Галилео что такое шаровая молния
Шаровая молния: оптическая иллюзия или явление природы?
До сих пор никто в точности не может ответить на вопрос, что же такое шаровая молния. Она остается одним из самых загадочных явлений природы.
Благодаря свидетелям необычного явления можно составить усредненный «портрет» шаровой молнии. Чаще всего она имеет форму шара, но рассказывают также о грушевидных, овальных и медузообразных молниях. Размер ее в большинстве случаев – от 5 до 30 сантиметров, время «жизни» обычно около 10 секунд, но иногда – более минуты; передвигается она со скоростью 0,5‑1 метр в секунду. Цвет – обычно красный, оранжевый или желтый, гораздо реже – голубой, белый или синий.
В помещение шаровая молния может проникнуть не только через открытое окно, дверь или дымоход: иногда она, деформируясь, просачивается в узкие щели или даже проходит сквозь стекло, не оставляя в нем никаких следов. Поведение шаровой молнии непредсказуемо. Иногда она просто исчезает, а в других случаях взрывается, порой принося значительный ущерб.
Как перемещается молния-загадка
Поведение шаровых молний непредсказуемо. Они относятся к явлениям, которые появляются когда хотят, где хотят и творят что хотят. Так, раньше считалось, что шаровые молнии рождаются только во время гроз и всегда сопровождают линейные (обычные) молнии. Однако постепенно выяснилось, что они могут появиться и в солнечную ясную погоду. Полагали, что молнии как бы «притягиваются» к местам высокого напряжения с магнитным полем – электрическим проводам. Но были зафиксированы случаи, когда они появлялись фактически посреди чистого поля.
Однако, несмотря на частые рассказы о травмированных или убитых шаровой молнией, число таких случаев при появлении шаровой молнии сравнительно невелико – всего 9 процентов. Чаще всего молния, покружив по местности, исчезает, не причинив никакого вреда. Если она появилась в доме, то обычно «просачивается» обратно на улицу и только там тает.
Кроме того, зафиксировано много необъяснимых случаев, когда шаровые молнии «привязываются» к какому‑то конкретному месту или человеку и появляются регулярно. При этом по отношению к человеку они делятся на два вида – те, которые нападают на него в каждое свое появление, и те, которые не причиняют вреда либо нападают на людей, находящихся поблизости.
Так что же это за диво?
На сегодняшний день существует более ста гипотез, претендующих на объяснение физической сути шаровой молнии. Однако ни одну из них не удается подтвердить с достаточной степенью надежности. Экзотическое поведение шаровой молнии дает простор для самых необузданных фантазий. Часто в описаниях очевидцев встречается отношение к молнии как к живому существу. Есть мнение, что молния является аналогом НЛО или существом из параллельного мира с непостижимым разумом и логикой.
Шаровая молния может наводить радиопомехи – это легко выявить, если недалеко от маршрута ее неторопливого движения имеется включенный радио- или телевизионный приемник. Нередки случаи, когда наблюдаемая шаровая молния аккуратно облетает находящиеся на пути предметы, пока не достигнет вполне конкретного и одной ей известного объекта.
Надо сказать, что синтезировать шаровую молнию пока не удалось. Тем не менее в появлении шаровых молний прослеживается явная связь с другими проявлениями атмосферного электричества (например, обычной молнией). Поэтому исследователи сначала пытались создать газовый разряд (а свечение газового разряда – вещь известная), а затем искали условия, когда светящийся разряд мог бы существовать в виде сферического тела.
Научная история вопроса
За историю человечества скопилось более 10 тысяч свидетельств о встречах с «разумными шарами». Однако до сих пор ученые не могут похвастать большими достижениями в сфере исследования этих объектов. Существует масса разрозненных теорий о происхождении и «жизни» шаровых молний. Время от времени в лабораторных условиях получается создать объекты, по виду и свойствам похожие на шаровые молнии, – плазмоиды. Тем не менее стройной картины и логичного объяснения этому явлению никто предоставить так и не смог.
