какая молния обозначает шаровую
Самое таинственное природное явление. Откуда берется шаровая молния и чем она опасна?
Ученым из США и Финляндии удалось создать шаровую молнию в лаборатории. Рассказываем, как они создали светящийся шар энергии, как он устроен и опасна ли шаровая молния.
Читайте «Хайтек» в
Что такое шаровая молния?
Шаровая молния — это природное явление, выглядящее как светящееся и плавающее в воздухе образование. Единой физической теории возникновения и протекания этого явления к настоящему времени не представлено; также существуют научные теории, которые сводят феномен к галлюцинациям.
Существует множество гипотез, объясняющих явление, но ни одна из них не получила абсолютного признания в академической среде. В лабораторных условиях похожие, но кратковременные явления удалось получить несколькими разными способами, так что вопрос о природе шаровой молнии остается открытым.
Широко распространено мнение, что шаровая молния — явление электрического происхождения естественной природы, то есть представляет собой особого вида молнию, существующую продолжительное время и имеющую форму шара, способного перемещаться по непредсказуемой, иногда удивительной для очевидцев траектории.
По свидетельствам очевидцев, шаровая молния обычно появляется в грозовую, штормовую погоду; зачастую (но не обязательно) наряду с обычными молниями. Чаще всего она как бы «выходит» из проводника или порождается обычными молниями, иногда спускается с облаков, в редких случаях — неожиданно появляется в воздухе или, как сообщают очевидцы, может выйти из какого-либо предмета (дерево, столб).
Сомнения по поводу существования шаровой молнии
Вплоть до 2010 года вопрос существования шаровых молний был принципиально опровержимым. Так, в предисловии к бюллетеню Комиссии РАН по борьбе со лженаукой «В защиту науки», № 5, 2009 использовались формулировки: «конечно, в шаровой молнии до сих пор много неясного: не желает она залетать в лаборатории ученых, оснащенные подобающими приборами».
Теория происхождения шаровой молнии, отвечающая критерию Поппера, была разработана в 2010 году австрийскими учеными Джозефом Пиром (Joseph Peer) и Александром Кендлем (Alexander Kendl) из Университета Инсбрука. Они опубликовали в научном журнале Physics Letters A предположение, что свидетельства о шаровых молниях можно понимать как проявление фосфенов — зрительных ощущений без воздействия на глаз света, то есть шаровые молнии являются галлюцинациями.
Их расчеты показывают, что магнитные поля определенных молний с повторяющимися разрядами индуцируют электрические поля в нейроны зрительной коры, которые и кажутся человеку шаровой молнией. Фосфены могут проявиться у людей, находящихся на расстоянии до 100 метров от удара молнии.
23 июля 2012 года на Тибетском плато шаровая молния попала в поле зрения двух бесщелевых спектрометров, с помощью которых китайские ученые изучали спектры обычных молний. В итоге были зафиксированы 1,64 секунды свечения шаровой молнии и ее подробные спектры.
В отличие от спектра обычной молнии, в котором в основном присутствуют линии ионизированного азота, спектр шаровой молнии наполнен линиями железа, кремния и кальция, которые являются основными составляющими веществами почвы.
Данное приборное наблюдение, вероятно, означает, что гипотеза фосфенов не является исчерпывающей.
История наблюдений за шаровой молнией
В первой половине XIX века французский физик, астроном и естествоиспытатель Франсуа Араго, возможно, первым в истории цивилизации произвел сбор и систематизировал все известные на то время свидетельства появления шаровой молнии. В его книге было описано 30 случаев наблюдения шаровых молний.
Статистика небольшая, и неудивительно, что многие физики XIX века, включая Кельвина и Фарадея, при своей жизни были склонны считать, что это либо оптическая иллюзия, либо явление совершенно иной, неэлектрической природы. Однако количество случаев, подробность описания явления и достоверность свидетельств возрастали, что привлекло внимание ученых, в том числе известных физиков.
Большой вклад в работу по наблюдению и описанию шаровой молнии внес советский ученый И. П. Стаханов, который вместе с С. Л. Лопатниковым в журнале «Знание — сила» в 1970-х годах опубликовал статью о шаровых молниях. В конце этой статьи он приложил анкету и попросил очевидцев прислать ему свои подробные воспоминания этого явления.
В результате он накопил обширную статистику — более тысячи случаев, что позволило ему обобщить некоторые свойства шаровой молнии и предложить свою теоретическую модель шаровой молнии.
Современные свидетельства
Исторические попытки воспроизвести шаровую молнию искусственно
Было сделано несколько заявлений о получении шаровой молнии в лабораториях, но в основном к этим заявлениям сложилось скептическое отношение в академической среде. Остается открытым вопрос: «Действительно ли наблюдаемые в лабораторных условиях явления тождественны природному явлению шаровой молнии»?
Современное воспроизведение шаровой молнии
В середине февраля команда финских и американских специалистов заявила, что создала в лаборатории квантовый магнитный вихрь, который имел те же свойства, что и шаровая молния.
