Текст книги "Просто электричество"

Автор книги: Олег Фейгин

сообщить о нарушении

Текущая страница: 2 (всего у книги 3 страниц)

Глава 3. Молниеносные призраки

Издавна считалось, что в Древнем Лесу, помимо обитателей фауны, живут таинственные призрачные эльфы. Они являлись защитниками леса от посторонних, которые нарушали покой и порядок, пытались посягнуть на святое – на их дом. А те, кто все же решил вторгнуться в лес, не смели задерживаться там дольше, чем до заката солнца, ибо, когда на землю опускался мрак ночи, начиналась охота на нежданных гостей. Мало кому удавалось выбраться из леса живым, сквозь тьму, засады и ловушки, поставленные невидимыми, как призраки, существами. А те немногие счастливчики, которым удалось спастись, говорили, что эти воины ловки, а их удары сильны, как разряды молний, и точны, как время, а тьма – их стихия.

Дж. Толкиен. Властелин колец

Кто не помнит из детства описание таинственного Древнего Леса из романа Толкиена! И вот, в конце двадцатого века, кажется, прямо со страниц романа сошли сказочные персонажи, чтобы обогатить науку об атмосферном электричестве удивительными образами молний-призраков. Призрачные короткоживущие молнии – спрайты, эльфы, джеты и струи – быстро стали одним из интенсивно исследуемых явлений в атмосферной физике.

Характеристики спрайтов были зарегистрированы исследователями из различных частей света, но, несмотря на внимание, которое было обращено на новый вид молний, до сих пор не существует приемлемой теории, которая удовлетворительно объясняла бы их инициирование и развитие.

Удивительна история открытия молний-эльфов. Впервые они наблюдались с борта космического аппарата, поскольку являются наиболее вероятной формой разгрузки молниевых разрядов на больших высотах (30–95 км), их существование многие исследователи связывают с квазиэлектростатическими областями, насыщенными электричеством в нижней кромке грозового облака. Среди них преобладает окраска пурпурного цвета, время их жизни составляет несколько миллисекунд. Из-за низкой поверхностной яркости они были зафиксированы только ночью (прежде всего очень чувствительными монохроматическими камерами). Однако если глаза наблюдателя достаточно привыкли к темноте, то спрайты можно обнаружить без каких-либо оптических инструментов.

Голубыми или синими спрайтами называют оптические вспышки, пляшущие над грозовыми тучами на высоте от 30 до 90 км. По своей природе они родственны высотным молниевым разрядам, но возникают на самом краю атмосферы, и были открыты в ходе орбитальных наблюдений поверхности верхнего облачного покрова гроз. Вспышки голубых спрайтов и родственных им синих джетов обычно длятся от нескольких сотых до нескольких десятых долей секунды и имеют характерные формы, которые исследователи описывают как «колонны», «пальцы», «деревья» и «морковь».

Поскольку спрайты возникают на большой высоте, они могут влиять на химический состав озонового слоя Земли.

Далеко не сразу к ученым пришло понимание, что эти оптические явления связаны с положительным облачным покровом основания туч, так как они сопровождают удары молнии в значительном удалении от электрически активных ядер гроз. На сегодняшний момент еще не найдено отрицательных спрайтов.

Эльфы – это разбросанные области яркости, которые возникают намного выше энергетических уплотнений разрядов молний положительной или отрицательной полярности. Скорее всего, эльфы исчезают после того, как энергетический электромагнитный импульс разряжается в ионосферу. Хотя обычные молнии и могут сопровождаться эльфами, считается, что их причинный механизм имеет полностью различную природу.

Кстати, свое необычное название эльфы получили как английский акроним слов: эмиссия света и возмущений. Красные эльфы и синие джеты – это верхние атмосферные оптические явления, связанные с грозами, которые были зарегистрированы с использованием телевизионных технологий ночного видения. Первые изображения эльфа были случайно получены в 1989 году и начиная с 1990 года двадцать изображений зафиксированы с шаттла «Колумбия».

