книги из ГПНТБ / Сингер, С. Природа шаровой молнии

в воздухе или от краткого соприкосновения с вещества­ ми, которые не были и не могли быть нитрованы, с таким объяснением не согласуются. К тому же оказалось, что

. двуокись азота должна, по-видимому, почти полиостью

[100]. Очень высокие оценки энергии шаровой молнии, полученные на основании последствий ее взрыва [32] и нагревания такой молнией бочки с водой [184], свидетель­ ствуют о том, что в формировании шаровой молнии об­ ладающие относительно низкой энергией окислы азота не участвуют. Анализ состава воздуха после очень про­ должительной и сильной грозы выявил не повышение количества окислов азота, а значительную концентрацию озона [428], однако определенного заключения о возмож­ ном эффекте шаровой молнии из этого сделать нельзя, так как на протяжении этой грозы ни одной шаровой молнии зарегистрировано не было.

В некоторых теориях вместо окислов азота предпо­ читают рассматривать озон. В доказательство того, что основным веществом шаровой молнии является озон, приводятся следующие моменты: запах озона, ощущав­ шийся после исчезновения огненного шара; плотность опускавшихся шаров, явно превосходящая плотность воздуха; отклонение их от вертикального направления у поверхности земли и последующее горизонтальное дви­ жение; действие сил отталкивания между отрицательным зарядом земли и отрицательным зарядом, которым пред­ положительно обладает озон, а также тот факт, что при получении озона электрическим путем наблюдается го­ лубая окраска в отличие от обычного желтого азотного пламени [512]. Известно, что озон образуется вокруг интенсивно заряженных острий, особенно если они несут отрицательный заряд. Окислы же азота отсутствуют или

•появляются, только когда с острия начинают срываться искры.

атомные молекулы углерода (до 17 атомов в молекуле), их плотность была бы ниже плотности воздуха при стан­ дартных условиях [293]. Энергия, высвобождаемая сфе­ рой озона диаметром 50 см, была оценена в 11 ООО кВт-с, и та же цифра была позже получена в расчетах энергии для шаровой молнии, нагревшей до кипения бочку с во­ дой [184]. Пересчет этих результатов в соответствии с последними значениями энергии образования озона [372] дает лишь —4% указанной энергии для этой сферы чисто­

по меньшей мере в одном случае запах газа весьма уме­

азота [320]. Запах этот наблюдатель сравнил с запахом смеси относительно высоко концентрированной двуокиси азота с воздухом, которую ему предъявили позже. К то­ му же плотность двуокиси азота почти равна плотности озона, а в сообщениях о шаровой молнии желтый и крас­ ный цвета фигурируют гораздо чаще голубого.

В сообщении о наблюдении шаровой молнии в 1967 г. в Советском Союзе [128], о чем упоминалось выше, от­ мечалось появление и озона и двуокиси азота в качестве газов, образованных шаровой молнией (хотя это вовсе не обязательно означает, что они входят в ее состав или определяют ее свойства). Обычно наблюдаемые взрывы шаровой молнии (в данном случае, правда, взрыва не произошло) объяснялись в этих работах цепным окисле­ нием азота, при котором в реакцию вступают ионы. Об­

тритий. Концентрация в воздухе остальных газов была обычной. Концентрация же двух первых газов оказалась наиболее высокой в пробах, взятых ближе всего к следу

во второй, которая показала наибольшую концентрацию обоих газов.

Образование озона и двуокиси азота с помощью элек­ трических разрядов было исследовано эспериментально. Отношение концентрации озоиа к концентрации двуоки­ си азота уменьшалось с повышением напряжения разря­ да. Согласно этим опытам, отношение 2,5 : 1 должно со­ ответствовать потенциалу молнии в 300—400 кВ, если только естественные разряды сопоставимы с изучавши­ мися тихими разрядами. В серии экспериментов наблю­ дались колебания этого отношения от 1:1 до 6 : 1. При увеличении температуры оно уменьшалось, а для дуго­ вых разрядов обычно было ниже единицы. Величина этого отношения примерно 0,9 : I была получена при 2000—4000 К. Самые низкие величины, порядка 0,8, дол­ жны, видимо, означать, что температура шаровой мол­ нии превышала 4000 К. Однако наблюдатель заметил, что свечение шара было сравнимо со свечением разряда плазмотрона при 14 000 К.

