Шаровая молния

Шаровая молния

Шаровая молния - реальное физическое явление или оптическая иллюзия?

Шаровая молния - реальное физическое явление или оптическая иллюзия? Что общего у шаровой молнии с обычной, линейной, молнией? О том, насколько она опасна и связано ли ее появление с грозой сегодня после полуночи действительный член Российской Академии наук Самвел Григорян.

Ключевые вопросы:

· В чем состоит загадка шаровой молнии?

· Это реальное физическое явление или оптическая иллюзия?

· Связано ли появление шаровой молнии с грозой?

· Что общего у шаровой молнии с обычной, линейной, молнией?

· Опасна ли шаровая молния?

· Можно ли создать эффект шаровой молнии искусственно?

Обзор темы:

Феномен шаровой молнии многие десятилетия привлекает внимание и усилия исследователей широкого спектра специальностей. Было выдвинуто много гипотез для его объяснения и возможного лабораторного воспроизведения, однако проблема остается нерешенной.

При описании и изучении особенностей шаровой молнии традиционно выделают три явления, которые считаются «физическими парадоксами»:

1. Шаровая молния излучает видимый свет, несмотря на низкую температуру ее вещества.

2. Вещество шаровой молнии при плотности газа имеет поверхностное натяжение, характерное для жидкостей.

3. Вещество шаровой молнии представляет собой газообразную плазменную среду, существующую при комнатной температуре.

Серьезное изучение шаровой молнии в течение многих лет было осложнено и тем, что вокруг этого феномена природы возникло слишком много мифов, которые отчасти роднят эту «загадку природы» с летающими тарелками и снежными людьми. Существуют рассказы о том, как шаровые молнии, якобы, гоняются за людьми, убивают животных, прорывают тоннели в скалах, испаряют воду из малых водоемов. Существуют «очевидцы», которые уверяют, что молния прошла сквозь них, отчего у них выпали волосы и зубы, а жители Петрозаводска долгое время «видели» в небе гигантскую молнию, которая сияла и искрилась, наводя на всех ужас. Но все это не шаровые молнии, а мифы о них.

Серьезную работу по изучению шаровой молнии начал в первой половине 19 в. французский ученый Араго, который первым стал собирать свидетельства очевидцев. Но все они были обычно субъективны и ненадежны, что в целом заставило ученых прийти к парадоксальному выводу, что… шаровой молнии вообще не существует. Еще в первой половине 20 в. считалось, что шаровая молния – это просто оптическая иллюзия, вызванная поражением сетчатки глаза яркой вспышкой обычной молнии.

Однако, исследования продолжались, велось накопление наблюдений, которые отчасти были суммированы в книге Дж.Барри «Шаровая и четочная молния», вышедшей в 1980 г. в США. Кроме большого объема свидетельств, в этой книге предлагаются и критерии проверки их достоверности – сопоставление данных разных очевидцев, сравнение данных, полученных от одного очевидца в разное время и проч.

Из полученных данных вырисовывается определенная картина, которую можно охарактеризовать не только качественно, но и некоторыми цифрами. Шаровая молния – это светящееся физическое тело сферической формы, которое может перемещаться в воздухе на значительные расстояния, сохраняя при этом целостность. Диаметр ее – от нескольких см. до 1,5 м. Время жизни – от нескольких секунд до 2-х минут. Плотность вещества шаровой молнии почти равна плотности воздуха т.е. (1-2) 103 г/см3. Она имеет определенные границы, которые достаточно четко отделяют ее от окружающего воздуха и которые, как правило, сохраняются в течение всей ее жизни. Отклонения от сферической формы обычно возникают под действием внешних сил, например, в результате столкновения с другими телами. Появляется она в большинстве случаев (но не всегда) во время грозы. Нет сомнения в том, что частота ее появления связана с электрической активностью атмосферы.