С тех пор зарегистрировано более тысячи видеонаблюдений эльфов и джетов. Они включают как наземные измерения, так и авиационно-космические. После красных призраков в результате высотной аэрокинофотосъемки были обнаружены многочисленные изображения новой формы оптической активности, получившие название синих джетов. Синие джеты появляются непосредственно у вершин облаков и выстреливают вверх узкими конусами через стратосферу. Их восходящая скорость оказалась фантастически велика: приблизительно 100 км/с.

Высокоскоростные фотометрические измерения показывают, что продолжительность эволюции эльфов связана с молниевыми разрядами в распадающихся частях гроз и зависит от интенсивности ударов положительных молний по направлению центр-основание. Оптическая интенсивность средней группы из пучков эльфов, оцененная по сравнительной сводной таблице звездных интенсивностей, сопоставима с умеренно яркой утренней дугой восхода (до появления края солнца).

Для невооруженного человеческого глаза молнии-призраки предстают в виде обширных неярких вспышек-сполохов пастельных тонов, но в усиленном телевизионном изображении, которое можно получить на земной поверхности или с борта летящего самолета, они уже проявляются как сложные комплексные структуры, принимающие самые разнообразные формы и очертания.

Второе крупное семейство молний-призраков – синие джеты – представляет собой высотное оптическое явление со временем жизни около секунды. Они существенно отличаются по спектрально-световой гамме и внешнему виду от эльфов, хотя наблюдаются в тех же областях выше гроз с использованием таких же телевизионных систем ночного видения. Из их названия (jet – выброс, англ.) подразумевается, что джеты похожи на оптические выбросы из вершин электрически активных основных областей гроз. После их появления от вершины грозовой тучи они типично размножаются вверх в узких конусах с вертикальной скоростью примерно 100–300 100 км/с, раздуваясь и исчезая приблизительно на пятидесятикилометровой высоте. Существование голубых струй давно было предсказано геофизиками, но только ученым, пролетая в самолете со скоростной видеоаппаратурой над большой грозой, удалось заснять это потрясающее зрелище.

Молнии-призраки эльфы рождаются довольно редко и только в области активных слоев грозы. Они обычно встречаются группами, занимая обширное пространство, при этом кажутся плотно упакованными пучками из многих индивидуальных эльфов. Изредка встречаются обширные призраки со свободной упаковкой структуры, простирающиеся в поперечно-горизонтальном направлении на десятки километров и занимающие атмосферные объемы в десятки тысяч кубических километров.

Чтобы их увидеть, необходимо оказаться в условной зоне визуального доступа выше шторма между свободно парящими облаками и темным звездным фоном. В большинстве случаев подобные условия складываются нечасто. Сами по себе эльфы тусклые и могут быть замечены только привыкшими к темноте глазами. В среднем их яркость сравнивается со слабыми северными сияниями. Непосредственное восприятие призрачных молний эльфов и джетов определяется особенностями человеческого зрения.

В сетчатке наших глаз два вида рецепторов, так называемые колбочки и палочки. Колбочки отвечают за цветное зрение, их пороговая чувствительность приблизительно пересекается с уровнем восприятия молнии-призрака. Палочки несколько более чувствительны, но они обеспечивают черно-белое вечернее и ночное видение предметов.

Обычно призрачные молнии представляют собой обширные, но слабые вспышки, которые появляются непосредственно выше верхней кромки грозы. Они напоминают небольшие сполохи и многократные вертикально удлиненные пятна со слабыми всплесками свечения, которые простираются от вершин облака на десятки километров. Чаще всего наиболее яркая область свечения располагается на высоте 65–75 км, выше которой часто можно наблюдать слабый красный жар, который простирается приблизительно на 90 км. Ниже яркой красной области наблюдаются синие волокнистые структуры, простирающиеся вниз на несколько десятков километров.

