Шаровая молния — загадочный атмосферный объект, издавна привлекающий внимание как ученых, так и людей, далеких от науки. Это светящееся долгоживущее образование, чаще сферической формы, которое не прикрепляется к предметам, а свободно передвигается в воздухе. Возможность отделить шаровую молнию от других атмосферных явлений позволила в течение нескольких веков собирать о ней разнообразные сведения, так что сегодня мы довольно уверенно можем судить о ее наблюдаемых параметрах и даже количественно оценить ее основные характеристики. Чем же интересна шаровая молния для ученых? Естественно предположить, что ее природа определяется известными физическими законами. Тогда, детально изучив это явление, удастся установить, что некоторые процессы и структуры, из общих соображений кажущиеся маловероятными и даже экзотическими, на самом деле вполне реальны. Это в свою очередь выявит новые специфические закономерности в окружающем нас мире и обогатит исследующую его науку. Следующий вопрос, неизбежно возникающий при обращении к этой проблеме: почему путь к пониманию механизма шаровой молнии оказался столь долгим? Теперь, когда этот механизм стал проясняться, нетрудно ответить и на такой вопрос. Дело не только и не столько в том, что шаровая молния наблюдается крайне редко. Главная причина в том, что шаровая молния — весьма сложное и многогранное явление, представляющее собой результат не одного, а целого ряда процессов, каждый из которых имеет принципиальное значение для ее существования. Часть из них изучена лишь совсем недавно. Многочисленные попытки моделировать шаровую молнию по простым схемам и не могли увенчаться успехом — создать представление о явлении в целом. Цель предлагаемой статьи — дать схематическое представление о природе шаровой молнии и рассказать о современном состоянии исследований этого любопытного явления.
За последние 20 лет результаты наблюдений шаровой молнии удалось в значительной мере систематизировать. Сегодня мы располагаем по меньшей мере пятью независимыми наборами наблюдательных данных, каждый из которых позволяет количественно описать основные ее свойства. Поскольку достоверность событий, использованных для количественных оценок, зависит от принципа, положенного в основу отбора и обработки данных, каждый из наборов может привести к своим ошибкам. Поэтому так важно наличие независимых наборов данных. Один из них собран И. П. Стахановым, обработавшим свыше 1000 сообщений очевидцев. Правда, эти сообщения в основном заимствованы из писем в редакцию журнала «Наука и жизнь» и могут быть заметно искажены, ибо само наблюдение и его описание подчас разделял немалый промежуток времени. Более 1800 различных публикаций на эту тему проанализировал Дж. Барри. В них зафиксированы сравнительно свежие наблюдения, однако авторы статей анализируют события с точки зрения своих представлений, что в ряде случаев может отразиться на описании отдельных деталей. При сочетании же разных групп данных удается ослабить недостатки каждой из них и дать более объективную характеристику свойств шаровой молнии. Отдельного внимания требует анализ энергии шаровой молнии. Дело в том, что шаровая молния чаще всего исчезает без таких последствий, по которым можно определить ее энергию. Точность такой оценки для каждого события невысока, что ярко иллюстрирует приведенный разброс значений, полученных разными исследователями для одного и того же события. Наблюдательные данные составляют основу различных моделей шаровой молнии. При ее моделировании выполнены различные эксперименты полезные для анализа отдельных сторон этого сложного явления. Мы в дальнейшем сосредоточим свое внимание на основных его особенностях: способе нахождения энергии в шаровой молнии; характере выделения тепла в ней; ее форме и структуре; электрических явлениях в шаровой молнии и механизме ее излучения,— сравнивая накопленную научную информацию по каждой проблеме с результатами наблюдений.
Способо хранения энергии
Единственным способом хранения в ней энергии может быть только химический. Это становится понятным, если сопоставить время превращения ее внутренней энергии в тепло, вычисляемое по известным скоростям различных процессов для той или иной модели шаровой молнии, с наблюдаемым временем ее жизни. Продемонстрируем это на примере плазменных моделей, в которых считается, что энергия шаровой молнии запасена в заряженных частицах и высвобождается при их рекомбинации, когда каждая пара выделяет энергию порядка потенциала ионизации частиц. Проверке можно подвергнуть и другие варианты хранения энергии в шаровой молнии: электронные возбуждения атомов или молекул, колебательные возбуждения молекул, заряженные аэрозоли или пыль и т. д. Все эти гипотетические способы в данном случае оказываются несостоятельными — ведь характерное время столкновения возбужденных атомов или молекул в воздухе (яг 10—10 с) на много порядков меньше наблюдаемого времени жизни шаровой молнии.
