Фізик Олександр Костинский про кульову блискавку, гіпотезах її існування і моделюванні цього явища в лабораторії
Вперше науковий опис кульової блискавки дав в книзі «Грім і блискавка» французький фізик Франсуа Араго на початку XIX століття. Це перша книга про блискавки, електричну природу якої відкрили за півстоліття до цього. У книзі Араго були описані два десятка випадків спостереження кульової блискавки. Її властивості досі складно визначити, тому що опису в основному належали людям, які не були вченими, і робилися зазвичай не по гарячих слідах.
Що називають кульовою блискавкою
Кульовою блискавкою очевидці відразу ж називають будь-кульове світиться і рухається явище в повітрі. Це може бути подія, яка побачили люди після удару блискавки в високовольтну лінію або в дерево. Так само називають об'єкт, який з'явився в кімнаті, вилетівши з димоходу, або виник з шипінням з розетки.
Дослідники, які збирали інформацію про це явище, спиралися на досить ненадійне джерело - повідомлення очевидців. Свідки явища говорять, що розміри кульової блискавки від п'яти сантиметрів до метра. Світіння триває від часток секунди до декількох секунд і навіть десятків секунд. При контакті з кульовою блискавкою люди часто відчували сильний удар струмом, аж до смертельного. Деякі спостерігачі говорили про шипінні кульової блискавки, про те, що вона представляла собою клубок світяться каналів блакитного кольору, але в великих кульові блискавки були і червоні кольори. Кульова блискавка «проходить» крізь скла і її навіть нібито бачили всередині літаків.
Кульову блискавку найчастіше бачать після удару звичайної блискавки. Але розряд блискавки поблизу виглядає як дуже яскравий спалах світла. Тому на початку XX століття були вчені, які вважали, що кульова блискавка - це не фізичне явище, а артефакт, засвітка очі (якщо подивитися на яскраву лампу-спалах при фотографуванні або стробоскоп на дискотеці, то на кілька секунд залишиться відчуття рухається світлової плями в очах, причому незалежно від того, закриті або відкриті очі).
У чому головна проблема кульової блискавки
Величезний інтерес до кульової блискавки викликаний не тим, що вона має форму кулі, а тим, що до цих пір не зрозуміла природа її великого часу життя. Взагалі в природі, якщо у вас немає виділеного напрямку, багато явищ приймають форму кулі, наприклад краплі при падінні. Немає серйозних проблем створювати скільки завгодно часу за допомогою слабкострумових електричних дуг кульове полум'яне освіту між двома електродами. Те ж саме стосується кульового плазмового утворення в вільному просторі, підтримуваного пучком електромагнітного випромінювання НВЧ-діапазону (при великій винахідливості його можна створити навіть в мікрохвильовій печі, що колись і зробили японські вчені). У цих явищах до плазми розрядів підводиться електромагнітна енергія ззовні, і проблем з підтриманням такий плазми немає.
Але більшість дослідників і особливо «любителів» виходить з того, що до кульової блискавки не підводиться зовнішня енергія. Плазма - це газ, в якому багато вільних електронів, і тому плазма має високу провідність, через неї тече значний струм, як по дроту з великим опором. Якщо перестати підбивати до плазми енергію, то за кілька мільйонних часток секунди електрони зникнуть, ток припиниться, плазма потухне. А якщо це так, то треба пояснити, чому кульова блискавка, якщо це полум'яне освіту, живе так довго - в десятки тисяч разів.
Є багато дивовижних оптичних і електричних атмосферних явищ. Наприклад, вогні святого Ельма, які «в ніч перед бурею на щоглі горять», як у пісні Булата Окуджави. Для більшості з них знайшли переконливі фізичні пояснення. Вченим відомо, як можна вивчати навіть таке нечасте явище, як звичайну лінійну блискавку: кожну секунду на Землі відбуваються близько ста розрядів. Грозову хмару формується поступово, і місце, звідки виникнуть розряди блискавки, можна з непоганою точністю передбачити зі зміни електричного поля на Землі і руху гідрометеорів (крапель, ледишек, сніжинок, сніжної крупи і так далі) в грозовий комірці, де накопичується основний електричний заряд. У це місце можна направити об'єктиви різних фізичних приладів.
