Шаровая молния

Шарова́я мо́лния — светящийся плавающий в воздухе шар, уникально редкое природное явление, единой физической теории возникновения и протекания которого к настоящему времени не представлено. Существуют около 400 теорий, объясняющих явление, но ни одна из них не получила абсолютного признания в академической среде. В лабораторных условиях похожие, но кратковременные явления удалось получить несколькими разными способами, но вопрос о единственной природе шаровой молнии остаётся открытым. По состоянию на конец XX века не было создано ни одного опытного стенда, на котором это природное явление искусственно воспроизводилось бы в соответствии с описаниями очевидцев шаровой молнии.

Широко распространено мнение, что  шаровая молния — явление электрического происхождения, естественной природы, то есть представляет собой особого вида молнию, существующую продолжительное время и имеющую форму шара, способного перемещаться по непредсказуемой, иногда удивительной для очевидцев траектории.

Традиционно достоверность многих свидетельств очевидцев шаровой  молнии остаётся под сомнением, в  том числе:

по самому факту наблюдения хоть какого-то явления;

факту наблюдения именно шаровой молнии, а не какого-то другого явления;

отдельных подробностей приводимых в  свидетельстве очевидца явления.

Сомнения в достоверности многих свидетельств осложняют изучение явления, а также создают почву для  появления разных спекулятивно-сенсационных материалов, якобы связанных с  этим явлением.

Шаровая молния обычно появляется в  грозовую, штормовую погоду; зачастую, но не обязательно, наряду с обычными молниями. Но имеется множество свидетельств её наблюдения в солнечную погоду. Чаще всего она как бы «выходит»  из проводника или порождается обычными молниями, иногда спускается с облаков, в редких случаях — неожиданно появляется в воздухе или, как сообщают очевидцы, может выйти из какого-либо предмета (дерево, столб).

В связи с тем, что появление  шаровой молнии как природного явления  происходит редко, а попытки искусственно воспроизвести его в масштабах  природного явления не удаются, основным материалом для изучения шаровых  молний являются свидетельства неподготовленных к проведению наблюдений случайных  очевидцев, тем не менее некоторые  свидетельства очень подробно описывают  шаровую молнию и достоверность  этих материалов не вызывает сомнений. В некоторых случаях современные очевидцы произвели фото и/или видеосъёмку явления.

 

ИСТОРИЧЕСКИЙ ОБЗОР

Заслуживающие доверие сообщения  о шаровой молнии можно найти  в записях, сделанных еще семь веков назад. Существуют старинные  гравюры с ее изображением. В 1853 году один французский метеоролог впервые  исследовал около тридцати случаев  этого явления. Названия "огненные шары" и "грозовые стрелы" и  непостижимая, опасная и непредсказуемая  природа этого феномена придавали  ему мистический характер.

Еще в девятнадцатом веке некоторые ученые заметили, что за шаровые молнии иногда принимали  необычной формы метеориты. Существовала также гипотеза, что обычные грозовые разряды из-за интенсивной яркости  вспышки, Бездействующей на сетчатку глаза  свидетеля, создают оптическое искажение.

После Второй мировой войны ряд метеорологов и физиков предприняли попытку признать область исследований шаровой молнии необходимой, но недостаток достоверных научных объяснений этого явления не позволил убедить в этом их коллег. Тем временем сведений об этом явлении становилось все больше, но они оставались в ведении непрофессиональных исследователей, не входя в сферу внимания ученых-специалистов.

Однако, когда в начале 1960 года известный физик доктор Роджер Дженнисон оказался пассажиром лайнера "Восточных авиалиний" и пролетал над Нью-Йорком, дело сдвинулось с мертвой точки. Небольшая шаровая молния проплыла по проходу и исчезла, пройдя сквозь герметичную обшивку самолета. Почти все пассажиры наблюдали это явление и могли подтвердить его достоверность. С того дня стало возможным обсуждать предмет в престижных журналах — таких, как "Нейчур".

