М О Л Н И Я Н А С Т О Л Е
Шаровая молния настолько необычное и редкое явление, что её природа до сих пор во многом остаётся загадкой. Высказывались даже сомнения в её реальности, в частности, широко было распространено мнение, что это иллюзия, вызванная по- ражением сетчатки глаза вспышкой обычной молнии. На страницах журнала «Наука и жизнь» не раз публиковались гипотезы и факты, связанные с шаровой молнией (см. «Наука и жизнь» № 12, 1975 г.; № 2, 1978 г.; № 5, 1979 г.; № 9,
1989 г.; № 10, 2001 г.; № 7, 2009 г.). Предлагаемая статья рассказывает об экспериментах по моделиро- ванию шаровой молнии в научной лаборатории.
Геннадий ШАБАНОВ, ведущий инженер Петербургского института ядерной физики.
Шаровая молния стала объектом на- учного исследования благодаря опубликованной в 1838 году статье члена Французской академии наук Франсуа Ара- го, который первым обобщил несколько случаев её наблюдения. С тех пор природой шаровой молнии интересовались многие крупные учёные, в частности Фарадей, Кельвин, Аррениус, Тесла.
Наиболее полное описание фактов и ги- потез дал доктор физико-математических наук И. П. Стаханов, автор монографии «Физическая природа шаровой молнии», вышедшей в 1979 году и трижды переиз- дававшейся с дополне- ниями. В этой книге он перечисляет возможные структуры, которыми мо- жет быть шаровая молния: плазменное образование с температурой до миллионов градусов; пылинка антиве- щества, ионизирующая вокруг себя воздух; объём, заполненный радиоактивными изо- топами; воздух с примесью возбуждённых метастабильных молекул или различных химических соединений (озон, окислы азота, углеводороды и т. д.); образование из мелких пылинок; электронно-ионная плазма; отшнуровавшийся канал или недо- развившийся пробой атмосферы линейной молнией и т.д. и т.п.
В позапрошлом веке Никола Тесла на- писал в своей рабочей тетради: «Данное явление может быть теперь искусственно создано, и будет нетрудно узнать больше о его природе». П. Л. Капица, которому удалось создать светящееся образование в воздухе, считал, что шаровая молния возникает в пучности электрического поля стоячей электромагнитной волны. В конце двадцатого века своеобразный итог попыткам создания шаровой молнии подвёл академик В. Л. Гинзбург: «В суще- ствовании шаровой молнии сомневаться не приходится. Вопрос о её природе об- суждается с давних времён. Предложено много моделей и гипотез, но пресловутого консенсуса нет. Думаю, что природа ша- ровой молнии будет чётко и однозначно выяснена лишь после создания этих объ- ектов в лаборатории при ясном контроле всех условий и параметров. Кстати сказать, такие попытки неоднократно предпри- нимались и высказывались претензии на то, что шаровые молнии были рождены. Но, видимо, все такие утверждения не вы- держали проверки».
Сегодня можно утверждать, что свой- ства шаровой молнии достаточно хорошо изучены
благодаря созданию уникального по объёму и качеству банка её наблюде- ний. В журнале «Наука и жизнь» (№ 12, 1975 г., с. 945) к статье И. П. Стаханова и С. Л. Лопатникова «Объект наблюдения шаровая молния» была приложена анкета. Читателей журнала, видевших шаровую молнию, просили ответить на вопросы анкеты, разработанной сотруд- никами Института земного магнетизма и распространения радиоволн. Публикацию анкеты повторили в 1978 и 1979 годах. Ис- следователи получили более двух тысяч описаний. Набранная статистика позво- лила рассматривать данные наблюдений как научно обоснованные. Доктор физи- ко-математических наук А. И. Григорьев обобщил более 6000 случаев наблюдений, и дальнейшее увеличение объёма и каче- ства обработки наблюдательных данных не привело к существенным уточнениям свойств шаровой молнии.
Видимо, нет смысла перечислять все ран- ние эксперименты по созданию шаровых молний, поэтому обратимся к эксперимен- там, проведённым нами в Петербургском институте ядерной физики (г. Гатчина). В 2000 году сотрудники института А. И. Егоров и Г. Д. Шабанов собрали установку для создания шаровых молний, дав ей осто- рожное название − «установка для генера- ции светящихся образований». Установка работает следующим образом.
Конденсаторная батарея ёмкостью 0,6 мФ заряжается до 5,56,0 кВ. Разряд инициируется с графитового электрода диаметром 6 мм, выступающего над по- верхностью воды на высоту 23 мм, путём замыкания разрядника. Боковые поверх- ности электрода изолированы от воды кварцевой трубкой. Кольцевой электрод противоположной полярности (анод) на- ходится в воде на глубине 15 см. После подключения конденсаторной батареи к разрядному промежутку по поверхно- сти воды распространяется скользящий разряд и с электрода, расположенного над водой, поднимается струя. На 80-й миллисекунде разрядник размыкается (остаточное напряжение 3 кВ) и струя, оторвавшись от электрода, формируется в шаровую молнию. После окончания разряда ещё 60100 мс шаровая молния выглядит как желеобразное тело, иногда принимая форму идеального шара. В пер- вых экспериментах электрод диаметром 2,2 мм был изготовлен из стали и утоплен в миниатюрную кварцевую воронку. Когда стальной электрод заменили графитовым (диаметром 6 мм), появилась возможность получать до нескольких сотен одинаковых объектов без замены электрода.
