Эту «историю» я уже рассказывала в своем блоге про оптические явления, но, для тех, кто еще ничего об этом не слышал, я поведаю еще раз.
Общее представление о шаровой молнии
В этом разделе будет идти речь об одном из самых интересных – с точки зрения физики – явлений природы – шаровой молнии. Шаровой молнией принято называть светящиеся образования, по форме напоминающие шар. Это явление возникает иногда во время грозы в воздухе, чаще всего, вблизи поверхности. Всегда сопровождаясь обычной молнией, шаровая молния сильно отличается от неё и по своему поведению, и по внешнему виду. В отличие от обычной (линейной) молнии, шаровая не сопровождается громом, она практически бесшумна. С другой стороны, шаровая молния может существовать до нескольких минут, тогда как обычная молния характеризуется кратковременностью. Поведение шаровой молнии является совершенно непредсказуемым. Абсолютно невозможно предсказать направление, в котором в следующее мгновение переместится светящийся шар и чем завершится его появление (взрывом или простым исчезновением).
Существует множество вопросов, касающихся шаровой молнии. Каким образом она попадает в закрытые помещения? Что служит предпосылками для ее появления? Почему она светится, но при этом не излучает тепла? Из-за чего ее форма столь длительное время остается неизменной? Эти и некоторые другие вопросы пока остаются без ответа.
Мал да удал
Круглый огненный шар, о котором мы говорим, бывает размером с мяч для настольного тенниса, а случается – так, во всяком случае, говорят исследователи, – до метра в диаметре. Сияет молния, как 100-ваттная лампочка, излучая белый или желтый свет. Хуже, когда попадается невидимая или черная шаровая молния. Говорят, ее присутствие определяется исключительно за счет хорошо развитой интуиции – и это единственная защита человека, оказавшегося рядом.
Вопросы,на которые нет ответов
И это не все вопросы, на которые ученые до сих пор затрудняются ответить. Например, как объяснить довольно сильное поверхностное натяжение на границе, отделяющей шаровую молнию от окружающей атмосферы? Как шаровая молния может существовать в течение такого длительного времени, не подпитываясь энергией извне? Откуда у нее такие запасы энергии: средняя шаровая молния содержит десятки и сотни килоджоулей? Как этот сгусток плазмы может обходить препятствия или протекать сквозь небольшие отверстия? Ведь если это просто заряд, то он должен притягиваться к окружающим телам.
РАЗУМНЫЙ ПЛАЗМОИД
Для официальной науки шаровая молния по-прежнему продолжает оставаться загадкой. Зато число околонаучных теорий и леденящих душу вымыслов растет год от года. Так, не переводятся охотники поговорить о том, что молнии «мыслят». «Разумный плазмоид» – так звучит наиболее занятное определение этой таинственной субстанции. Немало есть сторонников гипотезы, согласно которой шаровые молнии – приборы для исследования нашего мира, запущенные на Землю инопланетными существами.
Шаровые молнии почему-то наиболее часто посещают Францию. Один из первых вразумительных рассказов о наблюдении шаровой молнии относится к 1718 году, когда во время апрельской грозы в Куэньоне люди наблюдали три огненных шара диаметром более метра.
В 1720-м около Парижа шаровая молния во время грозы ударилась о каменную башню, взорвалась и разрушила ее.
В ХIХ веке был случай, когда огненный шар влетел на кухню жилого дома в деревне Саланьяк. Один из поваров крикнул другому: «Выброси эту штуку из кухни!» Однако тот побоялся, что и спасло ему жизнь. А шаровая молния тогда выплыла из дома и «наведалась» в свинарник, где убила ни в чем не повинную хрюшку.
XX век не принес разгадки
В 1936 году в английской газете «Дейли мейл» появилось сообщение о шаровой молнии, которая ударилась о дом, повредила телефонные провода и сожгла деревянную оконную раму. Дальше – больше! В 1963 году шаровую молнию зафиксировали на борту рейса «Нью-Йорк – Вашингтон», причем британский профессор Р. Дженнисон, летевший в самолете, рассказал, что появилась она из… кабины пилотов и медленно поплыла вдоль всего салона, вызвав оторопь пассажиров, но к счастью, не причинив никакого вреда, рассыпалась.
