П.Л. Капица О ПРИРОДЕ ШАРОВОЙ МОЛНИИ Статья в журнале «Доклады АН СССР», N 2, 1955 г.
Природа шаровой молнии пока остается неразгаданной. Это надо объяснить тем, что шаровая молния — редкое явление, а по¬скольку до сих пор нет указаний на то, что явление шаровой молнии удалось убедительно воспроизвести в лабораторных усло¬виях, она не поддается систематическому изучению. Было выска¬зано много гипотетических предположений о природе шаровой молнии [1, 2], но то, о котором пойдет речь в этой заметке, по-видимому, еще не высказывалось. Главное, почему на него следует обратить внимание, это то, что его проверка приводит к вполне определенному направлению экспериментальных иссле¬дований.
Нам думается, что ранее высказанные гипотезы о природе ша¬ровой молнии неприемлемы, так как они противоречат закону со¬хранения энергии. Это происходит потому, что свечение шаровой молнии обычно относят за счет энергии, выделяемой при каком-либо молекулярном или химическом превращении, и таким обра¬зом, предполагают, что источник энергии, за счет которого све¬тится шаровая молния, находится в ней самой. Это встречает сле¬дующее принципиальное затруднение.
Из основных представлений современной физики следует, что потенциальная энергия молекул газа в любом химическом или ак¬тивном состоянии меньше той, которую нужно затратить на дис¬социацию и ионизацию молекул. Это дает возможность количе¬ственно установить верхний предел энергии, которая может быть запасена в газовом шаре, заполненном воздухом и размерами с шаровую молнию.
С другой стороны, можно количественно оценить интенсивность излучения с ее поверхности. Такого рода прикидочные вычисления показывают, что верхний предел времени высвечивания получается много меньше действительно наблюдаемого у шаровых молний. Этот вывод теперь также подтверждается опытным путем из опуб¬ликованных данных [3] о времени высвечивания облака после ядер¬ного взрыва. Такое облако сразу после взрыва, несомненно, яв¬ляется полностью ионизованной массой газа, и поэтому его можно рассматривать как заключающее в себе предельный запас потенци¬альной энергии. Поэтому, казалось бы, оно должно высвечиваться за время большее, чем наиболее длительно существующая шаровая молния подобного размера, но на самом деле этого нет.
Поскольку запасенная энергия облака пропорциональна объему (d3), а испускание поверхности ~ d2, то время высвечивания энер-
53
гии из шара будет пропорционально d, его линейному размеру. Полностью облако ядерного взрыва при диаметре d, равном 150 м, высвечивается за время меньшее, чем 10 сек [3], так что шар диа¬метром в 10 см высветится за время меньшее, чем 0,01 сек. Но на самом деле, как указывается в литературе, шаровая молния таких размеров чаще всего существует несколько секунд, а иногда даже минуту [1, 2].
Таким образом, если в природе не существует источников энер¬гии, еще нам не известных, то на основании закона сохранения энергии приходится принять, что во время свечения шаровой мол¬нии непрерывно подводится энергия, и мы вынуждены искать этот источник энергии вне объема шаровой молнии. Поскольку шаро¬вая молния обычно наблюдается «висящей» в воздухе, непосред¬ственно не соприкасаясь с проводником, то наиболее естествен¬ный, и, по-видимому, единственный способ подвода энергии — это поглощение ею приходящих извне интенсивных радиоволн.
Примем такое предположение за рабочую гипотезу и посмот¬рим, как согласуются с ней наиболее характерные из описанных явлений, сопровождающих шаровую молнию [1, 2, 4].
Если сравнить поведение шаровой молнии со светящимся об¬лаком, оставшимся после ядерного взрыва, то бросается в глаза следующая существенная разница. После своего возникновения облако ядерного взрыва непрерывно растет и бесшумно тухнет. Шаровая молния в продолжение всего времени свечения остается постоянных размеров и часто пропадает со взрывом. Облако ядер¬ного взрыва, будучи наполнено горячими газами с малой плотно¬стью, всплывает в воздух и поэтому двигается только вверх. Шаровая молния иногда стоит неподвижно, иногда движется, но это движение не имеет предпочтительного направления по отно-шению к земле и не определяется направлением ветра. Теперь по¬кажем, что эта характерная разница хорошо объясняется выдви¬нутой гипотезой.
Известно, что эффективное поглощение электромагнитных ко¬лебаний ионизованного газового облака — плазмы — может проис¬ходить только при резонансе, когда собственный период электро¬магнитных колебаний плазмы совпадает с периодом поглощаемого излучения. При тех интенсивностях ионизации, которые ответствен¬ны за яркое свечение шара молнии, резонансные условия всецело определяются его наружными размерами.
Если считать, что поглощаемая частота соответствует собствен¬ным колебаниям сферы, то нужно, чтобы длина К поглощаемой волны была приблизительно равна четырем диаметрам шаровой молнии (точнее, λ = 3,65 d). Если в том же объеме ионизация газа слаба, то, как известно, тогда период колебаний плазмы в основ¬ном определяется степенью ионизации, причем соответствующая
54
резонансная длина волны всегда будет больше, чем та, которая определяется размерами ионизованного объема и, как мы указали, равна 3,65 d.
