Природа. Шаровая молния

Атмосферное электричество проявляет себя подчас весьма своеобразно, и наиболее впечатляющим из его проявлений следует назвать электроразряды — молнии. Ежесекундно в небесах над Землей вспыхивают 100 молний! Наиболее типичны из них линейные молнии, которые имеют вид ломаной линии и носят название искрового разряда.

Еще в глубокой древности привлекли к себе внимание так называемые огни Святого Эльма, возникающие перед грозой на вершинах башенных шпилей и флюгерах. Эти огоньки подобно линейной молнии и считаются одной из разновидностей электрического разряда в воздухе, называемой тлеющим разрядом.

Чаще всего шаровые молнии бывают желтыми и белыми, но известны и другие их расцветки. Очевидцы описывают шаровые молнии красного, черного и синего цветов.

Ученым уже довольно много известно о природе молний, хотя в целом и искровой, и тлеющий разряды остаются в высшей степени загадочными явлениями. Нет достоверных сведений о том, как в грозовых тучах возникают условия для разряда и что они собой представляют.

Загадочной спутницей гроз иногда становится шаровая молния, представляющая собой совершенно уникальный вид электроразряда. Еще сто лет назад шаровую молнию считали плодом взбудораженной фантазии, полагая, что существование такого явления противоречит законам природы.

По внешнему виду необычная молния напоминает большую (величиной с футбольный мяч) яркую фару шаровидной или яйцевидной формы. При грозе эта «фара» неподвижно висит или перемещается в воздухе.

Поведение шаровой молнии чрезвычайно удивительно. Она часто рождается при ударе обычного искрового разряда в провода электропередачи или в землю, а иногда рождается самопроизвольно в канале линейной молнии.

Чаще всего этот шар медленно и бесшумно катится по воздуху или по поверхности почвы, выписывая путаную, хаотичную траекторию. Движение может быть направлено вверх, вниз, в любом другом направлении, в том числе против ветра. Средняя скорость шаровой молнии составляет 1—10 м/с.

Когда движение молнии замедляется или останавливается, она причиняет разрушения в местах своего соприкосновения с окружающими предметами. Шаровая молния способна проходить сквозь металлический лист, не прожигая его, или проникать сквозь стекло, проплавляя в нем небольшое отверстие.

Поразительный шар имеет необъяснимую тягу к человеческим постройкам, в которые он может проникнуть даже через маленькие щели. Удавалось не единожды наблюдать, как крупные шары диаметром 40 см просачивались (буквально так!) в мелкие отверстия, достигающие в поперечнике всего нескольких миллиметров, а затем восстанавливали свою форму. Случается, что шар от столкновения с другими предметами искрит и даже распадается на несколько маленьких шариков.

Мы не можем объяснить загадку шаровой молнии потому, что не понимаем, откуда берется обыкновенная молния. Согласно модели осадков, электроразряд возникает за счет разделения зарядов в облаках, верхние части туч заряжаются положительно из-за движения капель.

Цвет молнии, по свидетельствам очевидцев, может изменяться, но в 60% случаев он постоянен и лежит в области «горячих» цветов — красного, желтого, оранжевого.

Исчезает молния схлопываясь или взрываясь. Обычно этот хлопок негромок, сопровождается слабым треском. Причину взрыва физики видят в охлаждении шара до некоторой критической температуры.

В 30% случаев молния медленно угасает, теряя питающую ее энергию. В 15% случаев наблюдается обратная картина, Внутри вещества шара возникают зоны неустойчивости, вследствие чего шар распадается на части, которые гаснут точно так же, как обычные искры костра. Время жизни шаров средней величины (30—40 см) — около 1 минуты. Мелкие шарики с диаметром менее 10 см живут 10 с или чуть дольше. Столь же недолговечны и изредка наблюдаемые гиганты, достигающие в поперечнике 100 см.

