Введение.

   Уважаемые читатели!

Хочу сразу заявить, я никогда не занимался и не интересовался вопросами, касающимися шаровой молнии, а только кое-что читал о ней в популярной литературе. Однако в течение десяти лет занимался активным экспериментальным исследованием сильноточных (килоамперных) разрядов и изучением свойств плазмы этих разрядов. Правда, сказанное относится к старым исследованиям, так как последние двадцать девять лет разрядами не занимался, а только изредка "любопытствовал" по их поводу.

Если предположить, что шаровая молния представляет собой плазменный шар, то у меня сформировалась гипотеза о возможной ее природе, основанная на результатах личного исследования электрических разрядов. Эти исследования привели меня к выводу, что из-за известных плазменных эффектов объем плазмы представляет собой своеобразную "потенциальную яму" для частиц окружающего его нейтрального газа. Это представление позволяет объяснить известные экспериментальные результаты и зависимости, касающиеся сильноточных электрических разрядов, что изложено на предыдущих страницах сайта. На этой же странице хочу показать, как, с точки зрения упомянутого представления, можно объяснить феномен шаровой молнии.

Таким образом, на сайте с единой точки зрения рассматриваются как электрические импульсные килоамперные разряды, стационарные дуги, так и шаровая молния. Точки соприкосновения этих явлений будут видны чуть позже, а сначала кратко рассмотрим опыты, способствовавшие возникновению этого представления.

1. Краткое описание некоторых опытов с сильноточными килоамперными разрядами.

В свое время со стороны (из Физического института им. П. Н. Лебедева) была предложена идея экспериментальной проверки возможности создания активной (лазерной) среды с помощью сильноточного импульсного разряда. Я согласился заняться этой работой; в помощь были приданы инженер и студент на преддипломной практике, для которого часть этой работы стала затем дипломным проектом.
К сожалению, пролетевшее время стерло из памяти фамилию студента, ставшего моим первым и последним дипломником, а инженером помогал Николай Белов, выпускник нашей кафедры, продержавшейся до прекращения своего существования еще несколько месяцев, заядлый альпинист.

В первую очередь, надо было научиться экспериментально создавать большие объемы (литры) неравновесной слабо ионизованной плазмы. Определенный опыт [1] в этом направлении был уже накоплен при исследовании возможности формирования осесимметричных сильноточных (многокилоамперных) квазистационарных разрядов в кварцевых трубках диаметром до 6 см. Этот опыт был использован, и на его основе была собрана разрядная система, основу которой составила кварцевая трубка диаметром 10 и длиной 15 см. На торцах трубки размещались плоские электроды, занимавшие почти все ее сечение. В этой трубке создавались стабильно воспроизводимые однородные плазменные образования, которые заполняли практически весь объем разрядной трубки.
Для формирования плазменных образований студентом и инженером, помимо разрядной трубки, был также собран пятикаскадный генератор Маркса. Напряжение холостого хода генератора могло выбираться вплоть до 130-160 кВ. Величина предельно достижимого напряжения зависела от влажности воздуха в лаборатории. С помощью этого генератора через трубку формировались импульсы тока длительностью 30-50 наносекунд и амплитудой 9-16 кА.
Научиться осциллографировать такие импульсы удалось уже после защиты студентом дипломного проекта, когда на одной из кафедр был обнаружен осциллограф с электронно-лучевой трубкой бегущей волны. Полоса пропускания трубки составляла 4 Ггц. Освоение осциллографирования импульсов тока заняло у нас (меня и инженера) около четырех месяцев.

Создаваемые плазменные образования сопровождались слабым свечением, длительность которого (по грубой визуальной оценке) варьировалась приблизительно от десятых долей секунды до секунды в зависимости от рода заполняющего трубку газа. Это было удивительно, если учесть, что длительность импульсов тока не превышала 50 наносекунд.

