Чтение онлайн

Имеется много различных гипотез, пытающихся объяснить загадку настоящего феномена. Если их анализировать, исходя из природы источника энергии молнии, тогда все множество имеющихся гипотез распадается на три больших класса: 1) никакого особого источника энергии молнии не существует, а относительно большой срок ее жизни объясняется малой скоростью рекомбинации заряженных частиц, составляющих тело молнии; 2) источник энергии шаровой молнии находится внутри ее самой, при этом мощность источника такова, что потери заряженных частиц в ходе реакций рекомбинации практически полностью компенсируются; 3) источник энергии шаровой молнии находится вне ее, скорее всего в грозовом облаке.

Я специально никогда не занимался шаровыми молниями и ее загадки меня не волновали. Но когда на рубеже 80х-90х годов прошедшего века разрабатывал способ прямого преобразования ядерной энергии в электричество, я неожиданно вышел на процессы, которые могут оказаться ответственными за существование данного феномена. Речь идет о так называемом дебаевском экранировании реакций рекомбинации в плотной плазме.

Пусть в экспериментальной камере происходит мощный электрический разряд, нечто вроде обычной линейной молнии. Тогда вещество ионизируется и возникает облако плазмы, состоящей из положительно заряженных ионов и свободных электронов. Обычно плазменное облако существует очень короткое время: электроны притягиваются к ионам за счет электростатических сил притяжения, сливаются с ними (рекомбинируют, как говорят физики), а избыток энергии сбрасывается в виде излучения. В результате вся внутренняя энергия плазменного облака переходит в тепло. Однако, если камера заполнена так называемым электроотрицательным газом, тогда при выполнении особых условий скорость реакций рекомбинации может упасть в миллионы раз и плазменное облако будет существовать достаточно долго. Насколько мне известно, самый долгий срок существования шаровой молнии, отмеченный очевидцами, составляет 8 минут.

Вспомним, как устроен любой атом: внутри находится ядро, вокруг которого по своим орбитам вращаются электроны. При этом на каждой орбите может быть не более восьми электронов. Такая восьмиэлектронная орбита является самой устойчивой. Если атом имеет один или два электрона на самой внешней орбите, а все внутренние орбиты содержат по восемь электронов, он очень легко теряет внешние электроны в ходе различных химических или физических реакций и становится одно- или двукратно положительно заряженным ионом. Вещества, состоящие из таких атомов, называются электроположительными. К ним относятся все щелочные и щелочноземельные металлы: натрий, калий, рубидий, цезий, барий и т. д. Другие вещества, имеющие на самой внешней орбите шесть или семь электронов, плохо ионизируются электрическим разрядом, но охотно притягивают к себе свободные электроны, если те имеются в окружающей среде, и становятся после этого одно- или двукратно отрицательно заряженными ионами. К ним относятся все галогены (фтор, хлор, бром), а также водяной пар и элементы, соседствующие с галогенами в столбцах периодической системы элементов, например, кислород. Такие вещества называются электроотрицательными.

Если камера заполнена воздухом, в состав которого входит электроотрицательный элемент кислород, тогда будет происходить следующее. Свободные электроны плазмы после прекращения грозового разряда, то есть после прекращения процесса ионизации, участвуют в двух реакциях: 1) некоторые из них рекомбинируют с положительными ионами азота и кислорода, в результате чего получаются обычные атомы; 2) другие прилипают к атомам кислорода, которые не были ионизированы электрическим разрядом, и тем самым создают отрицательные ионы. Первая реакция называется рекомбинацией, вторая — прилипанием. Потери заряженных частиц в ходе этих реакций определяются произведением так называемой скорости реакции на концентрацию реагирующих частиц. Скорости реакций рекомбинации и прилипания незначительно отличаются друг от друга, зато концентрации частиц различаются на порядки. Какой бы мощностью ни обладал электрический разряд, он в лучшем случае ионизирует один атом из ста. Поэтому концентрация положительных ионов, участвующих в реакции рекомбинации, оказывается в десятки и сотни раз меньше концентрации нейтральных атомов в реакции прилипания. По этой причине подавляющая часть электронов участвует во второй реакции и плазма очень быстро меняет свой состав: в самом начале она состояла из положительных ионов и свободных электронов, а через несколько мгновений вместо отрицательных электронов появляются отрицательные ионы кислорода. Дальнейшая рекомбинация заряженных частиц происходит уже не между ионами и электронами, а между ионами разных знаков. Такая ион-ионная рекомбинация обладает особыми свойствами.

Если в объеме имеется лишь один ион, а все другие частицы являются нейтральными атомами, поведение иона ничем не отличается от поведения атомов: он также будет участвовать в хаотическом броуновском движении и перемещаться по всей камере. Если в объеме имеются два иона разных знаков, на их броуновское движение будет накладываться медленный дрейф частиц навстречу друг другу под влиянием электростатических сил притяжения. Когда ионы сблизятся, они рекомбинируют с образованием нейтрального атома. Казалось бы, чем больше концентрация ионов, тем чаще будут происходить акты рекомбинации, и тем быстрее должна падать концентрация заряженных частиц. Однако, такая тенденция справедлива лишь до определенного значения концентрации ионов, а при ее превышении скорость реакций рекомбинации резко падает.

