Характеристики шаровой молнии

ХАРАКТЕРИСТИКИ ШАРОВОЙ МОЛНИИ

Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн
им. (ИЗМИРАН)

*****@***ru

Рассмотрены температура, поверхностное натяжение, плотность вещества шаровой молнии, последствия взаимодействия шаровой молнии с окружающими телами, ее электрические проявления.

Введение. Шарообразные образования, наблюдающиеся в атмосфере и появляющиеся по большей части в грозу, известны с глубокой древности. С ними связано много легенд и предрассудков. Обилие самых экстравагантных гипотез о природе этих образований и столь продолжительная невозможность устойчивого воспроизведения феномена в лабораторном эксперименте продолжает порождать скепсис в среде ученых-физиков. В конце семидесятых годов прошлого столетия для определения перспективного направления экспериментальных исследований по получению объекта в контролируемых человеком условиях, был проведен (на территории СССР) широкомасштабный опрос очевидцев явления. Данные этого опроса, собранные по заранее обдуманной методике и для вышеозначенной цели, позволили выявить некоторые характерные черты объекта и сделать вполне определенные физические выводы [1], [2], [3].

Ниже предполагаем, что вещество шаровой молнии состоит из кластерных ионов [4], т. е. представляет собой неидеальную плазму, состоящую из положительных и отрицательных ионов с оболочками нейтральных молекул, имеющих большой дипольный момент. Особенностью таких сольватированных (гидратированных, в случае оболочки, состоящей из молекул воды) ионов является то, что плотность заряда в них (т. е. отношение заряда к массе) мала по сравнению с обычными ионами. При плотности ионов энергия связи составляет , т. е. для шаровой молнии с радиусом 10 см, энергия связи оказывается около 4¸6 кДж. Масса гидратированного иона, содержащего десять молекул воды в оболочке, равна . Вещество шаровой молнии имеет низкую работу выхода в виду невысокой его плотности: [2].

Температура. Шаровую молнию позволяет обнаружить ее свечение, благодаря которому долгое время считалось, что ее температура достаточно велика. Световой поток от шаровой молнии в среднем сравним с тем, который испускает электрическая лампочка в 100 Вт. Из оценок цвета шаровой молнии Дж. Барри делает заключение о температуре в [5]. Однако, как показывают наблюдения объекта с малых расстояний, его температура ниже, по меньшей мере, на порядок. При наблюдении шаровой молнии с расстояния меньше метра, только 10% очевидцев события (27 из 274) говорят об ощущении тепла от нее [6]. В большинстве же случаев наблюдатели тепла не ощущают даже тогда, когда шаровая молния проходит на расстоянии 10-20 см от незащищенных одеждой частей тела.

Приведем некоторые примеры. Описан случай, когда «шаровая молния ударила мать по ногам, но не обожгла и не оставила следов», а, «выйдя из окна, она «срубила» дерево, зажгла мокрую солому и распалась». Другой очевидец написал, что «шаровая молния, пройдя около его уха на расстоянии 20 см, вышла в окно и исчезла из вида. Тепла наблюдатель не почувствовал, ожогов не было». Следующий сообщил, что «почувствовал слабое тепло, когда молния диаметром 40 см некоторое время висела перед его лицом» (интервал наблюдения он оценивает вс). Легко воспламеняющиеся предметы (дерево, бумага) не загораются даже при близком соседстве и иногда даже при контакте с ней: «Шаровая молния прошла через щель в сарай и вылетела в щель между стеной и крышей; при этом она сузилась. Соломенная крыша не загорелась». Случаи оплавления стекла и металла возникают только при прямом контакте с шаровой молнией и то не всегда.

Однако, нередки и случаи, когда при соприкосновении с шаровой молнии все же происходит возгорание бумаги, соломы, тканей, легких строений (таких как сараи или дачные домики), происходят пожары. «Вышла из оврага нефтеперегонного завода. Двигалась равномерно и прямолинейно (~ 40м/с) на высоте 5¸6 м от земли. Попала в цистерну с горючим и вызвала пожар», «Влетел в открытое окно текстильной фабрики, ударил о светильник, на котором шапкой осел хлопок. Хлопок загорелся». Шаровая молния прожигает ковры, опаляет волосы, оставляет ожоги на теле, обугливает деревянные предметы и т. д. Эти случаи, а также испарение воды (капель дождя) около шаровой молнии, говорят о том, что температура ее все же выше комнатной. Исходя из наблюдений, можно предположить, что температура едва ли превышает комнатную в два раза и составляет .

Результат фотометрического анализа двух последовательных фотографических изображений шаровой молнии (наблюдавшейся на озере Ундугун, район г. Читы) дал именно такую оценку температуры и позволил сделать вывод о неравновесной природе излучения объекта [3]. Обработка этих уникальных снимков, подтвержденных визуальным наблюдением двух очевидцев, определила следующие параметры наблюдаемой молнии: диаметр ~ 30 см, скорость движения 2¸4 м/с, сила света, как лампочки ~ 100 Вт, мощность светового потока в видимом свете ~ 0.01 Вт, что вполне вписывается в статистический портрет явления [7]. Кроме того, из анализа фотографий было обнаружено, что свечение наблюдаемой молнии сопровождалось хаотическими изменениями яркости ее излучения. Минимальная длительность отдельной вспышки составила менее 0.1 с, интервал между ними от ~ 0.1 до ~ 0.3 с. Изменение яркости излучения шаровой молнии иногда подтверждается очевидцами [1], [8]. «Летела на высоте около 2 м, параллельно земле. Периодически, с периодом 2¸3 с вспыхивала немного ярче. Пыталась ловить шапкой, он она опалив края ушла», или другое интересное описание: «Маленький огненный шарик вспыхнул на одной из стенок палатки и начал увеличиваться в размерах, затем оторвался от стенки и поплыл в воздухе. Интенсивность свечения менялась. Подошла к розетке и втянулась в нее. При этом раздался сильный треск, и розетка покрылась черным налетом, но осталась цела. Почувствовали удар током».

