Шаровая молния - явление в высшей степени таинственное. До сих пор научное сообщество не пришло к единому мнению по поводу его природы. Да что там, многие люди не верят в его существование!
Долгое время реальность явления подвергалась сомнению научным сообществом, но во второй половине прошлого века проводившаяся исследователями статистическая обработка показаний очевидцев выявила схожесть описываемых ими свойств шаровой молнии в разных регионах мира. Это привело к признанию феномена официальной наукой, отнёсшей ее к разряду аномальных явлений, не укладывающихся в принятые сегодня физикой представления и закономерности.
Удовлетворяющая критериям научности и целостности теория должна объяснять удивительную длительность этого феномена, природу «плавающих» передвижений, неожиданное исчезновение, которому предшествует то взрыв, то схлопывание, то медленное затухание, то разделение на несколько меньших светящихся сфер. Поразительно также свойство шаровых молний преодолевать физические препятствия и просачиваться сквозь маленькие отверстия безо всякого внешнего изменения своей структуры.
Теорий, которые должны пролить свет на эту загадку, высказано бесчисленное количество. Но ни одна из них не признана той самой, единственно верной, тысячу раз доказанной и проверенной. Рассмотрим историю исследований шаровой молнии и основные гипотезы, высказываемые исследователями в разные времена.
Начало начал
Когда дело доходит до тех стародавних времён, когда небо было голубее, трава - зеленее, а шаровая молния считалась божьей (или не очень) карой, возникает вполне понятная сложность в локализации того или иного явления на временной шкале. Так, по мнению некоторых историков, первое в мире письменное упоминание о шаровой молнии оставил ещё древнеримский учёный Тит Лукреций Кар во второй четверти I века до н. э.:
«Некие также тела извлекает из воздуха молнья,
Может быть, тут и они разжигают ей скорость толчками.
Не причиняя вреда, она много предметов пронзает,
Ибо текучим огнём без ущерба сквозь поры проходит,
Много и рушит она, коль столкнется своими телами
Прямо с телами вещей, где тела эти связь образуют,»
Из поэмы «О природе вещей», перевод Ф. А. Петровского (1936)
Однако принято считать, что первым описал такой случай франкский историк и богослов Григорий Турский в VI веке:
«на восьмом году правления короля Хильдеберта, накануне февральских календ, когда в городе Туре в воскресенье зазвонили к утрене и народ пробудился и шёл в церковь, небо стало облачным и из него вместе с дождём вырвался большой огненный шар и пролетел в воздухе большое расстояние. Он излучал такой свет, что всё было видно, как днём. Когда же он опять исчез в облаке, наступила ночь»
«История франков» Григория Турского, том шестой
Историк считал, что это знамение явно предвещало смерть сына короля Хильдеберта. Интересно, что, согласно этому свидетельству, огненный шар наблюдался рано утром, ещё до восхода солнца, тогда как, по более поздней статистике, шаровая молния чаще наблюдается во второй половине дня.
Совсем недавно, в 2022 году, в архивах Британской библиотеки и Кембриджа в двух списках «Хроник», оставленных бенедиктинским монахом Гервасием Кентерберийским (1145—1210), учёные Брайан Таннер и Джайлз Гаспер нашли весьма любопытную запись:
«На седьмой день июньских ид, около шестого часа, удивительное знамение спустилось с неба близ Лондона. В вышине появилось плотнейшее и темнейшее облако, хотя за его пределами солнце сияло ярко. В середине него появилось отверстие, как воронка, откуда в мельнице сыплется мука, и оттуда вытекло нечто белого цвета. Оно, приобретая шарообразную форму, висело под чёрным облаком между Темзой и обителью епископа Норуичского. Оттуда к реке упало нечто вроде огненного шара; вращаясь, он то появлялся, то исчезал под стенами епископского обиталища»
Гервасий Кентерберийский, приор монастыря в Кентербери, 1195 г
Описание Гервасия считается вторым письменным упоминанием феномена, старейшим в Англии и одним из самых ранних в мире.
Франсуа Араго (1838)
В далеком девятнадцатом веке астроному и физику Доминику Франсуа Араго удалось убедить многих учёных в существовании удивительного явления - шаровой молнии. Он первый основательно подошел к её изучению, классифицировав молнии (шаровым присвоил отдельный "третий класс") и собрав многочисленные свидетельства очевидцев в шестой главе своей книги "Гром и молния". Араго утверждал, что шаровая молния состоит из озона и оксидов азота и пропитана «молниевой материей». Араго можно считать, и небезосновательно, родоначальником химических гипотез шаровой молнии.
