"А что у неё внутри?" - спрашивает любопытный лирик. "Не знаю," - отвечает физик. - "И никто не знает". - "Ну, а всё-таки что предполагает наука?" - "Предположениями исписано немало бумаги, только шаровая молния, видимо, ничего не читает"
«Снова о шаровой молнии», журнал «Техника - молодёжи», Б. Парфёнов, 1968
Итак, продолжаем изучать биографию удивительнейшего феномена, гордо носящего сами знаете какое название. В прошлой статье мы познакомились с историей изучения этого явления, закончив рассказ на достижениях Петра Леонидовича Капицы, легендарного советского учёного, предложившего свою теорию происхождения этого чуда природы. Что ж, начнём вторую часть с предположения, высказанного через тринадцать лет опять же нашим соотечественником, сотрудником МГУ Борисом Парфёновым.
Борис Парфенов (1968г)
Инженер НИИ механики МГУ Борис Парфенов, изучавший проблемы магнитной гидродинамики и низкотемпературной плазмы, в журнале "Техника - молодёжи" №5 в 1968 году представил свою модель шаровой молнии:
«На наш взгляд, шаровая молния устроена проще, чем шариковая авторучка. У нее всего две "детали": тороидальная токовая оболочка и кольцевое магнитное поле. Их взаимодействие дает интересный эффект - из внутренней полости выкачивается воздух. Это явление хорошо известно, больше того, успешно используется (вспомним электромагнитные насосы для перекачки жидких металлов). Атмосферное давление стремится сжать оболочку, а электромагнитные силы препятствуют давлению. При определенных размерах система приходит в равновесие. <...> Если бы шаровая молния выделяла такое же огромное количество энергии, что и линейная, ее существование ограничивалось бы тысячными долями секунды»
«Снова о шаровой молнии», журнал «Техника - молодёжи», Б. Парфёнов, 1968
«… как она возникает? … В конце разряда линейной молнии, когда ток в канале падает до нуля, на некоторых участках центральной оси ток этот может сохраняться значительным. Одновременно на периферии канала может идти противоположный по направлению ток. В момент обрыва токи замыкаются между собой, а затем изолированный участок стягивается в шар, сохраняя весь запас магнитного поля. Когда перетяжек много, возникает несколько шаров. Если они еще и связаны общим осевым полем, получается четочная молния. Помогает ли наша модель объяснить поведение огненного шара в атмосфере? Думается, да. Если бы дело происходило в чистом воздухе, шар, наверное, оставался бы неподвижным или поднимался вверх по закону Архимеда. Но сгорание пылинок изменяет состав газа и симметрию оболочки. Появляется перепад давлений на внешней поверхности. Поскольку собственной массы у шаровой молнии практически нет, то и небольшие силы способны привести ее в быстрое движение. <...> Многие знают, что, удаляясь, шаровая молния устраивает маленький прощальный шум, включая в домах электрические звонки. Это магнитное поле, быстро распространяясь и пересекая провода, наводит в них электродвижущую силу, возникает ток, звонкам не остается ничего другого, как звонить. По той же причине выходят из строя радиоприемники и телевизоры. А кольца и браслеты, таинственно исчезающие прямо с руки? В магнитном поле они становятся как бы вторичной обмоткой трансформатора, замкнутой накоротко. В ней возникает такой чудовищный ток, что кольцо мгновенно испаряется. Его хозяйка не чувствует ни ожога, ни даже тепла, настолько быстро все происходит. Монеты испаряются из закрытого кошелька...»
«Снова о шаровой молнии», журнал «Техника - молодёжи», Б. Парфёнов, 1968
Игорь Павлович Стаханов (1970 - 1985)
Не в последнюю очередь благодаря смелости и независимости суждений советский физик Игорь Стаханов начал заниматься такой «несерьезной» темой, как шаровая молния. Осознавая важность статистического анализа описаний явления для научной постановки вопроса о его природе, учёный потратил много усилий и времени на сбор огромного (скорее всего, наиболее полного в мире) статистического материала, проведя широкое анкетирование очевидцев этого явления через журнал «Наука и жизнь». На основе этих свидетельств им была написана книга о шаровой молнии, в которой содержатся критический анализ многочисленных наблюдений, их статистическая обработка, а также разработанная автором кластерная модель шаровой молнии:
«Можно предположить, что она возникает там, где накапливаются и не могут нейтрализоваться значительные электрические заряды. Медленное растекание этих зарядов приводит к коронированию или появлению огней святого Эльма, быстрое — к возникновению шаровой молнии. Это может происходить, например, в тех местах, где внезапно прерывается канал линейной молнии и значительный заряд выбрасывается в сравнительно небольшую область воздуха мощным коронным разрядом. Однако, вероятно, аналогичные ситуации могут возникать и без разряда линейной молнии.»