При возникновении шаровой молнии механизм поглощения можно себе представить так: сперва имеется небольшой по срав¬нению с (π/6) d3 объем плазмы, но если ионизация его будет слаба, то все же резонанс с волной длины λ = 3,65 d будет возмо¬жен и произойдет эффективное поглощение радиоволн. Благодаря этому ионизация будет расти, а с ней и начальный объем сферы, пока она не достигнет диаметра d. Тогда резонансный характер процесса поглощения будет определяться только формой, и это приведет к тому, что размер сферы шаровой молнии станет устой¬чивым.
Действительно, предположим, что интенсивность поглощаемых колебаний увеличивается, тогда температура ионизованного газа несколько повысится и сфера раздуется, но такое увеличение вы¬ведет ее из резонанса и поглощение электромагнитных колебаний уменьшится, сфера остынет и вернется к размерам, близким к ре¬зонансным. Таким образом можно объяснить, почему наблюдае¬мый диаметр шаровой молнии в процессе свечения остается по¬стоянным.
Размеры наблюдаемых шаровых молний лежат в интервале от 1 до 27 см [4]. Согласно нашей гипотезе, эти величины, помно¬женные на четыре, дадут тот диапазон волн, который ответствен в природе за создание шаровых молний. Наиболее часто наблюдае¬мым диаметрам шаровых молний от 10 и 20 см [1] соответству-ют длины волн от 35 до 70 см.
Местами, наиболее благоприятными для образования шаровых молний, очевидно, будут области, где радиоволны достигают наи¬большей интенсивности. Такие места будут соответствовать пуч¬ностям напряжения, которые получаются при разнообразных воз¬можных интерференционных явлениях. Благодаря повышенному напряжению электрического поля в пучностях, их положение будет фиксировать возможные места шаровой молнии. Такой механизм приводит к тому, что шаровая молния будет передвигаться с передвижением пучности, независимо от направления ветра или конвекционных потоков воздуха [1, 2].
Как возможный пример такого фиксированного положения ша¬ровой молнии рассмотрим случай, когда радиоволны падают на проводящую поверхность земли и отражаются. Тогда благодаря интерференции образуются стоячие волны и на расстояниях, рав¬ных К, длине волны, помноженной на 0,25; 0,75; 1,25; 1,75 и т. д., будут образовываться неподвижные в пространстве пучности, в ко¬торых напряжение электрического поля удваивается по сравне¬нию с падающей волной. Вблизи этих поверхностей благодаря
55
повышенному напряжению будут благоприятные условия как для создания начального пробоя, так и для дальнейшего развития и поддержания ионизации в облаке, образующем шаровую молнию. Таким образом, поглощение электромагнитных колебаний ионизо¬ванным газом может происходить только в определенных поверх¬ностях, параллельных рельефу земли. Это и будет фиксировать в пространстве положение шаровой молнии.
Такой механизм объясняет, почему шаровая молния обычно со¬здается на небольшом расстоянии от земли и часто передвигается в горизонтальных плоскостях. При этом наименьшее расстояние центра шаровой молнии до проводящей поверхности будет равно 1/4 длины волны и, следовательно, зазор между отражающей по¬верхностью и краем шара должен быть примерно равен его радиусу.
При интенсивных колебаниях вполне возможно, чтобы в ряде пучностей образовывались отдельные шаровые молнии, на расстоя¬нии полудлины волны друг от друга. Такие цепочки из шаровых молний наблюдаются, они носят название «четочных» молний и даже были засняты [2].
Наша гипотеза также может объяснить, почему иногда шаровая молния пропадает со взрывом, который не причиняет разрушений [1, 2]. Когда подвод мощности внезапно прекращается, то при малых размерах остывание шара произойдет так быстро, что обра¬зуется сфера разреженного воздуха, при быстром заполнении ко¬торой возникает ударная волна небольшой силы. Когда же энергия медленно высвечивается, гашение будет процессом спокойным и бесшумным.
Выдвинутая нами гипотеза может дать удовлетворительное объ¬яснение, пожалуй, наиболее непонятному из свойств шаровой молнии — ее проникновению в помещение через окна, щели и чаще через печные трубы. Попав в помещение, светящийся шар в про¬должение нескольких секунд либо парит, либо бегает по проводам [1, 2, 4]. Таких случаев описано столько, что их реальность не вызывает сомнения.
С нашей точки зрения, весьма интересен случай [5], когда в аэроплан, пересекающий грозовую тучу на высоте 2800 м, влетела шаровая молния. Нашей гипотезой все эти явления объясняются тем, что проникновение в замкнутые помещения шаровых молний происходит благодаря тому, что они следуют по пути коротковол¬новых электромагнитных колебаний, распространяющихся либо че¬рез отверстия, либо по печным трубам или проводам как по вол¬новодам. Обычно размер печной трубы как раз соответствует тому критическому сечению волновода, в котором могут свободно рас¬пространяться волны длиною до 30—40 см, что и находится в соответствии с наблюдаемыми размерами шаровых молний, про¬никающих в помещение [1].
