Загадки шаровой молнии

Люди замечали еще с давних времён, что во время грозы в воздухе  появляются светящиеся шаровидные образования.  Эти образования и были названы шаровыми молниями.  Очень важной особенностью шаровой молнии является её автономность - она не  «привязана» к проводникам  или каким - либо  другим  телам  и может свободно перемещаться в пространстве, сохраняя форму, цвет и размеры.  Похожие образования, хотя и значительно реже, наблюдали  иногда  и без грозы. Размеры и особенно время жизни  шаровых молний варьируются в широких пределах, отчасти из-за неизбежных ошибок  наблюдения.  Движения их очень разнообразны и кажутся весьма необычными  для тел соответствующего размера. Они могут парить в воздухе, двигаться горизонтально,  огибая предметы, но иногда притягиваются к предметам  и могут «прилипать»  к ним  или двигаться вдоль них  (например, вдоль электрических проводов).

Одно из самых таинственных и коварных свойств шаровой молнии состоит в том, что она часто оказывается в закрытых помещениях, проникая туда  через  узкие  отверстия  меньше её диаметра. Наконец, нужно отметить,  что шаровая молния обладает энергией.  На это указывает как её свечение, так и взрыв, которым  довольно часто завершается  это явление. В других случаях она может распасться или погаснуть без взрыва, что происходит на первый взгляд, без каких - либо внешних причин,  спонтанно и совершенно неожиданно для наблюдателя.

Шаровая молния очень мало напоминает  хорошо известные в повседневной жизни явления, в том числе  и обычную (линейную) молнию. Она излучает свет, как нагретое тело, но в тоже время почти совершенно не излучает тепло. Её движение почти не связано с силой тяготения, которая обычно определяет перемещение окружающих нас  тел. В  то же время, если она представляет собой нагретый излучающий газ, почему же она не поднимается   в окружающем её холодным воздухе?

Шаровая молния сильно  отличается от обычных газов и в другом отношении: она не занимает весь предоставленный ей объем и не смешивается с воздухом. Большинство наблюдателей говорят о четкой (хотя и не всегда гладкой) границе, отделяющей шаровую молнию от окружающей атмосферы, которая сохраняется в течение всего времени жизни молнии, доходящего  иногда до  1 мин и более. Движение шаровой молнии также не приводит к размыванию этой границы и к размешиванию  вещества молнии в воздухе, несмотря на то, что за время жизни она может проходить большое расстояние. Её поведение, таким образом, существенно отличается  от хорошо известного нам поведения нагретых газов,  дыма  или газообразных продуктов сгорания.

Далее возникает вопрос, в какой форме запасена энергия  шаровой молнии?  Из неоднократно проведенных расчетов скорости  остывания следует, что воздух соответствующего объема, нагретый до высокой температур, охлаждается  за время, значительно меньшее времени жизни шаровой молнии. Кроме того, шаровая молния, как правило, сохраняет приблизительно постоянную яркость в течение всего времени жизни, что не имело бы места при охлаждении нагретого  вещества.

  Если шаровая молния состоит из заряженных  частиц,  то в отсутствии притока  энергии из вне, эти частицы должны рекомбинировать  и быстро передать  выделившееся при этом тепло окружающей атмосфере.  Так после прекращения тока, канал линейной молнии охлаждается и исчезает за время порядка нескольких миллисекунд.  

Насколько часто она появляется?

Обычно принято считать, что шаровая молния - явление редкое. Подавляющее большинство людей,  за свою жизнь может наблюдать  много разрядов обычной молнии, так и не увидев  ни разу  шаровой  молнии. Однако при более  тщательном  рассмотрении вопрос  оказывается не столь простым. Прежде всего надо различать частоту наблюдения и объективную частоту появления молнии. Многие  виды животных, отнюдь  не редкие в местах  своего обитания, казались редкими только потому, что жили в труднодоступных  районах или вели скрытый образ жизни. Совершенно иная ситуация имеет место при возникновении четочной  молнии, условия наблюдения которой такие же, как и линейной. Поскольку, не смотря на это, её наблюдали  реже, чем шаровую молнию  становится ясно, что  наблюдение  шаровой молнии действительно представляет собой довольно редкое явление.