Наиболее известной и разработанной раньше остальных является теория академика П. Л. Капицы, которая объясняет появление шаровых молний и некоторые их особенности возникновением коротковолновых электромагнитных колебаний в пространстве между грозовыми тучами и земной поверхностью.
Однако Капице так и не удалось объяснить природу тех самых коротковолновых колебаний. К тому же, как уже говорилось выше, шаровые молнии не обязательно сопровождают обычные молнии и могут появляться в ясную погоду. Тем не менее большинство других теорий основаны на выводах академика Капицы.
Отличная от теории Капицы гипотеза была создана Б. М. Смирновым, утверждающим, что ядро шаровой молнии – это ячеистая структура, обладающая прочным каркасом при малом весе, причем каркас создан из плазменных нитей.
Однако самой интересной считается теория новозеландских химиков Д. Абрахамсона и Д. Динниса. Они выяснили, что при ударе молнии в почву, содержащую силикаты и органический углерод, образуется клубок волокон кремния и карбида кремния. Эти волокна постепенно окисляются и начинают светиться. Так рождается «огненный» шар, разогретый до 1200‑1400° С, который медленно тает. Но если температура молнии зашкаливает, то она взрывается. Тем не менее и эта стройная теория не подтверждает все случаи возникновения молний.
Для официальной науки шаровая молния по‑прежнему продолжает оставаться загадкой. Может, поэтому вокруг нее появляется столько околонаучных теорий и еще большее количество вымыслов.
Альтернативные теории о шаровой молнии
Странное поведение позволяет многим исследователям этого феномена предположить, что молнии «мыслят». Как минимум шаровые молнии считаются приборами для исследования нашего мира. Как максимум – энергетическими сущностями, которые также собирают какие‑то сведения о нашей планете и ее обитателях. Косвенным подтверждением этих теорий может служить и тот факт, что любой сбор информации – это работа с энергией.
На сей факт наталкивает и необычное свойство шаровой молний – исчезать в одном месте и появляться мгновенно в другом. Есть предположения, что одна и та же шаровая молния «ныряет» в определенную часть пространства – иного измерения, живущего по другим физическим законам, – и, сбросив информацию, появляется снова в нашем мире в новой точке. Да и действия молний относительно живых существ нашей планеты тоже осмысленны – одних они не трогают, к другим «прикасаются», а у некоторых просто вырывают кусочки плоти, словно на генетический анализ.
Легко объяснимо и частое появление шаровых молний во время гроз. Во время всплесков энергии – электрических разрядов – открываются порталы из параллельного измерения, и в наш мир попадают их сборщики информации о нашем мире.
Рекомендации: что делать при встрече с шаровой молнией?
Главное правило при появлении шаровой молнии – будь то в квартире или на улице – не паниковать и не делать резких движений. Никуда не бегите! Молнии очень восприимчивы к завихрениям воздуха, которые мы создаем при беге и прочих движениях и которые тянут ее за собой. Оторваться от шаровой молнии можно только на машине, но никак не своим ходом.
Постарайтесь тихо свернуть с пути молнии и держаться дальше от нее, но не поворачиваться к ней спиной. Если вы находитесь в квартире – подойдите к окну и откройте форточку. С большой долей вероятности молния вылетит наружу.
И, конечно же, никогда ничего не бросайте в шаровую молнию! Она может не просто исчезнуть, а взорваться, как мина, и тогда тяжелые последствия (ожоги, травмы, иногда потеря сознания и остановка сердца) неотвратимы.
При поражении человека шаровой молнией пострадавшего следует перенести в сухое помещение со свежим воздухом, накрыть теплым одеялом, начать делать искусственное дыхание и немедленно вызвать скорую помощь.
Технические средства защиты от шаровых молний пока не разработаны.
Единственный «шаромолниеотвод» был разработан инженером Московского института теплотехники Б. Игнатовым. Он запатентован, но создано подобных устройств единицы и речи об их активном внедрении в жизнь пока не идет.