Выделение тепла
Химические превращения в шаровой молнии, протекают в газово-гетерогенной фазе, иными словами, при взаимодействии молекул газа (озона) с поверхностью твердого тела. Поскольку молекулы озона движутся в воздухе весьма медленно, наиболее вероятно, что с самого начала процесса газ и твердое тело совмещены в пространстве. Для этого, например, твердое тело должно иметь пористую структуру, а газ — адсорбироваться на внутренней стороне пор. Плотность энергии в шаровой молнии довольно велика, так что при химических воздействиях тепло выделяется интенсивно. В результате этого температура активного вещества шаровой молнии может значительно возрасти. Вместе с тем в масштабе молекулярных времен этот процесс, как уже отмечалось, медленный. Требования интенсивности и медленности тепловыделения следуют из наблюдаемых параметров шаровой молнии. Но одновременно удовлетворить этим требованиям нелегко.
Стуктура
Форма шаровой молнии обычно сферическая и, как и ее размер, при наблюдениях не меняется. Однако выделяющееся в химических процессах тепло приводит к появлению потоков, трансформирующих область, занятую активным веществом в виде газа или пыли. Скажем, если начальный размер этой области в воздухе около 10 см, то, как следует из оценок, при условиях, характерных для шаровой молнии, она полностью размывается за доли секунды. Иными словами, активное вещество шаровой молнии не бывает ни в виде пыли, ни в виде газа. Правильное решение вопроса о структуре шаровой молнии нашли ленинградские физики, предположившие, что ее активное вещество имеет вид сгустка нитевидных аэрозолей. Такая структура не разрушается конвективными потоками воздуха. Поверхностное натяжение, обусловленное зарядом сгустка, не позволяет ему «схлопнуться» и придает форму, близкую к сферической. Хотя эта структура не противоречила результатам наблюдений шаровой молнии, вопрос о ее существовании до последнего времени оставался открытым. Но сегодня мы располагаем достаточной информацией, чтобы подтвердить реальность такой структуры. Да и сами авторы этой модели пришли к ней, изучая остывание паров металлов, где они наблюдали подобные структуры. Как показывает анализ такой релаксации, на промежуточном этапе которой образуются твердые частицы металла, в результате возникает не структура типа клубка нитей, а особая «ветвистая» структура — фрактальный кластер — рыхлая система связанных между собой твердых частиц. Фрактальные кластеры возникают, например, при ассоциации частиц дыма или других твердых аэрозолей в газе, гелеобразовании или коагуляции в коллоидных растворах, фильтрации высокодисперсных взвесей и т. д. Подобные структуры наблюдаются и при пробое диэлектриков, полимеризации, а также в некоторых гидродинамических и биофизических явлениях. Фрактальные кластеры интенсивно исследовались в последние годы. Фрактальный кластер — единственная структура, способная обеспечить одновременно легкость и жесткость каркаса шаровой молнии. Из такой структуры вытекает ряд следствий, одно из которых — возникновение подъемной силы из-за выделения тепла в шаровой молнии. Нагрев воздуха в окрестности шаровой молнии вызывает его конвективное движение вверх (подобно дыму над трубой), которое и создает подъемную силу. Для оценки подъемной силы, учитывая аналогию с движением дыма над трубой, можно использовать теорию, разработанную Я. Б. Зельдовичем для этой задач. Узнать значения параметров этой теории удалось с помощью модельных экспериментов, выполненных в АН. Для этого из вольфрамовой проволоки радиусом 4— 7 мкм формировались комки радиусом 0,8—2 см и массой 20—150 мг, подвешиваемые на тонкой кварцевой нити, по прогибу которой находилась сила, действующая на нее со стороны комка. Температура нагреваемого лазерным пучком комка определялась по его тепловому излучению. Одновременное измерение температуры комка и подъемной силы позволило выяснить зависимость этой силы от параметров задачи и, в частности, установить, что шаровая молния может «парить» в воздухе при разности температур воздуха внутри и вне ее всего около 100°С.
