Шаровые молнии

Шаровая молния

Шарова́я мо́лния — феномен природного электричества, молния, имеющая шарообразную форму и непредсказуемую траекторию. По сей день феномен остается мало изученным и представляет почву для спекуляций. На данный момент имеет около 200 теорий происхождения.

Статистика наблюдений

В отсутствие воспроизводимых экспериментальных данных, вся информация основана на рассказах очевидцев, и лишь в редких случаях на фото или киноматериалах.

Рассказы о наблюдении шаровой молнии известны уже две тысячи лет. Первое статистическое исследование этих сообщений было проведено французом Ф. Араго 150 лет назад. В его книге было описано 30 случаев наблюдения шаровых молний. Статистика небольшая, и неудивительно, что многие физики позапрошлого века, включая Кельвина и Фарадея, были склонны считать, что это либо оптическая иллюзия, либо явление совершенно иной, неэлектрической природы. Однако с тех времён количество и качество сообщений возросло; на сегодняшний день задокументировано около 10 тысяч случаев наблюдения шаровой молнии.

Большой вклад в базу данных наблюдений за молнией внёс И. П. Стаханов^[1], который вместе с С. Л. Лопатниковым в 1970-х гг. опубликовал статью в журнале «Знание - сила». В конце статьи он приложил анкету и попросил очевидцев этого явления присылать ему свои данные. В результате он накопил обширную статистику (более тысячи случаев), которая позволила ему обобщить некоторые свойства шаровой молнии.

Свойства шаровых молний

Появление

Шаровая молния всегда появляется в грозовую, штормовую погоду; зачастую, но не обязательно, наряду с обычными молниями. Чаще всего она как бы «выходит» из проводников или порождается обычными молниями, иногда спускается из облаков, в редких случаях — неожиданно появляется в воздухе или, как сообщают очевидцы, может выйти из какого-либо предмета (дерево, столб).

Поведение

Чаще всего шаровая молния движется горизонтально, приблизительно в метре над землёй, довольно хаотично. Имеет тенденцию «заходить» в помещения, протискиваясь при этом сквозь маленькие отверстия. Часто шаровая молния сопровождается звуковыми эффектами — треском, писком, шумами. Наводит радиопомехи. Нередки случаи, когда наблюдаемая шаровая молния аккуратно облетает находящиеся на пути предметы, так как, по одной из теорий, шаровая молния свободно перемещается по эквипотенциальным поверхностям.

Исчезновение

Шаровая молния в среднем живёт от 10 секунд до нескольких часов, после чего обычно взрывается. Изредка она медленно гаснет или распадается на отдельные части. Если в спокойном состоянии от шаровой молнии исходит необычно мало тепла, то во время взрыва высвободившаяся энергия иногда разрушает или оплавляет предметы, испаряет воду.

Размер и форма

Размер (диаметр) шаровых молний варьируется от нескольких сантиметров до метра. Форма в подавляющем большинстве случаев сферическая, однако были сообщения о наблюдении вытянутых, дискообразных, грушевидных шаровых молний.

Свечение и цвет

Типичная суммарная мощность излучения — порядка 100 Вт; свечение иногда тускнее, иногда ярче. Цвет — начиная от белого и жёлтого, заканчивая зелёным. Часто отмечалась пятнистость свечения.

Попытки лабораторного воспроизведения

Надо признать, что речь идёт пока только о попытках — нет ни одного случая искусственного получения шаровой молнии подобной природной в лабораторных условиях.

Прежде всего, поскольку в появлении шаровых молний прослеживается явная связь с другими проявлениями атмосферного электричества (например, обычной молнией), то большинство опытов проводилось по следующей схеме: создавался газовый разряд (а свечение газового разряда — вещь известная), и затем искались условия, когда светящийся разряд мог бы существовать в виде сферического тела.

Первыми такими попытками можно считать опыты Теслы ^[2] в конце XIX 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 эксперимента, так что его воспроизведение крайне затруднительно.

Первые детальные исследования светящегося безэлектродного разряда были проведены только в 1942 году советским электротехником Бабатом: ему удалось на несколько секунд получить сферический газовый разряд внутри камеры с низким давлением.