Команда использовала два противоположно направленных потока электрического тока, в результате чего образовался синтетический электромагнитный узел шаровой формы, который и в самом деле подходит под описания шаровой молнии.
Микко Меттенен из университета Аалто в Хельсинки полагает, что шаровые молнии носят не только электрическую, но и квантовую природу. Их эксперимент стал возможен благодаря изучению скирмионов — квантовых квазичастиц, математическая модель которых отражает реальное (а не схематическое) поведение протонов и нейтронов в атоме.
Согласно словам Меттенена, скирмионы они обладают необычными свойствами, так как их «иголки» заряжены положительно, а «туловище» — отрицательно.
Благодаря этому «квантовые ежи» отличаются высокой стабильностью — возможно, именно они будут использованы в качестве ячеек памяти в компьютерах будущих поколений.
Шаровая молния опасна?
По свидетельствам очевидцев, важно не делать резких движений и не бежать: шаровая молния чрезвычайно чувствительна к любым завихрениям воздуха и вполне может последовать за ним.
Нужно спокойно свернуть с пути движения шара, пытаясь держаться как можно дальше от него, но ни в коем случае не поворачиваться спиной. Если шаровая молния оказалась в помещении, нужно медленно подойти к окну и медленными движениями открыть форточку: вслед за движением воздуха молния, скорее всего, вылетит наружу.
Также категорически нельзя ничего бросать в плазменный шар: это вполне может привести ко взрыву.
Отметим, что эти рекомендации являются частными, так как в данный момент не существует строгого алгоритма действий при встрече с шаровой молнией. Тут собраны общие и самые популярные советы.
Шаровая молния. Новая гипотеза о её происхождении
Иногда, при наличии определенных условий, небольшой и относительно шарообразный кусочек атмосферы, которая нас окружает, на короткое время загорается.
Эти шары огня называют блуждающими огнями, огнями святого Эльма, призрачными огнями или шаровыми молниями. Прежде считалось, что они зависают нам могилами, танцуют вдоль берегов рек, сигнализируют о приближении землетрясения и проникают в салоны самолетов. Даже сегодня у нас нет четкого объяснения того, как они возникают и что они делают. Но это вовсе не значит, что ученые оставили попытки выяснить это. В июне китайский ученый Хуэй-Чунь У (Hui-Chun Wu) предложил новое убедительное объяснение этого феномена, опубликовав статью в журнале Scientific Reports.
Некоторые огненные шары являются продуктом жизнедеятельности живых организмов. Например, разложение живой материи в болотистой местности (или даже на местах массовых захоронений в польских лесах) приводит к высвобождению метана и фосфоросодержащих газов, таких как фосфороводород, которые могут внезапно загореться при контакте с кислородом, в результате чего возникает мерцающее световое пятно, зависшее в воздухе. Другие огненные шары имеют электрическую природу, вспыхивая внутри земли во время землетрясений, когда в результате столкновения каменных глыб высвобождается поток электронов, поднимающихся на поверхность, где они вступают во взаимодействие с воздухом, порождая вспышки света. Но некоторые огненные шары формируются в атмосфере, обычно во время сильных гроз, и их называют шаровыми молниями.
Шаровые молнии могут быть любых цветов радуги и самых разных размеров — от обычного игрушечного стеклянного шарика до больших фитболов, на которых люди иногда сидят. Они могут образовываться внутри закрытых пространств, спускаться по каминным трубам и даже проникать через закрытые окна. Помимо того, что они производят свет, шаровые молнии могут генерировать разряды и зачастую издают шипение или жужжание, а также сильный неприятный запах. Обычно шаровая молния существует в течение всего нескольких секунд и горит с интенсивностью яркой бытовой лампочки. Непредсказуемый и изменчивый характер шаровых молний мешает сформулировать убедительную теорию, объясняющую ее природу, однако сообщения о ее странностях поступали в течение многих веков и продолжают поступать сегодня.
Проникновение шаровых молний в жилые дома и их способность образовываться внутри самолетов оказалось крайне сложно объяснить. Объяснения того, как они образовываются, даже более разнообразны, чем их физические характеристики. К примеру, согласно различным теориям, шаровая молния может представлять собой облако раскаленных кремниевых частиц, природную ядерную реакцию, эпилептическую галлюцинацию, возникающую из-за воздействия молнии, миниатюрную черную дыру, соединение целлюлозы и других природных полимеров и наполненный микроволнами пузырь плазмы.
Гипотеза микроволновых пузырей легла в основу работы У, ученого из Чжэцзянского университета в Ханчжоу, Китай. Прежде ученые предполагали, что такие пузыри могут образовываться под воздействием микроволнового излучения грозовых облаков или атмосферных мазеров, однако У выдвинул гипотезу о том, что эти микроволны исходят от пучка электронов, которые разгоняются почти до скорости света, когда молния ударяет в землю. Эти электроны разгоняются до таких скоростей под воздействием электрического поля, возникающего, когда поток электронов пошагово движется от основания облака к земле непосредственно перед яркой вспышкой молнии. «На кончике вспышки молнии, достигшей земли, — пишет У, — может образовываться пучок электронов, движущихся с околосветовой скоростью, который в свою очередь порождает интенсивное микроволновое излучение».