Таким образом, шаровая молния, как и четочная, может давать нерегулярные колебания свечения, что позволяет говорить о возможном пересмотре интерпретаций фотографий, полученных на станции слежения за метеоритами в США [5], [9]. Большинство (более двух десятков) полученных таким способом фотографий было интерпретировано как след четочной, а не шаровой молнии только на том основании, что на них отмечались хаотические изменения интенсивности свечения вдоль следа.

Поверхностное натяжение и плотность вещества. Если свечение является тем наблюдаемым свойством шаровой молнии, которое позволяет ее обнаружить, то другим не менее впечатляющим ее свойством является сферическая форма объекта, которая имеет тенденцию сохраняться во все время наблюдения. Иными словами, шаровая молния представляет собой автономное светящееся шарообразное (более чем в 90% случаев) тело, способное свободно перемещаться в пространстве. Ее движения весьма удивительны и разнообразны. Скорость ее движения (меньше 10 м/с в 96%) невелика. На ее движение оказывают влияние присутствующие в атмосфере воздушные потоки, но напрямую оно не связано с электрическими полями. Однако она часто притягивается к предметам, особенно к проводникам. Шаровая молния может двигаться горизонтально или огибать предметы, может парить в воздухе, двигаться вдоль рельефа местности или стоять на месте, она может проходить значительные расстояния. Ее можно наблюдать при ветре и урагане. В большинстве случаев молния тонет в воздухе, т. е. плотность ее вещества, хотя и не очень сильно, но все же превышает плотность воздуха.

Анализ ее движения показывает, что шаровая молния движется как тело в состоянии невесомости и поэтому вещество, из которого она состоит, не может быть обычным газом, так как обычный газ достаточно быстро диффундирует, смешиваясь с окружающим воздухом. Шаровая молния не только образует отдельную фазу в воздухе, но сохраняет сферическую форму после взрыва или распада на несколько молний меньшего диаметра, а также восстанавливает форму при деформациях. При слиянии нескольких молний в одну, она вновь приобретает форму сферы. Сказанное выше может иметь место только при условии, что вещество, из которого она состоит, имеет поверхностное натяжение. Существованием поверхностного натяжения можно объяснить и прохождение ее через узкие отверстия и щели. Оценки поверхностного натяжения шаровой молнии в рамках кластерной гипотезы дают величину сравнимую с поверхностным натяжением органических жидкостей (~1¸10 эрг/см2). Таким образом, шаровая молния при плотности газа имеет поверхностное натяжение, характерное для жидкостей. Вопросы устойчивости плотной кластерной плазмы, из которой предположительно состоит вещество шаровой молнии, подробно исследованы [1], [10].

Прохождение шаровой молнии через узкие отверстия и щели весьма детально описывают очевидцы. Часть этих описаний опубликована [1], [11]. Вот некоторые детали из описаний. Шаровая молния проникает сквозь трещину или дырочку, имеющуюся в стекле окна, либо в щель окна, либо в щель пола или стены, вытягиваясь «сосиской» и перетекая из одного пространства в другое. Затем она снова приобретает форму шара. «Молния подошла к форточке, сжалась во что-то среднее между эллипсоидом и грушей, растянулась в длину и пролезла через форточку», «Молния диаметром 16-18 см вползла в помещение через щель шириной 4-5 см между крышей и стеной, при этом она сжалась в эллипсоид 1:5».

Пять случаев наблюдения прохождения шаровой молнии через стекло, не повреждая его, описанные в [12], кажутся маловероятными. Проверка подобных сообщений (когда это возможно) лично или подробная переписка с очевидцем для выяснения деталей наблюдения показывают, что очевидец не заметили либо отверстия в стекле, либо какого-нибудь другого зазора. В монографии [1] приводится один из таких случаев наблюдения (см. описание № 000) с детальным изложением дальнейшей переписки. Шаровая молния при встрече с цельным стеклом может его проплавить, оставив при этом круглое отверстие без трещин с слегка конусообразными краями. При этом осколков стекла либо не обнаруживается, либо из стекла выпадает диск. Зона скола имеет гладкую, как бы оплавленную поверхность. Подобные случаи проплавления описаны [1], [12], [13]. Отметим также, что [13] был проведен эксперимент с нагреванием стекла лучом лазера (СО2, непрерывного действия, мощностью 500 Вт, длиной волны 10.6 мкм), который был инициирован случаем проплавления шаровой молнией аналогичного стекла в классе и наблюдением этого случая преподавателем и учениками.