Шаровая молния — самое таинственное природное явление
Шаровой молнией называют сгусток энергии, плавающей в воздухе в виде светящегося шара. По сей день это явление остается одним из самых таинственных и неизученных. Правда, ученые регулярно заявляют о том, что им удалось выяснить природу шаровых молний и даже воссоздать их в лабораторных условиях. Но единой общепринятой теории их возникновения не существует. Связано это с тем, что каждое предположение имеет свое “пробелы”, то есть так или иначе противоречит имеющимся свидетельствам. А шаровые молнии, созданные в лабораторных условиях, по своим физическим свойствам отличаются от тех, что встречаются в природе. Поэтому вопрос данного явления остается открытым. Что о нем известно на сегодняшний день и к какой версии склоняются ученые? Предлагаем далее об этом поговорить.
Шаровая молния — самое загадочное природное явление, которое до сих пор не имеет общепринятого научного объяснения
Существуют ли шаровые молнии
Как бы это парадоксально не звучало, вплоть до 2012 года ученые вообще не были до конца уверены в существовании шаровых молний. Так Джозеф Пир и Александр Кендль из Университета Инсбрука предположили, что шаровые молнии — это ни что иное, как проявление фосфенов, то есть зрительный обман.
По мнению этих ученых причиной галлюцинаций становятся магнитные поля некоторых молний, которые действуют на нейроны зрительной коры. Фосфены, по их мнению, возникают в том случае, если человек находится ближе 100 метров от места удара молнии.
Разумеется, эта теория идет в разрез со словами очевидцев, которые описывали взрывы шаровых молний при столкновении с предметами, и даже показывали последствия таких взрывов. Тем, кому повезло меньше, сообщают о сильных ожогах, вызванных столкновением с таким шаром. Кроме того, были зафиксированы даже случаи летальных исходов. То есть шаровые молнии не менее опасны, чем линейные.
Но, не взирая на эти свидетельства, наука официально признала феномен существования шаровых молний только после того, как один из таких светящихся шаров оказался в поле зрения бесщелевых спектрометров. То есть существование этого явления было зафиксировано приборами. Кроме того, шаровые молнии неоднократно были зафиксированы на фото и видео.
Что такое шаровая молния
Если явление существует, то что оно собой представляет и как возникает? Самое распространенное мнение гласит, что шаровая молния имеет мощный электрический заряд энергии. То есть является молнией шарообразной формы, которая способна двигаться по непредсказуемой траектории, порой сильно удивляющей очевидцев.
По свидетельствам очевидцев, шаровые молнии возникают не только в грозу, но и ясную погоду.
Чаще всего явление появляется в грозу, однако также есть свидетельства о его возникновении в ясную погоду. Очевидцы отмечают, что светящийся шар способен “выходить” из проводников, к примеру, электропроводки. Также явление иногда возникает вследствие ударов линейных молний. Реже шары появляются в воздухе из неоткуда или выходят из предметов, которые не являются проводниками.
Шаровые молнии чаще возникают из проводников (металлических предметов).
Существует версия, что данное явление представляет собой крупную каплю жидкого атомарного водорода, который находится в возбужденном неустойчивом состоянии. Она возникает в результате электролиза воды под действием полей и токов грозовой молнии. Удельный вес этого вещества практически равен весу воздуха, что и позволяет молнии “плавать”. Но, как и все остальные версии — это лишь предположение.
Загадки шаровых молний
Шаровые молнии обладают рядом свойств, которые не в силах объяснить наука. Как уже было сказано выше, они движутся по непредсказуемой траектории и, вопреки распространенному мнению, порой даже против потока воздуха.
Также неизвестно какое вещество позволяет шаровым молниям проникать в помещение не только через окна или двери, но и сквозь узкие щели. После прохождение через них они вновь принимают шарообразную форму.
Последствия взрыва шаровой молнии, залетевшей в дом в Тернопольской области (Украина).
В одних ситуациях шаровые молнии при столкновении с предметами взрываются. В других же оставляют след или даже проходят сквозь предмет. При столкновении с человеком ШМ чаще всего вызывает ожоги, но иногда на теле возникают раны, словно на человека напал дикий зверь.