Независимо от источника, атмосферные микроволны порождают плазму, заряжая окружающий воздух. Это излучение оказывает достаточно сильное давление, чтобы сформировать из рассеянной плазмы пузырь, который мы называем шаровой молнией. Микроволны, которые оказываются внутри этого пузыря, продолжают порождать плазму и, таким образом, сохранять пузырь на протяжении его короткой жизни. В конце концов шаровая молния затухает, потому что излучение внутри пузыря рассеивается. Иногда этот пузырь прорывается, микроволны высвобождаются наружу, что приводит к взрыву.
Присутствие микроволн и плазмы, как компонентов шаровой молнии, может объяснить некоторые из ее свойств. К примеру, микроволны могут проникать через оконное стекло, поэтому закрытые окна не мешают появлению шаровых молний в помещении. Микроволны также могут производить заметный звук в момент их контакта с внутренним ухом человека, а плазма, которую они порождают, в свою очередь может производить из атмосферного кислорода озон, обладающий резким запахом.
От других теорий теорию о микроволновом происхождении шаровых молний отличает то, что она объясняет, как они появляются внутри самолетов. Электроны, являющиеся крохотными родственниками атомов, способны проходить через металлическую обшивку корпуса самолета после того, как они достигли околосветовых скоростей за его пределами, благодаря вспышке молнии. Затем электроны, оказавшиеся внутри самолета, излучают микроволны, которые и образуют шаровую молнию. Последовательность электроны-микроволны-плазма также объясняет размер шаровых молний, поскольку длина пучка электронов, разогнавшихся под воздействием удара молнии, соответствует типичному диаметру возникающего в результате микроволнового пузыря — примерно 20-50 сантиметров.
Как это всегда бывает с новыми научными гипотезами, теперь нужно проделать массу работы, чтобы подтвердить предположение У. Потребуется провести множество экспериментов, чтобы проверить механизм электрон-микроволна-плазма, в результате которого образуется шаровая молния. Здесь необходимо будет разработать методику генерирования шаровых молний по запросу, а затем изучить характеристики электронов и микроволн.
По мнению У, если его гипотеза подтвердится, его теория поставит несколько важных вопросов, касающихся угроз, порождаемых быстрыми электронами и микроволновым излучением, возникающими рядом с людьми, попавшими в грозу.
Существуют ли шаровые молнии? Наблюдения и эксперименты
Вы когда-нибудь видели шаровую молнию? В интернете можно найти много роликов, на которых якобы запечатлели это феноменальное событие. Но в большинстве своем они отдают жутким «фотошопом». Кажется, что только наши бабушки вживую сталкивались с парящими сгустками электричества. Хотя свидетельства очевидцев шаровых молний часто регистрируют, систематизируют и даже пишут по ним целые монографии, которые становятся учебными пособиями в вузах. Существуют ли шаровые молнии? Чем они могут быть на самом деле и что об этом думают ученые?
Наверное, в детстве каждый из нас слышал истории о шаровых молниях, которые залетают в дома и могут вызвать пожар. А потому наши бабушки настаивают: форточки во время грозы должны быть закрыты — чтобы в них не дай бог не залетела шальная шаровая молния. Судя по многим историческим свидетельствам, с шаровыми молниями или похожими на них явлениями люди регулярно сталкиваются еще с античных времен и в разных уголках света.
«Вечером я гуляла и побежала в сторону деревни, собака — за мной. Тут раздался раскат грома, и вслед за нами помчался маленький блестящий шарик. Через несколько секунд шар нагнал собаку, коснулся ее, раздался оглушительный треск. Собака упала. Шкура на ней обуглилась».
Наблюдатель, 1920 год
Описания эти сильно разнятся, однако некоторые закономерности вывести можно. Итак, шаровая молния — это светящаяся сфера размером с небольшой капустный кочан. Часто она появляется до, после или во время грозы после удара молнии. Иногда ее появление никак не связано с погодой. Наблюдают шаровую молнию в течение нескольких секунд или минут. Она может быть разных цветовых оттенков.
Видный исследователь шаровой молнии Александр Григорьев, который трудился в Ярославском государственном техническом университете, посвятил сбору свидетельств от очевидцев шаровых молний многие годы. Он систематизировал тысячи рассказов и пришел к выводу, что чаще всего шаровая молния просто уходит из поля зрения наблюдателя (40%). Иногда она взрывается (26%) или просто тихо угасает (13%), разряжается в землю (8%) или в проводник (6%).
«В полутора метрах я увидел белый шар диаметром 20—25 сантиметров, висевший на высоте полутора метров. Он светился, как лампочка в 15 ватт. Шар казался состоящим из шевелящихся маленьких бело-красноватых искорок».
Наблюдатель, 1962 год
Характеристики наблюдаемых объектов очень сильно варьировались, а потому сам исследователь отмечал, что создать какой-то усредненный «портрет» шаровой молнии не представляется возможным. И это лишь одна из многих сложностей в изучении феномена.
