Ратис Ю.Л - шаровая молния / загадки шаровой молнии больше не существует

body { margin-left:0px; margin-right:0px; margin-top:0px; margin-bottom:0px; } table { font-family: Helvetica, Tahoma, Verdana; font-size:90%; } a.topmenu { text-decoration:none; font-size:90%; font-weight:bold; color:#004646; } a.topmenu:hover { text-decoration:underline; color:#5993BA; } a.links { text-decoration:none;font-size:100%;font-weight:bold;color: #5993BA; } a.links:hover { text-decoration:underline; color: #004646; } a.links_b { color:#5993BA;text-decoration:underline; } a.links_b:hover { color:darkorange;text-decoration:none; } a.links_bb { color:#606060;text-decoration:underline; } a.links_bb:hover { color:darkorange;text-decoration:none; } .pole { font-family: Arial, Helvetica, Verdana, Tahoma; font-size:11px; color:black; background-color: white; background-repeat:repeat-y; border-bottom: #A1ACBF 1px solid; border-left: #A1ACBF 1px solid; border-right: #A1ACBF 1px solid; border-top: #A1ACBF 1px solid; } p { margin-top: 3px; margin-bottom: 3px; text-indent:30px; text-align:justify; } .rez_descr{ color:#606060; margin-top:5px; margin-bottom:0px; margin-right:0px; margin-left:0px; text-align : right; } .rez_descr a{color:#606060;text-decoration:underline;} .rez_descr a:hover{ color: #FFA500; text-decoration:none; } a{color:#0040BF;text-decoration:none;font-size:100%;font-weight:bold;} a:hover{color:darkorange;text-decoration:underline;} .rightcoltext { padding: 10px; color: blad; background-color: #FFF8F1;/*themecolour1$ 86.1%, 100%;*/ border: 1px solid #FFECE3;/*themecolour1;*/ } p { color : #000000; margin-top : 5px; padding-bottom : 0px; margin-bottom : 0px; margin-left : 20px; margin-right : 20px; font-size : 13px; font-family : Arial, Helvetica, sans-serif; } p a { color : #000000;text-decoration:underline; } p a:hover { color : #294A7B;text-decoration:none; } .b01 { color : #000000; margin-top : 2px; padding-bottom : 1px; margin-bottom : 1px; margin-left : 5px; margin-right : 0px; font-size : 12px; font-color:darkred; font-family : Arial,Tahoma,Verdana,; } a.b01 { color : darkred; text-decoration: none; } a.b01:hover { color : darkorange; } a.rez { color: Silver; text-decoration: none; font-weight : normal; } a.rez:hover{ text-decoration: overline; color :#606060; font-weight : normal; } .rec {color:#5a8d6b;margin:0;padding:0px; font-size: 1em;} .rec a:link {color: #5a8d6b; font-size: 1em;} .rec a:visited {color: #5a8d6b; font-size: 1em;} .rec a:hover {color: #5a8d6b; font-size: 1em;} arisfera.info_Статьи_Загадки шаровой молнии больше не существует Ю.Л. Ратис, д.ф.м.н., профессор

Главная >>   Статьи >>   Молния >>  Закрыть

Загадки шаровой молнии больше не существует

Ю.Л. Ратис, д.ф.м.н., профессор

Вот шаровая молния гоняется за обезумевшим от страха человеком, играя с ним, как кошка с мышью. Вот появляется шаровая молния диаметром в пять, десять, нет, даже в двадцать метров. Вот шаровая молния, взрываясь, разрушает дом, стоявший в пятидесяти метрах от нее, другая прорывает громадный тоннель в почве, третья испаряет воду из бочки. Вот письмо, в котором человек утверждает, что после того, как около него прошла шаровая молния, у него выпали волосы, зубы и появились признаки лучевой болезни. Из другого письма выясняется, что шаровая молния регулярно появляется над могилами на кладбище.

