книги из ГПНТБ / Сингер, С. Природа шаровой молнии

при которых увеличивается интенсивность космических лучей, случаи появления шаровых молний должны были бы учащаться, и в основном огненные шары должны были бы появляться в высокогорных областях [277].

Не говоря уже о других затруднениях, связанных с этой теорией, потери энергии в атмосфере препятствуют тому, чтобы заряженные частицы разгонялись в электри- 'ческих грозовых полях до скоростей, при которых воз­ можны ядерные реакции. Максимальная температура, наблюдавшаяся при разрядах молнии, на несколько по­ рядков ниже той, при которой могла бы начаться тер­ моядерная реакция. Хотя космические лучи, достигаю­ щие Земли, обладают достаточно высокой энергией для ядерных реакций, они слишком рассеяны и не могут обеспечить необходимой энергией малую область, заня­ тую огненным шаром. А для предполагаемого фокуси­ рования таких частиц требуются мощные поля, соответ­ ствующие высоким энергиям этих частиц и образующие электростатические линзы огромных масштабов.

Е. Модели с заряженными пылевыми частицами

икаплями

Очень трудно поддается объяснению длительное и не­ прерывное свечение шаровой молнии, а потому была выдвинута гипотеза, в которой это свечение сравнива­ лось с излучением, возникающим при биохимических процессах, таких, как ферментация [500]. Согласно этой теории, вещества, которые вызывают реакции, сопро­ вождающиеся свечением,— это имеющаяся в атмосфере пыль, а также пыльца цветущих растений. Идея, что ша­ ровая молния образуется из содержащихся в облаках электрически заряженных капель и пылевых частиц, вы­ двигалась гораздо раньше, еще в 1855 г., когда шаровая молния считалась примером, показывающим, что веще­ ство стремится принять форму сфероидов [392]. Между пластинами изолирующих материалов, таких, как рези­ на или стекло, в присутствии воды или пыли наблюда­ лись маленькие электрические искры шаровидной формы и голубовато-красного цвета [278]. Из-за небольшой ве­ личины этих шаров (около 0,5 мм в диаметре) и неустой-

чивого, легко поддающегося внешним воздействиям дви­ жения эти эксперименты мало способствовали под­ тверждению теории шаровой молнии как совокупности ' заряженных частиц. Сам исследователь указал и на до­ полнительные несоответствия: в частности, естественные огненные сферы, в отличие от этих экспериментальных шариков, не исчезали при соприкосновении с проводни­ ками; не объяснялось также, каким образом подобные образования могли бы проникать внутрь закрытых по­ мещений.

Появление мелких твердых частиц часто считалось необходимым для возникновения шаровой молнии [233]. Один исследователь утверждал, что большинство огнен­ ных шаров возникает потому, что грозы заряжают пы­ левые частицы и, в частности, облака вулканической пыли [465]. Советский физик Френкель высказал пред­ положение, что молния порождает в атмосфере химиче­ ски активные вещества, которые конденсируются на пы­ левых частицах в воздухе [162, 277, 278]. Разряд молнии нагревает пылевые частицы до свечения. Конденсирован­ ные возбужденные газы образуют тонкую оболочку, так что шаровая молния напоминает своим строением пу­ зырь. Эта модель имеет сходство с моделями типа сфе­

стиц дыма н возбужденных газов. Для объяснения движе­ ния шаровой молнии предлагалась сходная идея о вра­

в здания через дымоходы, согласно теории сгустка заря­ женной пыли, объясняется тем, что первоначальная вспышка, линейной молнии заряжала золу в дымоходе и создавала небольшой вихрь [465].

