Шаровая молния: феномен, который до сих пор не имеет объяснений

[Александр]

Гипотеза И.П. Стаханова, или Кластерная теория. Кластер – это положительный или отрицательный ион, окруженный своеобразной "шубой" из нейтральных молекул. Если ион окружен молекулами воды с ориентированными диполями, то его называют гидратированным. Молекулы воды в силу своей полярности удерживаются вблизи ионов силами электростатического притяжения. Два и более гидратированных иона могут объединяться в нейтральный комплекс. Вот из таких комплексов и состоит, согласно гипотезе И.П. Стаханова, вещество шаровой молнии. Таким образом, предполагается, что в шаровой молнии каждый ион окружен "шубой" из молекул воды. Согласно этой теории, шаровая молния представляет собой самостоятельно существующее тело (без непрерывного подвода энергии от внешних источников), состоящее из тяжелых положительных и отрицательных ионов, рекомбинация которых сильно заторможена вследствие гидратации ионов. Рекомбинации мешают ориентированные своими диполями молекулы воды.

Почему молния имеет форму шара? Должна существовать сила, способная удержать вместе частицы «грозового вещества». Почему капля воды шарообразна? Такую форму придает ей поверхностное натяжение, которое возникает из-за того, что ее частицы сильно взаимодействуют между собой, гораздо сильнее, чем с молекулами окружающего газа. Если частица оказывается вблизи границы раздела, то на нее начинает действовать сила, стремящаяся вернуть молекулу в глубину жидкости.

В газах кинетическая энергия частиц настолько превышает потенциальную энергию их взаимодействия, что частицы оказываются практически свободными и о поверхностном натяжении в порциях газа говорить не приходится. Но шаровая молния – это газоподобное тело, а поверхностное натяжение у «грозового вещества», тем не менее, есть, оно-то и обеспечивает у плазмоида форму шара, которую чаще всего имеет шаровая молния. Единственное вещество, которое может иметь такие свойства, это плазма – ионизированный газ.

Плазма состоит из положительных и отрицательных ионов. Энергия взаимодействия между ними гораздо больше, чем между атомами нейтрального газа, больше в этом случае и поверхностное натяжение у сгустка плазмы, чем у порции нейтрального газа. Однако при температурах ниже 1000 градусов Кельвина и при нормальном атмосферном давлении шаровая молния из плазмы могла бы существовать только тысячные доли секунды, так как ионы при таких условиях быстро превращаются в нейтральные атомы и молекулы.

В конце 60-х годов с помощью геофизических ракет было проведено подробное исследование самого нижнего слоя ионосферы – слоя D, расположенного на высоте около 70 км. Оказалось, что несмотря на то, что на такой высоте воды крайне мало, все ионы в слое D окружены сольватными оболочками, состоящими из нескольких молекул воды.

В кластерной теории предполагается, что температура шаровой молнии меньше 1000°К, поэтому, в частности, от нее нет сильного теплового излучения. Электроны при такой температуре легко «прилипают» к атомам, образуя отрицательные ионы, и все свойства «молниевого вещества» определяются кластерами. При этом плотность вещества молнии оказывается примерно равной плотности воздуха при нормальных атмосферных условиях. Молния может быть несколько тяжелее воздуха и опускаться вниз, может быть несколько легче воздуха и подниматься и, наконец, может находиться во взвешенном состоянии, если плотности «молниевого вещества» и плотность воздуха равны. Поэтому парение – это самый распространенный вид движения шаровой молнии.

Кластеры взаимодействуют между собой значительно сильнее, чем атомы нейтрального газа, отчего образуется поверхность раздела между порцией пространства, заполненного кластерами, и воздухом. Возникающего при этом поверхностного натяжения вполне достаточно, чтобы придать молнии шаровую форму. Крупные молнии больше метра в диаметре встречаются крайне редко, маленькие же встречаются чаще. Энергия шаровой молнии, согласно этой гипотезе, заключена в кластерах. При рекомбинации двух кластеров – отрицательного и положительного – выделяется энергия – от 2 до 10 электрон-вольт.

Обычно плазма линейной молнии теряет довольно много энергии в виде электромагнитного излучения. Электроны, двигаясь в линейной молнии, приобретают очень большие ускорения, отчего и генерируют электромагнитные волны. Вещество шаровой молнии состоит из тяжелых частиц, ускорить их не просто, поэтому электромагнитное поле шаровой молнией излучается слабо, и большая часть энергии выводится из молнии тепловым потоком с ее поверхности. Тепловой поток пропорционален площади поверхности шаровой молнии, а запас энергии пропорционален объему. Поэтому маленькие молнии быстро теряют свои сравнительно небольшие запасы энергии, и поэтому маленькие молнии слишком мало живут.