Затем были опыты Капицы: он смог получить сферический газовый разряд при атмосферном давлении в гелиевой среде. Добавки различных органических соединений меняли яркость и цвет свечения.

С тех пор ситуация принципиально не изменилась. Исследователи могли получать кратковременные газовые разряды сферической формы, жившие максимум несколько секунд. Однако остаётся открытым вопрос о связи этих разрядов с той шаровой молнией, которая встречается в природе.

Например, в недавней работе^[3] описана схема установки, на которой авторы воспроизводимо получали некие плазмоиды со временем жизни до 1 секунды, похожие на «природную» шаровую молнию.

Природа шаровой молнии и попытки теоретического объяснения

Свойства шаровой молнии

Непосредственно из наблюдений следуют такие свойства шаровой молнии:

• Во-первых, шаровая молния связана с электричеством, то есть с электрическими явлениями в газах. В процессе её зарождения или жизни крайне важно присутствие сильного электрического поля, создающего газовый разряд.
• Во-вторых, очевидно, что внутри шаровой молнии есть область очень высоких температур — именно поэтому она и светится. Скорее всего, эта область состоит из плазмы — ведь при температурах в несколько тысяч Кельвинов газ переходит в состояние плазмы.
• Наконец, ясно, что шаровая молния — это не устойчивая, а метастабильная система. Это, по-видимому, распад плазменного сгустка, но только почему-то крайне замедленный.

Вопросы и загадки

Можно сформулировать несколько вопросов, ответы на которые должна дать полная теория шаровой молнии:

• Почему шаровая молния столь устойчива? Ведь если это газообразное образование, то при таких температурах этот газ или плазма тут же перемешается с окружающим воздухом. Что препятствует такому перемешиванию?
• Откуда берётся такая устойчивость формы? Это должно означать наличие довольно сильного поверхностного натяжения на границе, отделяющей шаровую молнию от окружающей атмосферы. Неужели такое возможно на границе раздела двух газов?
• Почему шаровая молния не всплывает? Ведь облако горячего газа должно всплывать под действием силы Архимеда!
• Как шаровая молния умудряется существовать в течение такого длительного времени? Ведь если внутри неё плазма и если нет подпитки энергией извне, то почему плазма моментально не рекомбинирует? Может быть, есть внешняя подпитка энергией, невидимая глазу?
• Откуда в шаровой молнии такие запасы энергии (а ведь по оценкам, типичная шаровая молния содержит десятки и сотни килоджоулей)?
• Как шаровая молния умудряется обходить препятствия, протекать сквозь небольшие отверстия? Ведь если это просто заряд, то он должен притягиваться к окружающим телам. Почему здесь не проявляются простые законы электростатики?

Некоторые гипотезы о природе шаровой молнии

Все гипотезы о природе шаровой молнии можно разделить на два класса по признаку места энергетического источника, поддерживающего существование шаровой молнии. Это - гипотезы предполагающие внешний источник и гипотезы считающие что источник находится внутри шаровой молнии.

Даже если считать только предположения, опубликованные в серьёзных научных журналах, то количество теоретических моделей, которые с разной степенью успеха описывают явление и отвечают на эти вопросы, составляет десятки. Перечислим некоторые из них.

Например, гипотеза Капицы^[4]: между облаками и землёй возникает стоячая электромагнитная волна, и когда она достигает критической амплитуды, в каком-либо месте (чаще всего, ближе к земле) возникает пробой воздуха, образуется газовый разряд. В этом случае шаровая молния оказывается как бы «нанизана» на силовые линии стоячей волны и будет двигаться вдоль проводящих поверхностей. Стоячая волна тогда отвечает за энергетическую подпитку шаровой молнии.

Принципиально другую гипотезу предлагает Смирнов^[5], занимающийся проблемой шаровой молнии много лет. В его теории ядро шаровой молнии — это переплетённая ячеистая структура, нечто вроде аэрогеля, которая обеспечивает прочный каркас при малом весе. Только нити каркаса — это нити плазмы, а не твердого тела. И энергетический запас шаровой молнии целиком скрывается в огромной поверхностной энергии такой микропористой структуры. Термодинамические расчеты на основе этой модели, в принципе, не противоречат наблюдаемым данным.

