Физика в вопросах и ответах
 
ВОПРОС: Почему шаровая молния отличается от других молний?

ОТВЕТ: Обычная молния - это разновидность искрового электрического разряда. Она образуется под действием высокого напряжения между различными частями облака или облаком и землей. В отсутствие электрического поля в воздухе практически отсутствуют свободные электроны и ионы. Если величина электрического поля превышает определенный порог (для сухого воздуха этот порог около 3000000 В/м), то одиночные электроны успевают между столкновениями с атомами приобрести энергию в несколько электрон-Вольт, которая достаточна для ионизации молекул кислорода и азота. В результате газ ионизуется и появляются новые свободные электроны. (Отсюда можно оценить длину пробега электрона в воздухе как несколько микрон). Эти электроны, в свою очередь, разгоняются и рождают другие электроны - количество электронов лавинообразно нарастает.

Ионизованный газ проводит электрический ток - это и есть искра или молния. Часть электронов захватывается положительными ионами, превращая их в атомы. Свечение молнии связано с излучением света при переходах электронов между возбужденными состояниями атома и основным состоянием или между различными возбужденными состояниями. Быстрый нагрев газа приводит к его расширению и, в результате, к звуковой волне - грому. Поскольку различные части молнии расположены на разном удалении от наблюдателя, звук от разных частей молнии приходит неодновременно. Молния имеет изломанную форму - те части, которые приблизительно перпендикулярны направлению на наблюдателя, дают звук, приходящий одновременно к наблюдателю - это "раскаты" грома.

Что касается шаровой молнии, то ее природа до сих пор остается загадкой. В отличие от искровой молнии, которая имеет малую временную продолжительность, шаровая молния существует несколько секунд или минут. Внешне она представляет из себя светящийся шар, который может перемещаться, иногда огибает предметы, иногда внезапно "взрывается".

Шаровая молния - явление очень своеобразное. Однако, несмотря на свою обособленность, несмотря на то, что это явление пока еще не до конца понято и объяснено наукой - не стоит относиться к нему как к чему-то сверхъординарному, а тем более, сверхъестественному. Да, это явление - до конца не изученное, но очень активно изучаемое. Таких явлений много, самых различных, именно они составляют передний край науки. На сегодняшний день уже ясно, что шаровая молния - просто очень красивое атмосферное явление, проявление атмосферного электричества, и для его объяснения не потребуется привлекать никаких кардинально новых физических концепций.

Можно с уверенностью сказать, что основной камень преткновения в этих исследованиях - это отсутствие надежной методики воспроизводимого получения шаровой молнии в контролируемых лабораторных условиях. Если бы это было достигнуто, задача была бы практически решена: благодаря современным экспериментальным методам исследования "тайна" шаровой молнии была бы "препарирована" и вскрыта за несколько лет. Однако то, что сейчас дают эксперименты - это лишь нечто, отдаленно напоминающее шаровую молнию. И изучая это "нечто", экспериментаторы пока не могут сказать, изучают ли они саму шаровую молнию или какое-то другое, слегка похожее на нее явление. Именно такое состояние дел в эксперименте и позволяет теоретикам выдвигать совершенно разные (а иногда и самые фантастические) гипотезы и теории о природе шаровой молнии. Этот "плюрализм", подстегнутый вечным интересом масс-медиа ко всему непонятому, порой и заставляет случайного читателя видеть в шаровой молнии некое "паранормальное явление". Чем она, конечно же, не является.

Прежде, чем разговаривать о природе шаровой молнии, выясним, что о ней, собственно, известно. В нашем случае вся информация - это сообщения очевидцев и лишь в редких случаях - фото- или киноматериалы. Это сразу же ставит проблему: насколько достоверны рассказы? Может быть, люди выдают желаемое за действительное? Здесь нам помогает то, что шаровая молния - явление все-таки достаточно частое, поэтому такой скепсис может относиться к какому-либо конкретному свидетельству, но не к явлению вообще. Другими словами, опираясь на статистически усредненные параметры, мы, в самом деле, может исследовать шаровую молнию как физическое явление.

