Адские колобки: Круглое электричество
Хотя шаровая молния известна уже несколько столетий, ученые по-прежнему не знают ее природы.
«Установка находилась на столе в сенях. ‘Электрический указатель’ тонкой железной проволокой соединялся с молниеотводом на крыше. Дверь из сеней выходила на север, откуда надвигалась туча, сопровождаемая сильными порывами ветра. Рихман приблизился к электрометру и остановился от него на расстоянии 30 см. Неожиданно из толстого железного прута прямо в левую часть лба ученого ударил бледно-синеватый огненный шар величиной с кулак. Раздался оглушительный удар, ‘будто бы из малой пушки выпалено было’, и ученый, ‘не издав ни малого голосу’, замертво свалился на стоящий за ним сундук».
Так описывает А. Елисеев в книге «Г.В. Рихман» из серии «Люди науки» гибель в 1753 году великого русского физика Георга Вильгельма Рихмана во время проведения исследований по атмосферному электричеству. Свидетелем трагедии был академический художник и гравер Иван Соколов, которого Рихман пригласил для зарисовки разрядов, возникающих при эксперименте. Он же и опознал убийцу: ей оказалась шаровая молния (ШМ). С тех пор прошло больше 250 лет, но преступник до сих пор не пойман. Хотя у «следователей» имеется масса подробной информации о его внешнем виде, повадках, местах и времени появления. Так в чем же проблема?
Своенравный шарик
Обычно шаровая молния образуется во время грозы как следствие удара обычной молнии. Но не исключено появление ШМ и в ясную погоду. Розетки, радиоприемники, телефоны и даже гвозди, вбитые в стену, – далеко не полный список эпицентров рождения ШМ, описанных очевидцами. ШМ может делиться на части и собираться из кусков. Может издавать звук, похожий на шорох, или двигаться бесшумно. Обычно она парит со скоростью порядка 1 м/с на высоте 1–3 м, повторяя рельеф местности или обстановку в помещении. Часто ее траектория связана с движением вдоль линий ЛЭП или других металлических конструкций. Но, по рассказам летчиков, она умеет «играть в перегонки с самолетом», развивая скорость более 400 км/ч. Известна способность ШМ просачиваться в дом сквозь узкую щель плохо закрытой форточки или проплавлять отверстие в стекле. ШМ является источником высокочастотного излучения и способна при близком контакте вызывать у человека ожоги, испарять металлические предметы или спекать почву. Однако на расстоянии более 1 м от наблюдателя ШМ почему-то не вызывает у него ощущения тепла. ШМ имеет электрический заряд. При ее контакте с электроприборами возникающий ток приводит к оплавлению их металлических частей. В 30% случаев контакт с людьми приводит к летальному исходу. Но известны случаи, когда ШМ касалась очевидцев, не причиняя им вреда, оставляя после себя лишь ощущение «ласкового тепла от костра». Время жизни ШМ составляет от двух секунд до трех минут. Прекращая свое существование, она может «растаять» в воздухе или взорваться. Создается впечатление, что поведение ШМ зависит от ее «настроения». В «благодушном» может обласкать нежным теплом и, безобидно шурша, «растаять», в «гневе» – нанести смертельные ожоги.
«В природе не существует другого объекта с таким количеством противоречивых свойств, – рассказывает «ПМ» ведущий научный сотрудник ИНЭП ХФ РАН Анатолий Никитин. – В настоящее время о свойствах шаровой молнии нам известно практически все. Новые наблюдения, как правило, лишь подтверждают ранее полученные. Но от этого понимание физической сути ШМ не стало яснее». Постоянно на планете существует не менее ста шаровых молний. Вероятность встретиться с ней составляет менее 0,1%. Большинство ученых, занимающихся изучением ШМ, никогда ее не видели. Анатолию было 10 лет, когда при совершенно ясном небе он увидел над головой красный шар размером 30 см, летящий вдоль проводов телефонной линии. Шар улетел, а интерес остался на всю жизнь.