Российские эксперименты
Другая же заключается в невозможности воссоздать шаровую молнию в лабораторных условиях. Прагматический оттенок изучение шаровых молний приобрело после 1950-х годов и развертывания работ в области физики плазмы. Внешне шаровая молния схожа с объектами плазменной природы, но в идеальных лабораторных условиях эти объекты не могут существовать десятки секунд и при этом активно светиться.
Попытки воспроизвести шаровую молнию в лаборатории предпринимались неоднократно. Не сказать, что они были удачными. Иногда удавалось воспроизвести светящиеся объекты, но по своим свойствам они напоминали шаровые молнии лишь отдаленно.
Геннадий Шабанов из Петербургского института ядерной физики РАН в прошлом десятилетии опубликовал научную работу о своих экспериментах по рождению шаровой молнии в лаборатории. Делал он это с помощью экспериментальной установки. У поверхности воды с помощью электрического разряда удавалось создать светящийся шаровой объект. Однако время его жизни было не в пример короче шаровых молний — всего несколько сотен миллисекунд.
Тем не менее исследователи были убеждены, что «формирующееся светящееся образование является аналогом природной шаровой молнии», так как оно успевало демонстрировать свойства природной шаровой молнии. Среди них — отсутствие взаимодействия с диэлектриками, расплавление и распыление проводников, изменение цвета в зависимости от наружной освещенности и фона и так далее.
Ученые провели несколько экспериментов по уточнению температуры их аналога природной шаровой молнии. На высоте 15 сантиметров от электрода аналог не смог расплавить диэлектрик с температурой плавления около 200 градусов по Цельсию. Хлопчатобумажная нить, размещенная на высоте 25 сантиметров от электрода, не загорелась. Когда на нить нанесли тонкий слой коллоидного графита, она загорелась моментально. Ученые сделали выводы, что их аналог оказался довольно холодным, но может проявлять «огонек» в случае с электропроводными телами, в том числе с человеческими.
Такие шарообразные светящиеся объекты удается получать ученым по всему миру. Не всякая команда берется называть их шаровыми молниями — скорее долгоживущими плазменными образованиями.
Наблюдение природной шаровой молнии учеными
В 2014 году в авторитетном рецензируемом журнале Physical Review Letters Цзяньюн Цен с коллегами из Северо-западного педагогического университета Китая описали свой опыт наблюдения шаровой молнии в дикой природе. Они случайно зафиксировали шаровую молнию с помощью видеокамер и спектрографов.
Когда обычная линейная молния ударила в землю, возник шар шириной 5 метров. Он пролетел над землей 15 метров и исчез спустя 1,6 секунды. Спектрограф показал, что основными элементами в шаре были кремний, железо и кальций — те же элементы, которые находились и в почве.
Это наблюдение стало подтверждением теории новозеландца Джона Абрахамсона. В 2000 году он предположил, что после удара молнии в землю внезапное мощное тепло испаряет из почвы оксид кремния. Затем ударная волна поднимает газ в воздух. Если в почве есть углерод (от мертвых листьев или кореньев), он «крадет» кислород из оксида кремния, оставляя облако чистого кремниевого пара. Затем атмосферный кислород повторно окисляет горячий шар газа, что и заставляет шар светиться.
В лабораторных экспериментах в Бразилии и Израиле эта теория также находила подтверждение: когда ученые воздействовали электрическими разрядами на кремниевые пластины, выделялся пар, который затем окислялся. Выглядело это как маленькие светящиеся шары.
Молнии шаровые, но разные
Александр Григорьев,
доктор физико-математических наук
«Химия и жизнь» №3, 2017
Шаровая молния — явление удивительное и до сих пор не понятое, несмотря на потенциальную практическую значимость (слышали что-нибудь о стабильной плазме?). Ее пытаются создавать экспериментально и строят теории, но ценным источником информации остаются рассказы очевидцев.
Совсем немного истории
Шаровая молния как явление, связанное с грозой, известна с античных времен. Первую дошедшую до нас гипотезу о ее происхождении высказал один из создателей так называемой лейденской банки, первого конденсатора, накопителя электрической энергии, — Питер ван Мушенбрук (1692–1761). Он предположил, что это сгустившиеся в верхних слоях атмосферы болотные газы, которые воспламеняются, спускаясь в нижние.
В 1851 году появилась первая книга, целиком ей посвященная, — автором был один из крупнейших французских физиков, почетный член Петербургской академии наук Франсуа Араго. Он назвал ее «самым необъяснимым физическим явлением», и сделанный им обзор свойств и представлений о ее природе инициировал появление потока теоретических и экспериментальных исследований этой формы грозового электричества.