Электрические явления
Физиологическое воздействие шаровой молнии на человека сродни тому, что он испытывает при поражении электрическим током. Откуда же он берется? Фрактальный кластер, составляющий каркас шаровой молнии, формируется, как уже отмечалось, при ассоциации твердых аэрозолей или пылинок. В атмосфере эти частицы заряжаются отрицательно, ибо подвижность отрицательных ионов в воздухе выше, чем положительных (по той же причине отрицательно заряжаются капельки воды в облаке; падая вниз, они и создают его электрический потенциал). Поэтому и весь фрактальный кластер заряжен отрицательно. После его образования заряды собираются на концах его «ветвей», обеспечивая поверхностное натяжение и, тем самым, устойчивость кластера. Время «растекания» заряда по кластеру должно быть гораздо больше времени образования кластера, иначе сильное электрическое поле у периферии воспрепятствует дальнейшему объединению частиц. Чтобы получить количественные оценки процесса накопления заряда, рассмотрим конкретный пример. Пусть фрактальный кластер собирается из твердых частиц радиусом 1 мкм. Не останавливаясь более на подробностях протекания электрических процессов в шаровой молнии, приведем их характерные времена в предположении (довольно реалистичном для условий в шаровой молнии), что начальное значение плотности воздушной плазмы составляет 109 см—3 и на 1 г воздуха приходится 1 г аэрозоля. Можно представить себе следующую схему образования заряженного кластера — каркаса шаровой молнии. Частицы аэрозоля попадают в плазму, находящуюся во внешнем поле и поэтому имеющую избыточный заряд определенного знака. Ионы плазмы прилипают к этим частицам, на которых и фиксируется избыточный заряд. Далее частицы объединяются в кластер, причем, как показывают оценки, наличие у частиц заряда слабо влияет на процесс ассоциации. По мере формирования кластера избыточный заряд перетекает на его поверхность, обеспечивая его устойчивость за счет поверхностного натяжения. Образовавшийся кластер разряжается током ионов атмосферной плазмы. Разрядка сопровождается уменьшением поверхностного натяжения и, тем самым, ведет к исчезновению кластера. Отметим характерную особенность переноса заряда в воздухе. Если напряженность электрического поля ниже 3 МВ/м, то отрицательный заряд в воздухе связан в основном с отрицательными ионами. Электроны появляются в небольшой области у концов «ветвей» фрактального кластера. Электроны могут возбуждать молекулы воздуха и атомы примеси, вызывая, тем самым, свечение. Однако оценки показывают, что это свечение довольно слабое. Действительно, полная электрическая энергия кластера равна 0,01 Дж. Электронам же передается примерно 0,3 % этой энергии. Даже при эффективном преобразовании энергии электронов в энергию излучения интенсивность такого свечения будет не выше, чем у ночных насекомых, т. е. во много раз слабее наблюдаемого свечения шаровой молнии. (В книге И. П. Стаханова приводятся свидетельства 697 очевидцев, которые сравнивают интенсивность свечения шаровой молнии и электрической лампы. Если усреднить их показания, то получается, что шаровая молния светит как лампа мощностью 110+50 Вт. Это отвечает полному количеству света порядка 104 лм с, или же энергии излучения порядка 20 Дж в оптимальной для глаза области спектра.) Следовательно, без учета химической энер гии объяснить свечение шаровой молнии тоже не удается.
Издучение
Итак, из анализа результатов наблюдений следует, что свечение шаровой молнии эквивалентно свечению электрической лампы мощностью около 100 Вт. Это соответствует световому потоку 1400 лм. Зададимся вопросом, при какой температуре поверхности абсолютно черное тело радиусом со среднюю шаровую молнию (14 см) будет испускать такой же световой поток"? Полученное значение Т 1400 К может служить нижней оценкой температуры излучателя. Нижнее значение температуры шаровой молнии можно найти и сопоставляя световую отдачу (световой поток на единицу затраченной мощности) абсолютно черного тела и средней шаровой молнии. Абсолютно черное тело имеет световую отдачу, близкую к световой отдаче шаровой молнии — 10—0,2±0,65 лм/Вт, при температуре 1800±300 К. (Для сравнения укажем, что световая отдача электрической лампы накаливания гораздо больше — 14 лм/Вт.) Обе эти оценки дают минимальное значение температуры шаровой молнии, поэтому не будет преувеличением считать, что в действительности ее температура выше 2000 К. Рассмотрим теперь тепловое излучение шаровой молнии. Если размеры частиц, из которых состоит ее каркас, малы по сравнению с длиной волны, то излучение в инфракрасной области спектра вносит меньший вклад в полное излучение, чем в случае более крупных частиц. Однако это принципиально не меняет общей картины. Видимо, тепловым излучением можно объяснить один из вариантов свечения шаровой молнии, возникающей в парах металла при их остывании, когда сначала образуются жидкие капли, которые растут в паре, затвердевают и объединяются во фрактальный кластер. Чтобы вычислить время остывания такого кластера за счет излучения, его заменяют сгустком металлических нитей различного радиуса. Хотя остывает такой сгусток быстрее шаровой молнии, все же подобный механизм излучения имеет право на жизнь. Он может объяснить своеобразное свечение, напоминающее светящиеся шары и отмечаемое подчас при коротком замыкании или взрыве проволоки. Но этот механизм не годится для описания большинства наблюдаемых случаев свечения самой шаровой молнии. Важная особенность излучения в воздухе — эффективное тушение (снятие возбуждения) излучающих атомов и молекул активного вещества молекулами воздуха. Например, возбужденный атом натрия, придающий желтый цвет пламени, при атмосферном давлении и температуре 2000 К испускает фотон в воздухе с вероятностью всего около 2 %. Это означает, во-первых, что возбужденные атомы или молекулы находятся в термодинамическом равновесии с воздухом, т. е. их локальная плотность не зависит от способа возбуждения, а определяется лишь локальной температурой