Узнать о других загадках природы, над которыми ломают голову ученые, вы можете на нашем Яндекс.Дзен-канале или прочитать материал о малоизвестных фактах о молниях.
Разгадали ли китайские ученые тайну шаровых молний?
На основе полученных данных они сделали вывод, что подтвердили гипотезу Джона Абрахамсона. Он считал, что в результате удара молнии в почву из нее быстро испаряются некоторые частицы, включая оксиды кремния и железа. Вместе с тем образовавшийся газ выбрасывается ударной волной в воздух, что и приводит к появлению шара. Однако, не все ученые соглашаются с этой версией.
По версии китайских ученых шаровая молния возникает при ударе линейной молнии в землю.
К примеру, российский ученый и специалист в области изучения шаровых молний Владимир Бычков считает, что китайцы выдают желаемое за действительное. Об этом говорит тот факт, что в составе молнии ими не было зафиксировано алюминия, который присутствует в почве.
Следите за новостями и последними научными открытиями на нашем Telegram-канале.
По его мнению, линейная молния ударила в ЛЭП, рядом с которой произошло событие. Это вызвало хорошо известное физике явление — дуговой разряд, который и зафиксировали китайские ученые. Как сказал Дмитрий Бычков, он не одинок в своем мнении. К примеру, журнал Nature, который пользуется высоким авторитетом в научном мире, отказался публиковать материал китайских исследователей.
Соответственно, в отличие от линейных молний, о которых ученым известно практически все, шаровые остаются загадкой. Причем количество вопросов со временем только растет.
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
Похожие записи
Открытие шаровой молнии
Как это нередко бывает, систематическое изучение шаровых молний началось с отрицания их существования: в начале XIX века все известные к тому времени разрозненные наблюдения были признаны либо мистикой, либо в лучшем случае оптической иллюзией.
Но уже в 1838 году в «Ежегоднике» французского бюро географических долгот был опубликован обзор, составленный знаменитым астрономом и физиком Домиником Франсуа Араго.
Впоследствии он стал инициатором опытов Физо и Фуко по измерению скорости света, а также работ, приведших Леверье к открытию Нептуна.
Основываясь на известных тогда описаниях шаровых молний, Араго пришел к выводу, что многие из этих наблюдений нельзя считать иллюзией.
За 137 лет, прошедших с момента выхода в свет обзора Араго, появились новые свидетельства очевидцев, фотографии. Были созданы десятки теорий, экстравагантных и остроумных, которые объясняли некоторые известные свойства шаровой молнии, и таких, которые не выдерживали элементарной критики.
Фарадей, Кельвин, Аррениус, советские физики Я. И. Френкель и П. Л. Капица, многие известные химики, наконец, специалисты американской Национальной комиссии по астронавтике и аэронавтике NASA пытались исследовать и объяснить этот интересный и грозный феномен. А шаровая молния и поныне продолжает во многом оставаться загадкой.
Трудно, наверное, найти явление, сведения о котором так противоречили бы друг другу. Основных причин две: это явление очень редкое, и многие наблюдения проводятся крайне не квалифицированно.
Достаточно сказать, что за шаровую молнию принимались крупные метеоры и даже птицы, к крыльям которых прилипала труха гнилых, светящихся в темноте пней. И все-таки известно около тысячи достоверных наблюдений шаровой молнии, описанных в литературе.
Природа шаровой молнии
Первое, что нужно объяснить: почему шаровая молния возникает часто, если она возникает часто, или почему она возникает редко, если она возникает редко?
Пусть читателя не удивляет эта странная фраза — частота появления шаровой молнии все еще является спорным вопросом.
И еще нужно объяснить, почему шаровая молния (не зря же она так называется) действительно имеет форму, обычно близкую к шару.
И доказать, что она, вообще, имеет отношение к молниям, — надо сказать, не все теории связывают появление этого феномена с грозами — и не без оснований: иногда она возникает в безоблачную погоду как, впрочем, и другие грозовые явления, например, огни святого Эльма.