Существование поверхностного натяжения шаровой молнии подтверждаются так же случаями сохранения формы феномена при его распаде и при слиянии двух или нескольких объектов: «При ударе линейной молнии в тополь, от него отскочили два ярко красных шара, которые затем слились в один диаметром 10-20 см», «При взрыве молния распалась на большое число маленьких шариков, которые медленно опускались на пол, исчезая в щелях половиц». «Двигалась на высоте 15-30м. Распалась на два равных шара, которые быстро и тихо погасли, уменьшаясь в размерах». Описывают восстановление формы шаровой молнии при ее деформациях. «Зашла через форточку, несколько сплющившись, и тут же приобрела форму шара», «Двигаясь между веток, шар деформировался, а затем, выйдя из кроны и спускаясь по стволу, снова принял форму правильного шара». В одном из интересных и подробных сообщений наблюдатель пишет: «неожиданно для себя бросил камень в шаровую молнию. Камень пролетел от ее поверхности на расстоянии 10-12 см. Поверхность шара в этом месте прогнулась внутрь, он выбросил несколько змеек и качнулся. Затем шар вернулся на прежнее место, и поверхность его выровнялась» [11].

Светимость (при низкой температуре), характер движения (автономное тело), сохранение формы (шар) все эти свойства являются удивительными свойствами исследуемого объекта. Однако наибольшее изумление вызывает характер его взаимодействия с окружающими предметами и в частности с людьми и животными. Иногда взаимодействие не имеет никаких последствий, в других случаях наблюдатели говорят о физиологическом воздействии, об ударе током при контакте с шаровой молнией или даже на расстоянии от нее при ее распаде. Шаровая молния может появляться из металлических предметов, она часто исчезает около них, иногда оставляя на металле заметные следы оплавления, а иногда безо всяких последствий.

Возникновение и исчезновение шаровой молнии. 10% очевидцев (156 сообщений) утверждают, что видели, момент зарождения шаровой молнии. Трем четвертям этих наблюдателей (113 сообщений) посчастливилось проследить весь путь, пройденный шаровой молнией от момента ее возникновения до исчезновения. Такая выборка не будет репрезентативной, ибо такого количества свидетельств недостаточно для полной статистической обработки материала, но его вполне достаточно, чтобы обратить внимание на некоторые особенности поведения шаровой молнии, и сделать некоторые выводы. Наблюдатели сообщают о возникновении шаровой молнии либо вблизи канала линейной молнии, либо о появлении ее из металлических предметов. Заметим, что во втором случае она наблюдается в 2.5 раза чаще, что вполне объяснимо.

Итак, обратимся к описаниям, которые сопровождали первую анкету, или были получены позже, при переписке с очевидцами. «Ехал на машине, увидел яркую линейную молнию, закончившуюся внизу шаром. Шар оглушительно взорвался». Из другого описания: «На канале линейной молнии образовалось утолщение, из которого выскочил шар (утолщение в виде полусферы). Шар начал падать вниз. Канал погас, но шар еще оставался». Очевидцы иногда утверждают, что шаровая молния возникла в месте ветвления канала линейной молнии: «Шаровая молния вылетела из места пересечения трех линейных молний, взорвалась около дуба, который расщепила от вершины до корня на щепки. Убила человека под дубом». «Возникла в месте разветвления линейных молний, и стала плавно падать на землю». «Наблюдал над головой (100-150м). Две молнии образовались вверху из канала линейной молнии. Одна распалась, другая взорвалась»,

Наблюдатели сообщают об образовании шаровой молнии в месте попадания линейной молнии в землю или в воду. «Образовалась при ударе в воду линейной молнии, выскочила из воды на 50 см. Исчезла в воде с громом, образовав облако пара». Есть сообщение о появлении трех шаровых молний после удара линейной молнии в ЛЭП, о появлении шара при ударе линейной молнии в дом. Приведем одно из таких описаний: «Вошла в дом сразу после разряда линейной молнии, попавшей в этот дом, через трубу русской печи. Упала на пол, скачками докатилась до середины комнаты. Рассыпалась на маленькие язычки, один из которых был около ног, не причинив ожога. Образовалось много дыма. Линейная молния расколола стропилу на потолке». Другой наблюдатель сообщает: «После удара в громоотвод одновременно двух линейных молний, образовалась шаровая молния, которая медленно стекла по стержню, убывая в размерах». Особенно много фактов образования объекта при поражении деревьев линейной молнией: «Образовалась в 1 м от дерева, в которое ударила линейная молния», «Видел, что шаровая молния образовалась при поражении дерева двумя линейными молниями. Скатилась по дереву и укатилась в низ под холм», «Шаровая молния появилась после удара молнии в дерево рядом с железнодорожной будкой. Проникла в щель в стекле окна, прошла около провода и взорвалась в 10 см от наблюдателя».

Появление шаровой молнии из металлических предметов очевидцы в большей части связывают с близким и сильным разрядом линейной молнии: «Появилась из радио розетки в момент грозового разряда или немного позднее», «Вышла из патрона электрической лампочки после сильного разряда молнии», «Появилась после близкого удара линейной молнии около люстры». «Молния ударила в антенну телевизора, штекер которой лежал на батарее отопления; он дважды подскочил. От ввода антенны отделилось два шара, по 10 см диаметром. Один из них ушел в другую комнату и взорвался. При взрыве провод электропроводки исчез на протяжении 1 см, появилось закопченное пятно Æ 15-20см. Куда делся второй шар, не видели». Вот описание «эксперимента», к счастью удачно закончившегося: «Сунул гвоздь в одно из отверстий электророзетки. В это время над крышей раздался удар грома. Отдернул руку. Вслед за гвоздем выскочил шарик, который начал падать по дуге, а затем взорвался с образованием искр каплевидной формы в течение секунды погасших».