Рассказам очевидцев о наблюдении шаровой молнии - более двух тысяч лет. Первое статистическое исследование этих сообщений было проведено французом Ф.Араго 150 лет назад. В его книге были описаны и проанализированы 30 случаев наблюдения шаровых молний. Статистика небольшая, и неудивительно, что многие физики прошлого века, включая Кельвина и Фарадея, были склонны считать, что это или оптическая иллюзия, или явление совершенно иной, неэлектрической природы. Однако с тех пор количество и качество сообщений возросло; сейчас задокументировано уже около 10 тысяч случаев наблюдения шаровой молнии.

Основные свойства шаровых молний таковы:

  • Появление. Практически всегда шаровая молния появляется в грозовую, штормовую погоду; зачастую, но не обязательно, в сопровождении 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.
  • Особенности поведения. Чаще всего она движется горизонтально, приблизительно в метре над землей, довольно хаотично. Имеет тенденцию "заходить" в помещения, протискиваясь при этом сквозь маленькие отверстия. Часто шаровая молния сопровождается звуковыми эффектами - треском, писком, шумами. Наводит радиопомехи.
  • Исчезновение. Шаровая молния существует 10-100 секунд, после чего обычно взрывается. Изредка она медленно гаснет или распадается на отдельные фрагменты. 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 шаровых молний варьируется от сантиметров до метра. Форма в подавляющем большинстве случаев сферическая, однако, есть сообщения о наблюдении и вытянутых, дискообразных, грушевидных шаровых молний.
  • Свечение и цвет. Типичная суммарная мощность излучения - порядка 100 Вт, иногда тусклее, иногда ярче. Цвет - самый разный, начиная от белого и желтого, заканчивая зеленым. Часто отмечалась пятнистость свечения.
Неоднократно предпринимались попытки лабораторного воспроизведения шаровой молнии. Надо признать, что речь идет пока только о попытках, - нет ни одного случая искусственного получения "настоящей" шаровой молнии в лабораторных условиях.

Прежде всего, поскольку в появлении шаровых молний прослеживается явная связь между 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 существовать в виде сферического тела

Первыми такими попытками можно считать опыты Тесла в конце 19 века. В своей краткой заметке он сообщает, что при определенных условиях, зажигая газовый разряд, он, после выключения напряжения, наблюдал сферический светящийся разряд диаметром 2 - 6 см. Однако Тесла не сообщает детали своего эксперимента, так что его воспроизведение крайне затруднительно.

Первые детальные исследования сферического светящегося разряда были проведены только в 1942 году Бабатом - ему удалось на несколько секунд получить сферический газовый разряд внутри камеры с низким давлением. Затем бьли опыты П.Л.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 - несмотря на многократное увеличение усилий - ситуация так и не изменилась. Исследователи могли получать кратковременные газовые разряды сферической формы, жившие максимум несколько секунд. Является ли это аналогом шаровой молнии? И можно ли таким способом получить искусственную шаровую молнию, которая бы обладала всеми основными свойствами наблюдаемых в природе шаровых молний? Ответ - увы! - пока неизвестен.

Отметим, что доподлинно известно про свойства шаровой молнии, свойства, которые непосредственно следуют из наблюдения. Во-первых, шаровая молния как-то связана с электричеством, и причем, с электричеством в газах. В процессе ее зарождения или жизни крайне важно сильное электрическое поле и 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 градусов газ уже переходит в состояние плазмы. Наконец, ясно, что шаровая молния - это не устойчивая, а метастабильная система. То есть, это распад плазменного сгустка, но только почему-то крайне замедленный.

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, которые с разной степенью удачи описывают явление и отвечают на эти вопросы. Число таких теоретических моделей - если считать только предложения, опубликованные в серьезных научных журналах - составляет десятки.

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.

Ссылки:

[1] B.M.Smirnov, Physics Reports, 224 (1993) 151.
[2] D.J.Turner, Physics Reports 293 (1998) 1.
[3] http://www-bprc.mps.ohio-state.edu/~bdaye/balligh.html
http://www.sciam.com/askexpert/physics/physics30.html
http://www.eskimo.com/~billb/tesla/ballgtn.html
http://www.ecsel.psu.edu/~mberdine/ - страницы, посвященные изучению шаровых молний.


[ Предыдущий вопрос    Оглавление     Следующий вопрос


vlad@ssl.nsu.ru