Однако скептики не сдавались. В 1972 году в своей известной "Книге  молний" физик из МТИ Питер  Вимайстер назвал этот феномен "крайне противоречивым" и добавил, что "некоторые ученые не верят в его существование". Тем не менее, несколько хорошо обоснованных и аргументированных историй убавили значительную долю скептицизма, и в ряде лабораторий начали разрабатывать эксперименты для воспроизведения шаровой молнии искусственным путем. Это могло бы дать возможность понять, как они образуются. Однако эксперименты не увенчались успехом, что укрепило позиции скептиков.

Плазменно-пучковая модель шаровой молнии состоит из двух зон: 
 
Центральная часть – зона низкой концентрации ионов, в которой с большой скоростью беспорядочно движется электронный пучок.  
Внешняя плазменная сфера с высокой концентрацией положительных ионов, которая больше или равна концентрации молекул окружающего воздуха.  
Похожую идею запирания выдвигал в свое время академик, лауреат Нобелевской премии П.Л. Капица, но он рассматривал запирание электромагнитной волны определенной частоты в плазме. Но, т.к. энергии запертой электромагнитной волны недостаточно для поддержания плазмы, предполагалось их закачка из вне (например, от разрядов обычной линейной молнии), однако выяснилось, что такие электромагнитные волны нужной интенсивности в природе не генерируются. Электронный пучок в отличие от электромагнитной волны среда более энергичная, ускоренный мощным электрическим полем, энергия пучка может составить значительную величину, которой вполне может хватить на поддержание плазмы в течение относительно продолжительного времени. Компьютерные расчеты данной плазменно-пучковой модели шаровой молнии дают среднее время «жизни» (наиболее часто встречающейся шаровой молнии в природе с диаметром 10...15 см) несколько минут. 
 
Предполагаемые свойства данной модели очень схожи (в большинстве описаний) со свойствами реальной шаровой молнии существующей в природе. 
 
Некоторые свойства плазменно-пучковой модели, а также её завершающей стадии подробно описаны в полной версии статьи, поэтому здесь остановимся на вопросе получения шаровой молнии в лабораторных условиях. Исходя из предложенной модели образования ШМ, можно создать такие условия в лабораториях, (где имеется возможность получения искрового разряда длиной в несколько метров) при которых искровой разряд индуцировал бы взрыв газа в небольшом объёме, таким образом можно увеличить вероятность запирания электронного пучка в зоне низкой концентрации взрыва. Как это можно осуществить на практике, уже отдельный инженерный вопрос.

 

Гипотезы о природе  шаровой молнии

 

Все теории (гипотезы) о природе  шаровой молнии разделяются на два  класса по

признаку места энергетического  источника, поддерживающего жизнь  шаровой

молнии. Это гипотезы предполагающие внешний источник и гипотезы считающие

что источник находится внутри шаровой молнии.

 

К первому типу относятся:

Шаровая молния - газовое  или воздушное "необычное" образование.

Предлагается, что молния медленно сжигает газ, состоящий  из метастабильных

частиц или из частиц, которые поглощают энергию благодаря  химическим

реакциям, включающим пыль, сажу, и т.д., и так далее;

Шаровая молния - сфера нагретого  воздуха при атмосферном давлении;

Шаровая молния - плазма с  высокой плотностью, которая проявляет  квантовую

характеристику прочностных  свойств твердой фазы;

Шаровая молния - образуется благодаря определенной конфигураций

электрического тока замкнутого контура, поддерживающего собственное

магнитное поле;

Шаровая молния - существует благодаря некоторому виду воздушного вихря

(подобно кольцу дыма) обеспечивающего локализацию люминисцентных газов;

Шаровая молния - поддерживается микроволновым полем излучения, содержащееся

внутри тонкой сферической  оболочки плазмы.

Ко второму типу относятся:

Шаровая молния - поддерживается высокочастотным излучением с частотой более

100MHz;

Шаровая молния - существует благодаря стационарному току текущего из

облака;

Шаровая молния - это сосредоточенные, электрическими полями грозы,

космические частицы.