воздуха и полной плотностью атомов или молекул данного сорта. Во-вторых, оптическое излучение в рассматриваемой системе может создаваться только теми сортами атомов или молекул, возбужденное состояние которых характеризуется высокой вероятностью излучения при переходе в основное состояние. При этом испускаются фотоны с длиной волны, соответствующей данному цвету. Свечение шаровой молнии аналогично свечению пламени с присадками или пиротехнических материалов, содержащих горючее, окислитель и связывающий их наполнитель. Его теплотворная способность 6 кДж/г, максимальная температура горения 2500—3000 К, а световая отдача 8 лм/Вт, т. е. намного выше, чем в шаровой молнии. Свечение при горении этого состава вызвано излучением при переходах атомов натрия из одного состояния в другое и гораздо эффективнее, чем у шаровой молнии. Так, всего 0,3 г такой смеси достаточно, чтобы получить то же свечение, и 3 г, чтобы получить ту же энергию, что и у средней шаровой молнии. Световая отдача этого состава окажется такой же, как в шаровой молнии, если содержание натрия в нем уменьшить примерно в 100 раз. Таким образом, свечение шаровой молнии создается горячими областями с температурой не ниже 2000 К, возникающими при химической реакции с участием активного вещества, которое либо входит в состав каркаса шаровой молнии, либо заполняет его поры. Химическая реакция, распространяясь вдоль отдельных нитей активного вещества, ведет к образованию этих нагретых и светящихся областей, размер которых можно оценить, исходя из световой отдачи средней шаровой молнии. При толщине нитей в несколько микрометров размер такой области составит доли миллиметра. В пиротехнических материалах химическая реакция распространяется со скоростью порядка 1 м/с. Поэтому для обеспечения светового потока шаровой молнии необходимо, чтобы реакция происходила одновременно во многих областях. Большое число таких светящихся точек воспринимается наблюдателем как светящийся шар.
Редкостное явление
Почему же все-таки шаровая молния встречается столь редко? Теперь нетрудно ответить и на этот вопрос, если учесть, что для ее образования нужно сочетание целого ряда факторов. Прежде всего, в результате удара молнии, электрического пробоя или других электрических явлений на границе плазмы и твердого тела должно произойти частичное испарение последнего. Ионы плазмы, оседая на поверхности частиц испаренного материала, передают им часть ее заряда. Но для этого требуется, чтобы заряды в плазме были хотя бы частично пространственно разделены. Далее происходит сравнительно спокойная и долгая ассоциация заряженных твердых частиц в кластер. Эта пористая система поглощает из окружающего воздуха активное вещество шаровой молнии, которое объединяет в себе и окислитель, и топливо. Даже не зная конкретных химических компонентов активного вещества шаровой молнии, из одного перечисления процессов, необходимых для возникновения шаровой молнии, можно сделать вывод о редкости этого явления. Однако в природе и технике существуют своеобразные аналоги шаровой молнии, сходные с ней по тем или иным свойствам. В роли такого аналога по способу превращения химической энергии в оптическое излучение определенного цвета выступают, как уже отмечалось, пиротехнические осветительные составы, а по структуре — так называемые аэрогели. Эти пористые вещества с чрезвычайно низкой (менее 10—2 г/см3) плотностью и высокой термической стойкостью (они разлагаются при температурах свыше 1300 К) по существу состоят из кластеров, которые в свою очередь образованы из частиц размером в несколько нанометров. Одна из основных проблем дальнейшего изучения шаровой молнии состоит в определении химического состава ее компонентов. Главная же трудность здесь в том, что химический процесс в шаровой молнии должен быть многостадийным и характеризоваться обратными связями, между тем как современная химическая физика почти не располагает примерами такого рода. Скажем, упоминавшийся озон, совмещающий свойства окислителя и топлива, а также обладающий рядом других достоинств, не может быть единственным компонентом активного вещества шаровой молнии, ибо разлагается по простой схеме. Правда, он может входить в состав активного вещества или играть роль своеобразного «детонатора». В заключение подчеркнем, что сегодня мы располагаем ответами на все принципиальные вопросы, связанные с природой шаровой молнии. Существующие представления опираются на анализ наблюдательных данных, их сопоставление с накопленной физической информацией и на моделирование отдельных сторон этого явления. Мы знаем, что шаровая молния имеет жесткий и легкий каркас с кластерной структурой, состоящий из твердых частиц малых размеров, а ее энергия — химического происхождения. Активное вещество шаровой молнии, содержащее горючее и окислитель, либо входит в состав каркаса, либо размещается в его порах. Из-за химической реакции в активном веществе, представляющей собой интенсивный и медленный процесс, возникают горячие зоны с температурой 2000—3000 К, создающие свечение шаровой молнии. В установившемся режиме таких зон очень много, и химическая реакция распространяется одновременно по большому числу каналов, заполненных активным веществом. Выделяющееся в шаровой молнии тепло вызывает конвективные воздушные потоки через нее, что приводит к появлению подъемной силы и обеспечивает теплообмен. Итак, сегодня мы находимся на промежуточном этапе изучения шаровой молнии, когда уже ясны ее основные особенности и механизм, но еще неизвестны химические формулы ее составляющих и точные характеристики тех условий, в которых она возникает. Конечно, все эти вопросы еще требуют детального анализа для конкретных систем в конкретных обстоятельствах, но фундамент для их решения и создания лабораторной модели шаровой молнии, думается, уже достаточно надежен. Лабораторные исследования, направляемые пониманием природы явления, должны открыть перед нами не только его схемы, реализуемые в природе, но и пути его возможного применения.
