Тайны шаровой молнии

Впервые научное описание шаровой молнии дал в книге «Гром и молния» французский физик Франсуа Араго в начале XIX века. Это первая книга о молнии, электрическую природу которой открыли за полвека до этого. В книге Араго были описаны два десятка случаев наблюдения шаровой молнии. Ее свойства до сих пор сложно определить, потому что описания в основном принадлежали людям, которые не были учеными, и делались обычно не по горячим следам.

Шаровая молния как трудно изучаемое и потому загадочное явление стало популярным в массовой культуре. Есть даже фильм о Джеймсе Бонде с таким названием. Но ученым, которые решаются исследовать это явление, необходимо быть очень осторожными, чтобы принимать во внимание только действительно достоверные данные. Недавно было опубликовано первое полноценное научное наблюдение шаровой молнии, но и оно вызывает вопросы.

Что называют шаровой молнией

Шаровой молнией очевидцы сразу же называют любое шаровое светящееся и движущееся явление в воздухе. Это может быть событие, которое увидели люди после удара молнии в высоковольтную линию или в дерево. Так же называют объект, который появился в комнате, вылетев из дымохода, или возник с шипением из розетки.

Исследователи, которые собирали информацию об этом явлении, опирались на довольно ненадежный источник — сообщения очевидцев. Свидетели явления говорят, что размеры шаровой молнии от пяти сантиметров до метра. Свечение длится от долей секунды до нескольких секунд и даже десятков секунд. При контакте с шаровой молнией люди часто испытывали сильный удар током, вплоть до смертельного. Некоторые наблюдатели говорили о шипении шаровой молнии, о том, что она представляла собой клубок светящихся каналов голубого цвета, но в крупных шаровых молниях были и красные цвета. Шаровая молния «проходит» сквозь стекла и ее даже как будто бы видели внутри самолетов.

Шаровую молнию чаще всего видят после удара обычной молнии. Но разряд молнии вблизи выглядит как очень яркая вспышка света. Поэтому в начале XX века были ученые, которые считали, что шаровая молния — это не физическое явление, а артефакт, засветка глаза (если посмотреть на яркую лампу-вспышку при фотографировании или стробоскоп на дискотеке, то на несколько секунд останется ощущение движущегося светового пятна в глазах, причем независимо от того, закрыты или открыты глаза).

В чем главная проблема шаровой молнии

Огромный интерес к шаровой молнии вызван не тем, что она имеет форму шара, а тем, что до сих пор непонятна природа ее большого времени жизни. Вообще в природе, если у вас нет выделенного направления, многие явления принимают форму шара, например капли при падении. Нет серьезных проблем создавать сколько угодно времени с помощью слаботочных электрических дуг шаровое плазменное образование между двумя электродами. То же самое касается шарового плазменного образования в свободном пространстве, поддерживаемого пучком электромагнитного излучения СВЧ-диапазона (при большой изобретательности его можно создать даже в СВЧ-печке, что когда-то и сделали японские ученые). В этих явлениях к плазме разрядов подводится электромагнитная энергия извне, и проблем с поддержанием такой плазмы нет.

Но большинство исследователей и особенно «любителей» исходит из того, что к шаровой молнии не подводится внешняя энергия. Плазма — это газ, в котором много свободных электронов, и потому плазма обладает высокой проводимостью, через нее течет значительный ток, как по проводу с большим сопротивлением. Если перестать подводить к плазме энергию, то за несколько миллионных долей секунды электроны исчезнут, ток прекратится, плазма потухнет. А если это так, то надо объяснить, почему шаровая молния, если это плазменное образование, живет так долго — в десятки тысяч раз.


Есть много удивительных оптических и электрических атмосферных явлений. Например, огни святого Эльма, которые «в ночь перед бурею на мачте горят», как в песне Булата Окуджавы. Для большинства из них нашли убедительные физические объяснения. Ученым понятно, как можно изучать даже такое нечастое явление, как обычную линейную молнию: каждую секунду на Земле происходят около ста разрядов. Грозовое облако формируется постепенно, и место, откуда возникнут разряды молнии, можно с неплохой точностью предсказать по изменению электрического поля на Земле и движению гидрометеоров (капель, ледышек, снежинок, снежной крупы и так далее) в грозовой ячейке, где накапливается основной электрический заряд. В это место можно направить объективы различных физических приборов.

Часто во время грозы молнии стартуют с высоких зданий и телевизионных вышек (больше двухсот метров), на кончики которых также можно поставить приборы. Кроме того, ученые уже шестьдесят лет как научились вызывать молнию из грозового облака «на себя», то есть создавать так называемые триггерные молнии. Несмотря на это, многие ключевые проблемы обычной молнии по-прежнему мало изучены, что уж тут говорить про шаровую молнию. Так как непонятна ее природа, то и непонятно, где ее ожидать, вооружившись приборами.

