Иванов Б.Н. - Мир физической гидродинамики. От проблем турбулентности до физики космоса (1107606), страница 21
Текст из файла (страница 21)
Какова роль молекул НзО? Эти молекулы интенсивно «опустошают» нижние колебательные уровни первой ветви колебаний молекул СОм Именно на эти уровни происходит переход с более высоких колебательных уровней 2-й ветви. Тем самым создается большая степень инверсности в заселении колебательных состояний молекул СО~. Полученная молекулами Н»О* избыточная энергия питает кинетическую энергию струи газа. Как формируется лазерный луч? После расширения в сопле газовый поток попадает в резонатор, где плоскопараллельное течение проходит мимо двух зеркал, расположенных по боковым сторонам канала. Случайные спонтанные переходы на колебательных уровнях молекул СОН ведущие к испусканию фотонов произвольного направления, остаются без радикальных последствий.
Фотонный ливень вынужденного излучения начинается, когда будет спонтанно испушен хотя бы один фотон вдоль оси перпендикулярной обоим зеркалам (и газовому цотоку). Многократное «отражение» такого фотона от зеркал ведет к лавиноподобному росту числа таких же фотонов вынужденного излучения с инверсно заселенных колебательных уровней молекул СО~. Образуется необычайно интенсивный пучок тождественных фотонов. У таких фотонов — квантов электромагнитного поля — направления распространения совпадают, ориентации векторов напряженностей электрического и магнитного полей одинаковы, частоты одни и те же.
Прн Э 1О. Гидродинамике и физико-химические процессы 91 этом фазы электромагнитных волн, испускаемых всеми молекулами СОм согласованы и, в частности, могут совпадать. Такое когерентное монохроматнческое излучение молекул СОз приводит к тому, что его результирующая амплитуда усилится пропорционально числу участвующих в переходах молекул. Интенсивность же излучения, которая определяется квадратом амплитуды, будет соответственно пропорциональна квадрату числа радиационноактивных молекул СО~. На качество сформировавшегося лазерного луча влияют: турбулентность в газовом потоке; косые ударные скачки сверхзвукового течения; неоднородность потока, которая возникает как следствие малости давления газа в резонаторе (0,05 —: О,1 атм) и др.
Для вывода мощного лазерного луча из резонатора ГДЛ в атмосферу применили остроумное решение — аэродинамические окна. Это замечательная находка специалистов по газовой динамике (см. Приложение). ГДЛ в сущности представляет собой сверхзвуковую или гнперзвуковую аэродинамическую трубу, в некоторых случаях с газогенератором в виде работающего ракетного двигателя. Горячие продукты сгорания в нем (с разбавлением азотом) служат необходимой газовой смесью для ГДЛ. Приведем некоторые цифры по ГДЛ.
Первое поколение ГДЛ работало на газовой смеси состава 7% СОз, 1% НзО, остальное Хз. Давление и температура в форкамере соответственно Ре — — 20 атм, Тд = 1200 К. К. п.д. ГДЛ около 1%, но за счет больших масс активной среды онн дают рекордные лучевые мощности (до сотен кВт) в непрерывном режиме. Понимание физики лазерного эффекта привело к открытию радио- астрономами аналогичного эффекта в сантиметровом диапазоне волн в ряде космических образований (см. Приложение). 10.4. Электризация грозовых облаков Казалось бы, перед нами рядовое явление. Сколько раз каждый из нас наблюдал хмурое небо, серосвинцовые облака, ливень н каскад молний.
Уже двести лет естествоиспытатели (начнная с Б. Франклина) изучают феномен «грозы» и сопутствующие ему явления. Однако, в частности, механизм электризации грозового облака до сих пор вызывает научные диспуты. С чем связано такое положение дел? Ведь физики, например, сумели разобраться в тончайших деталях строения атома водорода, даже учесть влияние квантового электромагнитного вакуума на состояние атомного электрона. Нынешние исследователи демонстрируют в эксперименте и анализируют в теории такие, к примеру, «вещи», как образование экситонного состоянии в полупроводниках (см.