Поэтому привыкшие к темноте глаза готовы зафиксировать эльфов и джетов как бесцветные тени, при этом нужно не смотреть на объект непосредственно, а использовать боковое зрение. Таким образом, они могут буквально появиться как вспышки в уголках глаз (возникнуть как призрак!). Из-за призрачной основы эльфов очень трудно рассмотреть в присутствии ярких близлежащих огней, например в городе. Следует также учитывать, что подсветка облака от молнии составляет величину более яркую, чем сам эльф. Это может легко отвлечь наблюдателя, чтобы он мог заметить мимолетный и тонкий танец красных эльфов высоко в небе выше шторма, бушующего ниже. Обычно эльфы живут в течение 3–10 мс. Это слишком мало, чтобы сфокусировать на них пристальный взгляд для полного визуального контакта.

Недавно было открыто еще несколько новых типов молний, их назвали «голубые струи». Эти атмосферные разряды, формирующиеся очень высоко в земной атмосфере, намного выше, чем слои, где появляются обычные молнии. Голубые струи образуются начиная от вершин облаков и до высот порядка полусотни километров. Поскольку жизнь голубых струй составляет всего лишь секунду, их можно заснять только скоростной видеокамерой. Голубые струи выглядят узкими конусами, перемещающимися в пространстве со скоростью около 100 км/с.

Если учесть все вышеперечисленные особенности появления и наблюдения молний-призраков, становится ясно, почему они столь неуловимы. Однако в ряде случаев они могут быть замечены и невооруженным человеческим глазом. Для этого требуется четко видеть всю перспективу грозы, особенно если молниевые разряды наблюдаются вблизи горизонта, при этом облачный покров должен быть не особенно мощным.

Лучше всего наблюдать грозовой шторм на расстоянии 200–300 км в сгущающихся сумерках. При этом глаза должны быть полностью адаптированы к темноте, как в случае астрономических наблюдений. Если вы можете увидеть Млечный Путь, это значит, что уже достаточно стемнело и зрение приспособилось к фиксированию молний-призраков. Далее необходимо остановить пристальный взгляд на пространстве выше активной области грозы, стараясь при этом не отвлекаться на молнии внутри наэлектризованного облака. Эльфы и джеты как очень краткие вспышки воспринимаются только на самом краю визуальной чувствительности. Они перемещаются слишком быстро, чтобы следовать за ними глазами, но их странный вид, вертикальная полосатая структура и багровый тусклый цвет могут быть замечены боковым зрением и отложиться на сетчатке глаза. Так, терпение наблюдателя может быть вознаграждено, если правильно выбрать вид грозового шторма и геометрическую перспективу наблюдения молниевых разрядов. Можно сказать, что вероятность увидеть эльфов, струи и джеты намного превосходит возможность наблюдения метеоров.

Иногда появление молний-призраков смешанного типа «эльф-джет» объясняют ионосферным резонансом Шумана, связанным с явлением образования стоячих электромагнитных волн низких и сверхнизких частот между поверхностью Земли и верхними слоями атмосферы: если возникшая в этой среде электромагнитная волна от разряда мощной молнии после огибания Земного шара снова совпадает с собственной фазой (входит в резонанс), то она может существовать долгое время, порождая всплески слабого свечения.

Большой научный интерес представляет электронное моделирование возможных электрохимических эффектов для эльфов и джетов в мезосфере и стратосфере с помощью разнообразных компьютерных программ. Следует признать, что с помощью компьютерных моделей эволюции эльфов были установлены многие важные закономерности их поведения. Так, прояснился принципиальный вопрос: могут ли они создавать в пределах верхней атмосферы локально или глобально существенные долгоживущие электрохимические остатки?

В целом призрачные молнии должны играть большую роль в общей земной системе перераспределения атмосферного электричества и могут быть существенным элементом глобальной электрической цепи Земли. Вполне вероятно, что они были неотъемлемой частью гроз, которые произошли за предыдущие миллиарды лет после возникновения атмосферы и даже внесли свой вклад в процесс возникновения жизни на Земле.