Часто під час грози блискавки стартують з високих будівель і телевізійних вишок (більше двохсот метрів), на кінчики яких також можна поставити прилади. Крім того, вчені вже шістдесят років як навчилися викликати блискавку з грозової хмари «на себе», тобто створювати так звані тригерні блискавки. Незважаючи на це, багато ключові проблеми звичайної блискавки, як і раніше мало вивчені, що вже тут говорити про кульову блискавку. Так як незрозуміла її природа, то і незрозуміло, де її очікувати, озброївшись приладами.
На початку ХХ століття була гіпотеза, в якій передбачалося, що через велику відстань, з якого зазвичай спостерігається кульова блискавка, ми не бачимо, як від хмари до неї тягнеться тонкий плазмовий канал - завдяки його току підтримується існування кульової блискавки. Зараз вчені досить багато знають про струмі звичайної блискавки і встановили, що розряд триває максимум секунду, при цьому він буде складатися з багатьох окремих яскравих ударів з великим струмом, між якими існують перерви, під час яких струм на землю практично припиняється. А були зафіксовані кульові блискавки згодом життя десять секунд і більше, при цьому ніяких сильних ударів блискавки через них не спостерігалося, інакше свідки подібних подій просто отримали б електричні ураження такої сили, що не змогли б потім розповісти про свої враження.
Також вчені добре знають по наземним і літаковим спостереженнями розмір накопичених в хмарі зарядів, і там їх теж не так багато, щоб забезпечити довге життя плазмових утворень. Виходить, поки неможливо пояснити підтримку життя кульової блискавки за допомогою відомих проявів природного атмосферної електрики. Тому з'явилося безліч екзотичних пояснень природи кульових блискавок, в тому числі від вчених, хворих цим явищем, з інших областей фізики, які не дуже розбираються в атмосферному електриці і в своїх гіпотезах не враховують весь накопичений наглядовий матеріал.
Наприклад, Петро Леонідович Капіца, академік і нобелівський лауреат, припустив, що кульова блискавка підтримується пучком мікрохвильового випромінювання, як в мікрохвильовій печі, а саме СВЧ-випромінювання йде від блискавки. Але при вивченні блискавки не вдалося виявити скільки-небудь серйозних потоків СВЧ-випромінювання. СВЧ-випромінювання легко вимірюється на великих відстанях, так як його використовують для виявлення літаків, ракет, вимірювання швидкості автомобілів.
Деякі вчені, які займалися ядерною фізикою, припустили, що у кульової блискавки є ядерне джерело енергії. Але ядерні процеси - це жахлива енергія, яка не може породжуватися блискавкою. Крім того, вона створює радіоактивність, яку також нескладно виміряти. У місцях, де спостерігалася кульова блискавка, кілька разів намагалися виміряти радіоактивність, але вона не перевищувала природний фон.
Якщо кульова блискавка - фізичне явище, то з декількох тисяч надійних спостережень можна вивести її основні властивості. Тому вченому, який претендує на пояснення механізму кульової блискавки, необхідно не тільки запропонувати якийсь новий незвичайний джерело внутрішньої енергії, що підтримує кульову блискавку, а й пояснити в рамках цієї гіпотези інші встановлені властивості кульової блискавки. Майже ніхто з представляють альтернативні гіпотези цього не роблять, тому їх ідеї повисають у повітрі.
Батут як модель поля
Запис, на якій видно кульове світіння, триває півтори секунди, що дуже багато. З'явилося світиться освіту з каналу лінійної блискавки безпосередньо біля поверхні землі. За їх вимірам розміри кульового освіти були спочатку більш десяти метрів, а через цілу секунду більше п'яти метрів, і це дуже багато для кульової блискавки.