Что мы знаем и что хотим узнать
За последние 20 лет результаты наблюдений шаровой молнии удалось в значительной мере систематизировать. Сегодня мы располагаем по меньшей мере пятью независимыми наборами наблюдательных данных, каждый из которых позволяет количественно описать основные ее свойства. Поскольку достоверность событий, использованных для количественных оценок, зависит от принципа, положенного в основу отбора и обработки данных, каждый из наборов может привести к своим ошибкам. Поэтому так важно наличие независимых наборов данных. Один из них собран И. П. Стахановым, обработавшим свыше 1000 сообщений очевидцев. Правда, эти сообщения в основном заимствованы из писем в редакцию журнала «Наука и жизнь» и могут быть заметно искажены, ибо само наблюдение и его описание подчас разделял немалый промежуток времени. Более 1800 различных публикаций на эту тему проанализировал Дж. Барри. В них зафиксированы сравнительно свежие наблюдения, однако авторы статей анализируют события с точки зрения своих представлений, что в ряде случаев может отразиться на описании отдельных деталей. При сочетании же разных групп данных удается ослабить недостатки каждой из них и дать более объективную характеристику свойств шаровой молнии. Отдельного внимания требует анализ энергии шаровой молнии. Дело в том, что шаровая молния чаще всего исчезает без таких последствий, по которым можно определить ее энергию. Точность такой оценки для каждого события невысока, что ярко иллюстрирует приведенный разброс значений, полученных разными исследователями для одного и того же события. Наблюдательные данные составляют основу различных моделей шаровой молнии. При ее моделировании выполнены различные эксперименты полезные для анализа отдельных сторон этого сложного явления. Мы в дальнейшем сосредоточим свое внимание на основных его особенностях: способе нахождения энергии в шаровой молнии; характере выделения тепла в ней; ее форме и структуре; электрических явлениях в шаровой молнии и механизме ее излучения,— сравнивая накопленную научную информацию по каждой проблеме с результатами наблюдений.
Способо хранения энергии
Единственным способом хранения в ней энергии может быть только химический. Это становится понятным, если сопоставить время превращения ее внутренней энергии в тепло, вычисляемое по известным скоростям различных процессов для той или иной модели шаровой молнии, с наблюдаемым временем ее жизни. Продемонстрируем это на примере плазменных моделей, в которых считается, что энергия шаровой молнии запасена в заряженных частицах и высвобождается при их рекомбинации, когда каждая пара выделяет энергию порядка потенциала ионизации частиц. Проверке можно подвергнуть и другие варианты хранения энергии в шаровой молнии: электронные возбуждения атомов или молекул, колебательные возбуждения молекул, заряженные аэрозоли или пыль и т. д. Все эти гипотетические способы в данном случае оказываются несостоятельными — ведь характерное время столкновения возбужденных атомов или молекул в воздухе (яг 10—10 с) на много порядков меньше наблюдаемого времени жизни шаровой молнии.
Выделение тепла
Химические превращения в шаровой молнии, протекают в газово-гетерогенной фазе, иными словами, при взаимодействии молекул газа (озона) с поверхностью твердого тела. Поскольку молекулы озона движутся в воздухе весьма медленно, наиболее вероятно, что с самого начала процесса газ и твердое тело совмещены в пространстве. Для этого, например, твердое тело должно иметь пористую структуру, а газ — адсорбироваться на внутренней стороне пор. Плотность энергии в шаровой молнии довольно велика, так что при химических воздействиях тепло выделяется интенсивно. В результате этого температура активного вещества шаровой молнии может значительно возрасти. Вместе с тем в масштабе молекулярных времен этот процесс, как уже отмечалось, медленный. Требования интенсивности и медленности тепловыделения следуют из наблюдаемых параметров шаровой молнии. Но одновременно удовлетворить этим требованиям нелегко.
