Адские колобки: Круглое электричество

Так описывает А. Елисеев в книге «Г.В. Рихман» из серии «Люди науки» гибель в 1753 году великого русского физика Георга Вильгельма Рихмана во время проведения исследований по атмосферному электричеству. Свидетелем трагедии был академический художник и гравер Иван Соколов, которого Рихман пригласил для зарисовки разрядов, возникающих при эксперименте. Он же и опознал убийцу: ей оказалась шаровая молния (ШМ). С тех пор прошло больше 250 лет, но преступник до сих пор не пойман. Хотя у «следователей» имеется масса подробной информации о его внешнем виде, повадках, местах и времени появления. Так в чем же проблема?

Обычно шаровая молния образуется во время грозы как следствие удара обычной молнии. Но не исключено появление ШМ и в ясную погоду. Розетки, радиоприемники, телефоны и даже гвозди, вбитые в стену, — далеко не полный список эпицентров рождения ШМ, описанных очевидцами. ШМ может делиться на части и собираться из кусков. Может издавать звук, похожий на шорох, или двигаться бесшумно. Обычно она парит со скоростью порядка 1 м/с на высоте 1−3 м, повторяя рельеф местности или обстановку в помещении. Часто ее траектория связана с движением вдоль линий ЛЭП или других металлических конструкций. Но, по рассказам летчиков, она умеет «играть в перегонки с самолетом», развивая скорость более 400 км/ч. Известна способность ШМ просачиваться в дом сквозь узкую щель плохо закрытой форточки или проплавлять отверстие в стекле. ШМ является источником высокочастотного излучения и способна при близком контакте вызывать у человека ожоги, испарять металлические предметы или спекать почву. Однако на расстоянии более 1 м от наблюдателя ШМ почему-то не вызывает у него ощущения тепла. ШМ имеет электрический заряд. При ее контакте с электроприборами возникающий ток приводит к оплавлению их металлических частей. В 30% случаев контакт с людьми приводит к летальному исходу. Но известны случаи, когда ШМ касалась очевидцев, не причиняя им вреда, оставляя после себя лишь ощущение «ласкового тепла от костра». Время жизни ШМ составляет от двух секунд до трех минут. Прекращая свое существование, она может «растаять» в воздухе или взорваться. Создается впечатление, что поведение ШМ зависит от ее «настроения». В «благодушном» может обласкать нежным теплом и, безобидно шурша, «растаять», в «гневе» — нанести смертельные ожоги.

«В природе не существует другого объекта с таким количеством противоречивых свойств, — рассказывает "ПМ" ведущий научный сотрудник ИНЭП ХФ РАН Анатолий Никитин. — В настоящее время о свойствах шаровой молнии нам известно практически все. Новые наблюдения, как правило, лишь подтверждают ранее полученные. Но от этого понимание физической сути ШМ не стало яснее». Постоянно на планете существует не менее ста шаровых молний. Вероятность встретиться с ней составляет менее 0,1%. Большинство ученых, занимающихся изучением ШМ, никогда ее не видели. Анатолию было 10 лет, когда при совершенно ясном небе он увидел над головой красный шар размером 30 см, летящий вдоль проводов телефонной линии. Шар улетел, а интерес остался на всю жизнь.

«Пока единственной количественной областью исследования ШМ является статистическая обработка результатов ее наблюдения, — продолжает Анатолий Ильич. — Она сыграла положительную роль в определении характеристик этого природного явления. Мы точно знаем, что наблюдаемые свойства относятся к одному и тому же объекту, а не к разным явлениям природы. Но есть и отрицательные черты: характеристики усредняются в стремлении создать портрет ‘средней' ШМ. При этом отбрасываются редкие, но, возможно, ключевые ее свойства. В результате многие исследователи строят модели не реальной, а ‘средней' ШМ. Например, энергия ‘средней' ШМ оказывается равной всего 20 кДж. Однако есть надежные сообщения, показывающие, что ее энергия на несколько порядков больше этого значения. Например, случай, когда большая, около полуметра в диаметре, ШМ попала в 7-кубовый котел с водой и нагрела ее до кипения — в этом случае энергия ШМ должна быть не меньше 2000 МДж, что эквивалентно энергии сгорания 200 л бензина. Разница со средним значением в 105 раз! Именно эта способность накапливать в ограниченном объеме большое количество энергии (до 1010 Дж/м3), осуществлять транспортировку, хранение и медленно расходовать ее, по моему мнению, и есть главная загадка шаровой молнии. Разгадав ее, объяснить поведение малоэнергетических ШМ уже не составит труда. В принципе, эту проблему можно снять, предположив, что источник энергии находится вне ее. Но тогда очень трудно вообразить каналы, которые остаются невидимыми при подводе к ШМ такой большой мощности. В случае с бочонком это примерно 10 МВт (что соответствует энергопотреблению 10 000 микроволновок)».

