Файл: Сингер, С. Природа шаровой молнии.pdf

i fir?

Книга дает довольно полный обзор существующих

Редакция космических исследований, астрономии и геофизики

Перевод на русский язык, «Мир», 1973

П Р Е Д И С Л О В ИЕ

Появившиеся в 1838 г. в «Ежегоднике» французского Бюро гео­ графических долгот обширные публикации о молнии, где один из разделов был посвящен шаровоіі молнии, послужили началом науч­ ной литературы об основных свойствах этого странного явления природы. Автором статьи был Франсуа Араго, один из видных членов Французскоіі академии наук XIX в., принятый в нее в возрасте 23 лет. Своей работой он, несомненно, способствовал тому, что эта проблема вызвала обоснованный научный интерес. В статье были очень четко сформулированы некоторые из основных вопросов, свя­ занных с шаровой молнией. Последующие обсуждения часто не да­ вали почти ничего нового по сравнению со статьей Араго.

В дальнейшем всегда находилась небольшая смелая группа ученых, которая на основе последних достижений науки пыталась найти объяснение такому случайному и, казалось бы, простому явле­ нию, как шаровая молния, как правило, наблюдаемому DO время гро­

зы. Однако все попытки разгадать это явление оказывались неудач­

теоретическому объяснению. Можно утверждать, что и сегодня не существует теории, которая удовлетворяла бы большинство ученых. Этой проблемой занимались крупные ученые, добившиеся значитель­ ных успехов в других областях науки, в том числе Фарадей, Кель­ вин и Аррениус. Аррениус -довольно подробно рассмотрел шаровую молнию в своем учебнике космической физики. Монография Бранда (1923 г.), ставшая теперь классической, была опубликована отдельным томом в серии, посвященной проблемам космической физики. Совре­ менные исследователи чаще всего считают шаровую молнию плазмен­ ной сферой. Краткая, впечатляющая статья Капицы вызвала и мой интерес к проблеме, в особенности к структуре плазменной сферы ма­ лого размера, над которой сейчас продолжает работать мой коллега Нак Гу Ким.

Как видно из опубликованных работ, интерес к шаровой молнии, этому труднообъяснимому явлению, не ослабевает вот уже более

показывают, что монография Браида, вышедшая более 45 лет назад, стала библиографической редкостью. Многие ценные наблюдения и вполне обоснованные заключения, сделанные в прошлом, по-видимо­ му, малодоступны современным исследователям. Одна из целей на­ стоящей работы состоит в изложении и сопоставлении всех имеющих­ ся в литературе сведений о шаровой молнии. Статьи па эту тему появлялись в прошлом нерегулярно: периоды бурной активности сме­ нялись длительными периодами, когда совсем не публиковалась ин­ формация о шаровой молнии. В настоящее время интерес заметно возрос. В данной книге учтена литература вплоть до 1969 г., причем

мере подчеркивая достоинства, которыми эти теории обладали в тот период, когда они были выдвинуты. Однако было бы ошибочным считать, что автор им симпатизирует. Во-первых, некоторые из них действительно имеют мало достоинств. Невероятное разнообразие прошлых и современных теории может вызвать определенные за­ труднения или даже путаницу. С другой стороны, это, быть может, снизит вероятность дублирования прежних теории и предотвратит по­ явление в будущем не оправдывающих себя представлений, способ­ ствуя таким образом появлению теории, которой наконец удастся объяснить все свойства шаровой молнии.

В рассматриваемую проблему вовлечены некоторые специальные разделы метеорологии, физики и химии. Отсутствие убедительной теории время от времени приводит к тому, что новые достижения в этих областях преждевременно, если не с излишней поспешностью, используются для создания теоретических моделей шаровой молнии.