Одно из самых таинственных и коварных свойств шаровой молнии состоит в том, что она часто оказывается в закрытых помещениях, проникая туда через узкие отверстия, меньше ее диаметра. Ее движение почти не связано с силой тяготения, которая обычно определяет перемещение окружающих тел. Она обладает энергией: на это указывает как ее свечение, так и взрыв, которым довольно часто сопровождается это явление. В других случаях она может распасться или погаснуть без взрыва, что происходит, на первый взгляд, без каких-либо внешних причин, спонтанно и совершенно неожиданно для наблюдателя. Но многочисленные рассказы о том, как шаровая молния попала в человека или вызвала возгорание построек – это все обычно мифы, и если и произошла, например, смерть одного из присутствующих, то причина этого кроется в явлениях, сопутствующих эффекту шаровой молнии. Впрочем, это вопрос дискуссионный.

Из классификаций, использованных многими исследователями, отдается предпочтение разделению шаровых молний по способу подвода и хранения энергии:

· шм., существующие за счет первоначально запасенной энергии;

· шм., получающие энергию в процессе своего существования; ё · шм., для которых наряду с первоначальным запасом энергии существенны каналы связи с внешней средой.

Как раньше объясняли этот феномен?

Шаровую молнию считали:

· плазменным образованием с температурой в сотни тысяч или миллионы градусов, которое в назидание всем, занимающимся проблемой управляемого термоядерного синтеза удерживается в течение минут, а не миллисекунд;

· воздухом, ионизированным пылинками антивещества, залетевшего из космоса;

· объемом, заполненным радиоактивными изотопами, сфокусированными электромагнитными полями грозы;

· запертым электромагнитным излучением;

· различными типами газового разряда;

· воздухом с примесью возбужденных метастабильных молекул;

· различными специфическими химическим соединениями (в том числе, озоном, окислами азота, углеводородами);

· раскаленными светящимися парами;

· образованием из мелких пылинок;

· неидеальной электронно-ионной плазмой или плазмой из комплексных ионов.

И это – не все, т.к. в целом число интерпретаций превосходит сотню.

Очень важный шаг вперед в данной области был сделан покойным профессором И.П. Стахановым, который через журнал «Наука и жизнь» обратился ко всем, кто реально мог наблюдать шаровую молнию и попросил прислать ему описание увиденного. В ответ он получил несколько тысяч откликов (анкетированных ответов), на базе которых он провел физический анализ и статистическую обработку собранного материала, что позволило ему сформулировать ряд положений, характеризующих основные свойства и количественные значения параметров шаровых молний, условия их образования, движения, взаимодействия со средой их «обитания», с физическим телами и сооружениями и т.п. Все это составило содержание его книги «О физической природе шаровой молнии» (1996). И.П. Стаханов сформулировал также теоретическую концепцию природы шаровой молнии – так называемую кластерную гипотезу, сводящуюся к представлению об этом объекте как о сосредоточенном образовании в виде сгустка ионов, «облепленных» оболочками из полярных молекул (воды, других соединений, образующихся в воздухе) – ионных кластеров, которые в состоянии существовать без рекомбинаций в течение «длительного» времени – многих секунд, десятков секунд и единиц минут. По его определению – «Шаровая молния представляет собой проводящую среду с плотностью воздуха, при температуре, близкой к комнатной. Эта среда образует отдельную фазу в воздухе с устойчивой границей и поверхностной энергией на границе раздела фаз. Рассматриваемый проводник имеет низкую работу выхода и может снимать и рассеивать заряды с других проводников. Его молекулы нестабильны и выделяют энергию, служащую источником излучаемого тепла и свечения.

Согласно результатам наблюдений очевидцев, шаровые молнии образуются, в основном, при ударе линейной молнии (вблизи поверхности Земли и высоко в атмосфере – наблюдения из самолетов), а также «выпрыгивают» из радио-электротехнических устройств при отсутствии грозы в непосредственной близости от последних.