Образование при электролизе воды водорода и кис­ лорода— газов, дающих взрывчатую смесь,— уже давно породило предположение, что обычный разряд линей­ ной молнии, очень часто наблюдавшийся перед появле­ нием шаровой молнии, создает взрывчатый газ, обладаю­

электрическая искра может вызвать его взрыв. Спустя почти сто лет после появления первой теории [436], снова выдвигались подобные же идеи о роли кислорода и во­ дорода, образованных при термической диссоциации во­ ды [42] во время мощной вспышки молнии или при обыч­ ном электролизе [461]. В пробах воздуха, взятых вблизи следа шаровой молнии, согласно сообщению, присутст­

шего предела отношения плотностей во взрывчатой сме­ си указанных газов, возникающей при весовом соотно­ шении в 0,0026 : 1 (или объемном 0,04 : 1) [280]. Концен­ трации, указанные в сообщении, не подтверждают теории, что шаровая молния — это взрывчатая смесь во­ дорода и кислорода. Но, с другой стороны, эту теорию нельзя считать и опровергнутой, поскольку газы для ана­ лиза были взяты на траектории огненного шара или вблизи нее, а не внутри самого шара. Таким образом, речь идет только о веществах, оставшихся после какихто химических реакций, а не о тех, что существовали в этом месте до того, как шар его миновал.

Многие из свойств шаровой молнии удалось воспро­ извести в опытах, где светящиеся сферы были получены при поджигании в воздухе горючих веществ с низкой концентрацией [354]. Водород, метан, пропан и бензин воспламенялись кратковременными электрическими раз­ рядами в вертикальных стеклянных колбах. Водород, который при концентрациях в воздухе от 3,8 до 9% легче всего давал желаемый эффект, излучал слабый голубой свет, видимый в затемненном помещении. Для пропана минимальная концентрация составляла 1,24%. Мини­ мальная концентрация бензина, при которой возникала сфера, была настолько низка, что не поддавалась изме­ рению, и если в колбе испарялось несколько капель бен­ зина, светящаяся сфера возникала только после того, как концентрация паров бензина снижалась с помощью многократного откачпваниявоздуха из камеры. Пропан и бензин давали более яркие, хорошо видимые облака, обычно цветные — голубые, зеленые или фиолетовые. Верхний и нижний пределы концентраций, при которых образовывались сферы, были близки к минимальным концентрациям, при которых возможно воспламенение

Образования, возникающие при соответствующих ус­ ловиях, больше напоминают коронный разряд или полую массу со светящейся поверхностью, чем горящий газ.

Возникали сферические, каплевидные и грушевидные образования, которые поднимались по цилиндру со ско­ ростью от 0,3 до 10 м/с. Эти облака проявляли еще неко­ торые из свойств, упоминавшихся в сообщениях о шаро­ вой молнии. Как правило, они не производили шума, но при высоких концентрациях горючего газа иногда все же издавали шипящий звук. В нескольких эксперимен­ тах, когда сфера исчезала, достигнув верхней крышки •колбы, раздавался громкий треск. Магнитное и электри­ ческое поля на ее движение не влияли. Сферы выделяли лишь умеренное количество тепла. Иногда в экспери­ ментальной камере сохранялся очень резкий удушливый запах, который исследователь объяснял образованием при искровом разряде окиси азота. Такой запах может объясняться и частичным окислением газообразных уг­ леводородов в этих условиях; этим же может объяснять­ ся и светло-коричневый туман, наблюдаемый обычно при образовании перекисей, например, в смесях, выбрасы­ ваемых в атмосферу из автомобильных глушителей. Наблюдалось разделение одного шара на мелкие части, которые затем вновь слились, а в нескольких экспери­ ментах светящаяся масса проходила сквозь отверстие диаметром 7 мм, проделанное в медном диске, преграж­ давшем ей путь, и появлялась с другой его стороны, со­ храняя прежние размеры.

В дальнейших опытах было повторено образование светящихся сфер с помощью воспламенения смесей газо­ образных углеводородов с воздухом при концентрациях ниже предела воспламенения [36, 150]. При использова­ нии пропана воспламеняющая искра не давала видимых результатов, если его концентрация была ниже предела горючести (около 2,8%), пока не был достигнут более низкий уровень (от 1,4 до 1,8%). При искровом разряде длительностью в 1 мс выделялась энергия 250 Дж. При низких концентрациях возникал желто-зеленый огненный шар диаметром в несколько сантиметров. Шар этот был довольно ярким и быстро двигался по камере в течение примерно двух секунд, после чего бесшумно исчезал. Такой эксперимент потребовал решения еще двух вопро­ сов: каким образом в естественных условиях образуются необходимые концентрации горючих газов и как зависит

