Каждое лето в сезон гроз молнии убивают людей и вызывают пожары: например, недавно от удара молнии у главного храма ВС в Подмосковье погиб человек. Когда приближается гроза, местные власти рассылают предупреждения населению о том, как себя вести, а СМИ говорят с учеными, исследующими грозы, и практически каждое лето пишут про шаровые молнии. Недавно Агентство городских новостей Москвы опубликовало слова доктора физико-математических наук, председателя совета по шаровой молнии Владимира Бычкова, призвавшего «во время грозы оставаться дома и закрывать окна и двери, поскольку шаровая молния может проникнуть в помещение». Так ли это на самом деле? «Холод» рассказывает, что ученым вообще известно об этом до сих пор довольно малоизученном явлении.
Чтобы не пропускать главные материалы «Холода», подпишитесь на наш инстаграм и телеграм.
«Она как мячик — может залетать в окна. Бабушка сидела на диване, читала газету. Розетка вот в изголовье была. И она влетела, сволочь, в эту розетку. Я только успела крикнуть: “Бабушка, не шевелись!” Она застыла, и она в эту же розетку назад и вылетела. Маленький шарик такой».
Из этого рассказа 60-летней жительницы Брянской области и других подобных историй, записанных фольклористами, мы довольно подробно знаем, что делать: во время грозы нельзя открывать окна и двери (ее привлекают сквозняки), некоторые полагают, что надо закрывать и печи, и розетки — повесить на них, например, галошу. Если вдруг она появилась, нужно стоять и не шевелиться, тогда она может спокойно вылететь, а может, наоборот, влететь в телевизор и взорвать его, сжечь холодильник или стиральную машину, подпалить занавески. Хорошо известно и что делать, если пострадал человек: зарыть его в землю по шею или положить на цементный пол.
Этот жанр называется «поверье». Как и другие фольклорные тексты, поверья функциональны, их главная задача — рассказать, как поступать правильно через «истории из жизни». Что делать, если ты заблудился и подозреваешь, что тебя водит леший (помогает переодеть правый ботинок на левую ногу и левый — на правую), как распознать оборотня (например, отрезать ухо), как быть, если тебе стал являться покойник (способов много — можно, скажем, рассыпать вокруг дома рябину).
Шаровая молния вполне вписывается в ряд мифологических героев и явлений (она, кроме того, очень похожа на огненного змея, «летуна» русского фольклора — покойника или колдуна, способного летать в виде огненного шара), и многие ученые считали, что в этом ряду ей и следует оставаться: мы до сих пор очень плохо представляем физическую природу этого явления, а описания, оставленные очевидцами, дают очень мало информации для физиков. Ученые не один раз получали в лабораториях что-то похожее, но никто не мог точно сказать, совпадает ли его природа с «настоящими», естественными шаровыми молниями.
Неудивительно, что некоторые ученые приходили к мнению, что шаровые молнии — это так называемые фосфены, иллюзии, наведенные в мозге сильными магнитными полями.
Поэтому шаровые молнии для науки долгое время оставались курьезом, странным явлением где-то в одном ряду с НЛО (и рассказы о шаровой молнии публиковались под одной обложкой с исследованиями уфологов). Энтузиасты-исследователи сетовали, что коллеги скептически относятся к этой теме — потому что нет никакой гарантии, что в решении этой проблемы удастся продвинуться хоть на шаг.
Но в последние десятилетия ситуация начала меняться, и, возможно (если нам повезет), мы все-таки сможем понять, как возникают и как работают шаровые молнии и могут ли они действительно вылетать из розетки.
* * *
Возможно, первое письменное свидетельство о шаровой молнии относится к VI веку: в «Истории франков» Григория Турского упоминается о появлении огненного шара в городе Туре. Совсем недавно, в 2022 году, ученые обнаружили еще одно средневековое описание — в хронике пера монаха-бенедиктинца Гервасия Кентерберийского. В 1195 году он описал огненный шар, возникший во время грозы и упавший в Темзу. За прошедшие века свидетельств очевидцев накопилось немало, самая знакомая для нас — это история гибели в 1753 году друга Ломоносова, петербургского профессора Георга Рихмана, который пытался во время грозы измерить ее электрический заряд, запустив воздушный змей. Возникший синевато-белый огненный шар ударил его в лоб и убил на месте. Это был первый случай гибели ученого во время эксперимента с электричеством.