Здесь уместно вспомнить описание встречи с шаровой молнией, данное замечательным наблюдателем природы и ученым Владимиром Клавдиевичем Арсеньевым — известным исследователем дальневосточной тайги. Встреча эта произошла в горах Сихотэ-Алиня в ясную лунную ночь. Хотя многие параметры наблюдавшейся Арсеньевым молнии типичны, подобные случаи редки: обычно шаровые молнии возникают в грозу.
Анализ второй части анкеты подтвердил многие известные ранее факты: шаровая молния имеет в среднем диаметр около 20 см; светится не очень ярко; цвет чаще всего красный, оранжевый, белый.
Интересно, что даже наблюдатели, видевшие шаровую молнию близко, часто не ощущали ее теплового излучения, хотя при непосредственном прикосновении она обжигает.
Существует такая молния от нескольких секунд до минуты; может проникать в помещения через маленькие отверстия, восстанавливая затем свою форму. Многие наблюдатели сообщают, что она выбрасывает какие-то искры и вращается.
Обычно она парит на небольшом расстоянии от земли, хотя встречали ее и в облаках. Иногда шаровая молния спокойно исчезает, но иногда взрывается, вызывая заметные разрушения.
Из какого вещества должна, например, состоять шаровая молния, если она не взлетает стремительно вверх, подобно воздушному шару братьев Монгольфье, наполненному дымом, хотя и нагрета, по крайней мере, до нескольких сотен градусов?
С температурой тоже не все ясно: судя по цвету свечения, температура молнии не меньше 8 000°К.
Один из наблюдателей, химик по специальности, знакомый с плазмой, оценил эту температуру в 13 000-16 000°К! Но фотометрование следа молнии, оставшегося на фотопленке, показало, что излучение выходит не только с ее поверхности, а и из всего объема.
Многие наблюдатели также сообщают, что молния полупрозрачна и через нее просвечивают контуры предметов. А это значит, что ее температура значительно ниже — не более 5 000 градусов, так как при большем нагреве слой газа толщиной в несколько сантиметров совершенно непрозрачен и излучает как абсолютно черное тело.
О том, что шаровая молния довольно «холодна», свидетельствует и сравнительно слабый тепловой эффект, производимый ею.
Шаровая молния несет большую энергию. В литературе, правда, часто встречаются заведомо завышенные оценки, но даже скромная реалистичная цифра — 105 джоулей — для молнии диаметром в 20 см весьма внушительна. Если бы такая энергия расходовалась только на световое излучение, она могла бы светиться много часов.
В частности, энергоемкость (энергия, отнесенная к единице массы) молнии значительно выше, чем у существующих химических аккумуляторов. Кстати, именно желание научиться аккумулировать сравнительно большую энергию в малом объеме и привлекло многих исследователей к изучению шаровой молнии. Насколько эти надежды могут оправдаться, говорить пока рано.
Сложность объяснения столь противоречивых и разнообразных свойств привела к тому, что существующие взгляды на природу этого явления исчерпали, кажется, все мыслимые возможности.
Некоторые ученые считают, что молния постоянно получает энергию извне. Например, П. Л. Капица предположил, что она возникает при поглощении мощного пучка дециметровых радиоволн, которые могут излучаться во время грозы.
Реально для образования ионизированного сгустка, каким является в этой гипотезе шаровая молния, необходимо существование стоячей волны электромагнитного излучения с очень большой напряженностью поля в пучностях.
Нужные условия могут осуществиться очень редко, так что, по мнению П. Л. Капицы, вероятность наблюдения шаровой молнии в заданном месте (то есть там, где расположился наблюдатель-специалист) практически равна нулю.
Иногда предполагают, что шаровая молния есть светящаяся часть канала, связывающего облако с землей, по которому течет большой ток. Образно говоря, ей отводится роль единственного видимого участка по каким-то причинам невидимой линейной молнии. Впервые эта гипотеза была высказана американцами М. Юманом и О. Финкельштейном, а в дальнейшем появилось несколько модификаций разработанной ими теории.
