В 2000 г. в ходе экспериментов, проводившихся в Петербургском институте ядерной физики им. Б.П. Константинова (с 2011 г. в составе НИЦ “Курчатовский институт”), впервые был обнаружен особый тип импульсного электрического разряда над водной поверхностью [1]. С момента своего открытия (по месторасположению ПИЯФ разряд получил название “гатчинского”) он привлекает большое внимание исследователей, поскольку сопровождается формированием ярко светящегося шарообразного образования. Продолжительность жизни светящегося плазмоида довольно велика и может достигать 0.5 с (при типичном времени гальванического контакта формирующегося плазмоида с электродами около 0.1 с). На этом основании шарообразный плазмоид рассматривают в качестве аналога природной шаровой молнии. Её природа до сих пор не раскрыта, хотя наблюдениям, гипотезам о механизмах её формирования посвящено большое число работ [2–5]. Рассматриваются, в частности, различные химические модели этого явления [3]. Например, в работе [4] выдвинута гипотеза, что большое время жизни и высокую энергоёмкость светящегося образования обеспечивает окисление тонкодисперсного кремния внутри кремниевой оболочки плазмоида. Результаты теоретического анализа и экспериментальные наблюдения не противоречат такому предположению. Что касается “гатчинского” феномена, то, по мнению авторов той же работы, построение его адекватной модели затруднено вследствие недостаточного понимания процессов, происходящих при разряде.

Активные исследования процесса образования и свойств шарообразного плазмоида, возникающего в результате разряда над водной поверхностью, проводят как в России, так и во многих лабораториях за рубежом, в частности, в Китае [6], Японии [7, 8], Германии [9], США [10–12], Чехии [13]. Во многих экспериментах большое внимание уделяется режимам тока разряда, обеспечивающего длительность свечения шара. Детали эволюции плазмоида исследователи отслеживали с помощью высокоскоростных видеокамер [6, 7, 13]. Спектры свечения плазмоида в видимом диапазоне приведены в работах [8, 12]. Обнаружены линии эмиссии многих ионов металлов, которые экспериментаторы добавляли в воду в составе различных соединений.

Изображения светящегося шара, полученные шлирен-методом¹¹, указывают на однородную плотность субстанции внутри него и выявляют наличие пограничного слоя с резким градиентом плотности вверху и сбоку плазмоида; под шаром наблюдается зона турбулентного перемешивания [11]. В этой же работе представлены инфракрасные спектры поглощения, которые позволили выявить в плазмоиде наличие паров воды, а также молекул двуокиси углерода, являющейся, как полагают, продуктом окисления графитового электрода, использовавшегося при разряде. Изучалось также влияние полярности электродов на образование плазмоида [10]. В работе [14] выдвинуто предположение, что плазмоид образован холодной гидратированной плазмой, причём длительность его свечения обеспечивается за счёт постепенной рекомбинации ионов, законсервированных в гидратных кластерах. Такое предположение требует экспериментальной проверки. В целом, несмотря на активное исследование обсуждаемого явления, остаётся ещё множество нерешённых вопросов, касающихся структуры и состава плазмоида.

Специалистам известно, что в результате многих химических и физико-химических процессов образуются аэрозоли − взвешенные в газовой фазе высокодисперсные частицы конденсированной фазы. Нашей целью стало выяснение вопроса о том, присутствует ли аэрозоль в плазмоиде и каковы его химический и дисперсный составы.

Результаты наблюдений эволюции плазмоида. Схема использованной нами установки для получения водного электрического разряда представлена на рисунке 1,а. Плазмоид формировался при разряде высоковольтной конденсаторной батареи через разрядную ячейку − она представляет собой пластиковую цилиндрическую ёмкость с водой, диаметром 26 см и объёмом 5 л, в которую погружены два электрода: первый (центральный), выступающий над поверхностью воды на 1−2 мм, и второй, полностью находящийся в воде на глубине ~20 см. Роль центрального электрода играл графитовый или вольфрамовый стержень диаметром 5 мм, помещённый в изолирующий кварцевый тонкостенный цилиндрический канал. В роли второго электрода использовалась специально изготовленная медная шина в виде кольца с внешним диаметром чуть меньшим внутреннего диаметра ёмкости. Для соединения элементов цепи использовали высоковольтный медный кабель (диаметр токопроводящего провода 3.5 мм). Ёмкость высоковольтной конденсаторной батареи − 1 мФ. Батарея заряжалась до напряжения 5.5 кВ от высоковольтного источника, обеспечивающего ток зарядки 100 мА, при этом в батарее запасалась энергия ~15 кДж. Ограничивающее ток разряда активное сопротивление (4 Ом) для уменьшения индуктивности было выполнено с бифилярной намоткой нихромового провода.