К 1838 году Франсуа Араго, физик, математик и астроном, собрал и опубликовал уже около 20 описаний появления шаровых молний. Именно он и ввел термин шаровая молния, который используется для описания группы метастабильных светящихся проявлений атмосферного электричества. В 1875 году другой французский физик Гастон Планте, изобретатель свинцово-кислотного аккумулятора, впервые пробует получить шаровую молнию в лаборатории — и у него действительно возникает крошечный светящийся шарик (попытку воспроизвести его опыт можно посмотреть здесь).
В России первые попытки получить шаровую молнию в лаборатории были предприняты в 1893 году Николаем Гезехусом, который получил светящийся разряд над раствором соли и считал, что шаровая молния состоит из сгорающего под действием сильных разрядов азота.
В советское время интерес к шаровым молниям в научном сообществе стал массовым после статьи Петра Капицы, который в 1955 году выдвинул гипотезу, что рождение шаровых молний связано со взаимодействием радиоволн и газового разряда. Ученые через журнал «Наука и жизнь» обращались к людям, видевшим шаровые молнии, с просьбой присылать данные о своих наблюдениях. Уже на излете советской эпохи, в 1988 году, даже был создан Советский Информационный центр по шаровой молнии при Институте высоких температур АН СССР (он сейчас называется ОИВТ).
Сотрудник физфака МГУ, доктор физико-математических наук Владимир Бычков — один из энтузиастов исследований шаровой молнии, и он сам был свидетелем появления шаровых молний.
По его мнению, шаровые молнии — это раскаленный «воздушный шарик» с оболочкой из испарившегося при ударе молнии грунта, в основном оксида кремния, а в воздухе он держится за счет электростатического отталкивания от поверхности земли.
Бычков и его коллеги не раз пытались получить в лаборатории аналоги шаровой молнии, воздействуя электрическим разрядом на алюминиевые пластины, и у них получались «светящиеся шарики, которые прыгают по поверхности, а потом взрываются. Их размер очень мал, порядка миллиметров».
В 2003 году Владимир Раков и Мартин Юман из университета Флориды подвели итог: к тому моменту было известно около пяти тысяч случаев наблюдения шаровых молний, но очень мало — фотографий, видеосъемок или записей показаний приборов. «Было разработано множество теорий, объясняющих шаровые молнии. Ни одну из них нельзя назвать полностью удовлетворительной… Возможно, в природе существует больше чем один тип шаровых молний и больше чем один механизм их образования», — писали они.
«Обычно она возникает в грозу, которая сопровождается многочисленными вспышками обычных молний. Огненный шар возникает после удара линейной молнии и рядом с ним. Шар имеет красный или оранжевый цвет, а его средний диаметр составляет около 32 сантиметров (по данным четырех исследований, содержащих несколько сотен наблюдений). Светящаяся сфера плывет по воздуху с умеренной скоростью, около двух метров в секунду, иногда залетает в жилые помещения. Она приближалась к наблюдателям и даже касалась их. В некоторых из этих случаев было отмечено неожиданное отсутствие тепла. Шар исчезает через несколько секунд с сильным взрывом.
Шары оставляют после себя явные следы: снесенную хижину, разбитую сваю пирса, расплавленную лопасть пропеллера самолета, подожженные материалы. В сообщениях очевидцев иногда встречаются и сильно отличающиеся описания. Например, шаровую молнию видели в отсутствие обычной молнии или даже при ясном небе. Иногда шар может быть желтого, синего и зеленого цвета, а также может быть интенсивным ослепительно-белым. В нескольких случаях отмечалась фиолетово-голубая корона, а иногда наблюдалось изменение цвета. Наблюдались диаметры от одного сантиметра до нескольких метров. Иногда они имеют форму кольца или яйца, а не сферы. Отмечаются треск и запахи, подобные тем, что бывают при электрическом разряде».