водородов с воздухом? Было выдвинуто предположение, что простые углеводороды, первоначально присутствую­ щие в воздухе, образуют в атмосферных электрических разрядах сложные органические молекулы [396]. Далее предположили, что сложные молекулы слипаются в крупные заряженные частицы, подобные аэрозолям [92], в поле атмосферного разряда, который, возможно, вос­ пламеняет смесь. Однако необходимо существование ка­ ких-то процессов повышения концентрации метана, рас­ сеянного в атмосфере (она составляет ~ 10~4 %), чтобы это объяснение годилось для других местностей, кроме болотистых, где концентрация горючего газа и в есте­ ственных условиях может оказаться достаточной. Необ­ ходимо, видимо, увеличение концентрации газа до нор­ мального предела возгорания.

Для оценки [280] размеров возникающего огненного шара можно использовать простую формулу для сфери­ ческого пламени:

о

где H— теплота, полученная шаром диаметра d при го­

метров, можно рассчитать диаметр сферы. Первоначаль­ ная концентрация углеводорода принималась ниже ми­ нимального предела возгорания, который для метана в воздухе составляет 5,4% (по объему) и для пропана — 2,8%. При полном сгорании таких смесей подходящего объема выделяется энергия от 102 до 1Ö6 Дж . Смесь га­ зов должна иметь удельную теплоемкость [280] примерно 0,28 кал/(г-град) и плотность 2 - Ю - 4 г/см3 . Красный или красно-желтый цвет, чаще всего наблюдаемый у шаро­ вой молнии, согласно закону Вина, соответствует излу­ чению с температурой 4000—5000° С. Диаметр сфер, по­ лученный при таких параметрах, оказывается в преде­ лах 6—130 см, что согласуется с наблюдениями шаровой молнии [35].

отнюдь не снижая ценности этой модели для объяснения некоторых непонятных свойств, приписываемых шаровой молнии. Образование из метана более сложных углево­ дородов с помощью электрических разрядов было про­

ниями [396]. При более низких концентрациях этот про­ цесс может оказаться неэффективным. Было продемон­ стрировано, что под воздействием электрического поля мельчайшие частицы кристаллических веществ [92] со­ бираются в большие видимые простым глазом заряжен­ ные комки, находящиеся в воздухе во взвешенном со­ стоянии под действием электростатических сил. Образо­ вание аналогичных жидких аэрозольных капель и их поведение в естественном электрическом поле вовсе не обязательно должно быть таким, как оно описывается в этой модели шаровой молнии. Температура огненных шаров, оцененная на основе закона Вина, вдвое превы­ шает нормальную температуру пламени в оптимальных условиях [280], которая как для метана, так и для про­ пана, горящих в воздухе, составляет примерно 2000° С. При низких концентрациях, о которых речь шла выше, температура горения будет еще меньше.

Возникновение огненного шара при очень низких концентрациях бензина, обладающего относительно сложной молекулой, указывает на какую-то реакцию, отличающуюся от обычного горения. Известно низко­ температурное окисление углеводородов при концентра­ циях ниже нормального предела воспламеняемости. На­ пример, пентан при нагревании в воздухе окисляется и испускает голубое свечение все время, пока держится это «холодное пламя» с температурой около 220° С. Голубое свечение приписывалось образующемуся в этой реакции формальдегиду, находящемуся в возбужденном состоянии. Концентрация горючих газов, при которых наблюдались огненные шары [35, 354], примерно соответ­ ствует концентрациям, необходимым для возникновения холодного пламени. Следовательно, для объяснения наб-

128 Глава 8

людавшихся в экспериментах фактов нет необходимости привлекать предположение об образовании крупных ча­ стиц или сложных углеводородов для нормального горе­ ния. С другой стороны, явление холодного пламени не наблюдалось ни у метана, ни у бензина, а последний в экспериментальных условиях давал хорошо видимые ог­ ненные шары. Далее, образование яркого желто-зеленого шара в смеси пропана с воздухом не согласуется со сла-^ бым голубым свечением, обычно свойственным холод-^ ному пламени. Возможным источником указанного све­ та может быть излучение ионов молекулярного кисло­

288 ккал/моль), и образование этих ионов в продолжаю­ щейся реакции горючего газа с воздухом, после того как первоначально они были созданы разрядом, возмож­ но лишь тогда, когда ноны не участвуют в специфиче­

Другие реакции медленного горения—окисления—мо­ гут развиваться при концентрациях горючего газа, да­ же более низких, чем те, которые нужны для холодного пламени.

