Раскаленный светящийся пар: российские физики раскрыли тайну шаровых молний

Шаровая молния — одна из редких природных загадок современности. Кто-то и вовсе считает их выдумкой. Однако физикам из МГУ удалось воспроизвести этот феномен в лаборатории и запечатлеть на фотографиях светящиеся шары, «прыгающие» по столу. Ученые считают, что разгадали загадку шаровых молний: по их мнению, больше всего они похожи на воздушные шары, заполненные раскаленным газом. И действительно способны причинить людям вред.

Легенда о шаровых молниях

Шаровая молния — это сравнительно небольшой светящийся сферический объект, который иногда появляется во время грозы в неожиданном месте. Казалось бы, слово «молния» в названии должно указывать на электрическую природу этого объекта, но до сих пор ученые не могут прийти к согласию в этом вопросе. Например, академик Петр Капица предполагал, что светящиеся шары могут быть газовыми разрядами (подобными электродуге при сварке), которые движутся вдоль силовых линий электромагнитной волны, возникшей в грозу.

Согласно другой распространенной точке зрения, шаровая молния — это городская легенда или галлюцинация.

Поскольку психически здоровые люди не могут видеть галлюцинации без внешнего воздействия, то к этой теории прилагается объяснение. Так, якобы от грозовых разрядов могут возникать настолько мощные магнитные поля, что они нарушают работу мозга и порождают видения.

Однако у таких гипотез тоже нет лабораторных подтверждений: не было экспериментов, в которых с помощью магнитного поля удавалось заставить людей видеть шаровые молнии, а не пятна света перед глазами, которые трудно спутать с физическим объектом. Попытки списать случаи их наблюдения на фантазии также не вызывают доверия. Например, долгое время считали выдумкой моряков волны-убийцы, высота которых намного превосходит окружающее волнение. По старым научным теориям, в открытом море все волны в каждом месте имеют фиксированную высоту, зависящую в основном от ветра. Лишь в течение последних пары десятилетий ученые смогли воспроизвести волны-убийцы в лабораторном бассейне и теоретически объяснить их появление, оправдав таким образом обвиненных во лжи моряков.

Аналогичным образом физики пытаются раскрыть секрет шаровой молнии, получив ее в лаборатории.

Яркий объект сверху справа — лабораторная шаровая молния

Раскаленный воздушный шар

Владимир Бычков — ведущий научный сотрудник физфака МГУ, доктор физико-математических наук и специалист по физике плазмы и газовых разрядов. Он регулярно проводит университетские семинары по шаровым молниям и, что любопытно, интерес к этой теме в нем подстегнули личные случаи наблюдения.

«В последний раз шаровую молнию я видел в 2005 году. Меня тогда пригласили читать лекции в научный центр Rockwell International, расположенный в калифорнийском городе Таузанд-Окс.

Поздним вечером я шел из лаборатории по горной тропе и вдруг увидел, что сверху расположенной под горой пальмы появился светящийся, разительно белый шар. Он медленно спустился вниз, после чего в течение двух секунд исчез.

Тонкая оксидная оболочка и металлический шарик, оставшиеся после остывания шаровой молнии в воде

К сожалению, он был весьма далеко, поэтому рассмотреть его детали и структуру было невозможно», — рассказал физик в беседе с «Газетой.Ru».

Проведя с того момента множество экспериментов, Бычков пришел к выводу, что виденный им шар, как и другие шаровые молнии, — это раскаленный и заряженный пар внутри псевдотвердой оболочки. А возникают они так:

«Обычная молния ударяет в земную поверхность. Выделенная энергия испаряет часть грунта и образует в нем каверну. Внешние слои парового облака быстро застывают и запирают пар внутри, формируя шар. Этот шар вылетает из грунта со скоростью звука, но в конце концов под действием атмосферы должен затормозить, — именно из-за большой начальной скорости людям кажется, что шаровые молнии появляются из ниоткуда», — объясняет свою теорию Бычков.

Говоря простыми словами, шаровая молния в рамках этой концепции подобна воздушному шарику, надутому горячим газом. Если температура объекта составляет пару тысяч градусов или больше, то он будет светиться очень ярко.

Однако, по описанию многих свидетелей, шаровые молнии не всегда падают на землю, как воздушный шарик, а способны левитировать. Это можно объяснить наличием электрического заряда. Молнии могут иметь как положительный, так и отрицательный заряд, а поверхность земли заряжена отрицательно. Поскольку два тела с зарядом одного знака отталкиваются друг от друга, шаровая молния, возникшая от удара отрицательной линейной молнии, будет левитировать над землей.

