В статье рассматриваются одни из важнейших экспериментов, проведенных в области изучения природы шаровой молнии — эксперименты Науэра по моделированию шаровой молнии (1950–е гг.). Мы посчитали важным повторить эти опыты и модернизировать их, стараясь получить новые сведения и уточнить старые с целью дальнейшего развития экспериментальной части изучения данного явления.
Для полноты картины мы посчитали нужным включить в нее краткий обзор об известных данных шаровой молнии: движение, появление и распад, оценка плотности энергии, температура и др.
Ключевые слова: линейнаямолния,шаровая молния, искровой разряд, углеводороды.
Keywords:linear lightning, fireball, spark category, hydrocarbons.
Введение
В представленной работе будет идти речь об одном из нераскрытых явлений природы — шаровой молнии. Шаровой молнией принято называть светящиеся образования, по форме напоминающие шар. Это явление возникает иногда во время грозы в воздухе, чаще всего, вблизи поверхности. В отличие от обычной (линейной) молнии, шаровая не сопровождается громом, она практически бесшумна. С другой стороны, шаровая молния может существовать до нескольких минут, тогда как обычная молния характеризуется кратковременностью. Поведение шаровой молнии является совершенно непредсказуемым. Абсолютно невозможно предсказать направление, в котором в следующее мгновение переместится светящийся шар и чем завершится его появление (взрывом или простым исчезновением).
Вопрос существования шаровых молний принципиально неопровержим. Вследствие этого, а также под давлением наличия множества очевидцев, в научных изданиях невозможно отрицать существование шаровых молний. Большой вклад в работу по наблюдению и описанию шаровой молнии внёс советский учёный И. П. Стаханов [13], который вместе с С. Л. Лопатниковым в журнале «Знание — сила» в 1970-х годах опубликовал статью о шаровых молниях. В конце этой статьи он приложил анкету и попросил очевидцев прислать ему свои подробные воспоминания этого явления. В результате он накопил обширную статистику — более тысячи случаев, что позволило ему обобщить некоторые свойства шаровой молнии и предложить свою теоретическую модель шаровой молнии.
Наблюдения шаровой молнии (ШМ) фиксируются на протяжении 300 лет. Существуют около 400 теорий, объясняющих явление, но ни одна из них не получила абсолютного признания в академической среде [2, 3, 4, 5]. Появляются и более обнадеживающие гипотезы, основанные на новых принципах [6].
В данной работе рассматриваются одни из важнейших экспериментов, проведенных в данной области — эксперименты Науэра по моделированию шаровой молнии (1950 –е гг.). Мы посчитали важным повторить эти опыты и модернизировать их, стараясь получить новые сведения и уточнить старые с целью дальнейшего развития экспериментальной части изучения данного явления.
Гипотеза горения малой примеси углеводородов
Проведенные Науэром в 50-х годах прошлого столетия эксперименты [7] с целью моделирования шаровой молнии были достаточно плодотворными и положили начало новой гипотезе о строении шаровой молнии. Согласно этой гипотезе шаровая молния есть пламя горящих углеводородов, имеющихся в атмосфере.
Науэр случайно обнаружил, что небольшие следы бензола, оставшиеся в стеклянной камере после ее очистки, при искровом инициировании приводят к образованию в камере больших светящихся облаков. Эксперименты проводились в закрытой камере диаметром 6–8 см и длиной 50–200 см. Между двумя электродами, помещенными внутрь камеры, зажигалась электрическая искра. Светящиеся облака появлялись после прекращения искрового разряда и существовали в течение нескольких секунд. Эти облака не заполняли весь объем камеры, а имели диаметр 2–3 см. Образование облаков становилось более вероятным, когда углеводород полностью перемешивался в замкнутом объеме воздуха. Было обнаружено, что конфигурация электродов, представленная на рис. 1, является наиболее эффективной. Оптимальными оказались железные электроды, слегка согнутые на концах и отстоящие друг от друга на расстоянии 5–10 мм. Система железных электродов помещалась в камеру, в которой можно было регулировать состав газа.
