ОСНОВНОЕ МЕНЮ

НАЧАЛЬНАЯ ШКОЛА

РУССКИЙ ЯЗЫК

ЛИТЕРАТУРА

АНГЛИЙСКИЙ ЯЗЫК

ИСТОРИЯ

БИОЛОГИЯ

ГЕОГРАФИЯ

МАТЕМАТИКА

ИНФОРМАТИКА

Загадки шаровой молнии

052Существует редкое и загадочное природное явление - шаровая молния. Мифическая шаровая молния - концентрат таинственной энергии, крайне опасной для человека. Говорят, что она разрушает дома и убивает животных, гоняется за людьми; при встрече с ней выпадают волосы и зубы, а также начинаются всякие неприятности. Например, один из рассказов американского фермера превратился в сенсационную историю о шаровой молнии, которая скатилась из водостока в бочку с водой и выкипятила ее досуха. Но что же на самом деле представляет собой этот феномен?

Многие ученые считают шаровую молнию не просто комком плазмы. Это сложное физико-химическое образование - клуб тепловатого, влажного воздуха с обильной популяцией гидратированных разноименных ионов, связанных в кластеры, которые образуют некоторую структуру, окруженную отрицательно заряженной оболочкой. Физика шаровой молнии - это физика громадных токов при относительно низком напряжении.

Чаще всего в грозовую погоду во влажной атмосфере, насыщенной электричеством, появляются летящие и светящиеся округлые образования. Иногда шаровые молнии возникают рядом с каналом линейной молнии. По данным анкеты NASA, приблизительно в двух из пяти случаев удар линейной молнии сопровождается появлением шаровой. Однако, по данным опроса очевидцев, в 67 % случаев шаровая молния возникала из розеток, электроприборов, радиоприемников, телевизоров, телефонов, батарей отопления и даже гвоздей, вбитых в стену, - то есть из металлических проводников. Иногда светящиеся шары спускаются с облаков, неожиданно появляются в воздухе или, как сообщают очевидцы, могут выйти и из какого-либо предмета: древесного ствола, телеграфного столба и т. д. Вот одно из свидетельств очевидца: «Линейная молния ударила в провода недалеко от столба. Вслед за этим на проводе около столба возникла желто-зеленая вспышка, которая стала разгораться. Из нее образовался шар диаметром около 15 см, начавший медленно, но с небольшим ускорением катиться по провисающему проводу. Постепенно шар становился красным, затем упал на мостовую, рассыпая вокруг себя искры, и начал прыгать вдоль мостовой, как мячик, подскакивая вверх на 10-15 см. После нескольких скачков он распался на куски, которые тут же погасли. Все это происходило в течение 10-20 секунд».

Обычно шаровая молния движется хаотично в горизонтальной плоскости, приблизительно в метре над землей. В среднем молния проходит за 1 секунду не более 2-3 м. Вблизи поверхности земли сила тяжести молнии уравновешивается действием электрического поля от зарядившейся в грозу поверхности почвы. В таком взвешенном состоянии движение шаровой молнии зависит либо от воздушных потоков, либо от небольших изменений приземного электрического поля. Именно в этом состоит причина необычности ее движений. Например, она имеет стойкую тенденцию «заходить» в помещения.

Вот как описывает встречу с шаровой молнией один из наших соотечественников: «Через открытую форточку в кухню входил фиолетовый шар, светившийся, как 100-ваттная лампа, около 10-20 см в диаметре. Пролетев по комнате, шар подошел к наполовину загороженному застекленному окну из кухни в ванную и начал толкаться в углу рамы. При этом он вытянулся и ползал по стеклу, как бы ища места, где пройти. Наконец он дернулся и быстро вошел в ванную. Раздался звук бьющейся посуды (на окне ванной стояло несколько стеклянных банок). Через некоторое время шаровая молния вернулась обратно, уже без задержки, через то же окно, ударилась о металлическую трубу отопления и стала медленно падать вдоль трубы вниз. Раздался звук взрыва, и все исчезло. Около трубы стоял прислоненный к ней эмалированный тазик, в котором оказалось много отвалившейся эмали. По оценке, все это заняло около 20 секунд».

