Интернет-журнал "Домашняя лаборатория", 2007 №11

Охота на шаровую молнию

Что такое шаровая молния? Строго говоря, этого никто не знает. Природные шаровые молнии возникают редко в непредсказуемых местах, исследовать их с помощью приборов не удавалось. Наблюдения очевидцев ненадежны: «от страха глаза велики», т. к. где-то в половине случаев шаровая молния исчезает со взрывом. В лабораторных условиях удавалось получать разряды в газе, похожие на шаровую молнию, но утверждать, что это именно она нет оснований.

На русском языке есть несколько книг, в которых описаны наблюдения очевидцев и перечисляются возможные объяснения:

• Имянитов И., Тихий Д. За гранью законов науки. М., Атомиздат, 1980.

• Стаханов И.П. О физической природе шаровой молнии. М., Энергоатомиздат, 1985.

• Смирнов Б.М. Загадка шаровой молнии. М., Знание, 1987.

Все авторы сходятся в том, что при встрече с шаровой молнией надо вести себя как при встрече с большой злой собакой: все время смотреть на нее и избегать резких движений.

С точки зрения теории — основная проблема объяснить большое время жизни шаровой молнии. Одна из наиболее продвинутых теорий предложена в книге Смирнова Б.М. Проблема шаровой молнии. М., Наука, 1988.

Основным предположением является то, что шаровая молния — фрактальный объект, образованный случайно соединившимися частичками углерода. За счет фрактальности у этого объекта низкая плотность и очень большая площадь поверхности, что обеспечивает возможность легко передвигаться в воздухе и долго поддерживать энерговыделение при не интенсивном окислении.

Шаровая молния — светящийся сгусток горячего газа, изредка появляющийся в грозовых погодных условиях.

Несмотря на то, что это явление пока ещё до конца не понято физикой, не стоит относиться к нему как к чему-то крайне необычному, тем более как к сверхъестественному. Это явление до конца не изучено, но активно изучается. На сегодняшний день ясно, что шаровая молния — просто красочное атмосферное явление, проявление атмосферного электричества, и для его объяснения не потребуется привлечение каких-либо кардинально новых физических концепций.

Основной камень преткновения в этих исследованиях — отсутствие надёжной методики воспроизводимого получения шаровой молнии в управляемых, лабораторных условиях. Если бы это было достигнуто, задача была бы практически решена. Поныне в экспериментах удавалось получить нечто, лишь отдалённо схожее с шаровой молнией. И, изучая это «нечто», экспериментаторы пока не могут сказать, изучают ли они саму шаровую молнию или какое-то другое явление. Такое состояние дел в эксперименте и позволяет теоретикам выдвигать совершенно разные (а иногда и самые фантастические) предположения и гипотезы о сущности шаровой молнии.

Статистика наблюдений

В отсутствие воспроизводимых экспериментальных данных, вся информация основана на рассказах очевидцев, и лишь в редких случаях — на фото- или киноматериалах. Это наводит на сомнения в самом существовании явления. Однако шаровая молния — явление довольно частое, поэтому такое недоверие может относиться к частным свидетельствам, но не к явлению вообще. Опираясь на статистически усреднённые параметры, мы в самом деле можем исследовать шаровую молнию как физическое явление.

Рассказы о наблюдении шаровой молнии известны уже две тысячи лет. Первое статистическое исследование этих сообщений было проведено французом Ф. Араго 150 лет назад. В его книге было описано 30 случаев наблюдения шаровых молний. Статистика небольшая, и неудивительно, что многие физики позапрошлого века, включая Кельвина и Фарадея, были склонны считать, что это либо оптическая иллюзия, либо явление совершенно иной, неэлектрической природы. Однако с тех времён количество и качество сообщений возросло; на сегодняшний день задокументировано около 10 тысяч случаев наблюдения шаровой молнии.

Появление

Шаровая молния всегда появляется в грозовую, штормовую погоду; зачастую, но не обязательно, наряду с обычными молниями. Чаще всего она как бы «выходит» из проводников или порождается обычными молниями, иногда спускается из облаков, в редких случаях — неожиданно появляется в воздухе или, как сообщают очевидцы, может выйти и из какого-либо предмета (дерево, столб).

Поведение

Чаще всего шаровая молния движется горизонтально, приблизительно в метре над землёй, довольно хаотично. Имеет тенденцию «заходить» в помещения, протискиваясь при этом сквозь маленькие отверстия. Часто шаровая молния сопровождается звуковыми эффектами — треском, писком, шумами. Наводит радиопомехи. Нередки случаи, когда наблюдаемая шаровая молния аккуратно облетает находящиеся на пути предметы, так как по одной из теорий шаровая молния свободно перемещается по эквипотенциальным поверхностям.

Исчезновение

Шаровая молния живёт от 10 до 100 секунд, после чего обычно взрывается. Изредка она медленно гаснет или распадается на отдельные части. Если в спокойном состоянии от шаровой молнии исходит необычно мало тепла, то во время взрыва высвободившаяся энергия иногда разрушает или оплавляет предметы, испаряет воду.

Размер и форма

Размер (диаметр) шаровых молний варьирует от нескольких сантиметров до метра. Форма в подавляющем большинстве случаев сферическая, однако были сообщения о наблюдении вытянутых, дискообразных, грушевидных шаровых молний.

Свечение и цвет

Типичная суммарная мощность излучения — порядка 100 Вт; свечение иногда тусклее, иногда ярче. Цвет — начиная от белого и жёлтого, заканчивая зелёным. Часто отмечалась пятнистость свечения.

Попытки лабораторного воспроизведения

Надо признать, что речь идёт пока только о попытках — нет ни одного случая искусственного получения шаровой молнии подобной природной в лабораторных условиях.

Прежде всего, поскольку в появлении шаровых молний прослеживается явная связь с другими проявлениями атмосферного электричества (например, обычной молнией), то большинство опытов проводилось по следующей схеме: создавался газовый разряд (а свечение газового разряда — вещь известная), и затем искались условия, когда светящийся разряд мог бы существовать в виде сферического тела.

Первыми такими попытками можно считать опыты Тесла (К.Л. Корум, Дж. Ф. Корум "Эксперименты по созданию шаровой молнии при помощи высокочастотного разряда и электрохимические фрактальные кластеры"//УФН, 1990, т.160, вып.4.) в конце XIX века. В своей краткой заметке он сообщает, что, при определённых условиях, зажигая газовый разряд, он, после выключения напряжения, наблюдал сферический светящийся разряд диаметром 2–6 см[52]. Однако Тесла не сообщает подробности своего эксперимента, так что его воспроизведение крайне затруднительно.

Первые детальные исследования светящегося безэлектродного разряда были проведены только в 1942 году советским электротехником Г.И.Бабатом: ему удалось на несколько секунд получить сферический газовый разряд внутри камеры с низким давлением.

Затем были опыты Петра Леонидовича Капицы: он смог получить сферический газовый разряд при атмосферном давлении в гелиевой среде. Добавки различных органических соединений меняли яркость и цвет свечения.

С тех пор ситуация принципиально не изменилась. Исследователи могли получать кратковременные газовые разряды сферической формы, жившие максимум несколько секунд. Однако остаётся открытым вопрос о связи этих разрядов с той шаровой молнией, которая встречается в природе.

Например, в недавней работе А.И. Егорова, С.И. Степанова и Г.Д. Шабанова, Демонстрация шаровой молнии в лаборатории, УФН, т.174, вып.1, стр.107–109, (2004) описана схема установки, на которой авторы воспроизводимо получали некие плазмоиды со временем жизни до 1 секунды, похожие на «природную» шаровую молнию. Впрочем, для окончательных выводов требуются независимые проверки других исследовательских групп.

Свойства шаровой молнии

Непосредственно из наблюдений следуют такие свойства шаровой молнии:

• Во-первых, шаровая молния как-то связана с электричеством, то есть с электрическими явлениями в газах. В процессе её зарождения или жизни крайне важно присутствие сильного электрического поля, создающего газовый разряд.

• Во-вторых, очевидно, что внутри шаровой молнии есть область очень высоких температур — именно поэтому она и светится. Скорее всего, эта область состоит из плазмы — ведь при температурах в несколько тысяч кельвинов газ переходит в состояние плазмы.

• Наконец, ясно, что шаровая молния — это не устойчивая, а метастабильная система. Это, по-видимому, распад плазменного сгустка, но только почему-то крайне замедленный.

Вопросы и загадки

Можно сформулировать несколько вопросов, ответы на которые должна дать полная теория шаровой молнии:

• Почему шаровая молния столь устойчива? Ведь если это газообразное образование, то при таких температурах этот газ или плазма тут же перемешается с окружающим воздухом. Что препятствует такому перемешиванию?

• Откуда берётся такая устойчивость формы? Это должно означать наличие довольно сильного поверхностного натяжения на границе, отделяющей шаровую молнию от окружающей атмосферы. Неужели такое возможно на границе раздела двух газов?

• Почему шаровая молния не всплывает? Ведь облако горячего газа должно всплывать под действием силы Архимеда!

• Как шаровая молния умудряется существовать в течение такого длительного времени? Ведь если внутри неё плазма и если нет подпитки энергией извне, то почему плазма моментально не рекомбинирует? Может быть, есть внешняя подпитка энергией, невидимая глазу?

• Откуда в шаровой молнии такие запасы энергии (а ведь по оценкам, типичная шаровая молния содержит десятки и сотни килоджоулей)?

• Как шаровая молния умудряется обходить препятствия, протекать сквозь небольшие отверстия? Ведь если это просто заряд, то он должен притягиваться к окружающим телам. Почему здесь не проявляются простые законы электростатики?

Капица П. Л. ДАН СССР 1955. Том 101, № 2, стр. 245–248.

Природа шаровой молнии пока остается неразгаданной. Это надо объяснить тем, что шаровая молния — редкое явление, а поскольку до сих пор нет указаний на то, что явление шаровой молнии удалось убедительно воспроизвести в лабораторных условиях, она не поддается систематическому изучению.

Было высказано много гипотетических предположений о природе шаровой молнии (1, 2), но то, о котором пойдет речь в этой заметке, по-видимому, еще не высказывалось. Главное, почему на него следует обратить внимание, это то, что его проверка приводит к вполне определенному направлению экспериментальных исследований. Нам думается, что ранее высказанные гипотезы о природе шаровой молнии неприемлемы, так как они противоречат закону сохранения энергии. Это происходит потому, что свечение шаровой молнии обычно относят за счет энергии, выделяемой при каком-либо молекулярном или химическом превращении, и таким образом предполагают, что источник энергии, за счет которого светится шаровая молния, находится в ней самой. Это встречает следующее принципиальное затруднение.

Из основных представлений современной физики следует, что потенциальная энергия молекул газа в любом химическом или активном состоянии меньше той, которую нужно затратить на диссоциацию и ионизацию молекул. Это дает возможность количественно установить верхний предел энергии, которая может быть запасена в газовом шаре, заполненном воздухом и размерами с шаровую молнию. С другой стороны, можно количественно оценить интенсивность излучения с ее поверхности. Такого рода прикидочные вычисления показывают, что верхний предел времени высвечивания получается много меньше действительно наблюдаемого у шаровых молний. Этот вывод теперь также подтверждается опытным путем из опубликованных данных (3) о времени высвечивания облака после ядерного взрыва. Такое облако сразу после взрыва, несомненно, является полностью ионизованной массой газа, и поэтому его можно рассматривать как заключающее в себе предельный запас потенциальной энергии. Поэтому, казалось бы, оно должно высвечиваться за время меньшее, чем наиболее длительно существующая шаровая молния, но на самом деле этого нет. Поскольку запасенная энергия облака пропорциональна объему (d³), а испускание поверхности ~ d², то время высвечивания энергии из шара будет пропорционально d, его линейному размеру. Полностью облако ядерного взрыва, при диаметре d, равном 150 м, высвечивается за время меньшее, чем 10 сек. (3), так что шар размером в 10 см высветится за время меньшее, чем 0,01 сек. Но на самом деле, как указывается в литературе, шаровая молния таких размеров чаще всего существует несколько секунд, а иногда даже минуту (1, 2). Таким образом, если в природе не существует источников энергии, еще нам не известных, то на основании закона сохранения энергии приходится принять, что во время свечения к шаровой молнии непрерывно подводится энергия, и мы вынуждены искать этот источник энергии вне объема шаровой молнии. Поскольку шаровая молния обычно наблюдается "висящей" в воздухе, непосредственно не соприкасаясь с проводником, то наиболее естественный, и, по-видимому, единственный способ подвода энергии — это поглощение ею приходящих извне интенсивных радиоволн. Примем такое предположение за рабочую гипотезу и посмотрим, как согласуются с ней наиболее характерные из описанных явлении, сопровождающих шаровую молнию (1, 2, 4). Если сравнить поведение шаровой молнии со светящимся облаком, оставшимся после ядерного взрыва, то бросается в глаза следующая существенная разница. После своего возникновения облако ядерного взрыва непрерывно растет и бесшумно тухнет. Шаровая молния в продолжение всего времени свечения остается постоянных размеров и часто пропадает со взрывом. Облако ядерного взрыва, будучи наполнено горячими газами с малой плотностью, всплывает в воздух и поэтому двигается только вверх. Шаровая молния иногда стоит неподвижно, иногда движется, но это движение не имеет предпочтительного направления по отношению к земле и не определяется направлением ветра. Теперь покажем, что эта характерная разница хорошо объясняется выдвинутой гипотезой.

Известно, что эффективное поглощение электромагнитных колебаний ионизованного газового облака-плазмы может происходить только при резонансе, когда собственный период электромагнитных колебаний плазмы совпадет с периодом поглощаемого излучения. При тех интенсивностях ионизации, которые ответственны за яркое свечение шара молнии, резонансные условия всецело определяются его наружными размерами. Если считать, что поглощаемая частота соответствует собственным колебаниям сферы, то нужно, чтобы длина l поглощаемой волны была приблизительно равна четырем диаметрам шаровой молнии (точнее, l == 3,65 d). Если в том же объеме ионизация газа слаба, то, как известно, тогда период колебаний плазмы в основном определяется степенью ионизации, причем соответствующая резонансная длина волны всегда будет больше, чем та, которая определяется размерами ионизованного объема и, как мы указали, равна 3,65 d. При возникновении шаровой молнии механизм поглощения можно себе представить так: сперва имеется небольшой по сравнению с (n/6)d**3 объем плазмы, но если ионизация его будет слаба, то все же резонанс с волной длины l = 3,65 d будет возможен и произойдет эффективное поглощение радиоволн. Благодаря этому ионизация будет расти, а с ней и начальный объем сферы, пока она не достигнет диаметра d. Тогда резонансный характер процесса поглощения будет определяться только формой, и это приведет к тому, что размер сферы шаровой молнии станет устойчивым.

Действительно, предположим, что интенсивность поглощаемых колебаний увеличивается, тогда температура ионизованного газа несколько повысится и сфера раздуется, но такое увеличение выведет ее из резонанса и поглощение электромагнитных колебаний уменьшится, сфера остынет и вернется к размерам, близким к резонансным.

Таким образом можно объяснить, почему наблюдаемый диаметр шаровой молнии в процессе свечения остается постоянным. Размеры наблюдаемых шаровых молний лежат в интервале от 1 см до 27 м (4). Согласно нашей гипотезе, эти величины, помноженные на четыре, дадут тот диапазон волн, который ответственен в природе за создание шаровых молний. Наиболее часто наблюдаемым диаметром шаровых молний от 10 до 20 см (1) соответствуют длины волн от 35 до 70 см. Местами, наиболее благоприятными для образования шаровых молний, очевидно, будут области, где радиоволны достигают наибольшей интенсивности. Такие места будут соответствовать пучностям напряжения, которые получаются при разнообразных возможных интерференционных явлениях. Благодаря повышенному напряжению электрического поля в пучностях, их положение будет фиксировать возможные места шаровой молнии. Такой механизм приводит к тому, что шаровая молния будет передвигаться с передвижением пучности, независимо от направления ветра или конвекционных потоков воздуха (1. 2).

Как возможный пример такого фиксированного положения шаровой молнии рассмотрим случай, когда радиоволны падают на проводящую поверхность земли и отражаются. Тогда благодаря интерференции образуются стоячие волны и на расстояниях, равных 1, длине волны, помноженной на 0,25; 0,75; 1,25; 1,75 и т. д., будут образовываться неподвижные в пространстве пучности, в которых напряжение электрического поля удваивается по сравнению с падающей волной. Вблизи этих поверхностей благодаря повышенному напряжению будут благоприятные условия, как для создания начального пробоя, так и для дальнейшего развития и поддержания ионизации в облаке, образующем шаровую молнию. Таким образом, поглощение электромагнитных колебаний ионизованным газом может происходить только в определенных поверхностях, параллельных рельефу земли. Это и будет фиксировать в пространстве положение шаровой молнии. Такой механизм объясняет, почему шаровая молния обычно создается на небольшом расстоянии от земли и часто передвигается в горизонтальных плоскостях. При этом наименьшее расстояние центра шаровой молнии до проводящей поверхности будет равно 1/4 длины волны и, следовательно, зазор между отражающей поверхностью и краем шара должен быть примерно равен его радиусу.