Шаровую молнию не раз пытались воспроизвести в лаборатории. В 1999-2001 сотрудники Петербургского института ядерной физики РАН получили компактный сферический плазмоид, который прожил полсекунды – солидный срок! Правда, к разгадке явления это ученых не приблизило. До сих пор самой полной теорией о шаровой молнии остается та, что предложил академик П.Л. Капица: он объясняет появление шаровой молнии возникновением коротковолновых электромагнитных колебаний в пространстве между грозовыми тучами и земной поверхностью. Однако как быть с тем, что шаровые молнии не обязательно появляются в грозу, их видели и в ясную погоду?..
Среди таинственных явлений природы, «недоступных» академической науке, шаровая молния занимает почетное место. Были придуманы десятки гипотез о ее физической сущности. Даже сейчас, когда аналоги шаровых молний получают тысячами и исследуют во многих лабораториях мира, мифы о ней продолжают обсуждаться в СМИ. Мы убеждены, что шаровая молния представляет собой редкое проявление особого состояния вещества -гидратированной плазмы, совершенно непохожей на обычную плазму.
Свидетельство ученого.
В 1975 г. в журнале «Наука и жизнь» была опубликована статья И.П.Стаханова и С.Л.Лопатникова «Шаровая молния: загадки остаются», авторы которой призвали очевидцев феномена писать о своих впечатлениях. В редакцию стали приходить сообщения о встречах с необычными светящимися объектами. Писем были тысячи, и чего только в них не было: специалист мог узнать в описаниях лидеры токовых струй и линейных молний, кистевые и сидящие разряды, огни святого Эльма, струйки горящих газов, даже падение метеоритов. После повторного анкетирования Стаханов отобрал 126 случаев наблюдения автономных светящихся объектов, имевших форму шара. Один случай заслуживал особого внимания -наблюдателем шаровой молнии оказался ученый, знакомый со свойствами плазмы.
Встреча М.Т.Дмитриева с долгоживущей шаровой молнией произошла в августе 1965 г. на р.Онеге, в Архангельской обл., о чем он подробно рассказал в журнале «Природа». На реке плавал бон -вереница деревянных плотов, связанных между собой. Первый плот бона лежал на берегу и был прочно закреплен, последний плавал на середине реки. В целом бон имел форму дуги длиной 120 м и представлял собой хороший проводник, так как бревна в плотах и плоты между собой скреплялись железными тросами.
К вечеру 23 августа небо затянули тучи; стали слышны отдельные раскаты грома, пошел мелкий дождик. Дмитриев забрался в палатку, которая была разбита на первом плоту, и включил транзисторный приемник. В 19.55 сверкнула молния и тотчас раздался удар грома. Некоторое время было тихо, потом из приемника послышался шорох, переходящий в сплошной гул. Приемник пришлось выключить, ученый выглянул из палатки и увидел на середине бона, на высоте 1 -1.5 м шаровую молнию. Она двигалась к берегу, не отклоняясь от бона, хотя ветер дул вдоль реки. Молния постепенно всплывала в воздухе; когда она проплывала над палаткой, наблюдатель успел взять пробы воздуха в откачанные ампулы. На берегу характер движения молнии изменился: несколько секунд она стояла неподвижно над кочкой, потом переместилась в лес, где стала беспорядочно двигаться среди деревьев, выбрасывая искры, внезапно покраснела и исчезла.
Для Дмитриева, который имел опыт работы с воздушной плазмой, шаровая молния не показалась необычной. Керн молнии представлял собой шар диаметром 6 -8 см. Эта часть была наиболее яркой и по своему виду напоминала электроразрядный факел в воздухе. Центральную часть молнии окружала оболочка толщиной 1 -2 см с густым фиолетовым свечением, похожая на свечение воздуха, бомбардируемого электронами. Следующая, наружная, бледно — белая оболочка чуть голубоватого оттенка толщиной около 2 см, напоминала по цвету тихий электрический разряд при атмосферном давлении. В отобранных пробах был обычный «грозовой» воздух с повышенным содержанием озона и окислов азота.
Новая идея.
