Шаровая молния — явление уникальное. Оно достаточно редкое для того, чтобы его видел далеко не каждый человек, но при этом теоретически доступное для наблюдения всем жителям планеты. У него не то чтобы нет объяснений — скорее, проблема в том, что за века, прошедшие с самых первых сохранившихся свидетельств очевидцев, учёные выдвинули слишком много различных гипотез, способных объяснить этот феномен. При этом это явление сложно воспроизвести в лаборатории, ещё сложнее привлечь к наблюдениям очевидцев, а когда шаровая молния появляется вблизи обычных людей, у них с собой не оказывается научных приборов — за одним исключением, о котором ниже.
Хотя почти у каждого человека в последние лет 20 с собой всегда есть телефон с видеокамерой, качественных видео с демонстрацией шаровой молнии почему-то не появилось — те, что можно найти, отличаются плохим качеством.
И это при том, что согласно статистическим исследованиям, проведённым Дж. Р. Макнелли в 1960 году (J. R. McNally, «Preliminary Report on Ball Lightning» in Proceedings of the Second Annual Meeting of the Division of Plasma Physics of the American Physical Society, Gatlinburg, No. 2AD5 [1960], Paper J-15, pp. 1AD25), шаровую молнию видели 5 процентов населения Земли. Этот процент примерно равен доле населения, которая видела обычный удар молнии с близкого расстояния — то есть достаточно близко, чтобы увидеть непосредственную точку удара молнии.
Кроме того, шаровую молнию видели и описывали с древности, часто группами людей, и она зафиксирована во многих местах. Например, не так давно исследователи из Даремского университета обнаружили, похоже, самый ранний известный рассказ о шаровой молнии в Англии. В ходе исследования было найдено первое упоминание о ней в тексте, написанном 750 лет назад. Это редкое погодное явление, как теперь выясняется, было задокументировано монахом в средневековом тексте.
В рассказе монаха-бенедиктинца XII века Герваза из соборного приорства Крайст-Чёрч, Кентербери, Кент, говорится: «Чудесное знамение сошло вблизи Лондона» 7 июня 1195 года. Далее он описывает плотное и тёмное облако, испускающее белую субстанцию, которая под облаком приобрела сферическую форму, из которой в сторону реки упал огненный шар. Почётный профессор физики Брайан Таннер и историк, профессор Джайлс Гаспер из Даремского университета установили связь с шаровой молнией, сравнив текст средневековой хроники Герваза с историческими и современными сообщениями о шаровых молниях. Профессор Гаспер заявил: «Учитывая, что Герваз был надёжным журналистом, мы считаем, что его описание огненного шара на Темзе 7 июня 1195 года было первым полностью убедительным рассказом о шаровой молнии в истории планеты».
В целом свидетели описывают шаровую молнию как светящуюся сферу, чаще всего размером с голову маленького ребёнка. Обычно она появляется во время грозы, иногда в течение нескольких секунд после молнии, но иногда без видимой связи с молнией. В некоторых случаях шаровая молния появляется после грозы или даже до неё.
Время её жизни варьируется в широких пределах — от нескольких секунд до нескольких минут; средняя продолжительность составляет около 25 секунд. Время жизни шаровой молнии, как правило, увеличивается с увеличением размера и уменьшается с увеличением яркости. Шаровые молнии, имеющие ярко выраженный оранжевый и голубой цвет, похоже, живут дольше, чем обычно. Многие из этих общих характеристик основаны на работе А. И. Григорьева, который проанализировал более 10 000 описанных случаев шаровых молний (А. И. Григорьев, «Статистический анализ свойств шаровых молний», в Science of Ball Lightning, под редакцией Ю. Х. Охцуки, World Scientific Publishing Co., Singapore, 1988, pp. 88AD134).
В январе 2014 года учёные из Северо-Западного нормального университета в Ланьчжоу (Китай) опубликовали результаты записи оптического спектра того, что считалось естественной шаровой молнией, сделанной в июле 2012 года во время исследования обычной облачно-земляной молнии на Тибетском нагорье. С расстояния 900 м было снято 1,64 секунды цифрового видео шаровой молнии и её спектра, начиная с образования шаровой молнии после удара обычной молнии в землю и заканчивая оптическим распадом явления.
