На пути к разгадке. Природа шаровой молнии
А.Новиков, кандидат технических наук
С Сингер
М. "Мир". 1973
Шаровая молния - довольно известное явление. Известное в том смысле, что о нем слышали почти все, а многие видели его. И все же, несмотря на большое число описаний, накопившихся более чем за 100 лет, для научного понимания шаровой молнии сведений еще недостаточно. Это объясняется разнообразием условий, сопутствующих ее появлению, неожиданностью возникновения, кратковременностью жизни и недостаточной подготовкой случайных наблюдателей. Причем наблюдение дает лишь внешнюю, каждый раз уникальную картину свойств.
На рис. : вверху слева - модель шаровой молнии в первом приближении; вверху справа - модель с учетом дополнительного условия равновесия в виде кольцевого тока. Ниже дана схема возникновения огненного шара из линейной молнии. Рядом - редкостная фотография, запечатлевшая шаровую молнию. Цифрами 1, 2, 3 обозначены последовательные стадии ее взрыва после прокола токовой оболочки и выталкивания магнитного поля наружу.
Создалось парадоксальное положение: описаний очень много, а самые существенные черты явления, знание которых позволило бы смоделировать его в лаборатории, нам неизвестны.
Книга американского ученого С.Сингера - хороший обзор современного состояния проблемы. Приведены краткие сведения о грозовых разрядах и протекающих в них процессах, составлен полный перечень представлений о природе шаровой молнии и на основе сравнительно недавних наблюдений - анкета ее свойств. В обширном разделе, посвященном анализу теоретических и экспериментальных исследований, разбираются различные модели явления, гипотезы о его природе. Для анализа привлечены многочисленные работы по физике атмосферного электричества, газового разряда и плазмы. В частности, дана высокая оценка работам советских ученых.
Книга отнюдь не развлекательная, но читается легко, с интересом. Поскольку теории шаровой молнии пока что носят качественный характер, они вполне доступны пониманию старшеклассников. Но книга представляет большую ценность и для специалистов богатством собранного материала. Достаточно сказать. что библиографический указатель литературы содержит 594 названия.
В анкете шаровой молнии, составленной на основе статистической обработки наблюдений, заполнены графы "размер", "форма", "цвет", "запах", "температура", "длительность жизни", "поведение", "исчезновение" и другие. В качестве курьезов упомянуты попытки связать огненный шар с "летающими блюдцами", представить его как "вирус звезды", модель Солнца и даже как... своеобразное существо, способное жить только при высоких температурах.
Но есть и другие, с виду фантастические, а на деле серьезные вопросы. Например, психологическое действие шаровой молнии на человека. Речь идет даже не о яркой одежке, а о собственной резонансной частоте колебаний, которая лежит в инфразвуковом диапазоне и равна частоте человеческого альфа-ритма (8+13 гц). Известно, что восприятие инфразвука - дело не очень приятное (см. статью "Глаза и уши на спине?". "ТМ", 1973, №6 - Прим. ред).
Характеризуя современные исследования, С.Сингер продолжает вызывать изучение плазмоидов, созданных при атмосферном давлении с помощью высокочастотных и дуговых импульсных разрядов. Правда, из всех свойств шаровой молнии пока воспроизведен, да и то приблизительно, лишь ее внешний вид. Необходимо добиться главного - получить длительно живущий плазмоид, лишенный связи с источником питания.
Автор делает вывод (впрочем, очень спорный), что существующие представления, основанные на известных законах газового разряда, плазмы и атмосферного электричества, не позволяют построить непротиворечивую теорию шаровой молнии. К сожалению, приходится согласиться с другим утверждением: "Несмотря на опубликованные за последние 125 лет тысячу с лишним наблюдений и без малого два десятка подробных и углубленных анализов этой проблемы, включая две монографии, шаровая молния остается одной из величайших загадок грозовой деятельности". И все же книга лишена пессимистического подтекста. Она вселяет надежду, что в недалеком будущем из множества гипотез и фактов удастся отбросить все лишнее и извлечь простую направляющую идею, которая в конце концов приведет к решению загадки.
___________________________________
(Журнал "Техника - Молодежи". 7-1974)
Снова о шаровой молнии
Проблема овладения новыми, невиданными источниками энергии никогда не переставала будоражить воображение людей. Немало энтузиастов науки связывает свои надежды с раскрытием загадки шаровой молнии. Интересно. что один из подобных прогнозов принадлежит не ученому, а писателю. Имя писателя - Максим Горький. Выступая в 1920 году перед студентами рабоче-крестьянского университета в Петрограде с лекцией "О знании", Горький говорил об огромной энергии, сконцентрированной в огненном шаре скромных размеров. Писатель сказал: "Мне случилось видеть его на Кавказе, когда мы переваливали через один хребет с Чеховым и художником Васнецовым. Шар ударился в гору, оторвал огромную скалу и разорвался со страшным треском..."