Світилася кульова блискавка цілу секунду майже рівномірно, що абсолютно неможливо без припливу зовнішнього енергії. Вдалося зафіксувати спектральні лінії, пов'язані з матеріалом грунту, куди вдарила лінійна блискавка, і зняти спектр «кульової блискавки» (кремній, залізо, кальцій). Причому весь час запису спектральні лінії були присутні, а це значить, що стільки ж часу існувала плазма, що підтримує це світіння. Ніяким горінням такої спектр пояснити не можна. Колір кульової блискавки змінювався від фіолетового до червоного. Рухалося світиться освіту зі швидкістю близько дев'яти метрів в секунду.
В даний час найбільш несуперечливої є гіпотеза про хімічну природу джерела енергії кульової блискавки. Хімічні реакції можуть протікати відносно довго, поки не вичерпаються хімічні речовини, які беруть участь в реакціях. Наприклад, таким процесом може бути специфічна форма кульового горіння (вдавалося створити кульові форми займань горючих газів в лабораторних умовах, що не вибухали і існували секунди, переміщаючись по лабораторної камері).
Припустимо, блискавка вдаряє в район боліт, де досить часто спостерігаються випаровування і скупчення горючих газів на кшталт метану. Через високу температуру під час удару блискавки цей газ загоряється і далі горить, нагадуючи конфорку газової плити, у якої зняли кришку. Адже так газ може горіти годинами, якщо є приплив газу зсередини болота.
Але якщо вважати кульову блискавку формою горіння, то як пояснити її електричні прояви аж до поразок людей і тварин при контакті з кульовою блискавкою? Також дуже складно реалізувати в природі рух палаючого кулі, подібне описаним спостерігачами. Зазвичай гази вибухають або швидко згорають. Тому і хімічна гіпотеза не може пояснити багато важливих властивості кульової блискавки, але вона знімає проблему часу життя, існуючу в плазмової гіпотези.
Перевага хімічної гіпотези в тому, що не потрібно залучати зовсім вже екзотичні уявлення на кшталт «отримання енергії з вакууму» або «холодного термояда». Але надійному китайському експерименту, описаного вище, дана гіпотеза не відповідає, так як ніяких боліт там не було, а спектр горіння докорінно відрізняється від спектра, записаного китайцями. Втім, і китайському експерименту довіряти до кінця не можна.
Моделювання кульової блискавки в лабораторії
Кілька груп в світі намагалися змоделювати кульову блискавку в лабораторії. Є дослідники, які стверджують, що їм вдалося створити кульову блискавку при потужному розряді в парах води. Вони навіть розмістили фотографії в інтернеті. Але серйозних публікацій в рецензованих наукових журналах, подібних китайської, на цю тему так і не було - публікацій, де б їх досліди були детально описані, фіксувалися сучасними приладами властивості плазми, гарантувалося б відсутність підведення додаткової енергії від зовнішніх джерел і так далі.
Мало отримати в лабораторії цікаве довгоживучі кульове світиться явище - треба при цьому привести серйозні аргументи на користь того, що те, що ми створили в лабораторії, має відношення до природного явища, званого кульовою блискавкою. Іскра між кульками, проскакує в електрофорної машині, має, всупереч твердженням шкільних вчителів, дуже мало спільного з блискавки. Вона не може пояснити не тільки як народжується блискавка, а й як вона пробиває проміжок хмара - земля. Те ж саме стосується створення в лабораторії долгоживущего кульового світиться освіти. Треба ще довести, що експеримент моделює природне явище.
І все-таки кульова блискавка, як і раніше кидає вченим серйозний виклик. Сьогодні вважається, що свідчень існування кульової блискавки стільки, що від них неможливо відмахнутися. Можливо, кульова блискавка не просто явище, а складна комбінація відомих фізичних явищ, яку ми поки не можемо відстежити і розшифрувати.
Олександр Костинский. кандидат фізико-математичних наук, заступник декана факультету фізики НДУ ВШЕ