Иногда во время таких «гостевых визитов» шаровая молния проникает внутрь даже сквозь поразительно малые отверстия. При этом, сильно деформируясь, она вновь восстанавливает правильную сферическую форму после выхода в свободное пространство.

Один очевидец видел с расстояния 20 см, как в стенную щель «пролезал желтый шарик величиной с крупный апельсин, переливаясь из одной половины в другую». Другой человек рассказывал, что шаровая молния прошла в комнату через трещину в стекле, сильно сплющившись в этот момент. Подобные явления можно объяснить тем, что вещество молнии отчасти похоже на жидкость: оно обладает поверхностным натяжением и не смешивается с окружающим воздухом. Зачастую ее появление сопровождается звуковыми эффектами (треском, свистом, шумами), а также сильными радиопомехами. В половине случаев шаровая молния появляется в радиусе 5 м от наблюдателя, а в каждом шестом случае пролетает ближе, чем в метре от человека.

Нередки случаи, когда шар аккуратно облетал находящиеся на пути предметы, что говорит в пользу теории о свободном перемещении шаровой молнии по эквипотенциальным поверхностям. Например, Франк Лейн в своей книге «Стихия буйствует» (1945 г.) приводит следующий случай: «Молодая девушка сидела за столом и вдруг заметила большой огненный шар, который медленно двигался по полу комнаты в ее направлении. Когда шар приблизился к ней, он поднялся и начал двигаться по спирали вокруг нее. Затем устремился к печи и поднялся по трубе вверх. Оказавшись вне трубы, он взорвался над крышей с таким грохотом, что потряс до основания весь дом». Одно из самых удивительных и необъяснимых свойств шаровой молнии - ее способность снимать золотые обручальные кольца с руки, не вызывая при этом ожогов. Золотое или медное колечко из проволоки, подвешенное на пути шаровой молнии, теряет часть своей массы, что можно установить взвешиванием. По-видимому, это явление связано с ускоренной рекомбинацией ионов на поверхности металла, что сопровождается его распылением.

Диаметр шаровых молний варьируется от нескольких сантиметров до 1 м, но наиболее часто появляются небольшие светящиеся шары размером 15-30 см. Форма этого природного феномена в подавляющем большинстве случаев сферическая, но порой она бывает искажена электрическими полями или потоками воздуха, и тогда молния становится похожей на эллипсоид, диск, грушу или совсем теряет правильную форму. В отдельных случаях очевидцы наблюдали молнию в форме кольца.

Шаровая молния живет от 10 до 100 секунд, после чего обычно бесшумно исчезает, медленно гаснет или распадается на отдельные части. Отдельные экземпляры самоликвидируются с резким хлопком или даже взрывом. Если в спокойном состоянии от шаровой молнии исходит необычно мало тепла, то во время взрыва высвободившаяся энергия иногда разрушает или оплавляет предметы, испаряет воду. Для оценки интенсивности свечения шаровой молнии наблюдатели сравнивали этот показатель со светом электрической лампочки. Чаще всего они называли два интервала - 50-100 и 100-200 ватт. Таким образом, световой поток от шаровой молнии в среднем сравним с тем, который испускает стоваттная электрическая лампочка. Во время «путешествия» свечение шара становится тусклее или ярче, а его цвет может быть различным - от слепяще-белого, интенсивно-желтого до зеленого, иногда с пятнами и тенями. Ученые считают, что свечение шаровой молнии связано либо с накопленной в ней энергией, либо с энергией, поступающей в нее извне. В соответствии с этим положением предлагались различные модели шаровой молнии. Но удивительно не это. Оказывается, излучая свет, шаровая молния почти совсем не излучает тепло.