Дополнительное видео было записано высокоскоростной (3000 кадров/с) камерой, которая запечатлела только последние 0,78 секунды события, поскольку её ёмкость записи была ограничена. Обе камеры были оснащены бесщелевыми спектрографами. Исследователи обнаружили эмиссионные линии нейтральных атомов кремния, кальция, железа, азота и кислорода — в отличие от эмиссионных линий преимущественно ионизированного азота в спектре родительской молнии. Шаровая молния двигалась горизонтально через весь видеокадр со средней скоростью, эквивалентной 8,6 м/с. Её диаметр составлял 5 м, и за эти 1,64 с она преодолела расстояние около 15 м.
На протяжении всего времени жизни шаровой молнии в её спектре хорошо заметны линии железа, кремния и кальция — основных составляющих почвы. Ещё один очень распространённый в земной коре элемент, алюминий, излучает за пределами диапазона, который воспринимают использовавшиеся учёными камеры, так что его линий на спектре нет. Это возможное подтверждение гипотезы новозеландских учёных Джона Абрахамсона и Джеймса Динисса, которые предположили, что шаровая молния — это облако окисляющихся раскалённых наночастиц почвы, образовавшееся в момент удара обычной молнии.
Шаровая молния обычно движется параллельно земле, но бывает, что она совершает и вертикальные прыжки. Иногда она спускается из облаков, а иногда внезапно материализуется в помещении или на улице, или попадает в комнату через закрытое или открытое окно, через тонкие неметаллические стены или через дымоход. Проходя через закрытые окна, шаровая молния примерно в трети случаев повреждает их, оставляя небольшие отверстия. Шары не обладают заметным эффектом плавучести. Все эти признаки привели великого русского физика Петра Капицу в 1955 году к трактовке шаровой молнии как безэлектродного разряда, вызванного стоячими сверхвысокочастотными волнами неизвестного происхождения, присутствующими между землёй и облаком; более ранние версии этой идеи относятся к 1930-м годам.
С тех пор учёные усовершенствовали предположение Капицы. Современной версией подхода, основанного на СВЧ-разрядах, можно считать мазерно-солитонную теорию, впервые описанную в 1975 году (P.H. Handel, «Maser Theory of Ball Lightning» в Bulletin of the American Physical Society Series II, Vol. 20 [1975], No. 26). Исследования по этой теме ведутся в Курчатовском научном центре в Москве с 1992 года. Согласно этой теории, наружные шаровые молнии вызываются атмосферным мазером — аналогом лазера, но работающим на гораздо меньшей энергии, — имеющим объём порядка многих кубических километров.
Говоря техническим языком, мазер возникает в результате инверсии электронных населённостей, вызываемой на вращательных энергетических уровнях молекул воды коротким импульсом электромагнитного поля, связанным со стреловидной молнией. Большой объём воздуха, на который воздействует удар, затрудняет выход фотонов до того, как они вызовут «микроволновое усиление за счёт стимулированного излучения» (эффект мазера). Если только объём воздуха не очень велик или не заключён в проводящую полость (как в случае шаровой молнии в самолётах или на подводных лодках, а также в определённой степени в помещениях), столкновения между молекулами будут расходовать всю энергию инверсии населённости. При большом объёме мазер может генерировать локализованное электрическое поле или солитон, который и приводит к появлению наблюдаемой шаровой молнии. Однако в лаборатории такой разряд пока не удалось создать.
Теория подтверждается тремя хорошо известными фактами. Во-первых, шаровая молния никогда не возникает на острых горных вершинах, высотных зданиях и других высоких точках, которые притягивают молнии и которые используются для исследования молний специалистами по атмосферному электричеству. (Исследователь молний Карл Бергер рассказывал, что потратил свою жизнь на регистрацию и измерение сотен тысяч разрядов молний, попавших в его лабораторию на вершине горы Сальваторе в Лугано, Италия, и не получил ни малейшего следа шаровой молнии). Невозможность наблюдать шаровую молнию в таких условиях привела ко всеобщему разочарованию и даже скептицизму в отношении реальности этого явления. Но на самом деле импульс поля молнии, ударяющей в высокие пикообразные объекты, локализуется в узком конусе, охватывающем относительно небольшой объём. Согласно мазер-солитонной теории, такая обстановка исключает мазерный эффект. С другой стороны, когда молния ударяет в равнину, возникающий импульс поля имеет огромные размеры: около 10 километров в ширину и три километра в высоту.
