Шаровая молния - миф и реальность

1987 год, Япония (фото с сайта anomalies-unlimited.com)

Природа шаровых молний оставалась загадкой для ученых на протяжении многих столетий. Даже само существование этого феномена в силу его редкости неоднократно подвергалось сомнению, хотя свидетелями его проявления выступали самые уважаемые и авторитетные люди (философ Сенека, Плиний Старший, Карл Великий, Генрих II Английский, Нильс Бор, Петр Капица и др.). Так, по свидетельству Максима Горького, он вместе с А.П.Чеховым и В.М.Васнецовым видел на Кавказе, как такой "шар ударился в гору, оторвал огромную скалу и разорвался со страшным треском". В 1753 году российский ученый Георг Рихман (1711-1753), возможно, даже был убит именно огненным файерболом, сорвавшимся с громоотвода во время рискованных опытов с атмосферным электричеством (проводимых совместно с Михайло Ломоносовым), став тем самым первым человеком, погибшим при проведении электротехнических экспериментов.

Большинство описаний наблюдения шаровой молнии сводится к изображению зависающего в пространстве или неторопливо движущегося по воздуху огненного шара диаметром до 40 сантиметров (иногда объект имеет и грушевидную форму). Этот шар способен менять свой цвет от красного и желтого до голубого и сохранять свою форму на протяжении нескольких секунд или - в редких случаях - даже минут. Затем он исчезает или взрывается с потрясающими разрушениями. "Файербол" испускает очень небольшое количество тепла, но при этом проплавляет дырки в оконных стеклах; перемещается, подобно газовому облаку, а отдельные шарики могут сливаться друг с другом, как капельки жидкости или ртути. Многие ученые считают, что шаровая молния - это плазменный сгусток, порождаемый ударом молнии в землю, однако конкретные механизмы формирования шаровой молнии до сих пор не раскрыты, несмотря на все обилие предложенных теорий (в число которых, впрочем, входят и весьма экзотичные, что берутся объяснить все эффекты вторжением черных дыр, ядерными мини-взрывами или взаимодействием с антиматерией).

Несмотря на то, что это явление пока ещё до конца не понято физикой, не стоит относиться к нему как к чему-то крайне необычному, тем более как к сверхъестественному. Это явление до конца не изучено, но активно изучается. На сегодняшний день ясно, что шаровая молния — просто красочное атмосферное явление, проявление атмосферного электричества, и для его объяснения не потребуется привлечение каких-либо кардинально новых физических концепций.

Основной камень преткновения в этих исследованиях — отсутствие надёжной методики воспроизводимого получения шаровой молнии в управляемых, лабораторных условиях. Если бы это было достигнуто, задача была бы практически решена. Поныне в экспериментах удавалось получить нечто, лишь отдалённо схожее с шаровой молнией. И, изучая это "нечто", экспериментаторы пока не могут сказать, изучают ли они саму шаровую молнию или какое-то другое явление. Такое состояние дел в эксперименте и позволяет теоретикам выдвигать совершенно разные (а иногда и самые фантастические) предположения и гипотезы о сущности шаровой молнии.

В отсутствие воспроизводимых экспериментальных данных, вся информация основана на рассказах очевидцев, и лишь в редких случаях — на фото- или киноматериалах. Это наводит на сомнения в самом существовании явления. Однако шаровая молния — явление довольно частое, поэтому такое недоверие может относиться к частным свидетельствам, но не к явлению вообще. Опираясь на статистически усреднённые параметры, мы в самом деле можем исследовать шаровую молнию как физическое явление.

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.

Cвойства шаровых молний

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 и из какого-либо предмета (дерево, столб).

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.

Шаровая молния живёт от 10 до 100 секунд, 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 (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.