По теории П.Л.Капицы, шаровая молния - высокочастотный электрический разряд. В грозовую погоду между облаками и землей возникает стоячая электромагнитная волна, и когда она достигает критической амплитуды, в каком-либо месте (чаще - ближе к земле) возникает пробой воздуха, образуя газовый разряд. В этом случае шаровая молния как бы «нанизана» на силовые линии стоячей волны и двигается вдоль проводящих поверхностей. Стоячая волна отвечает и за энергетическую подпитку шаровой молнии. Экспериментально удавалось реализовать разряд под действием высокочастотного электрического поля, происходящий вдали от электродов («висящий» в воздухе). Предполагается, что при определенных условиях обычные молнии порождают высокочастотные поля, которые в каком-то другом месте поддерживают шаровую молнию.

Согласно другой теории подпитки извне, шаровая молния представляет собой смесь тлеющего электрического разряда и электрической дуги под действием статического электрического поля. В отличие от тлеющего разряда, во внутренней части шаровой молнии ток поддерживается за счет истечения материала (твердого или расплавленного), захваченного шаровой молнией под действием сильного электрического тока аналогично дуговому разряду. Во внешней части шаровой молнии ток переносится тлеющим разрядом.

В свою очередь, энергия в шаровой молнии могла быть накоплена после удара обычной молнии в виде химической энергии образовавшихся нестабильных соединений либо возбужденных состояний молекул или атомов. Происходящая с этими соединениями реакция сопровождается излучением света.

Согласно теории Б.М.Смирнова, ядро шаровой молнии - это переплетенная ячеистая структура, нечто вроде аэрогеля, которая обеспечивает прочный каркас при легком весе. Только нити каркаса - это нити плазмы, а не твердого тела. При этом энергетический запас шаровой молнии целиком скрывается в огромной поверхностной энергии такой микропористой структуры.

Известны и совершенно фантастические версии. Например, профессор Кембриджского университета Пол Дэвис выдвинул гипотезу связи между НЛО и шаровой молнией. Он даже ввел термин «нестационарный атмосферный феномен», заявляя, что шаровая молния может вызвать различные аномалии. В частности, высказывалось предположение, что она явилась причиной ряда событий, произошедших около Левелленда (штат Техас, США) в ноябре 1957 г. Тогда у множества легковых и грузовых автомашин заглохли моторы и погасли фары в присутствии большой светящейся массы, которая более двух часов медленно вращалась вокруг них. Между тем в ту ночь в Левелленде не было грозы, и появление такой долго живущей шаровой молнии, а также количество транспорта, на который она повлияла, никогда прежде замечены не были.

Одна из новейших теорий объясняет всю совокупность наблюдаемых явлений термохимическими эффектами, происходящими в насыщенном водяном паре в присутствии сильного электрического поля. Энергетика шаровой молнии здесь определяется теплотой химических реакций с участием молекул воды и их ионов. Интерес ученого И. Стаханова к проблеме шаровой молнии тоже начался с гипотезы, выдвинутой им в начале 70-х годов XX в. Стаханов, как и многие другие физики, исходил из того, что шаровая молния состоит из вещества, находящегося в состоянии плазмы. Плазма похожа на газообразное состояние с единственной разницей - молекулы вещества в плазме ионизованы, то есть потеряли (или, наоборот, приобрели лишние) электроны и перестали быть нейтральными. Это значит, что молекулы могут взаимодействовать не только как частицы газа - при столкновениях, но и на расстоянии с помощью электрических сил. Разноименно заряженные частицы притягиваются. Поэтому в плазме молекулы стремятся вернуть себе потерянный заряд путем воссоединения (рекомбинации) с оторванными электронами. Но после рекомбинации плазма превратится в обычный газ. Поддерживать жизнь плазмы можно только до тех пор, пока рекомбинации что-то мешает, - как правило, очень высокая температура.

