Шаровая молния – уникальное и загадочное природное явление: природа возникновения; характеристика природного явления. Плазмоидная "жизнь"
Что скрывается за мистическим появлением загадочного сгустка энергии, которого так боялись средневековые европейцы?
Существует мнение, что это посланники внеземных цивилизаций или вообще, существа, наделенные разумом. Но так ли это на самом деле?
Давайте разберемся с этим необыкновенно интересным явлением.
Что такое шаровая молния
Шаровая молния – редкое природное явление, выглядящее как светящееся и плавающее в воздухе образование. Это светящийся шар, который появляется, как кажется, из ниоткуда и исчезает в разреженном воздухе. Его диаметр варьируется от 5 до 25 см.
Обычно шаровую молнию можно увидеть непосредственно перед, после или во время грозы. Продолжительность самого явления колеблется в пределах от нескольких секунд до пары минут.
Продолжительность существования шаровой молнии имеет тенденцию увеличиваться с ее размером и уменьшаться с ее яркостью. Считается, что шаровые молнии, имеющие отчетливый оранжевый или голубой цвет, существуют дольше, чем обычные.
Шаровые молнии, как правило, летят параллельно земле, но также могут двигаться вертикальными скачками.
Обычно такая молния спускается с туч, но также может внезапно материализоваться на открытом воздухе или в помещении; она может проникать в комнату через закрытое или открытое окно, тонкие неметаллические стены или дымоход.
Загадка шаровой молнии
В первой половине 19 века французский физик, астроном и естествоиспытатель Франсуа Араго, возможно первым в цивилизации, произвёл сбор и систематизировал все известные на то время свидетельства появления шаровой молнии. В его книге было описано более 30 случаев наблюдения шаровых молний.
Выдвинутое некоторыми учеными предположение о том, что шаровая молния представляет собой плазменный шар, было отклонено, поскольку «горячий шар из плазмы должен был бы подняться вверх как аэростат», а этого шаровая молния как раз и не делает.
Некоторые физики предполагали, что шаровая молния появляется благодаря электрическим разрядам. Например, российский физик Петр Леонидович Капица полагал, что шаровая молния – это возникающий без электродов разряд, который вызывается сверхвысокочастотными (СВЧ) волнами неизвестного происхождения, существующими между тучами и землей.
Согласно другой теории, наружные шаровые молнии вызываются атмосферным мазером (квантовым генератором СВЧ-диапазона).
Двое ученых из Новой Зеландии – Джон Абрамсон и Джеймс Диннис – уверены, что шаровые молнии состоят из клочковатых шариков горящего кремния, созданных ударом в землю обычной молнии.
Согласно их теории, когда молния ударяет в землю, минералы распадаются на крошечные частицы кремния и его составляющие – кислород и углерод.
Эти заряженные частички соединяются в цепочки, которые продолжают формировать уже волокнистые сетки. Они собираются вместе в светящийся «клочковатый» шар, который подхватывается воздушными потоками.
Там он парит как шаровая молния или горящий шар из кремния, излучая энергию, поглощенную им от молнии в виде тепла и света, до тех пор, пока не сгорит.
В научной среде существует масса гипотез происхождения шаровых молний, о которых нет смысла рассказывать, так как все они являются только предположениями.
Шаровые молнии Николы Теслы
Первыми опытами по исследованию этого загадочного явления можно считать работы в конце 19 века. В своей краткой заметке он сообщает, что, при определённых условиях, зажигая газовый разряд, он, после выключения напряжения, наблюдал сферический светящийся разряд диаметром 2-6 см.
Однако Тесла не сообщал подробности своего опыта, так что воспроизвести эту установку было затруднительно.
Очевидцы утверждали, что Тесла мог делать шаровые молнии на несколько минут, при этом он их брал в руки, клал в коробку, накрывал крышкой и опять доставал.
Исторические свидетельства
Многие физики 19 века, включая Кельвина и Фарадея, при своей жизни были склонны считать, что шаровая молния – это либо оптическая иллюзия, либо явление совершенно иной, неэлектрической природы.
Однако количество случаев, подробность описания явления и достоверность свидетельств возрастали, что привлекло внимание многих учёных, в том числе и известных физиков.
Приведем несколько достоверных исторических свидетельств наблюдения шаровой молнии.
Смерть Георга Рихмана
В 1753 году Георг Рихман, действительный член Академии Наук, погиб от удара шаровой молнией. Он изобрёл прибор для изучения атмосферного электричества, поэтому, когда на очередном заседании услышал, что надвигается гроза, срочно отправился домой вместе с гравёром, чтобы запечатлеть явление.
Во время эксперимента из прибора вылетел синевато-оранжевый шар и ударил учёного прямо в лоб. Раздался оглушительный грохот, схожий с выстрелом ружья. Рихман упал замертво.
Случай с кораблём «Уоррен Хастингс»
Одно британское издание сообщало о том, что в 1809 году корабль «Уоррен Хастингс» во время шторма «атаковало три огненных шара». Команда видела, как один из них спустился и убил человека на палубе.
Того, кто решил забрать тело, ударил второй шар; его сбило с ног, на теле остались лёгкие ожоги. Третий шар убил ещё одного человека.
Команда отметила, что после происшествия над палубой стоял отвратительный запах серы.
Современные свидетельства
- Во время Второй Мировой войны пилоты сообщали о странных явлениях, которые могут быть истолкованы как шаровая молния. Они видели маленькие шары, двигающиеся по необычной траектории.
- 6 августа 1944 года в шведском городе Уппсала шаровая молния прошла сквозь закрытое окно, оставив за собой круглую дырку около 5 см в диаметре. Явление наблюдали не только местные жители. Дело в том, что сработала система слежения за разрядами молнии Уппсальского университета, которая находится на отделении изучения электричества и молнии.