«Пока единственной количественной областью исследования ШМ является статистическая обработка результатов ее наблюдения, – продолжает Анатолий Ильич. – Она сыграла положительную роль в определении характеристик этого природного явления. Мы точно знаем, что наблюдаемые свойства относятся к одному и тому же объекту, а не к разным явлениям природы. Но есть и отрицательные черты: характеристики усредняются в стремлении создать портрет ‘средней’ ШМ. При этом отбрасываются редкие, но, возможно, ключевые ее свойства. В результате многие исследователи строят модели не реальной, а ‘средней’ ШМ. Например, энергия ‘средней’ ШМ оказывается равной всего 20 кДж. Однако есть надежные сообщения, показывающие, что ее энергия на несколько порядков больше этого значения. Например, случай, когда большая, около полуметра в диаметре, ШМ попала в 7-кубовый котел с водой и нагрела ее до кипения – в этом случае энергия ШМ должна быть не меньше 2000 МДж, что эквивалентно энергии сгорания 200 л бензина. Разница со средним значением в 105 раз! Именно эта способность накапливать в ограниченном объеме большое количество энергии (до 1010 Дж/м3), осуществлять транспортировку, хранение и медленно расходовать ее, по моему мнению, и есть главная загадка шаровой молнии. Разгадав ее, объяснить поведение малоэнергетических ШМ уже не составит труда. В принципе, эту проблему можно снять, предположив, что источник энергии находится вне ее. Но тогда очень трудно вообразить каналы, которые остаются невидимыми при подводе к ШМ такой большой мощности. В случае с бочонком это примерно 10 МВт (что соответствует энергопотреблению 10 000 микроволновок)».
На сегодняшний день существуют сотни гипотез и моделей, описывающих существование ШМ. Но только три из них в состоянии объяснить столь высокую плотность энергии (до 1010 Дж/м3). Это электродинамическая модель, предложенная Анатолием Никитиным, модель униполярно заряженной шаровой молнии вице-президента Международного комитета по шаровой молнии Владимира Бычкова из МГУ и теория Гирта Дайкхауса, профессора Эйндховенского технологического университета и секретаря того же комитета.
Молния на столе
Экспериментальные исследования ШМ начались еще в конце XIX века. Первопроходцем был французский физик Гастон Планте. Его идея заключалась в том, что ШМ является одной из структурных единиц линейной молнии. Схема эксперимента была простой. С клеммами мощной батареи напряжением несколько тысяч вольт соединялись два платиновых электрода. «Минус» погружался в раствор поваренной соли, и в момент соприкосновения «плюса» с поверхностью раствора на конце его возникал светящийся шарик. При увеличении тока шарик начинал расти и достигал радиуса нескольких сантиметров. По внешним признакам он был очень похож на ШМ, однако об автономном существовании не могло быть и речи: при выключении тока шарик просто «таял» в воздухе. (Интересно, что попутно со своим экспериментом Планте создал то, без чего не обходится ни один сегодняшний автомобиль: свинцово-кислотный аккумулятор.)
Сейчас о Планте мало кто помнит, хотя до сих пор именно идея его эксперимента в основном используется для получения лабораторной шаровой молнии. Как и прежде, исследователи имитируют разряд: замыкают электрическую цепь, содержащую конденсатор большой емкости, при этом возникает искра, играющая роль молнии.