Давайте остановимся, хотя эти истории далеко не исчерпаны. Это не шаровая молния. Это - миф о ней. Сказка - ложь, да в ней намек. Тонкая материя истинных фактов, пропитанная туманом таинственности, требует осторожного обращения. И часто очевидные на первый взгляд научные объяснения оказываются здесь ложными. Поэтому, прежде всего, надо точно установить сами факты.

И.П. Стаханов «Физик, который знал о шаровой молнии больше всех», «ЗС»-online, №4/98

Шаровая молния относится к числу достаточно редких, но стабильно наблюдаемых природных явлений. До сих пор это явление оставалось одним из наиболее загадочных. Число специалистов (и энтузиастов), потративших на ее изучение годы, не поддается никакому учету. Однако в сентябре 2003 года эта загадка наконец-то была разгадана [1].

Оказалось, что в основе этого грозного природного явления лежит относительно малоизученный слабый процесс - так называемый - распад в связанное состояние, представляющий собой обращенную реакцию электронного захвата. Этот процесс имеет исключительно важное значение для физики и астрофизики, но на сегодняшний день недостаточно подробно описан в научной литературе, несмотря на то, что был открыт более 50 лет тому назад [8].

Самое странное в этой истории то, что шаровая молния (ШМ) образуется в атмосфере как следствие нескольких достаточно хорошо изученных физических процессов. Даже удивительно, как мимо очевидных вещей проскакивали многие специалисты, бравшиеся за решение проблемы.

Итак, попробуем восстановить картину явления, опираясь на надежно установленные наблюдательные и экспериментальные данные, и не отбрасывая перечисленные в эпиграфе «странные» наблюдения. За основу возьмем наблюдение М.Т. Дмитриева [4]:

“Светимость молнии была значительной, особенно при расстоянии в несколько метров, тем не менее, её всё же можно было свободно рассматривать без чрезмерного напряжения. Было заметно, что цвет молнии неоднороден. Центральная часть представляла собой шар диаметром около 6- 8 см, несколько вытянутый в вертикальном направлении. Эта часть была и наиболее яркой, по своему внешнему виду (кроме формы) весьма напоминая электроразрядный факел в воздухе, получаемый в плазмотронах, с температурой плазмы порядка 13000 - 16000°. Центральная часть молнии была окружена областью толщиной 1- 2 см с густым фиолетовым свечением, очень похожим на свечение воздуха при давлении 0.1 мм.рт.ст., бомбардируемого электронами с энергией в несколько десятков электронвольт. Следующая, наружная оболочка, толщиной около 2 см, также была неоднородна, напоминая по цвету тихий электрический разряд при атмосферном давлении или периферийное свечение электронного пучка с энергией в несколько десятков килоэлектронвольт, попадающего из вакуумной трубки в воздух при обычном давлении. Светло-голубое свечение этой части молнии быстро убывало с увеличением расстояния от центрального шара, постепенно сходя на нет. Оболочки молнии хорошо просматривались только в горизонтальном направлении. В нижней части они, вероятно, были сжаты и их можно было различить только при сопоставлении с боковыми частями молнии. Над молнией сверху оболочки были значительно толще, но не так резко выражены. Кроме того, в них можно было видеть отдельные яркие конвективные струи (как над обычным костром, только цвет их был с беловатым оттенком). Общий диаметр шара составлял около 11- 12 см в горизонтальном направлении и около 14 - 16 см в вертикальном. С расстояния в несколько десятков метров наблюдалась, по-видимому, только центральная часть шара. Издали молния имела синеватый оттенок… В молнии, по-видимому, всё время выделялась энергия. На это указывали сплошной шорох и сильные отдельные потрескивания. Вероятно, беспрерывно происходила и утечка её заряда. Выделение энергии резко увеличивалось при соприкосновении молнии с поверхностями (листьями или сучками) и сопровождалось более сильным треском и искрением. Молния оставила после себя сильный запах, по своему характеру почти совпадающий с запахом воздуха, подвергнутого воздействию ионизирующего излучения”.

Итак, шаровая молния является источником ионизирующего излучения[1]. Но естественные источники ионизирующего излучения – это радионуклиды. Различные изотопы распадаются, испуская - частицы, - электроны и - лучи. К природным видам радиоактивности относятся также протонная радиоактивность и спонтанное деление ядер.