При интенсивных колебаниях вполне возможно, чтобы в ряде пучностей образовывались отдельные шаровые молнии, на расстоянии полудлины волны друг от друга. Такие цепочки из шаровых молний наблюдаются, они носят название "четочных" молний и даже были засняты (2). Наша гипотеза также может объяснить, почему иногда шаровая молния пропадает со взрывом, который не причиняет разрушений (1, 2). Когда подвод мощности внезапно прекращается, то при малых размерах остывание шара произойдет так быстро, что образуется сфера разреженного воздуха, при быстром заполнении которой возникает ударная волна небольшой силы. Когда же энергия медленно высвечивается, гашение будет процессом спокойным и бесшумным.

Выдвинутая нами гипотеза может дать удовлетворительное объяснение, пожалуй, наиболее непонятному из свойств шаровой молнии — ее проникновению в помещение через окна, щели и чаще через печные трубы. Попав в помещение, светящийся шар в продолжение нескольких секунд либо парит, либо бегает по проводам (1, 2, 4). Таких случаев описано столько, что их реальность не вызывает сомнения. С нашей точки зрения, весьма интересен случай (5), когда в аэроплан, пересекающий грозовую тучу на высоте 2800 м, влетела шаровая молния. Нашей гипотезой все эти явления объясняются тем, что проникновение в замкнутые помещения шаровых молний происходит благодаря тому, что они следуют по пути коротковолновых электромагнитных колебаний, распространяющихся либо через отверстия, либо по печным трубам или проводам как по волноводам. Обычно размер печной трубы как раз соответствует тому критическому сечению волновода, в котором могут свободно распространяться волны длиною до 30–40 см, что и находится в соответствии с наблюдаемыми размерами шаровых молний, проникающих в помещение (1).

Таким образом, гипотеза о происхождении шаровой молнии за счет коротковолновых электромагнитных колебаний не только может решать основное противоречие с законом сохранения энергии, но может также объяснить ряд других известных и непонятных явлений, связанных с явлением шаровой молнии, как то: ее фиксированные размеры, малоподвижное положение, существование цепочек, взрывная волна при исчезновении, а также проникновение в помещение. Тут следует поставить вопрос, не происходит ли давно наблюдаемое в природе явление тлеющего кистеобразного свечения, называемого "огни св. Эльма", также за счет электромагнитных колебаний, но более слабых мощностей. До сих пор (6) это свечение объяснялось стеканием зарядов с острия, происходящим благодаря постоянному напряжению, возникающему при больших разностях потенциалов между землей и тучей. Такое объяснение было вполне естественно до тех пор, пока это свечение не наблюдалось на земле, где можно указать замкнутый путь постоянного тока, но теперь описаны случаи, когда "огни св. Эльма" продолжительное время наблюдаются на фюзеляжах летящих самолетов (7). Поэтому возможно, что и тут выдвинутая нами гипотеза может помочь решению трудности.

Хотя выдвинутая гипотеза успешно разрешает ряд основных трудностей понимания процесса шаровой молнии, все же следует указать, что этим еще вопрос до конца не решается, так как нужно еще показать существование в природе электромагнитных колебаний, питающих шаровую молнию. Тут в первую очередь нужно ответить на естественно возникающий вопрос: почему во время грозы излучения электромагнитных колебаний в области той длины волны, которая нужна для создания шаровой молнии, до сих пор не описаны в литературе? Пока еще не было направлено внимание на обнаружение во время грозы этих волн, нам думается, можно предположить следующее. Поскольку шаровая молния — редкое явление, то естественно считать, что возникновение соответствующих радиоволн тоже редко происходит, кроме того еще реже можно ожидать, чтобы они попадали на приемные аппараты в той коротковолновой области радиоволн от 35 до 70 см, которая пока еще сравнительно мало используется. Поэтому как следующий шаг проверки выдвинутых предположений следует выработать соответствующий экспериментальный метод наблюдения, попытаться обнаружить во время грозы радиоизлучения в указанном коротковолновом диапазоне волн. Что касается источника этих радиоволн, то, по-видимому, есть два факта в наблюдениях над шаровыми молниями, которые могут помочь пролить свет на механизм их возникновения. Один из них — то, что шаровая молния наиболее часто возникает к концу грозы, второй — то, что шаровой молнии непосредственно предшествует обычная. Первый факт указывает, что наличие ионизованного воздуха помогает созданию радиоволн, а второй, что возбудителем этих колебаний является грозовой разряд. Это ведет к естественному предположению, что источником радиоволн является колебательный процесс, происходящий в ионизованной атмосфере либо у тучи либо у земли. В последнем случае, если источник находится у земли, то район, захваченный интенсивным радиоизлучением будет ограничен и будет непосредственно прилегать к месту, где находится шаровая молния. Интенсивность радиоколебаний может быстро падать при удалении от этого места, и поэтому на значительных расстояниях для наблюдения будет нужна чувствительная аппаратура. Если радиоволны излучаются самой грозовой тучей, то они будут захватывать большие районы и их обнаружение даже малочувствительным приемником не представит труда. Наконец, как второе возможное направление для экспериментальной проверки выдвинутой гипотезы надо указать на возможность создания разряда, подобного шаровой молнии, в лабораторных условиях. Для этого, очевидно, нужно располагать мощным источником радиоволн непрерывной интенсивности в дециметровом диапазоне и уметь их фокусировать в небольшом объеме. При достаточном напряжении электрического поля должны возникнуть условия для безэлектродного пробоя, который путем ионизационного резонансного поглощения плазмой должен развиться в светящийся шар с диаметром, равным примерно четверти длины волны.

_{ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА}

_{1. W. Brand, Der Kugelblitz, Hamburg, 1923.}

_{2. И. С. Стекольников, Физика молнии и грозозащита, Изд. АН СССР, 1943, стр. 145.}

_{3. The Effects of Atomic Weapons, § 2.15, London, 1950.}

_{4. F. Rossmann, Ober den Kugelblitz, Wetter und Klilna, Marz-April, 1949, S. 75.}

_{5. J. Durward, Nature, 563, April (1952).}

_{6. Г. Бенидорф, Атмосферное электричество (пер, с нем.) М., 1934, стр. 51.}

_{7. В. F. J. Schonland, The Flight of Thunderbolts, Oxford, 1950, p. 47.}

Владимир Ацюковский

Что же такое шаровая молния и какова ее природа?

Шаровая молния — это одиночная ярко светящаяся относительно стабильная небольшая масса, которая наблюдается в атмосфере, плавающая в воздухе и перемещающаяся вместе с потоками воздуха, содержащая в своем теле большую энергию, исчезающая тихо или с большим шумом типа взрыва и не оставляющая после своего исчезновения никаких материальных следов, кроме тех разрушений, которые она успела натворить.

Обычно возникновение шаровой молнии связано с грозовыми явлениями и естественной линейной молнией. Но это не обязательно. Известны случаи, когда шаровая молния выскакивает ни с того ни с сего из обычной штепсельной розетки, из магнитного пускателя, укрепленного на токарном станке. Также были случаи внезапного появления шаровой молнии на крыле летящего самолета, устойчиво перемещающейся по крылу от его конца к фюзеляжу.

Создано значительное количество гипотез о природе и структуре шаровой молнии, такие, как светящееся облако ионов воздуха, подпитываемых извне; плазменные и химические теории; кластерные гипотезы (молния состоит из кластеров — гидратных оболочек ионов) и даже предположение о том, что шаровая молния состоит из антивещества и управляется внеземными цивилизациями. Общим недостатком всех подобных теорий, гипотез и моделей шаровой молнии является то, что они не объясняют всех ее свойств в совокупности.

Каковы же свойства шаровых молний, почерпнутые из наблюдений за их поведением? Попробуем их перечислить:

— размер устойчивой шаровой молнии составляет от единиц до десятков сантиметров;

— форма — шарообразная или грушевидная, но иногда расплывчатая, по форме прилегающего предмета;

— яркая светимость, видимая в дневное время;

— высокое энергосодержание — 10³–10⁷ Дж (однажды шаровая молния, забравшись в бочку с водой, испарила 70 кг воды);

— удельная масса, совпадающая практически с удельной массой воздуха в районе появления (шаровая молния свободно плавает в воздухе на любой высоте);

— способность прилипать к металлическим предметам;

— способность проникать сквозь диэлектрик, в частности сквозь стекла;

— способность деформироваться и проникать в помещения через малые отверстия типа замочных скважин, а также сквозь стены, по линиям проводов и т. п.;

— способность взрываться самопроизвольно либо при соприкосновении с предметом;

— способность поднимать и передвигать различные предметы; а также некоторые другие свойства, менее существенные.

С точки зрения эфиродинамики шаровая молния — это тороидальный винтовой вихрь слабо сжатого эфира, отделенный пограничным слоем эфира от окружающего эфира. Энергия шаровой молнии — это энергия потоков эфира в теле молнии.

Численные оценки показывают, что при диаметре 6 см и энергосодержании в 107 Дж, при толщине стенки тороида 1 см и при начальном диаметре эфирного шара 60 м (граница магнитного поля в момент прохождения обычной молнии) общая энергия за счет сжатия шара окружающим эфиром возрастет пропорционально квадрату отношения начального и конечного диаметров, т. е. в миллион раз! То есть для обеспечения энергосодержания шара с энергией в десять миллионов джоулей достаточно, чтобы начальное содержание энергии в потоках эфира было всего десять джоулей. При этом за счет сжатия плотность тела молнии также возрастет в миллион раз и составит 10-5 кг/м³. Общая масса молнии при этом составит 10-9 кг или 1 мкг, в то время как масса воздуха в этом объеме при давлении в 760 мм рт. ст. будет равна 100 мг, т. е. в 100 тысяч раз больше. Вот поэтому шаровая молния и держится в воздухе на любой высоте за счет сцепления эфирных потоков тела молнии с эфирными же потоками тел молекул воздуха.

Высокое энергосодержание молнии будет обеспечиваться соответствующей скоростью потоков эфира в ее теле. Для указанного энергосодержания она должна составить 1,4∙10⁷ м/с, что значительно меньше скорости света.

Свечение воздуха — это несущественное следствие возбуждения молекул воздуха потоками эфира, сопутствующее, энергетически незначительное явление. Таким образом, все эфиродинамические параметры шаровой молнии весьма умеренные. Саму молнию можно трактовать, с определенными натяжками, конечно, как сильно сжатое и локализованное в пространстве магнитное поле.

Несложно видеть, что предлагаемая модель позволяет объяснить все основные свойства шаровой молнии, исключая, разве что, исчезновение браслета с руки человека (действительный случай), — размер, форму, светимость, высокое энергосодержание, удельную массу. Способность прилипать к металлам объясняется наличием градиента скоростей в потоках эфира вблизи металла и снижением в связи с этим давления эфира между телом молнии и металлом. Тем же объясняется и подъемная сила молнии. Случай с летящим самолетом, когда шаровая молния прилипла к крылу, объясняется этим же. Потоки эфира возбуждают молекулы газа, которые прекращают свечение, как только они покидают тело молнии.

Потоки эфира свободно проникают сквозь изолятор аналогично магнитному полю. Поскольку свечение воздуха является попутным явлением, то понятно, что воздух, выйдя из тела молнии, светиться перестанет, а после того, как молния окажется по другую сторону изолятора, например оконного стекла, новая часть воздуха, попавшая в ее тело, начнет светиться, создавая впечатление, что сквозь стекло прошло именно само свечение.

Взрыв автономно существующей шаровой молнии несложно объясняется потерей устойчивости пограничного слоя эфира, что может быть ускорено соприкосновением тела молнии с каким-нибудь предметом.

После взрыва никаких следов от молнии, кроме произведенных разрушений, не должно остаться, реально их и нет.

Таким образом, эфиродинамическая модель шаровой молнии объясняет практически все основные свойства шаровой молнии в совокупности.

Шаровая молния, по мнению автора, является ключом к разрешению энергетической проблемы.

Поскольку при сжатии тела молнии эфиром происходит самопроизвольный переход потенциальной энергии эфира (хаотического движения амеров) в кинетическую (упорядоченное движение амеров), то шаровая молния является природным механизмом получения энергии из эфира. А поскольку эфир распространен повсеместно, то искусственные шаровые молнии позволили бы полностью решить проблему бессырьевого получения экологически чистой энергии в том количестве, которое необходимо в данном месте в данное время.

Как можно получить шаровую молнию? Этого сегодня практически не знает никто. Можно, однако, высказать некоторые предположения.

Если по проводнику пропустить ток, а затем его резко оборвать, то окружающее проводник магнитное поле должно схлопнуться, самопроизвольно сжаться, локализоваться и образовать тело шаровой молнии. Однако такое схлопывание произойдет лишь в том случае, если будут созданы условия образования градиентного течения эфира на поверхности магнитного поля, если форма магнитного поля будет приближена к шаровой и если ток в проводнике будет оборван так резко, чтобы магнитное поле не успело спрятаться обратно в проводник. Все это требует крайне коротких фронтов импульсов, длительность которых не должна превышать десятых долей наносекунд при значениях токов в проводнике в десятки тысяч ампер.

Электронные ключи, которые должны все это обеспечить, должны не только прерывать такие большие токи, но еще и противостоять электродвижущей силе самоиндукции в десятки и даже сотни киловольт, а собственная емкость этих ключей не должна превышать единиц пикофарад. Электронные ключи с подобными параметрами пока не созданы, и неизвестно, можно ли их вообще создать.

Естественно, приходит на ум в качестве таких ключей использовать газовые или вакуумные разрядники. Но и разрядников с такими параметрами тоже не существует. Однако природа как-то умудряется обходиться и без электронных ключей, и без разрядников, и даже без гроз. Как это удается природе? Это одна из загадок, которую наука вынуждена будет решать, если хочет реально обеспечить человечество дешевой экологически чистой энергией в любом количестве в любой точке пространства и в любое время.

Маханьков Ю. П.

Появление шаровой молнии, как правило, связано с грозовой деятельностью протекающей в атмосфере, поэтому прежде чем пытаться понять ее внутреннее строение, необходимо представить те внешние условия, в которых происходит ее образование и существование.

Рассмотрим, каким образом происходит образование обычной молнии, и какие электрические процессы сопутствуют этим явлениям. В результате трения падающих капель воды о воздух происходит их электризация, величина которой определяется относительной скоростью движения в воздухе и энергией связи внешних электронов в атомах составляющих молекулы воды и воздуха. Знак заряда обусловлен тем, какие атомы, воды или встречного потока воздуха, легче отдают свои валентные электроны. В данном случае это будут капли воды, в состав которых входит водород относящийся к группе металлов.

Потеря электронов каплями воды будет происходить при их ускоренном движении относительно воздуха, так как положительный заряд, который образуется на каплях будет притягивать обратно электроны из окружающей среды, таким образом, при постоянной скорости устанавливается равновесие и заряд капли изменяться не будет.

Процесс ускоренного движения происходит в пределах области тучи, когда идет рост массы капли, за счет ее движения в среде насыщенной водяным паром. Ускорение при этом обуславливается за счет ускорения свободного падения минус ускорение, создаваемое за счет присоединения частиц пара и сопротивлением воздуха. За пределами тучи ускорение движения капли происходит под действием сил гравитации и сопротивления воздуха. По мере приближения к земле оно будет отрицательным, так как возрастает плотность воздуха, а за счет испарения уменьшается вес капли.

В результате сложного движения капли, ее заряд будет изменяться в процессе всего полета. При движении в верхней и средней области облака, когда капля испытывает положительное ускорение, а масса ее возрастает, она, теряя электроны, приобретает положительный заряд, в то время как окружающее пространство накапливает отрицательный заряд. При выходе из облака, когда ускорение становится отрицательным, а капля, на которой сосредоточен положительный заряд, испаряется, она теряет часть своего заряда. Но чем больший положительный заряд будет иметь окружающий воздух, в результате своего взаимодействия с потоком предыдущих капель, тем меньший положительный заряд будет терять капля. При падении на землю накопленные каплей положительные заряды заряжают послед-

Таким образом, при прохождении дождя или снега в области облака накапливается избыток электронов, т. е. отрицательный заряд. На поверхности и над поверхностью земли будет иметь место недостаток электронов, что соответствует положительному заряду. При этом над поверхностью земли уровень положительной ионизации воздуха, в основном, определяется температурным режимом и влажностью, так как от них зависит скорость испарения падающих капель. Положительно заряженная масса воздуха, расположенная над поверхностью земли, будет дрейфовать под действием электрического поля между облаком и землей вверх, создавая восходящие потоки. Кроме этого одноименно заряженные молекулы воздуха будут отталкиваться друг от друга с некоторой силой, которая в сумме с барометрическим давлением, существующем в положительно заряженном воздухе, будет равна давлению незаряженной воздушной массы. Таким образом, образуется область пониженной плотности воздушной массы, при неизменном давлении во всем пространстве, которая будет подниматься вверх в среде атмосферы с большей плотностью за счет силы Архимеда.