- В 2008 году в Казани шаровая молния залетела в окно троллейбуса. Кондуктор с помощью валидатора отбросила её в конец салона, где не было пассажиров. Через несколько секунд произошёл взрыв. В салоне находилось 20 человек, однако никто не пострадал. Троллейбус вышел из строя, валидатор нагрелся и побелел, но остался в рабочем состоянии.
С древних времен шаровые молнии наблюдали тысячи людей в разных уголках мира. У большинства современных физиков не вызывает сомнений тот факт, что шаровая молния реально существует.
Однако до сих пор нет единого академического мнения о том, что такое шаровая молния и чем вызывается этот природный феномен.
Понравился пост? Нажми любую кнопку.
Шаровая молния – красивый миф или ? Тысячи людей по всему миру утверждают, что лично видели его – светящийся, приблизительно сферический шар света. Как правило, этот феномен отмечают во время грозы, но подробности наблюдений очень сильно различаются. Размер огненных шаров составляет от нескольких сантиметров до метра и более. Они могут быть красными, синими, желтыми, белыми или даже зелеными. Время их существования – от нескольких секунд до нескольких минут. Они бесследно исчезают или взрываются, создавая разрушения и причиняя вред. Что такое шаровая молния и что делать при встрече с ней?
Характеристики природного явления
Они могут блуждать над землёй или спускаться c неба, висеть неподвижно или лететь с внушительной скоростью, излучать жар или казаться совершенно холодными. Есть свидетельства о шаровых молниях, появлявшихся в летящих самолётах и путешествовавших над головами ошеломлённых пассажиров. Некоторые очевидцы даже утверждают, что сияющие шары двигаются и ведут себя подобно живым существам. Иногда держатся поодаль, порой, словно с любопытством кружат вокруг, а часто и «нападают».
Соприкосновение с загадочным шаром может быть чревато ожогом или даже смертью. Если гроза бушует за окном, может ли шаровая молния пройти через стекло? Да, и даже сквозь стену, как говорят многочисленные свидетели подобных происшествий. Поэтому неудивительно, что люди задаются закономерным вопросом: если действительно есть в природе шаровая молния, как себя вести при ней и обезопасить себя?
Именитые философы и ученые, такие как Луций Сенека, Нильс Бор и Пётр Капица внимательно изучали феномен шаровой молнии. Современные физики, долгое время сомневавшиеся в достоверности этого удивительного явления, теперь пытаются сформулировать правдоподобное объяснение его существования, уже не вызывающего сомнений. Вот только получить внятные ответы на накопившиеся вопросы пока не удалось.
Что из себя представляет шаровая молния и что нужно делать при встрече с ней? Почему она движется по непредсказуемым траекториям и «ведёт себя» так странно? Какой источник энергии поддерживает её? В каких случаях она представляет угрозу для людей, а в каких – безвредна?
Что делать, если залетела шаровая молния?
Выдвинуто множество научных и любительских версий о физике и происхождении странного явления, но пока что ни одна из них не подтверждена. В лаборатории получить шаровую молнию тоже ещё не удалось. На сегодняшний день нам остаётся только гадать, что представляет из себя эта таинственная светящаяся сфера.
Все, что остается людям, это соблюдать все рекомендации, касающиеся возможной встречи с феноменом. Они сводятся к максимальному проявлению осторожности.:
Чтобы снизить с опасным феноменом, во время грозы нужно держать окна и двери в доме закрытыми. Может ли шаровая молния пройти через оконное стекло? К сожалению, да. Однако считается, что в основном она движется в потоках воздуха и «любит» сквозняки, поэтому не стоит их создавать.
Первым человеком, который серьезно отнесся к рассказам очевидцев шаровой молнии, был французский физик и естествоиспытатель Доминик Франсуа Арго . В своем труде он описал 30 случаев наблюдения этого редкого природного явления. Эта работа была во многом революционна. До нее ни один ученый того времени не воспринимал рассказы о шаровых молниях всерьез. Даже Уильям Томсон (больше известный как лорд Кельвин ) до конца своей жизни был уверен, что наблюдаемое явление не связано с электричеством, а просто оптическая иллюзия или обман зрения.
С увеличением количества случаев столкновения с шаровой молнией (а так же достоверность этих случаев) возрастал и интерес к ней со стороны науки. В середине XX века ученые-физики уже не были настроены столь скептически, как раньше. Изучением шаровых молний занимались такие видные ученые, как П. Капица и И. Стаханов. Последний даже опубликовал в популярном журнале "Знание-сила" анкету, в которой попросил всех очевидцев шаровой молнии описать свои воспоминания. Тем самым ученый постарался систематизировать и обобщить некоторые свойства молнии, а так же предложить собственную модель получения шаровой молнии в искусственных условиях.
Проанализировав данные нескольких сотен случаев наблюдения шаровых молний можно выделить следующие параметры:
- Форма : в основном шар, хотя встречались шаровые молнии в форме яйца, капли и даже вытянутого гриба. В любом случае, форма молнии представляет собой вариацию шара;
- Размер и вес : Как правило очевидцы описывали наблюдаемый шар 10-20 см. в диаметре. Ну а взвесить молнию еще никому не удавалось;
- Цвет : Вариантов цвета может быть несколько. Чаще всего встречались молнии желтого или белого цвета. Большинство наблюдавших говорили, что постоянного цвета молния не имеет, а переливается от одного цвета к другому;
- Время жизни и поведение : Чаще всего молнию наблюдали не дольше 30 сек. Правда никто не видел момент рождения шара, поэтому сложно представить реальное время жизни явления. Ведет себя молния по-разному. Очевидцы говорят, что летит шар под воздействием разных сил - ветра, электромагнитных волн, сил притяжения и т.д. Если дует ветер - туда и полетит молния. Если она находится около электрического устройства, то сблизится с ним и т.д.;
- Скорость : Летает шаровая молния медленно, "лениво" вращаясь вокруг собственной оси;
Теории возникновения
В настоящее время существует десяток теорий возникновения шаровых молний в природе. Одно из первых предположений рождения этого явления предложил отечественный ученый-физик Петр Леонидович Капица . По его теории, которая была названа в его честь, шаровая молния возникает на оси электромагнитной волны, которая образуется во время грозы между землей и грозовыми облаками. В этом случае шаровая молния двигается по силовым линиям волны, а сама волна подпитывает энергией молнию, продлевая ее "жизнь".