Проанализировав показания очевидцев, Стаханов убедился: они согласуются с утверждением, что появление шаровых молний связано с электрической активностью атмосферы. Это светящиеся автономные объекты, которые способны перемещаться в воздухе. Размер их в большинстве случаев 10 -25 см. Шаровая молния имеет определенную границу, которая отделяет ее от окружающего воздуха. Плотность самого вещества молнии почти равна плотности воздуха. Светится она за счет аккумулированной энергии. Время существования -от секунды до сотни секунд. Автономность шаровой молнии отличает ее от другого электрического явления -токовой струи. Пробой влажного воздуха линейной молнией создает проводящий канал, по которому может стечь новый электрический разряд. Обогащенная электронами округлая головка токовой струи напоминает шаровую молнию. Струя может проникнуть в дом через окно, дымоход, электропроводку или телефонный кабель и убить человека или животное. Ее можно получить искусственно, если запустить в грозовое облако ракету с хвостом из медной проволоки. Токовая струя подпитывается энергией извне, а не содержит ее в аккумулированной форме.
Стаханов предположил, что керн шаровой молнии содержит вещество в особом состоянии -в виде гидратированной плазмы, которая отличается от обычной плазмы наличием молекул воды. Компьютерное моделирование процесса взаимодействия молекул H2O с положительными и отрицательными ионами в керне молнии провел С.В.Шевкунов. Заряженные частицы притягивают к себе диполи H2O -у ионов образуются гидратные «шубы». При сближении гидратированных ионов разного знака между ними выстраиваются дополнительные молекулы воды, и в результате возникают нейтральные кластеры с большим дипольным моментом. Молекулы воды препятствуют быстрой рекомбинации ионов. Время рекомбинации возрастает до десятков секунд, т.е. становится на 10 порядков больше, чем у «сухой» плазмы. В шаровой молнии кластеры образуют длинные цепочки и фрактальные структуры. Клуб теплого, влажного воздуха может аккумулировать значительную энергию, до 0.5 кДж/л, если получит нужное количество разноименных ионов от внешнего источника, например от дугового разряда.
После безвременной кончины Стаханова в 1987 г. к сотрудникам Петербургского института ядерной физики обратилась вдова ученого Инесса Георгиевна с просьбой о продолжении его работы. Начались эксперименты с шаровой молнией в лаборатории А.И.Егорова. Была поставлена задача воспроизвести в миниатюре редкий случай рождения шаровой молнии на глазах наблюдателя. Очевидец находился в грозу возле геодезической вышки. Простейший громоотвод из железного троса опускался вниз, он был небрежно прикопан -конец троса торчал из влажной земли. Когда в громоотвод ударила молния, из конца троса вылетела яркая шаровая молния.
В лаборатории этот естественный процесс был воспроизведен в уменьшенном масштабе. Роль грозового облака играла конденсаторная батарея емкостью 600 мкФ. Ее можно было заряжать до 5000 В. Положительный полюс батареи был заземлен, а отрицательный соединен с разрядником на длинной эбонитовой ручке. Роль влажной земли играла поверхность воды в полиэтиленовой чашке диаметром 20 см. Вода должна быть проводящей. На дне чашки лежал кольцевой медный электрод, соединенный изолированной медной шиной с землей. Громоотводом служил медный стержень, от которого изолированная медная шина шла к центральному электроду. Это был цилиндрик из угля, железа, меди или алюминия, который окружала трубка из кварца диаметром 6 мм. Она возвышалась над поверхностью на 2 -3 мм. Сам электрод был опущен на 3 -4 мм вниз, так что образовывалась цилиндрическая ямка, куда можно было внести каплю воды, раствор солей или органических веществ, суспензию угля, почвы и т.п. В большинстве случаем центральный электрод был изготовлен из пористого угля, как обычно делается для дугового спектрального анализа.
Если смочить центральный электрод каплей воды, зарядить конденсаторную батарею и коснуться разрядником стержня, то из электрода вылетит плазменная струя, от которой отделится и поплывет в воздухе светящийся шаровой плазмоид. Первую короткоживущую шаровую молнию А.И.Егоров и Г.Д.Шабанов получили в сентябре 2001 г. За 10 лет шаровые молнии научились делать во многих лабораториях мира.
