Природа шаровой молнии

КУЗНЕЦОВ А.И., КУЗНЕЦОВ А.Р.

Несмотря на то, что физическая природа линейной молнии была раскрыта более двух веков тому назад, природа шаровой молнии до сих пор остается неразгаданной. Ученые до конца не уверены соответствует ли это название ее физической сущности, или она имеет совершенно другую природу.

В настоящее время шаровой молнией называют любой светящийся и движущийся в воздухе объект сферической формы, образовавшийся после удара молнии или возникший в помещении в результате появления с шипением из розетки или телефонного аппарата.

В подавляющем большинстве случаев это явление возникает в период грозовой активности, когда наблюдаются обычные молнии, а напряженность атмосферного электрического поля особенно велика. Однако, существуют отдельные сообщения о появлении шаровой молнии и в ясную погоду. Причины этого явления пока не установлены. Возможно это наблюдалось вблизи источников, преобразователей (трансформаторов) или линий электропередачи высокого напряжения. Такие «шаровые молнии» чаще всего представляют собой кратковременные вспышки и существенно отличаются от грозовых, как по времени, так и по остальным свойствам.

Выдвинуты сотни гипотез формирования и устройства этого объекта, но ни одна из них не может полностью объяснить удивительные свойства шаровой молнии. Все существующие гипотезы условно делятся на две группы. К одной из них относятся гипотезы о непрерывном поступлении к ней извне энергии, поддерживающей ее свечение. Согласно другой, шаровая молния состоит из вещества, внутри которого происходят процессы, сопровождающиеся выделением энергии.

До настоящего времени ученые не могут дать четкий ответы на вопросы:
- какова природа шаровой молнии;
- почему имеет форму шара и четкую границу раздела в атмосфере;
- как она образуется;
- за счет чего так долго сохраняет свою форму и размеры;
- почему она опускается к поверхности земли;
- чем объясняется характер ее движения над землей;
- почему стремится проникнуть внутрь помещений;
- как проникает в закрытые помещения;
- чем объясняется яркость и цвет ее свечения;
- почему она почти не выделяет тепла при свечении;
- почему ее исчезновение происходит тихо или сопровождается взрывом;
- за счет чего выделяется тепло при ее взрыве.

Принято считать, что раз шаровая молния имеет достаточно четкую поверхность, отграничивающую ее от окружающей воздушной среды, то ее вещество находится в особом фазовом состоянии, отличном от окружающей ее атмосферы.

Существует предположение, что внутри шаровой молнии есть область очень высоких температур, которая состоит из плазмы и именно поэтому она светится. Учитывая, что, испуская свет, как нагретое тело, она почти не излучает тепло, можно с уверенностью сказать, что высокотемпературная плазма в ней отсутствует.

Наиболее близким, в общих чертах, к нашей гипотезе является объяснение природы шаровой молнии, предложенное в 2003 году В.П. Торчигиным [1].

Мы считаем, что столь долгая разгадка физической сущности шаровой молнии объясняется отсутствием до настоящего времени четкого понятия природы света.

Согласно ранее высказанной нами гипотезы, источником света являются не фотоны, испускаемые Солнцем или искусственными приборами освещения. Свет - это энергия, выделяемая ионизированными атомами газов атмосферы или иного вещества. Это происходит в результате воздействия на них ионизирующих частиц, испускаемых естественными (Солнце, молния, звезды) и искусственными (лампы электроосвещения и пр.) источниками.

Согласно нашей гипотезы шаровая молния имеет структуру аналогичную воздушному шарику или мыльному пузырю. Существующая граница раздела между шаровой молнией и воздухом представляет собой оболочку (пленку). Она состоит из тонкого, эластичного слоя или представляет собой смесь воды c поверхностно-активным веществом. Сферическая форма получается за счёт поверхностного натяжения пленки. Внутренняя полость шара очевидно заполнена ионизированными при ударе линейной молнии атомами кислорода, азота, водорода и других примесей. К последним можно отнести аэрозоли, образующиеся в процессе производственной деятельности человека, лесных пожаров, извержений вулканов и прочие. Они представлены такими газами, как СО, СО2, SO2, H2S, NH2.