Одна из возможных причин возникновения шаровой молнии - сильные грозы в атмосфере. Они не только "рождают" шаровую молнию, но и подпитывают ее необходимой для движения энергией.
Другая теория, состоятельность которой подтверждается наблюдениями очевидцев, была представлена другим ученым - Смирновым Б.М. По его словам шаровая молния состоит из ядра и окружающей материи. Ядро представляет собой каракас ячеистой структуры. Грани этого каркасы состоят из нитей плазы. Поэтому у шаровой молнии малый вес, но вместе с этим огромный запас энергии, заключенный в этом энергетическом каркасе.
Третья теория предполагает, что шаровая молния - совокупность тяжелых ионов воздуха разных зарядов, которые появляются после удара обычной молнии в землю. Эти ионы могут собираться в шар (объем которого зависит от количества ионов) и существовать довольно длительное время.
Также существует очень интересная теория, которая пытается доказать, что видимый шар - всего лишь зрительный образ, созданный человеческим мозгом. По этой теории, магнитные поля обычной молнии воздействуют на зрительные нервы коры головного мозга, вызывая так называемые фосфены . Фосфены - зрительные ощущения, которые могут появиться даже в полной темноте. Человеку кажется, что он видит светящиеся точки или шары, но на самом деле их нет - это просто реакция могза на магнитное поле. Эта теория объясняет, почему несколько человек могут видеть несуществующую шаровую молнию - они все испытывают на себе воздействие магнитного поля. Правда это не объясняет, почему шаровые молнии проявляются на фотографиях .
Фосфены могут появиться и без магнитного поля. Даже обычное воздействие на зрительную систему может спровоцировать их появление. Вы можете проверить это самостоятельно, прямо сейчас. Нажмите на закрытый глаз и сразу откройте его. Вы можете заметить небольшой шарик, плывущий перед глазами. Размер и цвет его зависит от многих факторов - от силы нажатия, от освещения и т.д. Что-то подобное, считают сторонники этой теории, происходит и с "очевидцами" шаровых молний.
Как получить шаровую молнию?
Попытки создать шаровую молнию в лабораторных условиях предпринимались многими учеными, и не прекращаются по сей день. Первопроходцем в этой области считают знаменитого изобретателя и физика Николу Тесла . Он отмечал в своих записях, что при соблюдении определенных условий можно таким образом зажечь газовый разряд, что он будет похож на светящийся сферический шар.
Современники гениального ученого даже рассказывали, что Никола Тесла мог свободно создавать искрящиеся электрические сферы, брать их в руки и даже жонглировать ими. Правдивость этих рассказов достаточно сомнительна, учитывая ту завесу тайны, которой был окружен ученый. Его эксперименты настолько опередили свое время, что ученого воспринимали как волшебника и чародея, приписывая ему самые невероятные возможности.
Современные опыты по воссозданию шаровой молнии в лабораторных условиях начались незадолго до Великой Отечественной войны. В 1942 г. советский ученый, занимающийся изучением природы электрических явлений Георгий Ильич Бабат , получил на своей экспериментальной установке самозаряжающийся газовый разряд, который внешне напоминал шаровую молнию.
Подобные опыты проводил и Петр Леонидович Капица (советский физик, лауреат Нобелевской премии, член АН СССР). Его "лабораторная шаровая молния" могла менять свой цвет, в зависимости от того, какие органические соединения ученый добавлял в газовый разряд.
Ученые считают, что шаровая молния появляется в условиях, при которых появляется и обычная молния. Поэтому свои опыты экспериментаторы проводили по одной схеме - создавался светящийся сферический газовый разряд, а затем подбирались условия, при которых этот шар мог некоторое время существовать не разрушаясь.
Проблемы начинались не с созданием самой сферы, а с продлением ее "жизни". В лаборатории шаровые молнии существовали всего несколько секунд, тогда как очевидцы утверждали, что молнии могут жить несколько минут.
Видео: шаровая молния
Съемка шаровой молнии
Как это нередко бывает, систематическое изучение шаровых молний началось с отрицания их существования: в начале XIX века все известные к тому времени разрозненные наблюдения были признаны либо мистикой, либо в лучшем случае оптической иллюзией.
Но уже в 1838 году в «Ежегоднике» французского бюро географических долгот был опубликован обзор, составленный знаменитым астрономом и физиком Домиником Франсуа Араго.
Впоследствии он стал инициатором опытов Физо и Фуко по измерению скорости света, а также работ, приведших Леверье к открытию Нептуна.
Основываясь на известных тогда описаниях шаровых молний, Араго пришел к выводу, что многие из этих наблюдений нельзя считать иллюзией.
За 137 лет, прошедших с момента выхода в свет обзора Араго, появились новые свидетельства очевидцев, фотографии. Были созданы десятки теорий, экстравагантных и остроумных, которые объясняли некоторые известные свойства шаровой молнии, и таких, которые не выдерживали элементарной критики.