Рис. 1. Накопление зарядов в облаке.

С другой стороны на отрицательно заряженную часть облака, будет действовать сила притяжения со стороны положительно заряженной массы воздуха и земли, направленная вниз, сила Архимеда направленная вверх, а также сила направленная вверх за счет подъема положительно заряженной массы воздуха. В результате часть облака будет выноситься в верхние слои атмосферы, где в зависимости от высоты будет иметь место отрицательная температура, что может привести к образованию града.

Облако и восходящий поток воздуха при встречном движении образуют область нейтрализации зарядов. В области нейтрализации зарядов возникнет повышенное давление. Растекание нейтрально заряженного воздуха порождает турбулентность движущихся потоков.

Между разноименно заряженными ионами встречно-двигающихся потоков будет находиться своего рода изолятор из нейтрального газа, который все время пополняется за счет нейтрализации положительных и отрицательных ионов при их рекомбинации. За счет турбулентности движения потоков направление движения части массы воздуха и капель воды в туче совпадает в области, где происходит нейтрализация ионов и воздух «неподвижен», а ниже этой области направлен навстречу падающей капле. В результате такого движения капля, попадая в область «неподвижного» воздуха, будет отдавать этой области свои электроны, заряжая ее за счет положительного ускорения относительно окружающего воздуха. Следует учитывать, что капля в начале движения находилась в области с избытком электронов и, отдавая часть своих электронов, осталась отрицательно заряженной. При дальнейшем движении капли в области с положительными ионами, движущимися навстречу, происходит дальнейшая потеря электронов с ее стороны. В результате отрицательные заряды, накапливаемые в верхней и средней частях облака, будут перемещаться к границе раздела между положительно и отрицательно заряженными областями атмосферы. Сама граница раздела, состоящая из нейтрального газа также будет опускаться к земле.

По мере накопления зарядов на земле и в облаке возрастает напряженность электрического поля, а заряды будут сосредотачиваться на обращенных друг к другу поверхностях. Известно, что наибольшая напряженность поля будет на выступающих местах: молниеотводы, деревья, высотные сооружения. Наступает электрический пробой, образуется канал молнии и происходит нейтрализация зарядов накопленных в облаке и положительно заряженной массе воздуха. Пробой наступает не «в землю», а «в положительно заряженную область» воздуха, которая поднимается от земли и находится значительно ближе чем молниеотводы и высотные сооружения. Пробивается промежуток состоящий из «нейтрального» воздуха, который расположен между разноименными зарядами, а для этого не нужна разность потенциалов в миллиарды вольт, которая необходима для пробоя промежутков измеряемых километрами.

Явление пробоя примечательно тем, что плотность отрицательных зарядов изолирующего слоя из «нейтрального» воздуха с одной стороны, значительно превышает плотность положительных с другой, поэтому электроны, попадают при пробое в область с положительными ионами и перезаряжают последние. В результате отталкивания между отрицательными ионами образуется зона пониженного давления. Она обладает высокой электропроводностью и поэтому заполняется свободными электронами. Под действием электрического поля к этой зоне начинают перемещаться положительные ионы воздуха из окружающего пространства. Попадая на границу раздела положительно заряженные ионы частично рекомбинируют, а при дальнейшем перемещении к центру, под действием разницы давлений, перезаряжаются и выталкиваются электрическим полем. В процессе нейтрализации ионов образуется плазма, которая экранирует поле электронов и таким образом уменьшает взаимодействие электронов расположенных в зоне разряжения с окружающими ее положительными зарядами (радиус Дебая). Вокруг ствола молнии образуется достаточное для экранирования «количество» плазмы, препятствуя таким образом его разрушению. Образующаяся таким образом голова ствола молнии, к которой начинают перемещаться положительно заряженные ионы воздуха из окружающего пространства, оказывается слабо экранированной и электроны, стекая к ней, будут стремится к области с большим положительным потенциалом. Перемещение головы ствола молнии будет происходить к ближайшей положительно заряженной области. Последние распределены в пространстве случайно, поэтому перемещение головы выглядит зигзагообразным. В процессе нейтрализации ионы молекул воздуха будут подвергаться действию повышенного давления возникающему за счет встречного перемещения отрицательных и положительных ионов, что в свою очередь будет препятствовать их перемещению, а, следовательно, и разрушению канала молнии.

Об устойчивости существования канала молнии говорит тот факт, что у автора этой гипотезы имеются записи регистрации разрядов под Санкт-Петербургом, длительность которых достигала 7 секунд и это были не единичные явления.

Таким образом, канал молнии в разрезе можно представить моделью, представленной на рисунке. Она являет собой своего рода «вакуумный» проводник, частично изолированный от внешнего пространства слоем ионизированного воздуха под высоким давлением, а также плазмой, которая экранирует электрическое поле. При разрушении этого проводника происходит взрыв — заполнение разреженного пространства и разрушение оболочки канала молнии, что мы и слышим как гром. В конечном итоге перемещение головы молнии заканчивается там, где окажется сосредоточенным ближайший наибольший положительный заряд, который в состоянии нейтрализовать электроны поступающие по каналу молнии. Таким образом, происходит образование канала молнии и разряд накопленного электрического заряда через этот канал.

Рис. 2. Формирование ствола молнии:

_{1 — пространство насыщенное положительно заряженными ионами;}

_{2 — область высокого давления;}

_{3 — область, где происходит ионизация молекул воздуха электронами;}

_{4 — область низкого давления занятая электронами.}

В результате разряда, заряд земли и облака может значительно уменьшится, однако заряд ионов воздуха практически не меняется. Более того, если учесть, что ток, который протекает по каналу молнии, создает значительные магнитные поля, а сам канал обладает большой протяженностью, следовательно, и индуктивностью, то возможно такое перераспределение, при котором заряд участка земли станет отрицательным, а облака положительным. Ионизированный воздух, который раньше отталкивался от земли, теперь будет к ней притягиваться. В результате положительно заряженное облако воздуха под действие электрических сил будет прижиматься к земле. Таким образом, образуется область, в которой достаточно долгое время существуют два противоположных связанных заряда — один из них сосредоточен в ионизированном воздухе, а другой в земле.

В этом случае разряд молнии будет происходить между отрицательно и положительно заряженными областями. При этом поток электронов будет двигаться вниз до тех пор, пока отрицательный заряд земли не станет его отталкивать. Таким образом поток электронов не доходит до земли, в которой произошло бы его растекание, а сосредотачивается в области положительно ионизированного воздуха, нейтральные молекулы которого являются изолятором. В данном случае речь идет об ионизированном воздухе. Та часть ионов воздуха, которая соприкасается с отрицательно заряженной частью облака рекомбинирует и становясь нейтральными. Таким образом, получается, что в пространстве существуют две области разноименных зарядов изолированных друг от друга. Такая изоляция не является стабильной.

Рис. 3. Устройство шаровой молнии:

_{1 — область низкого давления, занятая электронами;}

_{2 — область, где происходит ионизация молекул воздуха электронами;}

_{3 — область высокого давления (около 100000 атм.), в которой происходит рекомбинация положительно и отрицательно заряженных ионов и образуется экранирующий слой плазмы (радиус Дебая) и изоляции из нейтральных молекул воздуха;}

_{4 — окружающее пространство, насыщенное положительно заряженными ионами.}

В области с одноименно заряженными зарядами возникает разряженное пространство за счет отталкивания. В то же время на границе, где происходит нейтрализация положительно и отрицательно заряженных ионов будет присутствовать область повышенного давления, за счет их притяжения. Наличие области повышенного давления, в которой в основном находятся нейтральные молекулы, значительно уменьшает скорость перемещения ионов в этой области, а также увеличивает напряжение пробоя, которое определяется для газов способностью организации каналов. При рекомбинации будет происходить выделение энергии, в результате чего образуется плазма, которая в значительной степени экранирует электрическое поле, что так же ограничивает скорость встречного перемещения разноименных ионов воздуха. Эти процессы, в конечном счете, определяют время устойчивого существования структуры зарядов, которая называется шаровой молнией. В положительно ионизированную область пространства отрицательные заряды могут попадать не только в результате разряда в эту область новой молнии, они могут поступить туда по проводящим предметам попавшими хотя бы частично в эту область.

В литературе неоднократно описывалось, что шаровые молнии возникают из розеток. В случае с Рихманом, помощником Ломоносова, шаровая молния возникла из разорванного проводника от молниеотвода. Склонность появляться из дымоходов по всей вероятности объясняется тем, что сажа которая там содержится, является проводником, а сами трубы исполняют роль молниеотводов, причем, так как их нижний конец находится в области насыщенной положительными ионами, а не соединен в данном случае с отрицательно заряженной землей, как у молниеотводов, то, несмотря на свою высоту, они явно имеют преимущество перед последними по притягиванию шаровых молний, особенно если учитывать что разрушение отрицательного заряда в земле, за счет падающих положительно зараженных капель, под строениями происходит намного медленнее, например, если стены выполнены из изолирующих материалов (деревянные, сухой кирпич, и т. д.).

На основании вышеизложенного объясним реальное событие. В «Комсомольской правде» промелькнуло сообщение о том, что произошло поражение молнией девушки стоящей недалеко от дерева, в которое угодила молния. При этом пострадала одна туфля и кофточка, все остальное оказалось целым. В данном случае, после удара молнии в дерево, произошел перезаряд земли относительно окружающего воздуха.

Последующий разряд, но теперь уже из земли в положительно заряженный воздух, произошел через девушку. Через ту туфлю, которая лучше проводила электричество. А кофточка, которая обладала изолирующими свойствами и препятствовала перемещению электронов к положительно заряженным ионам воздуха, пострадала, так как не могла выдержать возникшего напряжения. Кроме этого, наибольшая плотность положительных ионов, вероятно, находилась на высоте этой кофточки.

Случаи обратного удара молнии из выступающих над земной поверхностью проводников в окружающую атмосферу с образованием шаровых молний внешне не отличаются от прямых ударов. Этот факт следует учитывать при проектировании и оценке эффективности действия различных устройств грозовой защиты.

Николай Носков

На протяжении столетий многие исследователи во всем мире пытались раскрыть секрет шаровой молнии (далее ШМ), однако природа ее пока все еще остается тайной за семью печатями. Так, в монографии Дж. Барри «Шаровая и четочная молнии» [1] (1983) упоминается около четырехсот авторов, которые изучали яв ление ШМ. Среди них Ломоносов и Рихман (1753), Тейт (1880), Риманн (1897), Гезехус (1899). Особый интерес вызывают авторы, в работах которых высказаны более или менее реальные гипотезы природы ШМ: Рабат (высоковольтный электрический разряд в разряженном газе); Капица [2] (ШМ подпитывается невидимым каналом линейной молнии); Смирнов [3] (перезарядка ионов в плазме на многоэлектронных примесях); Барри (горение углеводородов), Стаханов [4] (образование высокотемпературных кластеров — высокомолекулярных пленок в виде пузырей) и др.

В 1975…1977 гг. Стаханов буквально предпринял штурм по попытке вскрыть природу ШМ. Через журнал «Наука и жизнь» он обратился к населению бывшего СССР с просьбой к очевидцам прислать описания явления ШМ. Пришло более тысячи писем. Стаханов провел обработку полученных сведений. Результаты можно выразить его же словами: «материалы опроса населения еще раз подтвердили, что реальность ШМ не вызывает сомнений, как и то, что вопрос о ее происхождении продолжает оставаться открытым». И следует добавить: «…и пока какая-либо из высказанных гипотез не будет реализована в эксперименте».

Анализ описаний очевидцев показал, что ШМ:

• плазменное образование, имеющее температуру в широких пределах 500…1500 °C (судя по следам оплавления металлических вещей, нагреванию воды в сосудах, ожогам деревьев во время разрушения ШМ). Вместе с тем излучение тепла и лучистой энергии до ее разрушения настолько мало, что она не оставляет никаких следов даже при пролете почти вплотную;

• шаровидное светящееся образование с четкой границей, отделяющей ее от окружающей среды. Движение ШМ не приводит к размыванию этой границы в воздухе (как при горении, например). Оболочка ШМ устойчива и упруга в условиях сильной деформации (при проникновении через щели и отверстия), причем шаровидная форма образования немедленно полностью восстанавливается;

• имеет большой разброс величин энергий (разрушены, например, кирпичная дымовая труба, угол кирпичного дома; образовано углубление в асфальте; нагрета вода в ведре и т. д.);

• способна иметь большой величины электрический заряд, какой не может нести обычное тело такого же объема и массы. (Его силы достаточно, чтобы убить человека, животное, расплавить провода в радиоприемнике или в телефоне, как при коротком замыкании большого тока).

• имеет аномально большое время жизни, колеблющееся от 1 сек до 2 мин. У обычной плазмы оно составляет примерно 10^-3 сек, а рекомбинация ионов длится всего 10^-10 сек (!)

• движется таким образом, что можно сделать заключение: направление ее движения зависит не только от направления ветра, но в большей степени — от напряженности магнитного поля, поскольку она либо выталкивается в область с пониженной напряженностью (закрытое помещение), либо движется по эквипотенциальным линиям магнитного поля (огибает строения, ландшафт на определенном расстоянии). При этом вертикальное электрическое поле на ее движение никак не влияет;

• является продуктом линейной молнии (далее ЛМ), либо другого электрического разряда.

Гипотеза квантовой природы ШМ

Явления, сопровождающие разрушение ШМ, такие как схлопывание, взрыв, большие токи, освобождение тепловой энергии, сохраняющейся при относительно длительном существовании ШМ, — все это принадлежности некой конструкции, долженствующие проявляться естественным образом при соответствующих предпосылках в атмосфере Земли. Анализируя свойства ШМ и характеристики электрических и магнитных полей Земли способом моделирования физических процессов, происходящих при разрядах ЛМ в атмосфере, можно предложить новую гипотезу природы ШМ.

Отклонение ЛМ от вертикального положения наблюдается регулярно. Происходит это из-за того, что проводимость атмосферы неравномерна, поскольку неоднороден химический состав, плотность и влажность воздуха. Можно также часто видеть, как от основного канала молнии отрываются боковые рукава, которые почти мгновенно исчезают в атмосфере. Некоторые из них попадают в благоприятные для появления ШМ условия. Отклонения ЛМ могут произойти и при ударе ее о поверхность Земли, дерево или опору ЛЭП. Что же при этом происходит?

При отклонении ЛМ от вертикального положения в восточном или западном направлениях она попадает под влияние скрещенных магнитного и электрического полей Земли. Электроны плазмы в канале молнии, вращаясь под действием магнитного поля по ларморовскому радиусу (под действием сил Лоренца), одновременно выталкиваются электрическим полем из плазмы за пределы облака положительных ионов. Если при этом силы электростатического притяжения между ионами и электронами оказываются равными центробежным, то электроны попадают на устойчивые квантованные (с квазиклассическим приближением) орбиты вокруг облака ионов и сжимают его в магнитной ловушке.

Такое долгоживущее образование может иметь большой спектр величин запасенной энергии (в нескольких ее видах). Самую существенную ее часть составляет потенциальная электростатическая энергия разделенных зарядов.

Посмотрим, как согласуется предполагаемая модель ШМ с условиями в атмосфере Земли. Силовые линии магнитного поля Земли направлены с севера на юг. Магнитная индукция его колеблется в пределах 3∙10^-5…7∙10^-5 Тл. Напряженность электрического поля, направленного вертикально — от 2,5 до 130 В/м и может достигать во время грозы гораздо больших величин.

Рассчитывая условие равновесия оболочек на орбитах для наиболее распространенного случая наблюдаемой ШМ диаметром 10 см, получим следующие данные: скорость электронов на орбитах — 80 м/с (сравните, скорость электронов в канале ЛМ — < 105 м/с); магнитная индукция для получения ларморовского радиуса 5 см при скорости электронов 80 м/с должна быть 10^-8 Тл (сравните, магнитное поле Земли — 3∙10^-5 Тл). Таким образом, для образования ШМ необходимо, чтобы скорость электронов в ЛМ весьма замедлилась, а магнитная индукция Земли была бы сильно ослаблена.

Замедление скорости электронов вполне возможно при отклонении рукава ЛМ от основного канала. Что же касается ослабления магнитной индукции, то оно может произойти лишь вблизи канала ЛМ, как результат влияния ее вихревого магнитного поля, поскольку она представляет собой ток, который может достигать величины 4∙10⁴ А.

Расчет также показывает, что для образования одной электронной оболочки ШМ (принятой величины) необходимо примерно 2∙10⁹ электронов (исходя из принципа Паули). А для того, чтобы конструкция ШМ была устойчива к магнитному полю Земли, таких оболочек необходимо около 10³. В этом случае ионизация плазмы составит всего около 1 %, что вполне реально при таких температурах.