Науэр проводил эксперименты как при низких давлениях (40–200 торр), так и при атмосферном давлении. При низких давлениях светящиеся облака возникали при концентрации водорода 3,8–9 %, концентрации пропана 1,24 % и при значительно меньшем (практически неизмеримых) концентрациях бензола. Следует отметить, что доля газообразного горючего, необходимая для образования светящегося облака мала; похоже, что ее величина обратно пропорциональна молекулярному весу углеводорода. О величине энергии, диссипатируемой искрой, в оригинальной статье сказано несколько неопределенно. Если предположить, что напряжение 103 В, искра длительностью 1 мс и ток в несколько ампер, то можно прийти к выводу, что в газовой смеси, заключенной в камере, может быть рассеяно только ~10 Дж.
Науэр обнаружил, что светящиеся облака не подвержены влиянию внешних электрических и магнитных полей. Цвет облаков мог изменяться только за счет добавления примесных газов; при этом получались все цвета. Светящееся облако походило не столько на явление горения, сколько на электрический тлеющий разряд — казалось, мягкое свечение испускается с поверхности светящегося тела. Наблюдались также смеси цветов, однородные цвета, полоски и лоскуты. Водород давал бледно-голубое свечение, а при добавлении паров бензола или пропана возникало свечение, видимое даже в ярко освещенной комнате.
Светящиеся облака двигались в основном вверх, хотя наблюдалось также и движение вниз. Согласно измерениям, скорость движения находилась в пределах 0,33–10 м/с. При низком содержании примеси никакого шума от явления не отмечалось, однако при высоком уровне примеси был зарегистрирован небольшой шум. Облако рассеивалось, как правило, бесшумно, но временами с громким звуком, когда облако касалось стенки камеры.
Заслуживает внимания одна специфическая особенность. Камера была разделена плоским диском с центральным отверстием диаметром 7 мм, помещавшимся внутри камеры. Как правило, светящееся облако гасло, когда оно соприкасалось с диском. Однако в ряде случаев светящееся облако как будто проходило сквозь отверстие и восстанавливало размеры и форму, существовавшие ранее.
Науэр заключил, что существует определенная корреляция между естественной шаровой молнией и полученными в лабораторных условиях облаками, светящимися за счет возбуждения углеводородов при малой концентрации. Тем самым предполагалось, что природа шаровой молнии никак не связана с электричеством. Первоначальный электрический разряд требовался лишь для инициирования процесса горения при малых концентрациях горючего, но в дальнейшем какая-либо электрическая активность уже не нужна. При горении возникают наблюдаемые светящиеся облака. Было также высказано предположение, что возможно, до разряда никаких углеводородов не требуется. При разряде происходит диссоциация паров воды и высвобождается водород, который затем и участвует в процессе горения. Насколько эти теоретические построения реализуются в природе — вопрос открытый и пока не получивший подтверждения.
Описание экспериментальной установки
Ниже описывается эксперимент согласно вышеуказанной цели. Для начала был повторен с максимальной точностью эксперимент Науэра, приведенный в [7]. Стальные электроды, конфигурация которых приведена на рис. 1, располагались внизу стеклянной камеры объемом 10 литров, так же в камере располагалась не большая ванночка с находящейся в ней электрической спиралью для испарения жидких углеводородов. Для введения в камеру газообразных углеводородов внизу ее располагалась трубка.
Рис. 1. Геометрия электрических электродов, использованных в экспериментальной установке. Радиус кривизны скругленных электродов r=1 см, расстояние между ними d=0,5 см, высота стержня над основанием вакуумной камеры h=10 см.
На электроды подавался ток напряжением 5 кВ от батареи конденсаторов, емкостью 1,22 мкФ, заряжаемой высоковольтным выпрямителем, изготовленным в лаборатории, разряд длительностью около 1 мс, диссипатировал энергию порядка 10 Дж.
В камеру вводились малые концентрации различных газов стандартным методом вытеснения жидкости. Были проведены опыты с метаном, пропаном, водородом, парами бензола и бензина. Водород получался путем электролиза воды, проводимого здесь же.
Результаты эксперимента
Опыты проводились следующим образом: сначала вводились достаточно большие концентрации горящих газов, при этом, как и предполагалось, после инициирования разрядом, происходил процесс нормального горения. Далее концентрация постепенно снижалась. При концентрации около 3 % пропана в ряде случаев наблюдались святящиеся облака, формой близкой к сферической (рис. 2). Излучение было не сильным, поэтому шары могли наблюдаться только в затемненном помещении. Поверхность облака была окрашена равномерно в желтый цвет.
При дальнейшем уменьшении концентрации пропана (менее 1 %) святящиеся облака не наблюдались.