Фарадей, Кельвин, Аррениус, советские физики Я. И. Френкель и П. Л. Капица, многие известные химики, наконец, специалисты американской Национальной комиссии по астронавтике и аэронавтике NASA пытались исследовать и объяснить этот интересный и грозный феномен. А шаровая молния и поныне продолжает во многом оставаться загадкой.
Трудно, наверное, найти явление, сведения о котором так противоречили бы друг другу. Основных причин две: это явление очень редкое, и многие наблюдения проводятся крайне не квалифицированно.
Достаточно сказать, что за шаровую молнию принимались крупные метеоры и даже птицы, к крыльям которых прилипала труха гнилых, светящихся в темноте пней. И все-таки известно около тысячи достоверных наблюдений шаровой молнии, описанных в литературе.
Какие же факты должны связать ученые единой теорией, чтобы объяснить природу возникновения шаровой молнии? Какие ограничения накладывают наблюдения на нашу фантазию?
Первое, что нужно объяснить: почему шаровая молния возникает часто, если она возникает часто, или почему она возникает редко, если она возникает редко?
Пусть читателя не удивляет эта странная фраза — частота появления шаровой молнии все еще является спорным вопросом.
И еще нужно объяснить, почему шаровая молния (не зря же она так называется) действительно имеет форму, обычно близкую к шару.
И доказать, что она, вообще, имеет отношение к молниям, — надо сказать, не все теории связывают появление этого феномена с грозами — и не без оснований: иногда она возникает в безоблачную погоду как, впрочем, и другие грозовые явления, например, огни святого Эльма.
Здесь уместно вспомнить описание встречи с шаровой молнией, данное замечательным наблюдателем природы и ученым Владимиром Клавдиевичем Арсеньевым — известным исследователем дальневосточной тайги. Встреча эта произошла в горах Сихотэ-Алиня в ясную лунную ночь. Хотя многие параметры наблюдавшейся Арсеньевым молнии типичны, подобные случаи редки: обычно шаровые молнии возникают в грозу.
В 1966 году NASA распространила среди двух тысяч человек анкету, в первой части которой были заданы два вопроса: «Видели ли вы шаровую молнию?» и «Видели ли вы в непосредственной близости удар линейной молнии?»
Ответы дали возможность сравнить частоту наблюдения шаровой молнии с частотой наблюдения обычных молний. Результат оказался ошеломляющим: удар линейной молнии вблизи видели 409 человек из 2 тысяч, а шаровую молнию — два раза меньше. Нашелся даже счастливчик, встречавший шаровую молнию 8 раз,- еще одно косвенное доказательство того, что это совсем не такое редкое явление, как принято думать.
Анализ второй части анкеты подтвердил многие известные ранее факты: шаровая молния имеет в среднем диаметр около 20 см; светится не очень ярко; цвет чаще всего красный, оранжевый, белый.
Интересно, что даже наблюдатели, видевшие шаровую молнию близко, часто не ощущали ее теплового излучения, хотя при непосредственном прикосновении она обжигает.
Существует такая молния от нескольких секунд до минуты; может проникать в помещения через маленькие отверстия, восстанавливая затем свою форму. Многие наблюдатели сообщают, что она выбрасывает какие-то искры и вращается.
Обычно она парит на небольшом расстоянии от земли, хотя встречали ее и в облаках. Иногда шаровая молния спокойно исчезает, но иногда взрывается, вызывая заметные разрушения.
Уже перечисленных свойств достаточно, чтобы поставить исследователя в тупик.
Из какого вещества должна, например, состоять шаровая молния, если она не взлетает стремительно вверх, подобно воздушному шару братьев Монгольфье, наполненному дымом, хотя и нагрета, по крайней мере, до нескольких сотен градусов?
С температурой тоже не все ясно: судя по цвету свечения, температура молнии не меньше 8 000°К.
Один из наблюдателей, химик по специальности, знакомый с плазмой, оценил эту температуру в 13 000-16 000°К! Но фотометрование следа молнии, оставшегося на фотопленке, показало, что излучение выходит не только с ее поверхности, а и из всего объема.
Многие наблюдатели также сообщают, что молния полупрозрачна и через нее просвечивают контуры предметов. А это значит, что ее температура значительно ниже — не более 5 000 градусов, так как при большем нагреве слой газа толщиной в несколько сантиметров совершенно непрозрачен и излучает как абсолютно черное тело.
О том, что шаровая молния довольно «холодна», свидетельствует и сравнительно слабый тепловой эффект, производимый ею.
Шаровая молния несет большую энергию. В литературе, правда, часто встречаются заведомо завышенные оценки, но даже скромная реалистичная цифра — 105 джоулей — для молнии диаметром в 20 см весьма внушительна. Если бы такая энергия расходовалась только на световое излучение, она могла бы светиться много часов.
При взрыве шаровой молнии может развиться мощность в миллион киловатт, так как взрыв этот протекает очень быстро. Взрывы, правда, человек умеет устраивать и более мощные, но если сравнить со «спокойными» источниками энергии, то сравнение будет не в их пользу.
В частности, энергоемкость (энергия, отнесенная к единице массы) молнии значительно выше, чем у существующих химических аккумуляторов. Кстати, именно желание научиться аккумулировать сравнительно большую энергию в малом объеме и привлекло многих исследователей к изучению шаровой молнии. Насколько эти надежды могут оправдаться, говорить пока рано.
Сложность объяснения столь противоречивых и разнообразных свойств привела к тому, что существующие взгляды на природу этого явления исчерпали, кажется, все мыслимые возможности.