Можно строить предположения о возможности возникновения подобных явлений, связанных с молниевыми разрядами и на других планетах Солнечной системы, особенно это касается Юпитера и Венеры, где были обнаружены следы необычно сильного радиоизлучения от молниевых разрядов.

Глава 4. Круглое электричество

Нам думается, что ранее высказанные гипотезы о природе шаровой молнии неприемлемы, так как они противоречат закону сохранения энергии. Это происходит потому, что свечение шаровой молнии обычно относят за счет энергии, выделяемой при каком-либо молекулярном или химическом превращении, и, таким образом, предполагают, что источник энергии, за счет которого светится шаровая молния, находится в ней самой…

П. Капица. О природе шаровой молнии

Иногда кажется, что мы лучше знаем о том, что происходит во время вспышек сверхновых и при образовании нейтронных звезд, чем о том, что творится буквально рядом с нами во время грозы. И конечно же, чаще всего среди самых интригующих загадок атмосферного электричества упоминается шаровая молния. Еще недавно многие авторитетные ученые не верили в само ее существование. Наблюдение в природе продолжает быть единственным надежным средством исследования, несмотря на опыты, ведущиеся в физических лабораториях, и компьютерные эксперименты. Поэтому установить факты можно только одним способом – тщательной проверкой сообщений очевидцев и накоплением статистики.

Само по себе увеличение объема фактических данных не всегда ведет к устранению противоречий и созданию определенной картины явления. Наоборот, в некоторых случаях хаос только нарастает, а четкая физическая картина не прорисовывается. Это верный признак того, что наблюдения – плод досужей фантазии и богатого воображения, никакого реального содержания за ними нет или мы очень далеки от его истинного понимания.

В других же случаях накопление фактов приводит к тому, что туман рассеивается и из него начинают выступать четкие контуры реальности. Именно так и получилось в случае шаровой молнии. Огромный материал, собранный современными учеными, принес лишь несколько новых открытий по сравнению с тем, что было известно о шаровой молнии еще двести лет назад. Но он позволил точно утверждать, что шаровая молния действительно существует, и выделить определенные признаки, с помощью которых можно отделить правильные сообщения очевидцев от неточных, преувеличенных или выдуманных. Кроме того, ученые впервые смогли надежно оценить физические параметры шаровой молнии и благодаря этому сделали шаг вперед к научному объяснению ее природы.

Что же известно сейчас о шаровой молнии?

Почти в половине случаев за время наблюдения молния успевает пройти от одного до десяти метров. Очевидцы сообщили, что молния двигалась горизонтально, в каждом пятом случае она опускалась вниз и лишь в каждом двадцатом поднималась вверх. В среднем молния проходит за секунду не больше нескольких метров, отсюда следует, что этот огненный шар состоит из газа, который лишь немногим плотнее воздуха.

Подавляющее большинство людей может за свою жизнь наблюдать множество разрядов обычной молнии, так и не увидев ни разу шаровой. По количеству свидетельских показаний можно оценить, что в год их наблюдается десятки тысяч, но за всю свою жизнь это явление видит примерно один человек из тысячи.

А насколько часто шаровые молнии возникают? Естественным масштабом для сравнения является частота появления молний линейных. Мы видим такую молнию издалека, но оказаться вблизи от места, куда она ударила, – довольно редкое событие. Можно предположить, что приблизительно в двух из пяти случаев удар линейной молнии сопровождается появлением шаровых.

Средний диаметр шаровой молнии составляет 20–30 см, хотя чаще встречаются молнии поменьше. Появляющиеся при ясной погоде значительно крупнее возникающих во время грозы и наблюдаются в течение более длительного времени. В половине случаев шаровая молния появляется в радиусе пяти метров от наблюдателя, а в каждом шестом случае пролетает в полуметре.

Появление шаровой молнии связано с прохождением грозы над местностью, иногда светящийся шар возникает рядом с каналом линейной молнии. Однако в двух из каждых трех случаев наблюдений она возникала из розеток, электроприборов, радиоприемников, телевизоров, телефонов, батарей отопления и даже гвоздей, вбитых в стену, – то есть из металлических проводников; а также проникала сквозь диэлектрики (стекло и прочее), иногда повреждая их.