Громовержцы
Заметных успехов в этом направлении добились петербургские ученые Института ядерной физики РАН им. Константинова Антон Егоров и Геннадий Шабанов. Их установка представляет собой модифицированную схему Планте. Геометрия электродов и способ разряда усовершенствованы, но принцип остался тот же. На дно наполненной водой емкости опускается заземленный электрод, выполненный в виде кольца и играющий роль анода. Катод на несколько миллиметров выступает из воды. Его поверхность изолирована от жидкости кварцевой трубкой. После замыкания цепи с катода вверх фонтаном устремляется струя плазмы. Через 0,08 секунды цепь размыкают, и струя, оторвавшаяся от электрода, превращается в светящийся шар, на первый взгляд – точную копию шаровой молнии: та же форма, размер и интенсивность свечения. Поднимаясь вертикально вверх, шар по прошествии 0,2 секунды начинает «таять», через 0,4 секунды оставляя после себя лишь вихрь нагретого воздуха. Добиться горизонтального полета и времени жизни более 1 секунды экспериментаторам пока еще не удалось.
Группа научных сотрудников физического факультета МГУ им. Ломоносова, работающая под руководством доктора физико-математических наук Рунара Кузьмина, для получения ШМ изготовила похожую установку, но в ней банка с водой заменена тонкой металлической проволокой (медной, никелевой или титановой) диаметром 5 мм, натянутой между электродами в пластиковой кювете, наполненной горючей смесью. При разряде конденсатора по проволоке протекает большой ток, она испаряется, что вызывает возгорание образовавшихся паров смеси. В итоге наблюдается нечто похожее на ШМ, которые, по рассказам очевидцев, иногда «выдуваются» из электрических розеток. Но в отличие от природной ШМ, искусственный светящийся сфероид, отрываясь от электродов, вскоре превращается в нечто напоминающее дымовые кольца курильщика. Это «нечто» существует до минуты, после чего его граница постепенно теряет четкость и оно рассеивается в воздухе. Так что с уверенностью назвать это ШМ трудно.
Прирученные ШМ
Удивительные свойства плазменных образований – светящихся шариков размером порядка 1 см, вылетающих из плазмотрона с испаряющимися стенками, были исследованы в Институте высоких температур РАН в лаборатории Анатолия Климова. Было обнаружено, что они способны прожигать металлическую пластинку, оставляя нетронутым лист бумаги, и поглощают радиоизлучение в широком диапазоне спектра. Более того, Климов показал, что если окружить поверхность летящего предмета плазмой, то сила его трения о воздух может заметно уменьшиться. Это наблюдение объясняет случаи движения шаровых молний с высокими скоростями и прохождения сквозь небольшие отверстия.
«Нужно четко представлять, что ты хочешь сделать, и пытаться получить это в эксперименте, – дает совет Анатолий Никитин. – Сейчас же в основном используют метод проб и ошибок: генерируют мощный разряд и надеются, что вылетит ШМ. Иногда объекты этих экспериментов интересны сами по себе, структура их до конца еще не исследована. Но делать выводы о природе ШМ на основании этих опытов я бы не стал».
Краткое досье
Шаровая молния – это обычно (в 90% наблюдений) объект сферической формы объемом около 1 дм3, иногда имеющий протяженный лентообразный «хвост» или множество «щупальцев». Однако, судя по рассказам летчиков, наблюдавших ее в высоких слоях атмосферы, объем ее может достигать и 1000 м3. Ее поверхность излучает видимый свет, эквивалентный свечению 100-ваттной лампочки, но в редких случаях наблюдаются и «темные» шаровые молнии. Цвет свечения может быть любым (и даже многократно меняться). Чаще всего поверхность молнии светится равномерно, однако из ряда сообщений следует, что ее излучение имело вид узкого луча
Электродинамическая модель
Согласно этой модели, ШМ состоит из двух частей: ядра, где сконцентрирована основная энергия, и оболочки, отделяющей ядро от атмосферы и препятствующей его расширению
Ядро находится в вакууме и состоит из динамического электрического конденсатора или их системы. Конденсатор представляет собой кольцо релятивистских (движущихся со скоростью, близкой к скорости света) электронов, вокруг которого по замкнутым орбитам движутся протоны. Круговое движение обеспечено действием взаимно перпендикулярных электрического и магнитного полей, создаваемых движением протонов. Чтобы магнитное поле было достаточно сильным, протонов должно быть больше электронов, поэтому ядро обладает избыточным положительным зарядом. Под действием неоднородного электрического поля, созданного зарядом ядра, оболочка (предположительно состоящая из воды) стремится уменьшить свой радиус. Сила, сжимающая оболочку толщиной 1 см при наличии внутри нее заряда около 0,1 Кл, может превышать силу атмосферного давления в 105 раз. Этой силе противодействует сила, вызываемая расширением энергетического ядра за счет движения протонов, их кулоновского расталкивания и взаимодействия магнитных полей движущихся зарядов. Время жизни такой системы оценивается в несколько минут, а плотность энергии 1010 Дж/м3. Подобная структура может образоваться вблизи изгиба канала линейной молнии. Там происходит столкновение воздушных потоков и образуется вихрь. На оси вихря существует область низкого давления, которая может стать эпицентром зарождения ШМ.
