Шаровая молния (ШМ) – то, чем пугают родители детей во время грозы, а авторы литературных произведений удерживают читателя. Автономная плазмонная структура, существующая в течение минут и проникающая через твердые диэлектрические материалы поражает воображение ученых. Но что же сами ученые пишут о шаровых молниях?
Особенностью ШМ является случайный характер возникновения, который сложно воспроизвести в контролируемых условиях. В результате информация об этом природном явлении получена в первую очередь от очевидцев, которые, как правило, не имеют ни навыков проведения исследований, ни оборудования, позволяющего объективно установить параметры природного явления. Таким образом, основной массив информации о ШМ основан на свидетельствах непрофессиональных очевидцев, которые находятся в эмоционально-возбужденном состоянии, а их показания могут искажаться из-за впечатлений от художественных произведений.
Как следствие на сегодня в научной среде нет единого мнения, какими внешними свойствами должен обладать объект, который называется шаровой молнией? При запросе «Ball lightning» в БД Google Scholar основные результаты представляют собой книги разной степени научности, к которым следует подходить с известной долей скептицизма. Вероятно, одной из наиболее серьезных работ, посвященных изучению ШМ, можно назвать [1]. Авторы [1] проводили съемку естественных молний, возникающих Qinghai Plateau (Китай). Объект, который обладает многими свойствами, приписываемыми шаровым молниям, был зарегистрирован случайно. Одновременное проведение спектральных исследований естественных молний позволило не только сфотографировать потенциальную ШМ, но и получить её спектральные характеристики, необходимые для установления природы этого явления.
Согласно наблюдениям в оптическом диапазоне была определена длительность существования ШМ, которая составила 1.62 с [1]. Данное значение, огромное для экспериментально получаемых плазмонов, существенно ниже типичных значений, которые приводятся очевидцами. Наблюдаемая в [1] ШМ однозначно ассоциируется с естественной молнией, после завершения которой спектры ШМ уверенно фиксируются на спектральных изображениях. Шаровая молния возникла на расстоянии около километра от места наблюдения, а её диаметр (определяемый по полуширине пространственного изменения яркости) менялся от 8 м непосредственно после возникновения, до 2 м перед прекращением наблюдения. При этом стоит отметить, что наблюдаемый диаметр существенно превышает размер, указываемый очевидцами. В то же время стоит отметить, что наблюдаемый диаметр не стоит отождествлять непосредственно с диаметром активной части объекта. Так, согласно [2], авторы которой исследовали воздействие электрических разрядов на кремний, показали возможность образования автономных светящихся объектов, которые существовали секунды, а их свойства напоминали свойства, приписываемые шаровым молниям. Такие объекты имели видимый размер в несколько сантиметров, но создавались миллиметровым активным ядром. На наличие в ШМ активного ядра и внешней оболочки, которая рассеивает свет, указывают и авторы [3]. Таким образом, можно предположить, что размер активного элемента структуры, зафиксированной в работе [1] не превышал 1 м.
В процессе эволюции менялся не только диаметр, но и цвет молнии, что фиксировалось как видеосъемкой, так спектрографически. Интегральная интенсивность свечения шаровой молнии в течение примерно 800 мс сохраняла постоянное значение, которое, однако, испытывало некоторые пульсации на уровне 20%, частота которых была близка к 100 Гц (удвоенная частота сетевого напряжения). Наблюдаемая пульсация была сопоставлена авторами с частотой переменного тока, источником которых были высоковольтные линии, проходящие вблизи места образования молнии. На начальных этапах эволюции температура наблюдаемого объекта была оценена в 15–30 тысяч K. Это примерно соответствует температуре лидера обычной молнии. С течением времени в спектре переставали наблюдаться спектральные линии двухкратно ионизированного азота, что свидетельствует о снижении температуры объекта.
Наиболее важными оказались спектральные наблюдения, выполненные в [1]. Так, в спектре молнии, кроме «воздушных» линий наблюдаются пики, порожденные атомами кремния, железа и кальция. Наличие линий от этих элементов указывает на почвенный характер наблюдаемого объекта и позволяет использовать теорию Abrahamson-Dinniss [4] для описания их возникновения. В рамках этой модели шаровой молнии предполагается, что разряд шаровой молнии в почву вызывает возникновение частиц кремния, их монооксида и карбида. Можно ожидать, что такие частицы являются нанорозмерными. Это обеспечивает их быстрое окисление, которое является экзотермической реакцией. Это может сопровождаться свечением и повышением температуры. Стоит отметить, что имеются попытки [10] объяснить объект, наблюдаемый авторами [1], электрическим разрядом со стороны рядом расположенной линии электропередач (который в свою очередь стимулирован молнией).