В качестве плазмообразующего газа использовались: водород, азот, аргон, криптон, ксенон, воздух, углекислый газ. Причем наиболее продолжительное свечение (чуть более секунды) стабильно наблюдалось при наполнении трубки ксеноном. То, что длительность свечения зависела от рода газа при одном и том же энерговкладе в разряд, меня очень заинтриговало. Поэтому решил провести дополнительные исследования в этом направлении уже на своей старой установке, большая часть узлов которой описана в [2]. Максимальный диаметр разрядной трубки, который можно было установить в имеющийся конструктив трубки, составлял 6 см. Но установка позволяла обследовать более широкий набор плазмообразующих веществ, в том числе и тех, которые при нормальных условиях находились в твердом агрегатном состоянии.
Последнее осуществлялось за счет того, что твердое вещество (кусочки гранита, мрамор, галька, панцирь речных улиток и т.д.) предварительно измельчалось в пудру. На основе этой пудры путем смешения ее с газом (обычно аргоном) создавалась аэрозоль в специально разработанном устройстве. Полученная аэрозоль подавалась в разрядную трубку, через которую пропускался прямоугольный импульс тока, средняя амплитуда которого задавалась, обычно, в районе 20-30 кА. Длительность прямоугольного импульса не превышала, большей частью, 150 мкс. Выбор длительности импульсов был ограничен тем обстоятельством, что пьезодатчик для измерения давления мог регистрировать ход давления в трубке в течение лишь 150 мкс, а по давлению оценивалась величина возникавшей в трубке концентрации частиц при превращении аэрозоля в плазму с помощью зависимости [3].
Примерно через одну - три секунды после прохождения прямоугольного импульса тока через трубку пропускался второй уже короткий импульс тока. Для его формирования использовался не генератор Маркса, а один из двух вспомогательных генераторов на малогабаритных однокамерных вакуумных разрядниках, способных коммутировать токи величиной до 100-150 кА. Генераторы были встроены в установку практически одновременно с основным генератором прямоугольных импульсов тока, собранным также на вакуумных (одно и пятикамерном) разрядниках , но более, чем в три раза, большего диаметра. Короткий импульс тока на выходе вторичной обмотки импульсного трансформатора формировался при разряде через первичную обмотку кондесатора, заряженного до напряжения 10-12 кВ, с помощью малогабаритного вакуумного разрядника. Амплитуда напряжения на вторичной обмотке составляла 50-70 кВ, длительность менее 100 наносекунд.

Таким образом, второй импульс тока малой длительности пропускался через продукты распада плазмы, созданной протеканием через аэрозольную среду разрядной трубки прямоугольного импульса тока относительно большой длительности.
Зрительно свечение плазменных образований, возникавших после пропускания короткого импульса тока, наблюдалось через шторнощелевой затвор малоформатного фотоаппарата. Чтобы избежать ослепления излучением, сопровождавшим прохождение прямоугольного импульса, затвор открывался лишь в момент формирования через трубку короткого импульса тока. В подавляющем числе запусков длительность свечения получаемых плазменных образований (на основе зрительного восприятия) не превышала нескольких долей секунды. Неожиданно на фоне этого однообразия было зафиксировано свечение плазменного образования, наблюдавшееся не менее трех секунд. Однако многочисленные запуски с целью воспроизвести плазменное образование с таким продолжительным свечением не удавались в течение более трех месяцев. После чего удалось зафиксировать еще один случай свечения плазменного образования продолжительностью около 1,6 секунды. На этом и пришлось остановиться. Несмотря на различные ухищрения, варьирования условий опытов, многочисленные повторы, добиться получения ожидаемого результата не удалось, осталось также совершенно неясным, с чем связаны наблюдавшиеся случаи.

Гипотеза, объясняющая описанные случаи, созрела приблизительно в 1991-92 гг, то есть спустя 14 или 15 лет. Однако, попытка опубликовать ее в журнале ЖТФ приблизительно в то же время закончилась отказом. Отказ объяснялся тем, что, по мнению рецензентов, выражение для мощности поляризационных потерь (МПП), лежащее в основе гипотезы, противоречит газокинетическим представлениям.
Но так как в основе МПП лежат не газокинетические представления, а учет поляризационных плазменных эфектов, которые ранее учитывались совсем по другому, неадекватно реальности, то я хочу опять обратить на эту гипотезу внимание широкой аудитории. Потому, что гипотеза, как мне представляется, позволяет дать конструктивное объяснение наблюдавшихся случаев распада плазменных образований и намечает путь их стабильного воспроизведения. Кроме того, ясно, как эту гипотезу проверить экспериментально. Мне это уже не по силам, но думаю, что кого-нибудь это заинтересует.