Общая трудность всех этих теорий в том, что они предполагают существование в течение длительного времени потоков энергии чрезвычайно высокой плотности и именно из-за этого обрекают шаровую молнию на «должность» чрезвычайно маловероятного явления.
Кроме того, в теории Юмана и Финкельштейна сложно объяснить форму молнии и ее наблюдаемые размеры — диаметр канала молнии обычно составляет около 3—5 см, а шаровые молнии встречаются и метрового диаметра.
Существует довольно много гипотез, предполагающих, что шаровая молния сама является источником энергии. Придуманы самые экзотические механизмы извлечения этой энергии.
В качестве примера такой экзотики можно привести идею Д. Эшби и К. Уайтхеда, согласно которой шаровая молния образуется при аннигиляции пылинок антивещества, попадающих в плотные слои атмосферы из космоса, а затем увлекаемых разрядом линейной молнии на землю.
Эту идею, может быть, можно было бы подкрепить теоретически, но, к сожалению, пока ни одной подходящей частицы антивещества обнаружено не было.
Чаще всего в качестве гипотетического источника энергии привлекаются различные химические и даже ядерные реакции. Но при этом трудно объяснить шаровую форму молнии — если реакции идут в газообразной среде, то диффузия и ветер приведут к выносу «грозового вещества» (термин Араго) из двадцатисантиметрового шара за считанные секунды и еще раньше деформируют его.
Наконец, нет ни одной реакции, о которой было бы известно, что она протекает в воздухе с нужным для объяснения шаровой молнии энерговыделением.
Многократно высказывалась такая точка зрения: шаровая молния аккумулирует энергию, выделяемую при ударе линейной молнии. Теорий, в основе которых лежит это предположение тоже немало, подробный обзор их можно найти в популярной книге С. Сингера «Природа шаровой молнии».
Эти теории, как, впрочем, и многие другие, содержат трудности и противоречия, которым уделено немалое внимание и в серьезной и в популярной литературе.
Кластерная гипотеза шаровой молнии
Начнем с вопроса, почему же молния имеет форму шара? В общем виде ответить на этот вопрос несложно — должна существовать сила, способная удержать вместе частицы «грозового вещества».
Почему капля воды шарообразна? Такую форму придает ей поверхностное натяжение.
Поверхностное натяжение жидкости возникает из-за того, что ее частицы — атомы или молекулы — сильно взаимодействуют между собой, гораздо сильнее, чем с молекулами окружающего газа.
Поэтому, если частица оказывается вблизи границы раздела, то на нее начинает действовать сила, стремящаяся вернуть молекулу в глубину жидкости.
Средняя кинетическая энергия частиц жидкости примерно равна средней энергии их взаимодействия, поэтому молекулы жидкости и не разлетаются. В газах же кинетическая энергия частиц настолько превышает потенциальную энергию взаимодействия, что частицы оказываются практически свободными и о поверхностном натяжении говорить не приходится.
Но шаровая молния — газоподобное тело, а поверхностное натяжение у «грозового вещества», тем не менее, есть — отсюда и форма шара, которую чаще всего она имеет. Единственное вещество, которое могло бы иметь такие свойства — плазма, ионизированный газ.
Плазма состоит из положительных и отрицательных ионов и свободных электронов, то есть из частиц электрически заряженных. Энергия взаимодействия между ними гораздо больше, чем между атомами нейтрального газа, больше соответственно и поверхностное натяжение.
Однако при сравнительно низких температурах — скажем, при 1 000 градусов Кельвина — и при нормальном атмосферном давлении шаровая молния из плазмы могла бы существовать только тысячные доли секунды, так как ионы быстро рекомбинируют, то есть превращаются в нейтральные атомы и молекулы.
Это противоречит наблюдениям — шаровая молния живет дольше. При высоких температурах — 10-15 тысяч градусов — слишком большой становится кинетическая энергия частиц, и шаровая молния должна просто развалиться. Поэтому исследователям приходится использовать сильнодействующие средства, чтобы «продлить жизнь» шаровой молнии, сохранить ее хотя бы несколько десятков секунд.