Некоторые ученые считают, что молния постоянно получает энергию извне. Например, П. Л. Капица предположил, что она возникает при поглощении мощного пучка дециметровых радиоволн, которые могут излучаться во время грозы.
Реально для образования ионизированного сгустка, каким является в этой гипотезе шаровая молния, необходимо существование стоячей волны электромагнитного излучения с очень большой напряженностью поля в пучностях.
Нужные условия могут осуществиться очень редко, так что, по мнению П. Л. Капицы, вероятность наблюдения шаровой молнии в заданном месте (то есть там, где расположился наблюдатель-специалист) практически равна нулю.
Иногда предполагают, что шаровая молния есть светящаяся часть канала, связывающего облако с землей, по которому течет большой ток. Образно говоря, ей отводится роль единственного видимого участка по каким-то причинам невидимой линейной молнии. Впервые эта гипотеза была высказана американцами М. Юманом и О. Финкельштейном, а в дальнейшем появилось несколько модификаций разработанной ими теории.
Общая трудность всех этих теорий в том, что они предполагают существование в течение длительного времени потоков энергии чрезвычайно высокой плотности и именно из-за этого обрекают шаровую молнию на «должность» чрезвычайно маловероятного явления.
Кроме того, в теории Юмана и Финкельштейна сложно объяснить форму молнии и ее наблюдаемые размеры — диаметр канала молнии обычно составляет около 3-5 см, а шаровые молнии встречаются и метрового диаметра.
Существует довольно много гипотез, предполагающих, что шаровая молния сама является источником энергии. Придуманы самые экзотические механизмы извлечения этой энергии.
В качестве примера такой экзотики можно привести идею Д. Эшби и К. Уайтхеда, согласно которой шаровая молния образуется при аннигиляции пылинок антивещества, попадающих в плотные слои атмосферы из космоса, а затем увлекаемых разрядом линейной молнии на землю.
Эту идею, может быть, можно было бы подкрепить теоретически, но, к сожалению, пока ни одной подходящей частицы антивещества обнаружено не было.
Чаще всего в качестве гипотетического источника энергии привлекаются различные химические и даже ядерные реакции. Но при этом трудно объяснить шаровую форму молнии — если реакции идут в газообразной среде, то диффузия и ветер приведут к выносу «грозового вещества» (термин Араго) из двадцатисантиметрового шара за считанные секунды и еще раньше деформируют его.
Наконец, нет ни одной реакции, о которой было бы известно, что она протекает в воздухе с нужным для объяснения шаровой молнии энерговыделением.
Многократно высказывалась такая точка зрения: шаровая молния аккумулирует энергию, выделяемую при ударе линейной молнии. Теорий, в основе которых лежит это предположение тоже немало, подробный обзор их можно найти в популярной книге С. Сингера «Природа шаровой молнии».
Эти теории, как, впрочем, и многие другие, содержат трудности и противоречия, которым уделено немалое внимание и в серьезной и в популярной литературе.
Кластерная гипотеза шаровой молнии
Расскажем теперь о сравнительно новой, так называемой кластерной гипотезе шаровой молнии, разрабатываемой в последние годы одним из авторов этой статьи.
Начнем с вопроса, почему же молния имеет форму шара? В общем виде ответить на этот вопрос несложно — должна существовать сила, способная удержать вместе частицы «грозового вещества».
Почему капля воды шарообразна? Такую форму придает ей поверхностное натяжение.
Поверхностное натяжение жидкости возникает из-за того, что ее частицы — атомы или молекулы — сильно взаимодействуют между собой, гораздо сильнее, чем с молекулами окружающего газа.
Поэтому, если частица оказывается вблизи границы раздела, то на нее начинает действовать сила, стремящаяся вернуть молекулу в глубину жидкости.
Средняя кинетическая энергия частиц жидкости примерно равна средней энергии их взаимодействия, поэтому молекулы жидкости и не разлетаются. В газах же кинетическая энергия частиц настолько превышает потенциальную энергию взаимодействия, что частицы оказываются практически свободными и о поверхностном натяжении говорить не приходится.
Но шаровая молния — газоподобное тело, а поверхностное натяжение у «грозового вещества», тем не менее, есть — отсюда и форма шара, которую чаще всего она имеет. Единственное вещество, которое могло бы иметь такие свойства — плазма, ионизированный газ.
Плазма состоит из положительных и отрицательных ионов и свободных электронов, то есть из частиц электрически заряженных. Энергия взаимодействия между ними гораздо больше, чем между атомами нейтрального газа, больше соответственно и поверхностное натяжение.
Однако при сравнительно низких температурах — скажем, при 1 000 градусов Кельвина — и при нормальном атмосферном давлении шаровая молния из плазмы могла бы существовать только тысячные доли секунды, так как ионы быстро рекомбинируют, то есть превращаются в нейтральные атомы и молекулы.
Это противоречит наблюдениям — шаровая молния живет дольше. При высоких температурах — 10-15 тысяч градусов — слишком большой становится кинетическая энергия частиц, и шаровая молния должна просто развалиться. Поэтому исследователям приходится использовать сильнодействующие средства, чтобы «продлить жизнь» шаровой молнии, сохранить ее хотя бы несколько десятков секунд.
В частности, П. Л. Капица ввел в свою модель мощную электромагнитную волну, способную постоянно порождать новую низкотемпературную плазму. Другим же исследователям, предполагающим, что молниевая плазма более горячая, пришлось придумывать, как бы удержать шар из этой плазмы, то есть решать задачу до сих пор не решенную, хотя и очень важную для многих областей физики и техники.
А что если пойти по другому пути — ввести в модель механизм, замедляющий рекомбинацию ионов? Попробуем использовать для этой цели воду. Вода — полярный растворитель. Ее молекулу можно грубо представить себе как палочку, один конец которой заряжен положительно, а другой — отрицательно.