2. Количественная характеристика остывания гипотетического однородного плазменного шара.

   Сконструируем величину, позволяющую количественно характеризовать интенсивность процесса остывания однородного гипотетического плазменного шара в любой момент времени. Для определенности придумаем для нее название - постоянная времени остывания и обозначим, например, через t_o. Плазму шара, на первых порах, для простоты считаем атомарной, состоящей из одного химического элемента, концентрация атомов в которой равна n_o, а электронов n_e. Предполагаем также, что степень ионизации плазмы мала.
Постоянную остывания определим, как отношение кинетической энергии всех частиц в шаре E_V к величине мощности Q поляризационных потерь (МПП), которая затрачивается на удаление частиц за пределы шара. Поляризационные потери обусловлены тем, что между плазмой шара и окружающим газом существует энергетический барьер, на преодоление которого частице, покидающей шар требуется энергия, равная величине снижения энергии ионизации атомов χ_o в плазме шара. Выражение для МПП рассмотрено на нескольких предыдущих страницах сайта, начиная со страницы "Иcтория исследования...", поэтому его здесь не обсуждаем.

   Чтобы получить формулу для t_o, раскроем выражения для E_V и Q.
Очевидно, что величина поступательной энергии частиц E_V, заключенная в шаре радиуса R, равна объему шара V=4/3πR³, умноженному на концентрацию части в нем n_o и среднюю поступательную энергию частицы 3/2kT. В окончательном виде это выражение выглядит, как:

    Мощность поляризационных потерь Q равна произведению величины поверхности шара S=4πR² на величину снижения энергии ионизации атомов в плазме и величину удельного потока атомов через повехность шара, равную (в силу предполагаемой однороности шара) 1/4n_ov_o. Здесь v_o - скорость атомов. В окочательном виде это выражение запишем, как:

Здесь μ - относительный атомный вес, m_o - атомная единица массы.

С учетом формул (1) и (2) постоянную времени остывания t_o модельного плазменного шара запишем в следующем виде, удобном для дальнейшего анализа:

Здесь через τ обозначена комбинация величин:

Для полноты картины напомню, что величина снижения энергии ионизации атомов в плазме χ_o в простейшем случае (см. страницу "Энергобаланс аргоновой дуги") дается выражением:

если n_e - в см^-3, T - в K.

3. Гипотеза о механизме шаровой молнии.

Применительно к общему случаю формула (3) позволяет оценить воображаемое фиктивное значение величины времени распада в предположении, что величины, входящие в формулу (3), остаются неизменными во времени. Однако, в общем случае эти величины меняются во времени и меняются сильно. Поэтому, вообще говоря, эту формулу нужно усовершенствовать, но мы это делать не будем. А рассмотрим специфические случаи, когда, входящие в формулу величины, действительно, можно приближенно считать постоянными.

Очевидно, что главную роль в формуле (3) играет величина τ, поскольку в нее входит концентрация электронов, значение которой сильно зависит от величины температуры T, изменяющейся при распада. В моменты времени, когда температура высока, а следовательно высока и концентрация электронов, скорость остывания будет максимальна, а величина t_o мала. С уменьшением температуры скорость остывания должна замедляться. Однако, если к плазмообразующем газу с достаточно большим значением энергии ионизации (или кому привычнее - потенциалом ионизации) примешано вещество с очень низким потенциалом ионизации (концентрацию этого вещества обозначим через n_o^*), то в достаточно широком температурном диапазоне величину τv_o, входящую в (3) можно приближенно считать постоянной. Это происходит потому, что из-за низкой величины энергии ионизации примесь оказывается сильно или полностью ионизованной в значительном температурном интервале, поэтому можно считать, что n_e=n_o^*≈const.
Из сказанного следует, что если концентрация легко иоизирующейся примеси n_o^* будет относительно велика, то скорость остывания будет оставаться большой, несмотря на уменьшение температуры шара.
Однако, если концентрация примеси будет мала, то и скорость остывания будет мала, при этом время остывания шара (а, следовательно, и свечения) может стать столь продолжительным, что позволит назвать такое плазменное образование шаровой молнией :-).