Результаты исследования шаровой молнии, проведенные на основе показаний очевидца, представлены в работе [5]. Основой работы стало сообщение одного из авторов работы, который наблюдал шаровую молнию за окном, что сопровождалось свечением стекла. Последующие исследования флюоресценции оконного стекла, показали, что она может вызываться УФ излучением. Исследование оконного стекла, за которым наблюдалась ШМ позволило заключить, что энергия шаровой молнии в УФ диапазоне составляла не менее 10 Вт. На присутствие в спектре ШМ высокоенергетичных фотонов указывают и авторы [6, 7]. Согласно [3, 6] они могут порождаться аннигиляцией электронно-позитронных пар, возникающих в ШМ. Присутствие в спектре ШМ высокоэнергетичных ионов можно объяснить в рамках теории ШМ предложенной [8]. В рамках этой модели шаровые молнии рассматриваются подобно объектам, возникающим в исследованиях термоядерного синтеза. Они представляют собой плазмонное облако (с высокой плотностью) и колеблющиеся электроны. В рамках этой модели ШМ имеет нехимический источник энергии и является источником ионизирующего излучения, которое представляет дополнительную опасность. На электромагнитную природу ШМ указывают и результаты работы [9], авторы которой использую видеосъемку ШМ очевидцами, показали, что движение ШМ ассоциируется с грозовым облаком. Краткий обзор теорий, рассматривающих ШМ как электромагнитную структуру, представлен в работе [10]. Ни одна из существующих на сегодня теорий не является доминирующей, а выбор направлений совершенствования теоретических моделей требует ответа на вопрос: является ли шаровая молния источником интенсивного ионизирующего излучения. К сожалению, результаты работ [6, 7], в которых говориться об экспериментально-наблюдаемой связи ШМ с ионизирующим излучением, являются косвенными и носят предположительный характер. Более того, несмотря на то, что многие из объектов, о которых сообщают очевидцы, все же имеют физическую природу, сам факт наблюдения классической шаровой молнии всё ещё оставляет некоторые сомнения.
Использованная литература
1. Cen, J., Yuan, P., & Xue, S. (2014). Observation of the optical and spectral characteristics of ball lightning. Physical review letters, 112(3), 035001. DOI: 10.1103/PhysRevLett.112.035001
2. Paiva, G. S., Pavao, A. C., De Vasconcelos, E. A., Mendes Jr, O., & da Silva Jr, E. F. (2007). Production of ball-lightning-like luminous balls by electrical discharges in silicon. Physical review letters, 98(4), 048501. DOI: 10.1103/PhysRevLett.98.048501
3. Nikitin, A. I., Nikitin, V. A., Velichko, A. M., & Nikitina, T. F. (2021). Features of the mechanism of ball lightning electromagnetic radiation. Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, 222, 105711. DOI: 10.1016/j.jastp.2021.105711
4. Abrahamson, J., & Dinniss, J. (2000). Ball lightning caused by oxidation of nanoparticle networks from normal lightning strikes on soil. Nature, 403(6769), 519-521. DOI: 10.1038/35000525
5. Stephan, K. D., Krajcik, R., & Martin, R. J. (2016). Fluorescence caused by ionizing radiation from ball lightning: Observation and quantitative analysis. Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, 148, 32-38. DOI: 10.1016/j.jastp.2016.08.005
6. Shmatov, M. L. (2019). Possible detection of high-energy photons from ball lightning. Physical Review E, 99(4), 043203. DOI: 10.1103/PhysRevE.99.043203
7. Shmatov, M. L. (2020). Possible detection of visible light and γ rays from a swarm of ball lightning. Physical Review E, 102(1), 013208. DOI: 10.1103/PhysRevE.102.013208
8. Shmatov, M. L. (2003). New model and estimation of the danger of ball lightning. Journal of plasma physics, 69(6), 507-527. DOI: 10.1017/S002237780300237X
9. Nikitin, A. I., Velichko, A. M., Nikitina, T. F., & Stepanov, I. G. (2018). Analysis of the unique case of ball lightning observation in Mitino, the northwest district of Moscow. Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, 179, 97-104. DOI: 10.1016/j.jastp.2018.07.001
10. Shmatov, M. L., & Stephan, K. D. (2019). Advances in ball lightning research. Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, 195, 105115. DOI: 10.1016/j.jastp.2019.105115