Впрочем, размеры не всегда определяют срок жизни молнии. Как показали расчеты физиков, гораздо большее значение имеет плотность вещества молнии. Самые устойчивые и долгоживущие шары имеют плотность, которая примерно одинакова с плотностью воздуха, то есть 2 мг/см3.

Причины возникновения загадочной молнии неизвестны, наши знания о природе этого явления пока ничтожно малы. Лишь сравнительно недавно в лабораторных условиях удалось получить электроразряды, отдаленно напоминающие по своим свойствам шаровую молнию. Сегодня существуют две гипотезы, объясняющие ее происхождение. Обе они затрагивают вопрос об источнике энергии молнии.

Конвекционная модель объясняет, почему в тучах образуется несколько заряженных слоев. Эти слои возникают в ходе непрерывного перемешивания воздушных масс с разноименными зарядами.

Свечение ионизированных газов в шаровидном теле молнии должно поддерживаться большим количеством энергии (примерно 100 кДж). Непонятно, откуда маленький объект ее получает. Согласно одной версии, внутри молнии имеются собственные энергетические запасы.

Сразу после своего рождения молния становится самостоятельным объектом. Энергетический запас энергии шара определяется количеством энергии, которое было затрачено линейной молнией на образование сгустка ионов, слагающих шар.

Удавалось не единожды наблюдать, как крупные шары диаметром 40 см просачивались (буквально так!) в мелкие отверстия, достигающие в поперечнике всего нескольких миллиметров, а затем восстанавливали свою форму.

Другая гипотеза рассматривает шаровую молнию как объект, зависящий от энергии, передаваемой радиоволнами, рождающимися при мощных разрядах атмосферного электричества. Эту гипотезу поддерживал и развивал академик П.Л. Капица. Опираясь на теоретические построения Капицы, доктор физико-математических наук И.П. Стаханов предположил, что загадочное образование возникает из воды. Когда в канал молнии попадает дождевая капля, ее частицы претерпевают сложные изменения и вступают во взаимодействие с атмосферными ионами, облепляя их.

В результате возникает сгусток ионов, существование которого может поддерживаться только мощными радиоволнами, порождаемыми электроразрядами. Изменение условий среды (в первую очередь температуры) влечет за собой « выгорание » вещества шара. Ионы освобождаются от налипших водных частиц и утрачивают свой заряд, делаясь электрически нейтральными. В результате вещество шаровой молнии разваливается на куски, принимаемые людьми за искры.

Эта гипотеза подтверждается наличием у молнии оболочки. Существование оболочки свидетельствует о том, что вещество внутри шара находится в особой фазе, то есть специфическом агрегатном состоянии.

По мнению специалистов, во многих случаях наблюдения НЛО имело место явление шаровой молнии. Действительно, своим внешним видом и «поведением» она сильно напоминает небольшой НЛО: она светится, быстро двигается, может летать против ветра.

Раскаленный сгусток газовых ионов представляет собой плазменное состояние вещества. Следовательно, шаровую молнию вернее будет рассматривать как плазменный разряд в электромагнитном поле.

В 1991 году японские физики И. Оцуки и X. Офуруто, используя мощный электровакуумный генератор электромагнитных волн — магнетрон, смогли вызвать появление таких плазменных разрядов в лаборатории.

Характерная особенность шаровой молнии — наличие у нее четко различимой поверхности, отделяющей вещество объекта от вещества окружающей его среды. Точный химический состав молнии ученым неизвестен, однако наиболее вероятно, что это ионы нестабильных соединений азота и кислорода. В момент взрыва ионы распадаются на составные элементы.

Некоторые из искусственно полученных разрядов по внешнему виду напоминали настоящие шаровые молнии. Эти сгустки плазмы меняли цвета с белого на красный, синий и оранжевый, а также медленно передвигались в воздухе, пока получали энергию от магнетрона. Успех опытов говорит о том, что исследования феномена продвигаются в верном направлении. По всей видимости, главные загадки шаровой молнии будут разрешены уже в самое ближайшее время.