Непознанное

Шаровая молния

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.

Успех!

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.