К положительным ионам вода присоединяется отрицательным концом, а к отрицательным — положительным, образуя защитную прослойку — сольватную оболочку. Она может резко замедлить рекомбинацию. Ион вместе с сольватной оболочкой называется кластером.
Вот мы и подошли, наконец, к основным идеям кластерной теории: при разрядке линейной молнии происходит практически полная ионизация молекул, входящих в состав воздуха, в том числе и молекул воды.
Образовавшиеся ионы начинают быстро рекомбинировать, эта стадия занимает тысячные доли секунды. В какой-то момент нейтральных молекул воды становится больше, чем оставшихся ионов, и начинается процесс образования кластеров.
Он тоже длится, видимо, доли секунды и заканчивается образованием «грозового вещества» — похожего по своим свойствам на плазму и состоящего из ионизированных молекул воздуха и воды, окруженных сольватными оболочками.
Правда, пока все это только идея, и нужно посмотреть, может ли она объяснить многочисленные известные свойства шаровой молнии. Вспомним известную поговорку о том, что для рагу из зайца как минимум нужен заяц, и зададим себе вопрос: могут ли образовываться в воздухе кластеры? Ответ утешительный: да, могут.
Доказательство этого в буквальном смысле слова свалилось (было привезено) с неба. В конце 60-х годов с помощью геофизических ракет было проведено подробное исследование самого нижнего слоя ионосферы — слоя D , расположенного на высоте около 70 км. Оказалось, несмотря на то, что на такой высоте воды крайне мало, все ионы в слое D окружены сольватными оболочками, состоящими из нескольких молекул воды.
В кластерной теории предполагается, что температура шаровой молнии меньше 1000°К, поэтому от нее нет сильного теплового излучения. Электроны при такой температуре легко «прилипают» к атомам, образуя отрицательные ионы, и все свойства «молниевого вещества» определяются кластерами.
При этом плотность вещества молнии оказывается примерно равной плотности воздуха при нормальных атмосферных условиях, то есть молния может быть несколько тяжелее воздуха и опускаться вниз, может быть несколько легче воздуха и подниматься и, наконец, может находиться во взвешенном состоянии, если плотности «молниевого вещества» и воздуха равны.
Все эти случаи наблюдались в природе. Кстати, то, что молния опускается вниз, еще не значит, что она упадет на землю — прогрев под собой воздух, она может создать воздушную подушку, удерживающую ее на весу. Очевидно, поэтому парение — самый распространенный вид движения шаровой молнии.
Кластеры взаимодействуют между собой значительно сильнее, чем атомы нейтрального газа. Оценки показали, что возникающего поверхностного натяжения вполне достаточно, чтобы придать молнии шаровую форму.
Допустимое отклонение плотности быстро убывает с увеличением радиуса молнии. Так как вероятность точного совпадения плотности воздуха и вещества молнии мала, крупные молнии — больше метра в диаметре — встречаются крайне редко, маленькие же должны появляться чаще.
Но молнии размером меньше трех сантиметров тоже практически не наблюдаются. Почему? Для ответа на этот вопрос необходимо рассмотреть энергетический баланс шаровой молнии, выяснить, где в ней хранится энергия, сколько ее и на что она расходуется. Энергия шаровой молнии заключена, естественно, в кластерах. При рекомбинации отрицательного и положительного кластеров выделяется энергия от 2 до 10 электрон-вольт.
Обычно плазма теряет довольно много энергии в виде электромагнитного излучения — его появление связано с тем, что легкие электроны, двигаясь в поле ионов, приобретают очень большие ускорения.
Вещество молнии состоит из тяжелых частиц, ускорить их не так-то просто, поэтому электромагнитное поле излучается слабо и большая часть энергии выводится из молнии тепловым потоком с ее поверхности.
Тепловой поток пропорционален площади поверхности шаровой молнии, а запас энергии пропорционален объему. Поэтому маленькие молнии быстро теряют свои сравнительно небольшие запасы энергии, и, хотя они появляются гораздо чаще крупных, заметить их труднее: они слишком мало живут.
Так, молния диаметром в 1 см остывает за 0,25 секунд, а диаметром 20 см за 100 секунд. Эта последняя цифра примерно совпадает с максимальным наблюдаемым временем жизни шаровой молнии, но существенно превосходит среднее время ее жизни, равное нескольким секундам.
Наиболее реальный механизм «умирания» крупной молнии связан с потерей устойчивости ее границы. При рекомбинации пары кластеров образуется десяток легких частиц, что приводит при той же температуре к уменьшению плотности «грозового вещества» и нарушению условий существования молнии задолго до того, как исчерпается ее энергия.
Начинает развиваться поверхностная неустойчивость, молния выбрасывает куски своего вещества и как бы прыгает из стороны в сторону. Выброшенные куски почти мгновенно остывают, подобно маленьким молниям, и раздробленная большая молния заканчивает свое существование.
Но возможен и другой механизм ее распада. Если в силу каких-либо причин ухудшается отвод тепла, то молния начнет разогреваться. При этом увеличится число кластеров с малым количеством молекул воды в оболочке, они будут быстрее рекомбинировать, произойдет дальнейшее повышение температуры. В итоге — взрыв.
Почему светится шаровая молния
Какие же факты должны связать ученые единой теорией, чтобы объяснить природу шаровой молнии?
При рекомбинации кластеров выделившееся тепло быстро распределяется между более холодными молекулами.
Но на какой-то момент температура «объемчика» вблизи рекомбинировавших частиц может превышать среднюю температуру вещества молнии более чем в 10 раз.
