1016/J.JAEROSCI.2016.10.015.
27. Onischuk A.A., Vosel S.V., Borovkova O.V., Baklanov A.M., Karasev V.V., di Stasio S. Experimental study of homogeneous nucleation from the bismuth supersaturated vapor: Evaluation of the surface tension of critical nucleus // J. Chem. Phys. 2012. V. 136. P. 224506. DOI: 10.1063/1.4725535.
28. Valiulin S.V., Onischuk A.A., Pyryaeva A.P., An'kov S.V., Baklanov A.M., Shkil N.N., Nefedova E.V., Ershov K.S., Tolstikova T.G., Dultseva G.G. Aerosol inhalation delivery of Ag nanoparticles in mice: Pharmacokinetics and antibacterial action // Antibiotics. 2023. V. 12, N 10. P. 1534. DOI: 10.3390/antibiotics12101534.