Состояние материи, которое достигается разделением зарядов и образованием устойчивой конфигурации с движением электронов в оболочках вокруг облака положительных ионов, уже не может называться плазмой, поскольку нарушена ее квазинейтральность. Вместе с тем, при разрушении ШМ вещество вновь проходит состояние плазмы. При этом выделяется тепловая энергия, которая была законсервирована работой электрического поля в потенциальной энергии разделения зарядов и в движении электронов на орбитах.

Законсервированная энергия магнитного и электрического полей в ШМ может выделяться при ее разрушении не только в виде тепла, но и еще в двух уникальных проявлениях.

Так, если толщина (количество) электронных оболочек значительна, то связь наружных оболочек с «ядром» из ионов ослаблена, и они могут инициировать мощный импульс тока, соприкоснувшись с проводником. При этом ШМ сначала частично разрядится, а затем заберет этот заряд обратно. При полном ее разрушении также возникает двойной импульс тока: разряжается сначала оболочка из электронов, а затем ионы из «ядра» забирают эти электроны назад и рекомбинируют с выделением тепла.

Кроме этого, ШМ может «работать» и как вакуумная бомба. Дело в том, что начальная температура атомов и ионов внутри оболочки из электронов, служащей непроницаемым барьером для атомов и электронов как изнутри, так и снаружи, не может из-за потерь на излучение долго сохраняться. Разряжение, которое появляется при этом внутри оболочки, увеличивается до тех пор, пока она не будет раздавлена разницей давлений и не схлопнется (это и определяет время жизни ШМ). Если толщина оболочки небольшая, то схлопывание произойдет мягко, без особых эксцессов (как в большинстве наблюдаемых случаях), но если эта толщина значительная, то схлопывание приобретает характер взрыва, вызывая сильные разрушения. Взрыв происходит на фоне импульса тока на проводник и выделения тепловой энергии рекомбинации ионов.

Необходимо указать на возможное разнообразие химического состава ШМ (на что явственно указывает цвет излучения). Скорость электронов в ЛМ колеблется в широком диапазоне, следовательно, и температура плазмы также имеет различные значения, что определяет, в свою очередь, атомы каких газов могут участвовать в образовании ШМ.

Итак, поскольку для ее появления требуются особые предпосылки в атмосфере Земли, шаровая молния, во-первых, достаточно редкое явление; и, во-вторых, не получена (хотя бы случайно) в лаборатории. Последнее осуществимо лишь при создании ряда необходимых условий, а именно:

• наличие ослабленного магнитного поля поперек движения плазмы сообразно величине, рассчитываемой ШМ (по количеству атомов и молекул при предполагаемой температуре);

• создание сильного электрического поля, скрещенного с магнитным и с направлением движения плазмы;

• удлинение времени жизни плазмы (например, с помощью перезарядок на многоэлектронных ионах), чтобы оно было больше времени дрейфа электронов до попадания их в оболочку под действием электрического поля;

• создание движущейся плазмы в скрещенных магнитном и электрическом полях. Для этого необходима специальная лабораторная установка (например, по типу описанной в книге В. Г. Чейса и Г. К. Мура «Взрывающиеся проволочки» М. 1963 [5]) и легированный материал (металл с примесями), имеющий малую работу плавления, испарения и ионизации.

_{Литература:}

_{1. Дж. Барри. Шаровая молния и четочная молния. Пер. с англ., Мир, М., 1983.}

_{2. П.Л. Капица. О природе шаровой молнии. Докл. АН СССР, т. 101, № 2, стр. 245, 1955.}

_{3. Б. М. Смирнов. Процессы в шаровой молнии. Ж. Техн. Физ., т. 47, стр. 814, 1977.}

_{4. И.П. Стаханов. О физической природе шаровой молнии. Энергоатомиздат, М., 1985.}

_{5. Взрывающиеся проволочки. Сб. под ред. В. Г. Чейса и Г. К. Мура, пер. с англ., Изд. ин. лит., М., 1963.}

Константин Резуев

Начнем с некоторых предположений. Во-первых, шаровая молния (ШМ) существует без подвода энергии извне, т. е. энергия необходима только в начальный момент. После образования (например, в результате электрического разряда) ШМ существует без поглощения дополнительной энергии. Во-вторых, ШМ состоит из плазмы, т. е. из полностью ионизированного вещества.

Как же происходит образование ШМ. Предположим, что за счёт подвода большого количества энергии (например, при мощном электрическом разряде), в некотором объёме образовалась плазма (рис. 1а.).

Рис. 1. Последовательность формирования ШМ

При одной и той же энергии, скорости движения электронов намного больше, скорости ядер. Электроны первыми покидают объём плазмы, ионизируя на своём пути некоторый объём окружающего воздуха. В итоге на этом этапе образуется внутренняя, положительно заряженная область, состоящая из ядер и окружающий эту область, ионизированный газ (рис. 1б). Свободные электроны ионизированного газа ускоряются внутрь положительно заряженной области, достигая в её центре максимальной энергии. В итоге получаем картину, изображенную на рис. 1в. За счёт разлёта ядер, в центре образуется область с очень маленькой концентрацией ядер. Будем считать, что в этой области находятся только электроны. При таком распределении заряда имеем: центральный отрицательный заряд замедляет электроны, движущиеся из области ионизированного газа, и поэтому максимум энергии электронов будет находиться не в центре ШМ а на сфере, обозначенной на рис. 1в пунктирной линией. Этот же центральный заряд замедляет ядра, разлетающиеся от центра ШМ. Атомы воздуха не могут помешать этим процессам т. к. их скорости намного меньше скоростей выше рассмотренных частиц, и процесс формирования ШМ успевает закончиться, прежде чем атомы воздуха пройдут какое-либо значимое расстояние. В дальнейшем происходит увеличение отрицательного заряда в центре, который уже способен замедлить и ускорить при движении к центру положительные ядра. Через некоторое время наступает равновесное состояние, которое и рассмотрим. Примем такую модель ШМ.

Рис. 2. Разрез шаровой молнии

На рис. 2 представлен разрез ШМ. Движение ядер и электронов, составляющих ШМ — это колебательные движения под действием электрического поля. Все ядра, т. е. практически вся масса ШМ, находятся внутри коричневой сферы с точками В1 и В. В объёме, ограниченном красной и коричневой линиями энергия ядер равна нулю. При движении к центру ШМ ядра ускоряются, приобретая в центре максимальную энергию. Двигаясь от центра они замедляются до нулевой энергии в промежутке между точками А и В. Такое движение положительно заряженных ядер обусловлено центральным отрицательным зарядом. Теперь рассмотрим движение электронов. Они имеют максимальную энергию на сфере с точкой В, а нулевую энергию в центре ШМ между синей и голубой линиями (линии с точками С и D), т. е. электроны ускоряются от точки D до точки В, после чего замедляются при движении к центру ШМ. После этого вновь разгоняются к точке В и замедляются при движении к точке D. Рассмотрим распределение заряда по радиусу ШМ. Такое распределение представлено на рис. 3.

Рис. 3. Распределение заряда по радиусу ШМ

Каким образом получается такое распределение заряда? Частицы в разных точках по радиусу ШМ имеют разные энергии, а значит и разные скорости. Чем больше скорость частицы в какой-то области, тем меньше время её нахождения в этой области и меньший заряд сосредоточивается в данном объёме. И наоборот, чем меньше энергия частиц в каком-то объёме, тем больший заряд сосредоточен в этом месте. Энергия электронов минимальна в центре ШМ и в интервале между точками С и D, а энергия ядер в интервале между точками А и В. Это значит, что в этих местах сосредоточены отрицательный и положительный заряды. Это показано на рис. 3. Положительный заряд в области точки Е обусловлен другими причинами, которые рассматриваются ниже. Эти заряды создают внутри ШМ электрическое поле. Распределение потенциала и напряженность этого поля представлены на рис. 4 и рис. 5.

Рис. 4. Распределение потенциала электрического поля f по радиусу шаровой молнии

Рис. 5. Распределение напряженности электрического поля по радиусу шаровой молнии

Из всех вышеприведённых графиков, можно сделать некоторые выводы. В центре сосредоточен отрицательный заряд, который хоть и меньше, примерно в два раза, положительного заряда с максимумом на сфере с точкой А, тем не менее создаёт возрастание потенциала электрического поля от центра ШМ до точки В, и если максимальная энергия ядра делённая на заряд ядра меньше разности потенциалов между точками О и В, то такое ядро не может проникнуть за точку В и покинуть пределы ШМ.

Для иллюстрации этого утверждения, рассмотрим задачу. Имеем центральный отрицательный заряд в точке О и распределенный по сфере с центром в точке О положительный заряд в два раза больший по величине. В результате на пробный, положительный заряд, помещённый на поверхность сферы, будет действовать результирующая кулоновская сила, направленная в центр сферы, т. е. влияние центрального отрицательного заряда будет больше, чем влияние положительного заряда, распределённого по сфере. Таким образом, центральный заряд удерживает около себя положительно заряженные ядра. С другой стороны, суммарный заряд внутри сферы с точкой В будет положительным. И уже этот положительный заряд не даёт электронам (т. к. они заряжены отрицательно) вылететь дальше точки Е и покинуть пределы ШМ.

Теперь рассмотрим вопрос, как частицы ШМ взаимодействуют с окружающим её атомами воздуха. На периферии ШМ находятся только электроны и чем ближе они к границе, тем меньше их энергия. Основное взаимодействие с атомами газа происходит в той области, где энергия электронов близка к тепловой энергии. Процесс взаимодействия атомов воздуха с электронами ШМ схематично показан на рис. 6.

Рис. 6. Взаимодействие электронов ШМ с атомами воздуха

Атомы воздуха взаимодействуют со встречным потоком электронов. В голубой области (рис. 6) энергия электронов приблизительно равна тепловой и взаимодействие с атомами будет упругим, т. к. энергии электрона не хватает на возбуждение электронных оболочек, а тем более на ионизацию атома. В то же время её хватает для сообщения атому импульса обратного направления. Здесь необходимо отметить, что изменение направления движения частиц в центральном потенциальном поле не приводит к уменьшению средней энергии колебаний. Существует вероятность того, что атом пройдёт эту область, попав в оранжевую область с более высокой энергией электронов (эта вероятность зависит от плотности потока электронов). В этом случае атом ионизируется, электрон переходит в состав ШМ, а ион выталкивается электрическим полем за её пределы. В итоге получаем, что внутри сферы с точкой D (рис. 2) ШМ заряжена отрицательно. Ионы будут накапливаться на сфере с точкой Е (рис. 2). Это та точка, где заканчивается влияние положительно заряженного объёма внутри сферы с точкой В (рис. 2) и сказывается общий отрицательный заряд ШМ, т. е. эти ионы можно считать частью ШМ. С учётом этого положительного заряда ШМ будет электрически нейтральной.

В результате такого взаимодействия электроны теряют небольшую часть энергии, т. к. это взаимодействие происходит в области низких энергий электронов. С другой стороны, потеря электронами энергии, уменьшает радиус ШМ. Это приводит к уменьшению поверхности ШМ и к увеличению плотности потока электронов через неё, что в свою очередь, уменьшает вероятность проникновения атомов воздуха в область электронов с высокой энергией. Таким образом, ШМ всё время старается прийти в равновесное состояние.

Теперь рассмотрим, как эта модель согласуется с описанным наблюдателями, поведением ШМ в естественных условиях.

Свечение ШМ, запах озона легко объяснить проникновением атомов и молекул воздуха в область больших энергий электронов. Вследствие этого, происходит ионизация или возбуждение электронных оболочек атомов, разрушение химических связей.

Если создались условия и ШМ потеряла устойчивость (например, столкновение с твёрдым предметом), то происходит мгновенный выброс энергии, сконцентрированной в ШМ. Это можно расценить, как взрыв. Если же ШМ потеряет всю энергию постепенно, то это будет выглядеть как будто она «растаяла» в воздухе.

Рассмотрим рис. 7, на котором показано взаимодействие ШМ с твёрдыми объектами. Если при этом взаимодействии ШМ не потеряла устойчивость, то та часть твёрдого предмета (на рис. 7 обозначена жирной линией), которая попала в область высоких энергий электронов, будет ионизирована. При этом ШМ частично будет терять энергию. Так, пролетев вдоль дерева, ШМ может оставить на нём ожоги. Тонкие предметы (листья, тряпку, палатку) она может прожечь насквозь.

Рис. 7. Взаимодействие ШМ с твёрдыми объектами

Так как по радиусу ШМ заряды распределены неравномерно, то на её движение в пространстве может влиять внешнее электрическое поле (рис. 8). Разная плотность линий напряжённости электрического поля создаёт силу, действующую на ШМ.

Рис. 8. Влияние внешнего электрического поля ШМ на ее движение в пространстве

В конце остановимся на некоторых моментах. Предложенная модель ШМ основана только на кулоновском взаимодействии заряженных частиц. Первоначально разделённые заряды формируют такую колебательную систему, где каждая заряженная частица движется под действием электрического поля, а совокупность всех частиц создаёт это поле. При взаимодействии частиц с атомами воздуха не происходит значительной потери энергии, т. к. это взаимодействие происходит в области малых энергии электронов. В центре ШМ ядра имеют максимальную энергию и, возможно, она больше пороговой энергии термоядерных реакций. Это значит, что если создать ШМ из термоядерных материалов (Т, D или Не₃), то возможно получение энергии.

Иван Чинарев

В декабре 1975 года журнал «Наука и жизнь» обращался к читателям с вопросом о наблюдении шаровых молний. Среди 1400 писем очевидцев 0,3 % из них утверждают, что встретившаяся им молния имела форму тора [1, стр. 103]. Там же высказывается мнение, что в большинстве случаев шаровая молния образуется за счет энергии разряда линейной молнии. Опираясь на эти утверждения, мне думается, я обнаружил подходы к объяснению природы шаровой молнии.

Линейная молния может иметь длину нескольких километров. Разность потенциалов между точками разряда может достигать до 10⁹ В. Продолжительность разряда (молнии) составляет от десятых до тысячных долей секунды. Сила тока разряда находится в пределах 10³…10⁵ А. Общий заряд, переносимый молнией, достигает 100 Кл. Количество выделяемой энергии может достигать 10⁹…10¹⁰ Дж.

Формирование шаровой молнии

Наблюдая молнию в природе, мы не замечаем, что разряд ее состоит из нескольких, иногда до десятка, последовательных импульсов. Каждый импульс длится порядка 10^_3 секунд. Плазма в центральном канале нагревается до 2-10⁴ К, а в промежутках между ними остывает до 10³ К. Плазменный центральный канал очень тонкий — не более 1 см в диаметре. Окружающий его внешний канал имеет диаметр около 1 м и холодную температуру плазмы порядка 1000 К. Разряды молнии происходят не только между тучей и землей, но и между разноименно заряженными тучами.

Вокруг высокотемпературного канала молнии, как проводника с током, по всей длине создается поперечное магнитное поле, замкнутые силовые линии которого расположены концентрическими кругами с общим центром в середине канала. Это мощное поперечное круговое поле своим давлением удерживает плазму в центральном канале молнии, несмотря на высокую температуру и соответственно высокое давление внутри нее, то есть круговое поперечное магнитное поле несет в себе более половины энергии линейной молнии.

Здесь следует отметить, что это же мощное магнитное поле, пронизывая плотной сетью своих круговых силовых линий холодную плазму (1000 К) внешнего канала, очень своеобразно удерживает ее внутри себя. Ионы и электроны в холодной плазме движутся в сильном магнитном поле коллективно упорядочено. Это означает, что заряженные частицы, оказавшиеся в сильном магнитном поле и движущиеся поперек его силовых линий, под углом к ним, при этом вращаются вокруг силовых линий поля по так называемым ларморовским спиралям с постоянной скоростью до тех пор, пока не столкнутся с другими частицами или пока не исчезнет магнитное поле [1, стр. 14 9; 2, стр. 69]. Таким образом, вращающиеся вокруг силовых линий поля по ларморовским спиралям ионы и электроны одновременно движутся и вдоль силовых линий [3, стр. 536…537]. Поскольку силовые линии поля замкнуты вокруг центрального канала, то спирали ионов и электронов охватывают центральный канал. Плазма в холодном канале создается воздействием на воздух жесткого ультрафиолетового излучения, образующегося при рекомбинации ионов в горячем центральном канале [4, стр. 231], а также ступенчатым возбуждением и последующей ионизацией атомов воздуха видимым светом большой интенсивности (плотность потока фотонов), излучаемых горячим каналом [3, стр. 229…230]. Газовое давление холодной плазмы Р мало в сравнении с магнитным давлением Рм мощного поперечного кругового поля. При малых отношениях В = Р/Рм роль теплового движения заряженных частиц плазмы невелика. Такая плазма считается замагниченной. Радиус спирального вращения ионов азота и кислорода вокруг (и вдоль силовых линий кругового поля), как видно по ширине канала, не превышает 0,25 м. Похоже, этим и определяются размеры холодного канала.

