Елена Гурнакова - 1000 чудес со всего света
Одна из новейших теорий 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. Интерес ученого И. Стаханова к проблеме шаровой молнии тоже начался с гипотезы, выдвинутой им в начале 70-х годов XX в. Стаханов, как и многие другие физики, исходил из того, что шаровая молния состоит из вещества, находящегося в состоянии плазмы. Плазма похожа на газообразное состояние с единственной разницей — молекулы вещества в плазме ионизованы, то есть потеряли (или, наоборот, приобрели лишние) электроны и перестали быть нейтральными. Это значит, что молекулы могут взаимодействовать не только как частицы газа — при столкновениях, но и на расстоянии с помощью электрических сил. Разноименно заряженные частицы притягиваются. Поэтому в плазме молекулы стремятся вернуть себе потерянный заряд путем воссоединения (рекомбинации) с оторванными электронами. Но после рекомбинации плазма превратится в обычный газ. Поддерживать жизнь плазмы можно только до тех пор, пока рекомбинации что-то мешает, — как правило, очень высокая температура.
Если шаровая молния — это плазменный шар, то она обязана быть горячей. Так рассуждали сторонники плазменных моделей до Стаханова. А он заметил, что существует и другая возможность. Ионы, то есть молекулы, потерявшие или захватившие лишний электрон, могут притянуть к себе обыкновенные нейтральные молекулы воды и окружить себя прочной «водяной» оболочкой, запирающей лишние электроны внутри и не дающей им воссоединяться со своими хозяевами. Такое возможно потому, что молекула воды имеет два полюса — отрицательный и положительный, за один из которых и «хватается» ион в зависимости от своего заряда, чтобы притянуть молекулу к себе. Значит, сверхвысокие температуры больше не нужны, плазма может оставаться и «холодной», не горячее 200–300 °C.
Далее выяснилось, что сама по себе водяная оболочка не может получиться столь плотной, чтобы помешать ионам рекомбинировать. Но рекомбинация приводит к возрастанию энтропии шаровой молнии, то есть меры ее беспорядка. Действительно, в плазме положительно и отрицательно заряженные молекулы отличаются друг от друга, по-особому взаимодействуют, а после рекомбинации они перемешиваются и становятся неразличимыми. До сих пор считалось, что в предоставленной самой себе системе беспорядок самопроизвольно возрастает, то есть в случае шаровой молнии рекомбинация произойдет сама собой, если ей как-то не помешать. Из результатов компьютерного моделирования и теоретических выкладок, проведенных в Институте общей физики, следует совершенно иной вывод: беспорядок вносится в систему извне — например, при хаотичных столкновениях молекул на границе шаровой молнии и воздуха, в котором она движется. Пока беспорядок не «накопится», рекомбинации не будет, даже несмотря на то, что молекулы стремятся к этому. Характер их движения внутри шаровой молнии таков, что при сближении разноименно заряженные молекулы будут пролетать мимо друг друга, не успевая обменяться зарядом. Ион, окруженный водяной оболочкой, называется кластером, поэтому гипотеза профессора Стаханова получила имя кластерной.
Критерием верности теории часто служит эксперимент. Поэтому многие ученые пытались воссоздать шаровую молнию в лабораторных условиях. Поскольку в ее появлении прослеживается явная связь с другими проявлениями атмосферного электричества, т. е. с обычной молнией, большинство опытов проводилось по следующей схеме: создавали газовый разряд (а свечение газового разряда — вещь известная), и затем искали условия, когда светящийся разряд мог бы существовать в виде сферического тела. Первыми такими попытками можно считать опыты Тесла в конце XIX века. В отчете сообщается, что при определенных условиях зажигая газовый разряд, ученый после выключения напряжения наблюдал сферический светящийся разряд диаметром 2–6 см. Первые детальные исследования светящегося безэлектродного разряда были проведены только в 1942 г. советским электротехником Г. И. Бабатом — ему удалось на несколько секунд получить сферический газовый разряд внутри камеры с низким давлением. Затем были опыты П. Л. Капицы — он смог получить сферический газовый разряд при атмосферном давлении в гелиевой среде. Добавки различных органических соединений меняли яркость и цвет свечения. Исследователи могли получать кратковременные газовые разряды сферической формы, жившие максимум несколько секунд.