Известно, что линейная молния, как и Солнце, является источником излучения ионизирующих частиц, воздействие которых на атомы приводит к их ионизации, сопровождающейся свечением. При ее ударе во время грозы, скученность потока таких частиц, совместно с лавинообразным потоком образующихся вторичных и третичных частиц, может привести к образованию участка (объема) высоко ионизированных атомов в слое атмосферы. Поэтому, мы считаем, что шаровая молния - это «сгусток света», представляющий собой изолированный пленкой объем высоко ионизированных атомов, излучающих свет.

Излучение видимого света является наиболее широко известным свойством шаровой молнии, позволяющим её обнаружить. Однако, спектральный состав излучения оказывается довольно неопределённым. Она бывает голубого, оранжевого, белого и других цветов, даже чёрного. Иногда наблюдатели говорят о нескольких цветовых оттенках, или об изменении цвета в течение времени наблюдения. Вероятнее всего цвет определяется свойствами пленки или внутренним составом шаровой молнии: соотношением различных атомов, величиной их ионизации, а также наличием тех или иных примесей.

Наличие цветовых оттенков может свидетельствовать об интерференции света в пленке. Это наблюдается у мыльного пузыря. Когда пленка достигает толщины меньше 0,01 мкм, интерференция становится уже почти незаметной, пленка темнеет, так как почти не отражает света, и затем через некоторое время разрушается.

Также изменение цвета, с последующим затуханием, объясняется небольшим количеством, по сравнению с ударом молнии, вновь поступающих внутрь сферы через пленку ионизирующих частиц и частичной нейтрализацией электронами находящихся в ней ионизированных атомов. При этом цвет объекта будет изменяться от белого до оранжевого, голубого и других, а возможно (при полном затухании) и до черного. Пленка пропускает ионизирующие частицы, однако, удерживает атомы, как от поступления внутрь извне, так и от рассеивания изнутри в атмосферу, что способствует длительному сохранению формы, размера и светимости шаровой молнии.

Поскольку сведения о шаровой молнии существуют со слов очевидцев, то скорее всего она чаще всего наблюдается и более длительное время существует в дневное время суток, когда существует более интенсивное излучение ионизирующих частиц от Солнца. Известно, что температура (энергия ионизации атомов) воздуха, даже в самых жарких странах не превышает 50о С. Учитывая более сильную ионизацию атомов молнией, можно утверждать, что температура внутри пленки несколько выше. Однако, из-за наличия оболочки, выделение тепла от свечения шаровой молнии снаружи практически не будет ощущаться. Увеличение температуры внутри сферы сказывается на прочности пленки, а, следовательно, и на времени существования шаровой молнии.

В отдельных случаях, при наличии направленного потока ионизирующих частиц, сферическая форма оболочки шара, с прослойкой или местным скоплением на ее поверхности воды (как у мыльного пузыря), выполняет роль собирающей линзы. Это способствует объединению ионизирующих частиц, находящихся внутри сферы, в один узкий пучок. Его энергия будет аналогична лучу лазера и в состоянии, при определенных условиях, вызвать пожар, прожечь отверстие в стекле, а также вызвать ожоги на теле людей при сближении с ними.

О зарождении шаровой молнии ничего конкретного сказать ученые пока не могут. Существует предположение, что она возникает в месте встречи или пересечения лидеров линейных молний. Однако, по сообщениям очевидцев шаровая молния может возникать из земли и воды в месте удара обычной молнии или выскакивает из телефонных аппаратов, электрических розеток и т. д. В двух последних примерах можно предположить, что причиной появления молнии являются не сам телефонный аппарат или розетка, а подключенные к ним провода, по которым «молния», в виде электрического разряда, могла перемещаться при попадании ее в столб, расположенный на улице. В основе образования пленки шаровой молнии очевидно лежат газовые выделения или вздутия (пузыри), образующиеся при нагреве изоляции проводов из резины, полиэтилена или поливинилхлорида в местах их подключения к розетке или телефонному аппарату. Появление шипящего звука при этом, очевидно, является результатом преобразования изоляции проводов. При электрическом разряде в месте контакта возможно образование озона, который принимает непосредственное участие в образовании пленки и озонидов.

Отмечено, что грозы чаще наблюдаются над объектами или местами суши, связанными с образованиями большого количества пылегазовых выделений в атмосферу. При этом линейные молнии чаще бьют в местах скопления аэрозолей и выбросов химических и нефтеперерабатывающих предприятий [2].

