ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2008, том 418, № 5, с. 611-613
ФИЗИКА
УДК 551.594.223
КВАТАРОННАЯ МОДЕЛЬ ШАРОВОЙ МОЛНИИ
© 2008 г. Член-корреспондент РАН А. М. Асхабов
Поступило 11.09.2007 г.
Шаровая молния относится к числу давно известных, но достаточно редких явлений, наблюдаемых в атмосфере Земли. Она представляет собой светящееся фазовообособленное образование, обладающее определенным запасом энергии. Имеющийся фактический материал о шаровой молнии по большей части основан на наблюдениях очевидцев. Эти наблюдения обобщены в отечественных и зарубежных сводках [1-3]. Накопленный материал не оставляет места для сомнений на счет самого факта объективного существования этого природного феномена, хотя природа и механизм его образования остаются все еще не понятными.
Природная шаровая молния - это достаточно долгоживущий объект (время жизни составляет от нескольких до десятков секунд). Она, как правило, имеет сферическую форму. Диаметр молнии меняется в широких пределах. Чаще всего наблюдаются молнии диаметром 10-20 см. Они способны проходить через щели и узкие отверстия, восстанавливать свою форму. Наиболее часто шаровая молния образуется в летнее время, в грозу. К числу характерных свойств молнии относятся также заметные электрические проявления.
Неоднократные попытки воспроизвести шаровую молнию в лабораторных условиях не увенчались полным успехом. Первые эксперименты по искусственному ее получению были начаты Н.А. Гезехусом еще в конце XIX - начале XX в. Лабораторные эксперименты к настоящему времени охватывают широкий диапазон условий, в которых удается получить короткоживущие светящиеся образования [2, 4], но утверждать, что в них удалось воспроизвести то, что обычно называют шаровой молнией, надежных оснований нет.
Предположений о природе шаровой молнии, несмотря на отсутствие экспериментальных данных и невозможность искусственного воспроизведения, высказано огромное количество [5-9], в том числе и весьма экзотических. Однако ни одна из предложенных гипотез не стала общепризнан-
Институт геологии Коми научного центра Уральского отделения Российской Академии наук, Сыктывкар
ной. Наиболее аргументированной считается кластерная гипотеза И.П. Стаханова [2]. Согласно этой гипотезе шаровая молния состоит из необычной плазмы - смеси положительных и отрицательных ионов, облепленных нейтральными молекулами (воды), которые тормозят рекомбинацию ионов, что необходимо для длительного существования плазмы в метастабильном состоянии. По оценкам Б.М.Смирнова [6] время рекомбинации гидратированных ионов может на два порядка превосходить время рекомбинации плазмы, состоящей из "голых" ионов и электронов.
В данной работе мы предлагаем принципиально иную кластерную модель образования шаровой молнии.
Модель основывается на идеях кватаронной концепции кластерной самоорганизации вещества на наноуровне [10, 11]. Ключевая идея этой концепции сводится к тому, что в пересыщенной среде образуются и могут существовать особые наноразмерные кластеры, названные кластерами "скрытой" фазы или кватаронами. Они предшествуют зародышам новой фазы при конденсации и кристаллизации. Механизм образования и отличительные свойства кватаронов рассмотрены в указанных выше наших работах.
Новая гипотеза о природе шаровой молнии родилась как продолжение предложенной нами ранее кватаронной модели конденсации водяного пара [12]. В этой работе были определены условия образования обычной жидкой воды (вода с плотностью 1 г/см3), а также рассматривалась возможность образования различных не установленных еще экспериментально аномальных ("твердой", "газообразной", "фрактальной") фаз воды при конденсации и агрегации электрически нейтральных кватаронов. Однако, если кватароны одноименно заряжены, то ситуация с конденсацией кватаронов радикально изменится. Образование конденсированной фазы в обычном понимании станет невозможным. Но при этом межкватаронное взаимодействие при определенных условиях может привести к формированию ими пространственно-упорядоченных структур. Впервые на возможность образования заряженными частицами в плазме кристаллоподобных структур указывалось в работе X. Икези [13]. В последующем та-
611
3*
612
АСХАБОВ
кие структуры стали называть кулоновскими или плазменными кристаллами. Они установлены экспериментальными методами и достаточно хорошо изучены, к примеру, для пылевидной плазмы [14]. Легко представить, что подобное явление может быть реализовано для заряженных кватаронов воды и они сформируют особую фазу, аналогичную кулоновскому кристаллу. По-видимому, именно эта фаза и представляет собой образование, называемое шаровой молнией (по крайней мере, одна из форм светящихся объектов сферической формы, наблюдаемых в атмосфере). Если так, то шаровая молния - это особая плазма, в которой дисперсными частицами выступают электрически заряженные кватароны.
Поскольку кватароны являются относительно крупными частицами до десятков и даже сотен молекул, то заряд на кватаронах может быть достаточно большим. Однако при значительных зарядах увеличивается среднее расстояние между кватаронами и уменьшается энергия кулоновско-го взаимодействия, что в конечном итоге приведет к распаду шаровой молнии.