13 мая 2006 г. исследователи из Института физики плазмы имени Макса Планка и Берлинского университета имени Гумбольдта сумели в лабораторных условиях воспроизвести таинственный природный феномен — образование шаровых молний (плазмоидов — plasmoids). Они применили подводный электрический разряд для того, чтобы получить люминесцентные плазменные облака, по своему виду напоминающие классический «файербол», причем это явление наблюдалось на протяжении почти половины секунды, а диаметр подобных «шариков» составлял 10–20 см.
В Петербургском институте ядерной физики уже несколько лет также существует мастерская шаровых молний. Здесь была создана установка, с достаточной точностью воспроизводящая природный процесс рождения молний на влажной поверхности: здесь есть медный ввод, играющий роль громоотвода, кварцевая трубочка с электродом, открытая поверхность водопроводной воды. В роли громового облака выступает батарея конденсаторов на 600 мкФ, которую можно заряжать до — 5,5 кВ. Это серьезное напряжение — малейшая неосторожность при работе с ним грозит смертельной опасностью. Вода в полиэтиленовой чашке должна быть заземлена, для этого на дно положен медный кольцевой электрод. Он соединен изолированной медной шиной с землей. Положительный полюс конденсаторной батареи тоже заземлен. От медного ввода хорошо изолированная шина ведет к центральному электроду. Это цилиндрик из железа, алюминия или меди, диаметром 5–6 мм, который плотно окружен трубочкой из кварцевого стекла. Она возвышается над поверхностью воды на 2–3 мм, сам электрод опущен вниз на 3–4 мм. Образуется цилиндрическая ямка, куда можно опустить каплю воды. Конец медного провода от отрицательного полюса конденсаторной батареи нужно закрепить на длинной эбонитовой ручке. Если быстро коснуться этим разрядником медного ввода, то из центрального электрода с хлопком вылетит плазменная струя, от которой отделится и поплывет в воздухе шаровой плазмоид. Цвет его будет разным: с железного электрода сорвется яркий белесый плазмоид, с медного — зеленый, а с алюминиевого электрода — белый с красноватым отливом (такие плазмоиды видят летчики, когда в самолет ударяет молния).
Данные о физиологическом действии шаровой молнии весьма противоречивы и сводятся, как правило, к поражению электрическим током. В апреле 1976 г. в журнале «Нейчур» обсуждался случай, который произошел в английском графстве Уэст-Мидленде: через туловище женщины, готовившей еду, прошел небольшой голубой шарик. Но единственными неприятными последствиями были энергетические вихревые потоки, нагрев, которому подверглось ее обручальное кольцо, и ожог пальца.
Однако имеется и немало свидетельств о том, что шаровая молния может причинить сильную травму или даже убить человека. Так, внезапно появившаяся шаровая молния насмерть поразила человека, сидевшего на мотоцикле позади водителя. Иногда шаровая молния причиняла тяжелые травмы. На коже потерпевших могут возникать ожоги в виде красных веточек или зигзагообразных отметин. Иногда встреча с молнией заканчивалась легким обмороком, но имеется несколько примеров, когда пострадавший попадал в больницу на несколько дней или даже недель. При этом иногда фиксируются расстройства сердечного ритма, предынфарктное состояние, боль в сердце, ожог кожи груди. Подобные пугающие последствия встречи с шаровой молнией, как считают ученые, заключаются не в самом атмосферном явлении, а в электрическом состоянии окружающих предметов.
Во время грозы на отдельных участках поверхности земли и находящихся на ней предметах могут находиться значительные заряды, а шаровая молния обладает свойством снимать с проводников накопленное электричество. При контакте с заряженным проводником в нем возникает кратковременный импульс тока, при котором заряды, проходя через шаровую молнию, рассеиваются в воздухе. Сама шаровая молния в этот момент распадается, что и воспринимается наблюдателями как взрыв. Энергия, выделяющаяся при взрыве, не имеет никакого отношения к энергии, запасенной в самой шаровой молнии, — она накапливается в заряженных проводниках, а шаровая молния служит лишь катализатором для освобождения этой энергии. С этой же точки зрения можно объяснить, почему зачастую шаровые молнии «умирают» тихо. Такой исход означает, что проводник не был заряжен, поэтому при отсутствии зарядов в окружающих предметах встреча с шаровой молнией безопасна.
