ПРИРОДА ШАРОВОЙ МОЛНИИ
Природа обычной, линейной, молнии давно установлена — это газовый разряд в виде грандиозной искры, «проскакивающей» между сильно заряженными грозовыми облаками или облаком и землей. Поскольку появление шаровой молнии связано с линейной, естественно предположить, что природа их сходна. Поэтому рассмотрим вкратце основные группы газовых разрядов.
Сильное электрическое или переменное электромагнитное поле ионизует атомы и молекулы газа — возникает плазма и происходит электрический разряд. Газовые разряды можно условно разбить на две основные группы по признаку: замыкаются силовые линии электрического поля в плазме или нет, иначе говоря — вихревое электрическое поле или потенциальное.
Если напряжение подают на электроды (рис. 1а), силовые линии электрического поля Е замыкаются на них, а не в плазме. Пара электродов ведет себя как конденсатор, поэтому такие разряды называют емкостными или Е-типа. Электрическое поле может быть постоянным, переменным или импульсным.
К другой категории относятся безэлектродные индукционные разряды Н-типа, при возбуждении которых определяющую роль играет электромагнитная индукция (рис. 1б). Через катушку-индуктор пропускают ток высокой частоты или импульсный ток I, создающий магнитное поле Н. Под действием переменного магнитного потока внутри катушки возникает вихревое электрическое поле Е. Его силовые линии представляют собой замкнутые окружности, концентрические с витками катушки. Это электрическое поле может зажигать и поддерживать разряд, причем токи также замкнуты и протекают вдоль линий поля (рис. 2).
Если полагать, что обе молнии — и линейная, и шаровая — это газовые разряды, то линейную следует отнести к категории разрядов Е-типа, поскольку имеются электроды, например облако и земля. Шаровую молнию естественно отнести к категории индукционных разрядов Н-типа. Попытаемся обосновать данное предположение и найти конкретную структуру шаровой молнии.
Накопленный материал наблюдений позволяет установить несколько присущих шаровой молнии особенностей:
• она может производить электромагнитные воздействия, особенно сильные при ее гибели со взрывом, и выводить из строя электроприборы;
• время ее жизни — от десятых долей секунды до нескольких минут;
• шаровая молния может существовать в закрытых помещениях, в том числе и с электромагнитной экранировкой, например в железобетонных строениях;
• ее внутренняя температура достигает нескольких тысяч градусов (судя по спектру светового излучения), но внешняя поверхность имеет, как правило, низкую температуру (по данным очевидцев, которых она касалась).
Перечисленных свойств с учетом физики газовых разрядов достаточно для обоснования структуры молнии и ее физических свойств.
Шаровая молния при распаде выделяет ранее запасенную энергию.
Как и в любом замкнутом пространстве, в шаровой молнии энергия может существовать в виде переменного электромагнитного поля, постоянного электрического или постоянного магнитного поля.
Переменное электромагнитное поле может долго храниться только в резонаторах с чрезвычайно высокой добротностью (отношением величины запасенной энергии к средней за период колебаний мощности потерь), достижимой лишь в оптическом диапазоне. Однако свет не способен производить электромагнитные воздействия, и эта возможность отпадает.
Если большая энергия заключена в постоянном электрическом поле, внутри молнии не может быть высокой температуры, поскольку она приводит к ионизации вещества и нейтрализации разделенных зарядов. Но спектр ее излучения соответствует именно высокой внутренней температуре, и, следовательно, сильного электрического поля там нет.
Постоянное магнитное поле имеет две формы. Оно может быть полоидальным (поле витка с током) или тороидальным (поле катушки с током, свернутой в тор). Посмотрим, может ли основная часть электромагнитной энергии сосредоточиться в полоидальном поле (магнитном диполе), которое создает плазменный виток с током. В этом случае на каждый его участок действуют силы Ампера, стремящиеся расширить виток, который распадется за тысячные доли секунды. Это противоречит свидетельствам о времени жизни шаровой молнии, и, следовательно, полоидальное магнитное поле электромагнитную энергию хранить не способно.
Из сказанного следует, что основным носителем электромагнитной энергии в шаровой молнии может быть только постоянное тороидальное магнитное поле. Классик термоядерного синтеза В.Д. Шафранов доказал: оно может существовать в плазме в виде кольца с поверхностным винтовым током. Остается, однако, непонятным, почему поверхность шаровой молнии холодная. Кроме того, для сохранения стабильности данной конфигурации требуется точное соблюдение соотношения величин полоидального и продольного токов (J1 и J2 на рис. 2), что на практике трудновыполнимо.
Рассмотрим токовое кольцо внутри вихревого газо-плазменного кольца (рис. 3). Как показал, например, известный исследователь Ю.П. Райзер, можно весьма эффективно стабилизировать газовый разряд, особенно индукционный, закрученным газовым потоком.
