Пара слов о шаровой молнии
Твёрдо и чётко можно сказать лишь, что шаровая молния — это летающий светящийся шар. На этом всё, до новых встреч. Но что же в действительности представляет собой это явление? На сегодняшний день вопрос о механизме ее происхождения остается практически безответным. Нет представления о том, как надёжно получить шаровую молнию даже в лабораторных условиях. А встреча с ней в естественных условиях — большая редкость и относится к случайным событиям. Поэтому исследование шаровой молнии для физиков оказывается нетривиальной задачей.
Об этом неопознанном метеорологическом объекте людям известно еще издревле, но лишь на основании рассказов немногочисленных очевидцев. Описание редкого, как будто бы неземного эффекта зачастую выглядело надуманно и приукрашено.
По грубым оценкам, вероятность встретить шаровую молнию в течение жизни — это доли процента. Поэтому ситуация с пониманием явления изменилась только тогда, когда были проведены первые масштабные соцопросы, из которых были выявлены тысячи случаев наблюдения шаровой молнии. Тщательный анализ их подробных описаний позволил ученым определить основные наблюдаемые характеристики шаровой молнии, такие как размер, скорость, яркость, цвет и другие. Чем же наша героиня так привлекает внимание учёных? Не только же своей красотой и таинственностью.
Свидетельства очевидцев
Самое интересное — это её время жизни (однозначно слишком долгое). К сожалению, большинство наблюдателей шаровой молнии не видят либо момента ее возникновения, либо момента гибели, либо ни того, ни другого. Поэтому наблюдения шаровой молнии дали лишь приблизительное представление о времени её жизни.
По дынным А. И. Григорьева, который проанализировал более 10 000 описанных случаев шаровых молний (А. И. Григорьев, «Статистический анализ свойств шаровых молний», в Science of Ball Lightning, под редакцией Ю. Х. Охцуки, World Scientific Publishing Co., Singapore, 1988, pp. 88AD134), время её жизни варьируется в широких пределах — от нескольких секунд до нескольких минут. Это время, как правило, увеличивается с увеличением размера и уменьшается с увеличением яркости. Шаровые молнии, имеющие ярко выраженный оранжевый и голубой цвет, похоже, живут дольше, чем обычно. Средняя продолжительность жизни шарика находится в диапазоне 10 до 20 секунд. Казалось бы, что в этом необычного?
Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо разобраться с тем, какую энергию запасает себе шаровая молния и как ей это удаётся. Оценить энергию, запасенную в молнии, визуально не получится, но это можно сделать, проанализировав последствия её существования. Судя по показаниям очевидцев, достаточно часто исчезновение шаровой молнии сопровождается громким хлопком, взрывом или импульсом электротока.
Если после этого молния оставляет следы, то их можно спокойно и не спеша рассмотреть. Так, например, при разряде в проводники от мощного токового импульса металл оплавляется или даже испаряется. Предметы при взрыве шаровой молнии разлетаются, а при контакте с ней могут значительно нагреться, а потом расплавится или испарится. Я приведу вам один из интересных примеров.
Летом 1977 года в городе Фрязино Московской области преподаватель и группа школьников находившихся в классе на втором этаже увидели мохнатый светящийся шар приблизительно 5 сантиметров в диаметре, который приблизился к наружному оконному стеклу. В стекле образовалось небольшое круглое отверстие со светящимися краями красного цвета. Постепенно диаметр отверстия увеличился до 5 сантиметров, при том что толщина стекла была 2,5 миллиметра.
Вслед за этим шаровая молния ярко вспыхнула и исчезла с громким звуком. В этот момент преподаватель, державший в руках проектор, включенный в цепь, почувствовал удар током. Второе, то есть внутреннее стекло оконной рамы, не пострадало. Время, в течение которого молния проплавила наружное стекло, наблюдатели оценивают в 5 секунд. Таким образом, шаровая молния проплавила около 8 грамм стекла, из чего можно оценить энергию, ушедшую на нагрев в 10 кДж.