Первоначально оба электрода ячейки имели одинаковый электрический потенциал. При замыкании ключа на электродах возникало напряжение и происходил разряд с характерными временами нарастания импульса напряжения и тока около 60 мкс (рис. 1,б). Корректность приведённых на рисунке зависимостей обеспечивали амплитудно-частотные характеристики цепей измерения напряжения и тока, позволяющие регистрировать изменения сигнала, на два порядка более быстрые, чем сам сигнал длительностью примерно 1 мкс.

Ток, достигая максимума спустя 120 мкс, затем уменьшался. Через 100 мс разряд практически завершался. Последующая эволюция плазменного образования, возникавшего в результате разряда, происходила без подпитки электрической энергией, поступающей в разрядную ячейку из внешней цепи. При этом напряжение на электродах ячейки монотонно падало и спустя 100 мс составляло половину максимального значения (5 кВ); к концу наблюдения сохранялось остаточное напряжение 0.7 кВ.

Исследование потерь электрической энергии в цепи дало следующие результаты. Основные потери (~0.7 кДж) происходили при протекании тока через защитное сопротивление. Остаточному напряжению соответствует 0.25 кДж остаточной энергии конденсаторной батареи. Интегрирование произведения тока на напряжение по времени для ключа показало, что связанными с его замыканием потерями можно пренебречь, так как они существенно меньше вызванных первыми двумя указанными источниками потерь. Таким образом, непосредственно на разрядной ячейке происходит трансформация в другие формы примерно 14 кДж электрической энергии.

Использование высокоскоростной видеокамеры Phantom VEO E-310L позволило детально наблюдать процесс развития и угасания плазмоида (рис. 2), в котором можно выделить три этапа. На первом из них на поверхности воды возникают стримеры – тонкие светящиеся разветвлённые каналы ионизированного газа, которые образуются под действием сильного электрического поля и двигаются от центрального электрода, где начинается разряд, в сторону внешней границы сосуда, достигая максимальной длины ~7 см за 0.5−1 мс.

Второй этап характеризуется поступлением энергии от конденсаторной батареи в разрядную ячейку и, согласно результатам измерения силы тока в цепи, длится 100 мс (см. рис. 1,б). В это время происходит развитие ярко светящейся структуры плазмоида, который в итоге приобретает форму шара диаметром ~15 см. Стримеры, достигшие своего максимального размера, начинают расширяться, а в месте расположения центрального электрода надувается ярко светящийся шарик. За 100 мс, пока происходит разряд тока, образование превращается в шарик с толстой ножкой, основанием которой служит размытая область на водной поверхности, где ранее наблюдались стримеры.

На третьем этапе плазмоид развивается без подпитки внешней энергией. Сначала утончается ножка, содержимое которой, по-видимому, втягивается в объём шарика, при этом плазмоид начинает медленно всплывать вверх. Длительность яркого свечения образования составляет 0.5−0.6 с. В конце этапа свечение прекращается, хотя подобие шаровой структуры сохраняется ещё некоторое время, что мы наблюдали с помощью лазерной подсветки. Возможно, этот пока мало изученный процесс имеет смысл рассматривать в качестве четвёртого этапа эволюции изучаемого образования.

В силу того, что яркость свечения на различных этапах жизни плазмоида оказывалась разной, для каждого отдельного этапа подбирались свои параметры съёмки.

Обсуждение вихревой природы наблюдаемого явления. Описанная эволюция плазмоида (см. рис. 2) аналогична образованию термического потока от границы тёплой снизу и холодной сверху среды в поле силы тяжести или образованию вихревого кольца при импульсном воздействии [15]. В данном случае можно считать, что после разряда тока всплывает компактный вихрь (ядром его служит вихревое кольцо, за которым внизу образуется колоннообразный вихрь). На фотографии этот вихревой жгут, точнее его ядро, напоминает ножку гриба. Подобные по форме явления наблюдаются при взрыве атомной бомбы над поверхностью или возникновении вихревых колец при подрыве кольцевого шнура из взрывчатого вещества [15].

Такого вида структура показана на фотографиях (см. рис. 2) и выявлена при скоростной видеосъёмке, выполненной другими авторами [16–18]. Газодинамические модели, описывающие течение процессов в плазмоиде, развиваются в работах [17, 18]. На основе этих моделей проведены численные исследования эволюции вихревых структур [18]. Важно отметить, что размеры моделируемого вихревого образования и наблюдаемого в ходе экспериментов находятся в хорошем соответствии. Для более точного моделирования структуры вихревых потоков необходимо выяснить состав среды плазмоида, который исследован недостаточно.

