загрузка...
 
ТЕОРИИ ШАРОВОЙ МОЛНИИ
Повернутись до змісту

ТЕОРИИ ШАРОВОЙ МОЛНИИ

Известный советский физик Я. II. Френкель (1894— 1952) интересовался загадками шаровой молнии попутно с исследованиями явлений атмосферного электричества. Целью ученого было рассмотреть п критически проанализировать каждую из отдельно взятых проблем этой области метеорологии и дать обобщенную теорию, которая объединила бы все явлення атмосферного электричества п позволила бы находить количественные характеристики явлений такого рода. Решение этих вопросов заняло много лет; результаты опубликованы в 1949 году в монографии «Теория явлений атмосферного электричества».

При первоначальном ознакомлении с данными наблюдений Френкель создает теоретическую модель (1940) «пузыря, образованного химически активными веществами, которые возникают в атмосферо при прохождении грозового разряда». Эти химически активные вещества оседают в виде капелек- па пылинках, нагретых линейной мол- пней до свечения. Гипотеза, по которой частицы пыли или дыма образуют своеобразный «защитный чехол» пли «пузырь» шаровой молнии, дает качественное объяснение явлениям. связанным с пей: форму, яркое свечение и взрыв (или исчезновение без взрыва). Другие качества объекта — подвижность, электромагнитные свойства — не находят объяснения в этой гипотезе, «либо потому, что наша [Френкеля] схема является неправильном, либо же потому, что соответствующие наблюдения являются ненадежными» [2 4].

(Кстати, «гипотеза НПО года» не пыла оригинальной: в начале XIX века Поей рассматривал шаровую молнию как шар, наполненный легким j азом п окруженный исключительно топкой п отражающей свет оболочкой. Позднее многие физики считали шаровую молнию своеобразным «мыльным пузырем», образованным заряженными частицами воды. Были даже проведены опыты с электрически заряженными мыльными пузырями, которые двигались по линиям электростатического поля к заряженным пластинам п с шумом лопались на них. Некоторые, несомненно, скоропалительно сочли эти эксперименты вполне достаточным подтверждением своей точки зрения.)

Позднее Френкель пересмотрел гипотезу «пузыря» и пришел к заключению, что «для образования тонкой пленки продуктов конденсации активных газов в воздухе нет никаких оснований — нп теоретических, ни экспериментальных». Но мысль о химически активных веществах, возникших в результате электрического разряда (линейной молнии), не была пм оставлена.

В те годы начала развиваться новая научная дисциплина — магнитогидродинамика, объектом которой являются движения плазмы, т. е. полностью ионизованного газа. Если движения жидкости и газа как механических систем являются задачами аэрогидродинамики, то движения ионизованных газов, тесно связанных не только с механическим движением частиц, но и с действиями нх зарядов друг на друга и другие тела, изучаются магнитогидродинамикой. Обычно ее прилагают к чистой (однородной) высокотемпературной плазме. В теории шаровой молнии Френкеля в неявной форме присутствуют магинтогидро-динамические зависимости сильно «загрязненной» низкотемпературной плазмы.

Прежде всего исследователь считает весьма вероятным наличие в грозовых облаках и близлежащих слоях воздуха «коллективных движений» частиц аэрозолей, выражающихся, в частности, в существовании «шаровых вихрей», которые стабилизируют жидкую плп газообразную массу аэрозоля пли суспензии, придают ей шарообразную форму н обеспечивают независимое движение вихри-шара. Аэромеханика такого шарового вихря ясна из рпе. 1С>.

Суспензии, которая является как бы «костиком» вихри, представляет собой, во-первых, твердые (или жидкие) частицы тех самых химически активных газов, которые воз-
пикают в результате электрического разряда, н, во-вторых, твердые частицы посторонних веществ — 'минеральной пылп нлп дыма, которые существуют в воздухе при нормальных условиях и которые, попадая в область, образованную химически активными газами, создают в ней вихревое движение.

Подпись: 
Рис. 16. Движение в шаровом вихре и ок¬ружающей среде (аэромеханика «ша¬ровой молнии Френ¬келя»)
Таким образом, «шаровая молния Френкеля» состоит из многих слоев аэрозоля, разделенных прослойками сухого и чистого воздуха и вращающихся относительно друг друга с некоторой скоростью, заданной внешними силами.