В этом случае горячую область от внешней среды отделит кольцевой вихрь (плазма в нем существует лишь в слоях, прилегающих к токовому слою), и оболочка шаровой молнии останется холодной. Кроме того, такая конфигурация может быть стабильной и в отсутствие продольной составляющей поверхностного тока; необходимо лишь, чтобы скорость слоя вихря, прилегающего к магнитному полю, превосходила критическую величину.
Создать токовое кольцо с полоидальным током может только безэлектродный индукционный газовый разряд. Гипотезу о шаровой молнии как высокочастотном разряде в сфокусированном электромагнитном излучении линейной молнии выдвинул лауреат Нобелевской премии по физике академик П.Л. Капица. Однако его предположение не подтвердилось. Поэтому обратимся к импульсным индукционным разрядам, возникающим при резком нарастании магнитного поля (они называются «тета-пинч», см. рис. 4).
К недостатку метода относится в первую очередь слабая устойчивость плазмы. Однако тороидальное магнитное поле вполне может быть захвачено плазмой (или, как говорят физики, вморожено в нее). Для этого после достижения необходимой величины индукции магнитного поля отключают ток (рис. 5). Таким образом, подавая на виток мощный импульс тока с резким задним фронтом, можно «вморозить» в плазму тороидальное магнитное поле.
Остается необъясненным довольно длительное время ее жизни. Дело в том, что обычная плазма имеет весьма большое удельное сопротивление и ток плазмы внутри вихревого кольца должен затухать за тысячные доли секунды. Поэтому необходима еще одна физическая идея, которую мы и заимствуем из техники управляемых термоядерных реакций.
В сильных вихревых полях электроны плазмы могут переходить в режим непрерывного ускорения и разгоняться до скоростей, близких к скорости света, то есть становиться релятивистскими частицами. С увеличением скорости и соответственно кинетической энергии электронов удельное сопротивление плазмы резко падает, и ток ускоренных электронов в кольце может существовать весьма долго.
Величину электрического тока в плазме определяет в основном направленное движение электронов, поскольку их скорость намного больше скорости ионов. Поэтому считают, что электрон налетает на неподвижный ион и рассеивается тем сильнее, чем меньше так называемый прицельный параметр.
Под воздействием поля иона изменяется импульс электрона, и он отклоняется от линейной траектории. При отсутствии электрического поля вектор скорости электрона хаотически меняется и в среднем по времени равен нулю. Наложение электрического поля на плазму приводит к направленному движению электронов.
При относительно небольших полях их скорость гораздо меньше хаотической тепловой скорости. Возникает равновесие между ускоряющим действием электрического поля на электроны и их торможением при кулоновских столкновениях с ионами. Среднее значение направленной скорости электронов пропорционально напряженности электрического поля, которое при достаточной величине разгоняет электроны, создавая электрический ток, эффективно нагревающий плазму. Проводимость плазмы пропорциональна третьей степени скорости электрона и быстро увеличивается с ростом температуры плазмы.
Однако в электрических полях, превышающих критическое значение, электроны плазмы на длине свободного пробега могут набирать скорость, превышающую скорость хаотического движения. Равновесие между ускоряющим действием поля и торможением при столкновениях нарушается, электроны начинают разгоняться до скоростей, приближающихся к скорости света, то есть становятся релятивистскими. Их электрическое поле как бы «сплющивается» в направлении движения (этот эффект разобрал Л.Д. Ландау во втором томе своего Курса теоретической физики) и заметно отличается от нуля лишь в узком интервале углов вблизи экваториальной плоскости. Сечение столкновений релятивистских электронов с ионами плазмы резко падает, а электрическая проводимость плазмы соответственно возрастает. Поэтому время жизни индукционного разряда внутри вихревого кольца, основы шаровой молнии, достигает единиц и десятков секунд.
Подводя итоги, приходим к заключению, что основой шаровой молнии должен служить индукционный разряд внутри вихревого кольца (рис. 6).
ОБЪЯСНЕНИЕ СВОЙСТВ ШАРОВОЙ МОЛНИИ
Рождение шаровой молнии происходит при ударе линейной молнии в землю, когда возникает изменяющееся магнитное поле и появляется вихревое кольцо (рис. 7). Сформировавшееся ядро приобретает внешнюю светящуюся оболочку.
Форма шаровой молнии объясняется тем, что ее внешняя оболочка стремится принять форму, близкую к шару, имеющему минимальную поверхность, оптимальную с точки зрения сохранения энергии. Но иногда в силу различных причин, например резкого порыва ветра, шаровая молния принимает форму груши и даже баранки. Ее «хвост» могут создавать химические реакции внутри газового вихря, которые выбрасывают часть вещества внешней оболочки.
Видимые размеры шаровой молнии (от 1 до 100 см) объясняются особенностями формирования ядра: в зависимости от силы разряда линейной молнии и характеристик его фронтов ядро может быть раз в десять и больше и меньше.