Стуктура
Форма шаровой молнии обычно сферическая и, как и ее размер, при наблюдениях не меняется. Однако выделяющееся в химических процессах тепло приводит к появлению потоков, трансформирующих область, занятую активным веществом в виде газа или пыли. Скажем, если начальный размер этой области в воздухе около 10 см, то, как следует из оценок, при условиях, характерных для шаровой молнии, она полностью размывается за доли секунды. Иными словами, активное вещество шаровой молнии не бывает ни в виде пыли, ни в виде газа. Правильное решение вопроса о структуре шаровой молнии нашли ленинградские физики, предположившие, что ее активное вещество имеет вид сгустка нитевидных аэрозолей. Такая структура не разрушается конвективными потоками воздуха. Поверхностное натяжение, обусловленное зарядом сгустка, не позволяет ему «схлопнуться» и придает форму, близкую к сферической. Хотя эта структура не противоречила результатам наблюдений шаровой молнии, вопрос о ее существовании до последнего времени оставался открытым. Но сегодня мы располагаем достаточной информацией, чтобы подтвердить реальность такой структуры. Да и сами авторы этой модели пришли к ней, изучая остывание паров металлов, где они наблюдали подобные структуры. Как показывает анализ такой релаксации, на промежуточном этапе которой образуются твердые частицы металла, в результате возникает не структура типа клубка нитей, а особая «ветвистая» структура — фрактальный кластер — рыхлая система связанных между собой твердых частиц. Фрактальные кластеры возникают, например, при ассоциации частиц дыма или других твердых аэрозолей в газе, гелеобразовании или коагуляции в коллоидных растворах, фильтрации высокодисперсных взвесей и т. д. Подобные структуры наблюдаются и при пробое диэлектриков, полимеризации, а также в некоторых гидродинамических и биофизических явлениях. Фрактальные кластеры интенсивно исследовались в последние годы. Фрактальный кластер — единственная структура, способная обеспечить одновременно легкость и жесткость каркаса шаровой молнии. Из такой структуры вытекает ряд следствий, одно из которых — возникновение подъемной силы из-за выделения тепла в шаровой молнии. Нагрев воздуха в окрестности шаровой молнии вызывает его конвективное движение вверх (подобно дыму над трубой), которое и создает подъемную силу. Для оценки подъемной силы, учитывая аналогию с движением дыма над трубой, можно использовать теорию, разработанную Я. Б. Зельдовичем для этой задач. Узнать значения параметров этой теории удалось с помощью модельных экспериментов, выполненных в АН. Для этого из вольфрамовой проволоки радиусом 4— 7 мкм формировались комки радиусом 0,8—2 см и массой 20—150 мг, подвешиваемые на тонкой кварцевой нити, по прогибу которой находилась сила, действующая на нее со стороны комка. Температура нагреваемого лазерным пучком комка определялась по его тепловому излучению. Одновременное измерение температуры комка и подъемной силы позволило выяснить зависимость этой силы от параметров задачи и, в частности, установить, что шаровая молния может «парить» в воздухе при разности температур воздуха внутри и вне ее всего около 100°С.
Электрические явления
Физиологическое воздействие шаровой молнии на человека сродни тому, что он испытывает при поражении электрическим током. Откуда же он берется? Фрактальный кластер, составляющий каркас шаровой молнии, формируется, как уже отмечалось, при ассоциации твердых аэрозолей или пылинок. В атмосфере эти частицы заряжаются отрицательно, ибо подвижность отрицательных ионов в воздухе выше, чем положительных (по той же причине отрицательно заряжаются капельки воды в облаке; падая вниз, они и создают его электрический потенциал). Поэтому и весь фрактальный кластер заряжен отрицательно. После его образования заряды собираются на концах его «ветвей», обеспечивая поверхностное натяжение и, тем самым, устойчивость кластера. Время «растекания» заряда по кластеру должно быть гораздо больше времени образования кластера, иначе сильное электрическое поле у периферии воспрепятствует дальнейшему объединению частиц. Чтобы получить количественные оценки процесса накопления заряда, рассмотрим конкретный пример. Пусть фрактальный кластер собирается из твердых частиц радиусом 1 мкм. Не останавливаясь более на подробностях протекания электрических процессов в шаровой молнии, приведем их характерные времена в предположении (довольно реалистичном для условий в шаровой молнии), что начальное значение плотности воздушной плазмы составляет 109 см—3 и на 1 г воздуха приходится 1 г аэрозоля. Можно представить себе следующую схему образования заряженного кластера — каркаса шаровой молнии. Частицы аэрозоля попадают в плазму, находящуюся во внешнем поле и поэтому имеющую избыточный заряд определенного знака. Ионы плазмы прилипают к этим частицам, на которых и фиксируется избыточный заряд. Далее частицы объединяются в кластер, причем, как показывают оценки, наличие у частиц заряда слабо влияет на процесс ассоциации. По мере формирования кластера избыточный заряд перетекает на его поверхность, обеспечивая его устойчивость за счет поверхностного натяжения. Образовавшийся кластер разряжается током ионов атмосферной плазмы. Разрядка сопровождается уменьшением поверхностного натяжения и, тем самым, ведет к исчезновению кластера. Отметим характерную особенность переноса заряда в воздухе. Если напряженность электрического поля ниже 3 МВ/м, то отрицательный заряд в воздухе связан в основном с отрицательными ионами. Электроны появляются в небольшой области у концов «ветвей» фрактального