Каждое наблюдение шаровой молнии имеет большую ценность для объяснения этого удивительного явления природы. Один из интересных вариантов теории изложен в этой статье...
Б. Парфенов, инженер,
сотрудник Научно-исследовательского
института механики МГУ
"А что у нее внутри?" - спрашивает любопытный лирик. "Не знаю, - отвечает физик. - И никто не знает". - "Ну, а все-таки что предполагает наука?" - "Предположениями исписано немало бумаги, только шаровая молния, видимо, ничего не читает".
Как сделать непонятное понятным? Нужно зафиксировать спектр излучения, взять на химический анализ пробы из разных точек огненного шара, замерить напряженность электрического и магнитного полей, короче говоря, исследовать явление в лаборатории. Но вот неувязка: неизвестно, как туда доставить шаровую молнию. Может быть, прямо в лаборатории и изготовить ее? Но для этого надо знать, как она устроена. Круг замкнулся. Остается только одно - разрабатывать теорию. Разумеется, допускающую экспериментальную проверку.
Сначала выделим кардинальные вопросы, на которые нужно ответить, объясняя природу шаровой молнии.
- Как она возникает?
- Энергию какого вида содержит?
- Как исчезает?
По первому пункту некоторая ясность есть. Неоднократно огненные шары появлялись там, где только что ударила линейная молния. А такого, чтобы они возникали самопроизвольно, никто еще не наблюдал. Если очевидец не заметил разряда обычной молнии, то появление шаровой он описывает словами: "спустилась из облаков", "вышла из дымохода", "влетела в форточку" и т.д. Шаровая молния может двигаться очень быстро, и для нее не составит труда прилететь в тихое место откуда-нибудь издалека, где бушует страшная гроза.
Ответ на первый вопрос открывает путь к обсуждению второго. Разряд линейной молнии содержит энергию в виде электромагнитного поля. Напрашивается предположение, что и шаровая молния имеет поле той же природы, переменное или постоянное. Такой конфигурации, которая могла бы устойчиво сохраняться без внешних воздействий, у переменного электромагнитного поля нет. Остается постоянное.
Чтобы ломать телеграфные столбы, отрывать доски, разрушать печки (а все это под силу шаровой шалунье), достаточно сконцентрировать в одном кубическом дециметре магнитное поле напряженностью около ста тысяч эрстед. Это большая величина, но не фантастическая, в физических лабораториях получают и более мощные поля. Соответствующая сила электрического тока измеряется примерно миллионом ампер. Постоянный ток может течь только по замкнутому контуру. По кольцу? Нет, оно расползлось бы в стороны через какие-нибудь доли секунды.
На наш взгляд, шаровая молния устроена проще, чем шариковая авторучка. У нее всего две "детали": тороидальная токовая оболочка и кольцевое магнитное поле. Их взаимодействие дает интересный эффект - из внутренней полости выкачивается воздух. Это явление хорошо известно, больше того, успешно используется (вспомним электромагнитные насосы для перекачки жидких металлов). Атмосферное давление стремится сжать оболочку, а электромагнитные силы препятствуют давлению. При определенных размерах система приходит в равновесие.
Правдоподобна ли такая картина? Обратимся за советом к специалистам по плазме и управляемым термоядерным реакторам. Так вот, теория показывает, что изображенная на рисунке конфигурация может находится в равновесии без посторонней поддержки. Уж не природный ли это термоядерный "котел"? Увы, нет: здесь все наоборот. Для термоядерной реакции нужно, чтобы внутри было давление, а снаружи - вакуум. И те силы, которые удерживают в равновесии оболочку шаровой молнии, при переворачивании разваливают конфигурацию раскаленной плазмы.
Правда, для равновесия системы требуется еще одно дополнительное условие. На основной ток накладывается кольцевой, и в итоге электрические токовые линии становятся спиралями. Поэтому и магнитное поле внутри слегка искривлено, часть его вдоль оси шара выходит наружу, за пределы токовой оболочки.
Теперь подумаем об энергетическом балансе. Если бы шаровая молния выделяла такое же огромное количество энергии, что и линейная, ее существование ограничивалось бы тысячными долями секунды. Помогает опять-таки внутренний вакуум. при низких давлениях и высоких температурах проводимость газа повышается, и для его нагрева при том же токе требуется меньше мощность. Кроме того, разреженный газ хуже проводит тепло, потери на излучение невелики. В итоге огромный ток течет по оболочке, почти не встречая сопротивления.
Снова вернемся к первому вопросу - как она возникает? - с целью ответить на него детально. В конце разряда линейной молнии, когда ток в канале падает до нуля, на некоторых участках центральной оси ток этот может сохраняться значительным. Одновременно на периферии канала может идти противоположный по направлению ток. В момент обрыва токи замыкаются между собой, а затем изолированный участок стягивается в шар, сохраняя весь запас магнитного поля.