Наблюдение водного аэрозоля в плазмоиде. Отправной точкой для проведения исследования аэрозольной составляющей плазмоида послужил эксперимент, схема которого приведена на рисунке 3.

С помощью упоминавшейся высокоскоростной видеокамеры мы фиксировали прохождение лазерного луча в плазмоиде. Был использован синий лазер, работающий в непрерывном режиме (длина волны 400−450 нм, мощность 1 Вт). Диаметр лазерного пучка составлял 3 мм. Параметры съёмки: частота 3200 кадр/с, время экспозиции кадра 100 мкс.

На рисунке 4,а представлен типичный видеокадр наблюдения без применения светофильтра в момент, когда ярко светящийся шар почти полностью погас (время наблюдения − 480 мс от начала инициации разряда). Конфигурация системы наблюдений была следующей: лазерный луч шёл в горизонтальной плоскости; линия оптической оси кинокамеры и луч пересекались под косым углом 30 градусов; кинокамера несколько приподнималась над горизонтальной плоскостью, в которой шёл лазерный луч, и находилась выше центра плазмоида. Высота лазерного луча над поверхностью воды равнялась 16 см, а расстояние от центра плазмоида до луча Δ ~ 1 см.

Внутри плазмоида отчётливо виден трек лазерного луча, а вне – лазерный луч становится невидимым. Мы предположили, что визуализация лазерного луча стала возможной за счёт рассеяния света лазерного пучка аэрозольными частицами, присутствующими в плазмоиде.

Для усиления контраста между изображением лазерного пучка, формируемом за счёт рассеянного света, и светящейся поверхностью плазменного шара был применён синий интерференционный светофильтр с полосой пропускания 10 нм и центрированный на длине волны 450 нм, что соответствует характеристикам использованного лазерного излучения с длиной волны 450 нм. Результаты наблюдения с применением светофильтра представлены на рисунке 4,б.

Схема наблюдения в точности соответствует приведённой на рисунке 3. Оптическая ось фотокамеры и лазерный луч располагались в горизонтальной плоскости перпендикулярно друг другу. Высота луча лазера h = 16 см, Δ = 6 см, что соответствовало прохождению луча примерно в 3 см от края плазмоида. В качестве объектива использовали применяемый для макросъёмки SIGMA MACRO с фокусным расстоянием 105 мм.

Объектив кинокамеры фокусировали так, чтобы получить резкое изображение трека лазерного пучка. Настройку осуществляли до проведения плазменного эксперимента с использованием визуализации лазерного пучка с помощью искусственно созданного дыма. Для выяснения масштаба съёмки предварительно в поле захвата камеры помещали масштабную линейку. Параметры съёмки: частота 3200 кадр/с, время экспозиции кадра 100 мкс. Размер матрицы составлял 1280×800 пикселей. Разрешение − 50 мкм из расчёта на один пиксел.

Фотокадр на рисунке 4,б представлен в инвертированных цветах. Белый соответствует чёрному фону изображения, а градации серого вплоть до чёрного − яркости рассеянного синего света излучения лазера. Видно, что в лазерном пучке выявляется некоторое количество сферических частиц, являющихся центрами рассеяния. Известный масштаб изображения позволяет оценить размер (диаметр) частиц (как оказалось, они довольно крупные), а обработка 100 последовательных кадров − построить распределение по размерам (рис. 5,а). Средний размер оценивается величиной 0.46 мм, со средним квадратичным отклонением 0.3 мм. Концентрация – ~40 частиц/см³ при погрешности ~40%, что соответствует локализации внутри плазмоида ~3.9 см³ субстрата частиц.

Можно было предположить, что наблюдаемые частицы – результат диспергирования материала электрода при разряде. Но тогда следовало бы ожидать сильной зависимости этого процесса от материала. Между тем экспериментально установлено, что при замене графитового электрода на вольфрамовый также фиксируются частицы с распределением по размерам, подобным приведённому на рисунке 5,а.

При проведении большинства экспериментов торец изолирующей кварцевой трубочки и верхняя часть центрального электрода находились на одном уровне. На поверхности электрода отсутствовала вода, он оставался сухим. В разрядной ячейке использовалась вода с малым количеством растворённых солей (чистая водопроводная), согласно измерениям, являющаяся низкоомной средой с удельным сопротивлением 0.67 Ом · м. При этом цвет плазмоида визуально оценивался как белый.

В ряде экспериментов торец кварцевой трубочки, изолирующей центральный электрод, выступал над его плоскостью на 2 мм. Это позволяло помещать на сухой электрод небольшое количество различных веществ. Оказалось, что добавка капельки воды объёмом примерно 0.05 мл не приводила к существенным изменениям характера эволюции плазмоида. При этом время жизни светящегося образования незначительно увеличивалось, на 20−50 мс.