кластера. Электроны могут возбуждать молекулы воздуха и атомы примеси, вызывая, тем самым, свечение. Однако оценки показывают, что это свечение довольно слабое. Действительно, полная электрическая энергия кластера равна 0,01 Дж. Электронам же передается примерно 0,3 % этой энергии. Даже при эффективном преобразовании энергии электронов в энергию излучения интенсивность такого свечения будет не выше, чем у ночных насекомых, т. е. во много раз слабее наблюдаемого свечения шаровой молнии. (В книге И. П. Стаханова приводятся свидетельства 697 очевидцев, которые сравнивают интенсивность свечения шаровой молнии и электрической лампы. Если усреднить их показания, то получается, что шаровая молния светит как лампа мощностью 110+50 Вт. Это отвечает полному количеству света порядка 104 лм с, или же энергии излучения порядка 20 Дж в оптимальной для глаза области спектра.) Следовательно, без учета химической энер гии объяснить свечение шаровой молнии тоже не удается.
Издучение
Итак, из анализа результатов наблюдений следует, что свечение шаровой молнии эквивалентно свечению электрической лампы мощностью около 100 Вт. Это соответствует световому потоку 1400 лм. Зададимся вопросом, при какой температуре поверхности абсолютно черное тело радиусом со среднюю шаровую молнию (14 см) будет испускать такой же световой поток"? Полученное значение Т 1400 К может служить нижней оценкой температуры излучателя. Нижнее значение температуры шаровой молнии можно найти и сопоставляя световую отдачу (световой поток на единицу затраченной мощности) абсолютно черного тела и средней шаровой молнии. Абсолютно черное тело имеет световую отдачу, близкую к световой отдаче шаровой молнии — 10—0,2±0,65 лм/Вт, при температуре 1800±300 К. (Для сравнения укажем, что световая отдача электрической лампы накаливания гораздо больше — 14 лм/Вт.) Обе эти оценки дают минимальное значение температуры шаровой молнии, поэтому не будет преувеличением считать, что в действительности ее температура выше 2000 К. Рассмотрим теперь тепловое излучение шаровой молнии. Если размеры частиц, из которых состоит ее каркас, малы по сравнению с длиной волны, то излучение в инфракрасной области спектра вносит меньший вклад в полное излучение, чем в случае более крупных частиц. Однако это принципиально не меняет общей картины. Видимо, тепловым излучением можно объяснить один из вариантов свечения шаровой молнии, возникающей в парах металла при их остывании, когда сначала образуются жидкие капли, которые растут в паре, затвердевают и объединяются во фрактальный кластер. Чтобы вычислить время остывания такого кластера за счет излучения, его заменяют сгустком металлических нитей различного радиуса. Хотя остывает такой сгусток быстрее шаровой молнии, все же подобный механизм излучения имеет право на жизнь. Он может объяснить своеобразное свечение, напоминающее светящиеся шары и отмечаемое подчас при коротком замыкании или взрыве проволоки. Но этот механизм не годится для описания большинства наблюдаемых случаев свечения самой шаровой молнии. Важная особенность излучения в воздухе — эффективное тушение (снятие возбуждения) излучающих атомов и молекул активного вещества молекулами воздуха. Например, возбужденный атом натрия, придающий желтый цвет пламени, при атмосферном давлении и температуре 2000 К испускает фотон в воздухе с вероятностью всего около 2 %. Это означает, во-первых, что возбужденные атомы или молекулы находятся в термодинамическом равновесии с воздухом, т. е. их локальная плотность не зависит от способа возбуждения, а определяется лишь локальной температурой воздуха и полной плотностью атомов или молекул данного сорта. Во-вторых, оптическое излучение в рассматриваемой системе может создаваться только теми сортами атомов или молекул, возбужденное состояние которых характеризуется высокой вероятностью излучения при переходе в основное состояние. При этом испускаются фотоны с длиной волны, соответствующей данному цвету. Свечение шаровой молнии аналогично свечению пламени с присадками или пиротехнических материалов, содержащих горючее, окислитель и связывающий их наполнитель. Его теплотворная способность 6 кДж/г, максимальная температура горения 2500—3000 К, а световая отдача 8 лм/Вт, т. е. намного выше, чем в шаровой молнии. Свечение при горении этого состава вызвано излучением при переходах атомов натрия из одного состояния в другое и гораздо эффективнее, чем у шаровой молнии. Так, всего 0,3 г такой смеси достаточно, чтобы получить то же свечение, и 3 г, чтобы получить ту же энергию, что и у средней шаровой молнии. Световая отдача этого состава окажется такой же, как в шаровой молнии, если содержание натрия в нем уменьшить примерно в 100 раз. Таким образом, свечение шаровой молнии создается горячими областями с температурой не ниже 2000 К, возникающими при химической реакции с участием активного вещества, которое либо входит в состав каркаса шаровой молнии, либо заполняет его поры. Химическая реакция, распространяясь вдоль отдельных нитей активного вещества, ведет к образованию этих нагретых и светящихся областей, размер которых можно оценить, исходя из световой отдачи средней шаровой молнии. При толщине нитей в несколько микрометров размер такой области составит доли миллиметра. В пиротехнических материалах химическая реакция распространяется со скоростью порядка 1 м/с. Поэтому для обеспечения светового потока шаровой молнии необходимо, чтобы реакция происходила одновременно во многих областях. Большое число таких светящихся точек воспринимается наблюдателем как светящийся шар.