Чтобы почувствовать влияние легко ионизируемой примеси на скорость остывания шара проанализируем следующий модельный пример. Рассмотрим находящийся в атмосфере плазменный шар радиуса R=10 см, температура которого равна T=1000K. Пусть концентрация электронов за счет легкоионизуемой примеси составляет в шаре величину n_e=10⁸, см^-3. Дебаевский радиус ρ_D (ρ_D=4,86(T[K]/n_e[см^-3])^1/2, см) при такой коцентрации электронов и температуре по порядку составляет 10^-2, см. Это означает, что мы, действительно, имеем дело с плазменным шаром. В то время как шар из воздуха без примесной добавки, представляет собой просто нагретый нейтральный газ, так как дебаевский радиус в этом случае превышает размеры шара. Отсюда следует, что для анализа поведения шара с легко ионизуемой примесью мы можем пользоваться приведенными выше формулами.
Численные оценки показывают, что для рассматриваемого модельного примера величина τ=χ_o/kT=10^-4, так как, согласно (5), χ_o=4,65· 10^-20(10⁸/10³)^1/2=1,47· 10^-17, эрг, а kT=1,38^-16· 10³=1,38· 10^-13, эрг. Если считать, что относительный атомный вес частиц газа равен μ=30, то есть примерно такой же, как и у воздуха, то скорость атомов в шаре составит величину v_o=8,4· 10⁴ см/с. На основе этих величин с помощью формулы (3) определим, что время остывания шара диаметром 20 см составит около 2,4 секунд. Если уменьшить концентрацию электронов в шаре на два порядка, то время остывания шара увеличится на порядок и составит уже 24 секунды. А для плазменного шара диаметром один метр (шаровые молнии такого размера иногда встречаются) время свечения составит более 100 секунд.
Если учесть, что концентрация частиц в шаре при температуре в 1000ºK составляет 10¹⁹ см^-3, то концентрация примеси должна быть, как минимум, на 11-12 порядков (!) меньше, но не до такой степени, когда дебаевский радиус сравнивается с радиусом шара, иначе шар нельзя будет рассматривать как плазменный.

Рассмотренный пример позволяет объяснить, почему в экспериментах, описанных в п. 1, не удавалось получать стабильно воспроизводимые долгосветящиеся плазменные образования. Видимо, в тех опытах концентрация легко ионизирующейся компоненты существенно превышала необходимое значение и лишь в двух опытах, по воле случая, оказалась в нужном интервале значений. Поэтому постоянно день за днем, по многу раз в день, создавались "шаровые молнии" не в том временном диапазоне, в котором их стали ожидать после обнаружения существования плазменных образований с длительным свечением.

Посмотрим, какие элементы таблицы Менделеева являются наиболее легко ионизируемыми. Очевидно те, у которых мала величина энергии ионизации (потенциал ионизации). Из рассмотрения таблицы следует, что наименьшей энергией ионизации обладает цезий Cs(3,89 эв). Это щелочной металл, который плавится при температуре 28,5ºC, а кипит при 705ºC. Свое название этот элемент получил от того, что пары его окрашивают бледное пламя в небесно голубой цвет.
Третье место по малости величины энергии ионизации занимает также щелочной металл рубидий Rb (4,18 эв), названный так потому, что его пары окрашивают бледное пламя в красный цвет. Пары рубидия при 180ºC пурпурно-красные, выше 350ºC - оранжевые. По физическим и химическим свойствам он близок к цезию. Так, температура плавления рубидия 38,9ºC, а кипения - 688ºC.
В природе цезий и рубидий находятся обычно совместно, как спутники натрия, калия и лития, но в малом количестве. В немногих случаях цезий не сопровождается рубидием, так, в гранитных пегматитах (пегматит - магматическая горная порода) встречается редкий минерал, называемый поллуксом (поллуцитом), содержащий до 34% окиси цезия.
Следующий после рубидия элемент по величине энергии ионизации, который, возможно, может представлять интерес с точки зрения шаровой молнии, - это всем хорошо известный щелочной металл калий K (4,34 эв). Пары калия окрашивают бледное пламя горелки в фиолетовый цвет.
На второе место в этой группе, видимо, следует поставить уран U, потенциал ионизации которого, по предварительным данным, составляет 4 эв. Температура плавления урана равна 1133ºC.
Из указанных четырех элементов, видимо, наиболее важными являются щелочные элементы, так как при низких температурах (грубо ориентировочно << 1000K) эти элементы начинают группироваться в двухатомные молекулы, потенциал ионизации [4] которых будет ниже потенциала ионизации атомов. Выпишем такие комбинации с указанием их потенциала ионизации в эв: Cs₂ (3,65), Rb₂ (3,80), K₂ (3,90), RbCs (3,72^*), KCs (3,77^*), KRb (3,85^*). Звездочка указывает, что значение потенциала нуждается в уточнении. Образование при низких температурах указанных димерных молекул должно замедлять скорость снижения концентрации электронов в плазменном шаре или, возможно, даже приводить к ее увеличению.