При изучении физических свойств шаровых плазмоидов между центральным электродом и заземлением включалось высокоомное сопротивление, с части которого напряжение подавалось для измерения на компьютер. Одновременно на компьютер приходил сигнал с фотодатчика, регистрирующего светимость плазмоида. Вылетающая из центрального электрода плазменная струя существует всего 0.1 с -только в это время между электродом и поверхностью воды протекает большой ток, затем разряд прекращается, и напряжение на сопротивлении падает до нуля. Отделившийся плазмоид начинает автономный полет и светится только за счет запасенной энергии. Шаровая молния не получает энергию извне -в этом ее кардинальное отличие от других проявлений атмосферного электричества.
Исследования электрических свойств были стимулированы работой. Для измерения электрического заряда плазмоид ловили сетчатым цилиндром Фарадея. Сначала на цилиндр приходила наводка от разряда, затем электрический сигнал отсутствовал -в это время плазмоид всплывал к цилиндру, потом появлялся ток, вызванный перетеканием заряда с плазмоида на цилиндр. Интегрируя этот ток, можно определить величину некомпенсированного заряда. Он оказался отрицательным, величина его находилась в пределах десятков нанокулон. У природной шаровой молнии, по оценке Дмитриева, заряд был в 100 раз больше, поэтому и существовала она в 100 раз дольше.
Измерения электрическим зондом показали, что отрицательные заряды распределены в плазмоиде крайне неравномерно. Свободные электроны мигрируют на поверхности плазмоида и создают отрицательно заряженный слой. Когда плазмоид касается зонда своим верхним краем, возникает большой, но короткий импульс тока. Более длительный, но меньший сигнал поступает на зонд при прохождении керна. Второй всплеск тока наблюдается при прохождении мимо зонда нижнего края плазмоида. Острый пик тока может быть вызван увеличением концентрации отрицательных зарядов в поверхностном слое плазмоида. Если принять, что избыточный отрицательный заряд в 10 нКл сосредоточен на поверхности сферы диаметром 12 см, то потенциал плазмоида относительно земли будет близок к — 1300 В. У шаровой молнии, которую наблюдал Дмитриев, потенциал был выше, поэтому молния излучала во все стороны поток электронов, создавая тихий разряд при атмосферном давлении.
Взгляд изнутри и снаружи.
Основная часть зарядов плазмоида сгруппирована в виде нейтральных кластеров. Попадая в плоский электрический конденсатор, молния растягивается в стороны и исчезает. Рекомбинация гидратированных ионов заметно ускоряется на металлических поверхностях. Колечко из медной проволоки, подвешенное на пути плазмоида, теряет массу за счет распыления металла при рекомбинации ионов -это можно установить взвешиванием колечка до и после опыта. Природная шаровая молния содержит больше гидратированных ионов, чем ее лабораторный аналог. Она может «снять» золотое кольцо с пальца, не вызывая ожога.
Окраску шаровой молнии определяет спектр рекомбинирующих ионов. С железного электрода срываются ослепительные белесые плазмоиды, с медного -зеленоватые, с алюминиевого -белые, но с красным отливом. Из угольного электрода, смоченного дождевой или перегнанной водой, вылетают плазмоиды с серо-голубым керном и сиреневой оболочкой. Такую молнию видел Дмитриев. Вода из лужи, содержащая ионы кальция, магния, калия и натрия, придает молнии характерный апельсиновый цвет. Органические соединения и сажа, попавшие в разряд, сообщают плазмоиду огненный оттенок. Частички угля сгорают в нем как блестки, делая плазмоид похожим на елочную игрушку. Как установил Шабанов, окраска полупрозрачной шаровой молнии зависит от фона, на котором ее наблюдают, поэтому два очевидца, видящие молнию с разных сторон, могут иметь разное представление о ее цвете.
Шаровая молния как физическое явление оказалась сложнее, чем предполагал Стаханов. Она несет значительный отрицательный заряд -он сосредоточен в поверхностном слое, охватывающем керн из гидратированной плазмы. Шаровая молния всегда содержит аэрозоль частиц, захваченных при разряде, кроме того, температура и состав газа внутри плазмоида отличаются от окружающего воздуха. Результаты исследования плазмоида размещены в Интернете, где можно найти копии статей, графики опытов, поставленных в однородных условиях, и работы иностранных исследователей плазмоида.
