Шаровая молния в лаборатории
А.И.Егоров, С.И.Степанов
Антон Ильич Егоров, ведущий научный сотрудник Петербургского института ядерной физики им.Б.П.Константинова. Область научных интересов — физика и химия изотопов и методы их разделения.
Сергей Иванович Степанов, научный сотрудник того же института. Занимается созданием приборов для научных исследований.
Среди таинственных явлений природы, «недоступных» академической науке, шаровая молния занимает почетное место. Были придуманы десятки гипотез о ее физической сущности. Даже сейчас, когда аналоги шаровых молний получают тысячами и исследуют во многих лабораториях мира (рис.1), мифы о ней продолжают обсуждаться в СМИ. Мы убеждены, что шаровая молния представляет собой редкое проявление особого состояния вещества — гидратированной (кластерной) плазмы, совершенно непохожей на обычную плазму.
Свидетельство ученого
В 1975 г. в журнале «Наука и жизнь» была опубликована статья И.П.Стаханова и С.Л.Ло-патникова «Шаровая молния: загадки остаются», авторы которой призвали очевидцев феномена писать о своих впечатлениях. В редакцию стали приходить сообщения о встречах с необычными светящимися объектами. Писем были тысячи, и чего только в них не было: специалист мог узнать в описаниях лидеры токовых струй и линейных молний, кистевые и сидящие разряды, огни святого Эльма, струйки горящих газов, даже падение метеоритов. После повторного анкетирования Стаханов отобрал 126 случаев наблю-
© Егоров А.И., Степанов С.И., 2011
дения автономных светящихся объектов, имевших форму шара. Один случай заслуживал особого внимания — наблюдателем шаровой молнии оказался ученый, знакомый со свойствами плазмы.
Встреча М.Т.Дмитриева с дол-гоживущей шаровой молнией произошла в августе 1965 г. на р.Онеге, в Архангельской обл., о чем он подробно рассказал в журнале «Природа» [1]. На реке плавал бон — вереница деревянных плотов, связанных между собой. Первый плот бона лежал на берегу и был прочно закреп-
лен, последний плавал на середине реки. В целом бон имел форму дуги длиной 120 м и представлял собой хороший проводник, так как бревна в плотах и плоты между собой скреплялись железными тросами.
К вечеру 23 августа небо затянули тучи; стали слышны отдельные раскаты грома, пошел мелкий дождик. Дмитриев забрался в палатку, которая была разбита на первом плоту, и включил транзисторный приемник. В 19.55 сверкнула молния и тотчас раздался удар грома. Некоторое время было тихо, по-
Рис.1. Шаровая молния в лаборатории. Фото любезно предоставлено С.Е.Еме-линым.
том из приемника послышался шорох, переходящий в сплошной гул. Приемник пришлось выключить, ученый выглянул из палатки и увидел на середине бона, на высоте 1 — 1.5 м шаровую молнию. Она двигалась к берегу, не отклоняясь от бона, хотя ветер дул вдоль реки. Молния постепенно всплывала в воздухе; когда она проплывала над палаткой, наблюдатель успел взять пробы воздуха в откачанные ампулы. На берегу характер движения молнии изменился: несколько секунд она стояла неподвижно над кочкой, потом переместилась в лес, где стала беспорядочно двигаться среди деревьев, выбрасывая искры, внезапно покраснела и исчезла.
Для Дмитриева, который имел опыт работы с воздушной плазмой, шаровая молния не показалась необычной. Керн молнии представлял собой шар диаметром 6—8 см. Эта часть была наиболее яркой и по своему виду напоминала электроразрядный факел в воздухе. Центральную часть молнии окружала оболочка толщиной 1 — 2 см с густым фиолетовым свечением, похожая на свечение воздуха, бомбардируемого электронами. Следующая, наружная, бледно-белая оболочка чуть го-
лубоватого оттенка толщиной около 2 см, напоминала по цвету тихий электрический разряд при атмосферном давлении (тихий разряд возникает в атмосфере вокруг предметов, находящихся под большим потенциалом, пример — огни святого Эльма). В отобранных пробах был обычный «грозовой» воздух с повышенным содержанием озона и окислов азота.
Новая идея
Проанализировав показания очевидцев, Стаханов убедился: они согласуются с утверждением, что появление шаровых молний связано с электрической активностью атмосферы. Это светящиеся автономные объекты, которые способны перемещаться в воздухе. Размер их в большинстве случаев 10—25 см. Шаровая молния имеет определенную границу, которая отделяет ее от окружающего воздуха. Плотность самого вещества молнии почти равна плотности воздуха. Светится она за счет аккумулированной энергии. Время существования — от секунды до сотни секунд [2]. Автономность шаровой молнии отличает ее от другого электрического явле-
ния — токовой струи. Пробой влажного воздуха линейной молнией создает проводящий канал, по которому может стечь новый электрический разряд. Обогащенная электронами округлая головка токовой струи напоминает шаровую молнию. Струя может проникнуть в дом через окно, дымоход, электропроводку или телефонный кабель и убить человека или животное. Ее можно получить искусственно, если запустить в грозовое облако ракету с хвостом из медной проволоки. Токовая струя подпитывается энергией извне, а не содержит ее в аккумулированной форме.