56
Таким образом, гипотеза о происхождении шаровой молнии за счет коротковолновых электромагнитных колебаний не только мо¬жет объяснить ряд других известных и непонятных явлений, свя¬занных с явлением шаровой молнии, как то: ее фиксированные размеры, малоподвижное положение, существование цепочек, взрыв¬ная волна при исчезновении, — а также ее проникновение в по¬мещение.
Тут следует поставить вопрос, не происходит ли давно наблю¬даемое в природе явление тлеющего кистеобразного свечения, на¬зываемого «огни св. Эльма», также за счет электромагнитных ко¬лебаний, но более слабых мощностей. До сих пор [6] это свечение объяснялось стеканием зарядов с острия, происходящим благодаря постоянному напряжению, возникающему при больших разностях потенциалов между землей и тучей. Такое объяснение было вполне естественно до тех пор, пока это свечение наблюдалось на земле, где можно указать замкнутый путь постоянного тока, но теперь описаны случаи, когда «огни св. Эльма» продолжительное время наблюдаются на фюзеляжах летящих самолетов [7]. Поэтому воз¬можно, что и тут выдвинутая нами гипотеза может помочь ре¬шению трудности.
Хотя выдвинутая гипотеза успешно разрешает ряд основных трудностей понимания процесса шаровой молнии, все же следует указать, что этим еще вопрос до конца не решается, так как нуж¬но еще показать существование в природе электромагнитных коле¬баний, питающих шаровую молнию. Тут в первую очередь нужно ответить на естественно возникающий вопрос: почему во время грозы излучения электромагнитных колебаний в области той дли¬ны волны, которая нужна для создания шаровой молнии, до сих пор не описаны в литературе?
Пока еще не было направлено внимание на обнаружение во время грозы этих волн, нам думается, можно предположить сле¬дующее. Поскольку шаровая молния — редкое явление, то есте¬ственно считать, что возникновение соответствующих радиоволн тоже редко происходит, кроме того, еще реже можно ожидать, чтобы они попадали на приемные аппараты в той коротковолно¬вой области радиоволн от 35 до 70 см, которая пока еще срав¬нительно мало используется. Поэтому как следующий шаг про¬верки выдвинутых предположений следует выработать соответ¬ствующий экспериментальный метод наблюдения, попытаться обнаружить во время грозы радиоизлучения в указанном коротко¬волновом диапазоне волн.
Что касается источника этих радиоволн, то, по-видимому, есть два факта в наблюдениях над шаровыми молниями, которые могут помочь пролить свет на механизм их возникновения. Один из них — то, что шаровая молния наиболее часто возникает к концу
57
грозы; второй — то, что шаровой молнии непосредственно предше¬ствует обычная.
Первый факт указывает, что наличие ионизованного воздуха помогает созданию радиоволн, а второй — что возбудителем этих колебаний является грозовой разряд. Это ведет к естественному предположению, что источником радиоволн является колебатель¬ный процесс, происходящий в ионизованной атмосфере либо у тучи, либо у земли. В последнем случае, если источник находится у земли, то район, захваченный интенсивным радиоизлучением, будет ограничен и будет непосредственно прилегать к месту, где находится шаровая молния. Интенсивность радиоколебаний может быстро падать при удалении от этого места, и поэтому на значи¬тельных расстояниях для наблюдения будет нужна чувствитель¬ная аппаратура. Если радиоволны излучаются самой грозовой ту¬чей, то они будут захватывать большие районы и их обнару-жение даже малочувствительным приемником не представит труда.
Наконец, как второе возможное направление для эксперимен¬тальной проверки выдвинутой гипотезы надо указать на возмож¬ность создания разряда, подобного шаровой молнии, в лаборатор¬ных условиях. Для этого, очевидно, нужно располагать мощным источником радиоволн непрерывной интенсивности в дециметровом диапазоне и уметь их фокусировать в небольшом объеме. При до¬статочном напряжении электрического поля должны возникнуть условия для безэлектродного пробоя, который путем ионизацион-ного резонансного поглощения плазмой должен развиться в све¬тящийся шар с диаметром, равным примерно четверти длины волны.
ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. W. Brand, Der Kugelblitz, Hamburg, 1923.
2. И. С. Стекольников, Физика молнии и грозозащита, Изд-во АН СССР, 1943, стр. 145.
3. The Effects of Atomic Weapons, London, 1950, § 2.15.
4. F. Rossmann, Ober den Kugelblitz, Wetter und Klima, Marz — April 1949, S. 75.
5. J. Durward, Nature, April 1952, p. 563.
6. Г. Бенндорф, Атмосферное электричество (перевод с нем.), ГИТТЛ, 1934, стр. 51.
7. В. F, J. Schonland, The Flight of Thunderbolts, Oxford, 1950, p. 47.
поддержать
я очевидец!