До пятидесятых годов XX века шаровая молния (ШМ) привлекала к себе внимание лишь как непонятный геофизический феномен, о ней писали статьи и книги, но исследования носили в основном феноменологический характер. Однако когда развернулись работы в области физики плазмы и ее многочисленных технических и технологических приложений, тема приобрела прагматический оттенок. Стабилизация плазмы всегда была для физики важной задачей, а ШМ, объект, вроде бы, плазменной природы, автономно существует и интенсивно светится десятки секунд. Потому с историей ее исследований связаны имена многих известных ученых, занимавшихся физикой плазмы. Например, один из основателей советской физики Петр Леонидович Капица (1894–1984) опубликовал статью «О природе шаровой молнии» (1955), в которой предложил идею о внешней подпитке энергией, и в последующие годы ее развивал, видя в шаровой молнии прообраз управляемого термоядерного реактора.
Библиография по ШМ к настоящему времени насчитывает более двух тысяч научных статей, только за последние сорок лет вышло около двух десятков книг и подробных обзоров. Начиная с 1986 года в России и за рубежом регулярно проводятся симпозиумы, семинары и конференции, посвященные ШМ, по этой теме в РФ защищено несколько кандидатских диссертаций и одна докторская. Ей посвящены тысячи экспериментальных и теоретических исследований, она попала даже в школьные учебники. Объем накопленных феноменологических сведений весьма велик, но понимания строения и происхождения по-прежнему нет. Она уверенно лидирует в списке малоизученных, непонятных, таинственных и опасных явлений природы.
Усредненный портрет
Опубликованные книги содержат различной строгости и глубины обзоры теоретических и экспериментальных исследований ШМ, причем сами данные приводятся чаще всего в усредненном виде. Научная литература содержит множество таких «усредненных портретов», на основе которых появляются новые теоретические модели и новые варианты старых теоретических моделей. Но эти портреты далеки от оригиналов. Характерная черта ШМ — значительный разброс параметров, более того, их изменчивость в ходе существования феномена.
Траектории движения двух шаровых молний, снятые на длинной выдержке: одна тихо погасла, а другая взорвалась. По соотношению диаметра траектории с диаметром пятна взрыва можно оценить плотность энергии, запасенной в шаровой молнии, — около 3 кДж/см 3
В этой статье представлена короткая подборка описаний поведения ШМ в естественных условиях, акцентирующих внимание на тех ее свойствах, которые не вошли в усредненные портреты.
Оранжевая, лимонная, зеленая, голубая.
Наблюдатель Тараненко П. И., 1981 год:
«. светящийся шарик, выплывающий из гнезда розетки. За время порядка двух-трех секунд он проплыл немного в плоскости гнезд розетки, удалившись от стены примерно на один сантиметр, затем вернулся и пропал во втором гнезде розетки. В начальной фазе, при выходе из гнезда, шар имел густо-оранжевый цвет, когда же он полностью сформировался, то стал прозрачно-оранжевым. Затем при движении шара его цвет изменился на желто-лимонный, разбавленно-лимонный, из которого вдруг высветился пронзительно сочно-зеленый цвет. Кажется, именно в этот момент шарик повернул назад к розетке. Из зеленого цвет шарика стал нежно-голубым, а перед самым входом в розетку — тускло-серо-голубым».
Удивительна способность ШМ изменять форму. Если сферичность обеспечивается силами поверхностного натяжения, то можно ожидать изменений ШМ, связанных с капиллярными осцилляциями возле равновесной сферической формы, или изменений при нарушении устойчивости ШМ, то есть перед разрядом на проводник или перед взрывом, что, собственно говоря, и отмечается в наблюдениях очевидцев. Но, как ни странно, чаще наблюдаются взаимопревращения ШМ из сферической формы в ленточную и обратно. Вот два примера таких наблюдений.
Наблюдатель Мысливчик Е. В., 1929 год:
«Из соседней комнаты выплыл серебряный шар диаметром примерно тринадцать сантиметров, без какого-либо шума вытянулся в „толстую змею“ и проскользнул в дыру для болта от ставни на двор».
Наблюдатель Ходасевич Г. И., 1975 год:
«После близкого разряда молнии в комнате возник огненный шар диаметром около сорока сантиметров. Медленно, в течение примерно пяти секунд, вытянулся в длинную ленту, которая улетела через форточку на улицу».
Видно, что ШМ вполне уверенно чувствует себя в ленточной форме, которую принимает при необходимости пройти через узкое отверстие. Это плохо укладывается в представление о поверхностном натяжении как о главном факторе, определяющем форму. Такого поведения можно было бы ожидать при малом коэффициенте поверхностного натяжения, но ШМ сохраняет форму и при движении с большой скоростью, когда аэродинамическое сопротивление воздуха деформировало бы сферу, если бы силы поверхностного натяжения были слабыми. Впрочем, наблюдатели сообщают и о весьма разнообразных формах, которые принимает ШМ, и о колебаниях поверхности.
Наблюдатель Кабанова В. Н., 1961 год:
«В комнате, перед закрытым окном, я заметила висящий светящийся голубой шар диаметром около восьми сантиметров, он менял свою форму, как меняет форму мыльный пузырь, когда на него дуют. Он медленно поплыл в сторону электророзетки и в ней исчез».
