Глава 4. Круглое электричество

Нам думается, что ранее высказанные гипотезы о природе шаровой молнии неприемлемы, так как они противоречат закону сохранения энергии. Это происходит потому, что свечение шаровой молнии обычно относят за счет энергии, выделяемой при каком-либо молекулярном или химическом превращении, и, таким образом, предполагают, что источник энергии, за счет которого светится шаровая молния, находится в ней самой…

П. Капица. О природе шаровой молнии

Иногда кажется, что мы лучше знаем о том, что происходит во время вспышек сверхновых и при образовании нейтронных звезд, чем о том, что творится буквально рядом с нами во время грозы. И конечно же, чаще всего среди самых интригующих загадок атмосферного электричества упоминается шаровая молния. Еще недавно многие авторитетные ученые не верили в само ее существование. Наблюдение в природе продолжает быть единственным надежным средством исследования, несмотря на опыты, ведущиеся в физических лабораториях, и компьютерные эксперименты. Поэтому установить факты можно только одним способом – тщательной проверкой сообщений очевидцев и накоплением статистики.

Само по себе увеличение объема фактических данных не всегда ведет к устранению противоречий и созданию определенной картины явления. Наоборот, в некоторых случаях хаос только нарастает, а четкая физическая картина не прорисовывается. Это верный признак того, что наблюдения – плод досужей фантазии и богатого воображения, никакого реального содержания за ними нет или мы очень далеки от его истинного понимания.

В других же случаях накопление фактов приводит к тому, что туман рассеивается и из него начинают выступать четкие контуры реальности. Именно так и получилось в случае шаровой молнии. Огромный материал, собранный современными учеными, принес лишь несколько новых открытий по сравнению с тем, что было известно о шаровой молнии еще двести лет назад. Но он позволил точно утверждать, что шаровая молния действительно существует, и выделить определенные признаки, с помощью которых можно отделить правильные сообщения очевидцев от неточных, преувеличенных или выдуманных. Кроме того, ученые впервые смогли надежно оценить физические параметры шаровой молнии и благодаря этому сделали шаг вперед к научному объяснению ее природы.

Что же известно сейчас о шаровой молнии?

Почти в половине случаев за время наблюдения молния успевает пройти от одного до десяти метров. Очевидцы сообщили, что молния двигалась горизонтально, в каждом пятом случае она опускалась вниз и лишь в каждом двадцатом поднималась вверх. В среднем молния проходит за секунду не больше нескольких метров, отсюда следует, что этот огненный шар состоит из газа, который лишь немногим плотнее воздуха.

Подавляющее большинство людей может за свою жизнь наблюдать множество разрядов обычной молнии, так и не увидев ни разу шаровой. По количеству свидетельских показаний можно оценить, что в год их наблюдается десятки тысяч, но за всю свою жизнь это явление видит примерно один человек из тысячи.

А насколько часто шаровые молнии возникают? Естественным масштабом для сравнения является частота появления молний линейных. Мы видим такую молнию издалека, но оказаться вблизи от места, куда она ударила, – довольно редкое событие. Можно предположить, что приблизительно в двух из пяти случаев удар линейной молнии сопровождается появлением шаровых.

Средний диаметр шаровой молнии составляет 20–30 см, хотя чаще встречаются молнии поменьше. Появляющиеся при ясной погоде значительно крупнее возникающих во время грозы и наблюдаются в течение более длительного времени. В половине случаев шаровая молния появляется в радиусе пяти метров от наблюдателя, а в каждом шестом случае пролетает в полуметре.

Появление шаровой молнии связано с прохождением грозы над местностью, иногда светящийся шар возникает рядом с каналом линейной молнии. Однако в двух из каждых трех случаев наблюдений она возникала из розеток, электроприборов, радиоприемников, телевизоров, телефонов, батарей отопления и даже гвоздей, вбитых в стену, – то есть из металлических проводников; а также проникала сквозь диэлектрики (стекло и прочее), иногда повреждая их.

Нередки случаи, когда шаровая молния проходила через щели, даже не опалив обоев, или с ловкостью вора-домушника «вырезала» кружок оконного стекла по своему размеру, не повредив остальное.