Малые примеси остальных газов вели себя аналогичным образом, но при разных концентрациях и различной окраске. Иногда наблюдались, как и указывалось Науэром [7], шары с неоднородно окрашенной поверхностью. Опыты с водородом не дали никаких результатов, кроме явления нормального горения при высокой концентрации.
Шары исчезали бесшумно при соприкосновении с поверхностью камеры. Электрические и магнитные поля не оказывали никакого воздействия на святящиеся образования.
Рис. 2. Фотография длительного свечения, подобного шаровой молнии, которая возникает при локализованном горении малой примеси газообразных углеводородов в результате инициирования искровым разрядом
В дальнейшем была проверена гипотеза, согласно которой святящиеся облака могли быть следствием горения водорода, который высвобождается из воды при электрическом разряде. Для этого камера наполнялась паром при его различном давлении. Относительная влажность газа в камере измерялась с помощью гигрометра. После серии разрядов, святящиеся облака получить не удалось. Возможно, что энергии диссипатированной разрядом, было не достаточно для освобождения необходимого количества водорода. Поэтому для увеличения энергии разряда была применена батарея емкостью 5 мкФ, заряжаемой до напряжения 5 кВ. После дальнейшего проведения серии опытов с различным парциальным давлением пара к успеху не привели.
Последний результат имеет следующую теоретическую значимость. Так как естественное содержание углеводородов в воздухе атмосферы не превышает 10–5-10–3 %, а для горения малой примеси необходима концентрация хотя бы 1 %, то выходит, что для образования шаровой молнии необходимо свести все углеводороды, содержащиеся в сфере радиусом где-то 100 м [8, 9]. Именно эта проблема является решающей при «выносе вердикта» рассматриваемой гипотезе. Однако она могла бы стать теорией хотя бы определенного типа шаровой молнии, если подтвердилось бы предположение о том, что водород, необходимый для горения, образовывался при разряде линейной молнии. Подтвердить это экспериментально пока не удалось. Конечно, данная теория не объясняет всех свойств шаровой молнии, да и эксперимент в данном случае можно считать грубо приближенным, в основном из-за малой диссипатируемой энергии и, возможно недостаточного моделирования состава газа.
Выводы
В заключение, основываясь на известных сегодня данных, полученных с помощью наблюдений и тех немногих экспериментов, проведенных людьми, которым не безынтересно такое загадочное явление, мы можем сказать определенным образом, что шаровая молния реально существует. Как лабораторные эксперименты, так и наблюдения в контролируемых условиях подтверждают возможность появления долгоживущих святящихся образований, которые при некоторых их свойствах могут быть интерпретированы как шаровая молния.
В данной работе произведена попытка подтверждения гипотезы, согласно которой шаровая молния является следствием горения малой примеси углеводородов или водорода, который образуется путем восстановления водорода из воды, содержащейся в атмосфере, при разряде линейной молнии. Эксперименты, хотя и поставлены по ограниченной программе, несомненно, являются почвой для проведения дальнейшего исследования в этой области.
Конечно, результаты данной работы нельзя считать полным подтверждением или опровержением соответствующих гипотез. Однако думаю, ее можно считать определенным вкладом в исследуемую область. Я надеюсь, что эта работа послужит поддержкой для дальнейших исследований и экспериментов, связанных с возникновением, созданием и стабильностью рассмотренных явлений.
Литература:
1. Стаханов И. П. О физической природе шаровой молнии. — М.: Энерго-атомиздат, 1985.
2. Durmard J. — Nature, 1952, v. 169, p. 563.
3. Schonland В. F. J. The Flight of Thunderbolts, — Oxford, 1950, p, 47.
4. Бенндорф Г. Атмосферное электричество: Пер. с нем. — М.: ГИТТЛ, 1934, с. 51.
5. Сингер С. Природа шаровой молнии. — М.: Мир, 1973.
6. Егоров А. И., Степанов С. И., Шабанов Г. Д., Демонстрация шаровой молнии в лаборатории // УФН, № 174:1. 2004. С. 107–109
7. Барри Дж. Шаровая молния и четочная молния: Пер. с англ. — Под ред. Елецкого А. В. Москва: Мир, 1983. — 288 с.
8. Капица П. Л. // ЖЭТФ, 1951, т. 21, вып. 5, с. 588–597.
9. Капица П. Л. // ДАН СССР, 1955, т. 1, N 2, с. 245–248.