Ещё одна теория^[6] объясняет всю совокупность наблюдаемых явлений термохимическими эффектами, происходящими в насыщенном водяном паре в присутствии сильного электрического поля. Энергетика шаровой молнии здесь определяется теплотой химических реакций с участием молекул воды и их ионов. Автор теории уверен, что она дает чёткий ответ на загадку шаровой молнии.

Интересную гипотезу^[7] предлагает профессор Самарского аэрокосмического университета. По его мнению, шаровая молния представляет собой сгусток низкотемпературной радиоактивной плазмы, возникающий в процессе β-распада ядер радиоактивного фосфора в связанное состояние. Другими словами, первопричины возникновения ШМ лежат вне физики электрического разряда в газах.

Какая из теорий достоверна — проверить нетрудно: критерием будет служить эксперимент. Пусть хоть какая-нибудь теория сможет чётко сказать, как именно можно создать шаровую молнию в лаборатории.

Именно такой теорией, предлагающей способ создания необычного состояния вещества, способного аккумулировать и сохранять значительное время энергию, является предположение, что шаровая молния — это ридберговское вещество^[8]. Группа L.Holmlid. занимается приготовлением ридберговского вещества в лабораторных условиях пока отнюдь не с целью производства шаровых молний, а в основном с целью получения мощных электронных и ионных потоков, используя то, что работа выхода ридберговского вещества очень мала, несколько десятых электронвольта. Предположение, что шаровая молния является ридберговским веществом, описывает гораздо больше ее наблюдаемых свойств, от способности возникать при разных условиях, состоять из разных атомов, и до способности проходить сквозь стены и восстанавливать шарообразную форму. Конденсатом ридберговского вещества пытаются также объяснить плазмоиды, получаемые в жидком азоте ^[9]

Совершенно новый и неожиданный подход к объяснению природы шаровой молнии предлагается в течение последних шести лет в публикациях ^[10], согласно которым шаровая молния является некогерентным оптическим пространственным солитоном ^[11], кривизна которого отлична от нуля. В переводе на более доступный язык шаровая молния представляет собой тонкий слой сильно сжатого воздуха, в котором по всевозможным направлениям циркулирует обычный интенсивный белый свет. Этот свет за счет создаваемого им электрострикционного давления обеспечивает сжатие воздуха. В свою очередь, сжатый воздух выступает в качестве световода, который препятствует излучению света в свободное пространство^[12]. Можно сказать, что шаровая молния — это самоограниченный интенсивный свет или световой пузырь, возникший из обычной линейной молнии^[13] . Как и обычный световой луч, световой пузырь в земной атмосфере смещается в направлении градиента показателя преломления воздуха, в котором он находится. Указанный подход позволяет дать ответы на некоторые пункты вышеприведенного раздела Вопросы и Загадки. Что касается попыток лабораторного воспроизведения шаровых молний, то Науер ^[14] в 1953 и 1956 годах сообщал о получении светящихся объектов, наблюдательные свойства которых полностью совпадают со свойствами световых пузырей. Свойства световых пузырей можно получить теоретически на основе общепринятых физических законов. Наблюдаемые Науером объекты не подвержены действию электрических и магнитных полей, излучают свет со своей поверхности, они могут обходить препятствия и сохраняют целостность после проникновения через небольшие отверстия. Науер предполагал, что природа этих объектов никак не связана с электричеством. Относительно малое время жизни таких объектов (несколько секунд) объясняется малой запасенной энергией из-за слабой мощности используемого электрического разряда. При увеличении запасенной энергии увеличивается степень сжатия воздуха в оболочке светового пузыря, что ведет к улучшению способности световода ограничивать циркулирующий в нем свет и к соответствующему увеличению времени жизни светового пузыря. Работы Науера представляют собой уникальный случай, когда экспериментальное подтверждение теории появилось на 50 лет раньше самой теории.