Методом исключения сразу отбрасывается 4 вида радиационной активности из пяти. Протонная радиоактивность – очень редкое и маловероятное явление, на целенаправленное обнаружение которого ученые потратили годы. Спонтанное деление ядер тоже, очевидно, отношения к делу не имеет, поскольку уран (даже шестифтористый, в газообразном состоянии) в воздухе просто так не подвесишь. Да и неоткуда ему взяться в атмосфере. Альфа-распадные изотопы, если речь идет о распаде невозбужденных ядер, также относятся к тяжелым элементам (некоторые изотопы висмута, полония, радона, радия, тория и т.п.). Из всех перечисленных элементов на поверхность земли вместе с минеральными водами выносит только радон. Но если бы он отвечал за природу шаровой молнии, то «бомбило» бы все курорты, находящиеся вблизи радон-содержащих минеральных источников. Гамма-излучение есть результат электромагнитного  перехода возбужденных ядер в основное состояние. Но откуда бы взяться в атмосфере значительному количеству возбужденных ядер? Разве что, в результате предшествовавшего распада - и  - активных изотопов.

Остается один-единственный вид радиоактивности, который может отвечать за природу шаровой молнии. Это -активность.

Дальнейшая логика проста. Еще с библейских времен известно, что «адское пламя» пахнет серой. Но сера образуется в результате - распада фосфора. Конкретно, это изотопы  и . Заглянем в справочник И.П. Селинова «Изотопы», т.1, стр. 61 [6]. Читаем. Изотопы  и , обнаруженные в дождевой воде, образуются в результате расщепления ядер космическими лучами[2].

Для наиболее заинтересованных читателей приведу ядерные реакции, приводящие к образованию радиофосфора. Он рождается в верхних слоях атмосферы в результате ядерных реакций , , , , , ,  и , а также , , , , .  

Возникнув в верхних слоях атмосферы, облака атомарного радиофосфора медленно опускаются на землю под действием силы тяжести.

Фосфор является химически активным элементом. Поэтому после образования изотопов  и  в верхних слоях атмосферы за счет расщепления ядер-мишеней (как правило, эти ядра появляются в верхних слоях атмосферы в результате извержений вулканов) космическими лучами пары атомарного радиофосфора медленно опускаются к Земле и быстро вступают в реакцию с кислородом. В результате этой реакции образуется пятиокись фосфора . В дальнейшем она взаимодействует с парами воды, в результате чего образуется фосфорная кислота . Времени для этого Природа отвела предостаточно. Период полураспада  составляет две недели, а - три с половиной недели.

Мелкие капельки радиофосфорной кислоты (окислителя!) как правило, заряжены отрицательно. Согласно некоторым оценкам мельчайшая капелька, содержащая десять миллионов молекул воды на тысячу молекул фосфорной кислоты, имеет отрицательный заряд, равный заряду электрона. При - распаде один электрон уходит «на бесконечность». Капелька становится электрически нейтральной. Она может слиться с другой такой же электрически нейтральной капелькой. Интенсивность выброса электронов растет по мере увеличения концентрации радиофосфора в воздушно-капельной смеси. Образуется положительно заряженный зародыш, который начинает собирать из окружающего пространства отрицательно заряженные микрокапли слабого раствора радиофосфорной кислоты.

Процесс этот может идти на разных высотах. В частности, в грозу радиофосфор вместе с дождевой водой вначале попадает на землю, и только потом восходящими воздушными потоками выносится на высоту нескольких метров или десятков метров, где и собирается в заготовки для шаровых молний. В ясную же погоду облако паров радиофосфора медленно опускается на землю под действием силы тяжести.

А дальше начинается самое интересное. Если радиофосфора в воздушно-капельной смеси достаточно много, то процесс самосжатия радиофосфорного облачка происходит довольно быстро. И как только его концентрация превосходит 0.5 миллиграмма на литр воздушно-капельной смеси, так происходит следующее. Активность такого облачка составляет около 100 кюри. Это 3.7 триллиона распадов в секунду. Выброс электронов из облачка становится столь сильным, что потенциал его поверхности возрастает на 10000 вольт в секунду. Несколько секунд – и нескомпенсированный положительный заряд ионов серы вызывает электрический разряд в воздухе. Шаровая молния загорается[3].