Если, как часто считают, шаровая молния образуется  при разряде линейной молнии, то можно значительно увеличить вероятность её наблюдения.  Для этого достаточно  организовать регулярное  наблюдение за теми объектами, которые часто поражает линейная молния (высотные шпили, телевизионные вышки, опоры линий  электропередачи и др.) Частота попадания  линейной молнии в Останкинскую башню составляет  несколько десятков случаев в год. При этом, конечно, необходимо  допустить, что попадание молнии в башню  не исключает по тем или иным причинам появление шаровой молнии. Кроме того, нужно  применять  соответствующую аппаратуру, поскольку, если, учесть большую высоту башни, угловой размер  шаровой молнии (при наблюдении с земли) будет очень мал, а яркость её ничтожна  по сравнению  с яркостью канала линейной  молнии.

Гроза и шаровая молния

Дело  в том, что она   может появляться и без грозы. Наблюдение  убедительно показывают, что появление шаровых молний  хорошо  коррелируют с грозовой активностью. Небольшое число случаев, приходящихся  на осенние и зимние месяцы, а также на начало весны, вполне можно объяснить  тем, что  грозовая деятельность  не прекращается полностью зимой, о чём свидетельствуют, например, зимние грозы.

Итак, для появления шаровых молний  требуется, видимо, достаточно высокая интенсивность гроз. Возникает  резонный  вопрос: насколько шаровые молнии, которые наблюдаются в ясную погоду, по  своим свойствам  аналогичны  «типичным» шаровым молниям?  Забегая вперёд, отметим, что существенных различий  между шаровыми молниями обнаружить не удалось. В итоге мы пришли к заключению, что шаровая молния  скорее связана с грозовой активностью, чем непосредственно с грозой.

Время жизни

Большинство людей наблюдавших шаровую молнию не видят либо  момента возникновения  её, либо момента гибели, либо ни  того, ни другого. Поэтому  время наблюдения  шаровой молнии даёт лишь приблизительное представление  о времени её жизни. Положение осложняется еще и тем, что при оценке длительности явления, как правило, приходится пользоваться  не показаниями часов, а субъективным чувством времени  наблюдателя. В таких условиях  особое значение приобретает сравнение больших  серий наблюдений, выполненных  в разных местах, например  в разных странах. Судя по имеющимся фактам, длительность  наблюдения шаровой молнии  не отличается значительно от средней длительности её жизни. После многолетних наблюдений ученые пришли к промежуточным выводам: существует две группы молний, одну из которых условно назвали коротко живущих с периодом полураспада  7,5с, а вторую - долго живущей  с периодом полураспада  40с. Обе группы были представлены в наблюдениях примерно в одинаковых количествах: короткоживущие - 57%, долгоживущие -43%.

Форма и размеры       

По опросам, проведенным у очевидцев видевших шаровую молнию, она имеет несколько форм.  Ответы  распределились следующим образом:

Шар...............................................89.7%

Эллипсоид..................................5.9%

Грушевидная  форма...............2.4%

Неправильная форма..............1.6% 

Кроме того, в двух случаях была указана кольцеобразная форма, в одном - диск, и в другом - цилиндр, что составляет в сумме 0.5%.

Размеры шаровых молний варьируются от двух сантиметров в диаметре до одного метра.

Характер движения               

Несмотря на то,  что различные наблюдатели обычно не имеют разногласий при определении  траектории шаровой молнии, движения её кажутся странными  и трудно поддаются описанию. Уже сам факт свободного перемещения в пространстве, отсутствие связи с проводниками, по которым может подводиться энергия, вызывает  естественное удивление очевидцев.  Рассмотрим сначала самые общие характеристики движения. Из результатов опроса, следует,  что неподвижные (точнее,  молнии, прошедшие за время наблюдения расстояние меньше одного метра) встретились в 9% от общего числа. Молнии,  прошедшие расстояние от одного до десяти метров, составляет 46.3%, т.е.  почти половину  наблюдений. Эти молнии наблюдались,  нередко внутри помещений. Однако около  20% общего числа наблюдений составляли молнии, прошедшие расстояние более пятидесяти метров. По разным данным, за время жизни шаровая молния  может (при условии, что её движение не ограничено  стенами помещений) пройти расстояние  в несколько десятков и даже более сотни метров.