Если шаровая молния - это плазменный шар, то она обязана быть горячей. Так рассуждали сторонники плазменных моделей до Стаханова. А он заметил, что существует и другая возможность. Ионы, то есть молекулы, потерявшие или захватившие лишний электрон, могут притянуть к себе обыкновенные нейтральные молекулы воды и окружить себя прочной «водяной» оболочкой, запирающей лишние электроны внутри и не дающей им воссоединяться со своими хозяевами. Такое возможно потому, что молекула воды имеет два полюса - отрицательный и положительный, за один из которых и «хватается» ион в зависимости от своего заряда, чтобы притянуть молекулу к себе. Значит, сверхвысокие температуры больше не нужны, плазма может оставаться и «холодной», не горячее 200­300 °C.

Далее выяснилось, что сама по себе водяная оболочка не может получиться столь плотной, чтобы помешать ионам рекомбинировать. Но рекомбинация приводит к возрастанию энтропии шаровой молнии, то есть меры ее беспорядка. Действительно, в плазме положительно и отрицательно заряженные молекулы отличаются друг от друга, по- особому взаимодействуют, а после рекомбинации они перемешиваются и становятся неразличимыми. До сих пор считалось, что в предоставленной самой себе системе беспорядок самопроизвольно возрастает, то есть в случае шаровой молнии рекомбинация произойдет сама собой, если ей как-то не помешать. Из результатов компьютерного моделирования и теоретических выкладок, проведенных в Институте общей физики, следует совершенно иной вывод: беспорядок вносится в систему извне - например, при хаотичных столкновениях молекул на границе шаровой молнии и воздуха, в котором она движется. Пока беспорядок не «накопится», рекомбинации не будет, даже несмотря на то, что молекулы стремятся к этому. Характер их движения внутри шаровой молнии таков, что при сближении разноименно заряженные молекулы будут пролетать мимо друг друга, не успевая обменяться зарядом. Ион, окруженный водяной оболочкой, называется кластером, поэтому гипотеза профессора Стаханова получила имя кластерной.

Критерием верности теории часто служит эксперимент. Поэтому многие ученые пытались воссоздать шаровую молнию в лабораторных условиях. Поскольку в ее появлении прослеживается явная связь с другими проявлениями атмосферного электричества, т. е. с обычной молнией, большинство опытов проводилось по следующей схеме: создавали газовый разряд (а свечение газового разряда - вещь известная), и затем искали условия, когда светящийся разряд мог бы существовать в виде сферического тела. Первыми такими попытками можно считать опыты Тесла в конце XIX века. В отчете сообщается, что при определенных условиях зажигая газовый разряд, ученый после выключения напряжения наблюдал сферический светящийся разряд диаметром 2-6 см. Первые детальные исследования светящегося безэлектродного разряда были проведены только в 1942 г. советским электротехником Г. И. Бабатом - ему удалось на несколько секунд получить сферический газовый разряд внутри камеры с низким давлением. Затем были опыты П. Л. Капицы - он смог получить сферический газовый разряд при атмосферном давлении в гелиевой среде. Добавки различных органических соединений меняли яркость и цвет свечения. Исследователи могли получать кратковременные газовые разряды сферической формы, жившие максимум несколько секунд.

13 мая 2006 г. исследователи из Института физики плазмы имени Макса Планка и Берлинского университета имени Гумбольдта сумели в лабораторных условиях воспроизвести таинственный природный феномен - образование шаровых молний (плазмоидов - plasmoids). Они применили подводный электрический разряд для того, чтобы получить люминесцентные плазменные облака, по своему виду напоминающие классический «файербол», причем это явление наблюдалось на протяжении почти половины секунды, а диаметр подобных «шариков» составлял 10-20 см.