Когда перетяжек много, возникает несколько шаров. Если они еще и связаны общим осевым полем, получается четочная молния.
Помогает ли наша модель объяснить поведение огненного шара в атмосфере? Думается, да. Если бы дело происходило в чистом воздухе, шар, наверное, оставался бы неподвижным или поднимался вверх по закону Архимеда. Но сгорание пылинок изменяет состав газа и симметрию оболочки. Появляется перепад давлений на внешней поверхности. Поскольку собственной массы у шаровой молнии практически нет, то и небольшие силы способны привести ее в быстрое движение. При некотором разгоне начинает действовать нечто вроде прямоточного реактивного двигателя. Набегающий поток воздуха сжимается, нагревается при соприкосновении с токовой оболочкой, затем отбрасывается назад.
Осевое магнитное поле, выходящее далеко за пределы оболочки, наводит токи во всевозможных проводниках. Взаимодействие с ними может вызвать самые разнообразные формы движения, от величавой неторопливости до буйного разгула. Соприкосновение с твердыми телами дает лишь небольшой ожог. Другое дело, когда предметы стискивают шар с нескольких сторон. Его равновесная форма меняется на вынужденную, и электромагнитные силы могут быть значительно больше, чем в свободном состоянии. Так что не стоит удивляться сообщениям, как шаровая молния, протискиваясь через щели, расширяет их, отрывает доски, ломает переплеты и т.д.
Если шар только что свалился из-за облаков, он наверняка несет большой заряд, прикасаться к нему опасно. Около земли заряд уменьшается. Можно уже не бояться электрического удара, но нельзя забывать о другой опасности. Взрыв! Он придает выходкам шаровой молнии зловеще-романтическую окраску.
Острые предметы прокалывают мягкую оболочку, и наружу выталкивается участок магнитного поля. Рана уже не может сама затянуться, поле ее расширяет и вырывается на свободу. Это происходит в буквальном смысле слова молниеносно, гораздо быстрее искусственных взрывов. Весь ток с оболочки собирается в одно кольцо, и по законам электродинамики оно стремительно расширяется во все стороны. Резким скачком повышается температура, образуется ударная волна, словом, как будто ударила линейная молния. Но взрыв от нагрева воздуха - это одно, а удар магнитного поля - совсем другое.
Многие знают, что, удаляясь, шаровая молния устраивает маленький прощальный шум, включая в домах электрические звонки. Это магнитное поле, быстро распространяясь и пересекая провода, наводит в них электродвижущую силу, возникает ток, звонкам не остается ничего другого, как звонить. По той же причине выходят из строя радиоприемники и телевизоры. А кольца и браслеты, таинственно исчезающие прямо с руки? В магнитном поле они становятся как бы вторичной обмоткой трансформатора, замкнутой накоротко. В ней возникает такой чудовищный ток, что кольцо мгновенно испаряется. Его хозяйка не чувствует ни ожога, ни даже тепла, настолько быстро все происходит. Монеты испаряются из закрытого кошелька...
Вообще запас шуток шаровой молнии неистощим. Но за шутками видятся и серьезные вещи. Давайте пофантазируем.
1978 год. Аэропорт Домодедово. Голос диктора: "Внимание, заканчивается посадка в космолет, вылетающий рейсом К-08 по маршруту Москва - Луна Вторая. Пассажиров просят пройти на посадку. Стюардесса ведет группу к космолету. По внешнему виду он похож на самолет. Вот он вырулил на взлетно-посадочную полосу, разбежался и оторвался от земли. Как же он выйдет за пределы атмосферы? Оказывается, машина разгоняется постепенно: чем больше высота, тем больше скорость. Сначала работают воздушно-реактивные двигатели - они получают энергию от большого аккумулятора, построенного по принципу шаровой молнии. По сравнению с полезным грузом аккумулятор весит ничтожно мало. Баки с лучшим химическим топливом весили бы несколько сот тонн. А ведь эти тонны тоже надо было бы разогнать! В космическом пространстве включаются плазменные двигатели малой тяги - ведь первая космическая скорость достигнута еще в верхних слоях стратосферы. Полет продолжается.
Пусть пока мы не знаем, в каком виде содержит энергию шаровая молния. Но мы точно знаем, что энергия есть, и немалая. Так же точно известно: огненный комочек ничего не весит. Значит, будут космолеты на шаровых молниях. Это вопрос времени, труда и... фантазии. Если ждать точных указаний, в каком направлении вести исследования, можно и не фантазировать.
Только от кого поступят эти указания?
Хочется верить: очень скоро загадка шаровой молнии будет раскрыта. И на вопрос "Что у нее внутри?" любой семиклассник ответит: "Ничего, если не считать магнитного поля".
__________________________
"Техника - Молодежи" 5/1968