«О физической природе шаровой молнии», Стаханов И. П., 1985
Впоследствии информация, добытая Стахановым, не раз использовалась учёными - и даже сейчас к ней нередко обращаются как российские светила, так и зарубежные умы.
Интересны результаты анализа. Учёному пришлось проделать огромную работу, прежде чем он получил более или менее вменяемую картину:
«Только немногие очевидцы, наблюдавшие шаровую молнию, видят также и момент ее зарождения. Из 1500 ответов на первую анкету определенный ответ на вопрос о том, как возникает шаровая молния, дали лишь 150 человек. Из них в 45 случаях она возникла вблизи канала линейной молнии, а в остальных 105 случаях — из различных металлических предметов (розеток, электроприборов, радиоприемников, телевизоров, телефонных аппаратов, батарей отопления и др.). В ответах на вторую анкету мы получили подробное описание почти всех этих событий.<...>
Подводя итоги, невольно испытываешь некоторое чувство разочарования. На первый взгляд кажется, что статистические опросы не дали ничего существенно нового по сравнению с тем, что человечество знало еще во времена Араго. Светящийся шар диаметром 10— 20 см, живущий около 10 с и движущийся по весьма причудливой траектории, — это, в сущности, было известно и более 100 лет назад. Нужно, однако, учесть несколько существенных обстоятельств. Во-первых, надежность сведений, полученных из отдельных наблюдений, невелика. Чтобы эти сведения действительно можно было рассматривать как научно обоснованные данные, необходимо набрать большую статистику. Во-вторых, дело заключается в некоторых важных деталях явления. Например, диапазон называемых диаметров существенно сократился в больших статистически значимых сериях наблюдений, в частности, за счет больших размеров. Авторы обзоров иногда утверждали, что размеры шаровых молний могут составлять метры и даже десятки метров. С другой стороны, разброс времени наблюдений остался столь же большим (от нескольких секунд до длительностей порядка минуты). При этом если диаметр около 1 м составляет редкое исключение, то длительность наблюдения 50—100 с встречается отнюдь не редко и статистический вес таких наблюдений не проявляет тенденции исчезнуть с увеличением размеров выборки. Не исключено, что подобные детали могут иметь существенное значение при выяснении природы шаровой молнии.
«О физической природе шаровой молнии», Стаханов И. П., 1985
Джон Лоуке (1996, 2012)
"Теория шаровой молнии как электрического разряда" авторства австралийского учёного Джона Лоуке увидела свет в 1996 году:
«Согласно представленной теории, шаровая молния — это изменяющийся со временем тлеющий разряд, похожий на коронный разряд. Тлеющие разряды при атмосферном давлении трудно поддерживать, потому что повышение температуры приводит <...> к повышению уровня ионизации. Повышение ионизации приводит к дальнейшему увеличению электронного тока и дальнейшему нагреву газа, что приводит к образованию электрической дуги. Во многих случаях шаровая молния исчезает с громким хлопком, что соответствует быстрому расширению газа, сопровождающему быстрое образование дуги. Затем разряд прекращается из-за быстрого рассеивания отрицательных зарядов по хорошо проводящему дуговому каналу и, как следствие, из-за исчезновения локального максимума в электрическом поле. Конвективное охлаждение, возникающее из-за движения шаровидной молнии, помогает поддерживать разряд в состоянии свечения. Однако, если на пути движения шаровидной молнии окажется твёрдое препятствие, конвективное охлаждение из-за потока газа в воздухе значительно уменьшится, и с большей вероятностью образуется дуга. Конечно, случаи, когда шаровая молния гаснет без взрыва, объясняются просто уменьшением движущего поля, которое происходит, когда отрицательные заряды под землёй рассеиваются в точке, где произошла начальная вспышка молнии»
«Теория шаровой молнии как электрического разряда», Джон Лоуке, 1996
В 2012 году в научной работе, опубликованной в журнале Journal of Geophysical Research Atmospheres, ученые объединенной организации научных и индустриальных исследований CSIRO и австралийского Национального университета выдвинули теорию, основанную на математических вычислениях, которая объясняет процессы, происходящие при формировании шаровых молний. Если верить этой теории, накопленные в воздухе ионы создают в воздухе электрические поля, которые действуют как препятствия для дальнейшего движения ионов. Наличие таких препятствий в некоторых случаях становится причиной скопления высокоионизированного газа в малой области пространства, своеобразного зародыша шаровой молнии.
