Шаровая молния
Щербаков Сергей Петрович, Щербаков Михаил Сергеевич
В статье рассматривается модели шаровых молний, рассмотренные в книге Дж. Барри "Шаровая молния и четочная молния", с комментариями авторов на основе ими разработанной модели.
Над объяснением этого природного феномена в течение длительного периода ломают голову большая армия исследователей. Наблюдения шаровой молнии (ШМ) фиксируются на протяжении 300 лет. Представлено много теорий, но практического подтверждения нет.
Так что же такое шаровая молния?
Мы могли бы коротко охарактеризовать это явление, но уж больно невероятной, на первый взгляд, кажется эта теория. Но, только, на первый взгляд. Постараемся теорию изложить простым языком. Не перегружая, по началу, статью ссылками на источники и математическими расчётами. Ввиду большого объёма материала, излагать его будем частями и размещать на сайте по мере готовности.
Чтобы ответить на этот вопрос рассмотрим некоторые теории, разработанные исследователями в последние десятилетия прошлого столетия описанные в [1] и прокомментируем их с точки зрения своей теории.
Для начала опишем характеристики, на основании которых исследователи идентифицируют феномен природы, называемый шаровой молнией.
1. Дата, время, метеоусловия появления ШМ.
– Дата и время - любые. Вместе с тем, пик наблюдений приходится на июль месяц (45,4% наблюдений). По другим месяцам статистика выглядит так: май - 6,4%, июнь - 17,5%, август - 20%, сентябрь - 4,0%, с октября по апрель (суммарно) - 6,7%. См.: Смирнов Б.М. Физика шаровой молнии // УФН. 1990. т. 160. вып. 4. С.1-45
– Метеоусловия любые, чаще всего ШМ наблюдают в связи с разрядами линейных молний при грозах, ураганах, штормах, смерчах, снежных или песчаных буранах, землетрясениях.
2. Длительность наблюдения обычно не более 1 минуты (автор наблюдал более минуты).
3. Цвет. В большинстве случаев наблюдатели отмечают белый (23% наблюдений), желтый (23%), красный (18%), оранжевый (14%) цвет шаровой молнии. Иногда отмечается зеленый, голубой, синий, фиолетовый цвета или смесь цветов. См.: Смирнов Б.М. Физика шаровой молнии // УФН. 1990. т. 160. вып. 4. С.1-45
3. Иногда ШМ неподвижны, плавно движутся по сложной траектории, а иногда двигаются достаточно быстро. Могут парить в воздухе, размещаться на строениях (автор наблюдал на опоре высоковольтной линии электропередачи) или катиться вдоль проводов или краёв предметов.
5. Могут исчезнуть бесшумно или со взрывом, повреждая иногда окружающие вещи. После исчезновения ШМ часто остается резко пахнущая дымка.
6. Форма ШМ может быть чётко очерченной или расплывчатой.
7. Иногда ШМ избегают хороших проводников, а иногда притягиваются к ним.
8. При наблюдении ШМ бывают как спокойными, так и искрящимися или издающими сильный треск и шипение, тихие жужжащие, свистящие, шипящие звуки.
10. Иногда ШМ сами разделяются на более мелкие ШМ. Встречаются даже конструкции из двух ШМ, соединённых цепью светящихся бусин.
11. Диаметр ШМ, чаще всего, - 10 ÷ 25 см, реже более 1м (автор наблюдал именно такую ШМ).
12. Форма чаще всего сферическая или овальная формы, редко сигарообразная. Очертания четкие или расплывчатые.
13. Яркость выше яркости фона.
Подробный анализ свойств ШМ обобщил Барри [1]. На основании анализа фактов делается вывод, что вероятность появления шаровой молнии на Среднем Западе США составляет примерно 10-4 в расчете на каждый зарегистрированный случай появления линейной молнии.Также в некоторых источниках утверждается, что число сообщений о наблюдениях шаровой молнии составляет примерно 3% от числа сообщений об ударах обычной молнии в землю в Западной Германии и Швеции. Следует отметить, что результаты подобных оценок сильно зависят от различных искажающих факторов и не могут быть очень точными. Но, тем не менее следует отметить, что появление ШМ не такое уж редкое явление.
После того, как одному из авторов этой статьи случилось наблюдать явление «Огненной дамы», был проведён опрос среди близких родственников, на тему – приходилось ли им наблюдать ШМ? Оказалось, что большинство из них, встречали её на своём жизненном пути, некоторые – дважды! Их описания не противоречили выдвинутой гипотезе.
Структура [1]. В общем, имеются всего три типичные структуры. Первая выглядит как твердое тело с тусклой или блестящей поверхностью или как твердое ядро с полупрозрачной оболочкой, вторая – как вращающееся тело с кажущимся внутренним движением и напряжениями и третья – как сгусток пламени.