Равномерно распределяя с помощью вентилятора тонкую пыль по стеклянной камере с одним электро­ дом, несущим электростатический заряд, удалось создать аэрозоль из заряженных твердых частиц [92]. Когда вентилятор был выключен, в центре камеры постепенно образовалось почти сферическое скопление частиц дна-

метром 20 см. Заряженная проволока, опущенная в ка­ меру, отталкивала или притягивала сферу в зависимости от заряда самой проволоки, а когда проволока была удалена, сфера вернулась в центр камеры. При исполь­ зовании красителя р-ксилолазо-р-нафтола образовалась ярко-красная сфера, хотя равномерно распыленные ча­ стицы в проходящем свете даже после заряжения были зеленовато-голубыми. Скопление, образовавшееся в ка­ мере, содержало, однако, более крупные частицы, имев­ шие красный цвет. При исследовании некоторых из них под микроскопом оказалось, что они имеют форму длин­ ных нитей или цепей, которая часто наблюдается у мел­ ких заряженных частиц около электродов. Образование сферы было объяснено тем, что стенка стеклянной ка­ меры отталкивала частицы, поскольку и стенка и части­ цы получили от электрода заряды одного знака. Было выдвинуто предположение, что шаровая молния образу­ ется благодаря сходному процессу.

во время сильнейшей грозы [452, 453], дало толчок пов­ торным исследованиям поведения заряженных масс воды для проверки теории, утверждавшей, что шаровая мол­ ния представляет собой заряженный водяной пузырь [557]. В 1874 г. некий немецкий лесничий наблюдал эти шары, прячась от грозы в заброшенной сторожке, кото­ рая оказалась прямо на их пути. Вокруг сверкали мол­ нии, и сферы, напоминавшие по величине кегельные ша­ ры, быстро катились в одном направлении, часто одна вплотную за другой, и исчезали недалеко от него с гром­ ким треском, выбрасывая ослепительные искры, но не взрываясь. Светящиеся шары описывались в данном случае не как шаровые молнии, а как заряженные водя­ ные пузыри [557]. Предполагалось, что они могли обра­ зоваться, когда большой заряд на поверхности земли при грозе передавался каплям падающего дождя, дви­ жение которых после этого определялось и ветром, и электрическим полем. Разрушение пузырей могло быть

на зданиях во время грозы может объяснить проникнове­ ние заряженных пузырей в дома.

Была проведена и экспериментальная проверка этой ; теории, для чего через трубку из изоляционного материа- ' ла, окруженную металлической проволокой, выдувались водяные пузыри. Проволока служила одним из электро­ дов; другим служил металлический диск, находившийся на расстоянии 50 см от трубки. После того как из концатрубки выдувались водяные пузыри, к электродам при^ кладывалось напряжение.

Пузыри срывались с трубки и летели прямо к диску, разбиваясь о него с четко слышным шлепком. Никакого свечения у этих пузырей заметить не удалось даже в за­ темненном помещении [577]. В дальнейшем условия экс­ перимента были приближены к тем естественным усло­ виям, которые фигурировали в этой теории,— к покрытой водой поверхности земли в электрическом поле [354]. Смесь гравия и песка на металлическом листе была за­ лита водой, и через нее продувался воздух. Была создана разность потенциалов между металлической пластиной под песком (которая выполняла роль смоченной дождем почвы) и пластиной, помещенной на некотором расстоя­ нии над нею. Поле вызвало заметное изменение в дви­ жении пузырей, которые вначале медленно поднимались, прямо вверх. Их пути становились очень различны: одни поднимались, но с разными скоростями, другие непод­ вижно повисали между пластинами, а третьи поворачи­ вали обратно вниз. Свечения замечено не было, и иссле­ дователь пришел к выводу, что сходства с шаровой молнией эти пузыри не имеют, возможно, потому, что пузы­ ри не собрались в какую-то определенную фигуру. Кроме того, для опровержения этой теории ссылались на появ­ ление шаровых молний во время гроз, не сопровождав­ шихся дождем, или при истечении зарядов на линиях высокого напряжения [358].