Итак, шаровая молния появляется из розетки, из патрона электрической лампочки или вблизи люстры, из трубки телефона или из телеграфного аппарата, из работающего приемника или из разрядника грозозащитного приемника, из отверстия в окне, через которое проходит телевизионная антенна или из отверстия в стене для заземления и, даже, из водопроводного крана. Она появляется после сильного разряда линейной молнии или близкого удара грома. В грозу шаровая молния может возникнуть между проводами электролинии, ее можно наблюдать около проводов или движущейся вдоль проводов, она может появиться на железных предметах (например, на железных периллах). Обратимся к очевидцам: «Вошла через щель в окне после сильного разряда линейной молнии. Ушла расколов коробку двери», «Спустилась по антенне в окно, взорвалась, разбила стекло, рама загорелась», «Вылетела из люстры и полетела под углом 450 к горизонту в угол комнаты, коснувшись, пола она подпрыгнула несколько раз как мяч и рассыпалась», «Появилась после близкого удара грома. Издавала потрескивание. Из белого шарика образовался как бы комок перепутанной проволоки в разноцветных искрах. Погасла, не долетев 0,5 м до стены», «Появилась из ножей рубильника заземления передвижной радиостанции. Поверхность пульсировала. Медленно опустилась насм, затем пошла параллельно стенке. Дойдя до окна, зависла на 2-3 сек и с треском исчезла в трещине стекла, оставив запах озона и след на трещине». «Вошла в комнату через антенну. Ушла в землю через рубильник антенны, который был отключен от земли и от приемника»

В исследуемой выборке, т. е. выборке, когда наблюдатели видели момент возникновения шаровой молнии, как и в полной выборке, способы исчезновения объекта одинаковы: взрыв, распад или спокойное погасание. И хотя, как уже указывалось выше, рассматриваемая выборка не является репрезентативной, существует определенная корреляция между способом распада объекта для обеих выборок. Эта информация приведена в таблице 1. Во второй и третьей строках таблицы даны данные для полного (выборка 1) и исследуемого (выборка 2) распределений. В первом столбце таблицы указаны число случаев и их процентное отношение к случаям, содержащим ответ на вопрос о способе распада к общему числу (указанных строкой ниже) ответов. Во 2 ом, 3 ем и 4 ом столбцах таблицы содержится информация о способе исчезновения объекта.

Таблица 1

Из таблицы видно, что «распад» объекта наблюдается достаточно редко, и данные по распаду для обоих распределений практически совпадают. Заметно перераспределение «взорвавшихся» и «спокойно погасших» молний во второй выборке в сторону последних. Распределение 2 возможно ближе к истине. Одним из вариантов ответа на вопрос о способе исчезновения шаровой молнии был пункт «ушла из поля зрения». В таблицу 1 введен пятый столбец, содержащий число этих ответов и отношение (в %) их числа к общему числу ответов. Если сложить процентное содержание ответов «ушла из поля зрения» и «спокойно погасала», то получим очень близкий результат для обеих выборок. Возможно, это связано с тем, что наблюдателям трудно отличить объект «спокойно погасший» от объекта «ушедшего из поля зрения».

Как видим, основными способами исчезновения шаровой молнии являются «спокойное погасание» ( > 30 %) и «взрыв» ( >50 %). При спокойном погасании свободно парящая в воздухе молния по наблюдениям очевидцев просто исчезает, не оставляя после себя следов. В этом случае выделение энергии идет по двум каналам: через испарение ее вещества и тепловым излучением. Для молнии радиуса 10 см за время ~ 10 с выделяемая энергия шаровой молнии без контакта с окружающими телами равна по порядку величины 10 ¸ 20 кДж. Если считать, что эта величина близка к полной энергии, накопленной в веществе шаровой молнии, то плотность энергии будет составлять 2 ¸ 5 Дж/см3 или 1.5 ¸ 3 эВ на каждую пару ионов [2]. Распад шаровой молнии происходит в 10 ¸ 13 % случаев и связан, по-видимому, с нарушением устойчивости на границе раздела фаз, что приводит к раскачке поверхностных волн и выбрасыванию кусков вещества. Взрыв феномена происходит в основном либо при непосредственном контакте с окружающими предметами, либо вблизи их. Шаровая молния часто разряжается в металлические предметы, образуя светящийся канал. Это сокращает ее время жизни и, в этом случае, она имеет, по-видимому, другую природу выделения энергии, величина которой меняется в очень широких пределах [2].

Время жизни. Оценим время жизни шаровой молнии в случае спокойного погасания, исходя из кластерной гипотезы и в предположении испарения ионов [2], [4]. Энергия связи ионов для шаровой молнии радиуса приблизительно равна 4¸6 кДж. Таким образом, шаровая молния содержит энергию достаточную для испарения ее вещества без притока энергии извне. Число заряженных частиц , как и его изменение со временем , зависит от плотности заряда радиуса шара . Оно убывает по закону:

где - плотность потока ионов, - площадь поверхности шара, средняя тепловая скорость.

Рассмотрим два случая: а) когда плотность заряженной компоненты вещества шаровой молнии постоянна и в) когда радиус объекта постоянен.