В этой теории не была рассмотрена в должной мере структура огненного шара. Шаровая молния невелика, сохраняет постоянные размеры и находится в непрерыв­ ном движении, значительно удаляясь от места возник­ новения. Обычное же сферическое пламя только радиально расширяется от места возгорания и, возможно, дви­ жется вверх по вертикали.

Выдвигалось предположение, что в природе этот про­ цесс возникает при выделении болотного газа (метана) или же при образовании водорода и кислорода, а также возбужденных азота или закиси азота под воздействием тепла, выделяемого при ударе молнии в землю возле горных ручьев [460, 461]. Согласно этой теории, шаровая молния представляет собой вторичное явление, вызван­ ное обычной молнией и, по-видимому, поддерживаемое химическими реакциями между ' веществами, которые также были порождены предыдущей вспышкой молнии.

Эта точка зрения была принята некоторыми специали­ стами [433, 488]. Бесспорно, внешний вид и многие из свойств шаровой молнии, на которые указывается в зна­ чительном числе сообщений о ней, были воспроизведены экспериментально путем воспламенения электрической искрой горючих газов, содержащихся в воздухе в низ­ ких концентрациях.

С другой стороны, попытки объяснить на основе этой теории и другие свойства указанного естественного явле­ ния сталкиваются с рядом трудностей. Легкое движение воздуха сразу же унесет или даже рассеет образовавшие­ ся таким путем светящиеся облака. Полет шаровой мол­ нии по ветру, на который указывается в некоторых сооб­ щениях, вполне согласуется с этой теорией, чего нельзя сказать о движении других молний прямо против ветра. Большинство экспериментально полученных шаров под­ нималось вертикально вверх в камерах, где они возни­ кали, чего и следовало ожидать от нагретых газов, и особенно тех, которые скорее всего можно встретить в естественных условиях — от водорода и метана, которые легче воздуха. В нескольких экспериментах (число их не указано) использовались горизонтальные трубки, и све­ тящиеся массы как будто двигались вдоль этих трубок. Воспламенение производилось с помощью двух заострен­ ных электродов, впаянных у одного конца трубки; при этом вполне могла возникнуть направленная сила. Хотя горючие газы, необходимые для подобного возникнове­ ния шаровой молнии, могут образоваться естественным путем в определенных местах, в частности над болота­ ми, объяснить возникновение огненных масс внутри за­ крытых помещений (и при этом не возле газовых труб и приборов) оказывается трудно. Возникновение шаров близко от земли вслед за вспышкой молнии или в до­ статочно сильном электрическом поле, где возникают коронные разряды, в целом вполне может быть объяс­ нено этой теорией, если такие шары характеризуются умеренной температурой, низкой энергией и восходящим движением. Локальное образование химически активной газовой смеси и ее воспламенение при первоначальной

ские теории, согласно которым требуемые вещества дол­ жны быть получены в относительно меньшем объеме, ни­ чего подобного не предлагают.

Д. Ядерные теории

Возникновение во время гроз электрических полей с огромной разностью потенциалов, способных разгонять заряженные частицы, например альфа-частицы, до ско­ рости порядка наблюдаемых при атомном распаде, при­ вело к предположению, что возможно появление еще больших локальных полей, способных вызвать в атомах атмосферных газов ядерные реакции [61]. Согласно этой теории, шаровая молния должна была бы проявлять ра­ диоактивные свойства. После того как в термоядерных экспериментах были получены нейтроны, возникла гипо­ теза, что разряды молний порождают тепловые нейтро­

также, что ядерную реакцию могут вызывать протоны, возникающие в разряде молнии из атмосферной воды и

ственно) они создали бы огненный шар с очень высокой радиоактивностью в отличие от 1 4 С, обладающего перио­ дом полураспада 5730 лет.

Свойства шаровой молнии приписывались эффектам, связанным с появлением высокоэнергичных позитронов, возникающих при распаде этих изотопов. Для проверки этой теории предлагалось измерить количество продуктов распада 1 5 N и 1 7 F после смерчей, сильных гроз или ша­ ровой молнии.

Предполагалось также, что грозовые электрические поля фокусируют более тяжелые частицы, как, напри­ мер, космические лучи, в шаровую молнию, и это влечет за собой самоподдерживающуюся ядерную реакцию [\5] 97, 277]. Однако тогда во время солнечных вспышек,