Чаще всего шаровую молнию видят движущейся горизонтально, однако нередко она опускается вниз и только изредка  поднимается вверх. В некоторых случаях можно говорить о смешанном движении, т. е. как горизонтальном, так и вертикальном  перемещении.  Чаще наблюдается плавное движение, чем скачкообразное.

 Средняя скорость получена делением пройденного молнией расстояния на время наблюдения. Подавляющее большинство молний  имеет небольшую среднюю скорость  меньше 2м/с. Молнии, имеющие среднюю скорость меньше 0.1м/с   т.е. практически неподвижные встречаются крайне редко.  

Таким образом, утверждения  о том, что шаровая молния  может двигаться со скоростью, приближающейся  к скорости распространения  линейной молнии, не подтверждается статистикой; различие между скоростями составляет  4-5 порядков.

Итак,  шаровая молния движется горизонтально или падает вниз, не приобретая  большой скорости. Это определённо  указывает на то, что плотность её вещества  практически равна  плотности окружающего воздуха или лишь немного превосходит её. Вследствие этого  на движение шаровой молнии слабо влияет  сила тяжести, и именно в этом состоит одна из причин необычности  этих движений: они кажутся для нас столь же странными, как и движение тел в состоянии невесомости.

Поскольку движение вниз наблюдается значительно чаще, чем движение вверх, нужно ожидать, что плотность молнии  всё же несколько  больше плотности воздуха. Вследствие  этого  молнии, образовавшиеся из разряда в облаках, либо падают на землю, либо останавливаются вблизи поверхности земли, где сила тяжести  уравновешивается, и они начинают парить в воздухе. То же случается с молниями, возникающими вблизи земной поверхности, после того как они теряют импульс, полученный ими при образовании. Какая же сила уравновешивает силу тяжести или, точнее, небольшую её часть, не скомпенсированную  архимедовой силой? Если молния спускается  из облаков  с достаточно большой высоты (300-500м), то эта сила снова может оказаться архимедовой, поскольку молния попадает  при этом в более плотные слои атмосферы. Так изменение высоты на 500м плотность воздуха  меняется приблизительно  на 6%, и это может оказаться достаточным для того, чтобы установилось безразличное равновесие.

Небольшие изменения температуры вещества шаровой молнии также могут вызвать изменения его плотности  и соответственно архимедовой силы. В частности, снижение температуры  сразу же после её образования может привести к тому, что  шаровая молния будет спускаться вниз в более плотные слои  воздуха. Однако более вероятно, что  небольшое превышение силы тяжести уравновешивается вблизи Земли действие электрических полей.   В этом случае шаровая молния должна нести электрический заряд, одноименный  с зарядом поверхности  земли. Поскольку последняя  обычно заряжается  в грозу положительно, молния также должна иметь  некомпенсированный  положительный заряд.  Спустившись вниз, молния оказывается  в состоянии безразличного равновесия на эквипотенциальной поверхности, при этом она то поднимается, то опускается над поверхностью земли при горизонтальном движении, повторяя   ход этой поверхности. Так это и случается по рассказам очевидцев, когда она движется вверх по склону холма,  повторяя форму рельефа, или огибает находящиеся на поверхности земли предметы: дома, верхушки деревьев и др.