Вот этот «объемчик» и светится как газ, нагретый до 10 000-15 000 градусов. Таких «горячих точек» сравнительно мало, поэтому вещество шаровой молнии остается полупрозрачным.
Ясно, что с точки зрения кластерной теории шаровые молнии могут появляться часто. Для образования молнии диаметром в 20 см нужно всего несколько граммов воды, а ее во время грозы обычно предостаточно. Вода чаще всего распылена в воздухе, ну а в крайнем случае шаровая молния может «найти» ее для себя на поверхности земли.
Кстати, так как электроны очень подвижны, то при образовании молнии часть их может «потеряться», шаровая молния в целом окажется заряженной (положительно), и ее движение будет определяться распределением электрического поля.
Остаточный электрический заряд позволяет объяснить такие интересные свойства шаровой молнии, как ее способность двигаться против ветра, притягиваться к предметам и висеть над высокими местами.
Цвет шаровой молнии определяется не только энергией сольватных оболочек и температурой горячих «объемчиков», но и химическим составом ее вещества. Известно, что если при попадании линейной молнии в медные провода появляется шаровая молния, то она часто бывает окрашена в голубой или зеленый цвет — обычные «цвета» ионов меди.
Вполне возможно, что и возбужденные атомы металлов тоже могут образовывать кластеры. Появлением таких «металлических» кластеров можно было бы объяснить некоторые эксперименты с электрическими разрядами в результате которых появлялись светящиеся шары, похожие на шаровую молнию.
Из сказанного может создаться впечатление, что благодаря кластерной теории проблема шаровой молнии получила, наконец, свое окончательное разрешение. Но это не совсем так.
Несмотря на то что за кластерной теорией стоят вычисления, гидродинамические расчеты устойчивости, с её помощью удалось, по-видимому, понять многие свойства шаровых молний, было бы ошибкой сказать, что загадки шаровой молнии больше не существует.
В подтверждение один лишь штрих, одна деталь. В своем рассказе В. К. Арсеньев упоминает о тоненьком хвостике, протянувшемся от шаровой молнии. Пока мы не можем объяснить ни причину его возникновения, ни даже что это такое…
Как уже говорилось, в литературе описано около тысячи достоверных наблюдений шаровой молнии. Это конечно, не очень много. Очевидно, что каждое новое наблюдение при тщательном его анализе позволяет получить интересную информацию о свойствах шаровой молнии, помогает в проверке справедливости той или иной теории.
Поэтому очень важно, чтобы как можно больше наблюдений стало достоянием исследователей и сами наблюдатели активно участвовали в изучении шаровой молнии. Именно на это направлен эксперимент «Шаровая молния», о котором будет рассказано дальше.
Существует более 400 гипотез, объясняющих ее возникновение
Они всегда появляются внезапно. Большинство ученых, занимающихся их изучением, ни разу в жизни не видели предмет исследований собственными глазами. Эксперты веками ломают копья в спорах, но ни разу не воспроизвели этот феномен в лаборатории. Тем не менее никто не ставит его в один ряд с НЛО, чупакаброй или полтергейстом. Речь идет о шаровой молнии.
Ученые предлагают сконцентрировать усилия по поиску сигнала от внеземных цивилизаций на транзитной зоне Ученые из Германии настаивают на сужении зоны поиска потенциально обитаемых планет. Об этом Рене Хеллери и Ральф Пудриц рассказали в интервью журнала Astrobiology. По их словам, в настоящее время существует несколько методов поиска экзопланет – планет, которые вращаются вокруг других звезд. Основным является так называемый транзитный метод, суть которого заключается в том, что астрономы наблюдают ослабление яркости звезды, когда между наблюдателем с Земли и звездой проходит планета.
ДОСЬЕ НА АДСКИЙ ШАРИК
Как правило, появление шаровых молний связано с сильными грозами. Подавляющее число очевидцев описывает объект как шар объемом около 1 куб. дм. Впрочем, если анализировать свидетельства пилотов самолетов, то они нередко упоминают о гигантских шарах. Иногда очевидцы описывают лентообразный "хвост" или даже несколько "щупалец". Поверхность объекта чаще всего равномерно светится, иногда пульсирует, но есть редкие наблюдения темных шаровых молний. Изредка упоминаются яркие лучи, вырывающеся из внутренней части шара. Цвет свечения поверхности бывает самым разным. А еще он может меняться во времени.
Встреча с этим загадочным явлением весьма опасна: зафиксировано множество случаев ожогов и смертей от контакта с шаровой молнией.
ВЕРСИИ: ГАЗВЫЙ РАЗРЯД И СГУСТОК ПЛАЗМЫ
Попытки разгадать феномен предпринимались давно.
Еще в XVIII в. выдающийся французский ученый Доминик Франсуа Араго опубликовал первый, весьма обстоятельный труд, посвященный шаровой молнии. В нем Араго обобщил около 30 наблюдений и таким образом положил начало научному изучению явления.
Из сотен гипотез до последнего времени наиболее вероятными выглядели две.
ГАЗОВЫЙ РАЗРЯД.
В 1955 г. Петр Леонидович Капица представляет доклад "О природе шаровой молнии". В той работе он пытается объяснить и само рождение шаровой молнии, и многие из ее необычных особенностей возникновением коротковолновых электромагнитных колебаний между грозовыми тучами и земной поверхностью. Ученый считал, что шаровая молния - это газовый разряд, движущийся вдоль силовых линий стоячей электромагнитной
волны между облаками и землей. Звучит не слишком понятно, но ведь мы имеем дело с очень сложным физическим явлением. Однако даже такой гений, как Капица, не смог объяснить природу коротковолновых колебаний, провоцирующих появления "адского шарика". Предположение ученого легло в основу целого направления, которое продолжает развиваться до сих пор.