Оболочка такой шаровой молнии, как правило, состоит из оксидов, например, SiO2, основного материала песка, но может содержать и Al2O3. Толщина стенки не должна превышать нескольких микрон, но ее прочность позволяет выдерживать значительные перепады давления между атмосферой и паром внутри.

Множественные подобия шаровых молний скачут по полу

Как это удалось узнать?

Излагаемая Бычковым теория может кому-то показаться фантастикой, но она основана на лабораторных опытах последних нескольких лет. Они были устроены по-разному, но в основном в них использовали электрический разряд, попадающий в твердый материал, — то есть имитировали попадание линейной молнии в грунт.

«Например, мы воздействуем зарядом на алюминиевую пластинку.

В результате у нас получаются светящиеся шарики, которые прыгают по поверхности, а потом взрываются. Их размер очень мал, порядка миллиметров, но когда они взрываются, то оставляют похожие на звезды следы на бумаге.

Когда же шарик попадал в воду (мы специально подставляли кювету), то выпадала металлическая сфера, а рядом плавала оболочка. Исследование показало, что сфера — это почти чистый алюминий, а «скорлупа» — оксид Al2O3», — рассказывает об опытах ученый.

Основные этапы эксперимента фиксировали на камеру. Разрешение некоторых снимков невелико, но на некоторых из них отчетливо виден светящийся шарик, который подходит под описание шаровой молнии, но в миниатюре. Светящийся объект не может быть просто яркой искрой, поскольку после попадания в воду его сферическое ядро и тонкая оболочка хорошо видны.

Миниатюрная шаровая молния в лаборатории / Владимир Бычков/Физический факультет МГУ

Насколько опасны шаровые молнии?

Если концепция Бычкова и его коллег  верна, то шаровые молнии действительно способны причинить большие разрушения. Во-первых, опасен сам раскаленный газ, который находится внутри под давлением. Внутри полученных на физфаке шариков давление не превышает двух атмосфер, но внутри настоящих шаровых молний может доходить до десяти.

Этого достаточно, чтобы при разрыве оболочки возникла ударная волна, то есть шаровая молния взорвется. Вдобавок к самому взрыву, высвобожденный раскаленный газ способен воспламенить предметы и обжечь людей.

Во-вторых, шаровая молния может получить большой электрический заряд, и если он имеет величину порядка 10-2 кулона, то несет серьезную опасность для человека. Помимо самого электрического шока, этот заряд при контакте с предметами выделит энергию в виде тепла, то есть повторит удар молнии в миниатюре.

Полет отрицательной шаровой молнии может длиться, пока положительные ионы воздуха не скомпенсируют ее заряд и не заставят упасть. По оценке специалистов физфака, рекомбинация зарядов шаровой молнии может занимать около 150 секунд, а остывание до температуры ниже прекращения светимости — около 200 секунд. Однако эти данные получены путем теоретического моделирования, на практике время жизни короче.

«20-сантиметровая шаровая молния будет жить примерно 20-30 секунд, и чем она больше, тем дольше», — резюмирует ученый. За это время она может улететь далеко от места попадания линейной молнии, так что человек даже не заметит прямую связь между грозовым разрядом и светящимся шаром.

Возможны ли другие объяснения?

Авторы считают, что их концепция должна хорошо объяснять редко встречающуюся неправильную форму шаровых молний. Например, существуют неподтвержденные сообщения о светящемся объекте, похожем на шаровую молнию, но будто бы имеющем длинную ленту. Наличие этой ленты невозможно объяснить, если считать шаровую молнию газовым разрядом. Однако если считать молнию облаком пара в тонкой оболочке, то можно допустить, что по каким-то причинам она не получилась идеально круглой, а имеет хвост.

То, что полученные в лаборатории МГУ светящиеся шары идентичны природным шаровым молниям, еще предстоит доказать — причем нельзя исключать, что сразу несколько явлений могут порождать внешне похожие объекты. В идеале для анализа природной шаровой молнии ее надо сфотографировать с близкого расстояния. Вероятность этого невелика — примерно такая же, как снять удар молнии с дистанции ближе десятка метров. Однако по мере того, как мир все больше и больше покрывают камеры наблюдения, а дроны с видеокамерой превращаются из диковинки в обыденность, шансы на это возрастают.