Независимо от той роли, которую пыль и дым играют в создании «шарового вихря», они играют также существенную роль и в свечении шаровой молнии. Это свечение возникает потому, что активные вещества, образующие шаровую молнию, могут достаточно быстро «дезактивироваться» (разлагаясь, например, па химически стойкие продукты) лишь в присутствии катализаторов, которыми и являются частицы дыма или пыли. Энергия, отдаваемая газообразными продуктами частицам аэрозоля, нагревает их до весьма высокой температуры и заставляет светиться.

Все частицы, образующие шаровую молнию, обладают электрическим зарядом, а газы полностью или частично ионизованы, однако в целом шаровая молния электрически нейтральна. Электромагнитные поля, созданные зарядами частиц и ионов различных слоев шаровой молнии, поддерживают устойчивость шарового вихря.

Механизм электромагнитной устойчивости плазменного вихря заключается во взаимопроникновении («диффузии»)  противоположно направленных магнитных нолей сравнимой напряженности. Если магнитные поля различных слоев шаровой молнии имеют напряженности, одинаковые по величине н противоположные по знаку (т. е. на-


правлению), то их взаимная диффузия приводит к образованию нейтрального слоя, где магнитное поле отсутствует (рис. 17. II — напряженность магнитных полей, в — нейтральный слон). В нейтральном слое в магнитное давление равно пулю, в то время как с обеих сторон он подвергается магнитному давлению, заставляющему слон сжиматься. Свободное от электромагнитного поля вещество нейтрального слоя ведет себя как обычный газ. В структуре шаровой молнии такие нейтральные слои являются своеобразными «газовыми нод- шшшикамп», обеспечивающими высокоскоростное обращение слоев друг возле друга. В теории плазмы найдено, что магнитное сжатие нейтральных слоев может приводить к резкому повышению в них давления и температуры, что, в свою очередь, приводит к формированию в слоях ударных волн.

Если же магнитные поля не одинаковы по величине, то происходит образование слоя с частично нейтрализованными полями, где напряженность магнитного поля будет гораздо меньше, чем в прилегающих к нему с обеих сторон областях (рис. 17, б. 1Г и II" — напряженности магнитных полей). Сжатие нейтрального слоя в этом случае носит такой же двусторонний характер магнитного давления, но не приводит к большим температурам и ударным волнам. В этом случае шаровая молния, будучи в целом электрически нейтральной, имеет некоторое избыточное магнитное поле, направленное во-вне ее сферы, что и обеспечивает взаимодействие вихря с проводниками электричества.

Ударные волны в нейтральных слоях могут возбуждать колебательные процессы, которые, в свою очередь, разрушают (или лишь изменяют) структуру плазменного вихря, т. с. изменяют форму, размеры, цвет, электромагнитные п температурные характеристики шаровой молнии [23].

Таким образом, но Я. II. Френкелю, шаровая молния является шарообразным вихрем смеси частиц ныли или дыма с химически активными (вследствие электрического разряда) газами, причем вихрь-шар способен па длительное независимое существование и и целом электрически нейтрален [25].

Теперь сравним теорию с дачными наблюдений. Френкель считает, что шаровая молния возникает преимущественно при электрическом разряде в запыленном воздухе.


С ЭТО!! точки зрения чрезвычайно важно отметить проникновение ее через дымоходы, где она, видимо, окончательно формируется, частое ее присутствие у фабричных труб, водных поверхностен и других источников пыли, дыма или пара. Вспомним поведение «искры» на лагерной дороге (сгр. И). Увеличение размеров шара согласуется с теорией, если допустить вовлечение в вихревое движение песка и пыли с дороги. Проясняются и строки рапорта Х.-Г. Кратценштеипа: «...не сей ли луч молнии, который но скоплению люден и в соседстве на улице жестоко шумел п пыль вертел и подымал...» Наконец, эксперимент Кэвуда и Патерсона с заряженными аэрозолями при вихревом их движении может считаться опытным подтверждением теоретически найденных «коллективных эффектов» Френкеля.