Остается последний вопрос. Почему шаровая молния горит не 2 недели, а секунды, или, в лучшем случае, минуты?

Оказывается, что в ионизованном состоянии нейтронноизбыточные -активные изотопы распадаются гораздо быстрее, чем в неионизованном состоянии. Это происходит за счет так называемого - распада в связанное состояние, при котором электрон, вылетающий из ядра, захватывается на электронную орбиту атома. Вероятность -распада в связанное состояние очень сильно зависит от степени ионизации атома. Этот факт обоснован теоретически [9] и подтвержден экспериментально [11].

            Если говорить о причинах описываемого явления, то затягивание волновой функции электрона в область ядра обеспечивает увеличение постоянной - распада в связанное состояние примерно в  раз (- заряд дочернего ядра) для полностью ионизированных атомов нейтронноизбыточных радионуклидов. Для нейтральных атомов этот эффект подавлен из-за принципа запрета Паули и экранировки валентных электронов облаком заряда внутренних электронных оболочек атома.

         Вклад дискретного спектра в вероятность - распада ионизированного атома (т.е. процессы типа ) был изучен экспериментально в целом ряде работ коллаборации GSI (Дармштадт) (см. [11]). При этом эффект наблюдался даже в случае слабоионизированных (однократно ионизированных) атомов. Величина эффекта оказалась необычайно большой. Например, согласно данным работы [11] период полураспада материнских ядер при распаде рения  в осмий , составляющий в нейтральных атомах  лет, в полностью ионизированном состоянии атомов составляет  года. Таким образом, ионизация нейтрального атома рения приводит к сокращению периода полураспада на 9 порядков. Самое главное состоит в том, что этот эффект обнаружен в прямом физическом эксперименте.

Именно из-за -распада в связанное состояние ионизованный радиофосфор распадается всего за несколько минут. Таким образом, «горючее» шаровой молнии выгорает очень быстро, а образовавшаяся сера нерадиоактивна. Поэтому после взрыва ШМ можно исследовать только следствия появления «нежданной гостьи». К моменту появления физиков с приборами на месте разряда или взрыва шаровой молнии уже нет никакой радиации! Именно поэтому мимо радиационного механизма формирования шаровой молнии физики проскакивали, не задумываясь. Уж слишком большая экзотика. Да и с зависимостью скорости - распада от степени ионизации радионуклидов в России были знакомы всего несколько физиков. Широкая научная общественность по какой-то причине просто проигнорировала работы по - распаду в связанное состояние, несмотря на то, что публиковались они в солиднейших научных журналах людьми с безупречной репутацией квалифицированных специалистов. Например, соответствующие статьи Л.Л. Неменова, ученика и соратника Бруно Максимилиановича Понтекорво, были опубликованы в журнале «Ядерная физика» более 20 лет тому назад [10]!        

В дополнение к вышесказанному надо сказать, что радиофосфор обладает уникальной особенностью. При каждом - распаде из образовавшегося возбужденного атома серы вылетает 2 фотона с энергией  эВ, и/или несколько Оже-электронов, немедленно попадающих в электрическое поле шаровой молнии. Эти фотоны и электроны «обдирают» электронные облочки радиофосфора, открывая канал -распада в связанное состояние. То есть, число ядер, принимающих участие в индуцированном -распаде может расти. Именно поэтому в парах химических соединений радиофосфора может начаться цепная реакция.  Эта реакция не является цепной реакцией деления, и в ней задействованы не только ядерные, но и атомные степени свободы. В этом состоит ее абсолютная уникальность. Она лежит на стыке атомной и ядерной физики.  Я назвал ее цепной субатомной реакцией -распада в связанное состояние.

