книги из ГПНТБ / Сингер, С. Природа шаровой молнии

молния ударяет в какой-то предмет, что дает гораздо

лом, была выведена оценка [405], согласно которой на всей Земле ежедневно возникает около 10 млн. шаровых молний. Этот вывод позволил внести предложение о воз­ можности систематического изучения свойств шаровой молнии, потребность в котором ощущается уже давно, поскольку, вопреки утвердившемуся мнению, будто это крайне редкое явление, вероятность наблюдать ее мало отличается от вероятности наблюдать разряд обычной молнии на близком расстоянии. Были разработаны ме­ тоды наблюдения и регистрации, предназначенные для систематического и исчерпывающего обследования неба, с целью обнаружить любое подобное явление [31]. Од­ нако попытки осуществления этой программы, хотя и в небольших масштабах, не были вознаграждены ни одним наблюдением.

П. Л. Капица снова вернулся к общепринятому мне­ нию, что шаровая молния возникает крайне редко, и высказал предположение, что вероятность появления ша­ ровой молнии вблизи заданного места наблюдения прак­ тически равна нулю [243]. Швейцарский физик Карл Бергер, занимающийся изучением различных атмосфер­ ных явлений, также указывает, что за 16 лет, которые он посвятил наблюдениям молний, он ни разу не видел

дований входило панорамное фотографирование гроз [272].

Рейл предпринял попытку обнаружить попарную кор­ реляцию между теми 45 параметрами шаровой молнии, которые охватывались его анкетой. Между такими факто­ р а м и , как размеры, время жизни или яркость, не выяви­ лось никакой значимой связи. Число молний, особенности которых указывают на большую внутреннюю энергию

(разрушительное действие, сильный шум или большая яр­ кость света), оказалось очень малым.

Отсутствие корреляции между различными свойства­ ми шаровой молнии Рейл объяснил включением в ответы на его вопросы ряда других явлений, которые, однако, бы­ ли отождествлены с шаровыми молниями. Учитывая та­ кую возможность, более ранние исследователи пытались дифференцировать шаровые молнии по месту их возник­ новения, характеру пути или типу исчезновения. Хотя по-"' добные характеристики делают удобной классификацию различных появлений шаровой молнии, все это не дало никакой добавочной информации о природе шаровой молнии.

В отличие от прежних исследователей, Барри вывел из своего обзора заключение, что светящиеся шары, об­ ладающие определенными свойствами, — это не шаровые молнии, а огни св. Эльма. К таким свойствам он отнес го­ лубой и бело-голубой цвет, прикрепление к неподвиж­ ным заземленным проводникам, передвижение по земле или по электрическим проводам, шипящий звук, время жизни, исчисляемое скорее минутами, чем секундами, и отсутствие тепловых эффектов. Имеется достаточно осно­ ваний для того, чтобы отнести эти свойства к огням св. Эльма, и проблема шаровой молнии станет, безусловно, несколько проще, если мы исключим из совокупности на­ блюдений все случаи, при которых огненный шар обла­ дал каким-либо из перечисленных выше свойств. С дру­ гой стороны, описывались случаи, когда голубовато-бе­ лый свет был связан с высокой температурой, а один шар, свободно плывший в воздухе, шипел, когда проник в по­ мещение. Если среди свойств, рассмотренных Рейлом, и не удалось заметить четкой корреляции, можно сделать один вывод: свойства, описанные в его обзоре — это, бес­ спорно, те же свойства, которые уже давно приписыва­ лись шаровой молнии в многочисленных случаях наблю­ дений, зарегистрированных в литературе, и вместе взя­ тые, они представляют собой характерные черты этого особого природного явления.

ходим для объяснения большой длительности существо, вания или высокой энергии шара; согласно вторым, шаро. вая молния уже в момент своего образования содержит весь запас своей энергии и вещества [230]. Здесь мы к этому разделению не прибегнем. Вместо этого будут об-' суждаться теории, рассматривающие свойства вещества, образующего шар, и характер его строения. Таким обри зом, получается дробная классификация, рассмотрение которой несколько затруднительно. Она дает, однака возможность более детально сравнивать основные аспект ты и выводы теории с результатами наблюдений.

А. Теории агломерации. Шаровая молния как результат процесса агломерации

Начиная с самых ранних работ и вплоть до современ­ ных, всюду мы можем встретить постоянно повторяющие­ ся описания нерешенных проблем шаровой молнии и ос­ новных аспектов ее теоретических исследований.