Приведенная классификация  является сокращенной классификацией Michel T.

Talbot

 

bo964@freenet.carleton.ca

Ниже приведен перечень типов  гипотез о природе шаровой  молнии, который

является несколько измененной классификацией составленной С.Сингером.

Теория агломерации - объясняла  явление шаровой молнии, как концентрацию

горючих веществ , которые загорались во время грозы;

Электростатическая теория - по которой шаровая молния это конденсатор;

Теория непосредственного  зарождения шаровой молнии из вещества линейного

разряда;

Химическая теория возникновения  шаровой молнии;

Теории основанные на ядерных реакциях;

Теории представляющие шаровую молнию как совокупность заряженных пылевых

частиц или капель жидкости;

Ионные теории шаровой  молнии;

Вихревые теории шаровой  молнии;

Электрические теории (постоянный ток);

Теории на основе паров  веществ;

Плазменные теории;

Теории связанные с электромагнитным излучением.

В заключении краткого обзора теорий шаровой молнии хотелось бы подчеркнуть:

Научное сообщество, в основном, убеждено, что шаровая молния - реальное

явление (хотя остаются некоторые  скептики).

Нет никакой общепринятой теории шаровой молнии.

Подобно многим, кто интересуется шаровой молнией, у меня есть своя гипотеза

природы шаровой молнии.

 

Моя теория не укладывается в приведенную выше классификацию, и относится к

классу гипотез внутренней энергии.

Ее суть состоит в том, что шаровая молния - это плазменная электромагнитная

колебательная система, которая  создается грозовым разрядом и накачивается

путем облучения электромагнитным излучением, возникающим при возбуждении

естественных электромагнитных систем (конфигурация деревьев). Таким

образом, в начальной стадии шаровая молния накачивается путем

электромагнитного излучения, а затем она существует самостоятельно,

медленно расходуя запасенную энергию , подобно колебательному контуру с

очень высокой добротностью.

 

 

Электрон-ионная модель шаровой молнии описана в ряде работ Федосина С.Г. и Ким А.С.,[1] начиная с 2000 г. ^[1]

В данной модели шаровая молния есть сгусток очень горячего ионизированного воздуха с общим положительным зарядом, оболочка которого состоит из быстро вращающихся электронов с суммарным током до 1,4∙10⁵ А. Целостность молнии поддерживается балансом электромагнитных сил, действующих между зарядами. Положительные ионы внутри молнии распределены свободно вследствие сферической симметрии, и притягивают к себе электроны оболочки, удерживая их от разлёта. Согласно модели шаровая молния образуется из двух близких разветвлений линейной молнии в момент прекращения тока по основному каналу с последующим замыканием разветвлений в токовое кольцо.

Экваториальное сечение модели шаровой молнии, выделяющее кольца на токовых оболочках сфероидальной  формы. R - радиус вращения ионов в  равновесной оболочке вокруг магнитного поля с индукцией B, r - радиус внешней электронной оболочки.

Электронные токи в оболочке создают сильное магнитное поле внутри молнии. Эти токи перпендикулярны оси вращения, к полюсам диаметр вращения уменьшается, магнитное поле растёт. Это удерживает положительные ионы от разлёта вдоль оси вращения за счёт эффекта магнитной бутылки. Основное магнитное поле внутри молнии направлено вдоль оси вращения. То есть ионы могут двигаться вдоль оси вдоль линий магнитного поля. С другой стороны, ионы вращаются по окружности перпендикулярно оси под действием силы Лоренца в магнитном поле соответственно своей тепловой скорости. В результате на некоторых расстояниях от оси молнии возникает пересечение двух потоков ионов, которое наблюдается как светящиеся оболочки внутри молнии. Излучение от оболочек возникает от трения и рекомбинации пересекающихся потоков ионов.

Теория из первых принципов предсказывает  максимальный диаметр шаровой молнии 34 см.