а) В первом случае производная числа частиц по времени равна , что с учетом (1) дает следующее дифференциальное уравнение:

или линейную зависимость радиуса от времени (или времени от радиуса). Тогда время полного испарения ионов , будет равно:

в) В случае постоянного радиуса испарение должно приводить к уменьшению плотности. Это может реализоваться вследствие поступления нейтральных молекул из воздуха или из оболочек кластеров. Дифференцируя по времени и учитывая (1), получим:

, где

Таким образом, время жизни шаровой молнии в этом случае составляет (2¸3) от предыдущего, что говорит о практическом совпадении оценок (2) и (3).

Температура вещества шаровой молнии находится в пределах , работа выхода заряда из среды [2], тогда при массе иона М= 3×10-22 г. и , для и имеем и соответственно. Таким образом, существует положительная корреляция между размером и временем жизни шаровой молнии . Молнии большего диаметра живут дольше. Это подтверждается и наблюдениями, и статистической обработкой [1], [14]. Как уже отмечалось, в рассматриваемом случае, мы имеем линейную зависимость времени жизни от диаметра. Малые молнии (Æ ~1 см) должны исчезать за (1¸2) с, в то время как для больших (Æ ~30¸50 см) время жизни может доходить до минуты и более. Экспоненциальная зависимость времени от температуры накладывает узкие рамки на величину температуры (500¸600 K), так даже небольшое отклонение от этого температурного интервала приводит либо к слишком большому или слишком малому значению .

Последствия взаимодействия с окружающими телами. Рассмотрим выборку, в которой наблюдатели явились свидетелями последствий взаимодействия шаровой молнии с окружающими предметами. Таких очевидцев в полной выборке оказалась почти четверть (22.7%; 348 события). В подавляющем большинстве взрыв шаровой молнии на открытом воздухе обычно не наносит ущерба и не влечет за собой сильной ударной волны, ни значительного нагревания воздуха. Более двух третей наблюдателей отмечают только вспышку и (или) звук (138 событий, 37,7 %) или слабые повреждения (101 событие, 29,0 %;). Эти сведения приведены в таблице 2.

Таблица 2

Нулевая, первая и вторая колонки таблицы содержат информацию об указанных выше случаях; во второй строчке представлены последовательно: число событий, процентное отношение числа этих событий к числу сообщений в рассматриваемой выборке и процентное отношение к полному числу имеющихся анкет. К слабым повреждениям отнесены такие как раскалывание мелких предметов, следы ожога или копоти на дереве или бумаге, загорание, ожоги на коже, ощущение взрывной волны. В колонках 3 и 4 указаны соответствующие величины при сильных (раскалывание деревьев, столбов, пробивание стен, большие ожоги, разрушение кирпичной трубы) и очень сильных повреждениях. К очень сильным разрушениям в наших данных отнесены два случая: разрушение дачного домика и сообщение о попадании шаровой молнии сначала в трансформаторную будку, а затем в дом напротив, с разрушением в нем русской печи и образованием дыр с кулак величиной в перегородке и трубе. В таблице 2 приведены также число сообщений об оплавлениях металлических и стеклянных предметов (колонка 5) и об испарении воды (колонка 6).

В основном наблюдатели говорят о взрыве без последствий, который обычно сопровождается звуком: «треск», «искры и треск», «оглушительный треск», «сильный грохот», «выстрел, как из ружья», «при взрыве задрожало стекло». Иногда это тепловое воздействие: «Шаровая молния вышла через марлевую занавеску в открытой форточке, в которой прогорело отверстие диаметром 3-4 см» или физиологическое: «Молния «прокатилась» по щеке и руке, обожгла их и «парализовала». Впоследствии все прошло». Отмечаются случаи оплавления металла или проплавления стекла: «расплавила провод», «вошла через наружную антенну расплавив ее», «расплавилась розетка», «прожгла стекло в магазине», «на земле сплавила песок». Вот еще описания: «Молния притянулась к острию радиоприемной мачты (30м высоты). При исчезновении хлопок. Одна из стяжек мачты со звоном отскочила. На деревянном стволе мачты и у основания следы ожогов. Конец стяжки оплавлен. Летели искры как при электросварке», «При взрыве около розетки повредила стену. Углубление 20 см, диаметром 35 см. металлические части розетки расплавились; стена закоптилась, капли металла прожгли подушку. Вместо предохранителя был вставлен нож. Лезвие ножа выгорело, и на нем образовалась капля металла Æ 4мм. Электропроводка на расстоянии 3м сильно пострадала. Счетчик пришлось заменить. Кончик ножа был похож на кусочек шлака». Описывают, что во время дождя «идет пар от испаряющихся капель». При поражениях деревьев шаровой, как и линейной, молнией кора дерева сходит и образуется вытянутый рубец в несколько метров длиной, часто до самого корня. От дерева отщепляются и разбрасываются в стороны щепки. Таким же способом расщепляются и деревянные столбы, например, опоры линий электропередачи. «Шаровая молния разворотила угол сарая и разбила в щепки оглобли. Береза, стоявшая около сарая была расщеплена», «ушла расколов коробку двери», «При взрыве разбила стропилу на мелкие длинные щепки. Разбила коробку окна, щепки разлетелись на 30 м, расколола стенку под окном».