«Мы приводим расчёты, которые показывают, что поток ионов, воздействующий на изолирующую стеклянную поверхность, создаёт поверхностные заряды и в результате значительное электрическое поле на противоположной стороне стеклянного окна, которого достаточно для поддержания электрического разряда.<...>
Когда напряжённость поля везде снижается ниже напряжённости электрического поля, используемой в расчётах, <...> все электроны присоединяются к положительным ионам, образуя отрицательные ионы. Затем разряд «гаснет», переставая излучать. Однако остаточное отрицательное электрическое поле по-прежнему заставляет оставшиеся положительные и отрицательные ионы двигаться и отделяться друг от друга, особенно на переднем и заднем краях приблизительной сферы зарядов. Затем в этих областях происходит усиление электрического поля, так что в некоторых областях оно снова превышает значение 3,75 кВ/см, при котором возможна ионизация <...>. Эти поля снова вызывают ионизацию, особенно по краям «шара», во втором импульсе. Движение электронов снова приводит к последующему снижению электрических полей ниже поддерживающего поля в 3,75 кВ/см, так что разряд снова гаснет. <...> Предполагается, что шаровая молния состоит из такого пульсирующего разряда, который очень похож на обычную корону, за исключением того, что сфера зарядов, из которых состоит шаровая молния, может свободно перемещаться от стеклянного окна, которое фактически является электродом, в отличие от шара коронного разряда, который остаётся рядом с металлической точкой катода.
<...>Пульсирующий электрический разряд в рамках настоящей модели аналогичен тому, который предсказывается в модели шаровой молнии Лоуке [1996], где было предположено, что движущие электрические поля возникают из-за рассеивающих токов в земле после удара молнии. Однако время затухания таких рассеивающих токов обычно составляет несколько миллисекунд, что намного меньше времени существования шаровой молнии, которое составляет порядка 10 секунд»
«Рождение шаровой молнии», Джон Лоуке, 2012
Такая теория объясняет, почему шаровые молнии чаще всего возникают во время гроз и неподалеку от мощных излучателей энергии. Грозовые разряды и излучатели радаров самолетов являются мощными источниками потоков ионов, которые скапливаются и возбуждают молекулы в воздухе, что приводит к формированию шаровой молнии, которая затем разрушается, взрываясь.
Джеймс Диннис и Джон Абрахамсон (2000)
«На данном этапе я уверен, что ответ кроется в химических реакциях с участием очень мелких частиц», — говорил Джон Абрахамсон, инженер-химик из Кентерберийского университета в Крайстчерче, Новая Зеландия.
Новозеландские учёные Джон Абрахамсон (John Abrahamson) и Джеймс Диннис (James Dinniss) представили одну из самых популярных на сегодняшний день теорий. Шаровая молния, сказали новозеландцы, образуется, когда удар молнии испаряет кремнезём в почве. Пары кремния конденсируются в мелкую пыль, которая под действием электрических зарядов собирается в парящий шар, который окисляется и светится:
«Когда обычная молния ударяет в почву, химическая энергия накапливается в наночастицах Si, SiO или SiC, которые выбрасываются в воздух в виде нитеобразной сетки. Поскольку частицы медленно окисляются на воздухе, накопленная энергия выделяется в виде тепла и света. Мы исследовали этот базовый процесс, подвергнув образцы почвы воздействию разряда, подобного разряду молнии, в результате которого образовались цепочечные агрегаты наночастиц: эти частицы окисляются со скоростью, соответствующей объяснению продолжительности жизни шаровой молнии»
«Шаровая молния, вызванная окислением наночастиц в результате обычных ударов молнии», Дж. Абрахамсон и Дж. Диннис, 2000
Так и возникает огненный шар температурой 1200 - 1400 °C. Если температура молнии превышает эти значения, она взрывается.