Далее, наблюдения говорят о том, что шаровые молнии можно разбить на две группы — подвижные и осевшие. Подвижные в своем парении избегают твердых, в частности металлических, предметов; осевшие же прикрепляются в основном к проводникам электричества. Френкель отмечает, что наблюдения тех и других дают разную картину по яркости и спектру: подвижные шары светятся красноватым светом, напоминающим свечение метеоритных следов в атмосфере; неподвижные шары испускают ослепительно белый свет. Теория дает следующее толкование этих наблюдений: в первом случае красноватый цвет и сравнительно малая яркость объясняются свечением химически активных (ионизованных) газов, в частности окиси азота, во втором случае при соприкосновении с металлом шаровая молния расплавляет и даже испаряет его, вовлекая в свое вихревое движение коллоидные частицы металла, которые, химически реагируя с газами шара, обеспечивают более яркое свечение. (Заметим, что в этом случае н магнитное поле будет удерживать шар на проводнике.)

Обход парящей шаровой молнией разного рода препятствий вполне соответствует аналогичному эффекту при движении обычных вихревых колец и объясняется законами аэрогидродинамики. Процесс же закреплении па непроводнике может быть целиком объяснен повлеченном частиц расплавленного плп испаренного вещества в вихревое движение. Этим положениям теории отвечает случай, изложенный на стр. 20. Вихревое1 кольцо шаровой молнии

 

 

 

 

Рис. 17. Электромагнитная схема шаровой молнии (по Я. П. Френкелю)

 


испарило краску с носа самолета, удерживаясь, по всей вероятности, магнитным взаимодействием с металлом.

Рассмотрим вопрос о взрыве и бесшумном исчезновении «огненного шара». «С точки зрения цепной теории химических реакций представляется внолне естественным существование верхнего и нижнего пределов концентрации различных веществ, при которых они реагируют друг с другом или, наоборот, перестают реагировать»,— пишет Френкель, переходя к объяснению взрыва шаровой молнии.

Из наблюдений (от рапорта Х.-Г. Кратцеиштенна до «окрнджской анкеты») известно, что взрыв шара оставляет дымку с острым запахом, явно указывающую на химическую его природу. Если же иметь в виду, что на скорость химической реакции (да и на се характер) оказывают в какой-то момент времени влияние процессы рекомбинации зарядов частиц, то вполне вероятным становится чрезвычайно быстрый, цепной вид химической реакции взрыва активных газов шаровой молнии.

Поскольку активный газ совместно с пылевидными продуктами может, хоть и медленно, диффундировать с поверхности шара в окружающую среду, возникают два варианта:

при медленной диффузии активного вещества его концентрация сохраняется достаточной, чтобы, когда наступит рекомбинация, обеспечить взрыв;

при быстрой диффузии концентрация активного газа не достигает определенного порога, и рекомбинация зарядов частиц уничтожает шар беззвучно и бесследно.

Теория Френкеля накладывает некоторые ограничения на размеры шаровой молнии (от 5 до 20 см в диаметре) и время ее существования (от нескольких секунд до 2—2,5 минут). Из теории следует, что источник оперши шаровой молнии — но преимуществу внутренний, и энергия пта невелика (до 0,03 киловатт-часа).

Несмотря па тот интерес, который проявлен Френкелем к этой загадке, выдающийся советский физик оставил теорию шаровой молнии незавершенной в деталях, что, конечно, несколько снижает ее ценность.

Эдвард Л. Хнлл, профессор университета в штате Миннесота (США), совсем недавно выдвинул теорию «миниатюрного грозового облака», каковым, по его мнению, является шаровая молния [30, 41].


Прежде всего Хилл отвергает полную ионизацию газов, составляющих «огненный шар». Дело в том, что процессы рекомбинации (т. е. обмена зарядами между частицами) в плазме настолько быстры, что, по его мнению, это делает затруднительным объяснение длительности существования наблюдаемых шаровых молний.