Кластерная гипотеза И.П. Стаханова хорошо согласуется с обширным наблюдательным материалом – с наличием эффективного поверхностного натяжения у материала шаровой молнии, ее способностью проникать без разрушения через узкие отверстия и щели, собираться в «дочерние» шаровые молнии при вынужденном механическом дроблении, с оценками ее температуры, неравновесного свечения, плотности вещества и т.п. Однако попытки ее автора построить реальный физический механизм образования сгустка из кластерных ионов оказались безуспешными. И связано это с тем, что оценка части энергии, выделяющейся при разряде линейной молнии и доступной для образования облака ионных кластеров, нужной для согласования с эмпирическими данными о параметрах шаровой молнии – все это было оценено Стахановым ошибочно. Он пишет, например: «Таким образом, почти вся энергия разряда (линейной молнии), которая, как мы видели, исчисляется сотнями килоджоулей на 1 м. длины, уходит из канала главным образом в виде излучения, причем значительная часть ее застревает в короне». Это утверждение, конечно, неверно. Хорошо известно, что длительность процесса пробоя воздуха при ударе линейной молнии, образующего проводящий канал, по которому и происходит электрический разряд, и длительность самого этого разряда очень малы в сравнении с длительностью процесса «излучения» каналом ударных и акустических волн. Первые составляют единицы и первые десятки микросекунд, т.е. за этот промежуток времени акустическая волна в воздухе успевает пройти доли миллиметра. Таким образом, энерговыделение в канале пробоя слишком кратковременно и будет вызывать распространение в окружающем воздухе сильной ударной волны (которая на удалении и воспринимается как интенсивный звук-гром). Прохождение ударной волны по воздуху, содержащему водяной пар и множество капель воды (туман, дождь, сами грозовые облака) будет приводить на близких от оси канала разряда расстояниях к полному дроблению капель воды, ее испарению, диссоциации, ионизации (вместе с молекулами составляющих воздуха). С удалением от канала интенсивность этих процессов будет резко уменьшаться, начиная с каких-то расстояний даже прекратится дробление капель (все расстояния, соответствующие последовательному «выключению» упомянутых процессов, конечно, можно рассчитать, решая соответствующую смешанную газодинамическую – газокинетическую задачу). После удаления фронта ударной волны давление, плотность и температура в частицах газа будут падать, и в созданной ударной волной среде будут протекать «обратные» процессы – рекомбинация, восстановление молекул и т.п. Понятно, что существует диапазон расстояний от оси канала, на которых значения «исходных» параметров влажного воздуха, «насажденные» ударной волной, и последующее их падение во времени будут таковы, что там будет достаточно много ионов, на которые при «охлаждении» будут «налипать» молекулы водяного пара, образуя ионные гидратные кластеры «для схемы Стаханова», так что их рекомбинация резко замедлится.

По завершении быстрой стадии гидродинамического процесса, когда ударная волна уйдет на значительные расстояния, в окрестности канала остается удлиненная («цилиндрическая») область нагретого газа, внешняя часть которой содержит кластерную плазму. Вся эта область начинает «медленно» всплывать под действием архимедовой силы, однако возникающее движение будет неоднородным – исходная непрямолинейность канала разряда и конвективная неустойчивость процесса всплытия нагретого газа в нем и вокруг него будут приводить к сильным деформациям всплывающей конфигурации и ее распаду на «отдельности». Наличие в последних кластерной плазмы, обладающей, как показано Стахановым, эффективным поверхностным натяжением, может привести к формированию компактных сгустков этой плазмы – к образованию шаровых молний. Существенным для возможности формирования таких сгустков (до того как в процессе всплытия конвективное перемешивание лишит кластерную плазму способности компактироваться) является наличие резкой начальной неоднородности в нагретой области, в частности, наличие начальных локальных областей с высокой концентрацией кластерной плазмы. Такие неоднородности могут возникать в местах ветвления канала линейной молнии, в местах повышенного начального влагосодержания воздуха, пробиваемого ею, и в местах ее попадания в проводники электричества, где значительное «точечное» поглощение электрического тока разряда порождает местное увеличение энергии «взрыва», делая его не цилиндрическим, как вокруг основного канала разряда молнии, а сосредоточенным, и, следовательно, резко увеличивая начальную массу кластерной плазмы и вероятность формирования из нее сгустка – шаровой молнии. Действительно, известно много случаев, когда шаровая молния возникала именно в таких местах удара линейной молнии в проводники – в металлические опоры линий электропередачи, в металлические шпили на зданиях, в мокрую землю (пашню), в воду озера и т.п.