Модель униполярно заряженной молнии
При ударе линейной молнии образуется углубление, внутри которого происходит нагрев и расплавление материала
Давление резко возрастает, что приводит к выбросу расплавленного и заряженного молнией вещества или образованию пузыря. В итоге возникает униполярно заряженная структура – ШМ. Она может выглядеть как сгусток нитей, расплавленная сфера или пузырь. Величина напряженности электрического поля в 106–108 В/м на ее поверхности, определяемая плотностью зарядов, перешедших из молниевого разряда в расплав, достаточна, чтобы ионизовать ближайшие к поверхности слои воздуха и создать вокруг ШМ плазменную «шубу». На ее поверхности развивается разряд, который нагревает оболочку до воспламенения, что приводит к разрушению ее структуры. Горение объекта в воздухе может объяснить свечение ШМ. Взаимодействие заряда ШМ с грозовым электрическим полем определяет ее способность к левитации, а плазменная «шуба» во много раз улучшает аэродинамические свойства. Плотность энергии может достигать 109 Дж/м3. «ШМ бывает не только грозового происхождения, – считает Бычков. – Она может образоваться при землетрясении или извержении вулкана. При сдвиге друг относительно друга диэлектрических пластов земной коры возникает пьезоэффект, который рождает большие напряженности поля и большие токи. Температура и давление повышаются, происходит расплав вещества, которое затем выбрасывается на поверхность. Из него и может образоваться ШМ».
Модель Дайкхауса
При большой концентрации электронов, равной концентрации молекул в газе при атмосферном давлении (2,7*1019 см–3), законы взаимодействия между электронами диктует уже квантовая механика
Электроны в таких ситуациях не отталкиваются, происходит их объединение и образование спаренных электронов. Спаренные электроны образуют вихревые трубки радиусом 53,10-12 м (радиус атома Бора), вокруг них на расстоянии 10-7 м вращаются положительные ионы, удерживаемые на орбитах электростатическими силами. Получается некая коаксиальная трубка: ось образована вихревой нитью, а наружная стенка – вращающимися положительными ионами. При растягивании коаксиальных электронно-ионных трубок в сильном электрическом поле вблизи канала молнии происходит ускорение ионов и образование изгибов, что позволяет укладывать трубки в ограниченном объеме. Клубок из плотно уложенной коаксиальной трубки и есть ШМ. Источник столь высокой концентрации электронов – линейная молния, а место образования клубка – область смещения ее канала вбок. Основная часть энергии такой ШМ запасена в виде кинетической энергии ионов и сопоставима с величиной 1010 Дж/м3. «Как видно, эти теории отличаются, а кое в чем и противоречат друг другу, – подводит итог Анатолий Ильич. – Интуиция подсказывает мне, что истина представляет собой некий конгломерат существующих ныне гипотез. Поэтому не стоит категорически отвергать ту или иную модель, а нужно искать золотую середину».
Ответить с цитированием
Сообщение от Waxoyl