Основные гипотезы

В начале ХХ века была гипотеза, в которой предполагалось, что из-за большого расстояния, с которого обычно наблюдается шаровая молния, мы не видим, как от облака к ней тянется тонкий плазменный канал — благодаря его току поддерживается существование шаровой молнии. Сейчас ученые достаточно много знают о токе обычной молнии и установили, что разряд длится максимум секунду, при этом он будет состоять из многих отдельных ярких ударов с большим током, между которыми существуют перерывы, во время которых ток на землю практически прекращается. А были зафиксированы шаровые молнии со временем жизни десять секунд и более, при этом никаких сильных ударов молнии через них не наблюдалось, иначе свидетели подобных событий просто получили бы электрические поражения такой силы, что не смогли бы потом рассказать о своих впечатлениях.

Также ученые хорошо знают по наземным и самолетным наблюдениям размер накопленных в облаке зарядов, и там их тоже не так много, чтобы обеспечить долгую жизнь плазменных образований. Получается, пока невозможно объяснить поддержание жизни шаровой молнии при помощи известных проявлений природного атмосферного электричества. Поэтому появилось множество экзотических объяснений природы шаровых молний, в том числе от ученых, заболевших этим явлением, из других областей физики, которые не очень разбираются в атмосферном электричестве и в своих гипотезах не учитывают весь накопленный наблюдательный материал.

Например, Петр Леонидович Капица, академик и нобелевский лауреат, предположил, что шаровая молния поддерживается пучком микроволнового излучения, как в СВЧ-печке, а само СВЧ-излучение идет от молнии. Но при изучении молнии не удалось обнаружить сколько-нибудь серьезных потоков СВЧ-излучения. СВЧ-излучение легко измеряется на больших расстояниях, так как его используют для обнаружения самолетов, ракет, измерения скорости автомобилей.

Некоторые ученые, занимавшиеся ядерной физикой, предположили, что у шаровой молнии есть ядерный источник энергии. Но ядерные процессы — это чудовищная энергия, которая не может порождаться молнией. Кроме того, она создает радиоактивность, которую также несложно измерить. В местах, где наблюдалась шаровая молния, несколько раз пытались измерить радиоактивность, но она не превышала естественный фон.

Если шаровая молния — физическое явление, то из нескольких тысяч надежных наблюдений можно вывести ее основные свойства. Поэтому ученому, который претендует на объяснение механизма шаровой молнии, необходимо не только предложить какой-то новый необычный источник внутренней энергии, поддерживающей шаровую молнию, но и объяснить в рамках данной гипотезы другие установленные свойства шаровой молнии. Почти никто из представляющих альтернативные гипотезы этого не делают, поэтому их идеи повисают в воздухе.

Мартин Юман, один из самых известных современных специалистов по изучению молний, вместе с коллегами инициировал триггерную молнию, запуская в облако ракету с заземленным проводом, получая мощный разряд между электродами специальной формы, но создать шаровую молнию и им не удалось.

Важное, но спорное свидетельство


В 2012 году китайские ученые снимали линейную молнию на спектрограф и скоростную камеру и зафиксировали некоторое шаровое явление, появившееся в момент удара обычной линейной молнии в землю. Это очень важное свидетельство. Их результаты опубликовали в самом престижном журнале по физике — Physical Review Letters, и редакторы оставили в названии термин «шаровая молния», что говорит о признании серьезными физиками возможности существования данного явления. Статья называлась «Наблюдения оптических и спектральных характеристик шаровой молнии» (Observation of the Optical and Spectral Characteristics of Ball Lightning, PRL 112, 035001 (2014) DOI:10.1103/PhysRevLett.112.035001).

Запись, на которой видно шаровое свечение, длится полторы секунды, что очень много. Появилось светящееся образование из канала линейной молнии непосредственно около поверхности земли. По их измерениям размеры шарового образования были вначале более десяти метров, а через целую секунду более пяти метров, и это очень много для шаровой молнии.

Светилась шаровая молния целую секунду почти равномерно, что совершенно невозможно без притока внешней энергии. Удалось зафиксировать спектральные линии, связанные с материалом почвы, куда ударила линейная молния, и снять спектр «шаровой молнии» (кремний, железо, кальций). Причем все время записи спектральные линии присутствовали, а это значит, что столько же времени существовала плазма, поддерживающая это свечение. Никаким горением такой спектр объяснить нельзя. Цвет шаровой молнии изменялся от фиолетового к красному. Двигалось светящееся образование со скоростью около девяти метров в секунду.