В Петербургском институте ядерной физики уже несколько лет также существует мастерская шаровых молний. Здесь была создана установка, с достаточной точностью воспроизводящая природный процесс рождения молний на влажной поверхности: здесь есть медный ввод, играющий роль громоотвода, кварцевая трубочка с электродом, открытая поверхность водопроводной воды. В роли громового облака выступает батарея конденсаторов на 600 мкФ, которую можно заряжать до - 5,5 кВ. Это серьезное напряжение - малейшая неосторожность при работе с ним грозит смертельной опасностью. Вода в полиэтиленовой чашке должна быть заземлена, для этого на дно положен медный кольцевой электрод. Он соединен изолированной медной шиной с землей. Положительный полюс конденсаторной батареи тоже заземлен. От медного ввода хорошо изолированная шина ведет к центральному электроду. Это цилиндрик из железа, алюминия или меди, диаметром 5-6 мм, который плотно окружен трубочкой из кварцевого стекла. Она возвышается над поверхностью воды на 2-3 мм, сам электрод опущен вниз на 3-4 мм. Образуется цилиндрическая ямка, куда можно опустить каплю воды. Конец медного провода от отрицательного полюса конденсаторной батареи нужно закрепить на длинной эбонитовой ручке. Если быстро коснуться этим разрядником медного ввода, то из центрального электрода с хлопком вылетит плазменная струя, от которой отделится и поплывет в воздухе шаровой плазмоид. Цвет его будет разным: с железного электрода сорвется яркий белесый плазмоид, с медного - зеленый, а с алюминиевого электрода - белый с красноватым отливом (такие плазмоиды видят летчики, когда в самолет ударяет молния).

Данные о физиологическом действии шаровой молнии весьма противоречивы и сводятся, как правило, к поражению электрическим током. В апреле 1976 г. в журнале «Нейчур» обсуждался случай, который произошел в английском графстве Уэст-Мидленде: через туловище женщины, готовившей еду, прошел небольшой голубой шарик. Но единственными неприятными последствиями были энергетические вихревые потоки, нагрев, которому подверглось ее обручальное кольцо, и ожог пальца.

Однако имеется и немало свидетельств о том, что шаровая молния может причинить сильную травму или даже убить человека. Так, внезапно появившаяся шаровая молния насмерть поразила человека, сидевшего на мотоцикле позади водителя. Иногда шаровая молния причиняла тяжелые травмы. На коже потерпевших могут возникать ожоги в виде красных веточек или зигзагообразных отметин. Иногда встреча с молнией заканчивалась легким обмороком, но имеется несколько примеров, когда пострадавший попадал в больницу на несколько дней или даже недель. При этом иногда фиксируются расстройства сердечного ритма, предынфарктное состояние, боль в сердце, ожог кожи груди. Подобные пугающие последствия встречи с шаровой молнией, как считают ученые, заключаются не в самом атмосферном явлении, а в электрическом состоянии окружающих предметов.

Во время грозы на отдельных участках поверхности земли и находящихся на ней предметах могут находиться значительные заряды, а шаровая молния обладает свойством снимать с проводников накопленное электричество. При контакте с заряженным проводником в нем возникает кратковременный импульс тока, при котором заряды, проходя через шаровую молнию, рассеиваются в воздухе. Сама шаровая молния в этот момент распадается, что и воспринимается наблюдателями как взрыв. Энергия, выделяющаяся при взрыве, не имеет никакого отношения к энергии, запасенной в самой шаровой молнии, - она накапливается в заряженных проводниках, а шаровая молния служит лишь катализатором для освобождения этой энергии. С этой же точки зрения можно объяснить, почему зачастую шаровые молнии «умирают» тихо. Такой исход означает, что проводник не был заряжен, поэтому при отсутствии зарядов в окружающих предметах встреча с шаровой молнией безопасна.

Поиск

Поделиться:

ФИЗИКА

ХИМИЯ

Яндекс.Метрика

Рейтинг@Mail.ru