Исходя из модели, предлагаемой авторами, выше описанное – одна структура. Так как по мнению авторов ШМ можно условно поделить на три зоны:
– твёрдое, электрически заряженное ядро, диаметром чаще всего (5 – 15)см;
– переходная зона (прослойка между ядром и зоной плазменного слоя);
– плазменный слой.
У такой модели, при определённых состояниях, могут наблюдаться описанные все три типичные структуры. При слабом плазменном слое может просматриваться ядро. При слабом возбуждении как твердое ядро с полупрозрачной оболочкой. При сильном возбуждении как сгусток пламени.
Звук [1]. Авторы многих обзоров отмечают, что присутствие шаровой молнии часто сопровождается шипящим звуком.
В то же время шипящий звук вполне определенно связывается с таким явлением, как огни св. Эльма, которое иногда неправильно интерпретируют как шаровую молнию. Отсюда можно сделать вывод, что шаровая молния-это, как правило, бесшумное явление.
Вывод не точен, так как, и в том, и в другом случае происходит истечение заряда, разные только носители заряда. Поэтому шипение может сопровождать и ШМ (прим. авторов).
Запах [1]. Многие очевидцы сообщают о характерном запахе, сопровождающем появление шаровой молнии. Этот запах описывается как резкий и неприятный, напоминающий запах озона, горящей серы или окислов азота. Насколько можно судить, запах отмечался в тех случаях, когда расстояние до шаровой молнии было небольшим.
Установлено, что запахи такого типа характерны для продуктов, появляющихся в результате ионизации молекул атмосферы разрядом линейной молнии.
ШМ также способна ионизировать молекулы атмосферы, поэтому могут присутствовать те же запахи. (Прим. авторов).
Плотность [1]. Большинство известных описаний шаровой молнии сходно по крайней мере в одном отношении, а именно что шаровая молния либо парила в воздухе, двигаясь из стороны в сторону сравнительно беспорядочно, либо она появлялась перед очевидцем движущейся сверху вниз. Эти данные, а также очень небольшое число наблюдений поднимающейся вверх шаровой молнии можно использовать для выявления такой ее характеристики, как плотность.
Для объяснения направленного вниз движения шаровой молнии необходимо предположить, что ее плотность превышает плотность воздуха. Если бы мы исходили из того, что шаровая молния поднимается преимущественно вверх, тогда пришлось бы считать ее плотность меньше, чем плотность воздуха. Наконец, при отсутствии явно выраженного движения шаровой молнии вверх или вниз приходится считать плотность вещества в ней сравнимой с аналогичным показателем для окружающего воздуха. Таким образом, с учетом сделанных выше замечаний следует полагать, что плотность (г/см3) шаровой молнии приблизительно равна плотности воздуха, т.е. составляет около 1,29•10-3 г/см3.
То обстоятельство, что плотность вещества шаровой молнии должна примерно равняться аналогичному показателю для воздуха, отнюдь не определяет ее истинный молекулярный состав. Небольшая примесь лишь в незначительной степени повлияла бы на полную массу шаровой молнии.
Значительное число исследователей вводит в заблуждение свойство ШМ парить в воздухе. Из чего они делают заключение, что плотность её приблизительно равна плотности воздуха. Плотность ядра «Огненной дамы» на несколько порядков больше. Вес ШМ уравновешивается силой взаимодействия её собственного электрического заряда с полем атмосферы. Атмосфера земли по своей электрической сути является конденсатором, одной обкладкой которого является земная поверхность, другой электросфера. Параметры данного конденсатора, также, сильно зависят от грозовой деятельности атмосферы.
Повреждения и нагрев [1]. Поскольку шаровая молния-это явление, связанное с атмосферным электричеством, можно ожидать излучения тепла. Действительно, небольшое число наблюдателей сообщало о том, что при этом явлении ощущался поток тепла. Был случай, когда шаровая молния коснулась наблюдателя, обожгла ему руку и повредила одежду. Другой наблюдатель получил ожог, когда шаровая молния коснулась его ноги. Сообщалось о человеке, получившем ожоги и потерявшем сознание. В работе также сообщается о тепловом излучении, ощущавшемся наблюдателем. Обсуждались случаи с мальчиком, получившим ранение, и мужчиной, получившим ожог плеча. В ряде случаев обсуждалась возможность сильных телесных повреждений, связанных с шаровой молнией. Много раз сообщалось о людях, убитых шаровой молнией, а также об убитых шаровой молнией животных. Сообщалось также о разрушениях, вызванных контактом с шаровой молнией, например, о повреждении дерева после отскока шаровой молнии от проводов, расщеплении сваи, приведшем к сильному повреждению причала, о повреждениях самолетов при столкновении с шаровой молнией. Сообщалось об ударе шаровой молнии о землю около пруда, в результате чего образовалась яма от 5 до 15 см в диаметре и глубиной 1,2 м.