Редкостное явление
Почему же все-таки шаровая молния встречается столь редко? Теперь нетрудно ответить и на этот вопрос, если учесть, что для ее образования нужно сочетание целого ряда факторов. Прежде всего, в результате удара молнии, электрического пробоя или других электрических явлений на границе плазмы и твердого тела должно произойти частичное испарение последнего. Ионы плазмы, оседая на поверхности частиц испаренного материала, передают им часть ее заряда. Но для этого требуется, чтобы заряды в плазме были хотя бы частично пространственно разделены. Далее происходит сравнительно спокойная и долгая ассоциация заряженных твердых частиц в кластер. Эта пористая система поглощает из окружающего воздуха активное вещество шаровой молнии, которое объединяет в себе и окислитель, и топливо. Даже не зная конкретных химических компонентов активного вещества шаровой молнии, из одного перечисления процессов, необходимых для возникновения шаровой молнии, можно сделать вывод о редкости этого явления. Однако в природе и технике существуют своеобразные аналоги шаровой молнии, сходные с ней по тем или иным свойствам. В роли такого аналога по способу превращения химической энергии в оптическое излучение определенного цвета выступают, как уже отмечалось, пиротехнические осветительные составы, а по структуре — так называемые аэрогели. Эти пористые вещества с чрезвычайно низкой (менее 10—2 г/см3) плотностью и высокой термической стойкостью (они разлагаются при температурах свыше 1300 К) по существу состоят из кластеров, которые в свою очередь образованы из частиц размером в несколько нанометров. Одна из основных проблем дальнейшего изучения шаровой молнии состоит в определении химического состава ее компонентов. Главная же трудность здесь в том, что химический процесс в шаровой молнии должен быть многостадийным и характеризоваться обратными связями, между тем как современная химическая физика почти не располагает примерами такого рода. Скажем, упоминавшийся озон, совмещающий свойства окислителя и топлива, а также обладающий рядом других достоинств, не может быть единственным компонентом активного вещества шаровой молнии, ибо разлагается по простой схеме. Правда, он может входить в состав активного вещества или играть роль своеобразного «детонатора». В заключение подчеркнем, что сегодня мы располагаем ответами на все принципиальные вопросы, связанные с природой шаровой молнии. Существующие представления опираются на анализ наблюдательных данных, их сопоставление с накопленной физической информацией и на моделирование отдельных сторон этого явления. Мы знаем, что шаровая молния имеет жесткий и легкий каркас с кластерной структурой, состоящий из твердых частиц малых размеров, а ее энергия — химического происхождения. Активное вещество шаровой молнии, содержащее горючее и окислитель, либо входит в состав каркаса, либо размещается в его порах. Из-за химической реакции в активном веществе, представляющей собой интенсивный и медленный процесс, возникают горячие зоны с температурой 2000—3000 К, создающие свечение шаровой молнии. В установившемся режиме таких зон очень много, и химическая реакция распространяется одновременно по большому числу каналов, заполненных активным веществом. Выделяющееся в шаровой молнии тепло вызывает конвективные воздушные потоки через нее, что приводит к появлению подъемной силы и обеспечивает теплообмен. Итак, сегодня мы находимся на промежуточном этапе изучения шаровой молнии, когда уже ясны ее основные особенности и механизм, но еще неизвестны химические формулы ее составляющих и точные характеристики тех условий, в которых она возникает. Конечно, все эти вопросы еще требуют детального анализа для конкретных систем в конкретных обстоятельствах, но фундамент для их решения и создания лабораторной модели шаровой молнии, думается, уже достаточно надежен. Лабораторные исследования, направляемые пониманием природы явления, должны открыть перед нами не только его схемы, реализуемые в природе, но и пути его возможного применения.