В таком взвешенном состоянии  движение молнии зависит либо от воздушных потоков, либо от небольших горизонтальных градиентов  электрического поля. И в этом состоит вторая причина  необычности, «немотивированности» её движений. Дело в том, что  мы не имеем органов, которые  реагировали бы на напряженность  электрического поля. Электрическое поле вокруг нас  во время грозы может возрасти на 3-4 порядка, и,  тем не менее, практически мы не ощущаем этого. Поэтому в повседневной жизни мы не знаем, как меняется электрическое поле вокруг нас, и в отличие от поля тяжести  не привыкли считаться с ним как с возможной причиной, определяющей движение тел.

Иногда утверждают, что шаровая молния вообще не чувствует движения воздуха. Это, несомненно, преувеличение. Более правильно, видимо, сказать, что шаровая молния  движется не только под влиянием воздушных потоков. Дополнительным фактором, определяющим её движение, является электрическое поле. Известно, что шаровая молния  часто притягивается к предметам, особенно к проводникам. Это можно объяснить  тем, что при достаточно близком расстоянии от предмета она наводит в нем значительный индуцированный заряд или, наоборот, заряженный проводник индуцирует заряды в шаровой молнии.

Излучение и температура      

Излучение видимого света является наиболее широко известным свойством шаровой молнии, которое обычно и позволяет её обнаружить. Однако спектральный состав излучения оказывается довольно неопределённым.  Трудности связаны не только с тем, что разные наблюдатели нередко расходятся  в оценке цвета. Часто шаровой молнии трудно приписать    определённый цвет. Иногда наблюдатели говорят о нескольких световых оттенках,  или  об изменении цвета  в течение  времени наблюдения. Наконец, в некоторых случаях шаровая молния имеет  ядро и ореол  которые  могут отличаться по цвету. Красный, оранжевый, желтый, белый  и  голубой являются самыми распространёнными цветами. Вообще цвет шаровой молнии не является её характерным признаком  и, в частности, ничего не говорит  о её температуре, а также и о составе. Вероятнее  всего он определяется наличием тех или иных примесей.

Не исключено, что шаровая молния может излучать мягкое ультрафиолетовое излучение, поглощением которого в окружающем воздухе можно объяснить наблюдаемый  голубой  ореол. Любопытным  свойством шаровой молнии является её прозрачность в видимом свете. Наиболее убедительным свидетельством в пользу прозрачности шаровой молнии  являются  результаты фотометрирования  фотографии следа шаровой молнии,  оно также  позволило обнаружить временные изменения состояния молнии, на этот раз периодические. Продольное фотометрирование следа дало распределение  интенсивности почернения вдоль него. Столь сильные изменения степени почернения едва ли можно приписать только изменению скорости движения молнии; видимо интенсивность  свечения действительно периодически  меняется.

Итак,  шаровая молния прозрачна для видимого света. Поскольку она не является черным телом в видимой части спектра, её  температура  никак не связана с её излучением в этом спектре. Вывод этот важен потому, что именно на основании свечения шаровой молнии её иногда  приписывают температуру   5-10 тыс. градусов и даже выше. Аргументом против столь высоких значений температуры    является также её вес: если бы температура шаровой молнии была столь высока,  молния  была бы значительно легче, а  не тяжелее окружающего воздуха. Удивительным в шаровой молнии является не излучение света,  а то, что, излучая свет, она почти совсем не излучает тепло.

Без  прямого контакта  шаровая молния обычно не в состоянии поджечь не только дерево, но даже и бумагу.  Она может медленно скользить вдоль деревянных полок или мимо оклеенных обоями стен, не вызывая ни загорания ни даже слабого обугливания. Особенно интересно то, что даже находясь недалеко от воды достаточно длительное время, молния не вызывает её испарения. Необходимо сказать еще несколько слов об оплавлении металлических предметов, о которых часто сообщают очевидцы. Эти оплавления имеют место только при прямом контакте с шаровой молнией  и свидетельствуют  лишь о том, что при таком контакте может выделиться  значительная энергия, но отнюдь  не о высокой  температуре вещества молнии. В лучшем случае это говорит об энергии, накопленной в шаровой молнии.