Математические выражения, хотя они более четки, обычно в обсуж­ дении опускаются, что, впрочем, не должно помешать читателю вос­ становить их, если он того пожелает. Целью автора было представить материал каждой области в легко воспринимаемой форме для тех, кто, быть может, не обладает специальными знаниями, а также для

Глава 1

ГРОЗОВЫЕ РАЗРЯДЫ

ИЗАГАДКА ШАРОВОЙ МОЛНИИ

Бесчисленные грозовые облака заключают в себе ко­ лоссальные электрические машины, работа которых про­ является в разрядах молний. Огромная величина их элек­ трической мощности вполне очевидна для наблюдателей, у которых звенит в ушах и слепнут глаза — как, напри­ мер, у свидетеля настоящей канонады вспышек, который за одну минуту насчитал 200 ударов молний, или у ав­ тора сообщения о том, что массивная каменная стена бы­ ла сдвинута на несколько футов в результате воздейст­ вия одного-единственного разряда.

В древности на молнию взирали с вполне понятным трепетом. Утверждают, например, что этруски призы­ вали на вражеские армии небесные стрелы. Древним было известно существование нескольких видов молний: линейной, зигзагообразной, ленточной и шаровой. Бенд­ жамин Франклин с поистине великолепным научным прозрением заметил сходство между разрядами, созда­ ваемыми с помощью электрических машин X V I I I в., и обычной молнией. Для проверки своей гипотезы Франк­ лин предложил простой и ясный эксперимент — сведение электрического заряда с неба, чтобы он стал доступным исследователю, с' помощью проводника, поднятого воз­ душным змеем; вскоре он с несомненностью установил, что молния действительно представляет собой электри­ ческий разряд.

Через сто лет Бойс сконструировал фотокамеру с вра­ щающимися иа диске объективами, благодаря которой удалось проследить за стремительной сменой событий в разряде молнии. Почти невидимый электрический пи­ лот-лидер движется от заряженной грозовой тучи корот­ кими быстрыми толчками с паузами между ними, отыски-

10 Глава 1

вая наиболее подходящий путь к земле или к другому облаку. Когда канал уже сформировался, следует мощ­ ный главный разряд, при котором на малую долю секун­ ды возникает ток, достигающий 100 000 Ä при разности, потенциалов между облаком и землей в миллиард вольт. Этот разряд порождает яркую вспышку, которую мы и видим как молнию.

Лишь совсем недавно были выяснены механизмы раз­ деления зарядов в облаках, способные, по-видимому, соз­ давать электрические поля, близкие к тем, которые необ­ ходимы для возникновения молнии. Однако скорость образования зарядов, если оценивать ее исходя из одно­ го какого-то механизма, все же недостаточна для того, чтобы объяснить возникновение молнии даже обычного типа. Разделение зарядов объяснялось столкновением дождевых капель, замерзанием, трением капель или твер­ дых частиц о воздух, разрушением капель при столкнове­ нии и другими подобными взаимодействиями газа и час­ тиц. Хотя приемлемые механизмы накопления электри­ ческих зарядов известны, реальные процессы, протекаю­ щие в облаке, пока не установлены.

Разряд обычной молшін в основных чертах уже впол­ не понятен; весьма значительный прогресс достигнут в изучении его физического механизма. Но с шаровой мол­ нией дело обстоит совсем иначе, если говорить о научном понимании этого явления. Хотя шаровая молния привле­ кала внимание многих крупных ученых — Бойля, Араго, Фарадея, Планте, Лоджа, Арреннуса, Теплера и Капи­ цы,— единого мнения об этом, по-видимому, одном и том же грозовом явлении пока не существует. Причины про­ тиворечивости гипотез о шаровой молнии становятся очевидными, как только мы приступаем к изучению имеющихся о ней сведений.

Упоминания о шаровой молнии встречаются в древней литературе с тех самых пор, как появились первые запи­ си о метеорологических явлениях. Еще раньше явление шаровой молнии находило отражение в древнем искус­ стве. Многим современным исследователям шаровой молнии неизвестны весьма ценные наблюдения, пропе-

. денные каких-нибудь сто лет назад. Критические обзоры этой проблемы, появившиеся в последние несколько лет