В отличие от перечисленных сообщений, свидетельствующих о серьезных разрушениях, в других сообщениях указывалось, что шаровая молния не излучает тепла и не причиняет вреда предметам. Иногда близкий наблюдатель не чувствовал тепла от шаровой молнии, а в описании наблюдавшейся в 1665 г. шаровой молнии указывалось, что при этом не ощущалось никакого тепла, а после ее соприкосновения с домом не было обнаружено никаких повреждений.
Создается впечатление, что различные сообщения противоречат друг другу. Причина этих противоречий не ясна, хотя некоторые исследователи считают, что существует несколько видов шаровой молнии. Поскольку многие сообщения указывают на повреждения или ранения, причиненные шаровой молнией, разумно избегать встреч с нею.
Авторы считают, что ничего удивительного нет в том, что ШМ может обжечь, нанести травму, различной степени тяжести, сделать воронку в мягком грунте. ШМ имеет твёрдое ядро, и высокотемпературный плазменный слой, а также интенсивное истечение заряда, которое тоже может обжигать. В тоже время, в зависимости от состояния электрического, магнитного окружающих полей, а так же величины остаточного заряда может и не делать ни каких разрушений. Наличие тепла, можно и не ощущать – всё зависит от расстояния. Это можно сравнить с костром – рядом тепло, в дали – только свет от костра. При этом температура костра та же самая, что и у плазменного слоя ШМ ~(5 000 –10 000) 0С
Широко известным примером опасности, связанной с шаровой молнией, стала смерть профессора Рихмана в Петербурге в 1752 г. Эта трагедия обсуждалась многими исследователями.
Рихман, известный в свое время ученый, проводил во время грозы эксперименты с помощью устройства, «притягивающего» молнию в лабораторию. Сообщалось, что после разряда молнии через прибор в лаборатории появилась шаровая молния, которая, двигаясь по воздуху, коснулась головы Рихмана, что и привело к его смерти.
Судя по описанию, Рихман, вероятнее всего, пострадал от прямого разряда линейной молнии, разряд которой, прошёл через устройства, «притягивающего» молнию в лабораторию. Ввиду того, что сильный разряд был вблизи наблюдателей, яркое зрительное послесвечение, было воспринято, как шаровая молния.
Время жизни [1]. Согласно имеющимся сообщениям, шаровая молния «живет» чаще всего 1-2 с. Такое или меньшее время жизни отмечалось в 80% изученных сообщений. Незначительная доля сообщений указывает на более длительные времена жизни, достигающие целых минут. Эти большие продолжительности чаще всего относятся к неподвижному голубому или бело-голубому шару, который идентифицируется с огнем св. Эльма.
Один из авторов наблюдал неподвижную ШМ, сравнительно больших размеров, в течение более одной минут. Под описание огня св. Эльма наблюдаемый объект не подходил.
Распад [1]. Наблюдалось два типа распадов шаровой молнии. Один из них – тихий распад, сопровождающийся уменьшением яркости и диаметра молнии. Второй, называемый взрывом, связан с громким и сильным звуком. Некоторые наблюдатели сообщают о том, что перед взрывным распадом происходит внезапное изменение цвета. Другие, наблюдавшие взрыв шаровой молнии, отмечают, что даже в тех случаях, когда взрывной распад происходит вблизи легко разрушающихся предметов, никаких повреждений не замечалось. Это говорит о том, что такой распад является скорее схлопыванием, а не настоящим взрывом.
Небольшое число наблюдателей отмечает наличие после взрыва некоторого остаточного явления в виде дыма или тумана, дегтя или копоти (появляющихся в месте соприкосновения шаровой молнии с предметом или на траектории ее движения).
Сравнительная редкость сообщений об остаточных явлениях связана, видимо, с недостаточно внимательным изучением места события.
Противоречий в описаниях распада нет. Взрываясь вблизи каких либо предметов, ШМ не формирует осколков, а силы ударной волны хватает только на громкий звук.
Связь с молнией [1]. Появление шаровой молнии связывается, как правило, с обычными разрядами молний во время гроз, торнадо (смерчей), землетрясений и других необычных явлений природы. Эти наблюдения служат основой гипотезы, согласно которой шаровая молния связана с разрядом обычной молнии и представляет собой некоторое электрическое явление. Такая связь подтверждается сообщениями, в которых описывается появление шаровой молнии одновременно с произошедшим поблизости разрядом обычной молнии, сразу после него или непосредственно перед ним. Около 90% сообщений связано с наблюдением шаровой молнии во время грозы. Сообщалось также о появлении шаровой молнии во многих других необычных условиях, например на море в штормовую погоду, но без обычной молнии; кроме того, свечение и шаровые молнии отмечались во время землетрясений и снежных бурь.