Наиболее информативными являются описания сильных повреждений. Их сравнительно немного (колонка 3, табл. 2, 65 сообщений). Но обычно такие случаи охватывают весь спектр событий, наблюдающихся при взаимодействии объекта с окружающими предметами. Это позволяет в частности произвести оценку энергии при взрыве шаровой молнии. «Шаровая молния влетела в открытую порывом ветра форточку после сильного грозового удара. Это был шар ярко желтого цвета с голубовато-фиолетовым отливом, диаметром 15-16 см. Молния двигалась плавно, горизонтально, на высоте 1,5 м, сделала полукруг вокруг стола, у которого сидели люди. Недалеко от камина она снизилась, и вдвое ускорив движение, влетела в полуоткрытую дверь топки, при этом шаровая молния вытянулась и утончилась. Через 2-3 сек раздался грохот взрыва на крыше. Все это заняло около одной минуты. Кирпичная труба оказалась разрушенной до основания. Часть кирпичей нашли в 30 – 40 м от дома. Щель в дверце была не более 5 см. На дверце не осталось никакого следа». В этом случае описаны прохождение объекта через щель, и разрушение шаровой молнией кирпичной трубы. Разлет кирпичей на расстояние около 30-40 м приводит к значению горизонтальной начальной скорости - около 30-40 м/с. Массу кирпича примем равной 2 кг, высоту дома вместе с трубой 6 м, тогда

Подставляя это значение в уравнение (5), получим , т. е. . Из последнего уравнения следует, что расстояние является функцией угла . Для наибольшего удаления необходимо, чтобы производная функции по обратилась в нуль, т. е. , или . Откуда получаем . или . Подставляя значение в уравнение (5) находим максимальную дальность . Скорость для этой дальности равна и .

Таким образом, энергия разлета при максимальной дальности будет равна:

, т. е. энергия взрыва не превышает (10 ¸ 20) кДж, что при радиусе 8 см дает плотность энергии равной (4,6¸ 9,2) Дж/см2.

Интересный случай посещения шаровой молнии в июне 1984 г. дачного дома в районе г. Павлов–Посад и разрушений, произведенных ею, был детально исследован автором монографии [1] и в дальнейшем был включен в третье, посмертное издание книги, а так же был описан в [11]. Шаровую молнию видела хозяйка дачи с расстояния 30 см на первом этаже дома после грозы. В результате этого посещения разлетелся на мелкие части корпус электрического счетчика, медные провода которого распылились и осели в виде желтого пятна на стену; перегорели приемник и два телевизора (не включенные); сгорели провода наушников; прогнулась металлическая черепица на крыше. В этом месте загорелась балка и образовалась дыра. Оказалось, что на втором этаже (мансарда) проплавлено стекло в окне (круглое отверстие диаметром 10 см с правильными краями без оплавлений) и выбита рама из находящегося против него окна. Деревянные доски этой рамы были расщеплены на мелкие волокна; выбитые стекла большей частью находились на улице, но часть осталась на чердаке. Расщепление древесины на мелкие нити - свидетельство того, что выделение энергии происходило в толще древесины, а не вне ее. Сама рама пролетела по горизонтали расстояние м. с высоты м. Полагая, что масса ее равнялась 40¸50 кг, можно оценить энергию, пошедшую на приведение в движение рамы

, где , т. е. .

Возможно, что разрушения в мансарде были произведены другой молнией, которую никто не видел. Кроме того, были обнаружены повреждения и вне дома: оборвался провод, ведущий от столба к дому; перегорел кабель, идущий по стене дома к мотору от насоса для накачки воды, но мотор остался цел; в соседнем доме вышел из строя холодильник.

Как видим, взаимодействие шаровой молнии с окружающими телами имеет широкий спектр. В рассмотренном выше случае шаровая молния вывела из строя радио и телеаппаратуру, холодильник, оборвала провод, повредила кабель идущий к насосу, оставив мотор неповрежденным, расплавила провода наушников, проплавила отверстие в стекле, выбила и расщепила на мелкие волокна раму.

Непредсказуемый характер носит встреча шаровой молнии с человеком или животным. Сообщений о прямом контакте с ней без последствий вполне достаточно. Однако по большей части поражения людей и животных от шаровой молнии носят характер токовых. Наблюдатель нередко ощущает удар тока при взрыве шаровой молнии на расстоянии от него. Контакт с шаровой молнией зачастую вызывает болезненные явления, аналогичные явлениям при поражении током, а встреча с нею может закончиться трагически. В этом случае нередко на теле обнаруживается характерный узор – елочка. Приведем описания случаев со смертельным исходом. «Линейная молния попала в сарай. При разряде образовалась шаровая молния. Она вошла в избу, проплавив отверстие в стекле (диаметр отверстия около 5 см). В комнате сидело 10 человек. Посреди комнаты находилась девочка 13-15 лет, сидевшая на стуле. Увидев молнию, она вскрикнула от испуга и сильно вдохнула воздух. Шаровая молния втянулась в нее. Девочка мгновенно погибла. Полость рта была обуглена». По всей вероятности девочка погибла от ожога горла и пищевода. Других повреждений (кроме проплавления стекла) молния в этом случае не нанесла. «Молния ударила в сарай, после чего из ворот сарая вылетела шаровая молния белого цвета, диаметром 35-40 см. Шар налетел на двух солдат, которые несли на палке ведро; убила одного из них, а второго оглушила. После этого диаметр шара уменьшился до 10-12 см. и он стал желтоватый, как солнце. Этот шар долетел до большого ручья, образовавшегося от дождя и, коснувшись воды, взорвался и исчез, разбрызгав воду в радиусе 10-15 см».