Сразу же было отмечено интересное свойство получаемых шаровых молний изменять свой цвет в зависимости от на- ружного освещения и фона, на котором её наблюдали. Интересно, что в монографии Стаханова отмечалось, что, когда между смотрителями Архангельского собора в Кремле проскочила шаровая молния, смо- трители одинаково описали размер, форму и траекторию её движения, но разошлись во мнении относительно цвета. Один видел жёлтый шар, а другой считал его красным, как раскалённый уголь.
Разряд, получаемый на установке, об- ладает замечательным свойством: он чувствует слабое лазерное излучение и двигается к его источнику. В нашем экс- перименте источник находился на высоте 22 см от электрода, с которого иницииро- вался разряд.
На 9-м Международном симпозиуме по шаровым молниям была представлена работа, в которой предлагалась гипотеза формирования шаровой молнии лидером линейной молнии. Она образуется, когда лидер не доходит до земли и поэтому отсут- ствует возвратный удар (основная стадия молниевого процесса, сопровождаемая вспышкой света и громом). Эксперимен- тальное моделирование данного процесса подтверждает это предположение, а из- мерения с помощью зонда и дипольной антенны дали распределение заряда по объекту, его знак и величину.
Зонд вводили в шаровую молнию на высоте 2545 см над электродом. Выяс- нилось, что максимальная концентрация свободных отрицательных зарядов име- ет сферическое распределение. Внутри сферы есть светящийся объём, который также несёт заряд отрицательного знака и не касается сферы. Эксперименты других исследовательских групп показали, что в верхней части шаровой молнии, между сферой и внутренним светящимся объ- ёмом, имеется зазор 12 мм, в нижней 2030 мм. Такая геометрия возникает за счёт кулоновского отталкивания электри- ческих зарядов одного знака, находящихся в сферической оболочке и внутреннем объёме. Первоначальный импульс смещает внутреннее наполнение вверх и поднимает весь объект.
Данные, полученные с применением дипольной антенны, позволили не только подтвердить сферическое распределение зарядов, но и дать нижнюю оценку их величины.
Оценки температуры шаровой молнии, данные в работах различных групп иссле- дователей, обнаруживают сильный раз- брос от 2200 до 500 К и менее.
Оригинальную оценку температуры дал учащийся Республиканской специализиро- ванной физико-математической школы для одарённых детей из города Алматы (Казах- стан) А. Ширинян. Он оценил температуру «плазмоида» как близкую к комнатной и потрогал его рукой. Однако на некоторых режимах получается струя длиной до по- луметра, которая имеет потенциал более 3 кВ. Так что повторять этот опасный экс- перимент ни в коем случае нельзя.
Подводя итоги, можно с уверенностью утверждать, что впервые в мире создана экспериментальная установка, которая генерирует долгоживущие светящиеся образования с эффективностью близкой к 100%, что позволяет изучать их на система- тической основе. Полученные светящиеся образования обладают многими необыч- ными свойствами природной шаровой молнии:
не взаимодействуют с диэлектриками;
взаимодействуют с проводниками, расплавляют и распыляют их;
видятся разными по цвету в зависимости от наружной освещённости и фона;
проходят через отверстие, диаметр которого меньше диаметра светящегося образования, с последующим восстанов- лением шарообразной формы;
температура светящихся образований «неравновесная», она много ниже цвето- вой, доходящей до 2000oС, а на самом деле близка к комнатной;
обладают электрическими свойствами. Время жизни природной шаровой мол- нии в среднем около 10 с, а её аналог су- ществует до 1 с, что, казалось бы, мало. Но нужно учитывать, что в природе источник процесса, создающего шаровую молнию,
грозовое облако. Разность потенциалов между ним и землёй около 100 миллио- нов вольт. Экспериментальная установка использует всего 56 тысяч вольт, поэтому для этих параметров получен хороший результат.
Проведённая работа была бы невозмож- на без участия в ней специалистов раз- личных направлений. Это сотрудники Пе- тербургского института ядерной физики А. И. Егоров, С. И. Степанов, А. Г. Крившич, О. М. Жеребцов, Б. Ю. Соколовский
ЛИ Т Е Р А Т У Р А
Б а р р и Дж. Шаровая молния и чёточная мол- ния. М.: Мир,
1983.
Ги н з б у р г В . Л . // УФН, 1999, т. 169, № 4, с. 419.
Егоров А. И., Степанов С. И., Шабанов Г. Д. // УФН, 2004, № 1, с. 107.
С и н г е р С . Природа шаровой молнии. М.: Мир, 1973.
Ст а х а н о в И. П. Физическая природа шаро- вой молнии. М.: Атомиздат, 1979.
Шабанов Г. Д., Соколовский Б. Ю. Макро- скопическое разделение зарядов в импульсном электрическом разряде // Физика плазмы, 2005, т. 31, № 6, с. 560566.
Отредактировал bredonosec - 22 Ноября, 2009, 19:47 
Присоединённые изображения
Рекламный блок.
Загрузка. Пожалуйста, подождите...
Ваша реклама, здесь
[/url]