В рамках кватаронной модели находит объяснение большинство свойств шаровой молнии, на которые указывают наблюдатели. Так, наличие "запирающей" фазовой границы и кристаллический характер облака заряженных кватаронов обеспечивают устойчивость шаровой молнии. Отпадает необходимость существования внутри шаровой молнии жесткого каркаса фрактальных кластеров [6] или органического полимера [4]. Модель не противоречит также существованию у шаровой молнии собственного электрического поля, что отмечается во многих работах. Ряд свойств шаровой молнии (способность сохранять свою целостность и форму, проникать через щели и отверстия и т.д.) является следствием существования фазовой границы и, следовательно, поверхностной энергии. Рекомбинация зарядов, очевидно, также происходит главным образом на фазовой границе.
Просто решается также центральный вопрос о природе запасенной в шаровой молнии (или полученной извне) энергии. Прежде всего из изложенной модели следует, что необходимая для поддержания шаровой молнии и ее свечения энергия не подводится извне, а запасена внутри самой молнии, в энергии образующих ее частиц. Никаких химических реакций с выделением энергии и появлением заряженных частиц в шаровой молнии не происходит.
Энергия шаровой молнии состоит из поверхностной энергии самой молнии Е3, энергии образующих ее кватаронов Е^ и потенциальной энергии электрического заряда на их поверхности Ее1. Удельная поверхностная энергия у3 шаровой молнии по разным оценкам находится в пределах
0.1-10 ■ 10-7 Дж/см2 [2]. Для шаровой молнии с радиусом в 5 см при у3 = 10 ■ 10-7 Дж/см2 имеем Е3 ~ 0.3 ■ 10-4 Дж, что очевидно составляет крайне малую часть энергии шаровой молнии. Если воспользоваться для определения у3 выражением, приведенным в [15], то значения Е3 несколько больше (0.12 Дж), но все еще очень малы.
Энергия Еклг представляет собой энергию, которая должна была выделиться при образовании кватаронов, но осталась запасенной в них. Она равна энергии образования всех кватаронов, взятой с обратным знаком:
ЕЪг = -Ави = --пг уо( 1 -
4 5
и,
(1)
где Ав - энергия образования кватаронов, и - число кватаронов в шаровой молнии, г - радиус ква-тарона, у0 - удельная поверхностная энергия, 5 -диаметр кластерообразующих частиц (молекул воды). Для кватаронов, радиус которых меньше, чем 45, Еклг > 0.
Плотность кватаронов и их масса равны соответственно
_ Щ
ркг = _.3>
п N а5
= 8М (г = N а 15^ '
(2)
(3)
где М - молекулярный вес, NA - число Авогадро.
В предположении, что плотность шаровой молнии равна плотности воздуха р, легко получить выражение для числа кватаронов в шаровой молнии радиусом Яы
и =
п Яыр N А
6 М\
3
(4)
Тогда из (1) и (4) имеем для суммарной энергии и кватаронов
ЕкV = -5п уо( 1--
4 5^ вЬр N а 53
Мг
(5)
Расчеты по формуле (5) дают для шаровой молнии радиусом Яы = 5 см при г = 5 = 0.3 нм Е~ ~ 243 Дж, а при г = 25 = 0.6 нм Е~ 41 Дж. При г = 0.384 нм, с конденсацией которых связано образование обычной жидкой воды, Есоставляет 135 Дж. Эти значения примерно соответствуют оценкам энергии выделения по действиям, вызываемым шаровой молнией в закрытых помещениях [5], но они гораздо меньше значений, полученных на основе наблюдений вне жилых помещений на открытой местности. Последние, однако, считаются некорректными, поскольку могут быть свя-
КВАТАРОННАЯ МОДЕЛЬ ШАРОВОЙ МОЛНИИ
613
заны с выделением энергии внешнего электрического поля. В связи с этим заметим, что еще И.П. Стаханов [2] высказывал предположение, что разрушительное действие шаровой молнии обусловлено не ее собственной энергией, а энергией внешнего электрического поля, выделяющейся при протекании тока через нее. Вместе с тем очевидно, что реальная энергия, заключенная в шаровой молнии, больше, поскольку необходимо принимать во внимание энергию, связанную с подзарядкой кватаронов после их образования.
Действительно, при тех же условиях расчет энергии электростатического поля заряженных кватаронов по формуле
Е = {Ze)2 el 4п££0 r
n,
(6)
где Хв - заряд, £ - диэлектрическая проницаемость, £0 - электрическая постоянная, дают значения Ев1, достигающие сотен и десятков тысяч джоулей в зависимости от величины заряда на ква-таронах. Таких энергий вполне достаточно, чтобы объяснить даже самые разрушительные действия шаровой молнии, описанные в литературе.
Таким образом, интерпретация шаровой молнии как плазменного кристалла, образованного кватаронами воды, позволяет объяснить важнейшие ее свойства, отмечаемые наблюдателями. В конечном итоге эти свойства определяются концентрацией и размером кватаронов, а также величиной заряда на них, от которых зависит плотность энергии в объеме шаровой молнии. Количественные оценки энергетических характеристик молнии, полученные в рамках предложенной модели, являются весьма разумными.
В заключение отметим, что светящиеся образования по обсуждаемому механ
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.