Оценка энергии шаровой молнии достаточно подробно изложена в монографии [1] и статье [2]. Световая энергия шаровой молнии невелика, а тепловое излучение дает значение от десятка до нескольких десятков кДж. Оценка величины энергии по расщеплению древесины (вещество шаровой молнии всасывается в щели дерева и взрывается внутри, что приводит к расщеплению дерева вдоль волокон) дает цифру (100 ¸ 200) кДж. При оценке по оплавлениям получается большой разброс энергии - от нескольких кДж до нескольких десятков кДж. Энергия, выделяющаяся при взрывах, различается не менее чем на 2-3 порядка. Это может быть, в частности, связано и с объемом объекта. Так изменение радиуса шара в два раза может привести к восьмикратному изменению запаса энергии. Таким образом, можно считать энергию шаровой молнии заключенной в пределах между несколькими кДж и несколькими сотнями кДж. Плотность энергии при этом будет порядка (1 ¸ 10) Дж/см3.

Вероятно, разброс энергии выделяемой шаровой молнией не случаен и он связан с электрическими ее проявлениями. Похоже, что и взрыв шаровой молнии является электрическим разрядом, а не взрывом в обычном смысле слова. Если это так, то энергия, выделяемая при взрывах и оплавлениях, не имеет отношения к запасу энергии в шаровой молнии [2]. Возможно, что и оплавления являются результатом действия электрического тока, возникающего при ее взрыве, как и токовые поражения шаровой молнией людей и животных. Шаровая молния представляет опасность, когда земля и находящиеся на ней предметы сильно наэлектризованы, т. е. когда в окружающем пространстве имеются сильные электромагнитные поля, что довольно часто случается во время грозы. В противном случае встреча с нею не представляет угрозы, и даже прямой контакт может пройти безо всяких последствий.

Электрические проявления. Электрические эффекты, связанные с появлением шаровой молнии являются ключом к пониманию этого явления. К этому выводу пришел автор монографии [1], во втором издании которой впервые в научной литературе были описаны и проанализированы эти эффекты. Кроме того, в монографии были рассмотрены и случаи наблюдения шаровой молнии в установках, созданных человеком. Полученный искусственный объект по наблюдаемым свойствам ничем не отличается от естественной шаровой молнии.

По описаниям очевидцев движение шаровой молнии может сопровождаться появлением тока в цепях. «Двигалась вдоль провода; при контакте с ним давала ток, от которого загорелась электрическая лампочка тусклым накалом. Линия была оборвана, и тока от станции в ней не было». При исчезновении шаровой молнии в некоторых случаях происходит вспышка электрической лампочки при отсутствии тока в сети. При взрыве шаровой молнии могут обнаруживаться токи, которые текут в проводниках и действие которых может проявляться на значительном удалении от нее (метры и десятки метров). Взрыв может приводить к перегоранию лампочек, порче электроприборов (например, к плавлению обмоток трансформатора), перегоранию предохранителей. «Во время грозы увидела, как в открытую дверь вошла шаровая молния диаметром около 30 см, голубого цвета с белыми прожилками. По дороге задела счетчик, который сразу же перегорел. Ушла на чердак». «При взрыве шаровой молнии на полу консервного завода, отключилось электроосвещение и электромоторы. Через несколько минут электроснабжение возобновилось».

Электрические эффекты, связанные с шаровой молнией проявляются 1. – в ее разряде в проводник, 2 - в перегорании пробок, проводов, электроприборов, 3 - в токовых поражениях людей и животных, 4 - в срабатывании электроприборов. В таблице 3 приведено распределение по этим проявлениям для трех выборок. Рассмотрена полная выборка (1531 событие), в которой 14,4 % наблюдателей сообщили об наблюденных ими электрических эффектах (вторая строка, 221 сообщение).

Таблица 3

Рассмотрены еще две выборки. Одна из них относится к случаю наблюдения возникновения шаровой молнии (156 событий), вторая – к наблюдению, как ее появления, так и исчезновения (115 событий). В указанных выборках 23,1 % и 28,3 % сообщений содержат информацию об ее электрических проявлениях (третья и четвертая строки, 36 и 32 события, соответственно). В соответствующих строках таблицы даны число случаев и их процентное содержание в этих выборках. Из таблицы видно, что более 55 % наблюдателей сообщают о разряде молнии в проводник.

Появление шаровой молнии тесно связано с грозовой активностью атмосферы. Несмотря на то, что 12,5 % наблюдений для наших данных происходит в ясную погоду, наблюдатели обычно в этом случае пишут о предгрозовом состоянии атмосферы, или же об уже прошедшей грозе. На корреляцию между появлением шаровой молнии и грозовой активностью указывают и японские исследователи, хотя шаровые молнии в Японии наблюдают в основном в ясную и пасмурную погоду и в отсутствии гроз (грома) [15]. Наблюдения в ясную погоду составляют примерно 10 % от общего числа наблюдений для данных [16], [17]. Хорошая корреляция между нашими данными и данными И вполне объяснима, так как они относятся к наблюдениям на одной и той же территории.