В течение своей  жизни шаровая молния относительно мало меняется, приспосабливаясь к различным   условиям, в которые она попадает. Выскажем гипотезу относительно причин существования у шаровой молнии двух характерных  времён жизни,   по крайней  мере большого разброса  в определении времени её жизни. Поскольку шаровая молния всё время испускает энергию в виде света  и тепла, естественно  допустить, что вещество, из которого она состоит, или может быть,  один из компонентов этого вещества неустойчивы и распадаются за какое-то время.

Подводя некоторые итоги, из всего выше сказанного можно сделать такие выводы:

       1. Наиболее вероятный диаметр шаровой молнии равен 10-15см, а средний диаметр 20-30см.                               

       2. Плотность вещества шаровой молнии практически совпадает с плотностью воздуха и обычно лишь не многим превосходит её.

       3. Температура шаровой молнии  (не считая момента «взрыва») лишь относительно ненамного превышает  температуру окружающего воздуха, достигая, по-видимому, всего  нескольких сотен градусов.

       4. Вещество шаровой молнии является проводником с низкой работой выхода зарядов и поэтому обладает свойством легко рассеивать электрические заряды, накопившиеся на других проводниках. Контакт шаровой молнии с заряженными проводниками  приводит к появлению кратковременных импульсов электрического тока. Это вызывает перегорание  предохранителей, срабатыванию реле, вывод из строя электроприборов. Электрические заряды стекают  со значительной площади через вещество шаровой молнии и рассеиваются в атмосфере. Взрыв шаровой молнии почти во всех случаях является следствием такого кратковременного электрического разряда. Поражения шаровой молнией людей и животных также   связаны с импульсом тока, который она вызывает.

       5. Запас энергии в шаровой молнии может составлять от нескольких килоджоулей до нескольких десятков килоджоулей, в некоторых случаях, возможно, до ста килоджоулей. Однако  эффекты взрыва, равно как и оплавления металлов, могут определяться, по крайней мере,  в некоторых случаях, не энергией самой шаровой молнии, а энергией, накопленной  во время грозы в заряженных проводниках и окружающих их электрических полях.

       6. Вещество шаровой молнии образует обособленную фазу в воздухе, обладающую значительной поверхностной  энергией. На существование поверхностного натяжения указывают  стабильность границы шаровой молнии,  в том числе  при перемещении её в окружающем воздухе, устойчивость  сферической формы  и восстановление её  после деформаций, возникающих от взаимодействия с окружающими телами. Необходимо отметить, что сферическая форма молнии восстанавливается  и после больших деформаций, сопровождающихся распадом шаровой молнии на части. Кроме того, на поверхности шаровой молнии нередко наблюдаются поверхностные волны. При достаточно большой  амплитуде эти волны  приводят к выбрасыванию капель вещества с поверхности, аналогичных  брызгам жидкости.

       7. Шаровая молния может нести электрический заряд, который появляется, например, при поляризации в электрическом  поле. Движение шаровой молнии  в условиях безразличного равновесия, при  котором сила тяжести уравновешена  архимедовой силой, определяется  как электрическими полями, так и движением воздуха.

       8. Большинство шаровых молний, возникновение которых могут  описать очевидцы, появляются из различных металлических предметов  и электроприборов, например  из розеток электрических и радиосетей, антенн, радиоприёмников, телевизоров, батарей отопления  и других приборов и металлических предметов, включенных в сеть  или заземлённых. Часто шаровая молния появляется при разряде линейной молнии.  Однако  иногда появлению шаровой молнии может предшествовать вместо разряда линейной молнии  интенсивное  коронирование проводников. Можно предположить, что шаровая молния появляется там, где накапливается  значительный электрический заряд, при мощной, но кратковременной эмиссии этого заряда в воздух.

       9. Исчезает шаровая молния в результате взрыва, развития неустойчивостей или из-за постепенного расходования запаса её энергии  и вещества, взрыв может быть следствием интенсивного распада при прохождении  через  молнию кратковременного импульса тока, нейтрализующего заряды, накопившиеся на окружающих телах.