Для дальнейшего обоснования изложенной выше гипотезы проделаем энергетические оценки, основанные на описаниях очевидцев. Согласно этим описаниям шаровая молния, попавшая в ведро с дождевой водой, нагрела эту воду до температуры порядка  С.

В ведре воды, нагревшейся до  С, содержалось  атомов радиофосфора. При его распаде выделилось около 1 МДж полезной энергии (мы полагаем, что распалось около 10% ядер радиофосфора, после чего течение самоподдерживающейся реакции прекратилось из-за сильного поглощения в воде электронов и мягкого рентгеновского излучения, за счет которых инициируется реакция - распада в связанное состояние). Все дело в том, что вода в 1000 раз плотнее воздуха. И, кроме того, длина свободного пробега электронов, ускоренных электрическим полем и - квантов с энергией в  эВ в воде намного меньше, чем в воздухе. Сильное поглощение этих электронов и фотонов приводит к тому, что для инициации реакции в воде обязательно нужен внешний источник – «налетающая шаровая молния». Кроме того, в воде присутствует только фосфорная кислота , а пятиокиси фосфора  в водном растворе фосфорной кислоты нет. В воде невозможно стационарное течение реакции индуцированного - распада [12]. Поэтому в описанном случае ведро воды нагрелось по объему за счет наведенной, а не самоподдерживающейся реакции - распада в связанное состояние.

При каждом акте распада выделялось примерно (по порядку величины)  КэВ энергии в виде энергии фотонов, кинетической энергии Оже- электронов и дополнительной кинетической энергии дочернего ядра, принимающего на себя импульс отдачи. Кроме того, небольшой вклад в общий энергетический баланс внесла экзотермическая реакция растворения серной кислоты в воде. При обычном - распаде электрон уносит до  МэВ энергии, поскольку граница энергетического спектра - электронов для радиофосфора приходится на  МэВ. Кроме того, часть энергии уносит антинейтрино.

Предположим, что в ведре содержалось 5 л воды. Нагрелась она примерно на  (речь идет о порядках величин). Это означает, что термодинамическая оценка величины выделившейся энергии по макроскопическому проявлению реакции равна:

 Дж.                                   (1)

Соответствующая микроскопическая оценка этой величины равна:

 Дж.                        (2)

Совершенно очевидно, что оценки (1) и (2) практически совпадают. То-есть, с энергетикой ШМ все в порядке.      

Имеет смысл отдельно остановиться на проблеме разрушенного домика (см. эпиграф). При взрыве шаровой молнии образуется мощный поток фотонов с энергией  эВ. Эти фотоны вполне могут инициировать реакцию индуцированного - распада в радиофосфоре, содержащемся в дождевой воде, пропитавшей глинобитный домик. Я проделал соответствующие расчеты, и у меня получилось, что мощность такого индуцированного взрыва соответствует примерно 1 кг в тротиловом эквиваленте. Этого вполне достаточно, чтобы полностью развалить домик. А ударная волна от взрыва ШМ здесь вообще ни при чем.

         Кстати, об обезумевших от страха людях. Жители крайнего Севера хорошо знают, насколько ухудшается самочувствие, и учащаются сердечно-сосудистые заболевания во время полярных сияний. Человеческий организм, как и электроника, крайне болезненно реагирует на мощные импульсы электромагнитного излучения, возникающего при девозбуждении атомов радионуклидов, испытавших - распад.

Наконец, о размерах шаровой молнии. Лобовой расчет показывает, что наиболее вероятный диаметр ШМ порядка 10 сантиметров. Однако в парах радиофосфора, имеющих низкую плотность, может вспыхнуть реакция в области пространства, эффективный диаметр которой составляет метры, и даже десятки метров. Это связано с тем, что у уравнения, определяющего размеры ШМ, имеется 2 корня.    

         Мораль сей истории такова. Никогда не надо пренебрегать свидетельскими показаниями, даже если они не вписываются в привычные схемы научного поиска! Если бы покойный профессор И.П. Стаханова не отбросил наблюдательные данные по «кипячению» воды, заболеваниям лучевой болезни и т.п., то «плазменный орешек» он наверняка бы разгрыз! Физик то он был первоклассный!