Электрические эффекты, сопровождающие шаровую молнию, резко сужают круг гипотез, претендующих на объяснение природы этого явления. Эти эффекты не совместимы с нейтральным составом вещества шаровой молнии и позволяют по-новому взглянуть на природу этого явления. Химические теории не могут объяснить не только поверхностного натяжения вещества шаровой молнии, но электрических ее проявлений и связанных с этим особенностей ее поведения. В частности [1], [2] была подвергнута критике активно развиваемая в то время [18], химическая теория Дж. Барри. В заключении ко второму изданию монографии в нескольких фразах формулирует физические свойства феномена, следующие из анализа наблюдений: «Шаровая молния представляет собой проводящую среду с плотностью воздуха при температуре близкой комнатной. Эта среда образует отдельную фазу в воздухе с устойчивой фазовой границей и поверхностной энергией на границе раздела фаз. Рассматриваемый проводник имеет низкую работу выхода и может снимать и рассеивать заряды с проводников. Его молекулы метастабильны и выделяют энергию, служащую источником излучаемого тепла и свечения». Таким образом, он приходит к выводу о том, что шаровая молния состоит из проводящего вещества и играет роль триггерного механизма, который рассеивает заряд, накопившейся на проводниках во время грозы. Именно в этом заключается причина столь широкого разброса, как степени тяжести поражений человека, так и степени последствий взаимодействия шаровой молнии с окружающими предметами.

Заключение. Собранные по заранее обдуманной методике (анкетирование очевидцев, включая повторное) и для вполне определенной цели (выбор правильного направления экспериментальных поисков) данные , были и остаются уникальным банком данных. На основе анализа этих данных была написана монография [1], не имеющая аналога ни в отечественной, ни зарубежной литературе. В ней фактический (наблюдательный) материал строго отделен от попыток его объяснения и в основных чертах создана физическая картина явления, которая вырисовывается из анализа наблюдений, а также сформулированы требования, которые необходимо предъявлять к гипотезам, претендующим на объяснение этого феномена. В предисловии ко второму изданию автор монографии пишет: «Тщательный анализ наблюдений позволяет выделить и сформулировать вполне определенные черты этого физического явления, которые хотя и представляются удивительными и необычными, но не противоречат фундаментальным законам физики». Включенная во второе издание пятая глава монографии посвящена ответу на вопрос: «Как создать шаровую молнию?»

Дальнейшая систематизация данных, представление их в виде многомерного вектора в пространстве свойств шаровой молнии и обстоятельств ее наблюдения, статистическая и компьютерная обработка этого большого числа событий убедительно показала справедливость высказанных автором монографии предположений относительно наблюдаемых свойств объекта [19]. Были исследованы различные выборки по различным свойствам [6]. Была показана устойчивость наблюдаемых характеристик шаровой молнии и установлено, что они мало зависят от различного рода обстоятельств, характеризующих условия наблюдения, само явление или наблюдателя [7]. На очереди работа по созданию сайта, с подробным описанием всех имеющихся в банке данных случаев наблюдения шаровой молнии с полной их статистической обработкой.

Автор выражает благодарность за проявленный интерес к работе и ряд ценных замечаний.

Литература

1.  (1979, 1985, 1996) О физической природе шаровой молнии, Атомиздат, Энергоатомиздат, Научный мир, Москва.

2.  (1987), ЖТФ, т.57, в. 8, с..

3.  , (1987), ЖТФ, т.57, в. 8, с..

4.  (1973), письма в ЖЭТФ, т.8, в.3, с. 193-196.

5.  Барри Дж. (1983), Шаровая молния и четочная молния, Мир, Москва, 286с.

6.  (2005), Материалы РКХТЯиШМ-12, Дагомыс - Москва 2005, с. 198

7.  (2005), Материалы РКХТЯиШМ-12, Дагомыс - Москва 2005, с. 216

8.  , , (1972), ЖТФ, т.42, в. 10, с.2187

9.  Tompkins D. R., Rodney P. F. and Gooding R. (1975), Bull. Am. Phys. Soc., v. 200, p.659

10.  (1974), ЖТФ, т.44, в.7, с.

11.  (2005), Прикладная физика, № 1, с.47-57.

12.  (1990), Огненные убийцы, Дебют, Ярославль, 32с.

13.  (1981), ЖТФ, т.51, в.4, с.856-858

14.  Stakhanova I. G. (1999), J. Moscow Phys. Soc., v.9, p.41-52

15.  Ohtsuki Y. H., Ofuruton H. (1987), Il Nuovo Cimento, v. 10C, № 5, p. 577-580.

16.  (1986), Метеорология и гидрология, № 6, с. 103-104.

17.  , (1989), ЖТФ, т.59, в.2, с.79

18.  (1975), УФН, т. 116, № 4, с.731-739.

19.  Stakhanova I. G. (1999), Proc. 6-th International Symposium on Ball Lightning, (ISBL99), Antwerp, Belgium, p.3-9.

PROPERTIES of the BALL LIGHTNING

I. G.Stakhanova

Pushkov Institute of Terrestrial Magnetism, Ionosphere and Radio Wave Propagation RAS, (IZMIRAN)

*****@***ru

The databank collected by I. P. Stakhanov about observation of the ball lightning is unique. It was created by specially developed method and for quite a definite purpose. The special algorithm and code are to determine characteristics of the ball lightning. This algorithm allows us to investigate its observed properties in various combinations and depending on different circumstances on the basis of this bank. The paper considers character of motion of the ball lightning, its temperature, superficial tension, density of material, electric manifestations, and impact on the surrounding bodies.