Так, в состоянии неравновесия с внешней средой молния диаметром в 1 см остывает за 0,25 секунд, а диаметром в 20 см – за 100 секунд. Эта последняя цифра примерно совпадает с максимальным наблюдаемым временем жизни шаровой молнии, но существенно превосходит среднее время ее жизни, равное нескольким секундам.

«Умирает» крупная молния в связи с нарушением устойчивости ее границы. При рекомбинации пары кластеров образуется десяток легких частиц, что приводит при той же температуре к уменьшению плотности «грозового вещества» и нарушению условий существования молнии задолго до того, как исчерпается ее энергия.

Когда утрачивается поверхностная неустойчивость, шаровая молния выбрасывает куски своего вещества и как бы прыгает из стороны в сторону. Выброшенные куски почти мгновенно остывают, подобно маленьким молниям, и раздробленная большая молния заканчивает свое существование. Но возможен и другой механизм ее распада. Если в силу каких-либо причин ухудшается отвод тепла, то молния начнет разогреваться. При этом увеличится число кластеров с малым количеством молекул воды в оболочке, они будут быстрее рекомбинировать, произойдет дальнейшее повышение температуры. В итоге – взрыв.

Но если температура шаровой молнии невелика (около 1000°К), то почему же она столь ярко светится? При рекомбинации кластеров выделившееся тепло быстро распределяется между более холодными молекулами. Но на какой-то момент температура вблизи рекомбинировавших частиц может превышать среднюю температуру вещества молнии более чем в 10 раз. Вот этот газ, нагретый до 10–15 тысяч градусов, и светится так ярко. Таких «горячих точек» в шаре немного, поэтому шаровая молния остается полупрозрачной.

Для образования молнии диаметром в 20 см нужно всего несколько граммов воды, а ее во время грозы обычно предостаточно. Вода чаще всего распылена в воздухе, ну а в крайнем случае шаровая молния может «найти» ее для себя на поверхности земли. При образовании молнии часть электронов может «потеряться», поэтому шаровая молния в целом окажется заряженной положительно, и ее движение будет определяться электрическим полем. Электрический заряд позволяет шаровой молнии двигаться против ветра, притягиваться к предметам и висеть над высокими местами.

Цвет шаровой молнии определяется не только энергией сольватных оболочек и температурой горячих «объемчиков», но и химическим составом ее вещества. При попадании линейной молнии в медные провода появляется шаровая молния, окрашенная в голубой или зеленый цвет – обычные «цвета» ионов меди. Вполне возможно, что и возбужденные атомы металлов тоже могут образовывать кластеры. Появлением таких «металлических» кластеров можно было бы объяснить некоторые эксперименты с электрическими разрядами, в результате которых появлялись светящиеся шары, похожие на шаровую молнию.

Кластерная теория объясняет многое, но не все. Так, в своем рассказе В.К. Арсеньев упоминает о тоненьком хвостике, протянувшемся от шаровой молнии. Пока причина его возникновения необъяснима. Есть мнение, что шаровая молния якобы способна инициировать микродозовую термоядерную реакцию, которая может служить внутренним источником энергии шаровой молнии. Наряду с повышением плотности в центре шаровой молнии предсказывается и повышение температуры вещества в центральной области до величины, когда возможен термоядерный синтез. Этим, в частности, можно объяснить возникновение микроскопических отверстий с оплавленными краями при прохождении шаровой молнии сквозь стекло.

Тем не менее, шаровая молния порой живет несколько минут. При температурах 10–15 тысяч градусов Кельвина кинетическая энергия частиц плазмы становится слишком большой, гораздо больше силы их электрического взаимодействия, и шаровая молния при таком разогреве должна просто развалиться. Поэтому П.Л. Капица и ввел в свою модель мощную электромагнитную волну, способную постоянно порождать новую низкотемпературную плазму. Другим же исследователям, предполагающим, что молниевая плазма более горячая, пришлось придумывать механизм удержания в форме шара слишком горячей плазмы.

Попробуем использовать для стабилизации шаровой молнии воду, которая является полярным растворителем. Ее молекулу можно грубо представить себе как диполь, один конец которой заряжен положительно, а другой – отрицательно. К положительным ионам вода присоединяется отрицательным концом, а к отрицательным – положительным, образуя защитную прослойку вокруг ионов – так называемую сольватную оболочку. Вода может резко замедлить рекомбинацию плазмы. Ион вместе с сольватной оболочкой и называется кластером.

При разрядке линейной молнии происходит практически полная ионизация молекул, входящих в состав воздуха, в том числе и молекул воды. Образовавшиеся ионы начинают быстро рекомбинировать, эта стадия занимает тысячные доли секунды. В какой-то момент нейтральных молекул воды становится больше, чем оставшихся ионов, и начинается процесс образования кластеров. Он тоже длится доли секунды и заканчивается образованием «грозового вещества» – вещества, похожего по своим свойствам на плазму и состоящего из ионизированных молекул воздуха и воды, окруженных сольватными оболочками.