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

Не так-то и много информации. Но зато очень много загадок. Можно сформулировать несколько вопросов, ответы на которые должна дать полная теория шаровой молнии:

  • Почему шаровая молния такая устойчивая? Ведь если это газообразное образование, то при таких температурах этот газ/плазма тут же перемешается с окружающим воздухом, и шаровая молния исчезнет. Что препятствует такому перемешиванию?
  • Откуда берется 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 под действием силы Архимеда всплывать!
  • Как шаровая молния умудряется существовать в течение такого длительного времени? Ведь если внутри нее плазма и если нет подпитки энергией извне, то почему плазма моментально не рекомбинирует? А 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?

Много вопросов... И так же много теоретических моделей

Ясно, что свечение шаровой молнии связано либо с накопленной в ней энергией, либо с энергией, поступающей в нее извне. В соотвествии с этим, предлагались различные модели шаровой молнии.

Если энергия поступает в шаровую молнию извне, то возможны варианты:

    * Шаровая молния есть высокочастотный электрический разряд (П.Л.Капица): между облаками и землей возникает стоячая электромагнитная волна, и когда она достигает критической амплитуды, в каком-либо месте (чаще, ближе к земле) возникает пробой воздуха, образуется газовый разряд. В этом случае шаровая молния как бы "нанизана" на силовые линии стоячей волны и двигается вдоль проводящих поверхностей. Стоячая волна тогда отвечает за энергетическую подпитку шаровой молнии. Экспериментально удавалось реализовать разряд под действием высокочастотного электрического поля, происходящий вдали от электродов ("висящий" в воздухе). Предполагается, что при определенных условиях обычные молнии порождают высокочастотные поля, которые в каком-то другом месте поддерживают шаровую молнию.

    * Шаровая молния есть смесь тлеющего электрического разряда и электрической дуги под действием статического электрического поля. В отличие от тлеющего разряда, во внутренней части шаровой молнии ток поддерживается за счет истечения материала, (твердого или расплавленного), захваченного шаровой молнией, под действием сильного электрического тока аналогично дуговому разряду. Во внешней части шаровой молнии ток переносится тлеющим разрядом.

Если энергия в шаровой молнии была предварительно накоплена, то возможны варианты:

    * Энергия в шаровой молнии могла быть накоплена после удара обычной молнии в виде химической энергии образовавшихся нестабильных соединений, либо возбужденных состояний молекул или атомов. Происходящая с этими соединениями реакция сопровождается илучением света. (Этот вариант кажется маловероятным, т.к трудно придумать столь долгоживущие возбужденные состояния атомов и молекул).

    * По теории Б.М.Смирнова [1] ядро шаровой молнии - это переплетенная ячеистая структура, нечто вроде аэрогеля, которая обеспечивает прочный каркас при легком 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.

    * Еще одна теория [2] - уже из самых новых - 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 четкий ответ на загадку шаровой молнии.

Критерием, какая из этих теория верна, будет служить эксперимент. Пусть хоть какая-нибудь теория сможет четко сказать, как именно можно создать шаровую молнию в лаборатории.

Попытки лабораторного воспроизведения

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 Тесла (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.) 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 сообщает подробности своего эксперимента, так что его воспроизведение крайне затруднительно.

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

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

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.

Так 13 мая 2006 года исследователи из Института физики плазмы имени Макса Планка (Max-Planck-Institut für Plasmaphysik - IPP) и Берлинского университета имени Гумбольдта (Institut für Physik der Humboldt-Universität zu Berlin - HUB) сумели в лабораторных условиях воспроизвести таинственный природный феномен - образование шаровых молний (плазмоидов - plasmoids). Они применили подводный электрический разряд для того, чтобы получить люминесцентные плазменные облака, по своему виду напоминающие классический "файербол", причем это явление наблюдалось на протяжении почти половины секунды, а диаметр подобных "шариков" составлял до 10-20 сантиметров.


Карта погоды в Европе

Карта погоды в Европе

Карта гроз сегодня

Карта гроз сейчас

Погода в Европе на завтра

Атмосферное давление и фронты

Снимок облачности со спутника

Карта снежного покрова

в этот день 17 января
Москва

Самая жаркая погода +2 была в 1952г.

Самая холодная погода -27 была в 1963г.