Такими проблемами являются проблемы формирова­ ния и внутреннего строения шаровой молнии, а также ис­ следования вещества, из которого она состоит. Самая пер­ вая теория, рассматривавшая шаровую молнию как осо-- бое явление, была выдвинута Мушенброком, которому ча­ сто приписывают изобретение лейденской банки [352]. Он выделил шаровую молнию из ряда других огненных тел, наблюдаемых в атмосфере, — таких, как метеориты. Хо­ тя более поздние исследователи описывали распределе­ ние электрических зарядов в шаровой молнии подобно аналогичной структуре в лейденской банке, сам Мушенброк считал шаровую молнию не электрическим явлени­ ем, а скоплением горючих веществ, опускающимся из верхних слоев атмосферы. Вещества эти, по его мнению, испарялись из недр земли и поднимались на большую вы­ соту, где они конденсировались и вновь собирались в еди­ ную массу. Опускаясь на землю, конденсированная мас­ са все сильнее разогревалась и в конце концов воспламе­ нялась или взрывалась.

Примерно через 100 лет была выдвинута подобная же теория, включавшая, однако, воздействие электричества

[383]. Согласно этой теории, космическая пыль, проходя через солнечные протуберанцы, насыщается горючими газами. Получившееся вещество, смешанное с ледяными кристаллами, опускается на землю сквозь верхние слои атмосферы, содержащие водород, и образует маленькие, сильно наэлектризованные облака. Вблизи поверхности ^емли облака эти начинают гореть подобно огням св. Эль-

.ма, постепенно уменьшаясь в размерах. Они могут гореть (спокойно, потому что содержащиеся в смеси инертные ве­ щества замедляют горение, но возникновение электриче­ ской искры, если сфера приблизится к хорошему провод­ нику, может заставить ее взорваться.

Некоторые характерные черты этих теорий вновь по­ являются в более поздних моделях шаровой молнии и бу­ дут рассмотрены ниже. Но теперь эти интересные с исто­ рической точки зрения объяснения можно отвергнуть, по­ скольку нет никаких причин для того, чтобы рассеянное вещество начало конденсироваться в верхних слоях ат­ мосферы в концентрированную массу малой протяженно­ сти; кроме того, шаровая молния, возникшая таким об­ разом, не была бы специфически связана с грозами.

Б. Шаровая молния как сферический конденсатор

Связь появления шаровой молнии с мощными электри­ ческими явлениями при грозах привела вскоре к возни­ кновению теорий, в которых распределение зарядов в ша­ ровой молнии уподоблялось их распределению на обклад­ ках лейденской банки •— первого конденсатора, в котором удавалось удерживать большие электрические заряды в ограниченном объеме, что, как предполагали, свойственно и для шаровой молнии. Первое такое предположение опи­ ралось ка физическую концепцию, согласно которой ве­ щество, вступающее лишь в слабое взаимодействие с ок­ ружающей средой, принимает со временем характерную, в общем случае сфероидную форму [7, 392]. Согласно этим представлениям, шаровая молния есть сфера, обра­ зовавшаяся в результате сгущения электрической мате­ рии. Сфера окружена очень тонкой упругой оболочкой и

5*

наполнена легкими газами. Наблюдаемый цвет появля­ ется в результате отражения дневного света в тонкой пленке оболочки, порождающей интерференционные цвета.

Впервые модель шаровой молнии, прямо сопоставляю­ щая структуру распределения в ней зарядов с их распре­ делением в лейденской банке [506], была предложена ц! 1859 г. Сферический слой сухого воздуха, сжимаемого силой притяжения между зарядами противоположного; знака, которые аккумулируются по обеим его сторонам,! играет в ней роль изолирующего стекла лейденской банки.

Этот заряженный сосуд с газовыми стенками находит­ ся в состоянии устойчивого равновесия, поддерживаемого равными радиально направленными силами — атмосфер­ ным давлением, силой притяжения между зарядами про­ тивоположного знака по обеим сторонам изолирующей газовой оболочки, давлением внутри этой стенки, возни­ кающим в основном под действием сжимающих электро­ статических сил, пониженным давлением внутри шара и силой отталкивания между зарядами, расположенными как вне, так и внутри оболочки. Свечение шара вызы­ вается постепенной рекомбинацией зарядов противопо­ ложного знака, проникающих через слой сжатого газа, который не является абсолютным изолятором. При ре­ комбинации образуется озон. Вся система не раз­ рушается от соприкосновения с почвой, при котором только снимается небольшая часть свободного заряда на ее внешней поверхности. Но если изолирующий слой бу­ дет пробит проводником, произойдет взрыв из-за разряда, проходящего между противоположно заряженными сторо­ нами внешней оболочки. Равновесие радиальных сил в этом шаре устойчиво к небольшим возмущениям, причем существует много различных вариантов таких равновес­ ных распределений зарядов, а следовательно, и способов, какими может быть образована шаровая молния.