Приведенную выше гипотезу сопоставим с известными сведениями о шаровой молнии, которые предварительно выпишем из приложения к книге [5]:

1. Появление. Большинство наблюдений шаровой молнии сделано во время гроз. Большая часть, (но не все) шаровых молний, вызванных грозой, появляется почти одновременно с разрядом облако - земля. Эти шаровые молнии возникают в нескольких метрах от земли. Сообщалось, что иногда шаровые молнии появлялись около земли и в отсутствие разряда молнии. Шаровые молнии также наблюдались висящими в воздухе высоко над землей или падающими из облака на землю.
   
   
2. Внешний вид. Шаровые молнии обычно имеют сферическую форму, хотя есть сообщения и о других формах. Диаметр их составляет от 10 до 20 см; имеются данные о диаметрах от 1 до 100 см. Шаровые молнии бывают разного цвета, причем чаще всего встречаются красный, оранжевый и желтый цвета. Как правило, шаровые молнии не слишком ярки, но их можно четко различить при дневном свете. Сообщают, что шаровые молнии сохраняют постоянными яркость и размер за время существования, хотя не являются необычными молнии с изменяющейся яркостью и размерами.
   
   
3. Время жизни. Обычно оно составляет менее 5 с. Согласно опубликованным данным, время жизни небольшой части шаровых молний превышало минуту.
   
   
4. Тепло, звук и запах. Наблюдатели шаровой молнии лишь изредка сообщают об ощущении тепла. Однако существуют описания молний, которые зажигали сараи и расплавляли провода........
   Иногда шаровые молнии издают шипящий звук. Многие наблюдатели отмечали характерный запах, сопровождающий шаровую молнию. Запах обычно описывается как острый и неприятный, напоминающий озон, горящую серу или окись азота.
   
   
5. Притяжение к предметам и ограждениям. .......Шаровые молнии часто проникают внутрь домов через сетки для насекомых или дымоходы........Сообщалось также, что они образуются и в зданиях, иногда из телефонных аппаратов. Шаровые молнии могут появляться и в цельнометаллических ограждениях, например внутри самолета.
   
   
6. Исчезновение. Шаровые молнии распадаются двумя способами: бесшумно или со взрывом. Распад со взрывом происходит быстро и сопровождается громким звуком. Бесшумный распад происходит как быстро, так и медленно. Большая часть шаровых молний распадается быстро......Изредка наблюдалось, что шаровая молния разбивалась на две или больше шаровых молний меньших размеров.
   
   