Во-вторых, шаровая молния не наносит никакого вреда в самолётах и подводных лодках, а также в домах с проводящим каркасом. Опять же согласно мазер-солитонной теории, энергия мазера в таких условиях ограничивается примерно 10 джоулями (в отличие от 109-1010 джоулей на открытом воздухе), что слишком мало, чтобы быть опасным для жизни.
И в-третьих, шаровая молния под открытым небом часто заканчивается сильным взрывом, иногда вызывающим значительные разрушения. Взрыв особенно странен тем, что при нём токопроводящие предметы смещаются в большей степени, чем диэлектрики. Например, электрические соединительные коробки иногда извлекаются шаровой молнией из стен домов и выбрасываются на середину улицы. Мазер-солитонная теория предсказывает, что такие взрывы будут возникать, когда нагрузка внезапно исчезает. Когда разряд, потреблявший фотоны, генерируемые мазером, внезапно исчезает, эти фотоны получают возможность жить дольше и мгновенно размножаться, не ограничиваясь мазерным эффектом. Это размножение вызывает ещё большую мгновенную лавину фотонов и практически мгновенный экспоненциальный рост электрического поля. Увеличение происходит слишком быстро, чтобы вызвать электрический пробой или нагрев, но может вызвать очень большие «пондеромоторные силы» — механические эффекты, которые могут разорвать составные объекты, состоящие из частей с различными диэлектрическими постоянными.
Однако это далеко не единственное из возможных объяснений шаровой молнии. С середины XIX века, когда учёные всерьёз принялись за исследование этого феномена, было сделано более десятка разных предположений о природе явления.
Согласно одной гипотезе, шаровая молния состоит из испарившегося кремния, сгорающего в результате окисления. Молния, ударившая в земную почву, могла испарить содержащийся в ней кремний и каким-то образом отделить кислород от диоксида кремния, превратив его в чистый пар кремния. Остывая, кремний может сконденсироваться в плавающий аэрозоль, связанный своим зарядом и светящийся за счёт тепла рекомбинации кремния с кислородом.
В модели электрически заряженного твёрдого ядра предполагается, что шаровая молния имеет твёрдое, положительно заряженное ядро. Оно окружено тонким электронным слоем с зарядом, почти равным заряду ядра. Между ядром и электронным слоем существует вакуум, содержащий интенсивное электромагнитное поле, которое отражается и направляется электронным слоем. Микроволновое поле прикладывает к электронам пондеромоторную силу (давление излучения), не давая им упасть в ядро.
Одна из теорий, которая может объяснить широкий спектр наблюдательных данных, — это идея горения внутри низкоскоростной области распада естественного сферического вихря.
А с 1997 по 2000 год в Британии даже существовал секретный проект «Заслуженное наказание» [Project Condign], который в основном исследовал неопознанные летающие объекты, по наблюдениям, проведённым Штабом оборонной разведки британского правительства.
Результаты проекта были сведены в 400-страничный документ под названием «Неопознанные воздушные явления в районе ПВО Великобритании», который основывался на примерно 10 000 наблюдений и отчётов, собранных DI55, отделом Управления научной и технической разведки. Он стал достоянием общественности 15 мая 2006 года.
В рассекреченном отчёте проекта делается вывод, что плавучие заряженные плазменные образования, похожие на шаровые молнии, образуются в результате неизученных физических, электрических и магнитных явлений, и что эти заряженные шары плазмы способны перемещаться с огромной скоростью под воздействием и в результате баланса электрических зарядов в атмосфере. Эти шары плазмы, по-видимому, возникают из-за более чем одного набора погодных и электрически заряженных условий, научное обоснование которых является неполным или не до конца понятным.
Одно из предположений проекта состоит в том, что метеороиды, распадающиеся в атмосфере и образующие заряженную плазму, а не сгорающие полностью или падающие в виде метеоритов, могут объяснить некоторые случаи этого явления, в дополнение к другим неизвестным атмосферным явлениям.
Так или иначе, общепринятого научного объяснения шаровой молнии у нас пока нет, но судя по количеству свидетельств очевидцев, вряд ли это выдумка или мистификация — так что в будущем нас ждут новые, интересные научные открытия.
Telegram-канал со скидками, розыгрышами призов и новостями IT 💻