Добавление на сухой электрод сухих порошков солей или окислов металлов массой около 0.1 мг приводило к изменению цвета плазмоида (изначально белого) и различным вариантам оттенков в зависимости от добавок. Например, медный купорос придавал зеленоватый оттенок, поваренная соль – жёлтый. На продолжительность жизни плазмоида эти добавки не оказывали заметного влияния. В силу того, что характер эволюции светящегося образования не зависит ни от материала электрода, ни от добавок на электрод различных солей и окислов металлов, можно предположить, что регистрируемые частицы, с большой вероятностью являются водяными каплями. Они могут быть продуктами конденсации водяных паров, так или иначе возникающих при разряде. Кроме того, согласно наблюдениям, часть этих капель может являться продуктом диспергирования воды, окружающей центральный электрод, в результате процессов, происходящих на водной поверхности сосуда при токовом разряде. Действительно, на рисунке 6 обнаруживаются капли, вылетающие из зоны развивающихся стримеров по направлению к формирующемуся телу плазмоида (частота 3200 кадр/с, время экспозиции 100 мкс). Приведена последовательность кадров с временны́м интервалом 1 мс. Размеры капель на них варьируются от 0.5 до 2 мм, что соответствует крупноразмерной части распределения, представленного на рисунке 5,а. Эта крупноразмерная часть заметно отличается от распределения в диапазоне 100−500 мкм. Можно предположить, что механизм образования частиц этого поддиапазона иной, чем диспергирование воды, что они сформировались в результате конденсации водяного пара.

Наблюдение среднедисперсного водного аэрозоля в плазмоиде. Лазерное излучение направляли в горизонтальной плоскости в сторону плазмоида и фокусировали цилиндрической линзой в пучок шириной 1 мм и высотой 7 мм. Лазерный нож рассекал плазмоид в вертикальной плоскости на расстоянии нескольких сантиметров от его края. (Рабочий отрезок объектива горизонтального микроскопа составлял 3 см, для защиты от загрязнения использовали тонкое защитное оптическое стекло.) Лазерный нож располагался в плоскости фокусировки объектива высокоскоростной видеокамеры. Фокусировку проводили до проведения экспериментов с плазмой; для визуализации лазерного ножа использовали поток частиц водного аэрозоля от ультразвукового диспергатора. Толщина ножа соответствовала глубине резкости объектива. Масштаб увеличения изображения определяли путём регистрации шкалы объект-микро́метра, располагаемой в объектной плоскости резкости − плоскости лазерного ножа. Для уменьшения влияния излучения плазмоида на контраст изображения использовали синий светофильтр.

Типичный полученный из видео фрагмент изображения представлен на рисунке 7; кадр снят через 430 мс после начала инициации разряда. Размер изображения – 3.6 × 2.2 мм; разрешение − 2.7 мкм, что соответствует размеру одного пикселя; увеличение примерно 6 крат. Параметры съёмки: частота 3200 кадр/с, время экспозиции кадра 100 мкс.

Треки отдельных частиц, которые видны на видеокадре, позволяют получить информацию о размере и скорости частиц в вертикальной плоскости – плоскости лазерного ножа. Длина трека пропорциональна произведению скорости частицы и времени экспонирования кадра, что даёт возможность оценить скорость наблюдаемой частицы. Для частиц, представленных на рисунке 7, значения длин треков оказались близкими друг к другу, а их средняя скорость − равной 0.3 м/с.

Толщина треков позволяет оценить размеры частиц. Их распределение по размерам в микрометровом диапазоне, представленное на рисунке 5б,в, получено путём обработки нескольких кадров видеосъёмки. При использовании графитового электрода число частиц, по которым набиралась статистика, составило 192, средний размер − 19 мкм, среднее квадратичное отклонение − 9 мкм. Концентрация – 3 × 10³ частиц/см³ при погрешности ±40%, что соответствует примерно 0.02 г полной массы водного аэрозоля в теле плазмоида.

Предположение о том, что наблюдаемые частицы являются каплями воды, подкрепляют данные измерения распределения частиц по размерам (при использовании вольфрамового электрода). Характеристики полученного распределения (рис. 5,в) соответствуют распределению для графитового электрода (рис. 5,б). Число частиц, по которым набиралась статистика, − 154, средний размер − 16 мкм, среднее квадратичное отклонение − 10 мкм. Концентрация – 2 × 10³ частиц/см³ при погрешности ±40%, что соответствует примерно 0.01 г полной массы водного аэрозоля в теле плазмоида.