Из высказанной гипотезы следует, что создание долгоживущего плазменного образования возможно при наличии в плазменной среде элементов с низким потенциалом ионизации и с жесткими требованиями к величине этой концентрации. Элементы с низким потенциалом ионизации являются щелочными металлами, то есть химически очень активными. По этой причине в природе они существуют в виде нелетучих химических соединений, и в атмосфере при обычных условиях, видимо, полностью отсутствуют.
Электрический атмосферный разряд молнии вблизи земли может приводить к нагреву воздуха, испарению поверхностного слоя земли и разложению химических соединений, содержащихся в этом слое. На некотором расстоянии от земли возникает нагретый слой воздуха, в котором названные щелочные элементы могут иметь необходимую концентрацию для создания долгоживущего плазменного образования. Если в этот момент произойдет другой электрический разряд, такой длительности, что созданный плазменный объем не успеет превратиться в сильноточную дугу, то возникнет долгоживущее плазменное образование.
Наличие разряда молнии на землю не является обязательным условием создания плазменной среды с необходимой концентрацией легко ионизующегося компонента. Можно указать много путей, как такая ситуация может возникнуть и без удара молнии. Обязательным условием является способ, создания в этой среде плазменного образования. Причем высоковольтый разряд является не единственным инструментом, позволяющим это произвести.
Так как химические соединения щелочных металлов могут входить в состав пылевидных частиц, заносимых в высокие слои атмосферы воздушными вихрями, то становится понятным также и возникновение шаровых молний высоко в атмосфере.
Если шаровая молния формируется не в среде чистого воздуха, а в его смеси с газом, атомы которого имеют массу в несколько раз превышающую массу частиц воздуха (например, ксеноном, см. раздел 1), то возможно формирование шаровых молний тяжелее воздуха, падающих из облака на землю.
Так как граница плазмы обладает поверхностным натяжением, то плазменное образование в спокойной атмосфере должно принять форму шара. Цвет образовавшегося шара определяется, видимо, щелочным элементом или смесью таких элементов в шаровой молнии, хотя нельзя исключать и других возможностей.
Оценка времени жизни шаровой молнии на основе выдвинутой гипотезы приводит к значениям, которые согласуются с наблюдаемыми.
Как ясно из вышесказанного, запас тепловой энергии у шаровой молнии невелик, а температура не очень высока. Поэтому особого тепла от нее ждать не следует, если только она не отягощена какими-либо сопутствующими энергетическими явлениями (например, протеканием тока в среде атмосферы).
То, что шаровая молния может возникнуть внутри помещения, замкнутом пространстве, на подводной лодке и т. д. и даже появиться из телефонного аппарата (к мобильным телефонам это не относится) не вызывает никакого сомнения. Затруднительно только объяснить, как она проникает через сетки для насекомых - ведь насекомые такие маленькие!:-).
Если шаровая молния, перемещаемая в атмосфере воздушным потоком, встретит на пути область, в которой повышена концентрация щелочного металла, то произойдет ее лавинообразный распад (взрыв) из-за резкого возрастания мощности поляризационных потерь (МПП) из ее объема. Это объяснение распада со взрывом. Если такой встречи не состоится, то молния распадается бесшумно, а скорость ее распада зависит от концентрации частиц щелочного металла в ее объеме. Так как вероятность образования среды с относительно большим количеством сверхультрамалой концентрации легко ионизирующейся примеси выше, то чаще должны встречаться шаровые молнии, распадающиеся быстро и тихо, что в жизни и наблюдается.
Возможность разбиения ее на части также не вызывает особого сомнения. В опытах п.1 на стадии отладки довольно часто удавалось наблюдать распад плазменного столба в виде конфигурации, напоминающей растянутую связку сарделек, в трубке длиной 40 см и диаметром 6 см. Правда продолжительность этого распада была порядка долей секунды при ее визуальной фиксации. Если бы знать тогда, в чем дело, то, возможно, можно было бы создать в трубке несколько шаровых молний, "выстроенных" в шеренгу. Но в этом случае - это просто "ловкость" рук, связанная с организацией формирования разрядов. Влияние условий формирования, например, на квазистационарный разряд рассмотрено в [1].

Завершая эту страницу, можно сказать фигурально, вспоминая книгу И. Ильфа и Е. Петрова "Двенадцать стульев", что "плодотворная дебютная идея" в виде гипотезы, состоящей в том, что плазменный объем представляет собой "потенциальную яму" для частиц окружающего его нейтрального газа, позволяет с единой точки зрения проанализировать и объяснить очень широкий круг электрических явлений в газах. Однако, эта гипотеза, видимо, как показало прошедшее время, имеет недостаток - она сложна для восприятия, поэтому ее, а вместе с ней и меня, вежливо "отсылают" в редакциях журналов куда-нибудь подальше с 1976 г. Гипотеза связана с процессами в плазме, которые в обычной практике не учитываются и которые известны узкому кругу физиков. Поэтому, когда в редакцию приходит статья, в которой впервые формулируется эта гипотеза, то, видимо, возникает психологическая реакция отторжения, как, например, у человека, которому что-то сказали на незнакомом ему языке. Следует также учесть, что в научных статьях в связи с жестким ограничением на их объем изложение ведется достаточно сухим языком.

Москва. Написание этой страницы сайта завершено 15 апреля 2006 г.
Уже на сайте страница дополнена тремя фразами, включая эту, 16 апреля 2006 г.