СГУСТОК ПЛАЗМЫ. По мнению выдающегося ученого Игоря Стаханова (его называли "физиком, который знает все о шаровых молниях"), мы имеем дело со сгустком ионов. Теория Стаханова хорошо согласовалась с рассказами очевидцев и объясняла как форму молнии, так и ее способность проникать через отверстия, заново принимая исходный вид. Однако эксперименты по созданию рукотворного сгустка ионов оказались безуспешными.
АНТИВЕЩЕСТВО. Приведенные выше гипотезы - вполне рабочие, на их основе продолжаются исследования. Однако стоит привести примеры и более смелого полета мысли. Так, американский астронавт Джеффри Ширс Эшби предположил, что шаровая молния рождается при аннигиляции (взаимном уничтожении с выделением огромного количества энергии) частиц антиматерии, которые попадают в атмосферу из космоса.
СОЗДАТЬ МОЛНИЮ
Создать шаровую молнию в лабораторных условиях - давняя и пока до конца не реализованная мечта многих ученых.
ОПЫТЫ ТЕСЛЫ. Первые попытки в этом направлении в начале XX века предпринял гениальный Никола Тесла. К сожалению, нет достоверных описаний ни самих опытов, ни полученных результатов. В его рабочих записях встречаются сведения о том, что при определенных условиях ему удалось "зажечь" газовый разряд, который был похож на светящийся сферический шар. Тесла якобы мог держать эти загадочные шары в руках и даже перебрасывать их. Впрочем, деятельность Теслы всегда была окутана орелом таинственности и загадок. Так что понять, где правда и вымысел в истории о ручных шаровых молниях, не удается.
БЕЛЫЕ СГУСТКИ. В Академии ВВС США (штат Колорадо) в 2013 г. удалось создать яркие шары путем воздействия мощных электрических разрядов на особый раствор. Странные объекты смогли просуществовать почти полсекунды. Ученые осторожно предпочли называть их плазмоидами, а не шаровыми молниями. Но ожидают, что эксперимент приблизит их к разгадке.
Плазмоид. Яркий белый шар существовал всего полсекунды.
НЕОЖИДАННОЕ ОБЪЯСНЕНИЕ
В конце XX в. появился новый метод диагностики и лечения - транскраниальная магнитная стимуляция (ТМС). Суть его в том, что, подвергая участок мозга сфокусированному сильному магнитному полю, можно заставить нервные клетки (нейроны) реагировать так, будто они получили сигнал через нервную систему.
Так можно вызвать галлюцинации в виде огненных дисков. Смещая точку воздействия на мозге, можно заставить диск двигаться (в восприятии подопытного). Австрийские ученые Джозеф Пир и Александр Кендль предположили, что при грозах на мгновения могут возникать мощные магнитные поля, которые провоцируют такие видения. Да, это уникальное стечение обстоятельств, но ведь и видят шаровую молнию редко. Ученые обращают внимание, что есть больше шансов, если человек находится в здании, самолете (статистика подтверждает это). Гипотеза может объяснить только часть наблюдений: встречи с молнией, которые заканчивались ожогами и смертями, остаются неразгаданными.
ПЯТЬ ЯРКИХ СЛУЧАЕВ
Сообщения о встречах с шаровыми молниями приходят постоянно. В Украине одно из последних имело место прошлым летом: в помещение Дибровского сельсовета на Кировоградщине влетел такой вот "адский шарик". Людей не тронул, но вся оргтехника сгорела. В науке и научно-популярной литературе сформировался некий набор наиболее известных столкновений человека и шаровой молнии.
1638. Во время осенней грозы в деревне Вайдкомб-Мур в Англии в церковь влетел шар диаметром более 2 м. По рассказам очевидцев, молния ломала скамейки, била окна и заполнила церковь дымом с запахом серы. При этом погибли четверо человек. "Виноватых" вскоре нашли - ими объявили двух крестьян, позволивших себе переброситься в картишки во время проповеди.
1753. Георг Рихман, член С.-Петербургской Академии наук, проводит исследования атмосферного электричества. Внезапно появляется синевато-оранжевый шар и с треском ударяет ученого в лицо. Ученый убит, его помощник - оглушен. На лбу Рихмана обнаружили маленькое багровое пятно, его камзол был обожжен, башмаки разорваны. История знакома всем, кто учился в советское время: без описания смерти Рихмана не обходился ни один учебник физики того времени.
1944. В Упсале (Швеция) шаровая молния прошла сквозь оконное стекло (на месте проникновения осталась дыра диаметром около 5 см). Феномен наблюдали не только оказавшиеся на месте люди: сработала и система слежения за грозовыми разрядами местного университета.
1978. Группа советских альпинистов остановилась на ночевку в горах. В застегнутой наглухо палатке вдруг возник ярко-желтый шар размером с теннисный мяч. Он, потрескивая, хаотично двигался в пространстве. Один альпинист от касания шара погиб. Остальные получили множественные ожоги. Случай стал известен после публикации в журнале "Техника - Молодежи". Теперь без упоминания той истории не обходится ни один форум любителей НЛО, перевала Дятлова и т. д.
2012. Невероятная удача: в Тибете шаровая молния попадает в поле зрения спектрометров, с помощью которых китайские ученые изучали обычные молнии. Приборам удалось зафиксировать свечение длиной 1,64 сек. и получить детальные спектры. В отличие от спектра обычной молнии (там присутствуют линии азота), в спектре шаровой молнии много линий железа, кремния и кальция - основных химических элементов почвы. Некоторые из теорий происхождения шаровой молнии получили весомые аргументы в свою пользу.
Загадка. Так изображали встречу с шаровой молнией в XIX веке.