В пятой главе "Грома и молнии" Араго даёт такое описание молнии "третьего класса":
«В самом деле, молнии третьего класса разнятся от молний первых двух классов продолжительностью, быстротою и формою. <...> молнии третьего класса остаются видимыми в течение одной, двух, десяти и более секунд. Они переносятся от облаков к земле, с достаточною медленностью, чтобы глаз мог ясно следовать за их движением и оценить его скорость. Пространства, ими обнимаемые, отчётливо и определённо очёркнуты и мало разнятся от круговой формы. <...>
Сферическая форма, которую я сейчас приписал некоторым молниям, или, правильнее, светлым массам, во время грозы пролетающим по различным направлениям и с неравными скоростями пространство между облаками и землёю, слишком редко является наблюдателям, так что я должен обратиться к цитатам или ссылкам. Я тем охотнее увеличу число последних, что упомянутые огненные шары представляют ныне камень преткновения для добросовестных метеорологов-теоретиков <...>
Эти огненные шары кажутся скоплениями весомой материи, сильно пропитанной грозовым веществом<...>
Молния, проходя сквозь атмосферу, соединяет местами два составных её газа и образует азотную кислоту. Поэтому нельзя считать невозможным, что то же самое действие производит иногда роль мгновенного полусоединения всевозможных веществ, могущих существовать в известном объёме воздуха»
«Громъ и молнiя. Ученая записка», Франсуа Араго, 1838г
Никола Тесла (1900)
Тесла – пионер в области создания искусственных шаровых и линейных молний высоких энергий. В своей лаборатории в Колорадо-Спрингс он имел возможность синтезировать линейные разряды, достигающие десятков метров в длину. Время от времени побочным эффектом его опытов становились шаровые молнии.
Несмотря на то, что многие видные ученые занимались изучением этого загадочного феномена, никому, кроме Теслы, не удавалось воспроизводить и наблюдать устойчивые шаровые молнии. Впервые он описал их в 1899 г. в своих дневниках, назвав “огненными шарами” (fire balls). Есть даже красивая легенда, состряпанная из рассказов очевидцев: будто бы Тесла держал "шары" в руке, клал в коробку, закрывал её крышкой, а затем вынимал оттуда. Никола Тесла сто с лишним лет назад знал о явлении намного больше, чем учёные после него.
«Я до сих пор был склонен считать, что этот феномен является всего лишь зрительным впечатлением, подобным тому, которое испытываешь после сильного удара по глазам или в какое-либо место на голове или позвоночнике, или которое чаще всего возникает после внезапного и очень сильного светового воздействия.<...>Результаты нынешних наблюдений убеждают меня в том, что феномен шаровой молнии возникает от внезапного нагрева массы воздуха или другого газа, в зависимости от обстоятельств, до сильно раскалённого состояния в результате прохождения мощного разряда.<...>Когда внезапные и очень мощные разряды проходят через воздух, очень интенсивное расширение частиц последнего и следующее за ним быстрое охлаждение и уплотнение вызывают формирование отдельных вакуумов в точках наибольшего проявления нагрева.<...>допустим, что стример или искровой разряд такой мощности, проходя через воздух, случайно натолкнётся на вакуумную сферу, или пространство, образовавшееся описанным выше способом.<...>интенсивный ток, проходя через разреженный газ, мгновенно нагревает его до чрезвычайно высокой температуры, тем более высокой, если масса газа очень мала.<...>газ, заключённый в этом пространстве при высокой температуре, остаётся в максимально раскалённом состоянии сравнительно долго.<...>когда такой шар, перемещаясь, наталкивается на тело, например, частицу органического вещества, он вызовет его нагрев до высокой температуры, что приводит к внезапному высвобождению большого количества газа через испарение, или улетучивание, материи тела, результатом чего будет её рассеивание, или "взрыв"»
«Колорадо-Спрингс. Дневники. 1899-1900», Никола Тесла, 3 января 1900 г.,
Яков Френкель (1949)
При первоначальном ознакомлении с данными наблюдений известный советский физик Яков Ильич Френкель создал в 1940 г. теоретическую модель «пузыря, образованного химически активными веществами, которые возникают в атмосфере при прохождении грозового разряда» и оседают в виде капелек на пылинках, нагретых линейной молнией до свечения. Частицы пыли или дыма образуют своеобразный «защитный чехол» или «пузырь» шаровой молнии.
Гипотеза давала качественное объяснение её формы, яркого свечения, исчезновения и взрыва. Однако ни подвижность, ни электромагнитные свойства явления не находят объяснения в этой теории.