Нередки случаи, когда шаровая молния проходила через щели, даже не опалив обоев, или с ловкостью вора-домушника «вырезала» кружок оконного стекла по своему размеру, не повредив остальное.

В девяти из десяти случаев молния имеет сферическую форму, благодаря чему и получила свое название. Иногда ее образ бывает искажен электрическими полями или потоками воздуха: молния становится похожей на эллипсоид, грушу или совсем теряет правильную форму. В двух случаях очевидцы наблюдали молнию в форме кольца. Цвет свечения шара – от красноватого до светло-голубого и зеленого. Появление шаровой молнии иногда сопровождается шипением, жужжанием, свистом, завыванием и потрескиванием. Движется она медленно, иногда останавливается, а достигая какой-либо преграды, часто взрывается. Мощность взрыва достаточна, чтобы разрушить печную трубу, разбить на кусочки кирпичи здания. Иногда шаровая молния исчезает бесшумно. Обычно после ее исчезновения в помещении остается остро пахнущая дымка, голубая в отраженном свете и коричневая в проходящем.

Существуют также неподвижные шаровые молнии, испускающие ослепительно-белый свет. Они «закрепляются» на остриях громоотводов (да-да, громоотводы не спасают), на краях металлических крыш, на верхушках труб. В то время как подвижные молнии могут оседать и становиться неподвижными, те, наоборот, порой срываются с места. Большая шаровая молния может иногда распасться на несколько светящихся шаров меньшего размера.

Еще одним поразительным свойством шаровой молнии является способность проникать через узкие отверстия и даже щели, деформируясь при этом и вновь восстанавливая сферическую форму после выхода в свободное пространство. Один очевидец наблюдал с расстояния 15–20 см, как через отверстие в стене «…пролезал желтый шарик величиной с крупный апельсин, – и уточнил, – вернее, не пролезал, а переливался из одной половины в другую». Другой рассказал, как шаровая молния прошла в комнату через трещину в стекле сплющившись, поскольку размер ее был больше размеров трещины.

Подобные явления можно объяснить тем, что вещество молнии отчасти похоже на жидкость: оно обладает поверхностным натяжением и не смешивается с окружающим воздухом.

Световой поток, испускаемый шаровой молнией, для оценки сравнивают со светом электрической лампочки. Чаще всего очевидцы называют два интервала: 50–100 и 100–200 ватт, на которые в сумме приходится около половины наблюдений. Таким образом, световой поток от шаровой молнии в среднем сравним с тем, который испускает стоваттная электрическая лампочка. Но удивительно не это: оказывается, излучая свет, шаровая молния почти совсем не выделяет тепло! Судя по наблюдениям, не может быть речи о температуре в тысячу градусов, которую часто приписывают шаровой молнии.

Шаровая молния – не что иное, как сгусток обыкновенного воздуха, заряженного энергией. Шар, «проплывая», отдает свою энергию свободным электронам окружающего воздуха. Это вызывает его свечение. Если, в условиях открытого пространства, на его пути встречаются вещества (пыль, сажа), действующие как катализаторы, шар взрывается.

Вблизи поверхности земли сила тяжести молнии уравновешивается действием электрического поля от зарядившейся в грозу поверхности почвы. В таком взвешенном состоянии движение молнии зависит либо от воздушных потоков, либо от небольших изменений приземного электрического поля. Именно в этом состоит причина необычности ее поведения. Дело в том, что мы не имеем органов, которые реагировали бы на напряженность электрического поля. Во время грозы оно может возрасти вокруг нас в тысячи раз, и тем не менее мы этого не ощутим. Поэтому в повседневной жизни мы не знаем, как меняется электрическое поле вокруг нас, и, в отличие от поля тяжести, не привыкли считаться с ним как с возможной причиной, определяющей движение тел.