Наблюдатель Годенов М. А., 1936 год:
«Я увидел, как по полу прыгает, удаляясь в угол сеней, огненный шар размером чуть меньше футбольного мяча. С каждым ударом о пол этот шар будто сплющивался, а потом снова принимал круглую форму, от него отскакивали и тут же исчезали маленькие шарики, а шар становился все меньше и, наконец, исчез».
Таким образом, теоретические модели шаровой молнии должны учитывать изменчивость ее свойств, что существенно усложняет проблему. А как обстоит дело с экспериментом?
Нечто круглое и светящееся
Долгоживущее плазменное образование, которое получили при сильноточном испарении медной фольги В. Н. Кунин и Л. В. Фуров (ВлГУ)
За последние годы в этом направлении кое-что сделано. Во всяком случае, нечто шарообразное и светящееся нужного размера удалось получить, причем нескольким группам исследователей независимо друг от друга. О тех или иных свойствах вопрос пока не ставился: тут вообще бы получить что-то типа ШМ.
Во Владимирском государственном университете, под руководством профессора В. Н. Кунина, который пытался в лабораторных условиях воспроизвести разряд, подобный молнии по силе тока, стабильно получали из разрядной плазмы, образующейся при электровзрыве медной фольги, светящиеся шарообразные объекты диаметром 20–30 см, со временем жизни около одной секунды. Г. Д. Шабанов (Петербургский институт ядерной физики РАН) стабильно производит светящиеся шары с тем же временем жизни при существенно меньших токах и на совсем простом оборудовании. В Санкт-Петербургском госуниверситете этим успешно занимались С. Е. Емелин и А. Л. Пирозерский. Но во всех случаях время жизни подобных объектов — около секунды, а их полная энергия ничтожно мала: ее не хватает даже для того, чтобы прожечь газету. Реальная ШМ может убивать людей и животных, со взрывом рушить дома, ломать деревья, вызывать пожары.
То, что получается во всех этих экспериментах, конечно, не ШМ, но что-то похожее. Эти объекты принято называть «долгоживущими плазменными образованиями». Долгоживущие они по сравнению с обычным ионизированным воздухом, который при этом объеме прекратил бы свечение за микросекунды.
Долгоживущее плазменное образование в экспериментах Г. Д. Шабанова. На заднем плане сам экспериментатор
Рождение и смерть
Среди 5315 ранее неизвестных описаний ШМ, собранных в Ярославском государственном университете им. П. Г. Демидова А. И. Григорьевым и С. О. Ширяевой, в 1138 случаях очевидцы видели таинство рождения ШМ. Различные варианты рождения встречаются с вероятностью: около 8% — в канале разряда линейной молнии; с той же вероятностью — в месте удара линейной молнии; в облаках — 4%; на металлическом проводнике — 66%; просто наблюдение зарождения вроде бы «из ничего» — 13%.
По тому же массиву данных мы оценили вероятности реализации различных путей исчезновения шаровой молнии. Получились следующие цифры: в примерно 40% случаев — она просто ушла из поля зрения; в 26% ее существование окончилось самопроизвольным взрывом; в 8% она ушла (разрядилась) в землю; в 6% — ушла в проводник; с такой же вероятностью она рассыпается на искры; в 13% тихо гаснет; а в 1% описаний из-за неосторожности очевидца существование шаровой молнии заканчивалось спровоцированным взрывом.
Возможно, что шаровые молнии, зародившиеся на проводниках, имеют меньшую энергию и больший электрический заряд, чем порожденные непосредственно линейной молнией, но расхождение в полученных численных значениях может происходить от малой статистики и разброса условий наблюдения. Но для шаровой молнии, появившейся в помещении из телефона или розетки, вероятность снова уйти в проводник или в землю больше, чем для ШМ, родившейся в облаке или в канале разряда линейной молнии и летящей по ветру.
Искры, нити и зерна
С вопросом о внутреннем строении шаровой молнии естественно обратиться к людям, видевшим ее вблизи, на расстоянии порядка метра. Таких около 35%, примерно в половине случаев очевидцы сообщают о внутренней структуре — и это при том, что ШМ имеет весьма дурную репутацию. Можно понять, почему очевидцы не всегда в состоянии ответить на столь простой вопрос: при неожиданном появлении опасной гостьи не каждый захочет и сумеет заняться скрупулезными научными наблюдениями. Да и не всегда, по-видимому, внутри ШМ удается что-либо разглядеть. Тем не менее вот два примера.
Наблюдатель Лиходзеевская В. А., 1950 год:
«Я оглянулась и увидела ослепительно-яркий шар величиной с футбольный мяч кремового цвета. Он был похож на клубок ярких ниток или, скорее, на сплетение тонкой проволоки».
Наблюдатель Журавлев П. С., 1962 год:
«В полутора метрах я увидел белый шар 20–25 сантиметров, висевший на высоте полутора метров. Он светился, как лампочка в 15 Вт. Шар казался состоящим из шевелящихся маленьких бело-красноватых искорок».
