Шаровая молния: факты, мифы и теории

Шаровая молния — не идентифицированный официальной наукой автономный объект шаровидной формы, излучающий яркий свет, но не тепло. Существование подтверждается очевидцами.



На данный момент имеет около 200 теорий происхождения.



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.
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.
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 из какого-либо предмета (дерево, столб).




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.



Шаровая молния в среднем живёт от 10 секунд до нескольких часов, 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 (диаметр) шаровых молний варьируется от нескольких сантиметров до метра. Форма в подавляющем большинстве случаев сферическая, однако были сообщения о наблюдении вытянутых, дискообразных, грушевидных шаровых молний.
Типичная суммарная мощность излучения — порядка 100 Вт; свечение иногда тусклее, иногда ярче. Цвет — начиная от белого и жёлтого, заканчивая зелёным. Часто отмечалась пятнистость свечения.
Надо признать, что речь идёт пока только о попытках — нет ни одного случая искусственного получения шаровой молнии подобной природной в лабораторных условиях, кроме случая с изобретателем Труновым В.Д., основателем Центра шаромолниевых исследований, получавшим полноценную шаровую молнию на собственной запатентованной установке, при получении шаровой молнии были зарегистрированы основные исходные данные, позволяющие не только понять суть образования шаровой молнии, но и применять ее для хозяйственных нужд. Но до сих пор Трунов не имеет возможности зарегистрировать свое открытие «Явление образования шаровой молнии» из-за отсутствия на Украине законодательной базы для регистрации открытий.

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 Теслы 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. Однако Тесла не сообщал подробности своего эксперимента, так что его воспроизведение крайне затруднительно.



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.
Непосредственно из наблюдений следуют такие свойства шаровой молнии:
Во-первых, шаровая молния 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 градусов по Кельвину 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?

Некоторые гипотезы о природе шаровой молнии

Все гипотезы о природе шаровой молнии можно разделить на два класса по признаку места энергетического источника, поддерживающего существование шаровой молнии. Это – гипотезы предполагающие внешний источник и гипотезы считающие что источник находится внутри шаровой молнии.
Даже если считать только предположения, 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 Капицы: 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 двигаться вдоль проводящих поверхностей. Стоячая волна тогда отвечает за энергетическую подпитку шаровой молнии.
Принципиально другую гипотезу предлагает Смирнов, 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 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.
Интересную гипотезу предлагает профессор Самарского аэрокосмического университета. По его мнению, шаровая молния представляет собой сгусток низкотемпературной радиоактивной плазмы, возникающий в процессе β-распада ядер радиоактивного фосфора в связанное состояние. Другими словами, первопричины возникновения ШМ лежат вне физики электрического разряда в газах.
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. занимается 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 электронвольта. 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. Конденсатом ридберговского вещества пытаются также объяснить плазмоиды, получаемые в жидком азоте.
Совершенно новый и неожиданный подход к объяснению природы шаровой молнии предлагается в течение последних шести лет в публикациях, согласно которым шаровая молния является некогерентным оптическим пространственным солитоном, кривизна которого отлична от нуля. В переводе на более доступный язык шаровая молния представляет собой тонкий слой сильно сжатого воздуха, в котором по всевозможным направлениям циркулирует обычный интенсивный белый свет. Этот свет за счет создаваемого им электрострикционного давления обеспечивает сжатие воздуха. В свою очередь, сжатый воздух выступает в качестве световода, который препятствует излучению света в свободное пространство. Можно сказать, что шаровая молния — это самоограниченный интенсивный свет или световой пузырь, возникший из обычной линейной молнии. Как и обычный световой луч, световой пузырь в земной атмосфере смещается в направлении градиента показателя преломления воздуха, в котором он находится. Указанный подход позволяет дать ответы на некоторые пункты вышеприведенного раздела Вопросы и Загадки. Что касается попыток лабораторного воспроизведения шаровых молний, то Науер в 1953 и 1956 годах сообщал о получении светящихся объектов, наблюдательные свойства которых полностью совпадают со свойствами световых пузырей. Свойства световых пузырей можно получить теоретически на основе общепринятых физических законов. Наблюдаемые Науером объекты не подвержены действию электрических и магнитных полей, излучают свет со своей поверхности, они могут обходить препятствия и сохраняют целостность после проникновения через небольшие отверстия. Науер предполагал, что природа этих объектов никак не связана с электричеством. Относительно малое время жизни таких объектов (несколько секунд) объясняется малой запасенной энергией из-за слабой мощности используемого электрического разряда. При увеличении запасенной энергии увеличивается степень сжатия воздуха в оболочке светового пузыря, что ведет к улучшению способности световода ограничивать циркулирующий в нем свет и к соответствующему увеличению времени жизни светового пузыря. Работы Науера представляют собой уникальный случай, когда экспериментальное подтверждение теории появилось на 50 лет раньше самой теории.