На сегодняшний день существуют сотни гипотез и моделей, описывающих существование ШМ. Но только три из них в состоянии объяснить столь высокую плотность энергии (до 1010 Дж/м3). Это электродинамическая модель, предложенная Анатолием Никитиным, модель униполярно заряженной шаровой молнии вице-президента Международного комитета по шаровой молнии Владимира Бычкова из МГУ и теория Гирта Дайкхауса, профессора Эйндховенского технологического университета и секретаря того же комитета.

Экспериментальные исследования ШМ начались еще в конце XIX века. Первопроходцем был французский физик Гастон Планте. Его идея заключалась в том, что ШМ является одной из структурных единиц линейной молнии. Схема эксперимента была простой. С клеммами мощной батареи напряжением несколько тысяч вольт соединялись два платиновых электрода. «Минус» погружался в раствор поваренной соли, и в момент соприкосновения «плюса» с поверхностью раствора на конце его возникал светящийся шарик. При увеличении тока шарик начинал расти и достигал радиуса нескольких сантиметров. По внешним признакам он был очень похож на ШМ, однако об автономном существовании не могло быть и речи: при выключении тока шарик просто «таял» в воздухе. (Интересно, что попутно со своим экспериментом Планте создал то, без чего не обходится ни один сегодняшний автомобиль: свинцово-кислотный аккумулятор.)

Сейчас о Планте мало кто помнит, хотя до сих пор именно идея его эксперимента в основном используется для получения лабораторной шаровой молнии. Как и прежде, исследователи имитируют разряд: замыкают электрическую цепь, содержащую конденсатор большой емкости, при этом возникает искра, играющая роль молнии.

Заметных успехов в этом направлении добились петербургские ученые Института ядерной физики РАН им. Константинова Антон Егоров и Геннадий Шабанов. Их установка представляет собой модифицированную схему Планте. Геометрия электродов и способ разряда усовершенствованы, но принцип остался тот же. На дно наполненной водой емкости опускается заземленный электрод, выполненный в виде кольца и играющий роль анода. Катод на несколько миллиметров выступает из воды. Его поверхность изолирована от жидкости кварцевой трубкой. После замыкания цепи с катода вверх фонтаном устремляется струя плазмы. Через 0,08 секунды цепь размыкают, и струя, оторвавшаяся от электрода, превращается в светящийся шар, на первый взгляд — точную копию шаровой молнии: та же форма, размер и интенсивность свечения. Поднимаясь вертикально вверх, шар по прошествии 0,2 секунды начинает «таять», через 0,4 секунды оставляя после себя лишь вихрь нагретого воздуха. Добиться горизонтального полета и времени жизни более 1 секунды экспериментаторам пока еще не удалось.

Группа научных сотрудников физического факультета МГУ им. Ломоносова, работающая под руководством доктора физико-математических наук Рунара Кузьмина, для получения ШМ изготовила похожую установку, но в ней банка с водой заменена тонкой металлической проволокой (медной, никелевой или титановой) диаметром 5 мм, натянутой между электродами в пластиковой кювете, наполненной горючей смесью. При разряде конденсатора по проволоке протекает большой ток, она испаряется, что вызывает возгорание образовавшихся паров смеси. В итоге наблюдается нечто похожее на ШМ, которые, по рассказам очевидцев, иногда «выдуваются» из электрических розеток. Но в отличие от природной ШМ, искусственный светящийся сфероид, отрываясь от электродов, вскоре превращается в нечто напоминающее дымовые кольца курильщика. Это «нечто» существует до минуты, после чего его граница постепенно теряет четкость и оно рассеивается в воздухе. Так что с уверенностью назвать это ШМ трудно.

Удивительные свойства плазменных образований — светящихся шариков размером порядка 1 см, вылетающих из плазмотрона с испаряющимися стенками, были исследованы в Институте высоких температур РАН в лаборатории Анатолия Климова. Было обнаружено, что они способны прожигать металлическую пластинку, оставляя нетронутым лист бумаги, и поглощают радиоизлучение в широком диапазоне спектра. Более того, Климов показал, что если окружить поверхность летящего предмета плазмой, то сила его трения о воздух может заметно уменьшиться. Это наблюдение объясняет случаи движения шаровых молний с высокими скоростями и прохождения сквозь небольшие отверстия.

«Нужно четко представлять, что ты хочешь сделать, и пытаться получить это в эксперименте, — дает совет Анатолий Никитин. — Сейчас же в основном используют метод проб и ошибок: генерируют мощный разряд и надеются, что вылетит ШМ. Иногда объекты этих экспериментов интересны сами по себе, структура их до конца еще не исследована. Но делать выводы о природе ШМ на основании этих опытов я бы не стал».

Сколько лет еще потребуется «следователям» на поимку «преступника», никто не знает. Но они не теряют надежды и уверенности, что «убийца» вскоре будет пойман и остаток своих дней проведет в четырех толстых стенах лаборатории. Хотя кто знает, что будет модно вешать под потолок в будущем: допотопную люстру или уютно шуршащую искрами шаровую молнию?

Благодарим Анатолия Никитина и Владимира Бычкова за консультации.