В частности, П. Л. Капица ввел в свою модель мощную электромагнитную волну, способную постоянно порождать новую низкотемпературную плазму. Другим же исследователям, предполагающим, что молниевая плазма более горячая, пришлось придумывать, как бы удержать шар из этой плазмы, то есть решать задачу до сих пор не решенную, хотя и очень важную для многих областей физики и техники.
А что если пойти по другому пути — ввести в модель механизм, замедляющий рекомбинацию ионов? Попробуем использовать для этой цели воду. Вода — полярный растворитель. Ее молекулу можно грубо представить себе как палочку, один конец которой заряжен положительно, а другой — отрицательно.
К положительным ионам вода присоединяется отрицательным концом, а к отрицательным — положительным, образуя защитную прослойку — сольватную оболочку. Она может резко замедлить рекомбинацию. Ион вместе с сольватной оболочкой называется кластером.
Вот мы и подошли, наконец, к основным идеям кластерной теории: при разрядке линейной молнии происходит практически полная ионизация молекул, входящих в состав воздуха, в том числе и молекул воды.
Образовавшиеся ионы начинают быстро рекомбинировать, эта стадия занимает тысячные доли секунды. В какой-то момент нейтральных молекул воды становится больше, чем оставшихся ионов, и начинается процесс образования кластеров.
Он тоже длится, видимо, доли секунды и заканчивается образованием «грозового вещества» — похожего по своим свойствам на плазму и состоящего из ионизированных молекул воздуха и воды, окруженных сольватными оболочками.
Правда, пока все это только идея, и нужно посмотреть, может ли она объяснить многочисленные известные свойства шаровой молнии. Вспомним известную поговорку о том, что для рагу из зайца как минимум нужен заяц, и зададим себе вопрос: могут ли образовываться в воздухе кластеры? Ответ утешительный: да, могут.
В кластерной теории предполагается, что температура шаровой молнии меньше 1000°К, поэтому от нее нет сильного теплового излучения. Электроны при такой температуре легко «прилипают» к атомам, образуя отрицательные ионы, и все свойства «молниевого вещества» определяются кластерами.
При этом плотность вещества молнии оказывается примерно равной плотности воздуха при нормальных атмосферных условиях, то есть молния может быть несколько тяжелее воздуха и опускаться вниз, может быть несколько легче воздуха и подниматься и, наконец, может находиться во взвешенном состоянии, если плотности «молниевого вещества» и воздуха равны.
Все эти случаи наблюдались в природе. Кстати, то, что молния опускается вниз, еще не значит, что она упадет на землю — прогрев под собой воздух, она может создать воздушную подушку, удерживающую ее на весу. Очевидно, поэтому парение — самый распространенный вид движения шаровой молнии.
Кластеры взаимодействуют между собой значительно сильнее, чем атомы нейтрального газа. Оценки показали, что возникающего поверхностного натяжения вполне достаточно, чтобы придать молнии шаровую форму.
Допустимое отклонение плотности быстро убывает с увеличением радиуса молнии. Так как вероятность точного совпадения плотности воздуха и вещества молнии мала, крупные молнии — больше метра в диаметре — встречаются крайне редко, маленькие же должны появляться чаще.
Но молнии размером меньше трех сантиметров тоже практически не наблюдаются. Почему? Для ответа на этот вопрос необходимо рассмотреть энергетический баланс шаровой молнии, выяснить, где в ней хранится энергия, сколько ее и на что она расходуется. Энергия шаровой молнии заключена, естественно, в кластерах. При рекомбинации отрицательного и положительного кластеров выделяется энергия от 2 до 10 электрон-вольт.
Обычно плазма теряет довольно много энергии в виде электромагнитного излучения — его появление связано с тем, что легкие электроны, двигаясь в поле ионов, приобретают очень большие ускорения.
Вещество молнии состоит из тяжелых частиц, ускорить их не так-то просто, поэтому электромагнитное поле излучается слабо и большая часть энергии выводится из молнии тепловым потоком с ее поверхности.