В девяти из десяти случаев молния имеет сферическую форму, благодаря чему и получила свое название. Иногда ее образ бывает искажен электрическими полями или потоками воздуха: молния становится похожей на эллипсоид, грушу или совсем теряет правильную форму. В двух случаях очевидцы наблюдали молнию в форме кольца. Цвет свечения шара – от красноватого до светло-голубого и зеленого. Появление шаровой молнии иногда сопровождается шипением, жужжанием, свистом, завыванием и потрескиванием. Движется она медленно, иногда останавливается, а достигая какой-либо преграды, часто взрывается. Мощность взрыва достаточна, чтобы разрушить печную трубу, разбить на кусочки кирпичи здания. Иногда шаровая молния исчезает бесшумно. Обычно после ее исчезновения в помещении остается остро пахнущая дымка, голубая в отраженном свете и коричневая в проходящем.

Существуют также неподвижные шаровые молнии, испускающие ослепительно-белый свет. Они «закрепляются» на остриях громоотводов (да-да, громоотводы не спасают), на краях металлических крыш, на верхушках труб. В то время как подвижные молнии могут оседать и становиться неподвижными, те, наоборот, порой срываются с места. Большая шаровая молния может иногда распасться на несколько светящихся шаров меньшего размера.

Еще одним поразительным свойством шаровой молнии является способность проникать через узкие отверстия и даже щели, деформируясь при этом и вновь восстанавливая сферическую форму после выхода в свободное пространство. Один очевидец наблюдал с расстояния 15–20 см, как через отверстие в стене «…пролезал желтый шарик величиной с крупный апельсин, – и уточнил, – вернее, не пролезал, а переливался из одной половины в другую». Другой рассказал, как шаровая молния прошла в комнату через трещину в стекле сплющившись, поскольку размер ее был больше размеров трещины.

Подобные явления можно объяснить тем, что вещество молнии отчасти похоже на жидкость: оно обладает поверхностным натяжением и не смешивается с окружающим воздухом.

Световой поток, испускаемый шаровой молнией, для оценки сравнивают со светом электрической лампочки. Чаще всего очевидцы называют два интервала: 50–100 и 100–200 ватт, на которые в сумме приходится около половины наблюдений. Таким образом, световой поток от шаровой молнии в среднем сравним с тем, который испускает стоваттная электрическая лампочка. Но удивительно не это: оказывается, излучая свет, шаровая молния почти совсем не выделяет тепло! Судя по наблюдениям, не может быть речи о температуре в тысячу градусов, которую часто приписывают шаровой молнии.

Шаровая молния – не что иное, как сгусток обыкновенного воздуха, заряженного энергией. Шар, «проплывая», отдает свою энергию свободным электронам окружающего воздуха. Это вызывает его свечение. Если, в условиях открытого пространства, на его пути встречаются вещества (пыль, сажа), действующие как катализаторы, шар взрывается.

Вблизи поверхности земли сила тяжести молнии уравновешивается действием электрического поля от зарядившейся в грозу поверхности почвы. В таком взвешенном состоянии движение молнии зависит либо от воздушных потоков, либо от небольших изменений приземного электрического поля. Именно в этом состоит причина необычности ее поведения. Дело в том, что мы не имеем органов, которые реагировали бы на напряженность электрического поля. Во время грозы оно может возрасти вокруг нас в тысячи раз, и тем не менее мы этого не ощутим. Поэтому в повседневной жизни мы не знаем, как меняется электрическое поле вокруг нас, и, в отличие от поля тяжести, не привыкли считаться с ним как с возможной причиной, определяющей движение тел.

Данные о физиологическом действии шаровой молнии весьма противоречивы: некоторые утверждают, что она способна убить, но в большинстве случаев дело кончается ударом тока. Степень тяжести пострадавшего определяется электрическим состоянием окружающих предметов. Во время грозы на отдельных участках поверхности земли могут находиться значительные заряды. Часть их нейтрализуется при ударах молнии (каждый разряд переносит в среднем около 25 Кл). По-видимому шаровая молния обладает свойством снимать с проводников накопленное электричество. При контакте шаровой молнии с заряженным проводником в нем возникает кратковременный импульс тока, при котором заряды, проходя через шар, рассеиваются в воздухе. Сама молния в этот момент распадается, что наблюдатели воспринимают как взрыв.