Хилл предполагает, что удар линейной молнии предшествует появлению шаровой молнии. При этом удар линейной молнии индуцирует разделение зарядов, которые несут атомы, молекулы, группы молекул, частицы дыма, пара, пыли. Механизм такого разделения не совсем ясен, но, видимо, возможен, если учесть, что в обычном грозовом облаке сосуществуют большие области разноименно заряженных частиц пара. Но в большом облаке такие его части разделены значительными расстояниями, а рекомбинация происходит линейным или лентообразным разрядом. В «миниатюрном грозовом облаке» Хилла (насыщенпом к тому же тяжелыми частицами дыма и пыли) такая рекомбинация будет происходить в условиях сильного турбулентного движения заряженных областей, которое разделит разно' именно заряженные участки быстродвижущимися слоями нейтрального воздуха или пара.

Общая нейтрализация такого облака, во-первых, носит замедленный темп, потому что в нее частями включаются отдельные слои, клубы и области находящегося в турбулентном движении облака-шара. Во-вторых, формы разрядов, рекомбинирующих области шара, будут весьма разнообразны вследствие миниатюрных размеров этих областей и их прихотливой структуры. Здесь возможны и сверхмалые лииепные п ленточные молнии, разряды типа «огней св. Эльма». Этн-то разряды и создают картину свечения тара, повышают его температуру. В случае, если турбулентное разделение объема приводит к появлению двух относительно больших областей, то разряд между ними прекращает существование облака, т. е. происходит «взрыв» шаровой молппн. Если же дробление объема облачка идет по пути создания все меньших и меньших разноименно заряженных областей шара, разряды между ними приводят к нейтрализации облачка в целом, т. е. к бесшумному, тихому исчезновению.

Модель Хилла предполагает, что шаровая молния существует за счет преимущественно внешнего источника энергии, поскольку и турбулентное движение микрообластей шара, п ионизация их, и разделение есть результат весьма мощного линейного разряда. Э. Хилл удачно толкует «опыт с бочонком» в поддержку своей теории, так как его «миниатюрное грозовое облако» содержит энергию, по крайней мере равную мегаджоулю. Впрочем, модель может отвечать и уровню энергии в килоджоуль: эта энергия также является достаточной для существования «шаровой молнии Э. Хилла» в течение наблюдаемого в естественных условиях периода времени.

Наряду с достоинствами эта теория имеет ряд бросающихся в глаза недостатков: неясен механизм разделения ионизованных и заряженных частиц на «микрообласти» посредством мощного линейного разряда, а главное, схема образования такой шаровой молнии почти не дает возможности проверить ее наблюдениями или экспериментом: умозрительная, «кабинетная», модель Хилла буквально повисает в воздухе: ее трудно отвергнуть, но и нелегко принять [36, 43].

Академик Петр Леонидович Капица в 1955 году выдвинул орнгипальную концепцию шаровой молнии.

Капица считает неприемлемыми вс« ранее высказанпыо предположения о природе явления, так как «они противоречат фундаментальному закону природы — закону сохранения энергии».

Свечение (основной расход энергии) шаровой молнии обычно относят за счет энергии, выделяемой при каком- либо молекулярном или химическом превращении, т. е. источник свечения находится в ней самой.

С другой стороны, известно, что потенциальная энергия молекул газа в любом химическом или активном состоянии меньше той, которую нужно затратить на диссоциацию и ионизацию молекул газа.

Это соображение позволяет найти верхний предел энергии газового шара, заполненного воздухом и имеющего размеры шаровой молнии: это энергия, необходимая для полной ионизации газов в ее объеме

Рассмотрим процесс свечепия какого-либо объема, заполненного полностью ионизованными газами, от времени максимальной ионизации до состояния полной нейтрализации частиц объема, «потухания» газового шара. Такой процесс свечения во времепи называется высвечиванием объема. В качестве удобного примера высвечивания можно
взять облако, возникающее после ядериого взрыва, ибо сразу же после взрыва высокая температура обеспечивает полную ионизацию газов его объема. Такое облако заключает в себе максимальную потенциальную'энергию газа.

Запасенная в облаке взрыва энергия пропорциональна его объему — О3, где О — диаметр облака. Испускание света с поверхности облака пропорционально — В2, т. е. площади поверхности облака.

Отсюда ясно, что время высвечивания энергии из шара будет прямо пропорционально его линейному размеру — диаметру О.