ШМ и линейная молния черпают энергию из одного и того же источника. Их взаимосвязь очень тесная.
Основная проблема многочисленных теорий – это источник энергии шаровой молнии, а именно вопрос о том, является ли он внешним или внутренним. Поскольку было замечено, что при соприкосновении шаровой молнии с проводниками не происходит ее мгновенного исчезновения, предположение о внешнем источнике энергии было поставлено под сомнение. Тот факт, что шаровая молния наблюдалась внутри замкнутых металлических объемов, представляет собой более серьезную проблему, поскольку это не совместимо с предположением о внешнем источнике энергии.
И в этом нет никакого противоречия. Источник находится внутри (электрический заряд), и в то же время имеется внешний источник (окружающая атмосфера, электрические, магнитные, тепловые поля).
Плотность энергии
Значительный интерес для исследователей, изучающих свойства и пути образования шаровой молнии, представляет вопрос о ее энергосодержании и плотности энергии. Знание величины энергии шаровой молнии необходимо также для теоретического описания самого явления и анализа механизмов ее образования и существования. Любая модель шаровой молнии должна включать такой источник энергии, который обеспечивал бы поддержание наблюдаемых характеристик этого явления.
Ряд наблюдателей, однако, указывали, что шаровая молния обладала видимой структурой. Например, в работе [337] приведено подробное описание нескольких зон шаровой молнии с явно различной плотностью. Предполагалось наличие внутренних движений шаровой молнии [583], а также заметное изменение плотности вдоль радиуса молнии [590].
Поскольку нам нужно определить плотность энергии для целей сравнения, моделирования и теоретического описания явления шаровой молнии, будем исходить из однородного распределения. В этом случае плотность энергии определяется соотношением
Случай 1. Довольно известный случай, позволивший произвести расчет энергии шаровой молнии, был описан Моррисом [1256] и проанализирован Гудлетом [770]. Наблюдавшаяся шаровая молния размером с апельсин и имевшая красный цвет, двигаясь сверху вниз, ударилась о дом, перерезала телефонный провод, обожгла оконную раму и затем очутилась в баке с водой объемом около четырех галлонов (18 л). Вода закипела и оставалась слишком горячей для рук в течение примерно 20 мин, что свидетельствовало о значительном выделении тепла. Не было обнаружено никакого осадка при осмотре воды после ее охлаждения. тепла (1 кал =4,19 Дж). Поэтому количество переданного молнией воде тепла должно составить по меньшей мере 3•106 Дж.
Как отметил Бойс во время дискуссии, развернувшейся после опубликования статьи [770], диаметр шара, эквивалентного по размеру большому апельсину, составляет примерно 10 см.
Полученное значение лишь немного возрастет, если учесть потери воды на испарение. На испарение затратилось дополнительно 538,7 кал/см3 (или 2257,1 Дж/см3).
Поскольку данные [1256] относятся к немногим, позволяющим произвести оценку запасенной в шаровой молнии энергии, было выполнено еще несколько расчетов. Так, в [770] получено значение 3,8•106 Дж; предполагалось, что испарение воды отсутствовало и начальная температура воды равна 10 С, а конечная 60 С. С учетом испарения примерно 4 фунтов воды (1 фунт =454 см3) в [770] получена энергия 1•107 Дж. Соответствующая плотность энергии, выводимая из (4.2) при диаметре молнии 10 см, равна
Расчёт энергии, запасённой ядром ШМ таких размеров, проведённый по модели, разработанной авторами, хорошо согласуется с выше приведёнными цифрами.
Температура [1]. Температура шаровой молнии может быть выведена из ее наблюдаемых свойств. Видимый цвет излучения шаровой молнии можно связать с излучательными характеристиками абсолютно черного тела.
Шаровая молния желтого цвета с λ = 5800 А будет характеризоваться температурой 5000 К, голубого цвета с λ = 4700 А – температурой 6200 К, белого цвета – температурой 10000 К и выше. Если обратиться к тем наблюдениям шаровой молнии, в которых отмечался голубой или бело-голубой цвет ядра молнии, окруженного пылающим нимбом, то необходимо признать, что температура шара может меняться вдоль радиуса.
Авторы согласны с температурными характеристиками приведенными выше.
Список литературы
Дж. Барри. Шаровая молния и четочная молния. Пер. с англ., Мир, М., 1983