После опубликования пионерской работы Петербургский институт ядерной физики посетили сотни желающих взглянуть на редкий феномен. Среди них были очевидцы природного явления. Оказалось, что наблюдателей шаровой молнии, имеющей время жизни меньше секунды, гораздо больше, чем зарегистрировано у Стаханова, -просто они не придавали значения мимолетному явлению. Это были самые восторженные зрители: демонстрация шаровой молнии вызывала у них воспоминания о встрече с неведомым. Были свидетели и другого природного явления -токовой струи, но их было меньше. Отрицательный заряд, стекающий на землю при ударе линейной молнии, распространяется по узкому каналу. Если этот канал снова выйдет на поверхность, из него может вырваться плазменная струя, от которой отделится шаровая молния.
У некоторых зрителей вспышка плазменной струи вызывала стойкое пятно на сетчатке глаза. Это пятно сохраняется до 10 с и создает иллюзию перемещения в пространстве при повороте головы. Когда-то Хеймфейс утверждал, что все долгоживущие шаровые молнии имеют физиологическую первопричину. Конечно, это не так -шаровые молнии со временем жизни более 10 с, безусловно, существуют в природе. Можно даже попытаться их получить. На некоторых высотных сооружениях имеются громоотводы, часто посещаемые молниями. Если такой громоотвод разрезать, загнуть его конец и опустить в заземленную ванну с водой, из торчащего вверх конца во время грозы будут вылетать шаровые молнии. Можно забросить гибкий громоотвод в грозовое облако с помощью ракеты или катапульты. Тогда по нему сбежит токовая струя, которая выбросит плазмоид. Эти эксперименты рано или поздно будут поставлены, хотя они, увы, не финансируются государством.
ПОСЛАННИКИ НЕБЕС: ШАРОВЫЕ МОЛНИИ ИЛИ ПЛАЗМОИДЫ?
Валерия ПЕРЕСЫПКИНА
В последнее время ученые многих стран задаются вопросом, что представляют собой неожиданно появляющиеся (бывает, что во время ночной грозы, а то и в хорошую погоду средь бела дня) светящиеся шары: непредсказуемые шаровые молнии или разумные плазмоиды иных измерений? У некоторых ставропольцев - очевидцев этих аномальных явлений - свое мнение на этот счет.
Пенсионер Иван Петриченко, военный летчик в отставке, с ранней весны переезжает на дачу, которая находится в районе Мамайки. И вот уже пять лет подряд наблюдает не только в небе, но и в самом дачном домике появление, как он их называет, местных неопознанных объектов. «Сплю я обычно мало, - рассказывает Иван Васильевич, - часа три-четыре, а потому ночью часто выхожу в сад и любуюсь звездным небом. Столько за свою жизнь налетал, что и сейчас, много лет спустя, небо - и дневное, и ночное - притягивает меня как магнитом. Немало я и повидал на своем веку, поэтому удивить меня чем-то очень трудно. А тут несколько лет назад стали «прилетать» на мой участок ярко светящиеся шары. Причем появляются они обычно часа в три ночи и устраивают настоящее шоу: то мчатся на высокой скорости примерно в пяти-семи метрах над землей, то подскакивают, как мячики, то висят над деревьями и переливаются всеми цветами радуги. Такое впечатление, что показывают мне, бывшему летчику, на что они способны. Почему я так думаю, сейчас объясню. В прошлом году я приболел и больше недели лежал в доме, жена меня лечила (она у меня врач), а потому никуда, а тем более ночью, не выходил. И вдруг как-то под утро слышу тонкий звон стекла. Потом оказалось, что в нижнем углу внешнего стекла окна появилась маленькая, как бы оплавленная, дырочка, а во внутреннем стекле никакого отверстия нет. Что это? Какое-то послание? Или шарам надоело меня ждать? В общем, когда я вновь стал появляться в ночном саду, их «представления» продолжились.