Из данных об экспериментальных ядерных взрывах известно, что облако диаметром О — 150 м высвечивается за время Т = 10 сек. Легко вычислить время, за которое высветится объем шара диаметром й = 10 см (наиболее вероятный диаметр шаровой млпии). Это время

0,01 сек. Значит, максимальное количество эпергии, которое может быть запасено в шаровой молнии, обеспечивает ее существование лишь в течение сотых долей секунды! Этот результат, однако, находится в резком противоречии с наблюдениями, по которым шаровая молния существует время от нескольких секунд до минут, причем часто еще и прекращает свои действия взрывом, который также требует определенной эпергии.

«Таким образом, — пишет П. Л. Капица, — если в природе не существует источников энергии, еще нам не известных, то на основании закона сохранения энергии приходится принять, что во время свечения к шаровой молнии непрерывно подводится энергия, и мы вынуждены искать этот источник энергии вне объема шаровой молнии».

Таким источником энергии шаровой молнии Капица считает поглощение ею приходящих извне интенсивных радиоволн, что отвечает наблюдаемому независимому существованию и движению шаровой молнии в атмосфере.

Процесс поглощения носит резонансный характер, причем условия резонанса всецело определяются размерами шаровой молнии. Эффективное поглощение электромагнитных колебаний облаком может происходить только при резонансе, когда собственный период электромагнитных колебаний плазмы совпадет с периодом поглощаемого излучения. Если считать, что поглощаемая частота соответствует собственным колебаниям сферы, то нужно, чтобы длина поглощаемой волны К была приблизительно равна

-* Р. А. Леонов
четырем диаметрам шаровой молнии (точнее, к =3,65 <1, где (I — диаметр сферы).

В начале процесса возникновения шара его объем может быть меньше, но если его ионизация еще невелика, то резонанс с волпой длины К = 3,65 <1 все же возможен, и произойдет эффективное поглощение радиоволн. За счет поглощенной энергии ионизация увеличится, и объем шаровой молнии возрастет до диаметра <1, при котором ее сфера будет устойчивой. Если же ионизация и объем шара превысят этот объем, то сфера выйдет из резонанса и приток энергии резко сократится, сфера остынет и вернется к прежним размерам.

Тем самым объясняется относительное постояпстъо размеров и свечения шаровой молнии, а также и изменения в форме, размерах и интенсивности свечения.

Наиболее часто наблюдаемы шаровые молнии диаметром <1 =! 10—20 см. Соответственно с этим, электромагнитные колебания, питающие их, имеют длины волп (А,«4 <1) от 35 до 70 см.

Местами, наиболее благоприятными для образования шаровых молний, очевидно, будут области, где радиоволны достигают наибольшей интенсивности. Это — пучности или узлы напряжения, которые получаются при интерференции (т. е. сложении двух и более волн с одинаковыми периодами колебаний) радиоволн.

Возникая в такой пучности (узле), шаровая молния будет стремиться зафиксировать положение, наиболее энергетически выгодное, а значит, и перемещаться либо с пучностью, либо от пучности к пучности. Становится понятным передвижение шаровой молнии вне зависимости от ветра и других потоков воздуха.

П. Л. Капица рассматривает случай, когда радиоволны (от облаков) падают на проводящую поверхность земли и отражаются. В этом случае благодаря интерференции образуются стоячие волны, а на расстояниях (Аь ..., Ьп), равных длине волны (А), умноженной на 0,25, 0,75, 1,25 и т. д., образуются неподвижные в пространстве пучности, в которых напряжение электрического поля удваивается по сравнению с падающей волной. Получается как бы несколько поверхностей вблизи земли, в которых, с одной стороны, исключительно благоприятные возможности линейного пробоя, а с другой стороны, благоприятные условия для поддержания энергии шаровой молнии и ее передвижении в горизонтальной (разумеется, приблизительно) плоскости. Наименьшее возможное расстояние центра резонансного шара от проводящей плоскости (земли или предметов на пей) будет равпо ’Д длины волпы, а значит, и зазор между молнией и отражающей поверхностью будет не менее радиуса шаровой молнии.