       10. Большая часть молний - около 60% - испускает видимый свет, к красному концу спектра (красный, оранжевый или желтый). Около 15% испускает цвет в коротковолновой части спектра  (голубой,  реже синий, фиолетовый, зелёный). Наконец, приблизительно в 25% случаев молния имеет белый цвет. Мощность излучаемого цвета - порядка нескольких ватт. Поскольку температура молнии не велика её видимое излучение имеет неравномерную природу.

       11. Теплообмен шаровой молнии с окружающей средой происходит через испускание значительного количества инфракрасного излучения.

      12. Кроме инфракрасного и видимого излучений шаровая молния, по-видимому, может испускать довольно сильное неравновесное радиоизлучение.

Создание шаровой молнии в лабораторных условиях

Незнания точного механизма образования шаровой молнии в природе совершенно невозможно повторить этот процесс в лабораторных условиях. Однако, «рукотворные» образцы молний уже создаются.

Трудность заключается в очень малой продолжительности жизни молнии. Сохранить природный образец для сравнения с лабораторным, не представляется возможным (даже увидеть это явление очень не просто). Тем не менее приведём некоторые примеры создания молний искусственным путем.

Например,  израильские учёные реализовали способ получения шаровой молнии из  расплава твердых материалов  (кремния, стекла, германия и алюминия). Установка, позволяющая подводить микроволновое излучение к материалу с помощью компактного излучателя, осуществляет локальный разогрев материала до высоких температур - до 2 тыс. градусов. В результате нагрева образуется капля вещества, которая вытягивается из общей массы медленным отводом излучателя. При испарении вещества под действием излучения эта капля «взрывается», образуя стабильное образование - огненный шар диаметром около 3 см, плавающий в воздухе.

Как признают сами разработчики, свойства такой молнии не идентичны природной. Более того, назвать это явление шаровой молнией можно с большой натяжкой. Собственно, сами эксперименты носят больше прикладной характер, и изучение полученного объекта направлены на разработку различных промышленных устройств (обработка материалов, освещение и т.д.).

Более похожую на природную шаровую молнию получили молнию в  Питергбургском институте ядерной физики.

Устройство довольно не сложное. Состоит оно из небольшой емкости с водой, куда вставлен электрод, и высоковольтной конденсаторной батареи. Положительный полюс конденсаторной батареи и вода в ёмкости хорошо соединяют медными шинами с контуром заземления. Батарея на 600 мкф и 5,5 кВ заряжается и с помощью изолированной штанги отрицательный полюс быстро соединяется с электродом. Электрод представляет собой изогнутый металлический стержень, изолированный кварцевым стеклом. Один конец электрода имеет ввод, к которому подсоединяют отрицательный полюс конденсаторной батареи, другой конец опускают в ёмкость с водой так, что изогнутая часть остаётся в воде, а сам конец возвышается над поверхностью воды на 2-3 мм. В  момент касания ввода электрода отрицательным полюсом зараженного конденсатора из возвышающегося над водой конца электрода с хлопком вылетает плазменная струя, от которой отделятся и плывет в воздухе шаровой плазмоид.

Учёные получают такие молнии тысячами и довольно хорошо изучили их свойства. Температура, как оказалась, у такого плазмоида не выше температуры окружающего воздуха. Феномен шаровой молнии они объясняют особым состоянием ионов в керне шаровой молнии. Каждый возникший при разряде ион сразу гидратируется - во влажном воздухе его плотно окружают молекулы воды. Разноименные ионы притягиваются друг к другу, но молекулы воды мешают им сблизиться. Возникает особое состояние вещества - гидратированные кластеры. Компьютерное моделирование показало, что в гидратированной плазме скорость рекомбинации ионов резко замедляется. Если в «сухой» плазме она происходит за миллиардную долю секунды, то у ионов, законсервированных в кластере, рекомбинация затягивается на десятки и сотни секунд.

Возможно это и есть разгадка шаровой молнии, но как доказать, что явление созданное в природе аналогично тому, что создано в лаборатории?