Это объясняется тем, что основным законом природы является протекание процессов с минимальной затратой энергии, т.е. по пути наименьшего сопротивления. Так как все выбросы содержат в основном мелкие частицы вещества, несущие на себе электрические заряды, то это облегчает прохождение молнии через атмосферу именно в этих местах.

Поскольку появление шаровой молнии является большой редкостью, то можно предположить, что ее образование возможно только в отдельных местах и случаях, при стечении определенных обстоятельств.

Вполне возможно, что во время грозы, в зоне электрического разряда, в воздухе или на земле, могут оказаться поверхностно-активные вещества (ПАВ) или другие природные, органические или синтетические пленкообразующие вещества (ПОВ). Поскольку при грозовых разрядах образуется озон, то, учитывая его склонность к вступлению в реакции с соединениями с кратными связями, реально ожидать появление в этом месте моно- или полимерных озонидов, образующих пленку пузыря.

Удар линейной молнии во влажную землю или поверхность воды очевидно сопровождается небольшим взрывом с выделением тепла. При этом происходит выбрасывание в атмосферу смеси ионизированных атомов воздуха, озона, паров воды, ПАВ, ПОВ или озонида. В результате их смешивания получаются растворы (смеси), склонные к образованию пленки аналогичной для мыльного пузыря или воздушных шариков. Это может привести к образованию воздушного пузыря, содержащего внутри выделяющие свет ионизированные атомы азота, кислорода и прочих примесей. Его размер будет определяться мощностью разряда, а также количеством и качеством ПАВ, ПОВ или озонида.

Проникновение шаровой молнии в помещение через оконное стекло, без образования в нем круглого отверстия, в большинстве случаев только кажущееся. Вероятнее всего шаровая молния не залетает, а образуется уже в помещении. При подготовке к зиме хозяйки часто заклеивают оконные щели лентами ткани, с использованием мыльного раствора, а для мытья оконных стекол используют синтетические моющие средства или мыло, которые накапливаются в местах стыковки стекла с рамой. В таких местах, при отсутствии герметичности, обычно наблюдаются сквозняки и скопления влаги. Это вполне может явиться причиной образования здесь мыльного пузыря. При наличии в данном месте, в это же самое время, потока ионизирующих частиц вполне возможно образование здесь шаровой молнии.

Как известно из практики, мыльные пузыри и воздушные шарики, заполненные воздухом, в воздушной среде падают вниз, так как имеют более высокую плотность. Это объясняется тем, что под действием поверхностного натяжения пленки происходит сжатие воздуха внутри шарика. Кроме того, плотность пленки выше, чем воздуха. Шаровая молния, наверняка, содержащая дополнительно в своем составе более тяжелые примеси, возникнув где-то вверху, опускается из верхних слоев атмосферы к поверхности земли. Падая вниз, она не приобретает большой скорости, что указывает на то, что плотность её вещества ненамного превышает плотность окружающего воздуха.

Спуск ее прекращается на высоте около одного метра от поверхности земли. Это легко объясняется тем, что за счет скопления внутри ее большого количества ионизированных разрядом молнии атомов она имеет положительный заряд. Во время грозы поверхностный слой земли и все, расположенные на ней, электропроводящие объекты также заряжаются положительно. Поэтому шаровая молния, испытывая силу отталкивания от них, как бы зависает на определенной высоте от поверхности земли и начинает двигаться по весьма причудливой траектории.

Характер движения в атмосфере, со средней скоростью около 1м/с, подчиняется определенным закономерностям и остается одной из загадок молнии. Абсолютно неподвижной молнии почти никто не наблюдал. Она движется почти горизонтально, обходя проводящие ток объекты и, в частности, людей, тело которых также обладает хорошей электропроводностью. Отмечаются кратковременные ее остановки и зависания в воздухе, чередующиеся редкими опусканиями и подъемами. Это, очевидно объясняется величиной заряда поверхности земли и рельефом местности в данном месте. Если на ее пути встретится отрицательно заряженный предмет или источник электронов, то молния притянется к нему и скорее всего взорвется.

Столкнувшись с человеком или твёрдым предметом, несущими на себе отрицательный заряд, она почти всегда взрываются с оглушительным треском, вонючим дымом и весьма неприятными последствиями для объекта столкновения.