Стаханов предположил, что керн шаровой молнии содержит вещество в особом состоянии — в виде гидратированной (кластерной) плазмы, которая отличается от обычной плазмы наличием молекул воды. Компьютерное моделирование процесса взаимодействия молекул H2O с положительными и отрицательными ионами в керне молнии провел С.В.Шевкунов [3]. Заряженные частицы притягивают к себе диполи H2O — у ионов образуются гидратные «шубы». При сближении гидратирован-ных ионов разного знака между ними выстраиваются дополнительные молекулы воды, и в результате возникают нейтральные кластеры с большим ди-польным моментом. Молекулы воды препятствуют быстрой рекомбинации ионов. Время рекомбинации возрастает до десятков секунд, т.е. становится на 10 порядков больше, чем у «сухой» плазмы. В шаровой молнии кластеры образуют длинные цепочки и фрактальные структуры. Клуб теплого, влажного воздуха может аккумулировать значительную энергию, до 0.5 кДж/л, если получит нужное количество разноименных ионов от внешнего источника, например от дугового разряда.
После безвременной кончины Стаханова в 1987 г. к сотрудникам Петербургского института ядерной физики обратилась
Рис.2. Установка для получения плазмоида. Справа показано устройство центрального электрода. 1 — конденсаторная батарея, 2 — разрядник, 3 — полиэтиленовая чаша с водой, 4 — кольцевой медный электрод, 5 — изолированная медная шина, 6 — центральный электрод, 7 — цилиндрик из угля или металла (собственно электрод), 8 — кварцевая трубка, 9 — высокоомное сопротивление для измерения напряжения, 10 — фотодатчик для измерения светимости, 11 — линза, 12 — электрический зонд, 13 — усилитель сигнала зонда.
вдова ученого Инесса Георгиевна с просьбой о продолжении его работы. Начались эксперименты с шаровой молнией в лаборатории А.И.Егорова. Была поставлена задача воспроизвести в миниатюре редкий случай рождения шаровой молнии на глазах наблюдателя. Очевидец находился в грозу возле геодезической вышки. Простейший громоотвод из железного троса опускался вниз, он был небрежно прикопан — конец троса торчал из влажной земли. Когда в громоотвод ударила молния, из конца троса вылетела яркая шаровая молния.
Успех!
В лаборатории этот естественный процесс был воспроизведен в уменьшенном масштабе (рис.2). Роль грозового облака играла конденсаторная батарея емкостью 600 мкФ. Ее можно было заряжать до 5000 В. Положительный полюс батареи был заземлен, а отрицательный соединен с разрядником на длинной эбонитовой ручке. Роль влажной земли играла поверхность воды в полиэтиленовой чашке диаметром 20 см. Вода должна быть проводящей (обычно используется жесткая водопроводная вода, содержащая 5—7ммоль/л бикарбонатов кальция и магния). На дне чашки лежал кольцевой медный электрод, соединенный изолированной медной шиной с землей. Громоотводом служил медный стержень, от которого изолированная медная шина шла к центральному электроду. Это был цилиндрик из угля, железа, меди или алюминия, который окружала трубка из кварца диаметром 6 мм. Она возвышалась над поверхностью на 2— 3 мм. Сам электрод был опущен на 3—4 мм вниз, так что образовывалась цилиндрическая ямка, куда можно было внести каплю воды, раствор солей или органических веществ, суспензию угля, почвы и т.п. В большинстве случаем центральный электрод был
изготовлен из пористого угля, как обычно делается для дугового спектрального анализа.
Если смочить центральный электрод каплей воды, зарядить конденсаторную батарею и коснуться разрядником стержня (ввода), то из электрода вылетит плазменная струя, от которой отделится и поплывет в воздухе светящийся шаровой плазмоид. Первую короткоживущую шаровую молнию А.И.Егоров и Г.Д.Шабанов получили в сентябре 2001 г. За 10 лет шаровые молнии научились делать во многих лабораториях мира.
При изучении физических свойств шаровых плазмоидов между центральным электродом и заземлением включалось вы-сокоомное сопротивление, с части которого напряжение подавалось для измерения на компьютер. Одновременно на компьютер приходил сигнал с фотодатчика, регистрирующего светимость плазмоида. Оба графика показаны на рис.3. Вылетающая из центрального электрода плазменная струя сущест-
вует всего 0.1 с — только в это время между электродом и поверхностью воды протекает большой ток, затем разряд прекращается, и напряжение на сопротивлении падает до нуля. Отделившийся плазмоид начинает автономный полет и светится только за счет запасенной энергии. Шаровая молния не получает энергию извне — в этом ее кардинальное отличие от других проявлений атмосферного электричества.
Исследования электрических свойств были стимулированы работой [4]. Для измерения электрического заряда плазмоид ловили сетчатым цилиндром Фара-дея. Сначала на цилиндр приходила наводка от разряда, затем электрический сигнал отсутствовал — в это время плазмоид всплывал к цилиндру, потом появлялся ток, вызванный перетеканием заряда с плазмоида на цилиндр. Интегрируя этот ток, можно определить величину неко
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.