Тепловой поток пропорционален площади поверхности шаровой молнии, а запас энергии пропорционален объему. Поэтому маленькие молнии быстро теряют свои сравнительно небольшие запасы энергии, и, хотя они появляются гораздо чаще крупных, заметить их труднее: они слишком мало живут.
Так, молния диаметром в 1 см остывает за 0,25 секунд, а диаметром 20 см за 100 секунд. Эта последняя цифра примерно совпадает с максимальным наблюдаемым временем жизни шаровой молнии, но существенно превосходит среднее время ее жизни, равное нескольким секундам.
Наиболее реальный механизм «умирания» крупной молнии связан с потерей устойчивости ее границы. При рекомбинации пары кластеров образуется десяток легких частиц, что приводит при той же температуре к уменьшению плотности «грозового вещества» и нарушению условий существования молнии задолго до того, как исчерпается ее энергия.
Начинает развиваться поверхностная неустойчивость, молния выбрасывает куски своего вещества и как бы прыгает из стороны в сторону. Выброшенные куски почти мгновенно остывают, подобно маленьким молниям, и раздробленная большая молния заканчивает свое существование.
Почему светится шаровая молния
При рекомбинации кластеров выделившееся тепло быстро распределяется между более холодными молекулами.
Но на какой-то момент температура «объемчика» вблизи рекомбинировавших частиц может превышать среднюю температуру вещества молнии более чем в 10 раз.
Вот этот «объемчик» и светится как газ, нагретый до 10 000-15 000 градусов. Таких «горячих точек» сравнительно мало, поэтому вещество шаровой молнии остается полупрозрачным.
Ясно, что с точки зрения кластерной теории шаровые молнии могут появляться часто. Для образования молнии диаметром в 20 см нужно всего несколько граммов воды, а ее во время грозы обычно предостаточно. Вода чаще всего распылена в воздухе, ну а в крайнем случае шаровая молния может «найти» ее для себя на поверхности земли.
Кстати, так как электроны очень подвижны, то при образовании молнии часть их может «потеряться», шаровая молния в целом окажется заряженной (положительно), и ее движение будет определяться распределением электрического поля.
Остаточный электрический заряд позволяет объяснить такие интересные свойства шаровой молнии, как ее способность двигаться против ветра, притягиваться к предметам и висеть над высокими местами.
Цвет шаровой молнии определяется не только энергией сольватных оболочек и температурой горячих «объемчиков», но и химическим составом ее вещества. Известно, что если при попадании линейной молнии в медные провода появляется шаровая молния, то она часто бывает окрашена в голубой или зеленый цвет — обычные «цвета» ионов меди.
Вполне возможно, что и возбужденные атомы металлов тоже могут образовывать кластеры. Появлением таких «металлических» кластеров можно было бы объяснить некоторые эксперименты с электрическими разрядами в результате которых появлялись светящиеся шары, похожие на шаровую молнию.
Из сказанного может создаться впечатление, что благодаря кластерной теории проблема шаровой молнии получила, наконец, свое окончательное разрешение. Но это не совсем так.
Несмотря на то что за кластерной теорией стоят вычисления, гидродинамические расчеты устойчивости, с её помощью удалось, по-видимому, понять многие свойства шаровых молний, было бы ошибкой сказать, что загадки шаровой молнии больше не существует.
В подтверждение один лишь штрих, одна деталь. В своем рассказе В. К. Арсеньев упоминает о тоненьком хвостике, протянувшемся от шаровой молнии. Пока мы не можем объяснить ни причину его возникновения, ни даже что это такое…
Как уже говорилось, в литературе описано около тысячи достоверных наблюдений шаровой молнии. Это конечно, не очень много. Очевидно, что каждое новое наблюдение при тщательном его анализе позволяет получить интересную информацию о свойствах шаровой молнии, помогает в проверке справедливости той или иной теории.
Поэтому очень важно, чтобы как можно больше наблюдений стало достоянием исследователей и сами наблюдатели активно участвовали в изучении шаровой молнии. Именно на это направлен эксперимент «Шаровая молния», о котором будет рассказано дальше.