Нет единодушного мнения, что движение молнии зависит от воздушных потоков, т.к. некоторые очевидцы утверждают, что шаровая молния может двигаться против ветра. Скорее всего она перемещается в направлении градиента распределения отрицательных зарядов в данном участке атмосферы. Извилистую траекторию движения шаровой молнии можно объяснить хаотичным расположение участков и объектов с отрицательными зарядами.

Именно этим ее свойством можно объяснить стремление и способность шаровой молнии проникать в помещение сквозь щели и отверстия, размеры которых много меньше размеров самой молнии. Это, очевидно, объясняется притягиванием расположенных внутри ее положительно заряженных атомов к, находящимся в помещении в большом количестве, отрицательно заряженным частицам (электронам), испускаемым включенными электроприборами.

В качестве подтверждения нашей гипотезы можно привести случай появления 21 октября 1638 года внутри церкви деревушки Уидеком-ин-те-Мур графства Девон в Англии во время службы большой шаровой молнии диаметром около 2,5 м. Она выбила из стен церкви несколько больших камней и деревянных балок, сломала скамейки, разбила много окон и наполнила помещение густым тёмным дымом с запахом серы. Потом, разделившись на две части, она покинула помещение. В результате 4 человека погибло, 60 получили ранения [1].

Ее появление можно объяснить ударом в церковь линейной молнии из-за отсутствия на ней громоотвода, который был изобретен Бенджамином Франклином только в 1753-м году. Очевидно, что наличие здесь большого скопления электронов и ароматических углеводородов от горения свечей и благовоний способствовало созданию здесь благоприятных условий для возникновения шаровой молнии таких больших размеров.

Как отмечалось выше, при наличии потоков ионизирующих частиц, излучение шаровой молнии может быть аналогично лучу лазера. Учитывая ее размеры, она в состоянии была произвести все описываемые разрушающие и травмирующие людей действия. Этому способствовало то, что ароматические углеводороды имеют невысокие температуры вспышки и способны образовывать взрывоопасные смеси с воздухом [3].

Обычно шаровая молния движется бесшумно, но может издавать шипение или жужжание — особенно когда она искрит. Шипящие и потрескивающие звуки, сопровождающие ее, в процессе движения, являются результатом ионизации новых и нейтрализации ранее образованных ионизированных атомов электронами, растратившими свою энергию на ионизацию. Наблюдаемое искрение (свечение) вблизи поверхности шаровой молнии в процессе ее движения, свидетельствует об ионизации атомов атмосферы отдельными ионизирующими частицами, вылетающими сквозь пленку изнутри наружу.

Эластичность оболочки, малый размер и большая подвижность светящихся ионизированных атомов способствуют свободному проникновению их через небольшие отверстия внутрь помещения. При прохождении через малое отверстие, вещество молнии как бы протекает или иначе просачивается, аналогично свету. Однако, после прохождения через отверстие, она восстанавливает свою шаровидную форму под действием сил поверхностного натяжения оболочки.

При наличии в комнате включенных электроприборов, испускающих электроны, молния, при приближении к ним, может взорваться. В противном случае, она, собрав имеющиеся в комнате электроны, вылетает на улицу или спокойно исчезает (гаснет).

Время существования шаровой молнии определяется качеством пленки, образующей пузырь и окружающими условиями.

Шаровая молния в продолжение всего времени своего существования сохраняет постоянство формы и размеров. Это объясняется свойствами пленки, которая изолирует содержащиеся внутри пузыря атомы, препятствуя их перемешиванию с атмосферой и сохраняя неизменным их количество в его объеме.

Свечение шаровой молнии частично поддерживается за счет постоянного поступления снаружи внутрь пузыря через пленку ионизирующих частиц, излучаемых Солнцем, другими линейными молниями или выделяющихся при ионизации атомов атмосферы. Однако, число вновь поступающих частиц значительно меньше от первоначально приобретенного ею при образовании. Поэтому происходит снижение количества ионизированных атомов за счет частичной нейтрализации их потерявшими энергию ионизирующими частицами.  Это сопровождается изменением ее яркости и цвета. При значительном размере шаровой молнии, на отдельных участках, особенно внутри ее, могут возникать темные области в виде пятен, каналов, нитей. Крайним случаем является окрашивание молнии перед затуханием в черный цвет.

Другой причиной потемнения шаровой молнии, как отмечалось выше может быть изменение толщины пленки. Когда пленка достигает толщины меньше 0,01 мкм, интерференция становится уже почти незаметной, пленка темнеет, так как почти не отражает света, и затем через некоторое время разрушается.