В большинстве других случаев, в которых удается определить энергию, также оценивается масса нагретого, испарившегося или расплавленного вещества, и из хорошо известных в школе формул находится энергия. Так или иначе, она всегда получается в диапазоне от единиц до сотен килоджоулей, а плотность энергии обычно десятки джоулей на кубический сантиметр. Если предположить, что плотность частиц шаровой молнии приблизительно соответствует плотности частиц в воздухе (иначе бы она двигалась вертикально), то на одну частицу будет приходиться единицы электрон-вольт.
Это весьма и весьма много для одной молекулы (на два-три порядка больше средней кинетической энергии молекул воздуха). Удерживать такую энергию в достаточно большом объеме шаровой молнии, диаметр которой в среднем около 20 сантиметров, очень тяжело. Как же такое возможно? Было предложено множество гипотез в попытке объяснить этот феномен.
Для начала немного поговорим о температуре шаровой молнии. Может ли энергия шаровой молнии быть тепловой? Этот вопрос возникает естественным образом, когда мы видим, как она плавит металл. Сравним спектр свечения шаровой молнии с тепловым излучением.
Очевидцы видели шаровые молнии красного, зеленого, белого или фиолетового цветов. Но чаще всего все же красные или оранжевые. Из-за этого ей иногда приписывают температуру в тысячи градусов, предполагая, что она излучает как абсолютно черное тело. Однако этот вывод ошибочен. Во-первых, в большинстве случаев, когда шаровая молния проходила рядом с предметами, но не взаимодействовала с ними непосредственно, она их не нагревала своим излучением.
Непрерывные спектры излучения абсолютно чёрного тела в зависимости от его температуры. Цвет, которым оно начинает светиться примерно соответствует максимуму на графике
Неоднократно молния проходила вблизи очевидцев, но тепла они при этом практически не ощущали. Во-вторых, был случай, когда удалось заснять след шаровой молнии и провести фотометрирование снимка. Оказалось, что шаровая молния прозрачна к видимому диапазону, из чего следует, что она не является черным телом, т.е. теплового излучения в видимом диапазоне спектра быть не должно.
И в-третьих, если бы шаровая молния была бы нагрета хотя бы до 1000 градусов, то она поднималась бы вверх за счет силы Архимеда из-за меньшей плотности частиц относительно окружающего воздуха. Наблюдения показывают, что в большинстве случаев молния движется в горизонтальной плоскости и где-то в 20% падает вниз. Это свидетельствует о том, что плотность частиц шаровой молнии близка к атмосферной.
Предположения о физической природе шаровой молнии
В попытке объяснить столь продолжительное время жизни шаровой молнии учёные предлагали различные химические теории. Ведь действительно, нам знакомо множество химических процессов, в результате которых выделяется большое количество энергии и излучения на протяжении очень долгого времени. Например, процесс горения может длиться часами, лишь бы было топливо.
По одной из версий шаровая молния состоит из испарившегося кремния, сгорающего в результате окисления. Молния, ударившая в земную почву, могла испарить содержащийся в ней кремний и каким-то образом отделить кислород от диоксида кремния, превратив его в чистый пар кремния. Остывая, кремний может сконденсироваться в плавающий аэрозоль, связанный своим зарядом и светящийся за счёт тепла рекомбинации кремния с кислородом.
Искать топливо для шаровой молнии можно и в среде элементов, находящихся в достаточном количестве в атмосфере, так как наблюдения показывают, что этот тип молнии возникает в самых разнообразных условиях. Так, например, есть предположение о том, что энергия запасается в большом количестве озона после удара обычной молнии. Благодаря мощнейшему импульсу тока молекулярный кислород диссоциирует на атомарный, то есть часть энергии линейной молнии уходит именно на диссоциацию.
