О физической природе шаровой молнии. Если физическая природа линейной молнии была установлена более двухсот лет тому назад, то природа шаровой молнии до сих пор остается неразгаданной. Строго говоря, пока у нас даже нет твердого основания утверждать: то, что мы сегодня называем «шаровой молнией», есть некое единое явление, а не несколько явлений, имеющих разную физическую природу.
Можно напомнить, что в прошлые века шаровую молнию нередко путали с метеоритами и огнями святого Эльма. Может быть, и сегодня мы совершаем аналогичную ошибку, объединяя единым термином физически разные явления? Поскольку, однако, в настоящее время мы не имеем каких-либо веских доводов, подкрепляющих это сомнение, то естественно считать, что в основе всех «шаровых молний» лежит общий физический механизм.
Все гипотезьь касающиеся физической природы шаровой молнии, можно разделить на две группы. В одну группу входят гипотезы, согласно которым шаровая молния непрерывно получает энергию извне. Предполагается, что молния каким-то образом (по какому-то каналу) получает энергию, накапливающуюся в облаках и тучах, причем тепловыделение в самом канале оказывается не значительным, так что вся передаваемая энергия сосредоточивается в объеме шаровой молнии, вызывая его свечение. К другой группе относятся гипотезы, согласно которым шаровая молния после своего возникновения становится самостоятельно существующим объектом. Этот объект состоит из некоего вещества, внутри которого происходят процессы, приводящие к выделению энергии.
Среди гипотез первой группы отметим гипотезу, предложенную в 1955 г. академиком П. Л. Капицей. Предполагается, что энергия подводится к шаровой молнии при помощи электромагнитного излучения диапазона сверхвысоких частот (точнее говоря, диапазона дециметровых и метровых волн). Сама шаровая молния рассматривается как пучность электрического поля стоячей электромагнитной волны, находящаяся на расстоянии четверти длины волны от поверхности земли или какого-либо проводящего объекта (рис.7.3). В области этой пучности напряженность поля очень высока, и поэтому здесь образуется сильно ионизованная плазма, которая и является веществом молнии.
Несмотря на многие привлекательные стороны данной гипотезы, она все же представляется несостоятельной. Дело в том, что она не может объяснить характера перемещений шаровой молнии, ее причудливого блуждания и, в частности, зависимости ее поведения от воздушных потоков. В рамках данной гипотезы трудно объяснить хорошо наблюдаемую четкую поверхность молнии.
К тому же взрыв такой шаровой молнии вообще не должен сопровождаться выделением энергии. Если по каким-то причинам поступление энергии электромагнитного излучения вдруг прекращается, нагретый в пучности волны воздух быстро остывает и, сжимаясь, воспроизводит громкий хлопок.
Следует признать, что такими недостатками страдают все гипотезы первой группы. Учитывая накопленный фактический материал, можно вполне уверенно утверждать, что шаровая молния - это самостоятельно существующее тело. Иными словами, следует, по-видимому, отдать предпочтение гипотезам второй группы.
Остановимся на двух таких гипотезах. Одна из них предполагает химическую природу шаровой молнии. Эту гипотезу детально разрабатывал в середине 70-х годов Б. М. Смирнов. Предполагается, что шаровая молния состоит из обычного воздуха (имеющего температуру примерно на 100° выше температуры окружающей атмосферы), небольшой примеси озона Оэ и оксидов азота NO и N02. Принципиально важную роль играет здесь озон, образующийся при разряде обычной молнии; его концентрация около 3% . Внутри шаровой молнии происходят химические реакции:
NO + Оз-^N02 + 02;
NO2 + O3-^N03 + 02.
Они сопровождаются выделением энергии. При этом в объеме диаметром 20 см выделяется примерно 1 кДж энергии. Это мало, как мы уже знаем, запас энергии шаровой молнии таких размеров должен составлять примерно 100 кДж. Недостатком рассматриваемой физической модели является также невозможность объяснения устойчивости формы шаровой молнии, существования поверхностного натяжения. Непонятно, каким образом у нагретого воздушного пузыря, обогащенного озоном, может возникнуть четкая поверхность, отделяющая его от окружающей атмосферы.
Поэтому сосредоточим внимание на гипотезе, согласно которой шаровая молния состоит из положительных и отрицательных ионов. Ионы образуются за счет энергии разряда линейной молнии. Затраченная на их образование энергия как раз и определяет запас энергии шаровой молнии. Она высвобождается при рекомбинации ионов (т. е. при столкновениях ионов, сопровождающихся переходом электронов от отрицательных ионов к положительным, в результате чего ионы превращаются в нейтральные атомы или молекулы). Благодаря электростатическим (кулоновским) силам, действующим между ионами, объем, заполненный ионами, будет обладать поверхностным натяжением, что и определяет устойчивую шаровидную форму молнии.
Рассмотрим задачу. Ионы заполняют объем сферы радиусом г=10 см, плотность ионного газа п=/019 см~3. Оценить энергию, запасенную в таком объеме, если энергия ионизации есть и=8 эВ (в расчете на один ион).
Единица энергии 1 эВ (электронвольт) широко применяется в атомной и молекулярной физике. Это есть энергия, приобретаемая электроном при прохождении разности потенциалов в один вольт; 1 эВ= = 1,6-10 19 Дж. В единице рассматриваемого объема запасена энергия пи. Умножив ее на объем шара -i- лг3, находим искомую энергию:
W=-jnr3nu. (7.4)
Подставив в (7.4) числовые значения величин (учтем при этом, что м=1,28-10~18 Дж), получим №=52 кДж.
Эта энергия вполне согласуется со сделанными ранее оценками энергии шаровой молнии соответствующих размеров. В задаче была выбрана плотность ионного газа порядка 1019 см 3. Именно такова плотность воздуха в условиях, близких к нормальным. В связи с этим напомним, что плотность вещества шаровой молнии должна быть примерно такой же, как и воздуха.
У рассматриваемой модели шаровой молнии есть одно уязвимое место. Дело в том, что если положительные и отрицательные ионы будут равномерно «перемешаны» по объему молнии, то они будут очень быстро рекомбиниро-вать - за время порядка всего 10~9 с. Следовательно, такая шаровая молния не может существовать в течение секунд, не говоря уже о десятках секунд. Надо каким-то образом существенно затормозить (задержать) процесс рекомбинации ионов.
Задержка рекомбинации могла бы быть связана с разделением в пространстве ионов разного знака; например, можно было бы предположить, что положительные ионы сосредоточены в центре шара, а отрицательные вблизи его поверхности. Однако такое предположение следует сразу же исключить. Во-первых, отсутствует физический механизм, который мог бы заставить ионы именно так распределиться в пространстве. Во-вторых (и это главное), между разделенными зарядами возникли бы гигантские силы притяжения, которые никаким способом невозможно уравновесить.
Решим в связи с этим следующую задачу. Имеется сфера радиусом г=1 см, заполненная газом из нейтральных атомов плотностью п=10[я см~3 Предположим, что из каждого атома ушел один электрон и поместился на поверхности сферы, а оставшиеся положительные ионы сосредоточились в центре сферы. Чему равна сила притяжения между электронами и ионами?