[Александр]

Как защититься от шаровой молнии

Главное правило при появлении шаровой молнии – не паниковать и не делать резких движений, не бежать! Молнии очень восприимчивы к завихрениям воздуха. Оторваться от шаровой молнии можно только на машине, но никак не своим ходом. Постарайтесь тихо свернуть с пути молнии и держаться дальше от нее, но не поворачиваться к ней спиной. Если вы находитесь в квартире – подойдите к окну и откройте форточку. С большой долей вероятности молния вылетит наружу. Ничего не бросайте в шаровую молнию! Она может не просто исчезнуть, а взорваться, как мина, и тогда тяжелые последствия (ожоги, иногда потеря сознания и остановка сердца) неотвратимы.

Если же шаровая молния задела кого-то и человек потерял сознание, то его необходимо перенести в хорошо проветриваемое помещение, тепло укутать, сделать искусственное дыхание и обязательно вызвать скорую помощь. Технических средств защиты от шаровых молний пока не разработано. Единственный существующий сейчас «шаромолниеотвод» был разработан ведущим инженером Московского института теплотехники Б. Игнатовым, но созданы подобных устройств единицы.

Заключение

Все приведенные выше гипотезы, скорее, не облегчают, а затрудняют наше понимание природы шаровой молнии. Для того, чтобы просто и ясно описать причины и структуру этого явления, нам прежде всего надо понять природу электро-магнитного поля в целом, оперировать полевыми структурами, а не структурами вещества. Мы же пока способны говорить о поле, только когда оно отображается каким-то образом в веществе. Мы говорим о силовых линиях поля, но ведь на самом деле это выстроенные линейно металлические опилки, видимые нашим глазом, которые мы решили превратить в виртуальные понятия. Да есть ли линии у поля вообще?...

Столь сложное явление, как шаровая молния, мы тоже можем вопринимать только как вещественное явление, а ведь по сути оно таким не является. Можно говорить об оболочке шаровой молнии, и тут предпочтительнее кажется Кластерная теория, но что скрывается под этой сальватной оболочкой? Какова вообще природа полевой субстанции внутри шаровой молнии и насколько она неоднородна? Как и в каких терминах описать эту неоднородность? Все это находится пока за пределами человеческого сознания. Какие бы мы не создавали общие теории поля, проверить их физически не удается не только в масштабе планеты и вселенной, но даже и в масштабе макро- и микромира. А ведь законы организации поля должны действовать на всех уровнях его орагнизации... А пока нет внятного и толкового представления о полевом устройстве мира, все попытки описать частные полевые субстанции выглядят малоубедительными и полны противоречий. Вероятно, чтобы понимать структуры самого поля, необходимо развивать особое абстрактное виденье – виденье не глазами, ушами и кожей, а умом, поскольку ум-сознание, скорее всего, – тоже плевая структура, встроенная в вещество и организующая его по образу и подобию своему.

Использованные источники информации
Бекман И.Н. Ядерная физика. Лекция 21. Ядерные реакции в термоядерном синтезе. Адрес доступа: http://profbeckman.narod.ru/YadFiz.files/L21.pdf

Блог о Плазмоидах: Июнь 2011. Адрес доступа: http://fotoplazmoid.blogspot.com/2011_0 ... chive.html

Григорьев А. И. Шаровая молния. – Ярославль: ЯрГУ, 2006. – 200 с.

Дмитриев М.Т. Природа. N 6, стр.98, 1967.

Доклад: Физика шаровой молнии. Адрес доступа: http://www.roman.by/r-25526.html

Загадка шаровой молнии. Адрес доступа: http://masterok.livejournal.com/643369.html

Капица П.Л. О природе шаровой молнии // ДАН СССР 1955. Том 101, № 2. C. 245–248.

Кучмуратов Михаил. Солнце – твёрдожидкое тело. Адрес доступа: http://starsun22.narod.ru/1.htm

Сингер С. Природа шаровой молнии. – Пер. с англ. М.: Мир, 1973. – 239 с. Адрес доступа: http://www.bookarchive.ru/fund-discipli ... olnii.html

Стаханов И.П. О физической природе шаровой молнии. – Москва: Научный мир, 1996. – 240 с.

Тарасенко Г.В. Образование динамо-эффекта и его роль в строении планеты Земля. Адрес доступа: http://www.astronomy.ru/forum/index.php ... 511.0.html

Шаровая молния. Адрес доступа: http://tonos.ru/articles/fireball

Шаровая молния. Адрес доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/

Источник http://ukhtoma.ru/dinamic9.htm