Это происходит по следующей причине. Ионы, как уже отмечалось, участвуют в хаотическом броуновском движении. Когда два иона разных знаков оказываются в непосредственной близости один от другого, они не обязательно летят навстречу друг другу прямо в лоб. Чаще всего они летят в разных плоскостях и по инерции пролетают мимо. Конечно, траектория их полета изгибается навстречу друг другу, но из-за сравнительно большой массы и инерции изгибается незначительно и ионы разлетаются. Если других заряженных частиц рядом не будет, тогда ионы замедляются до полной остановки и начинают двигаться в обратном направлении навстречу друг другу. Наконец, они сталкиваются и рекомбинируют. Но если рядом окажутся другие заряженные частицы, тогда наши ионы оказываются в сфере притяжения этих частиц и „забывают“ о своем предыдущем „знакомстве“. Затем они точно также пролетают по инерции мимо этих частиц, попадают в сферу притяжения других частиц, от них перескакивают к третьим частицам и так далее. В этом случае вероятность их рекомбинации резко снижается. Но снижается не до нуля. Вследствие того, что рано или поздно обязательно случается ситуация, когда ионы будут лететь навстречу друг другу в лоб, они когда-нибудь прорекомбинируют. Этот эффект резкого падения скорости рекомбинации называется дебаевским экранированием плазмы (частицы плазмы экранируются друг от друга).

Если мощность разряда мала, концентрация ионов оказывается недостаточной для включения механизма дебаевского экранирования и ион-ионная рекомбинация протекает быстро. Но если мощность разряда превысит некоторый предел, концентрация заряженных частиц плазмы достигает такого значения, что скорость реакций рекомбинации резко падает, а время жизни плазмы резко возрастает.

Теперь вернемся к шаровым молниям и проанализируем этот феномен с точки зрения всего того, что было сказано о дебаевском экранировании. Когда случается разряд обычной линейной молнии, возникает ион-электронная плазма, а содержащийся в воздухе кислород и водяной пар инициируют процесс преобразования ион-электронной плазмы в ион-ионную. При высокой мощности разряда включается механизм дебаевского экранирования и заряженные частицы практически перестают рекомбинировать. Вследствие того, что плазма создается из воздуха, она имеет одинаковую с воздухом плотность. По этой причине гравитационные силы уравновешиваются выталкивающими силами Архимеда и плазма оказывается в состоянии невесомости. В этом случае на нее действуют только силы поверхностного натяжения. Под их влиянием плазма сворачивается в шар и далее существует в форме шара. Несмотря на то, что реакции рекомбинации внутри такого плазменного шара протекают с малой скоростью, они все же протекают и концентрации заряженных частиц постепенно снижаются. Когда концентрации ионов приближаются к определенному пределу, дебаевское экранирование выключается и скорость рекомбинации резко растет. Этот процесс нарастает лавинообразно и плазменный шар взрывается.

Подобный сценарий разыгрывается всегда на открытом воздухе после особенно мощного разряда линейной молнии. Однако, имеются многочисленные сообщения о возникновении шаровой молнии в закрытых помещениях, куда грозовой разряд не проникает. Чаще всего свидетели отмечают появление шаровой молнии из электрической розетки. Тем не менее, необходимо сказать, что такое проникновение шаровой молнии через розетку является иллюзией. Огненный шар не просачивается из атмосферы внутрь помещения через электрические провода, он возникает на самой розетке вследствие создания особых условий. Эти условия прекрасно известны физикам и даже используются в некоторых технологиях, прежде всего в технологиях плазменных реактивных двигателей.

В 60х — 70х годах прошедшего столетия в Америке были разработаны так называемые пуговичные двигатели, которые по своим весо-габаритным характеристикам значительно превосходили другие образцы плазменных реактивных двигателей. Представьте себе пуговицу и вставленные в ее отверстия две иголки и вы получите самое общее представление о конструкции пуговичных двигателей. Если иглы изготовить из металла низкого электрического сопротивления, а их концы соединить прослойкой металла с высоким сопротивлением, тогда при подаче на иглы высокого напряжения металлическая прослойка испарится и между концами игл образуется облачко плазмы. Это облачко под действием электромагнитного поля выгибается наружу, отрывается от электродов и с огромной скоростью устремляется прочь, создавая реактивную силу. Сами иглы при этом не испаряются вследствие низкого электрического сопротивления. Практически тот же самый механизм действует при возникновении шаровой молнии из розетки.

Между электродами розетки всегда имеется электрическое напряжение. В обычных условиях напряженность электрического поля розетки недостаточна для появления из нее шаровой молнии. Но когда рядом бушует гроза, напряжение поля может резко колебаться из-за грозовых разрядов. Если напряжение подскочило до слишком высокого значения, а в окружающей среде находится много мелкой водяной пыли, которая может играть роль металлической прослойки в пуговичных двигателях, начинается образование плазменного облака на розетке с последующим включением механизма дебаевского экранирования. Силы электромагнитного поля отталкивают плазменное облако, так что создается впечатление, будто шаровая молния просачивается откуда-то снаружи через розетку. Чем больше будет объем плазменного облака, тем больше окажется сила электромагнитного отталкивания. Наконец, огненный шар отрывается от розетки и начинает свое странствие по комнате. Но если воздух в комнате сухой и водяной пыли в нем мало, плазменное облако не образуется.

Из-за практически одинаковой плотности шаровой молнии и окружающего воздуха огненный шар находится в состоянии невесомости и может реагировать на любые движения воздуха. Если человек пугается и пробует убежать, он создает за собой поток воздуха и молния втягивается в этот поток. Создается впечатление, будто молния стремится догнать человека. А тот факт, что скорость движения шаровой молнии намного меньше скорости плазмы, вылетающей из пуговичного двигателя, объясняется сопротивлением окружающего воздуха. Все электроракетные двигатели предназначены для работы в открытом космосе, в атмосфере они работать не могут. И измерения скорости вылета плазменной струи из электрореактивного двигателя всегда выполняют в барокамере с откачанным воздухом.