Более поздняя теория строения шаровой молнии пред­ полагала, что сфера состоит из положительно и отрица­ тельно заряженных капель воды, причем все частицы с одинаковым зарядом образуют ядро сферы, которое ок­ ружено оболочкой из капель с зарядом противоположно*-" го знака [416, 417]. Рекомбинация противоположных за-

областями, содержащими заряды противоположного знака. Такая модель очень напоминает рассмотрен­ ные выше модели типа сферического конденсатора. ^Вопрос о причине образования такой сферической струк­ туры остается в этой теории нерешенным; несопоставиГма также длительность существования шара, упоми­ навшаяся в ряде сообщений, с малым временем реком­ бинации.

Наблюдалось свечение у водяных капель с положи­ тельными и отрицательными зарядами, падающих в воз­ духе [331]. Капельки радиусом примерно 50 мкм и заря­ дом 5 - Ю - " Кл при скорости столкновений 400 раз в 1 с давали свет, который различался адаптировавшимся в темноте глазом. В действительности свет испускался до­ вольно интенсивными вспышками, которые казались сла­ быми только из-за их краткости. Излучение, несомненно, создавалось молекулами азота — оно приходилось на ди­ апазон длин волн от 3371 до 4288 Â, т. е. располагалось в фиолетовой и синей областях спектра. Капельки, падав­ шие в углекислом газе, свечения не давали. Появление света объяснялось распадом молекул газа в полях, со­ здаваемых капельками. Ранее наблюдалось свечение воды под действием высоких звуковых частот, которое

растворенными газами. В экспериментах с капельками использовались потенциалы, достаточные для их разру­ шения при получении заряда, хотя рекомбинация заря­ дов при других параметрах может произойти и без раз­ рушения. Эти эксперименты [557] в известной степени подтверждают гипотезу первого исследователя, что све­ чение может порождаться заряженными скоплениями воды, которые образуются естественным путем в мощней­ ших грозовых полях, хотя в ранних экспериментах ни­ какого свечения не отмечалось. Чрезвычайно слабое свечение, наблюдавшееся в экспериментах при взаимо­ действии противоположно заряженных водяных капелек, по-видимому, должно становиться интенсивнее при боль-

136 Глава 8

шем числе столкновении капель, которые происходят в течение продолжительного периода времени.

Разряды между электрически заряженными капель­ ками рассматривались также в качестве возможного ис­ точника ультракоротковолнового радиоизлучения, кото­ рое, согласно некоторым новейшим теориям, создает шаровую молнию [8, 9, 291]. Этот процесс будет рассмот рен ниже, в разделе, посвященном теориям возникнове^ѵ ння шаровой молнии в естественном высокочастотном электромагнитном поле.

В теориях, рассматривающих электрические процес-. сы в грозах, главная роль отводится водяным каплям и частицам льда, точно так же, как и в ряде других теорий шаровой молнии, от самых ранних до новейших. Ни в одной из рассмотренных выше моделей не показано, каким образом такие частицы могут естественным путем

Непосредственно после экспериментального изучения заряженных твердых частиц в 1931 г. было выдвинуто предположение, что шаровая молния создается не из крупных частиц пыли, а из ионизованных молекул газов [430]. Согласно этой гипотезе, внутренняя часть шара состоит из разреженного заряженного газа. Для объяс­ нения взрывов с сильным звуком внутри помещений, которые, однако, не вызывают никаких разрушений, шаровая молния сравнивалась с пустотной электролам­ пой. Ионные теории шаровой .молнии рассматривают состояние вещества, подобное тем, что рассматриваются в теории плазмы, хотя теоретические методы их совер­ шенно различны. В последних ионных теориях [213]

щая возникновение шаровой молнии тем, что обычный линейный разряд образует вещество, состоящее из поло-

жительных ионов и свободных электронов и обладающее

мы, которую вряд ли удалось создать даже в экспери­ ментах по проблеме термоядерного синтеза. Ионизован­ ный газ обычно считается плазмой, если расстояние, на котором заметно поле отдельно взятой частицы (дебаевский радиус экранирования [285]), мало по сравнению с размерами области, занятой плазмой. Плазма нейтраль­ на. Под этим подразумевается, что в области, размер ко­ торой значительно превышает дебаевский радиус, пол­ ный заряд близок к нулю. Общие положения, справедли­ вые для плазмы (такие, например, как представление об ее нейтральности), должны быть перенесены и на газы из молекулярных ионов, поскольку последние рассматри­ ваются в моделях как особое вещество. Это позволит выйти за пределы качественных описаний.