Позднее Френкель пересмотрел свою гипотезу:
«В настоящее время можно считать установленным тот факт, что шаровая молния представляет собой не своеобразную форму электрического разряда (как думали раньше), а газовый шар, возникший в результате обычного (искрового) электрического разряда, по всей вероятности на пути его. Известно, что при прохождении электрической искры через газы в последних происходят различные химические реакции, приводящие к образованию более или менее неустойчивых химически активных веществ в газообразном или конденсированном состоянии. В частности, в воздухе образуются при этом озон, или окислы азота, или, наконец, активный (одноатомный) азот, отличающийся длительным послесвечением. Естественно предположить, что шаровая молния представляет собой один из этих активных газов в чистом виде или в смеси с воздухом, и объяснить различные свойства её, исходя из этого представления. Такого рода попытки делались давно. Однако авторы их не могли объяснить обособленности газового шара, образующего шаровую молнию, от окружающего воздуха. В случае жидкости такое обособление объяснялось бы поверхностным натяжением между нею и окружающей жидкостью<...> Но шаровая молния является не жидким, а газовым шаром с плотностью, мало отличной от плотности обычного воздуха, что явствует хотя бы из того факта, что она может плавать в воздухе, подобно мыльному пузырю, или держаться в покоящемся состоянии на каком-либо (преимущественно металлическом) предмете. Ранее (в 1940 г.) я предпринял попытку применить к шаровой молнии модель мыльного пузыря, заменив мыльный раствор продуктами конденсации активных газов, возникающих в воздухе при электрическом разряде. Однако для возникновения тонкой плёнки этих продуктов в воздухе нет никаких оснований – ни теоретических, ни экспериментальных»
«Теория явлений атмосферного электричества», Я.И. Френкель, 1949
Таким образом, по Френкелю, шаровая молния является шарообразным вихрем смеси частиц пыли или дыма с химически активными (вследствие электрического разряда) газами, причём вихрь-шар способен на длительное независимое существование и в целом электрически нейтрален. Теория Френкеля накладывает некоторые ограничения на размеры шаровой молнии (от 5 до 20 см в диаметре) и время ее существования (от нескольких секунд до 2-2,5 минут), а источник энергии шаровой молнии, выходит, преимущественно внутренний, и энергия эта невелика (до 0,03 киловатт-часа).
Пётр Капица (1955)
Одна из самых известных теорий была выдвинута нашим соотечественником, нобелевским лауреатом, академиком Петром Леонидовичем Капицей. В 1955 году он опубликовал доклад "О природе шаровой молнии". В своей работе Капица объяснил и возникновение шаровой молнии, и многие её странные особенности возникновением коротковолновых электромагнитных колебаний в пространстве между грозовыми тучами и земной поверхностью. Шаровая молния, говорил Капица, - это газовый разряд, движущийся вдоль силовых линий стоячей электромагнитной волны между облаками и землей.
"Нам думается, что ранее высказанные гипотезы о природе шаровой молнии неприемлемы, так как они противоречат закону сохранения энергии. Это происходит потому, что свечение шаровой молнии обычно относят за счет энергии, выделяемой при каком-либо молекулярном или химическом превращении, и таким образом предполагают, что источник энергии, за счет которого светится шаровая молния, находится в ней самой. Это встречает следующее принципиальное затруднение.
Из основных представлений современной физики следует, что потенциальная энергия молекул газа в любом химическом или активном состоянии меньше той, которую нужно затратить на диссоциацию и ионизацию молекул. Это дает возможность количественно установить верхний предел энергии, которая может быть запасена в газовом шаре, заполненном воздухом и размерами с шаровую молнию.
С другой стороны, можно количественно оценить интенсивность излучения с ее поверхности. Такого рода прикидочные вычисления показывают, что верхний предел времени высвечивания получается много меньше действительно наблюдаемого у шаровых молний. Этот вывод теперь также подтверждается опытным путем из опубликованных данных о времени высвечивания облака после ядерного взрыва <...>
Таким образом, если в природе не существует источников энергии, еще нам не известных, то на основании закона сохранения энергии приходится принять, что во время свечения шаровой молнии непрерывно подводится энергия, и мы вынуждены искать этот источник энергии вне объема шаровой молнии. Поскольку шаровая молния обычно наблюдается «висящей» в воздухе, непосредственно не соприкасаясь с проводником, то наиболее естественный, и, по-видимому, единственный способ подвода энергии — это поглощение ею приходящих извне интенсивных радиоволн.
<...>Нашей гипотезой все эти явления объясняются тем, что проникновение в замкнутые помещения шаровых молний происходит благодаря тому, что они следуют по пути коротковолновых электромагнитных колебаний, распространяющихся либо через отверстия, либо по печным трубам или проводам как по волноводам. Обычно размер печной трубы как раз соответствует тому"
"О природе шаровой молнии", П.Л.Капица,1955
Итак, теория Петра Леонидовича смогла объяснить и взрыв при исчезновении, и проникновение в помещения, и частое возникновение около земли, и движение в горизонтальных плоскостях, и постоянство диаметра шаровой молнии. Но вот на что академику не удалось пролить свет, так это на природу тех самых коротковолновых колебаний:
"Хотя выдвинутая гипотеза успешно разрешает ряд основных трудностей понимания процесса шаровой молнии, все же следует указать, что этим еще вопрос до конца не решается, так как нужно еще показать существование в природе электромагнитных колебаний, питающих шаровую молнию..."
"О природе шаровой молнии", П.Л.Капица,1955
Что ж, на этой ноте автор прерывает своё повествование. Но не пугайтесь! Очень скоро будет закончена вторая часть истории об удивительных приключениях шаровой молнии, и вы узнаете много нового о микроволновых пузырях и кремнии... А как это связано с "огненными шарами", читайте в следующей статье.
Продолжение: Немного о шаровой молнии, или Как поставить учёных в тупик. Часть 2
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, 2019
- 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
©Панова А.А., 2025