Необычный результат, наблюдавшийся в X V I I I в. в эксперименте с лейденской банкой, в какой-то мере под­ крепил эту точку зрения, хотя первоначально его связали со свойствами болидов, которые в ту эпоху считались электрическим явлением [46, 158]. В лейденской банке при

молнии. Тесная, бросающаяся в глаза взаимосвязь меж­ ду ними, возможно, послужила основанием для аристо­ телева рассмотрения типов молнии [17]; определение шаровой молнии как неподвижной молнии, а линейной молнии как шаровой молнии в быстром движении и четочной молнии как множественной шаровой молнии [240, 348, 375] встречается не так уж редко. Многочис­ ленные случаи возникновения шаровой молнии сразу же вслед за вспышкой обычной молнии в какой-то мере дают основание для таких определении [238, 522]. Еще в 1850 г. были опубликованы сообщения, указывающие на тесную взаимосвязь между этими типами молний, когда наблюдалось движение светящихся сфер по пути непосредственно предшествовавшего им линейного раз­ ряда и появление их на нижнем конце обычной мол­ нии [103]. Полный процесс образования отдельного шара из нижнего конца необычной молнии также непосредст­ венно наблюдался очевидцами [256, 361].

Прямое наблюдение возникновения шаровой молнии из линейной является сильным свидетельством в пользу

тил огненный шар перед тем моментом, когда тот взор--" вался и распался на мелкие искры почти над самой его головой.

его, по-видимому, взрывчатых свойств называли «громо­ вым веществом» [309—311].

Считалось, что «громовое вещество» состоит исклю­ чительно из газов, входящих в состав воздуха, и обла­ дает огромной энергией и температурой около 2500° С [311]. Образование шаровой молнии из канала обыч­ ной молнии рисовалось как процесс охлаждения, сопро­

торую указывали сообщения о подскоках шаровой мол­ нии, относилась за счет поверхностного натяжения. Распад огненного шара на несколько меньших шаров мог объясняться уменьшением поверхностного натяжения в

Эти примеси могли понизить поверхностное натяжение и вызвать разрушение шара, хотя по мере падения темпе­ ратуры поверхностное натяжение чистого «громового вещества» при нормальных обстоятельствах увеличива­ лось бы. Возникновение других форм молний, наблю­ даемых относительно редко, — например, змеевидной — также объяснялось уменьшением поверхностного натя­ жения.

Продолжительность свечения обычной молнии много короче времени жизни шаровой молнии, за исключением

и длилась, по-видимому, несколько секунд. Условия, вы­ зывавшие округление переднего конца молнии и заметно большую длительность существования вещества в шаре, если оно было тем же, что и в обычной молнии, объяс-

~нены не были.

В самом раннем и полном обзоре по проблеме шаро­ вой молнии Араго [16] выдвинул предположение, что она

по всей вероятности, имела основой эксперименты Кавендиша, в которых была получена азотная кислота с помо­ щью электрических разрядов в воздухе. Предполага­ лось, что в шаровой молнии такие химические вещества дожны быть полностью перемешаны с веществом мол­ нии. Араго поставил трудные вопросы: как, где и из ка­ ких веществ образуется шаровая молния, как определить,

Согласно раннему предположению взрывчатый харак­ тер шаровой молнии в первую очередь объяснялся тем, что при грозовых электрических разрядах из атмосфер­ ного азота и следов иода пли йодистых соединений обра­ зуется трехиодистый азот [47].

Гораздо чаще в химических теориях шаровой молнии рассматривались соединения, возникающие благодаря окислению азота, и в частности двуокись азота. Прямое сравнение запаха газа, возникающего при появлении шаровой молнии, с запахом двуокиси азота [320] и обра­ зование двуокиси азота при электрических разрядах в воздухе [113] в какой-то мере свидетельствуют в пользу этой теории, которая прямо следует первоначальным предположениям Араго. В довольно плохо обоснованных

ского вещества — например, стволов деревьев или стогов сена — концентрированными окислами азота [466]). В од­ ной статье двуокиси азота приписывалась устойчивость вплоть до температуры 3000° С [184].

В этом случае скорость нитрации должна была бы намного превосходить обычную, особенно для плотного — твердого тела вроде дерева, но взрывы шаровой молнии