Выдвигалось предположение [374], что шаровая мол­ ния— это сфера, образованная слоем ионов озона или азота, возникших благодаря разряду молнии или како­ му-либо другому кистевому разряду. Как и в более ран­ ней модели того же типа, рассматривавшейся выше, дав- 'ление внутри этого шара предполагается пониженным, •&ТО в данном случае удерживало бы ионы от электроста­ тического расталкивания. Неустойчивость этой системы, которая должна была бы разрушиться при малейшем от­ клонении от сферичности, компенсируется, согласно этой теории, неким электромагнитным полем, которое автор подробно не рассматривает, хотя и предполагает, что оно в состоянии сразу же восстановить пограничный слой. Взрыв шара опять-таки объясняется заполнением зоны низкого давления.

В некоторых теориях предполагалось, что шаровая молния состоит из более сложных разнородных смесей. Так, например, одна из теорий утверждала, что шаровая молния состоит из положительно и отрицательно заря­ женных частиц газа, возникающих при грозовых разря­ дах, а также из капель воды и твердых частиц [546]. Счи­ талось, что смесь остается стабильной, пока сохраняет ""высокую температуру, при которой она образовалась, а последующее ее поведение — в частности, взрыв — относи-

лось за счет изменений ее химического состава при осты­ вании. При дальнейшем развитии этой теории было вы­ двинуто предположение о накоплении энергии в шаровой молнии благодаря ионизации [32, 213]. Если бы все моле­ кулы воздуха были диссоциированы и затем ионизованы, то затраченная на это энергия составляла бы до 150 Дж/см3 , но в работе предполагалось, что температу­ ра шара невысока (последнее допущение было вызвано многочисленными сообщениями о шарах, которые кадг1' будто не излучали никакого тепла).

Существование только таких заряженных частиц, как ионизованные молекулы, ионные скопления и заряженные' частицы пыли, считалось причиной чрезвычайно медлен­ ной рекомбинации, чем и объяснялась длительность све-' чения шаровой молнии. Свет, исходящий от огненных шаров, приписывался коронным разрядам между неод-. нородно заряженными частями шара, рекомбинации мо­ лекулярных ионов и горению газов внутри него. Длитель­ ность свечения шаровой молнии исключала, по мнению автора, вероятность ее образования из плазмы. Если бы тут участвовала плазма, свечение исчезло бы через не­ сколько миллисекунд, как это бывает в обычной молнии. Прилипание свободных электронов с низкими энергиями1 к молекулам атмосферного кислорода должно резк%( уменьшить электронную концентрацию. Вещество, из ко­ торого состоит шаровая молния, не может считаться плаз­ мой [213] (если понимать под этим электронно-ионный газ), так как в нем после такого прилипания отсутству­ ют электроны. Таким образом этой теории удалось избе­ жать трудности, которая связана с быстрой рекомбина­ цией за счет свободных электронов в плазме.

Плазма в атмосферных условиях действительно под­ вергается быстрой рекомбинации, однако эксперимен­ тально полученные оценки коэффициентов рекомбинации не согласуются с выдвинутым в этой теории предположе­ нием, что превращение электрона в отрицательный ион замедляет рекомбинацию. На самом деле электронно-ион­ ная рекомбинация газов воздуха может протекать даже несколько медленнее, чем рекомбинация ионов с противо-j положными зарядами. Следовательно, для объяснения долгого свечения в подобной модели все же пришлось бы

признать значительную роль водяных или твердых час­ тиц. Когда концентрация зарядов уже уменьшилась и имеется значительное число нейтральных молекул, более высокая подвижность электронов действительно может увеличить число рекомбинаций. Накопление большого количества энергии в шаре <в виде энергии ионизации означает высокую плотность заряженных частиц, которая обычно связана с высокими температурами.