Например – 5 августа 1977 г. удар линейной молнии в шпиль Большого Кремлевского дворца, вокруг которого до этого наблюдался эффект, называемый «огни святого Эльма», породил две шаровые молнии, удары в опоры ЛЭП часто порождают также несколько молний, удары в деревья с влажной корой или влажный отвесный берег реки – могут вызвать появление шаровой молнии. В книге Стаханова описан случай, как линейная молния ударила в воду озера, и в результате этого из воды «выскочила» шаровая молния.

Если обратиться к проблеме математического описания шаровой молнии, т.е. – привести некоторые количественные оценки для проверки реальности предложенного выше механизма образования кластерной плазмы и ее сгустков, то станет ясно, что в силу отмеченной кратковременности выделения энергии в канале линейной молнии последующие за этим газодинамические процессы с хорошим приближением можно будет описать с использованием точного решения академика Л.И. Седова задачи о сильном взрыве в газе с цилиндрической симметрией. Проведение подобной аналогии и ее физико-математическое описание показывают, что как и при взрыве газа, при «вспышке» шаровой молнии температура за фронтом ударной волны резко возрастает с приближением к оси симметрии (оси «взрыва») и на этой оси обращается в бесконечность.

При образовании шаровой молнии важно также влияние воздушной среды: надо помнить, что обычно она возникает при повышенной концентрации воды в воздухе (здесь помогают собранные наблюдателями примеры), что приводит к тому, что сильная ударная волна, возникающая при разряде линейной молнии, в состоянии в этих условиях гарантированно «приготовить» условия для образования нужной массы кластерной плазмы и формирования из нее шаровой молнии.

Механизм возникновения шаровой молнии не при разряде линейной молнии (из радио-электротехнических устройств) – это сильный коронный разряд через воздушный промежуток энергии, накопленной в линиях и устройствах со значительной электрической емкостью при их заряжании в электростатическом поле близкой грозы. В этих случаях кластерная плазма образуется путем «гидратации» ионов, порождаемых коронным разрядом – не обязательно молекулами воды, но и молекулами других соединений, также создаваемыми сильным коронным разрядом.

Из изложенного выше следует принципиальная возможность искусственного создания шаровой молнии. Для этого можно в изолированном прочными стенками (желательно – с прозрачными участками) объеме создать насыщенную влагой атмосферу с изменяемой концентрацией паров и капель воды и в такой среде произвести сильный линейный взрыв с контролируемой энергией, например, пропуская импульсный электрический ток через тонкий линейный проводник (известная схема взрывающейся проволочки). Если кластерная гипотеза И.П.Стаханова верна, то, по изложенному выше, в таком эксперименте при подходящих его параметрах будут генерироваться шаровые молнии.

Библиография

Войцеховский Б.В., Войцеховский Б.В. Природа шаровой молнии//Доклады АН СССР. 1974. Т. 218. № 1.

Гезехус Н.А. О шаровой молнии. СПб., 1898.

Григорян С.С. О механизмах возникновения шаровой молнии//Доклады РАН. 2002 (в печати).

Дмитриев М.Т. Природа шаровой молнии//Природа. 1967. № 6.

Капица П.Л. О природе шаровой молнии//Доклады АН СССР. 1955. Т. 101. № 2.

Кулик П.П., Норман Г.Е., Полак Л.С. Химические и физические кластеры//Химия высоких энергий. 1976. Т.10. № 3.

Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Механика сплошных сред. М., 1953.

Седов Л.И. Методы подобия и размерности в механике. М., 1981. ё Сингер С. Природа шаровой молнии М., 1973.

Смирнов Б.М. Возникновение шаровой молнии//Доклады АН СССР. 1976. Т. 226. № 4.

Стаханов И.П. О физической природе шаровой молнии. М., 1996.

Стекольников И.С. Молния/Физический энциклопедический словарь. М., 1963.

Barry J.D. Ball lightning and bead lightning. New York; London, 1980.

Brand W. Der Kugelblitz. Hamburg, 1923.

Charmen W.N. After-images and ball lightning//Nature. 1971. V.230. № 5296.

Тема № 121

Эфир 06.06.2002

Хронометраж 0:35