Шаровые молнии могут выбивать диски в оконных стеклах. Геннадий Петрович Щелкунов, один из наиболее активных исследователей шаровых молний, любезно разрешил сделать снимок стеклянного диска (рис. 8). На нем видно, что диск был выбит коротким мощным импульсом энергии от кольцевого источника, внешний радиус которого около 8 см.
Зависание шаровой молнии над проводами и стальными конструкциями объясняется тем, что ее ядро может иметь магнитное поле, которое взаимодействует с индуцируемыми магнитными полями в проводниках.
Прохождение шаровой молнии через узкие щели объясняется возможностью ее значительной деформации. Время жизни шаровой молнии определяется временем жизни токового кольца и стабилизирующей вихревой оболочки. Оно составляет около 10 с для ядра диаметром порядка 0,2 м и возрастает пропорционально квадрату его видимого размера.
Цвет шаровой молнии зависит от состава веществ, захваченных вихрем при ударе линейной молнии в землю. В ходе химических реакций ее состав меняется, вызывая изменение цвета.
Запахи, оставляемые шаровой молнией после распада, также объясняются прошедшими химическими реакциями в захваченном веществе.
Гибель шаровой молнии со взрывом происходит, когда ее ядро теряет устойчивость, например из-за быстрого торможения вихревых слоев или прокалывания токового кольца посторонним предметом. В этом случае тороидальное магнитное поле трансформируется в полоидальное, которое резко расширяется и разбрасывает вещество оболочек, порой производя весьма сильные разрушения.
Тихий распад шаровой молнии происходит, если ее ядро, сохраняя устойчивость, полностью теряет запас энергии. Тогда кольцевой вихрь постепенно теряет четкие границы и расплывается.
Энергия шаровой молнии выделяется в основном в виде электромагнитной, химической и ядерной энергии. Кинетической энергией движущихся слоев вихря и другими видами энергии можно пренебречь.
Величину электромагнитной энергии определяют магнитное давление и объем тороидального магнитного поля. При давлении поля, близком к атмосферному, и объеме ядра молнии около 10 см3 она составляет примерно 1000 Дж и при постепенном выделении угрозы не представляет. Но при взрыве, например за 1 миллионную секунды, возникает электромагнитный импульс мощностью порядка миллиарда ватт, выводящий из строя электронную аппаратуру.
Величину химической энергии шаровой молнии можно оценить, предположив, что она захватила 1 г древесно-угольной пыли с теплотворной способностью примерно 10 кДж/г. Тогда полная химическая энергия молнии составит 10 тысяч джоулей. Это довольно много, что вполне объясняет ожоги на теле людей и пожары, вызванные шаровыми молниями.
У людей после встреч с шаровыми молниями порой развиваются болезни, по признакам схожие с последствиями радиоактивного облучения. Это отмечал, в частности, доктор химических наук М.Т. Дмитриев.
Академик Л.А. Арцимович, классик теории термоядерного синтеза, считал, что запустить реакцию ядерного синтеза можно, пропустив поток быстрых частиц (которые могут возникать в самой плазме) через плазму с достаточно высокой электронной температурой. В шаровых молниях имеются быстрые электроны с энергией порядка 10 миллионов электронвольт (это соответствует плазме с температурой около 100 миллиардов градусов: 1 эВ соответствует 11 600 К). При столкновениях с ними возникают ионы с энергией до 10 тысяч электронвольт (что соответствует плазме с температурой около 100 миллионов градусов), достаточной для осуществления реакций ядерного синтеза.
При высокой температуре вихревых слоев, прилегающих к токовому кольцу, интенсивность реакций ядерного синтеза невелика, однако резко возрастает с понижением температуры, поскольку в зоне реакции растет плотность плазмы. И когда вихревую оболочку молнии чтото сильно охлаждает, реакции ядерного синтеза становятся доминирующим поставщиком энергии. Кроме того, их интенсивность может резко возрастать при взрыве шаровой молнии, когда мгновенно выбрасывается огромная мощность.
Оценим энергию, которую может выделить шаровая молния за счет реакций ядерного синтеза. Допустим, что шаровая молния состоит в основном из воды, при диаметре 30 см имеет массу 10 г и использует 10% потенциально имеющейся ядерной энергии. Известно, что 1 л воды в энергетическом отношении эквивалентен 300 л бензина. Удельная теплота сгорания углеводородного топлива примерно 40 КДж/г, тогда расчетное значение энергии шаровой молнии составит 12 МДж. Это соответствует оценке, полученной по данным очевидцев, в частности для случая, когда шаровая молния упала в бочонок с водой и вскипятила ее.
Таким образом, рассмотренная модель шаровой молнии позволяет объяснить основные ее свойства. И хотя некоторые данные наблюдений необъяснимы в рамках рассмотренной модели, это еще не говорит о ее несостоятельности.
Статья была опубликована в июньском номере журнала "Наука и техника" за 2012 год