Постоянство внешнего вида почти всех светящихся сфер, описанных в обзоре Рейла [420], у которых не отме­ чалось никакого регулярного уменьшения размеров или яркости, а также изменений цвета, было сочтено доказа­ тельством того, что никакого расходования первоначаль­ ного запаса энергии, поддерживающего шар в течение его существования, не происходит. Все эти теории не объ­ ясняют возникновения масс приблизительно сферической формы с высокой плотностью заряженных частиц, в ко­ торых разделение зарядов сохраняется гораздо дольше, чем можно было бы ожидать, учитывая скорости диффу­ зии и рекомбинации в обычных условиях, и в этом отно-^ шении они ничем не лучше более старых теорий газооб­ разного сферического конденсатора.

3. Вихревые структуры

Сложности описанных выше теорий, рассматриваю­ щих шаровую молнию как коронный разряд или полую сферу, находящуюся в быстром вращении, привели к по­ явлению теорий шаровой молнии как различного рода вихрей. Подобного рода теория выдвигалась еще в 1859 г., когда образование шаровой молнии было приписано столкновению двух обычных молний, имеющих противо­ положное направление [109, 337]. Это объяснение неодно­ кратно предлагалось разными исследователями вплоть до настоящего времени, особенно в связи с сообщениями о быстром вращении некоторых шаровых молний [164, 216, 244, 260, 379]. Резкое изменение направления канала мол­ нии, в результате чего на коротком отрезке образуются параллельные, но противоположно направленные токи в разрядах, также выдвигалось в качестве причины воз­ никновения противоположно направленных потоков газа,

порождающих быстрое вращательное вихревое движение [322]. Возникающее в результате образование описы­ валось как вращающийся слой воздуха нормальной плот­ ности, окружающий разреженный центр, причем центро­ бежная сила вращающегося слоя полностью уравновеши­ вается атмосферным давлением. Рассматривалась также возможность возникновения шаровой молнии при образо-, вании канала обычной молнии. Движущийся вниз лидеру' несущий отрицательный заряд, сталкивается с положи­ тельно заряженным стримером, поднимающимся от зем­ ли, что вызывает аналогичный процесс образования вих­ ря за счет противоположно направленных потоков элект­ ронов и ионов [156, 183].

Предполагалось, что источником шаровой молнии мо­ жет являться также горячая струя газа из канала обыч­ ной молнии [73—75]. Магнитное поле, окружающее канал во время мощного разряда молнии, должно быть слабее вблизи выпуклой стенки на изгибе канала, что приводит к выбросу заряженной струи под высоким давлением, как через небольшое отверстие. Проходя через магнитное по­ ле, струя свертывается в кольцо или в шар, содержащий азот и кислород в возбужденных состояниях. Они будут медленно переходить в нормальное состояние, создавая, длительное наблюдаемое свечение, если не произойдет какого-либо нарушения, вроде добавления кислорода, ко­ торое может вызывать взрыв, резко ускорив этот процесс. Скорость струп диссоциированного и ионизованного газа при температуре в канале молнии примерно 30 000 К была оценена в 10б см/с, т. е. как сверхзвуковая. За те несколь­ ко миллисекунд, пока по каналу течет ток большой силы, из отверстия в 1 см2 может вырваться несколько литров газа. Этого достаточно для возникновения относительно большого шара с диаметром от 10 до 20 см. Такой шар может заключать в себе 10" эрг энергии, учитывая, что

яркие области у изгибов канала молнии, сохраняющиеся 102—103 мкс; обычное же время свечения составляет при­ мерно 10 мкс. С этой теорией согласуется и сообщениіГсГ том, что шаровая молния как будто возникла в крутом изгибе зигзагообразной молнии [175].