Радиусы ларморовского вращения ионов воздуха в магнитном поле соответствуют их массе и скорости движения. Следовательно, радиус ларморовских спиралей протонов водорода должен быть раз в десять меньше радиуса спиралей ионов азота и кислорода. Частота вращения по спиральной орбите зависит только от напряженности магнитного поля, заряда и массы иона. Все ионы одного типа в определенном магнитном поле вращаются с одинаковой частотой [2, стр. 71]. Это означает, что их токовые нити почти параллельны, поэтому ближайшие из них, находящиеся на расстоянии магнитного взаимодействия, стягиваются или группируются в одну общую спиральную трубу. Таким образом, внешний канал холодной плазмы представляет собой великое множество коллективных спиральных труб ионов азота, кислорода, протонов водорода и электронов, нанизанных на горячий линейный канал. Ионы азота и кислорода движутся по периметру коллективных труб большого радиуса, а внутри них и между трубами движутся по спиральным трубам малого радиуса протоны и электроны. Повсеместно в холодном канале движутся и нейтральные атомы воздуха, которые могут свободно покинуть его.

Токи намагничивания вращающихся по спиральной трубе объединившихся ионов, суммируясь, образуют собственное продольное поле, которое внутри спиральной трубы направлено навстречу круговому магнитному полю линейной молнии и ослабляет его, а поверх трубы — совпадает с ним по направлению, то есть усиливает его плотность. Собственные продольные поверхностные магнитные поля соседних спиральных ионных труб также усиливают магнитное поле линейной молнии. Следовательно, особенно усиливается плотность магнитного поля линейной молнии в промежутках между соседними спиральными трубами, примыкающими друг к другу. В результате несколько нарушается равномерность кругового магнитного поля линейной молнии. Появляется вероятность пережатия горячего центрального канала молнии в местах увеличения плотности его магнитного поля.

Одновременно с собственным продольным полем возникает еще и собственное поперечное магнитное поле, замыкающееся вокруг ионной спиральной трубы, создаваемое поступательным движением ионизованных частиц вдоль силовых линий поля линейной молнии, находящихся внутри трубы, а также и спиральным движением ионов вокруг и вдоль силовых линий этого же поля (если преобладает движение ионов в одну сторону).

Создают свои собственные магнитные поля и протонные, и электронные спирали, в том числе находящиеся внутри широких ионных спиралей, но там они почти взаимно компенсируются. О них пойдет речь ниже.

Если собственные продольные поля локализуются только вдоль своих собственных спиралей, то собственные поперечные магнитные поля ионных спиральных труб могут объединяться, они суммируются с рядом лежащими ионными спиралями, сцепляются с ними, образуя одно общее магнитное поле, проходящее вдоль периферии холодного канала и замыкающееся через центральный горячий канал, проходя его вдоль (когда преобладающие движения ионов в соседних спиральных трубах совпадают по направлению).

По сути дела, коллективные ионные спиральные трубы большого радиуса с находящимися внутри них тонкими спиралями частиц других типов являются зачатками шаровых молний. Но спирали холодной плазмы, очевидно, не успевают накопить энергии вращения в магнитном поле короткой линейной молнии и по завершении ее разряда быстро разрушаются и ионы с электронами рекомбинируют в атомы.

Круговое поперечное магнитное поле линейной молнии, удерживая горячую плазму от расширения на всей длине центрального канала молнии, однако не удерживает плазму на концах канала со стороны его торцов, благодаря чему и происходит разряд молнии. К торцу канала, упирающемуся в землю, стремительно текут токи проводимости радиально со всех сторон земли, а на противоположном конце токи устремляются из канала во все стороны тучи. Находящаяся в канале под высоким давлением плазма выталкивается через торцы канала наружу и в туче и на стороне земли, преодолевая встречное движение электронов в туче, а ионов — на стороне земли. Наверное, по этой причине, а также из-за падения напряжения на большой длине канала, разряд молнии прерывается несколько раз. Магнитное поле на концах у торцов канала молнии все такое же мощное и должно быть заметно расширенное в виде рупоров, поскольку токи на одном конце сходятся к торцу, а на другом — расходятся от торца во все стороны, то есть плотность поля несколько расширяется. Вполне вероятно, что часть турбулентно выброшенной горячей плазмы может завернуться у торцов канала вокруг магнитного поля при разряде какого-либо очередного импульса молнии. То есть частицы горячей плазмы, разлетаясь в стороны, пересекают поперек или под углом силовые линии кругового магнитного поля молнии и в нем движутся по ларморовским окружностям или спиралям. Электроны вращаются с малым радиусом по часовой стрелке вокруг силовых линий (если силовые линии направлены от нас), а положительные ионы азота, кислорода и протоны — против часовой стрелки с радиусом в сотни раз большим, если они влетели в поле с такой же скоростью, как и электроны [2, стр. 8, 43, 70, 71]. Значительная часть ларморовских спиралей электронов и спиралей протонов оказываются внутри широких спиралей ионов азота и кислорода.

Таким путем холодная плазма у торцов линейной молнии пополняется довольно большой порцией горячей плазмы. Совершая в подогретых спиралях бесчисленные обороты и перемещаясь с большей скоростью вдоль замкнутых силовых линий магнитного поля, электроны и ионы оказываются более прочно связанными собственными магнитными полями взаимно с магнитным полем импульсов продолжающейся линейной молнии. Очевидно, из подогретых спиралей к концу разряда молнии успевает сформироваться плазменно-магнитное образование, имеющее вид тороида, который выталкивается в атмосферу. Возможно, плазменные тороиды образуются на обоих концах молнии, а также и на середине канала, ибо шаровые молнии часто наблюдают падающими сверху.

Здесь необходимо отметить следующее. В процессе формирования плазменного тороида ионизованные частицы плазмы, движущиеся спиралеобразно вокруг и вдоль силовых линий замыкающегося в тороиде магнитного поля молнии, совершают еще и дрейфовые движения под воздействием других сил. Дрейфовые движения ионизованных частиц имеют ту же известную особенность, заключающуюся в том, что постоянная сила, действующая поперек магнитного поля, вызывает движение частицы в направлении перпендикулярном к этой силе и к этому магнитному полю, причем без ускорения, а с постоянной скоростью. В плазменном тороиде характерны дрейфовые движения ионизованных частиц, возникающие в силу неоднородности магнитного поля вдоль и поперек его направления. Поперечная неоднородность заключается в сгущении и разрежении силовых линий поля, продольная — в их искривлении [2, стр. 82, 86].

Ток разряда линейной молнии направлен вверх, следовательно её поперечное магнитное поле направлено по часовой стрелке. Плазменный тороид рассечен вертикальной плоскостью пополам. В правом сечении тороида магнитное поле линейной молнии (изображено маленькими кружочками) направлено от нас, а в левом сечении направлено к нам (изображено точками). Сгущение силовых линий, то есть плотность поля, возрастает в сторону отверстия тороида, а разрежение к внешним его сторонам. В зоне сгущения поля радиус вращения заряженных частиц меньше, а в разряженной зоне больше. В результате спирали протонов дрейфуют вверх, а спирали электронов вниз, то есть из-за градиента поля происходит разделение зарядов. Такой же результат дает и центробежный дрейф. (Ионы азота и кислорода, вращающиеся по большой орбите не изображены).

Для уяснения дрейфовых движений представим себе плазменный тороид лежащим горизонтально. Рассечем его вертикальной плоскостью пополам. Допустим, мы увидели в правом сечении тороида магнитное поле, направленное от нас, то в левом сечении оно направлено к нам. Поперечная неоднородность поля, то есть сгущение силовых линий, наблюдается вокруг центрального отверстия, а разрежение — у наружной стороны тороида. Продольная неоднородность заключается в искривлении силовых линий поля, обращенных выпуклостью от центра тороида к наружной стороне.

Поперечная неоднородность приводит к тому, что радиус кружка спирали ионизованной частицы в области сгущенного поля меньше, чем в области разреженного. Поэтому кружок с частицей будет выталкиваться поперек поля с силой, пропорциональной градиенту магнитного поля. Эта сила вызывает градиентный дрейф, в результате которого протонные спирали перемещаются вверх тороида, а электронные спирали — вниз.

При движении ионизованной частицы по спирали вдоль искривленной силовой линии поля, обращенной выпуклостью к наружной стороне тороида, частица испытывает на себе центробежную силу к наружной стороне тороида. Эта сила увеличивает (растягивает) радиус вращения частицы за чертой выпуклости силовой линии поля и уменьшает (укорачивает) радиус вращения до черты выпуклости силовой линии поля. В результате протонные спирали дрейфуют вверх, а электронные — вниз тороида.

Таким образом, и градиентный, и центробежный дрейфы ионизованных частиц вызывают в плазменном тороиде одинаковые разделения зарядов, приводящие к тому, что некоторая часть протонных спиралей оказывается на верхней половине тороида, а часть электронных спиралей — на нижней его половине.

Такое заметное разделение зарядов приводит к образованию сильного электрического поля. В этом случае плазменный тороид можно рассматривать как заряженный конденсатор.

Образовавшийся плазменный тороид, отделившись от линейной молнии, остается с той энергией, которую ему сообщила линейная молния. Некоторое время 10…20 секунд движение ионизованных частиц происходит по ларморовским спиралям вдоль захваченного магнитного поля линейной молнии, пока оно, сокращаясь к центру, не просочится наружу. Сразу же после отделения от линейной молнии плазменный тороид быстро сжимается. Собственные магнитные поля, обладая упругостью, отграничивают плазму от внешней среды, сжимая тороид, уменьшают его размеры пока не наступит равновесие с противодавлением изнутри со стороны плазмы. С повышением в плазме давления в ней повышается температура, то есть ускоряется движение плазмы, что означает продление жизни тороида. Отверстие в центре тороида, сокращаясь, становится незаметным, а тороид похожим на овал. Коллективные движения ионизованных частиц стабилизируют плазму тем, что их пути по большей части разделены. Электроны реже встречаются с ионами, от чего рекомбинация плазмы замедляется.

Плазма может находится в равновесии без стенок, если ее газовое давление уравновешивается давлением внешнего магнитного поля [2, стр. 56]. У образовавшейся шаровой молнии — поле не внешнее (не постороннее). У нее собственные магнитные поля, благодаря которым плазменный тороид, сжатый в овал, наделен на границе плазма-атмосфера поверхностным натяжением и не смешивается с воздухом. Ближайшие линейные молнии, индуцируя токи в тороиде, поддерживают ионизацию плазмы, продляя этим жизнь тороида. На продление жизни тороида влияет и фотоионизация плазмы ультрафиолетовым излучением, а также видимым светом большой интенсивности и плотности потока фотонов (ступенчатая ионизация) от этих же недалеких молний.

Нужно заметить, что в образующемся в результате разделения зарядов электрическом поле (которое в горизонтальном тороиде направлено вертикально) должен происходить электрический дрейф остальной плазмы к наружным сторонам тороида [2, стр. 74]. Магнитная оболочка тороида испытывает деформации в зависимости от внутреннего давления на нее плазмы. Поэтому может создаться впечатление, что электрический дрейф вызовет раздвигание тороида в ширину. Однако градиентный и центробежный дрейфы — это первичный процесс по отношению к электрическому дрейфу. Дрейфующие вертикально в противоположные стороны спирали протонов и электронов в первую очередь будут растягивать круглое сечение тела тороида вертикально, а электрический дрейф остальной плазмы, вызванный появлением электрического поля, всего лишь будет препятствовать чрезмерному сжатию боков тороида при его вертикальном растягивании. Поэтому иногда наблюдают шаровые молнии в виде пульсирующего по ширине овала (продолжается борьба вертикального и горизонтального дрейфов).

Итак, плазменный тороид в завершающей стадии формирования стянут двумя собственными магнитными полями в овальную форму со сквозным вертикальным отверстием небольшого диаметра на месте центральной вертикальной оси. Центральное отверстие тороида сократилось, потому что упругость силовых линий захваченного магнитного поля линейной молнии и упругость силовых линий собственного продольного поля направлены к центральной оси тороида, а они стремятся сократиться до возможно минимальной длины. Через это отверстие замыкаются все силовые линии другого собственного поперечного магнитного поля тороида, которые также стремятся сократиться до минимальной длины. Стянутый тороид (теперь овал) выглядит в поперечном сечении как два рядом расположенных вертикально удлиненных плосковыпуклых овала, обращенных плоскими сторонами к отверстию. Массивные ионы движутся по периферии овала, то есть по широким спиралям, сжатым в овал, образующим в результате такого движения замкнутую овальную трубу. Внутри вдоль трубы в верхней ее половине движутся с некоторым преимуществом протоны по спиралям меньшего радиуса, а в нижней половине — преимущественно электроны по своим спиралям совсем малого радиуса. Хотя плазменный овал в целом остается квазинейтральным, но поскольку положительные ионы преимущественно движутся по периферии овала, то этим самым они экранируют отрицательный заряд внутренних электронов и внешне у шаровой молнии больше проявляется положительный заряд.

На рисунке изображена в поперечном сечении шаровая молния, представляющая собою плазменный тороид, стянутый двумя собственными магнитными полями. В сечении тороид выглядит как два плосковыпуклых овала, обращенных плоскими сторонами к центральному отверстию. Продольное поле окрашено условно синим цветом, поперечное зеленым и изображены эти поля также условно одно поверх другого, в действительности же они взаимно пронизывают друг друга. Азотные и кислородные ионы, движущиеся по спиралям на периферии тороида, образуют замкнутую саму на себя овальную трубу большого диаметра. Внутри трубы по замкнутому кольцу движутся протоны и электроны по спиралям малого диаметра. При формировании тороида часть протонных спиралей сместились вверх, а часть электронных спиралей сместились вниз овальной трубы. Разделившиеся протоны и электроны образуют электрическое поле, иначе говоря, заряженный электрический конденса-

Наблюдатели сообщают, что иногда из ярко светящегося клубка, возникающего на нижнем конце разряда линейной молнии, выскакивают несколько шаровых молний. Наблюдают шаровые молнии, которые разделяются на несколько мелких молний. Наблюдались шаровые молнии, из которых даже при взрыве выскакивали молнии меньшего размера.

Думается, что предлагаемая идея может объяснить такие явления. При разряде линейной молнии в магнитное поле с холодной плазмой, охватывающей ее торец, влетают несколько пространственно разделенных порций горячей плазмы. Каждая отдельная порция горячих ионов и электронов образуют там с уже имеющимися ионными и электронными спиралями свою обособленную от других подогретую спиральную трубу, замкнутую в тороид. В результате внутри каждой подогретой тороидальной трубы в магнитном поле движутся по своим спиральным дорожкам электроны и протоны и те, что были там и те, что влетели в холодную плазму вместе с порцией горячей плазмы. Двигаясь в неоднородном магнитном поле внутри ионной трубы, протоны и электроны частично разделяются, образуя электрическое поле. Если образовавшиеся автономные тороиды не успели объединиться, сцепившись собственными поперечными магнитными полями, то они выталкиваются в атмосферу по отдельности, а если успели объединиться, то выталкивается одна большая шаровая молния в виде удлиненного овала. В [4, стр. 120] говорится: «М.Т. Дмитриев отмечает, что шаровая молния (точнее, центральная ее часть, окруженная ореолом) представляла собой вытянутый вдоль вертикального диаметра шар». Далее говорится: «Ряд других наблюдателей сообщают о вытягивании молний вдоль вертикального диаметра, изредка довольно значительном, в большинстве же случаев — небольшом».

Таким образом, шаровая молния может включать в себя несколько автономных молний. Автономные тороиды молний нанизаны на одну общую ось, проходящую через центральные отверстия тороидов. Каждый тороид охвачен локально собственным продольным магнитным полем, а собственные поперечные магнитные поля тороидов, складываясь, образуют одно общее поперечное магнитное поле, охватывающее все автономные тороиды и замыкающееся через общее центральное отверстие шаровой молнии. При возникновении неустойчивости объединенная молния может разделиться, иногда с взрывом, то есть взрывается одна из них, а некоторые при взрыве могут и уцелеть.

На рисунке изображено (также в поперечном сечении) сложная шаровая молния, состоящая в частности из трех автономных молний (то есть больших тороидов), из которых каждая локально охвачена собственным продольным магнитным полем, условно окрашенным синим цветом. Поперечные магнитные поля автономных молний суммировались в одно общее поперечное магнитное поле (окрашено зеленым цветом), охватывающее снаружи все три молнии и замыкающееся через общее центральное отверстие молнии. Внутри больших тороидов, а также и между ними могут находиться в движении как одиночные спирали протонов и электронов, так и небольшие тороиды объединившихся спиралей одноименных зарядов этих же частиц. Из-за сложности рисунка они в нем не изображены.

Образования сложных молний возможны и другим путем: импульсы разряда одной и той же линейной молнии, следующие друг за другом, образуют несколько плазменных тороидов, которые, сцепляясь своими вертикальными магнитными полями, могут объединиться в одну шаровую молнию. Если же не успевают объединиться, то вылетают по отдельности.