Энергия, выделяющаяся при взрыве, не имеет никакого отношения к энергии, запасенной в самой шаровой молнии. Энергия накапливается в заряженных проводниках, а молния служит лишь для освобождения энергии.

С этой точки зрения понятно, почему контакт шаровой молнии с предметами иногда нейтрален: значит, проводник не был заряжен. А поскольку, как уже было сказано, мы не воспринимаем электрические поля нашими органами чувств, то ничего и не знаем о плотности зарядов на окружающих нас телах. Поэтому столь неожиданным кажется нам различное поведение шаровой молнии при столкновении с ними. Итак, в отсутствие зарядов встреча с шаровой молнией безопасна.

Многие ученые при объяснении свойств шаровой молнии исходят из того, что она 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 (на физическом языке – 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 рассуждают сторонники плазменных моделей, но 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, заключающей лишние электроны внутри и не дающей им воссоединяться со своими хозяевами. Такое возможно потому, что молекула воды имеет два полюса: отрицательный и положительный, к одному из которых и притягивается ион в зависимости от своего заряда. Значит, сверхвысокие температуры больше не нужны, плазма может оставаться и «холодной» в диапазоне 200–300 градусов.

Ион, окруженный водяной оболочкой, называется кластером, поэтому гипотеза получила имя кластерной, автором ее является видный исследователь феномена огненных шаров профессор Стаханов. В отличие от многих других, эта теория выдерживает сравнение с данными нескольких тысяч известных сейчас наблюдений шаровой молнии и удовлетворительно объясняет многие. В последующих исследованиях выяснилось, что сама по себе водяная оболочка не может получиться столь плотной, чтобы помешать ионам рекомбинировать.

Но рекомбинация приводит к возрастанию однородности шаровой молнии, ведь в плазме положительно и отрицательно заряженные молекулы отличаются друг от друга и 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. Но из результатов компьютерного моделирования 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 достигнет определенного уровня, 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 друг мимо друга, не успевая обменяться зарядом.

В 1955 году академик Капица опубликовал доклад «О природе шаровой молнии». В своей работе он объяснили возникновение шаровой молнии, и многие (если не все) ее странные особенности возникновением коротковолновых электромагнитных колебаний в пространстве между грозовыми тучами и земной поверхностью. Но вот чего академику не удалось объяснить, так это природу тех самых коротковолновых колебаний.

Шаровую молнию, по его мнению, питают радиоизлучения, возникающие при грозовых разрядах атмосферного электричества. Если, пишет он, «в природе не существует источников энергии, еще нам неизвестных, то на основании закона сохранения энергии приходится принять, что во время свечения к шаровой молнии непрерывно подводится энергия, и мы вынуждены искать этот источник энергии вне объема шаровой молнии. Шаровые молнии возникают там, где радиоволны достигают наибольшей интенсивности».

Предложенное видным советским ученым объяснение шаровой молнии хорошо согласуется со многими ее особенностями; и с тем, что она иногда катится по поверхности различных предметов, не оставляя ожогов, и с тем, что чаще всего проникает внутрь помещений через дымоходы, окна и даже небольшие щели. Капица предполагал, что шаровая молния является продуктом коротковолнового излучения, возникающего в пространстве между облаками и поверхностью Земли. В дальнейшем на основании этого предположения физики разработали целую теорию – мазер-солитонную. Эта теория предполагает, что шаровая молния является производным явлением своеобразного «атмосферного мазера», то есть лазера, излучающего в радиодиапазоне. Технически эффект «атмосферного мазера» можно объяснить как результат возникновения вращательной энергии в молекулах воды под воздействием короткого импульса электромагнитного поля, сопровождающего грозовые разряды – молнии.