В дальнейшем атомарный кислород может перейти в озон при столкновении с молекулой кислорода и любой другой частицей. Вследствие дальнейших химических реакций при определенных условиях можно достаточно долго наблюдать свечение. Но эта теория, как и все другие чисто химические теории, не в состоянии выдерживать критику, так как не объясняет электрические явления, связанные с шаровой молнией.
Разнообразие этих явлений свидетельствует о том, что шаровая молния — это плазменное образование, то есть она обладает достаточно большим количеством заряженных частиц. Сегодня создать плазменное светящееся образование не представляет труда. Многие из них можно сделать даже в домашних условиях. Но для этого в любом случае потребуется непрерывно подводить энергию к газовому разряду.
Дело в том, что в атмосфере атомарные ионы, то есть положительно заряженные частицы, при невысоких температурах быстро превращаются в молекулярные, а они в свою очередь охотно рекомбинируют с электронными и отрицательными ионами. Эти реакции обеспечивают исчезновение заряженных частиц всего за одну секунду. И именно это обстоятельство и ставит исследователей в тупик. Но неспроста шаровую молнию можно сравнивать с газовым разрядом. Дело в том, что имеется множество подтверждений того, что шаровая молния — это электрическое явление. (Хотя конечно, химических реакций там, вероятно, происходит тоже очень много).
Очевидцами неоднократно отмечалась способность шаровой молнии вызывать радиопомехи вплоть до индуцирования сильных шумов в трубках аналоговых телефонных аппаратов.
В июле 1965 года В.И. Степанов работал в поселке Итат Кемеровской области. Надвигалась гроза. Он забежал в контору, расположенную в вагончике, чтобы позвонить по телефону. Когда он стал набирать номер, в трубке появилось все усиливающееся потрескивание.
Вслед за этим в открытую дверь конторы взлетел огненный шар диаметром 8−10 сантиметров, светло-желтого цвета. Он двигался горизонтально вдоль стен помещения на расстоянии 20−30 сантиметров от них, плавно огибая углы. В вагончике находился еще один человек. На экране у вас сейчас присланная автором схема. Далее слова автора. При входе шаровой молнии в комнату треск в телефонной трубке стал оглушительным и достиг своего апогея при минимальном расстоянии молний до телефонного аппарата.
Молния обошла весь вагончик по периметру на высоте одного метра от пола и вышла в ту же дверь, в которую вошла. При этом треск в телефонной трубке продолжался еще несколько секунд и плавно затух.
Помимо этого, электрическую природу шаровой молнии подтверждают удары током, например, в проводники или даже в людей, и эти удары зачастую достаточно мощные.
В 2006 году в лаборатории исследований молний во Флоридском университете был проведен ряд экспериментов в попытке создать шаровую молнию. Так как большинство очевидцев наблюдали ее после удара обычной линейной молнии, ученые для этого эксперимента использовали так называемую триггерную молнию.
К небольшой ракете привязывается проволока, которая вторым концом соприкасается с землей. Таким образом, если запустить ее в грозовое облако, можно инициировать возникновение классической молнии. Но, несмотря на множество попыток, получить шаровую молнию ни разу не удалось. И, к сожалению, никакими другими способами пока еще не удалось поставить нормальный эксперимент, в котором бы возникала такая молния. Но существует своего рода лабораторный аналог.
В 2000 году в Петербургском институте ядерной физики в Гатчине открыли новый вид электрического разряда при атмосферном давлении — шаровой плазмоид, или, как его иногда называют, гатчинский разряд. В нем образуются уникально долгоживущие светящиеся образования, которые, по мнению многих исследователей, похожи на природные шаровые молнии.
Процесс происходит так: энергия вводится между двумя электродами, один из которых расположен на дне сосуда с жидкостью (водой), а другой — над поверхностью жидкости. В результате вложения энергии одна её часть переходит в жидкость с образованием активных частиц при диссоциации воды, другая — вблизи верхнего электрода. При этом верхний электрод нагревается до температуры плавления во время импульса разряда. Позже на этом электроде возникает люминесцентная сфера, и она всплывает.