В описаниях, упоминающих внутреннюю структуру шаровой молнии, можно выделить наиболее часто повторяющиеся элементы — хаотически движущиеся световые точки, светящиеся переплетенные линии, маленькие движущиеся и светящиеся шарики. Если сопоставить эти данные с сообщениями о том, что ШМ при внешних воздействиях рассыпается на искры и шарики, то представления о шариках и искрах (микрошариках) как об элементарных кирпичиках, из которых состоит ШМ, получают дополнительное подтверждение. Остается неясным, какие силы удерживают вместе эти «кирпичики», не давая им разлететься, но не мешая им свободно перемещаться в объеме шаровой молнии, и как происходит ее распад на элементарные шарики при ударе.
Совсем загадочные случаи — прохождение шаровой молнии сквозь стекло, после которого не остается отверстия. Таких наблюдений немного, среди 5315 описаний, собранных нами, их всего лишь 42. Есть подобные описания и в литературе, причем среди наблюдателей были и пилоты самолетов, и сотрудники метеостанций; иногда наблюдателей было несколько. Может быть, ШМ не проходит сквозь стекло, а ее электрическое поле вызывает возникновение подобного объекта по другую сторону стекла?
Расчет по наблюдениям
Шаровую молнию примерно в 5% случаев видят падающей из грозовых облаков, в 0,5% видят поднимающейся к облакам, а в 75% наблюдений она плывет в атмосфере. Напрашивается вывод, что она может быть как легче воздуха, так и тяжелее, но в большинстве случаев ее плотность приблизительно та же. Однако на плавучесть шаровой молнии влияет не только сила Архимеда, как на воздушный шар. Известно, что она может менять направление движения, гнаться за подвижными объектами, убивать людей и животных электрическим зарядом. Вот два примера.
Наблюдатель Креловская К. М., 1920 год:
«Вечером я гуляла и побежала в сторону деревни, собака за мной. Тут раздался грохот грома, и вслед за нами помчался маленький блестящий шарик. Через несколько секунд шар нагнал собаку, коснулся ее, раздался оглушительный треск. Собака упала. Шкура на ней обуглилась».
Наблюдатель Красулина М., 1954 год:
«В дом влетел огненный шар около 30 сантиметров в диаметре, яркий, как лампочка в 100 Вт. Ударился в зеркало, которое висело напротив окна, отскочил от него и попал в грудь молодой женщины. Она тут же умерла».
Итак, у шаровой молнии есть электрический заряд, она двигается в приземном электрическом поле, напряженность которого в ясную погоду такова, что разность потенциалов между подошвами ног и головой человека составляет около 200 вольт. В грозовую погоду напряженность увеличивается примерно в 100 раз. Из сказанного следует, что на ее движение влияют электрические поля. И в самом деле, с вероятностью примерно 4% ее видят двигающейся вдоль проводов электричества.
Из приведенных выше соображений удалось оценить и другие свойства ШМ. Так, плотность ее вещества отличается от плотности воздуха примерно на 1%, а поверхностное натяжение приблизительно такое же, как у воды. Также удалось выяснить, что все свойства шаровой молнии связаны между собой и что ее радиус не может быть больше метра. Все сообщения о многометровых радиусах ошибочны; такие размеры всегда выводятся из оценок угла, под которым светящийся объект наблюдают издали, а при этом неизбежна большая ошибка.
Выжившие
Контакт с шаровой молнией бывает и не смертельным, однако такие случаи крайне редки. Вот два примера.
Наблюдатель Васильева Т. В., 1978 год:
«Одновременно с грохотом близкого разряда молнии на выключателе появился светящийся шар величиной с человеческую голову и загорелся выключатель. У меня мелькнула мысль, что если загорятся обои, то сгорит и наш деревянный дом. Я с размаху ударила ладонью по шару и выключателю. Шар сразу же распался на множество мелких шариков, упавших вниз. На оставшейся половине выключателя появился огненный шарик величиной с кулак. Через секунду этот шарик исчез. Рука у меня сгорела до кости».
Наблюдатель Базаров М. Я., 1956 год:
«От заслонки трубы на подушку упал неяркий красный шар размером с мяч 25 сантиметров. Он медленно скатился по подушке на шерстяное одеяло, которым я был укрыт. Мать, увидев это, голыми руками стала его забивать. От первого удара шар рассыпался на множество мелких шариков. За считаные секунды, ударяя по ним ладонями, мать загасила их. Ожогов у нее на руках не осталось. Только с неделю пальцы ее не слушались».
Свидетельства уникальные — подобных случаев известно совсем немного. Чаще всего шаровая молния на попытки прикоснуться к ней отвечает электрическим разрядом либо взрывом. И в том, и в другом случае последствия могут быть летальными.
Если вы увидите шаровую молнию рядом.
. будьте бдительны. Помните, что при размере в футбольный мяч в ней может содержаться столько же энергии, сколько выделяется при взрыве десятка килограммов тола. Поэтому, если она случайно залетит в комнату, обращаться с ней нужно осторожно, примерно как со злой собакой: лучше всего побыстрее оставить ее одну. Но и убегать не следует, так как она может быть увлечена потоками воздуха. Ни в коем случае не нужно касаться ее руками или какими-либо предметами или пытаться выгнать ее на улицу. Это может привести к взрыву. Кроме того, она обладает большим электрическим зарядом, известно много случаев, когда именно зарядом она убивала людей и животных. Неосторожным наблюдателям шаровая молния может причинить ничуть не меньше неприятностей, чем обычная линейная, возможности которой всем хорошо известны.