Распад шаровой молнии

Наблюдались шаровые молнии, которые по несколько штук отделялись и от средней части канала линейной молнии [4, стр. 127]. Такое может случиться при пережатии горячего канала собственным усилившимся магнитным полем. При этом у зоны пережатия резко возрастает давление горячей плазмы, из нее образуется утолщение, раздвигающее магнитное поле, и горячая плазма выбрасывается во внешний холодный канал. Плазменные тороиды холодного канала, пополненные солидной порцией горячей плазмы, выталкиваются в атмосферу, где быстро стягиваются собственными магнитными полями в овальную форму.

Наблюдались и такие случаи, когда две медленно падающие шаровые молнии были как бы связаны между собой нитью светящегося жемчуга. Нить жемчуга вскоре исчезла, а спустя некоторое время растворились и шаровые молнии. Нить жемчуга — это, скорее всего, протонные замкнутые спирали (возможно, с электронными спиралями внутри), которые во время формирования двойной шаровой молнии оказались между молниями. Двойная молния после образования, по-видимому, вскоре разделилась, а протонно-электронные замкнутые спирали, еще не успев растратить вращательной энергии, собственными магнитными полями стянулись в небольшие шарики и были видны между двумя расходящимися овалами шаровых молний.

В начале статьи говорилось о случаях наблюдений шаровых молний в виде тороидов. По идее, тороидные спирали из ионизованных частиц, вытолкнутые из линейной молнии, могут оставаться какое-то время в таком виде только в том случае, если у них очень слабое или отсутствует собственное продольное магнитное поле, при наличии которого тороидная спираль быстро стягивается в овал. При формировании шаровой молнии, когда происходят дрейфовые движения плазмы, а также ее стремление перемещаться в зону более слабых магнитных полей, не исключаются обстоятельства, при которых более подвижные электронные спирали быстрее протонных перемещаются в зону центральной круговой оси широкого тороидного ионного цилиндра, где магнитное поле слабее, чем на его периферии. В результате вдоль цилиндрической оси плазменного тороида будут сосредоточены в основном электронные спирали. Вследствие этого образуется радиальное электрическое поле по всей длине замкнутого плазменного тороида. В [2, стр. 89] утверждается, что при этом вся плазма в (тороидном) цилиндре должна прийти во вращение вокруг линии цилиндрической оси, что способствует устойчивому удержанию плазмы магнитным полем и в этом случае энергию плазменного цилиндра можно рассматривать либо как энергию заряженного конденсатора, или же как кинетическую энергию вращающейся плазмы. Целиком вращающаяся плазма разрушает спиральное движение заряженных частиц плазмы, от чего собственное продольное магнитное поле не стягивает тороид в овал. Поэтому шаровую молнию иногда наблюдают в виде тороида.

Чтобы иметь представление об электрических полях, образующихся в результате разделения зарядов в плазме, воспользуемся расчетом поля, приведенным в [2, стр. 22…23]. Согласно законам электростатики, если на длине х имеется объемный заряд плотностью q, то он создает электрическое поле Е = 4πqx в абсолютных единицах СГСЭ. Если же измерять поле в вольтах на сантиметр, то оно выразится числом в 300 раз большим. Пусть в 1 см³ имеется Δn электронов сверх тех, которые точно нейтрализуют заряд ионов. Тогда плотность объемного заряда q = еΔn, где е = 4,8∙10¹⁰ ед. СГСЭ. Отсюда электрическое поле, возникшее в результате разделения зарядов равно:

Е = 1,8∙10⁶∙Δnх В/см.

Хотя плазменный тороид формируется в разреженной плазме линейной молнии, однако, оказавшись в атмосфере, он сжимается в овал. Сжавшись в овал, шаровая молния чаще всего парит в воздухе, а это говорит о том, что ее плазма в результате сжатия приобретает плотность приблизительно равную плотности окружающего воздуха. Допустим плазма шаровой молнии содержит только однозарядные ионы воздуха, тогда (поскольку число атомов воздухе 5∙10¹⁹ атом/см³) концентрация электронов в ней составит:

n = 5∙10¹⁹ электрон/см³.

Разделение зарядов в плазменном тороиде начинается в то время, когда он еще находится в канале линейной молнии. Причиной разделения зарядов являются дрейфовые движения спиралей протонов и электронов в мощном магнитном поле линейной молнии вертикально в противоположные стороны внутри широкой ионной спирали азота и кислорода. Представим себе, что в результате разделения зарядов и последующего сжатия в плазме шаровой молнии оказалось, что на длине 1 см концентрация электронов изменилась на 1 %. Тогда Δn = 5∙10¹⁷ электрон/см³, х = 1 см, и от этого разделения зарядов возникает электрическое поле:

Е = 9∙10¹¹ В/см.

Как видим, при однопроцентном разделении зарядов, электрическое поле, возникающее в плазме, может быть непомерно большим (если считать, что все атомы плазмы ионизованы). Но даже, если разделение зарядов в шаровой молнии составит миллиардную долю процента на длине 1 см, то и при таком ничтожном проценте в ней возникает электрическое поле 900 В/см. Казалось бы, отсюда можно заключить, что в шаровой молнии возможно образование электрического конденсатора весьма большой энергии. В шаровой молнии разность потенциалов может быть образована не только между разделяющимися при дрейфе спиралями протонов и электронов, но также и между теми же спиралями электронов и нижней половиной спиралей ионов азота и кислорода, составляющих внешнюю оболочку шаровой молнии. Однако емкость этих двух запараллеленных конденсаторов невелика, и в зависимости от размеров молнии может составить по приблизительной прикидке порядка от 1000 пФ до 5000 пФ.

Если предположить, что образовавшийся в молнии конденсатор выдержит разность потенциалов, например, 10⁶ вольт, то и в этом случае его энергия по большей мере составит 2500 Дж, что не так много.

W = S∙cu² = S∙5∙10⁹∙Ф∙(10⁶ В)² = S∙5∙10³ Дж = 2500 Дж

Но такие большие и значительно меньшие напряжения конденсатор молнии явно не выдержит. Вероятно, взрываются шаровые молнии оттого, что происходит электрический пробой ее конденсатора.

При взрыве шаровой молнии наблюдатели указывают на производимые ею большие разрушения. По-видимому все дело в том, что разрушения производятся не большой энергией, а большой мгновенной мощностью шаровой молнии, так как ее энергия при взрыве высвобождается за доли секунды. (Многие, наверное, видели, как десантники ребром ладони мгновенно рушат стопку из нескольких кирпичей. Но приложите к руке энергию в десятки раз большую и давите на кирпичи ребром ладони медленно — скорее всего будет раздавлена ладонь, а кирпичи останутся целыми.)

Шаровая молния иногда убивает животных и людей. Общеизвестно, что живые организмы хорошо проводят электрический ток. Если взрыв шаровой молнии — это мощный электрический разряд, то, как следствие, в близлежащих проводниках на водятся значительные вихревые токи, которые при неблагоприятных обстоятельствах могут убить живой организм. То же самое происходит и с металлическими проводниками. Если шаровая молния взрывается вблизи проводника или при его касании, то наведенными токами мелкие детальки могут расплавиться, а у больших — возникают оплавленные раковины.

Говорят, что из взрывающейся молнии вылетают маленькие линейные молнии. Такие наблюдения подтверждают электрическую природу шаровой молнии. Очевидно, при взрыве видят вспышку электрического пробоя конденсатора; или же вслед за взрывом действительно между распыленными ионными и электронными облачками или землей возникают небольшие линейные молнии.

По поводу свечения и цвета шаровой молнии. На свечение шаровых молний во многом оказывает влияние наличие в ее плазме возбужденных молекул и атомов воздуха, которые при возвращении в основное состояние испускают дискретное и рекомбинационное излучения. Так, возбужденные атомы кислорода, возвращаясь в основное состояние, высвечивают зеленую и красную линии спектра. Возбужденные молекулы азота высвечиваются темно-красным светом. А ионизованные молекулы азота при рекомбинации высвечиваются синими и фиолетовыми линиями спектра. Поэтому в течение жизни шаровой молнии спектр линейчатого излучения плазмы испытывает изменение от белого цвета до темно-красного. (Основные цвета: красный + зеленый + синий образуют белый цвет; синий + зеленый образуют голубой цвет; красный + зеленый = желтый цвет; красный + синий = пурпурный цвет) [1, стр. 161; 6, стр. 213].

Вихреподобная модель шаровой молнии

Между плазмой и газом (воздухом) нет резкой границы. Плазма подчиняется газовым законам и во многих отношениях ведет себя как газ. Плазменные вихревые кольца в виде тороидов могут образоваться у торцов линейной молнии и без участия ее кругового магнитного поля; то есть так, как они образуются из воздуха, если небольшую порцию воздуха (для наблюдения подкрашенного дымом) вытолкнуть из какой-нибудь полости через небольшое отверстие [7, стр. 13…24]. Такие вихревые кольца, наверное, многие наблюдали при взрывном выхлопе отработанного газа у автомашин или тракторов. Был даже проект забрасывать дымы заводов высоко в атмосферу при помощи таких вихревых колец большого размера, поскольку самые высокие трубы этого не обеспечивают.

Для получения и демонстрации воздушных вихревых колец используют очень простое устройство: обычный ящик, у которого с одной стороны имеется отверстие диаметром 3…5 см, а с противоположной — тугая мембрана из кожи или клеенки. Резким, коротким ударом по мембране сообщают прилегающему слою воздуха некоторую скорость. Этот слой, придя в движение, вызывает уплотнение соседнего слоя, тот — следующего и так далее, когда уплотнение дойдет до отверстия, из него наружу вырвется струя воздуха. В движущейся струе воздуха давление меньше, чем в покоящемся воздухе, находящемся снаружи непосредственно за кромками отверстия, и оттуда произойдет его засасывание в струю. Одновременно движущаяся струя упрется в покоящийся воздух по фронту, несколько уплотнит его, а сама при этом радиально растечется в стороны и далее назад к кромкам отверстия в образовавшееся разрежение воздуха, ушедшего в струю. Таким путем происходит завихрение воздуха в виде тороида. Кроме завихрения тороид получает импульс движения вперед и улетает от отверстия на десятки метров. (Еще раз надо отметить, что удар по мембране должен быть очень коротким, иначе струя воздуха раздвинет впереди покоящийся воздух и тороид не получится.)

Нечто подобное может происходить и при разряде линейной молнии. На торце линейной молнии, упирающейся в землю, возникает клубок из плазмы. При последующих импульсах этого же разряда молнии возникают условия, сходные с условиями образования воздушных тороидальных вихрей. Плазма, вытолкнутая из канала очередного импульса молнии, встретив препятствие со стороны клубка плазмы, заворачивается в тороид. В первые мгновения все тело тороида состоит из вращающихся колец заряженных частиц. Вокруг каждой из них тут же возникает магнитное поле, и, следовательно, вдоль всего тороида возникает продольное магнитное поле. А те кольца заряженных частиц, которые оказались не строго перпендикулярно к полю, а под углом к нему, мгновенно разворачиваются в ларморовские спирали. Столкновения с другими частицами приводят к тому, что вскоре и основная масса заряженных частиц движется по ларморовским спиралям. Вслед за продольным возникает поперечное магнитное поле. Оба магнитных поля стягивают тороид в овал, отграничивают плазму от внешней среды и в результате образуется шаровая молния. И в этом втором варианте образования шаровой молнии ионы кислорода и азота движутся по спиралям большого радиуса, образующим внешнюю оболочку молнии, а протоны и электроны движутся по спиралям малого радиуса внутри широкой ионной спирали. Далее в результате дрейфовых перемещений в образовавшемся магнитном поле может произойти разделение зарядов и образование электрического конденсатора, то есть во втором варианте образования шаровой молнии происходит все так же, как в первом.

Шаровая молния — генератор колебаний

Пожилые связисты, наверное, помнят, что начальный период в развитии радиотехники связан с использованием в ней плазмы. На заре радиотехники главным элементом в радиопередатчиках была плазма. Это она сначала в виде искрового разряда, а затем в виде дугового разряда обеспечивала в те времена работу довольно мощных (до 1000 кВт) радиопередатчиков.

В [3, стр. 864] приведена вольт-амперная характеристика электрического разряда в газах, где имеется участок, приобретающий падающий характер. В этом месте разряд в газе получил название дуговой. Дуговой разряд характерен тем, что при увеличении тока, проходящего через плазму, не увеличивается падение напряжения на ее сопротивлении, а наоборот — уменьшается. То есть при дуговом разряде плазма обладает «отрицательным» сопротивлением. «Отрицательное» сопротивление дугового разряда, включенного в колебательный контур, суммируется с «положительным» сопротивлением контура и в результате общее сопротивление контура оказывается равным нулю или слегка «отрицательным». В этом случае колебания в контуре будут обязательно незатухающими, что и обеспечивало работу старинных радиопередатчиков.

Дуговой разряд хорошо горит при атмосферном давлении. В этой связи возникает мысль: не является ли шаровая молния сама генератором электромагнитных незатухающих колебаний, генерируемых некоторое время по вышеуказанному принципу. Вполне может оказаться, что разряд линейной молнии в землю — это и есть дуговой разряд. Вытолкнутые из дугового раскаленного клубка плазмы шаровые молнии, пока не остыли, сохраняют некоторое время свойства дугового разряда. А по предложенной идее шаровая молния является тороидальным плазмоидом, сжатым в овал, а в нем к этому времени уже образовался конденсатор, появление которого приведет к возникновению незатухающих электромагнитных колебаний, так как колебания не встречают сколько-нибудь заметного сопротивления. Некоторое время стационарность колебаний будет обеспечиваться взаимной компенсацией образования и потерь (рекомбинаций) заряженных частиц в плазме. Если колебания, не затрачивая энергии на преодоление сопротивления, чрезмерно возрастают, то шаровая молния взрывается из-за пробоя конденсатора. В остальных случаях она тихо угасает. Но при этом продолжительность жизни шаровой молнии будет все-таки больше теоретической, на что и указывают их наблюдатели.

Колебательные системы и резонанс

По поводу возникновения шаровых молний или плазмоидов на проводах антенн, в розетках, в телефонах и пр.

По работе мне приходилось участвовать в наладке и настройке (после монтажа) мощных радиопередатчиков от 20 до 100 кВт излучаемой мощности. Самой трудной задачей являлось устранение обнаруженных так называемых паразитных колебаний в выходных (оконечных) усилителях мощности. Их выявление производилось изменением параметров колебательного контура по всему рабочему диапазону. В усилителе мощности устанавливался обычный рабочий режим, но возбуждающий сигнал с предоконечного усилителя на вход мощного не подводился. Иногда почти или при полностью закороченной катушке индуктивности и минимальной емкости в мощном усилителе возникало самовозбуждение и сопровождалось появлением овального плазмоида величиною побольше грецкого ореха бело-голубого цвета. Плазмоид перемещался по закороченным виткам катушки, а также перескакивал и на металлические опорные конструкции.

Эти наблюдения наводят на мысль о том, что в грозу при громадных электрических полях и потенциалах между тучей и землей вполне возможно возникновение мощных электромагнитных колебаний, которые могут вызвать образование плазмоидов, живущих десятки секунд.

Во время грозы в атмосфере создаются все условия для образования параметрических колебательных контуров, которые могут генерировать электромагнитные колебания. Их может быть несколько или один мощный. В параметрическом контуре обкладками конденсатора служат нижняя поверхность тучи и поверхность земли. Роль индуктивности выполняет распределенная проводимость атмосферы. По данным [1, стр. 96…97] емкость атмосферного конденсатора может составить до 0,15 мкФ. Разность потенциалов между тучей и землей бывает порядка 10⁹ В, а энергия, запасенная в конденсаторе, может составить 7,5∙10¹⁰ Дж. Во время грозы его емкость непрерывно меняется, поскольку непрерывно меняется по высоте нижняя поверхность тучи, да и электронный слой в туче также меняет свою высоту. Проводимость атмосферы тоже меняется. Таким образом, в грозу параметры в атмосферном параметрическом колебательном контуре (по большей части в конденсаторе) непрерывно изменяются около некоторых средних значений, чем обеспечивается раскачка колебаний в контуре и поддержание в нем параметрического резонанса [3, стр. 520]. Параметрический резонанс возникает в результате малых начальных возмущений, неизбежных во всякой системе флуктуаций, среди которых всегда найдется составляющая с подходящей фазой по отношению к фазе изменения параметров, что приводит к самовозбуждению колебаний. В отсутствии потерь энергии самовозбуждение наступает при сколь угодно малом изменении параметров. Можно ожидать, что в атмосферном параметрическом колебательном контуре потери энергии явно невелики и его самовозбуждение происходит при небольших изменениях параметров контура, то есть накачка энергии заведомо превосходит потери в контуре. По-видимому, не последнюю роль в самовозбуждении параметрического контура играют и разряды линейных молний, вызывающие сильную встряску и атмосферы, и изначально существующего электромагнитного поля, занимающего все пространство, да и физического вакуума, наконец.