Можно ли проверить сформулированную выше гипотезу?

Да, можно! В ее пользу свидетельствует множество наблюдательных данных. Однако за год с момента рождения этой гипотезы так и не удалось поставить прямой эксперимент, позволяющий проверить ее истинность, или удостовериться в ложности. Организация эксперимента с радиоактивными материалами – дело не простое. Кроме того, имеется масса финансовых и организационных проблем, не позволяющих немедленно напрямую проверить очень интересную научную гипотезу.

Однако не всякая теория нуждается в немедленном экспериментальном подтверждении. Иногда для ее верификации (проверки на истинность) достаточно наблюдательных данных. Для обоснования этого тезиса проведем анализ статуса понятия «решающее наблюдение» (spectatum cruices) в современной физике и оценка вероятности того, что предложенная в моей работе гипотеза ошибочна [1].

История физики XIX и XX веков насчитывает немногим более десятка решающих экспериментов (experimentum cruices).

В опытах Дж. Дж. Томсона был открыт электрон. Дискретность электрического заряда (как и закон сохранения заряда) является одним из наиболее фундаментальных свойств материи.

На основе результатов экспериментов Майкельсона и Морли была признана правильной специальная теория относительности.

В опытах Э. Резерфорда и Ф. Содди было открыто превращение химических элементов.

В другой серии опытов Э. Резерфорда было открыто атомное ядро. 

В опытах А. Комптона были исследованы корпускулярные свойства рентгеновского излучения.

В опытах Дэвиссона и Джермера были исследованы волновые свойства электрона.

Этот список можно продолжать, но он в любом случае не является длинным. Фундаментальных свойств материи не так уж много.

В рамках перечисленных экспериментов были установлены основные свойства материи. На этой базе и развивается современная наука и техника.

Однако не все естественные науки опираются на экспериментальные данные. Классический пример наблюдательной науки - астрономия. Об экспериментах с контролируемыми параметрами астрономы на протяжении тысячелетий даже не мечтали. История астрономических и астрофизических исследований с помощью спутниковой (и другой научной) аппаратуры насчитывает не более полувека. При этом наличие немногих контролируемых параметров, по сути дела, практически ни на что не влияет. Астрономия и астрофизика как были, так и остаются науками, опирающимися не столько на эксперимент, сколько на наблюдательные данные.

История науки изобилует примерами, когда научные открытия совершались на основе наблюдательных данных и только гораздо позднее подтверждались прямыми экспериментами.

В частности, на основе наблюдательных данных был получен и признан правильным закон всемирного тяготения (Законы Кеплера, морские приливы и отливы и предсказание появления кометы Галлея).

Общая теория относительности (ОТО) также была признана правильной по совокупности наблюдательных данных (смещение перигелия Меркурия и наблюдение отклонения луча света в гравитационном поле Солнца, зафиксированное сэром Артуром Стэнли Эддингтоном во время солнечного затмения 29 мая  1919 года, и, несколько позже, открытие красного смещения, связанного с «разбеганием» галактик[4]). И только гораздо позднее, в результате проверки в опытах Паунда и Ребки, ОТО получила статус теории, проверенной в прямом физическом эксперименте.

На основе обобщения наблюдательных данных Роберт Юлиус Майер открыл закон сохранения энергии. Причем стартовым толчком, позволившим открыть фундаментальный закон природы, послужило наблюдение. Р.Ю. Майер заметил, что кровь у негров светлее, чем у белых людей. На основе этого наблюдения он первым осознал роль энергии Солнца в природных процессах и сформулировал всеобщий закон сохранения энергии. Экспериментальное подтверждение этого закона и признание его фундаментального статуса произошло несколькими годами позже.

Открытие реликтового излучения в 1964 году (А. Пензиас и Р. Вильсон, лауреаты Нобелевской премии 1978 года) радикально изменило наши космологические и космогонические представления. Именно это открытие физики и астрофизики рассматривают как главное доказательство справедливости теории Большого Взрыва. И хотя для регистрации реликтового излучения использовался радиотелескоп, тем не м