Интересные факты

• На Земле одновременно существуют от 100 до 1000 шаровых молний, но вероятность увидеть шаровую молнию хотя бы раз в жизни составляет всего 0,01 %.^[15]

Ссылки

• Шаровая молния (фотографии, рисунки, видео, рассказы очевидцев)
• Обзор публикаций наблюдений
• ИЗМИРАН, 13-я Российская конференция по холодной трансмутации ядер химических элементов и шаровой молнии
• А. В. Шавлов "Параметры шаровой молнии, вычисляемые с помощью двухтемпературной плазменной модели"// 2008 г.
• Р. Ф. Авраменко, В. А. Гришин, В. И. Николаева, А. С. Пащина, Л. П. Поскачеева Экспериментальные и теоретические исследования особенностей формирования плазмоидов//Прикладная физика, 2000, N3, с.167-177
• Смирнов Б. М. «Наблюдательные свойства шаровой молнии»//УФН, 1992, т.162, вып.8.
• А. Х. Амиров, В. Л. Бычков. Влияние грозовых атмосферных условий на свойства шаровых молний //ЖТФ, 1997, том 67, N4.
• The Levelland Sightings Of 1957 by Antonio F. Rullán: The Ball Lightning Hypothesis
• Shabanov G.D., Sokolovsky B.Yu. // Plasma Physics Reports. 2005. V31. № 6. P512.
• Shabanov G.D. // Technical Physics Letters. 2002. V28. № 2. P164.
• Григорьев А. И. Шаровая молния. Ярославль: ЯрГУ, 2006. 200 с.
• Торчигин В. П., Торчигин А.В. Шаровая молния как концентрат света. Химия и жизнь, 2003, №1, 47-49.

Примечания

1. ↑ И. Стаханов «Физик, который знал о шаровой молнии больше всех»
2. ↑ К. Л. Корум, Дж. Ф. Корум «Эксперименты по созданию шаровой молнии при помощи высокочастотного разряда и электрохимические фрактальные кластеры»//УФН, 1990, т.160, вып.4.
3. ↑ А. И. Егорова, С. И. Степанова и Г. Д. Шабанова, Демонстрация шаровой молнии в лаборатории, УФН, т.174, вып.1, стр.107-109, (2004)
4. ↑ (П. Л. Капица О природе шаровой молнии ДАН СССР 1955. Том 101, № 2, стр. 245—248.)
5. ↑ B.M.Smirnov, Physics Reports, 224 (1993) 151, Смирнов Б. М. Физика шаровой молнии // УФН, 1990, т.160. вып.4. стр.1-45
6. ↑ D.J.Turner, Physics Reports 293 (1998) 1
7. ↑ Ратис, Ю. Л. Шаровая молния как макроскопическое проявление b-распада ядер радиоактивного фосфора в связанное состояние. Письма в ЭЧАЯ. — 2005.—Т.2, № 6.—С. 64—79.
8. ↑ http://vivovoco.rsl.ru/VV/JOURNAL/NATURE/01_01/RIDBERG.HTM/
9. ↑ А. И. Климов, Д. М. Мельниченко, Н. Н. Суковаткин «ДОЛГОЖИВУЩИЕ ЭНЕРГОЕМКИЕ ВОЗБУЖДЕННЫЕ ОБРАЗОВАНИЯ И ПЛАЗМОИДЫ В ЖИДКОМ АЗОТЕ»
10. ↑ http://balllight.blogspot.com/
11. ↑ Segev M.G. Phys. Today, 51(8) (1998), 42
12. ↑ "В. П. Торчигин, 2003. О природе шаровой молнии. ДАН, т.389, № 3, с. 41-44.
13. ↑ "В. П. Торчигин, А. В. Торчигин Механизм появления шаровой молнии из обычной молнии. ДАН, 2004, т.398, № 1, с. 47-49.
14. ↑ Barry J.D. Ball Lightning and Bead Lightning. N.-Y.: Plenum Press, 1980 164—171
15. ↑ Rayle W.D. Ball lightning characteristics, NASA. Tech. Note, NASA-TN-D-3188, 1966