Одним из возможных вариантов затухания относительно крупных шаровых молний является рассыпание их на более мелкие сферические гранулы. Согласно результатам имеющихся наблюдений, время существования шаровой молнии зависит от ее размера. При относительно малом диаметре шаровая молния быстро исчезает. Если диаметр слишком большой, то происходит распад ее на более мелкие с последующим их быстрым затуханием.

Механизм физических процессов схлопывания больших мыльных пузырей, с образованием более мелких, изучен американскими физиками. Промежуточной стадией такого процесса является образования пузыря в форме тора [4]. Это позволяет объяснить сведения отдельных очевидцев, наблюдавших шаровую молнию именно в таком виде.

Шаровая молния, согласно существующей статистики:
- в 55% случаев взрывается;
- в 30% спокойно угасает;
- в 15% распадается на части.

Спокойное угасание и распад мы только что разобрали. Рассмотрим более подробно наиболее важные, но не находящие до настоящего времени ответа, такие вопросы, как причины взрыва шаровой молнии и механизм выделения при этом тепла.

Если, со слов очевидцев, в спокойном состоянии от шаровой молнии исходит очень мало тепла, то во время взрыва высвобождающаяся энергия способна разрушить и оплавить предметы, или испарить воду.

Мы считаем, что это следствие образования внутри шаровой молнии озона, который является исключительно взрывоопасным во всех трех агрегатных состояниях газообразном, жидком и твердом.

Образование озона возможно при всех известных формах электрического разряда в среде, содержащей кислород и в основном осуществляется за счет столкновений молекул с ускоренными в электрическом поле электронами (диссоциация электронным ударом). Согласно современным представлениям озон также синтезируется в среде, содержащей кислород, если возникнут условия, при которых образуется атомарный кислород или молекулярный кислород диссоциирует на атомы [3].

В соответствии с нашей гипотезой, именно такие условия наблюдаются при образовании шаровой молнии в замкнутом объеме внутри пузыря. Сильная яркость свечения шаровой молнии, по сравнению с атмосферой, свидетельствует о высокой ионизации большого количества атомов. В частности, это утверждение можно отнести и к диссоциации молекул кислорода, порог ионизации которых ниже, чем у азота.

Молекула О3 неустойчива и при достаточных концентрациях в воздухе при нормальных условиях самопроизвольно за несколько десятков минут превращается в O2 с выделением тепла. Повышение температуры и понижение давления увеличивают скорость его перехода в двухатомное состояние. При больших концентрациях переход может носить взрывной характер. Контакт озона даже с малыми количествами органических веществ, некоторых металлов или их окислов резко ускоряет превращение. Озоно-воздушная или озоно-кислородная смеси, содержащие более 10% озона, взрывоопасны [3].

Пока оболочка существует в процессе ионизации в пузыре накапливается большое количество озона. При разрушении оболочки вследствие ухудшения ее свойств (утончение), или под действием внешних факторов, происходит его высвобождение, приводящее к мгновенной реакции с окружающими пузырь атомами воздуха. Это сопровождается резким выделением большого количества тепла, приводящим к взрыву. Разрушительная сила взрыва и количество выделяемого тепла определяются, очевидно, диаметром молнии и содержанием в ней озона.

Сразу после ее исчезновения или взрыва в воздухе возникает специфический запах озона, оксидов азота или серы. Это, очевидно, объясняется взаимодействием атомов кислорода с атомами азота и образованием серы из двух атомов кислорода.

Таким образом, предложенная гипотеза позволяет объяснить природу, механизм образования, все свойства и особенности поведения шаровой молнии.

ЛИТЕРАТУРА

1. Шаровая молния. [Электронный ресурс]. URL: -  https://ru.wikipedia.org/wiki. [Дата обращения 22.01.2021].

2. Богданов К. Молния: больше вопросов, чем ответов. Наука и жизнь. №2, 2007. [Электронный ресурс]. URL: - [Дата обращения 21.01.2021].

3. Справочник химика 21. Химия и химическая технология. [Электронный ресурс]. URL: - https://www.chem21.info. [Дата обращения 15.01.2021].

4. Механизм схлопывания пузырей может использоваться в медицине. [Электронный ресурс]. URL: - https://ria.ru/20100610/244631014.html. [Дата обращения 23.01.2021].