Грозовая туча, как правило, не бывает в виде сплошного монолита. Она состоит из нескольких частей грозовых облаков, поэтому в грозу могут образовываться несколько параметрических контуров между землей и этими облаками. Каждый из параметрических контуров возбуждается на своей собственной частоте, ибо у каждого свои отличные от других параметры и изменяются они около некоторых средних значений по своему случайному закону. Однако части грозовой тучи, а следовательно и параметрические колебательные контура оказываются связанными между собой через небольшие емкости (конденсаторы). Значения этих емкостей непрерывно изменяются, поскольку непрерывно меняется скорость перемещения частей тучи относительно друг друга.

Если, например, в грозу образовались два параметрических контура, то благодаря емкостной связи между ними в контурах установятся биения частот и в пространстве будут существовать электромагнитные колебания с собственными резонансными частотами обоих контуров, их разностные, а также и комбинационные частоты. Последние возникают в результате того, что собственные колебания в контурах имеют не чисто синусоидальную, а искаженную форму, поскольку к контурам приложены громадные потенциалы и колебания генерируются в нелинейном режиме. Если же в грозу действуют несколько параметрических контуров, то в пространстве будет существовать довольно широкий спектр мощных электромагнитных колебаний, своего рода электромагнитная буря. В таких условиях проводники электрического тока, например, провода антенн, телефонные и электрические провода и прочие металлические предметы, случайно находящиеся в зоне локализации параметрических колебательных контуров, могут являться как бы частью их рабочих элементов, или служить в качестве рабочей нагрузки, или просто оказались поблизости, то в таких проводниках возможны наведения мощных высокочастотных колебаний, вызывающих ионизацию воздуха с образованием плазмоидов. О таких шаровых молниях или плазмоидах очевидцы сообщают, что они медленно «разгораясь» появляются на проводах антенн, из розеток, электрических патронов, щитков, телефонов и существуют недолго. Рекомбинируют они чаще всего спокойно, очевидно потому, что ослабляется или исчезает электромагнитное поле, создавшее их. Появляются они из упомянутых электроприборов, находящихся в закрытых помещениях, благодаря высокой проводимости электрических проводов.

Температура шаровой молнии

В заключение поговорим о температуре шаровой молнии, а также о нередких случаях непонятно откуда возникающей у нее «сверхэнергии».

Очевидцы шаровой молнии, наблюдавшие их на близком расстоянии, сообщали, что большого тепла молнии не излучали.

По предлагаемой в статье версии в сформировавшейся шаровой молнии частицы плазмы совершают в основном упорядоченные движения, при этом их кинетическая энергия может быть весьма значительной, но о температуре плазмы что-либо определенного сказать нельзя. О большой температуре шаровой молнии можно говорить в начальной стадии ее образования еще при беспорядочном хаотическом распределении скоростей и большом числе столкновений частиц плазмы. Но наибольшая температура плазмы очевидно проявляется в момент электрического пробоя плазменного конденсатора и последующего мощного взрыва шаровой молнии, поскольку энергия электрического разряда, суммируясь с кинетической энергией движущейся плазмы, превращают упорядоченные движения ее частиц в хаотические с бесчисленными взаимными столкновениями; тем более, если шаровая молния образовалась от мощного разряда линейной молнии.

Известно, что в атмосфере содержится небольшой процент тяжелого водорода дейтерия. В атмосфере земли также имеются замедленные мюоны (мю-мезоны) обоих зарядов. «На уровне моря мюоны образуют основную компоненту (~80 %) всех частиц космического излучения» [3, стр. 442]. Возможно, и в плазме шаровой молнии содержатся в таких же долях и дейтроны и мюоны. Отметим, что отрицательные мюоны могут образовывать с протонами и дейтронами мюонные атомы (мю-мезоатомы), либо могут быть захвачены этими же протонами и дейтронами. Вновь возникшие образования — нейтральны, как нейтроны. При катализном участии отрицательных мюонов в ядерных реакциях слияния ядер изотопов водорода происходят в нормальных земных условиях, то есть не требуется сверхвысоких температур для сталкивания реагирующих ядер [3, стр. 441]. Следовательно, можно предположить, что иногда в шаровых молниях случаются ядерные реакции, то есть реализуется некоторое количество актов слияния протонно-дейтронных или дейтронно-дейтронных частиц в ядра гелия с выделением соответствующей энергии, которая и производит те самые необъяснимые большие разрушения.

_{Источники информации:}

_{1. Л.В. Тарасов. Физика в природе. — М: «Просвещение», 1988.}

_{2. Д.Л. Франк-Каменецкий. Плазма — четвертое состояние вещества. — М: Атомиздат, 1968.}

_{3. Физический энциклопедический словарь. / Под ред. А.М. Прохорова. — М: «Советская энциклопедия», 1983.}

_{4. И.П. Стаханов. Физическая природа шаровой молнии. — М: Атомиздат, 1979.}

_{5. И.М. Имянитов, Д.Я. Тихий. За гранью закона. — Л: Гидрометеоиздат, 1967.}

_{6. И.Д. Артамонов. Иллюзия зрения. — М: Наука, 1969.}

_{7. И.К. Кикоин. Опыты в домашней лаборатории. Библиотечка «Квант», вып. 4. — М: Наука, 1981.}

С.Г.Федосин, А.С.Ким

Введение

Практически неослабевающий интерес к шаровой молнии (ШМ) обусловлен по-видимому тем, что до сих пор не существует какой-то одной общепринятой модели их внутреннего строения. Точно также нет и экспериментальной техники, которая позволяла бы в любой момент времени создавать искусственные ШМ, не отличающиеся по своим свойствам от природных аналогов. Время жизни наблюдаемых ШМ достигает десятков секунд и учитывая их внезапное появление слишком мало для детального исследования. Отсюда основным источником информации об ШМ становятся последствия их взаимодействия с окружающими предметами. Некоторые примеры из [1–2] повреждения предметов после контакта с ШМ позволяют сделать оценки внутренней энергии, содержащейся в ШМ. В работах [3–5] представлены результаты экспериментов, в которых создавались светящиеся плазменные образования, напоминающие по форме ШМ. Здесь же имеются описания различных аварийных ситуаций, при которых спонтанно возникали ШМ. Как следует из опыта контактов с ШМ, они обычно образуются вблизи источников сильных электромагнитных разрядов — при ударе молнии, при замыкании-размыкании высоковольтного или сильноточного электрооборудования, при высокочастотных импульсах мощных генераторов. Представляемая далее электронно-ионная модель ШМ имеет ту особенность, что в ШМ протекают токи значительной величины, а сама модель допускает экспериментальную проверку.

Схема образования и структура шаровой молнии

Если не учитывать появление ШМ при срабатывании мощного электрооборудования постоянного или переменного тока, то практически во всех остальных случаях ШМ наблюдается в связи с обычными линейными молниями или просто в облачно-грозовую погоду. В рамках электронно-ионной модели природная ШМ может быть непосредственным следствием линейной молнии, когда грозовая туча разряжается на землю, передавая ей своё отрицательное электричество (или при разряде соседних облаков). На рис. 1а показаны вторичные ветви и основной канал молнии, наполненные соответственно покоящимися и движущимися электронами. Быстрое движение электронов и основная вспышка молнии начинаются после соединения основного канала с землей; таким образом, светящаяся часть молнии растёт от Земли к туче. Электроны, находящиеся во вторичных ветвях, также движутся к основному каналу и ссыпаются через него на землю. При этом возможен почти замкнутый контур электронного тока (рис. 1б), когда в его центре появляется магнитное поле с индукцией В. В наэлектризованном воздухе вокруг молнии находится много положительных ионов, которые начинают закручиваться вокруг силовых линий магнитного поля и тем самым фиксируются в центре. В свою очередь ток электронов из канала 2 может перескочить на ветвь 1 через область 3, образуя далее замкнутый ток. Необходимым условием для этого должна быть сила, удерживающая электроны на замкнутой орбите. При достаточном количестве положительных ионов в центре они могут притягивать к себе электроны и тем самым обеспечить их устойчивое вращение.

Рис. 1.

_{a) 1 — вторичные ветви молнии, 2 — основной канал, в котором движутся электроны (обозначены — q).}

_{b) Движение электронов из вторичной ветви 1 в основной канал 2 молнии может быть замкнуто через область 3. В — индукция магнитного поля от тока электронов. Ионы с зарядом +q вращаются вдоль линий магнитного поля}

Исходя из данной картины, на рис. 2 представлено экваториальное сечение модели ШМ в виде осесимметричной конфигурации со сферическим электронным током. Положительные ионы находятся при атмосферном давлении в очень горячем воздухе внутри ШМ, оставшемся после удара линейной молнии. Быстродвижущиеся во внешней оболочке электроны генерируют магнитное поле с индукцией В, которое удерживает положительные ионы на орбитах во внутренней оболочке. Наконец, электрическое притяжение положительных ионов и отрицательно заряженных электронов удерживает электроны во внешней оболочке от разлёта, являясь основной частью центростремительной силы. Исходя из сферической формы ШМ радиус вращения г внешнего электронного облака вокруг общей оси уменьшается по мере перехода от экватора к полюсам. Данная относительно устойчивая конфигурация позволяет объяснить наблюдаемое время жизни ШМ, существенно превышающее время жизни однородной ионно-электронной плазмы при атмосферном давлении. Электронная оболочка эффективно изолирует нагретый до высокой температуры воздух внутри ШМ, замедляя перенос энергии в окружающую среду. Положительные ионы внутри ШМ практически не притягиваются электронами из внешней оболочки, так как электрическое поле от электронов внутри сферы равно нулю из-за уравновешивания всех электрических сил. Поэтому ионы могут распределяться равномерно по всему объёму ШМ, а рекомбинация ионов и электронов существенно замедляется.

Рис. 2. Экваториальное сечение модели шаровой молнии, выделяющее кольцо на электронной оболочке сфероидальной формы.

_{R — радиус вращения ионов вокруг магнитного поля с индукцией В, r — радиус внешней электронной оболочки}

Как видно из рис. 1b, ШМ фактически есть небольшой кусок линейной молнии, закрученный в клубок с характерным размером 10–40 см. Соответственно в обоих типах молний токи и магнитные поля могут быть близки по величине. По данным из [1–3], характерные параметры линейной молнии таковы: сечение основного канала около 10^-2 м²; токи в главном разряде от 10⁴ А и вплоть до 5∙10⁵ А; за время короткого разряда порядка 10^-3 с может быть перенесено 20 кулон электричества; температура воздуха в канале молнии достигает 25000 К; концентрация электронов в канале линейной молнии до 4∙10¹⁸ в 1 см³; скорости теплового движения у ионов не менее 10⁴ м/с, у электронов более 10⁶ м/с.

Вероятность наблюдения ШМ невелика и по статистике одна замеченная ШМ приходится на 1000 обычных молний.

Оценим параметры самых мощных ШМ с помощью данных о линейных молниях. Вблизи основного канала молнии при токе I_M = 2∙105 A и радиусе R_M = 0.1 м индукция магнитного поля достигает величины:

B = μμ₀I_M/2πR_M ~= 0.4 T

Если электрон вращается в таком магнитном поле с радиусом орбиты, то его скорость должна быть меньше скорости света:

v = Bqr_e/m < c, r_e < mc/B_q = 8∙10^-3 м

Поскольку то в магнитном поле вблизи канала молнии могут удерживаться и накапливаться даже релятивистские электроны. С другой стороны, при токах более 1000 А в импульсных вакуумных разрядах энергия электронов достигает 1 кэВ, а скорости движения электронов до 10⁷ м/с [6]. В качестве верхнего значения тока в плазме следует по-видимому использовать величину 1.4 10⁶ А согласно [7], так как дальнейшее увеличение напряжённости электрического поля приводит к сжатию токового шнура и увеличению излучения при неизменном токе и температуре частиц.

Обозначим через M, V, R и m, v, r массы, скорости движения и радиусы вращения ионов и электронов соответственно; В — индукция магнитного поля; N_i — количество нескомпенсированных положительных ионов внутри ШМ; N_e — количество свободных электронов во внешней оболочке ШМ; q — элементарный электрический заряд; i — ток электронов на орбите радиуса r; s, s₀ — относительная диэлектрическая постоянная и электрическая постоянная; μ, μ₀ — относительная магнитная проницаемость среды и магнитная постоянная. Для упрощения расчётов будем считать, что заряды и токи в основном сконцентрированы вблизи экваториальной плоскости либо расположены наподобие цилиндра, а ионы однозарядны.

Условие равновесия для электронов, движущихся во внешней оболочке, связывает центростремительную и электрические силы:

mv²/r = (N_iq²/4πεε₀r²) — (N_eq²/4πεε₀r²). (1)

Первое выражение в правой части (1) описывает силу притяжения между электроном и объемным внутренним ионным зарядом, второе — силу отталкивания электронов во внешней оболочке друг от друга. Баланс сил (1) будет выполняться в том случае, когда общее число нескомпенсированных положительных зарядов Ni будет незначительно превышать число свободных электронов во внешней оболочке N_e. Следовательно, ШМ в целом должна быть заряжена положительно, имея заряд Q = q(N_i — N_e). С другой стороны, общий заряд ШМ не может превышать такой величины, при которой напряжённость электрического поля на её поверхности превышает Е₀ = 30 кВ/см во избежание пробоя атмосферного воздуха. Отсюда находим максимальный заряд ШМ:

Q₀ = 4πεε₀Е₀r². (2)

Наличие большой напряжённости электрического поля возле ШМ и энергичных электронов подтверждается многочисленными наблюдениями их шипения, потрескивания и испускания искр как при электрическом разряде. Кроме этого, в ряде случаев были взяты пробы воздуха после прохождения ШМ, показавшие повышенное содержание озона и окислов азота. По данным из [8], требуемое соотношение концентраций озона и окислов азота можно получить при электрическом разряде в воздухе с напряжённостью поля до 4 кВ/см.

Выражая заряд Q из (1) и приравнивая к (2), получаем:

v²/r = qE₀/m. (3)

В правой части (3) находятся постоянные величины. Принимая, что максимально возможная скорость электронов v равна скорости света с, находим наибольший радиус ШМ с предельной величиной электрического заряда:

r = 17 см, Q = Q₀ = 9.6∙10^-6 Кл (4) при условии v ~= с.

Предположим, что электронный ток во внешней оболочке ШМ настолько большой, что магнитное давление Р_m сравнивается по величине с атмосферным давлением Р_а

P_a = P_m = B²/2μμ₀, где B = μμ₀i/2πr. (5)

Из (5) с учётом (4) находим предельные величины индукции магнитного поля, тока и числа электронов во внешней оболочке ШМ:

В = 0.5 Тл, i = 1.4∙10⁵ А, N_e = 3.1∙10¹⁵. (6)

Скорость ионов V внутри ШМ можно оценить по средней температуре свечения Т с помощью соотношения между кинетической и тепловой энергиями:

MV²/2 = 3kT/2

Примем согласно [8] в качестве температуры ШМ величину Т = 1,4∙10⁴ К, тогда при средней массе иона М = 4,7∙10^-26 кг как у молекулы азота скорость ионов будет равна V = 3,5∙10³ м/с. Радиус вращения ионов в магнитном поле найдём из выражения:

MV²/R = qVB,

так что с учётом (6) ионы вращаются по окружностям радиуса R = 2 мм в плоскости, перпендикулярной магнитному полю. С другой стороны, заряженные частицы беспрепятственно могут двигаться вдоль линий магнитного поля. Следовательно, в модели ШМ с магнитным полем заряженные частицы двигаются по винтовым линиям и периодически отражаются от наружной электронной оболочки.

Кинетическая энергия электронов во внешней оболочке ШМ будет равна:

E_k = N_emv²/2 = 0.13 кДж. (7)

Умножая объём ШМ V_b = 4πr³/3 = 0.02 м³ на плотность магнитной энергии, оценим энергию магнитного поля:

E_m = V_bB²/2μμ₀ =πμμ₀ri²/6 = 2 кДж. (8)

Электростатическая энергия ШМ вычисляется как интеграл от плотности энергии электрического поля и по объёму:

Е — напряжённость электрического поля. За пределами ШМ напряжённость поля Е мала из-за частичной компенсации положительного ионного заряда и отрицательного заряда от электронов во внешней оболочке. В самой электронной оболочке поле достаточно большое, но объём оболочки существенно зависит от её толщины; при малой толщине энергия в оболочке может быть невелика. Энергия поля внутри ШМ рассчитывается точно, при равномерном распределении положительных зарядов по объёму с их общим зарядом qN_i энергия шара равна:

W₊ = q²N_i²/40πεε₀r = 1.3 кДж, (9)

Здесь принято N_i|N_e = 3.1∙10¹⁵ согласно (6). Полная электростатическая энергия ШМ будет ещё больше, чем величина (9).