Это положение теории удачно объясняет наблюдения, но которым шаровая молния как бы катится по поверхности земли или предметов, в то же время не оставляя следов ожогов н т. и., стремится как бы «обойти», часто с изумительной ловкостью, те или ппые предметы. Яркое свечение шаровой молнпи скрадывает от глаза наблюдателя зазор в половину диаметра, который ограждает предметы от ожога и рождает иллюзию «качения», «облета». По многим наблюдениям, шаровая молния довольно точно следует на той или иной высоте рельефу местности, что также объяснимо ее перемещением по пучности отраженных радиоволн одной интенсивности и длины волны.

Теория предполагает, что созданию шаровой молнии предшествует сильный колебательный процесс в электрическом ноле облака или вблизи поверхностп земли, скорее всего — мощный лнпейный разряд (молния).

Взрыв шаровой молпии наступает вследствие внезапного прекращения подвода энергии (например, если резко меняется длина волны электромагнитных колебаний) и представляет собой схлонывание сферы разряженного воздуха.

«Такой «взрыв», разумеется, не в состоянии причи- пить серьезных повреждений. Бесшумпое же исчезновение светящегося шара соответствует нормальному, относительно медленному высвечиванию энергии, полученпой в течение некоторого времени от интенсивных радиоволн-

Одно из самых удивительных и загадочных действий феномена заключается в проникновении шара в закрытые помещения через окна, двери, дымоходы п даже щели и другие отверстия, а также частый обратный выход тем же или подобным путем. Эти явления получают в теории Капицы удовлетворительное объяснение: раз шаровые молнии следуют но пути коротковолновых электромагнитных колебаний, то для них естественно «использовать» отверстия, печные трубы или провода, так как они являются волноводами. Обычные размеры дымоходов соответствуют тому критическому сечешпо волновода, в котором могут

Свободно распространяться волны длиной до 30—40 см, что находится в соответствии с размерами молний, проникающих в помещения.

Более узкие (меньше диаметра шаровой молнии) отверстия и провода могут также служить волноводными переходами, в которых происходит резкое сужение линий напряженности электрического поля, а радиоволны, питающие шаровую молпию, соответствующим образом трансформируются. В результате — «возникновение» шаровых молний из телеграфных или телефонных аппаратов, проникновение огненного шара в закрытую кабину самолета и другие почти невероятные и необъяснимые иными теориями явления.

Источником энергии существования шаровых молний, как уже говорилось, в теории Капицы считаются интенсивные радиоизлучения в диапазоне 35—70 см, появляющиеся в результате атмосферных разрядов. Возникает вопрос: зафиксированы ли нашими радиоустановками такие электромагнитные колебания? К сожалению, нет. Это объясняется, во-первых, тем, что сантиметровый диапазон еще очень мало используется в радиосвязи, а также тем, во-вторых, что шаровая молния — явление чрезвычайно редкое, поэтому естественно предположить, что и порождающие ее колебательные процессы сопровождают не каждый атмосферный разряд, а лишь некоторые. Какие именно? Ответ на этот вопрос может дать только эксперимент.

Изложенная теория шаровой молнии быстро завоевала многих горячих приверженцев [И, 36, 38, 41, 44]. И не только потому, что она удачно объясняет большинство трудных, неясных действий «огненного шара», а главным образом потому, что открывает пути для опытов, для проверки в естественных и лабораторных условиях. Многозначительно и то обстоятельство, что шаровая молния П. Л. Капицы чрезвычайно похожа на безэлектродный высокочастотный //-разряд Г. И. Бабата.

Вместе с тем ряд авторов отмечает резкое несоответствие теории Капицы «опыту с бочонком». Дело в том, что вода является практически непреодолимой преградой распространению радиоволн. Приняв на веру этот случай с шаровой молнией, мы не сможем объяснить процесса «работы» огненного шара в погруженном состоянии. Если же счесть передачу энергии шара воде мгновенной, то эта энергия оказывается существенно меньшей («на несколько порядков», как говорят физики) той, которая отвечает засвидетельствованному профессором Б. Л. Гудлетом эффекту [36, 43].

Читателю, несомненно, бросилась в глаза сложность этой главы. Такой способ изложения был сознательно избран нами, чтобы максимально приблизить текст к тем работам, в которых авторы сами выдвигают и обосновывают свои теории. Критическая оценка теорий шаровой молнии, выбор между ними представляют особую и весьма трудную задачу, решение которой выходит за рамки этой книги.

 



загрузка...