З 18.3). Яркие коллективы физиков-экспериментаторов и теоретиков многих стран в течение полустолетия интенсивного изучения такой сложной и капризной среды, как высокотемпературная плазма, создали новый раздел своей науки — физику плазмы. Последняя во многом заложила основы нового физического мировоззрения: нелинейность явлений, их самоорганизация н др. 92 э 10. Годродонамока и фозика-комическое процессы Отвечая на поставленный в начале предыдушего абзаца вопрос, заметим, что медленное продвижение в изучении атмосферного электричества связано с невозможностью проведения детальных измерений распределения зарядов в грозовых облаках. Вообще, если имеются затруднения в установлении строения физического объекта (в особенности со стороны эксперимента), то построение теории этого объекта становится практически невозможным.
В частности, так обстоит дело с загадочной шаровой молнией. Если естествоиспытатели умеют воспроизвести природное явление в лаборатории, теория явления рано или поздно будет построена. Перед тем как вернуться к проблеме электризации грозовых облаков, приведем общие сведения об электрических свойствах земной атмосферы. На высотах более 50 км расположен ионизованный слой разреженной атмосферы — ионосфера. Она богата озоном Оз, который «легко» ионизуется ультрафиолетовым солнечным излучением. Заряд ионосферы положительный.
Поверхность же Земли имеет отрицательный заряд. Разность потенциалов между ионосферой и земной поверхностью около 300000 вольт. Заключенный между ними слой атмосферы является электрически нейтральным образованием. Естественно, что атмосфера не является идеальным диэлектриком. Значительные объемы плазмы могут инжектироваться в атмосферу из ионосферы и магнитосферы Земли во время «магнитных бурь», связанных с солнечными вспышками (см. Ц 20.3 и 20.4). Поскольку электрическое поле в глобальном сферическом «конденсаторе» направлено к Земле, в атмосфере будут существовать электрические токи в обоих направлениях. Поставшиками ионов в атмосферу являются также энергичные частицы «солнечного ветра» (см.
в дальнейшем Я 20.2, 20.3), сталкивающиеся с молекулами и атомами атмосферных газов. Тяжелые заряженные образования, например кристаллики ХаС1, несущие излишний внешний заряд того или иного знака, постоянно формируются при волнениях поверхности Мирового океана. Образующаяся при штормах «водяная пыль» уносится ветрами и поднимается восходяШими конвекционными потоками в атмосферу. Капельки морской соленой воды, как показывает опыт, несут электрический заряд.
Испарение капли ведет к кристаллизации ХаС1, содержащейся в капле. Грозовое облако есть «электродинамическая конвективная ячейка», представлявшая собой сложную систему течений среды с умеренной степенью ионизации. При этом центры положительных зарядов в основном сосредоточены в верхней части облака, а центры отрицательных зарядов — в его нижней части.
Одним из механизмов указанного разделения зарядов в грозовом облаке, явился механизм, предложенный еще в 20-х гг. Нобелевским лауреатом Ч. Вильсоном (изобретателем знаменитой камеры для регистрации быстрых заряженных частиц), Он заключался в следуюшем. Относительно тяжелая капелька морской водяной пыли, попавшая в грозовую ячейку, 0 10. Гидродонаиона и физоно-химочесное процессы 93 падает в поле тяжести и испытывает поляризацию в земном электрическом поле.
При этом»лобовая» часть капельки приобретает избыток положительных зарядов. Встречные положительно заряженные образования будут отталкиваться от падающей капельки и сноситься потоком в верхнюю часть облака. Отрицательно заряженные ионы и другого рода образования, несущие отрицательный заряд, будут «прилипать» к капельке. В результате нижняя часть облака обогатиться избытком отрицательных зарядов. Измерения показали, что внутри грозового облака могут возникать напряженности полей в 10 В/м. Электрические разряды — молнии— происходят в основном внутри грозового облака (с частотой несколько разрядов в минуту для грозовой ячейки умеренных размеров). Мощность, освобождаемая при этом, эквивалентна мощности средней атомной электростанции.
Реальная электрическая структура грозового облака довольно сложна, а для ее анализа до сих пор используются весьма упрощенные модели грозовых ячеек, основанные на законах электростатнкн. Несомненно, что здесь нужен системный подход, сочетающий гидродинамику и электродинамику процессов. В связи с указанным, заметим, что для предельного состояния вещества — сильно ионизованной плазмы — теория, сочетающая законы гидродинамики и электродинамики, существует — это так называемая магнитная гидродннамика (см.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