Можно подумать, что вот она — шаровая молния в лабораторных условиях. Но и тут все не так просто. На сегодняшний день максимальное время жизни такого разряда не превышает секунды. Что с одной стороны уже значительно долго для электрического разряда, без подпитки энергии, но с другой стороны недостаточно надолго для шаровой молнии.
Природа этого разряда по-прежнему совсем не ясна, а потому пока сложно установить соответствие этого явления с природной шаровой молнией. Некоторые исследователи в своих работах стараются подчеркнуть тесную взаимосвязь плазмоидов и молний, а некоторые, наоборот, достаточно скептически относятся к этому и изучают шаровые плазмоиды не по причине его схожести с шаровой молнией.
Что-то определённое
В общем, заряженные частицы в шарике точно есть, их много, их энергия велика, а также электромагнитное воздействие шаровой молнии простирается на гораздо большее, чем её видимый размер, расстояние. Всё это привело великого физика Петра Капицу в 1955 году к трактовке шаровой молнии как безэлектродного разряда, вызванного стоячими сверхвысокочастотными волнами неизвестного происхождения, присутствующими между землёй и облаком; более ранние версии этой идеи относятся к 1930-м годам.
С тех пор учёные усовершенствовали предположение Капицы. Современной версией подхода, основанного на СВЧ-разрядах, можно считать мазерно-солитонную теорию, впервые описанную в 1975 году (P.H. Handel, «Maser Theory of Ball Lightning» в Bulletin of the American Physical Society Series II, Vol. 20 [1975], No. 26). Исследования по этой теме ведутся в Курчатовском научном центре в Москве с 1992 года. Согласно этой теории, наружные шаровые молнии вызываются атмосферным мазером — аналогом лазера, но работающим на гораздо меньшей энергии, — и имеющим объём порядка многих кубических километров. Вероятно как раз по этой причине и не удаётся надёжно получить эту молнию в лаборатории. Нужны гораздо более щедрые ассигнования просторные лабораторные помещения.
Водородный мазер как пример шаровой молнии в коробочке. Похоже,но всё-таки не то..
Принцип работы мазера схож с лазерным (ведь не зря же они так похоже называются) — только вместо оптического диапазона (ТГц или нанометры) задействуется гораздо менее энергоёмкий радиодиапазон (МГц/Ггц или сантиметры). И вместо твёрдого рабочего тела для накачки используется большой объём воздуха, на который воздействует удар молнии по соседству, что затрудняет выход фотонов до того, как они вызовут «микроволновое усиление за счёт стимулированного излучения» .
Этой теории есть несколько надёжных подтверждений от очевидцев. Во-первых, шаровая молния никогда не возникает на острых горных вершинах, высотных зданиях и других высоких точках, которые притягивают молнии. Напротив, все они тяготеют к равнинам. Во-вторых, шаровая молния не наносит никакого вреда в самолётах и подводных лодках, а также в домах с проводящим каркасом. И в-третьих, шаровая молния под открытым небом часто заканчивается сильным взрывом, иногда вызывающим значительные разрушения. Взрыв особенно странен тем, что при нём токопроводящие предметы смещаются в большей степени, чем диэлектрики. Это наводит на мысли о так называемых пондемоторых силах, имеющих электрическую осциллирующую природу.
Несмотря на свою привлекательность, мазерная теория не является ни единственным ни исчерпывающим объяснением природы сего загадочного явления. А пока опросы остаются единственным достоверным способом описания шаровой молнии. Такая вот физика, котованы.
Сердечно благодарю Физический факультет СПБГУ и магистранта кафедры оптики Владислава Залётова за афигенную лекцию, послужившую основой этой статейки. Физфак чемпион!
Автор - Ильмар Реммельг
Подписывайтесь, чтобы не пропустить новые посты!