Кто слушал и кто рассказывал
Основной источник новой информации о шаровой молнии — описания очевидцев ее появления в естественных условиях. Насколько востребован этот источник информации?
В СССР собирать описания шаровых молний с целью получения новых сведений об этом непонятном феномене начал И. П. Стаханов (1928–1987), профессионально занимавшийся плазмой. Еще раньше это попытался сделать И. М. Имянитов (1918–1987), областью интересов которого было атмосферное электричество; он написал книгу о шаровой молнии, но не довел до логического завершения идею анализа данных, которые сообщают наблюдатели. И. П. Стаханов первым начал систематическую обработку свидетельств очевидцев — у него был массив в полторы тысячи описаний. Полученные данные он обобщил в своих книгах. Мы занялись сбором сообщений о шаровых молниях лет на десять позже него, но собрали около шести тысяч описаний и применили компьютерную обработку данных.
Тополь, которого на уровне верхнего края отщепа коснулась шаровая молния радиусом 25 см и со взрывом отщепила часть ствола. Куски дерева весом до 25 кг отбросило на расстояние до 30 м.
Поиск очевидцев появления ШМ в естественных условиях, сбор информации и подготовка этой информации, рыхлой, расплывчатой и неточной, к обработке — это наиболее времязатратная и психологически трудоемкая часть нашей работы. Респонденты часто сообщают о трагических событиях, которым невозможно не сопереживать. Обработка полученной информации на компьютере — работа непродолжительная и приятная часть. Далее мы пишем популярную статью о ШМ для газеты или научно-популярного журнала, а в конце даем контактный адрес для очевидцев. Через полгода-год начинают приходить письма. Авторам мы отсылаем анкету с вопросами, затем сравниваем ответы с данными, сообщенными в первом письме. Разброс бывает значительный, это позволяет оценить достоверность сообщений. Из средств массовой информации данных не берем, их достоверность низка.
А можно ли верить информации о свойствах ШМ, полученной от очевидцев? Типичная реакция на появление шаровой молнии — страх. Психологи утверждают, что необычные, опасные, яркие явления запоминаются хорошо и надолго, но часто в искаженном виде. С таким эффектом регулярно приходится сталкиваться следователям, опрашивающим свидетелей трагических происшествий. Свидетели, одновременно наблюдавшие событие, дают различные, часто взаимоисключающие описания происшествия, но любой из них готов поклясться в истинности своих показаний. Что же, подобные помехи приходится учитывать.
Кажется, что достоверность информации, получаемой от очевидца, должна зависеть от его образования, возраста, времени, прошедшего с момента события, от пола. Как ни странно, это оказалось не так. С самого начала статистической обработки мы задались вопросом: кто наши респонденты? Прежде всего нас интересовали их возраст и образование. Выяснилось, что в момент наблюдения только 34% очевидцев были младше 16 лет, 21,5% имели высшее образование, 30,8% — среднее, 14% — восьмилетнее, остальные — начальное. Мы обсчитали по отдельности данные, полученные у всех этих групп, и, к своему удивлению, обнаружили, что независимо от возраста и образования при усреднении по каждой группе описываемые шаровые молнии выглядят одинаково.
Психологи нас предупреждали, что необходимо с осторожностью относиться к информации, получаемой от женщин, так как женское восприятие отличается повышенной эмоциональной окраской и часто искажает сведения, которые они сообщают. Среди наших респондентов представительниц прекрасного пола оказалось 51,2%. Но сравнение их рассказов с рассказами мужчин продемонстрировало независимость среднестатистической информации от пола респондентов.
В одном наши ожидания оправдались: данные, полученные от людей, не видевших лично шаровой молнии, но сообщавших о ней со слов очевидцев (а таких набралось примерно 8%), отличались от тех, которые дают сами очевидцы. В этой группе респондентов каждый двадцатый сообщил о трагическом случае, произошедшем по вине ШМ, и каждый пятнадцатый — о взрывах, приведших к разрушениям. Среди непосредственных очевидцев о несчастных случаях написал только каждый сотый, а о разрушениях — каждый восемьдесят пятый. Это естественно — рассказ с большей вероятностью будут пересказывать, если он поражает и запоминается. В остальном люди, сами не видевшие шаровой молнии, описывают ее так же, как «Советский энциклопедический словарь» или учебник физики для девятого класса школы: схематично, без указания деталей. Что лишний раз подтверждает справедливость пословицы: «Лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать».
Вот, пожалуй, и все, что можно рассказать в рамках журнальной статьи. Главный вывод для исследователей этого явления природы: шаровые молнии разнообразны и крайне изменчивы, что необходимо учитывать при моделировании. Как говорил один выдуманный литературный классик, «понять — значит упростить». Но и в сложности реальных феноменов есть особая притягательность.