По данным из [8], плотность энергии плазмы в ШМ при температуре Т = 1,4 10⁴ К составляет 0,35 Дж/см³. Умножая эту плотность на объём нашей модели ШМ при её радиусе 17 см, находим максимально возможную энергию плазмы, включая кинетическую энергию частиц:

Е_i = 7.2 кДж. (10)

Таким образом основная энергия в нашей мощной ШМ согласно (7) — (10) заключена в энергии ионизованных частиц и в энергии электромагнитного поля, причём суммарная энергия величиной 10.6 кДж попадает в диапазон верхних значений энергий у ШМ, вычисляемых по результатам их воздействия на окружающие предметы.

Любопытной особенностью ШМ является то, что её полная энергия положительна, а сама ШМ при этом относительна стабильна. Другой противоположностью являются гравитационно-связанные тела, стабильность которых сопровождается отрицательностью их полной энергии. В обоих случаях полная энергия растёт по модулю при уменьшении объёма объекта при неизменном количестве частиц. В ШМ как в плазменном объекте дополнительное внешнее давление приводит к увеличению токов и магнитного поля (это характерное свойство плазмы), а при уменьшении объёма вырастет и электростатическая энергия.

Благодаря своему заряду (4) ШМ может двигаться под влиянием электрических полей. Как отмечается в [3], ШМ иногда выпадают из облаков и быстро направляются к земле, ударяются об неё и взрываются. Часто это движение происходит вдоль канала только что возникшей линейной молнии. На тесную связь между местами появления ШМ и ударов линейных молний указывает и то, что в некоторых случаях ШМ образуется от одной линейной молнии и уничтожается другой линейной молнией. ШМ, возникшие вблизи земли, обычно двигаются медленно и могут останавливаться у некоторых предметов, перемещаться против ветра или даже подниматься в облака. Эти особенности поведения ШМ вполне могут быть объяснены действием на неё сильных электрических полей между облаками и выступающими предметами на земле, периодически колеблющимися при разрядах линейных молний и движении облаков вплоть до изменения направления напряжённости поля. Известно, что разность потенциалов между облаками и землёй может достигать величины вплоть до 10⁸ В, что при высоте облака над землёй в 1 км даёт напряжённость поля 10⁵ В/м вместо тех 100 В/м, которые наблюдаются при ясной погоде. Кроме этого, вследствие высокой температуры воздуха внутри ШМ её средняя плотность отличается от плотности окружающего воздуха, так что к электрическим силам нужно добавить подъёмную силу Архимеда. Баланс указанных сил осуществляется, по-видимому, у привязанных или прикреплённых ШМ, либо парящих неподвижно, либо связанных с предметами. В течение жизни ШМ её заряд может изменяться из-за взаимодействия с окружением или при частичном распаде, приводя к изменению равновесного состояния. Так, при переходе от прикреплённой ШМ к свободной она обычно взмывает вверх, а затем по наклонной линии уходит к облакам.

Рассмотрим процесс уравновешивания ШМ в атмосфере более подробно. Если воздух внутри ШМ сильно нагрет, то сила Архимеда много больше веса самой ШМ. С другой стороны, при своём образовании ШМ обычно находится в районе вхождения линейной молнии в землю или у высоких предметов, несущих потенциал земли. Благодаря заряду ШМ создаёт в земле как в проводнике наведённые заряды и притягивается к ним. Силу притяжения можно определить с помощью метода изображений из электростатики. Найдём высоту h над землёй, при которой ШМ находится в равновесии, из равенства электрической силы и силы Архимеда:

Q²/4πεε₀(2h)² = ρgV_b = 0.25 Н, (11)

где ρ = 1.29 кг/м³ — плотность атмосферного воздуха вокруг ШМ

g = 9.81 м/с² — ускорение силы тяжести

V_b = 0.02 м³ — объём нашей модели ШМ.

При заряде Q из (4) высота h = 90 см. По мере остывания воздуха в ШМ уменьшается её объём, а при потере электронов с наружной оболочки может увеличиваться и заряд Q. Поэтому ШМ может всплыть над землёй и далее плавно перемещаться в зависимости от рельефа местности, ветра и электрических полей от грозовых облаков. Нетрудно подсчитать электрическую силу, действующую на ШМ при напряжённости поля Е = 10⁵ В/м от сильно заряженного грозового облака: F = QE = 1 Н, что близко к силе Архимеда (11).

Для того чтобы представить устройство ШМ более наглядно, приведем весьма подробное свидетельство М.Т. Дмитриева, специалиста-химика, имевшего опыт работы с низкотемпературной плазмой и ставшего очевидцем явления ШМ [8]:

Светимость молнии была значительной, особенно при расстоянии в несколько метров, тем не менее, её всё же можно было свободно рассматривать, без чрезмерного напряжения. Было заметно, что цвет молнии неоднороден. Центральная часть представляла собой шар диаметром около 6–8 см, несколько вытянутый в вертикальном направлении. Эта часть была и наиболее яркой, по своему внешнему виду (кроме формы) весьма напоминая электроразрядный факел в воздухе, получаемый в плазмотронах, с температурой плазмы порядка 13000 — 16000 градусов. Центральная часть молнии была окружена областью толщиной 1–2 см с густым фиолетовым свечением, очень похожим на свечение воздуха при давлении 0.1 мм. рт. ст., бомбардируемого электронами с энергией в несколько десятков электрон-вольт. Следующая, наружная оболочка, толщиной около 2 см, также была неоднородна, напоминая по цвету тихий электрический разряд при атмосферном давлении или периферийное свечение электронного пучка с энергией в несколько десятков кило-электрон-вольт, попадающего из вакуумной трубки в воздух при обычном давлении. Светло-голубое свечение этой части молнии быстро убывало с увеличением расстояния от центрального шара, постепенно сходя на нет. Оболочки молнии хорошо просматривались только в горизонтальном направлении. В нижней части они, вероятно, были сжаты и их можно было различить только при сопоставлении с боковыми частями молнии. Над молнией сверху оболочки были значительно толще, но не так резко выражены. Кроме того, в них можно было видеть отдельные яркие конвективные струи (как над обычным костром, только цвет их был с беловатым оттенком). Общий диаметр шара составлял около 11–12 см в горизонтальном направлении и около 14–16 см в вертикальном. С расстояния в несколько десятков метров наблюдалась, по-видимому, только центральная часть шара. Издали молния имела синеватый оттенок. В молнии, по-видимому, всё время выделялась энергия. На это указывали сплошной шорох и сильные отдельные потрескивания. Вероятно, беспрерывно происходила и утечка её заряда. Выделение энергии резко увеличивалось при соприкосновении молнии с поверхностями (листьями или сучками) и сопровождалось более сильным треском и искрением. Молния оставила после себя сильный запах, по своему характеру почти совпадающий с запахом воздуха, подвергнутого воздействию ионизирующего излучения.

Как видно из приведённого текста, шаровая молния Дмитриева имела вертикальную ось симметрии, совпадающую с осью вращения электронного облака в нашей модели ШМ и с направлением внутреннего магнитного поля. В магнитных полях, на порядок меньших, чем в (6), радиус вращения ионов R вырастает приблизительно до величины половины радиуса ШМ. При этом возникает только одна устойчивая ионная орбита, которая отмечает положение ядра ШМ. Внутреннее ионное облако молнии Дмитриева было вытянуто в вертикальном направлении, а все оболочки хорошо просматривались только в горизонтальном направлении. О вращении частиц в оболочках с дифференциальной скоростью говорили отдельные яркие конвективные струи. По предположению Дмитриева, светло-голубое свечение внешней оболочки напоминает тихий электрический разряд с энергией электронов в десятки килоэлектронвольт. Найдём потенциал нашей модели ШМ при её радиусе и заряде согласно (4):

φ = Q/4πεε₀r = 500 кВ. (12)

Поскольку заряд ШМ положительный, то она будет бомбардироваться электронами и отрицательными ионами из окружающей атмосферы с приобретаемой ими энергией от прохождения разности потенциалов вплоть до величины (12). Известно, что пробег электронов в воздухе ограничивается различными потерями и при начальной энергии электронов в 500 кэВ не превышает 1 м. На самом деле начальная энергия электронов воздуха мала и они в электрическом поле ШМ приобретут существенно меньшую энергию. Если считать, что зона ускорения электронов вблизи равна Δr = 1 см (что соответствует напряжённости электрического поля, пробивающей воздух, от заряда Q нашей модели ШМ), то из (12) следует:

U = qΔφ = qQΔr/4πεε₀r² = 30 кэВ.

что соответствует наблюдениям Дмитриева. Если заряд ШМ велик, то её наблюдаемый радиус может быть больше настоящего за счёт светящейся короны вокруг неё.

Светимость обычной ШМ среднего размера можно объяснить излучательными переходами атомов и молекул и постепенной рекомбинацией ионов воздуха внутри ШМ, так что её энергия только за счёт излучения непрерывно убывает со скоростью до 2 Дж в секунду. Отношение площади поверхности к объёму растёт по мере уменьшения радиуса, следовательно, маленькие ШМ израсходуют всю свою энергию на излучение и теплоотдачу в окружающую атмосферу быстрее, за время порядка долей и единиц секунд, и это действительно наблюдают как у природных, так и у искусственных ШМ при коротких замыканиях электрооборудования.

В связи со строением ШМ интересно рассмотреть некоторые случаи из [3]. ШМ довольно редко представляет собой правильную сферу, скорее это масса неправильной формы, иногда с несколькими выступами. Некоторые ШМ кажутся полыми, овальными, сердцевидными, грушевидными, яйцевидными или в виде тора или кольца. В случае в Париже в 184 9 г. у ШМ возникли искры и огненные языки, которые как будто вырывались из отверстия в шаре. При увеличении отверстия ШМ взорвалась с молниеподобным разрядом. После этого наблюдалось ещё некоторое яркое свечение.

В случае 194 9 г. в ФРГ после распада ШМ осталась её часть, напоминающая по форме молодой месяц, повёрнутый рогами вниз. Распад этой ШМ сопровождался искрами длиной до 30 см. Прикреплённые к предметам ШМ исчезают обычно как бы кипя и выбрасывая искры. По статистике до 50 % всех наблюдаемых ШМ оканчивают свою жизнь с небольшим взрывом. В рамках нашей модели описанные свойства ШМ можно объяснить тем, что внешняя оболочка может иметь не только сферическую, но и ступенчатую форму, демонстрируя тем самым некоторую независимость отдельных токовых колец. В течение жизни ШМ отдельные кольца в силу неустойчивости или взаимодействия с окружающими предметами разрываются и из ШМ вылетают потоки быстрых электронов и плазмы в виде искр. Иногда ШМ просто разделяется на несколько маленьких ШМ. Маломощные ШМ в отсутствие взаимодействий с окружением будут просто разряжаться почти беззвучно и без особых эффектов.

Заключение

По данным наблюдений ШМ часто вращаются в воздухе или катятся по предметам. При опускании на рыхлую землю или торф ШМ способны вырыть ямы или разбросать землю. На быстрое движение частиц в ШМ указывает и то обстоятельство, что в некоторых случаях контакта с ней люди получали ожоги как от электрического тока, а предметы нагревались или оплавлялись. Согласно предлагаемой нами модели физическая природа ШМ такая же, как и у обычной молнии.

Так как движение частиц в ШМ в основном вращательное, а в линейной молнии поступательное, то с философской точки зрения оба типа дают ещё один пример действия принципа дополнительности в природе. Следует сказать, что для построения модели ШМ были использованы те же идеи, что ив [9] при описании схемы возникновения электрического заряда у элементарных частиц.

_{Список литературы}

_{1. Барри Дж. Шаровая молния и четочная молния. М.: Мир, 1983. - 288 с.}

_{2. Смирнов Б.М. Проблема шаровой молнии. М.: Наука, 1988. - 208 с.}

_{3. Сингер С. Природа шаровой молнии. М.: Мир, 1973. - 239 с.}

_{4. Стаханов И. П. О физической природе шаровой молнии. М.: Энергоатомиздат, 1985. - 209 с.}

_{5. Капица П. Л. Свободный плазменный шнур в высокочастотном поле при высоком давлении // ЖЭТФ. 1969. Т. 57, вып.6. C.1801v 1866.}

_{6. Зверев Е.А., Кринберг И.А. Нагрев токового шнура и образование перетяжек в импульсном вакуумном разряде // Письма в ЖТФ. 1998. Т. 24.N18. C.50v 56.}

_{7. Брагинский С.И. О поведении полностью ионизованной плазмы в магнитном поле // ЖЭТФ. 1957. Т.33. Вып. З. С.645–654.}

_{8. Дмитриев М.Т. Природа шаровой молнии // Природа.1967.N6.С.98v 106.}

_{9. Федосин С.Г. Физика и философия подобия от преонов до метагалактик. Пермь: Стиль-МГ, 1999. - 544 с.}

Даже если считать только предложения, опубликованные в серьёзных научных журналах, то количество теоретических моделей, которые с разной степенью успеха описывают явление и отвечают на эти вопросы, составляет десятки. Перечислим некоторые из них.

Например, гипотеза Петра Леонидовича Капицы (П.Л. Капица. О природе шаровой молнии ДАН СССР 1955. Том 101, № 2, стр. 245–248.): между облаками и землёй возникает стоячая электромагнитная волна, и когда она достигает критической амплитуды, в каком-либо месте (чаще всего, ближе к земле) возникает пробой воздуха, образуется газовый разряд. В этом случае шаровая молния оказывается как бы «нанизана» на силовые линии стоячей волны и будет двигается вдоль проводящих поверхностей. Стоячая волна тогда отвечает за энергетическую подпитку шаровой молнии.

Принципиально другую гипотезу предлагает Б. М. Смирнов (В.М.Smirnov, Physics Reports, 224 (1993) 151, Смирнов Б.М. Физика шаровой молнии // УФН, 1990, т.160. вып.4. стр.1-45), занимающийся проблемой шаровой молнии много лет. В его теории ядро шаровой молнии — это переплетённая ячеистая структура, нечто вроде аэрогеля, которая обеспечивает прочный каркас при малом весе. Только нити каркаса — это нити плазмы, а не твердого тела. И энергетический запас шаровой молнии целиком скрывается в огромной поверхностной энергии такой микропористой структуры. Термодинамические расчеты на основе этой модели, в принципе, не противоречат наблюдаемым данным.

Ещё одна теория (D.J. Turner, Physics Reports 293 (1998) 1) — уже из самых новых — 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. Автор теории уверен, что она дает чёткий ответ на загадку шаровой молнии.

Пермский физик Сергей Федосин в ряде работ [1] представил электронно-ионную модель шаровой молнии в Современные проблемы физики. В поисках новых принципов. М.: Эдиториал УРСС, 2002. (192 стр.). Согласно этой модели, шаровая молния есть сгусток очень горячего ионизированного воздуха с общим положительным зарядом, оболочка которого состоит из быстро вращающихся электронов с общим током до 1,4*105 А. Целостность молнии поддерживается балансом электромагнитных сил, действующих между зарядами. Положительные ионы внутри молнии распределены свободно вследствие сферической симметрии, и притягивают к себе электроны оболочки, удерживая их от разлёта.

Электронные токи в оболочке создают сильное магнитное поле внутри молнии. Эти токи перпендикулярны оси вращения, к полюсам диаметр вращения уменьшается, магнитное поле растёт. Это удерживает положительные ионы от разлёта вдоль оси вращения за счёт эффекта магнитной бутылки. Основное магнитное поле внутри молнии направлено вдоль оси вращения. То есть ионы могут двигаться вдоль оси вдоль линий магнитного поля. С другой стороны, ионы вращаются по окружности перпендикулярно оси под действием силы Лоренца соответственно своей тепловой скорости. В результате на некотором расстоянии от оси молнии возникает пересечение двух потоков ионов, которое наблюдается как светящиеся оболочки внутри молнии. Излучение от оболочек возникает от трения и рекомбинации пересекающихся потоков ионов.

Теория предсказывает максимальный диаметр шаровой молнии 34 см. При большем размере суммарный заряд молнии, имеющий положительный знак, растёт до величины 10^-5 Кл и возникает электрический пробой воздуха вблизи молнии. Энергия молнии в этом случае достигает 10,6 КДж. Благодаря своему заряду шаровая молния не всплывает под действием силы Архимеда, а удерживается электрической силой от наведённого заряда на Земле.

Какая из теорий достоверна — проверить нетрудно: критерием будет служить эксперимент. Пусть хоть какая-нибудь теория сможет чётко сказать, как именно можно создать шаровую молнию в лаборатории.

Именно такой теорией, предлагающей способ создания необычного состояния вещества, способного аккумулировать и сохранять значительное время энергию, является предположение, что шаровая молния — это ридберговское вещество. Группа L. Holmlid[53] занимающаяся приготовлением ридберговского вещества в лабораторных условиях пока отнюдь не с целью производства шаровых молний, а в основном с целью получения мощных электронных и ионных потоков, используя то, что работа выхода ридберговского вещества очень мала, несколько десятых электрон-вольта. Предположение, что шаровая молния является ридберговским веществом, описывает гораздо больше ее наблюдаемых свойств, от способности возникать при разных условиях, состоять из разных атомов, и до способности проходить сквозь стены и восстанавливать шарообразную форму.