Шаровая молния

Шаровая молния

(источник)

Любительская съёмка шаровой молнии.

Шарова́я мо́лния — светящийся сгусток горячего ионизованногогаза, изредка появляющийся в грозовых погодных условиях.

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.

Статистика наблюдений

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.

Отметим, что наблюдение чаще всего доступно жителям сельской местности, много времени проводящим на свежем воздухе и не всегда имеющим возможность быстро укрыться от непогоды. Городские жители могут не увидеть шаровой молнии за всю жизнь ни разу, а сельские — насчитают десятки наблюдений.

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

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 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 и форма

Размер (диаметр) шаровых молний варьирует 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 тусклее, иногда ярче. Цвет — начиная от белого и жёлтого, заканчивая зелёным. Часто отмечалась пятнистость свечения.

Попытки лабораторного воспроизведения

Получение светящегося сгустка плазмы при разряде в воде

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 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.

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 описана схема установки, на которой авторы воспроизводимо получали некие плазмоиды со временем жизни до 1 секунды, похожие на «природную» шаровую молнию. Впрочем, для окончательных выводов требуются независимые проверки других исследовательских групп.

Природа шаровой молнии и попытки теоретического объяснения

Свойства шаровой молнии

Непосредственно из наблюдений следуют такие свойства шаровой молнии:

• Во-первых, шаровая молния как-то 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 возможно 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

Даже если считать только предложения, 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 Петра Леонидовича Капицы: 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 двигается вдоль проводящих поверхностей. Стоячая волна тогда отвечает за энергетическую подпитку шаровой молнии.

Принципиально другую гипотезу предлагает Б. М. Смирнов, 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, 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 чёткий ответ на загадку шаровой молнии.

Пермский физик Сергей Федосин представил электрон-ионную модель шаровой молнии. Согласно этой модели, шаровая молния есть сгусток очень горячего ионизированного воздуха с общим положительным зарядом, оболочка которого состоит из быстро вращающихся электронов с суммарным током до 1,4•10⁵ А. Целостность молнии поддерживается балансом электромагнитных сил, действующих между зарядами. Положительные ионы внутри молнии распределены свободно вследствие сферической симметрии, и притягивают к себе электроны оболочки, удерживая их от разлёта.

Электронные токи в оболочке создают сильное магнитное поле внутри молнии. Эти токи перпендикулярны оси вращения, к полюсам диаметр вращения уменьшается, магнитное поле растёт. Это удерживает положительные ионы от разлёта вдоль оси вращения за счёт эффекта магнитной бутылки. Основное магнитное поле внутри молнии направлено вдоль оси вращения. То есть ионы могут двигаться вдоль оси вдоль линий магнитного поля. С другой стороны, ионы вращаются по окружности перпендикулярно оси под действием силы Лоренца соответственно своей тепловой скорости. В результате на некотором расстоянии от оси молнии возникает пересечение двух потоков ионов, которое наблюдается как светящиеся оболочки внутри молнии. Излучение от оболочек возникает от трения и рекомбинации пересекающихся потоков ионов.

Теория предсказывает максимальный диаметр шаровой молнии 34 см. При большем размере суммарный заряд молнии, имеющий положительный знак, растёт до величины 10 ⁻⁵ Кл и возникает электрический пробой воздуха вблизи молнии. Энергия молнии в этом случае достигает 10,6 КДж. Благодаря своему заряду шаровая молния не всплывает под действием силы Архимеда, а удерживается электрической силой от наведённого заряда на Земле. Формула для максимального радиуса шаровой молнии имеет вид: $$r = \frac{m c^2 }{q E_{0}},$$

где m, q есть масса и заряд электрона, E₀ =30 кВ/см есть напряжённость электрического поля шаровой молнии, приводящая к электрическому пробою воздуха, с — скорость света. В сыром воздухе максимальная напряжённость поля становится меньше, что позволяет шаровой молнии иметь размеры более 34 см. То, что шаровая молния действительно состоит из положительно заряженных ионов и отрицательно заряженной оболочки, подтверждено исследованиями в Петербургском институте ядерной физики. Подтверждается также наличие у молнии нескомпенсированного электрического заряда.

Одной из теорий, предлагающей способ создания необычного состояния вещества, способного аккумулировать и сохранять значительное время энергию, является предположение, что шаровая молния — это ридберговское вещество. 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 ряд её 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

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.

Интересные факты

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

Ссылки

• Шаровая молния в Циклопедии
• Шаровая молния (фотографии, рисунки, видео, рассказы очевидцев)
• Ricky Polser наблюдает шаровую молнию на записи камеры наблюдения возле своего дома.
• Обзор публикаций наблюдений
• В. С. Щербак. Энергия шаровой молнии. Уникальные свойства релятивистского магнитного ротатора
• 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.
• Федосин С. Г., Ким А. С. Физическая теория шаровой молнии. Прикладная физика, №. 1, 2001, С. 69 — 87.
• Sergey G. Fedosin, Anatolii S. Kim. The Physical Theory of Ball Lightning.
• 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. 200с.
• Алеманов С. Б. Электродинамическая теория шаровой молнии