В пользу этой гипотезы говорит наблюдение, сделанное китайскими учёными в 2012 году на Тибетском плато. Шаровая молния попала в поле зрения двух спектрометров, с помощью которых учёные изучали спектры обычных молний. В итоге были зафиксированы 1,64 секунды свечения шаровой молнии и её подробные спектры. Анализ показал, что спектр шаровой молнии наполнен линиями железа, кремния и кальция, которые являются основными составляющими веществами почвы.
Но как бы ни хотелось нам в это поверить и с облегчением поставить на этом точку (особенно автору), истина важнее, а учёное сообщество, вот беда, пока не в состоянии подтвердить правильность этой теории.
Гипотеза микроволновых пузырей (2016)
Гипотеза микроволновых пузырей легла в основу работы Х.-К. Ву (H.-C. Wu, во многих русскоязычных источниках переведено как "У"), ученого из Чжэцзянского университета в Ханчжоу, Китай. Прежде ученые предполагали, что такие пузыри могут образовываться под воздействием микроволнового излучения грозовых облаков или атмосферных мазеров, однако Ву выдвинул свою гипотезу:
«Здесь мы представляем всеобъемлющую теорию этого явления: на конце молнии, достигающей земли, может образовываться пучок электронов, движущихся с околосветовой скоростью, который в свою очередь порождает интенсивное микроволновое излучение. Оно ионизирует окружающий воздух, а из-за сильного давления формируется сферический плазменный пузырь, который удерживают микроволны, оказавшиеся внутри него. Этот механизм подтверждается моделированием частиц. Также объясняются многие известные свойства шаровой молнии, такие как место возникновения, связь с молниевыми каналами, появление в самолётах, её форма, размер, звук, искра, спектр, движение, а также вызываемые ею травмы и повреждения»
«Relativistic-microwave theory of ball lightning», Wu, H.-C., 2016
Итак, дорогие друзья...
Мы рассмотрели, безусловно, не все теории, высказанные за тысячелетия, которых мы так мельком коснулись, желая постичь тайны мироздания. Но что поделать! Автор, вне всякого сомнения, утомил своих читателей и предпочитает откланяться раньше, чем в него начнут бросать тухлые помидоры. Да и, признаться, нелёгкий это труд - нести свет в массы. Так что от всей души ваш покорный слуга желает вам никогда не встретить предмет нашего сегодняшнего исследования на своём пути и скромно надеется, что вы ещё почтите его своим вниманием.
Начало: Немного о шаровой молнии, или Как поставить учёных в тупик. Часть 1
Литература:
- Wu, H.-C. Relativistic-microwave theory of ball lightning. Sci. Rep. 6, 28263; doi: 10.1038/srep28263 (2016).
- К истории развития беспроводных технологий - Наука за рубежом №44, сентябрь 2015
- Франсуа Араго - Громъ и молнiя. Ученая записка.
- John Abrahamson & James Dinniss - Ball lightning caused by oxidation of nanoparticle networks from normal lightning strikes on soil, 2000
- Владимир Викторович Яковлев - Особенности вращения - ЧАСТЬ 7. Модель шаровой молнии на основе новых представлений о гидродинамических явлениях
- John Lowke - Birth of ball lightning - 2012 - https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1029/2012JD017921
- John Lowke - A theory of ball lightning as an electric discharge - 1996 - https://www.researchgate.net/publication/230924932_A_theory_of_ball_lightning_as_an_electric_discharge
- Стаханов И. П. - О физической природе шаровой молнии.— 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Энергоатомиздат, 1985. 208 с
- Стаханова И.Г. - Шаровая молния остаётся загадкой - 2005
- "Первое сообщение о шаровой молнии" - Наука и жизнь, №05, 2022
- "Ball lightning scientists remain in the dark" - New Scientist, 2001
- Никола Тесла - "Колорадо-Спрингс. Дневники. 1899-1900"
- П.Л. Капица - О природе шаровой молнии, 1955
- Михаил Герштейн, Роман Соложеницын - Исторические иллюстрации, связанные с шаровой молнией. Обзор иллюстративного материала XVII – начала XX века, на котором изображено появление шаровой молнии, 2022
- Keul, A. G.: A brief history of ball lightning observations by scientists and trained professionals, Hist. Geo Space. Sci., 12, 43–56, https://doi.org/10.5194/hgss-12-43-2021, 2021.
- Я.И. Френкель - Теория явлений атмосферного электричества, 1949
- Б. Парфёнов - Снова о шаровой молнии - журнал "Техника - молодёжи"№5, 1968
©Панова А. А., 2025