Хотелось бы поздравить китайских коллег с замечательным успехом, но в самой их работе есть довольно странный график колебаний светимости «шаровой молнии» с периодом около 100 Гц все время яркого свечения, что пропорционально промышленной частоте линий электропередачи (50 Гц). Авторы честно пишут, что в двадцати метрах от места, где ударила линейная молния и появилось это плазменное образование, находится высоковольтная линия электропередачи (ЛЭП) напряжением 35 кВ.

Двадцать метров — это не очень большое расстояние, и его по влажной земле может пройти канал молнии, достигнув опоры ЛЭП и повредив ее. В результате ток с ЛЭП может соединиться с местом контакта канала молнии с землей, где и существовала «шаровая молния». Получается, и в этом эксперименте нельзя исключить, что плазменное образование, называемое авторами шаровой молнией, не является полностью природным явлением, а, возможно, снабжается энергией тока, идущего от пробитой молнией ЛЭП. Тогда понятно, почему же плазма жила так долго: она питалась промышленной электроэнергией.

Жаль, что авторы не написали в статье, связались ли они с электроэнергетиками, которые должны были зафиксировать пробой ЛЭП, если он был. В любом случае это важное свидетельство в пользу плазменной природы если не самой «шаровой молнии», то шаровых плазменных явлений, которые может порождать линейная молния при ударе в высоковольтные ЛЭП или рядом с ними.

Химическая гипотеза

В настоящее время наиболее непротиворечивой является гипотеза о химической природе источника энергии шаровой молнии. Химические реакции могут протекать относительно долго, пока не исчерпаются химические вещества, участвующие в реакциях. Например, таким процессом может быть специфическая форма шарового горения (удавалось создать шаровые формы воспламенений горючих газов в лабораторных условиях, которые не взрывались и существовали секунды, перемещаясь по лабораторной камере).

Предположим, молния ударяет в район болот, где довольно часто наблюдаются испарения и скопления горючих газов вроде метана. Из-за высокой температуры во время удара молнии этот газ загорается и дальше горит, напоминая конфорку газовой плиты, у которой сняли крышку. Ведь так газ может гореть часами, если есть приток газа изнутри болота.

Но если считать шаровую молнию формой горения, то как объяснить ее электрические проявления вплоть до поражений людей и животных при контакте с шаровой молнией? Также очень сложно реализовать в природе движение горящего шара, подобное описанным наблюдателями. Обычно газы взрываются или быстро сгорают. Поэтому и химическая гипотеза не может объяснить многие важные свойства шаровой молнии, но она снимает проблему времени жизни, существующую в плазменной гипотезе.

Преимущество химической гипотезы в том, что не нужно привлекать совсем уж экзотические представления вроде «получения энергии из вакуума» или «холодного термояда». Но надежному китайскому эксперименту, описанному выше, данная гипотеза не соответствует, так как никаких болот там не было, а спектр горения коренным образом отличается от спектра, записанного китайцами. Впрочем, и китайскому эксперименту доверять до конца нельзя.

Моделирование шаровой молнии в лаборатории



Несколько групп в мире пытались смоделировать шаровую молнию в лаборатории. Есть исследователи, которые утверждают, что им удалось создать шаровую молнию при мощном разряде в парах воды. Они даже разместили фотографии в интернете. Но серьезных публикаций в рецензируемых научных журналах, подобных китайской, на эту тему так и не было — публикаций, где бы их опыты были подробно описаны, фиксировались современными приборами свойства плазмы, гарантировалось бы отсутствие подвода дополнительной энергии от внешних источников и так далее.

Мало получить в лаборатории интересное долгоживущее шаровое светящееся явление — надо при этом привести серьезные аргументы в пользу того, что то, что мы создали в лаборатории, имеет отношение к природному явлению, называемому шаровой молнией. Искра между шариками, проскакивающая в электрофорной машине, имеет, вопреки утверждениям школьных учителей, очень небольшое отношение к молнии. Она не может объяснить не только как рождается молния, но и как она пробивает промежуток облако — земля. То же самое касается создания в лаборатории долгоживущего шарового светящегося образования. Надо еще доказать, что эксперимент моделирует природное явление.

И все-таки шаровая молния по-прежнему бросает ученым серьезный вызов. Сегодня считается, что свидетельств существования шаровой молнии столько, что от них невозможно отмахнуться. Возможно, шаровая молния не просто явление, а сложная комбинация известных физических явлений, которую мы пока не можем отследить и расшифровать.

Александр Костинский кандидат физико-математических наук, заместитель декана факультета физики НИУ ВШЭ