Но и это не все. Мой сын давно увлекается фотографией, не раз снимал нашу семью и на участке, и в самом доме. Что интересно, когда он фотографирует меня одного в помещении, обязательно на изображении видны какие-то полупрозрачные шары, а когда в кадре несколько человек, то никаких шаров нет. Совсем недавно я нашел в Интернете похожие фотографии и выяснил, что исследователи называют такие шары разумными плазмоидами, которые нас видят (мы-то можем их увидеть только на фото), пытаются с кем-то из людей общаться (пока я этого не почувствовал) и удаляются, если им неинтересно. В общем, похоже, что меня «атакуют» два вида местных неопознанных объектов. С одной стороны, это, конечно, интересно, с другой - все-таки неизвестно, что они там задумали»...
Кто «гуляет» по ночному саду ставропольца Петриченко? Можно предположить, что это варианты таких загадочных небесных странниц, как шаровые молнии. Считается, что шаровая молния - это светящийся сгусток горячего газа, изредка появляющийся в грозовых погодных условиях, а иногда «выходящий» из какого-либо предмета (дерева, столба). Сопровождается треском, писком, шумами, создает радиопомехи. Усредненный портрет шаровой молнии: форма шара, овала, груши; размер от 5 см до 20 м; время жизни от 10 до 100 секунд, потом взрывается; цвет обычно красный, оранжевый или желтый (реже - голубой, белый, синий); скорость передвижения 0,5-1 метр в секунду. Поведение шаровой молнии непредсказуемо. Деформируясь, она может проникнуть в помещение через узкие щели, замочную скважину и даже проходит сквозь стекло, иногда оставляя, а иногда и не оставляя на нем никаких следов.
В Петербургском институте ядерной физики уже несколько лет существует мастерская шаровых молний. С 2004 года здесь работает небольшая установка, воспроизводящая природный процесс рождения молний на влажной поверхности. Но для того чтобы изучать свойства шаровых молний, их приходится изготавливать тысячами. Шаровая молния, как считают ученые, - это не единственный феномен, связанный с атмосферным электричеством. Существуют еще линейные молнии, токовые и голубые струи, различные формы сидящих разрядов и огней святого Эльма, а также невидимые черные молнии, похожие на клубок загадочных нитей. Ну а сама шаровая молния - это не комок плазмы, как полагают некоторые, а сложное физико-химическое образование - «клуб тепловатого, влажного воздуха с обильной популяцией гидратированных разноименных ионов, которые в связке образуют некоторую структуру, окруженную отрицательно заряженной оболочкой. Физика шаровой молнии - это физика громадных токов при относительно низком напряжении».
Первое упоминание о шаровой молнии пришло к нам из VI века: епископ Григорий Турский писал тогда о появлении огненного шара во время церемонии освящения часовни. На сегодняшний день зафиксировано около 200 теорий происхождения шаровой молнии и около 10 тысяч случаев ее наблюдения. Вот только несколько самых необычных. В 70-х годах прошлого века в горах Западного Кавказа шаровая молния, проникнув ночью в палатку с пятью альпинистами, начала яростно нападать на спящих. Не помогли и спальные мешки. Один альпинист был убит, четверо других - тяжело ранены. В больнице, куда их доставили, врачи увидели на их телах не ожоги, что было бы вполне естественно, а рваные раны. Кавказ, можно сказать, вообще излюбленное место появления шаровых молний. Так, один мальчишка-черкес, пасший стадо коров, наслушавшись от взрослых, что шаровую молнию можно отогнать веткой, так и сделал. Он около 10 минут успешно наступал на неизвестно откуда появившийся сверкающий шар, пока в конце концов «гостья» не ретировалась. А одно из самых удивительных и необъяснимых свойств шаровой молнии - ее способность снимать золотое обручальное кольцо с руки, не вызывая при этом ожогов.
Часто в рассказах и описаниях очевидцев встречается отношение к молнии как к живому существу. Есть мнение, что шаровая молния является аналогом НЛО или существом из параллельного мира с непостижимым разумом и логикой. Вот тут на «сцену» выступают плазмоиды, которые на многих фотографиях похожи на мыльные пузыри или полупрозрачные сферы. Эзотерики называют их «наблюдателями из параллельных миров», так как считают, что плазмоиды очень любопытные, тяготеют к детям, интересуются поведением и деятельностью людей. Кто его знает, а может быть, и в чем-то пытаются нам помочь...