Поскольку под воздействие молний попадает очень большое пространство, вероятность возникновения эффекта «атмосферного мазера» может быть достаточной для наблюдения. Однако следует учитывать, что для возникновения видимой шаровой молнии необходимо либо огромное воздушное пространство, либо полость с проводящими стенками – этим объясняется, почему шаровая молния иногда материализуется прямо в зданиях и даже в за бортом самолетов и подводных лодок.

Теорию «атмосферного мазера» косвенно подтверждает то, что шаровые молнии никогда не образуются вблизи острых горных вершин, около верхних этажей небоскребов и в других высоких точках, которые, так сказать, привлекают молнии и где любят собираться специалисты по изучению этого атмосферного явления. Между тем теория «атмосферного мазера» предсказывает, что вблизи пиков образование шаровых молний невозможно. Импульс поля молнии, бьющей в высотный объект, образует довольно узкий конус, занимающий очень небольшой объем. Когда же молния бьет в какой-либо объект, располагающийся в плоской местности, возникающий при этом импульс оказывается огромным – до десяти километров в ширину и до трех в высоту.

Кроме того, известно, что шаровые молнии, возникающие внутри замкнутых помещений, как правило, безвредны. Энергия мазера в таких средах ограничивается 10 Дж (в открытом пространстве энергия достигает 10⁹–10¹⁰ Дж), а это совершенно неопасно. В то же время известно, что возникающая на открытом воздухе шаровая молния часто исчезает с мощным взрывом.

Существует и еще одна теория возникновения огненных шаров. Согласно ей, источником энергии для шаровой молнии является электрическое поле, которое создают заряды, рассеивающиеся в земле после удара молнии. Они же контролируют движение шаровой молнии, так что оно никак не зависит от условий окружающей среды (например, шаровая молния может спокойно лететь против ветра). Такая шаровая молния напоминает коронный разряд в газе и представляет собой последовательность электрических импульсов, сменяющих друг друга с миллисекундной частотой. Шаровая молния средних размеров (с человеческий кулак) может образоваться из крупной капли росы, попавшей в канал грозового разряда. С другой стороны, показали расчеты, для устойчивости шаровой молнии необходимо, чтобы плотность ее вещества мало отличалась от плотности окружающего воздуха.

В то время как аналог линейной молнии – искровой разряд – сравнительно легко воспроизводится в лаборатории, шаровую молнию все еще не удается получить искусственно. Конечно, масштабы экспериментально получаемых искр и природных молний несопоставимы, но все же нет сомнений в том, что в них происходят одни и те же явления. Этого нельзя сказать о шаровой молнии, создать аналоги ученые уже могут, но точно смоделировать ее не удается, а значит, приходится полагаться на недостаточную информацию из наблюдений, сделанных очевидцами без рафинированной лабораторной техники.

Правда, ставились и опыты, в которых экспериментаторы пытались получить электрические разряды сферической формы или светящиеся газовые шары. Полученная искусственно молния, подобно заправской, «плюется» искрами, собирается в шар, проходит сквозь щели. Однако перед ученым, который занимается экспериментами, даже в случае успеха будет стоять вопрос: является ли опыт аналогом шаровой молнии? Для точного ответа на данный вопрос нужно провести серию исследований в контролируемых условиях.

Согласно одной из ранее распространенных гипотез, шаровая молния может возникнуть за счет происходящей иногда фокусировки ядерно-активных космических частиц в мощном электрическом поле грозовых облаков. Возникающая при этом реакция дробления ядер атмосферного газа ксенона может дать энергию, достаточную для образования шаровой молнии. С этой точки зрения вероятность ее образования должна иметь связь с мощными вспышками на Солнце, обусловливающими увеличение интенсивности космического излучения у земной поверхности.

А можно ли встретить плазмоиды на иных планетах и просто в открытом космосе?

Мы знаем, что на Венере и газовых гигантах бушуют фантастические ураганы, сопровождаемые мощными разрядами атмосферного электричества, следовательно, шаровые молнии также могут возникать во время инопланетных гроз. Иногда похожие на плазмоиды образования встречали и в космическом пространстве – либо висящими над лунной поверхностью.