Шаровая молния — светящийся шар, который порой возникает при разряде линейной молнии, — одно из самых загадочных атмосферных явлений. Природа шаровой молнии до сих пор неизвестна, хотя первая научная публикация на эту тему — книга «Гром и молния» известного французского физика и астронома Франсуа Араго — была издана еще в 1838 году. Предлагаемая гипотеза — попытка объяснить механизм образования шаровой молнии на основе физики плазмы и газового разряда.
Природа шаровой молнии
Природа обычной, линейной, молнии давно установлена — это газовый разряд в виде грандиозной искры, «проскакивающей» между сильно заряженными грозовыми облаками или облаком и землей. Поскольку появление шаровой молнии связано с линейной, естественно предположить, что природа их сходна. Поэтому рассмотрим вкратце основные группы газовых разрядов.
Сильное электрическое или переменное электромагнитное поле ионизует атомы и молекулы газа — возникает плазма и происходит электрический разряд. Газовые разряды можно условно разбить на две основные группы по признаку: замыкаются силовые линии электрического поля в плазме или нет, иначе говоря — вихревое электрическое поле или потенциальное.
Если напряжение подают на электроды (рис. 1а), силовые линии электрического поля Е замыкаются на них, а не в плазме. Пара электродов ведет себя как конденсатор, поэтому такие разряды называют емкостными или Е-типа. Электрическое поле может быть постоянным, переменным или импульсным.
К другой категории относятся безэлектродные индукционные разряды Н-типа, при возбуждении которых определяющую роль играет электромагнитная индукция (рис. 1б). Через катушку-индуктор пропускают ток высокой частоты или импульсный ток I, создающий магнитное поле Н. Под действием переменного магнитного потока внутри катушки возникает вихревое электрическое поле Е. Его силовые линии представляют собой замкнутые окружности, концентрические с витками катушки. Это электрическое поле может зажигать и поддерживать разряд, причем токи также замкнуты и протекают вдоль линий поля (рис. 2).
Если полагать, что обе молнии — и линейная, и шаровая — это газовые разряды, то линейную следует отнести к категории разрядов Е-типа, поскольку имеются электроды, например облако и земля. Шаровую молнию естественно отнести к категории индукционных разрядов Н-типа. Попытаемся обосновать данное предположение и найти конкретную структуру шаровой молнии.
Накопленный материал наблюдений позволяет установить несколько присущих шаровой молнии особенностей:
• она может производить электромагнитные воздействия, особенно сильные при ее гибели со взрывом, и выводить из строя электроприборы;
• время ее жизни — от десятых долей секунды до нескольких минут;
• шаровая молния может существовать в закрытых помещениях, в том числе и с электромагнитной экранировкой, например в железобетонных строениях;
• ее внутренняя температура достигает нескольких тысяч градусов (судя по спектру светового излучения), но внешняя поверхность имеет, как правило, низкую температуру (по данным очевидцев, которых она касалась).
Перечисленных свойств с учетом физики газовых разрядов достаточно для обоснования структуры молнии и ее физических свойств.
Шаровая молния при распаде выделяет ранее запасенную энергию.
Как и в любом замкнутом пространстве, в шаровой молнии энергия может существовать в виде переменного электромагнитного поля, постоянного электрического или постоянного магнитного поля.
Переменное электромагнитное поле может долго храниться только в резонаторах с чрезвычайно высокой добротностью (отношением величины запасенной энергии к средней за период колебаний мощности потерь), достижимой лишь в оптическом диапазоне. Однако свет не способен производить электромагнитные воздействия, и эта возможность отпадает.
Если большая энергия заключена в постоянном электрическом поле, внутри молнии не может быть высокой температуры, поскольку она приводит к ионизации вещества и нейтрализации разделенных зарядов. Но спектр ее излучения соответствует именно высокой внутренней температуре, и, следовательно, сильного электрического поля там нет.
Постоянное магнитное поле имеет две формы. Оно может быть полоидальным (поле витка с током) или тороидальным (поле катушки с током, свернутой в тор). Посмотрим, может ли основная часть электромагнитной энергии сосредоточиться в полоидальном поле (магнитном диполе), которое создает плазменный виток с током. В этом случае на каждый его участок действуют силы Ампера, стремящиеся расширить виток, который распадется за тысячные доли секунды. Это противоречит свидетельствам о времени жизни шаровой молнии, и, следовательно, полоидальное магнитное поле электромагнитную энергию хранить не способно.
Из сказанного следует, что основным носителем электромагнитной энергии в шаровой молнии может быть только постоянное тороидальное магнитное поле. Классик термоядерного синтеза В.Д. Шафранов доказал: оно может существовать в плазме в виде кольца с поверхностным винтовым током. Остается, однако, непонятным, почему поверхность шаровой молнии холодная. Кроме того, для сохранения стабильности данной конфигурации требуется точное соблюдение соотношения величин полоидального и продольного токов (J1 и J2 на рис. 2), что на практике трудновыполнимо.