И в теориях, и в попытках экспериментально воспроизвести шаровую молнию недостатка нет. Мартин Юман, возглавлявший до 2022 года Центр изучения молний Флоридского университета, получил финансирование от американских ВВС именно на эксперименты по созданию шаровых молний.
Он и его коллеги в конце 2000-х годов запускали в грозовые облака ракеты, за которым тянулся тонкий металлический провод. Если опыт удавался, то молния била в землю точно вдоль провода — а значит, как в фильме «Назад в будущее», ученые точно знали где расположить все необходимые приборы.
Юман и его коллеги исходили из гипотезы, предложенной в 2000 году Джоном Абрахамсоном и Джеймсом Диннисом. Они считали, что шаровая молния возникает после удара обычной молнии в грунт. Удар выбивает вверх облако из нагретых и светящихся наночастиц вещества — это и есть шаровая молния.
Всего Юману удалось спровоцировать восемь ударов молний, которые они направили на разные материалы: кремниевый порошок и кремниевые пластины, сосновую древесину, воду в детском бассейне, листы из разных металлов и даже гуано летучих мышей. Из 100 разновидностей материалов только четыре породили явление, подобное шаровой молнии: свечение возникло над мокрым листом нержавеющей стали, кремниевой пластиной, водой в бассейне и над свежесрубленной сосной.
Но Юман был недоволен, так как полученный эффект был слишком краткосрочен: искусственная шаровая молния держалась лишь пару десятых секунды. Ученый сетовал, что, если бы у него была возможность продолжить эксперименты, он сумел бы подобрать материал, который породил бы более долгоживущие шаровые молнии.
В 2006 году эксперимент по проверке теории Абрахамсона поставили Владимир Дихтяр и Эли Йерби из Тель-Авивского университета: они разогревали вещество микроволновым излучением до сверхвысоких температур и получали светящееся облачко, плывущее в воздухе.
Но все эти эксперименты не давали ответа на главный вопрос: имеют ли полученные в лабораториях эффекты какое-то отношение к реальной, рожденной в естественных условиях шаровой молнии? Или их сближает только внешнее сходство? В 2012 году ученым (и нам) повезло: кажется, у нас появился намек на правильный ответ.
Пин Юань из Северо-западного педагогического университета в Ланьчжоу изучал вместе со своими коллегами обычные линейные молнии на Тибетском нагорье, на высоте двух с половиной тысяч метров. В их распоряжении было два бесщелевых спектрографа (то есть способных снимать спектры всех излучающих объектов в поле зрения, а не только видеть спектр только тех источников, на которые они направлены), цифровая видеокамера и высокоскоростная камера. 23 июля 2012 года в 21:54 по пекинскому времени во время грозы возникла шаровая молния — вся техника работала и смогла записать данные.
Ученые получили видео со звуком, множество снимков и главное — спектры излучения шаровой молнии. Иначе говоря, смогли увидеть, какие именно атомы и молекулы излучают шаровые молнии, и благодаря этому понять, какие именно вещества входят в ее состав (увидеть спектры и снимки можно здесь).
Шаровая молния возникла в 900 метрах от приборов после удара обычной молнии, ее свечение продолжалось 1,64 секунды. Сперва молния имела фиолетовый оттенок, через 80 миллисекунд она стала оранжевой, еще через 80 миллисекунд — белой, а на последней стадии, с 1100 миллисекунд, — красной. При этом яркость молнии колебалась с периодом длиной около 10 миллисекунд. Скорость движения молнии составляла около девяти метров в секунду. Точно измерить температуру шаровой молнии они не смогли, но отметили, что она должна быть ниже температуры линейной молнии, которая оценивается в 15–30 тысяч кельвинов.
Спектрографы получили спектр линейной молнии, породившей шаровую, — в ней главные спектральные линии принадлежат ионам азота из атмосферного воздуха.
В спектре самой шаровой молнии присутствовали линии кремния, железа и кальция — веществ из местного грунта, причем линия кремния была отчетливо видна до самой последней стадии жизни молнии. Таким образом теория Абрахамсона и Динниса получила подтверждение: шаровая молния действительно возникает при ударе обычной молнии из раскаленных частиц почвы, главным образом кремния.
Конечно, китайские физики оговариваются, что в природе могут существовать несколько разных типов шаровых молний и разных механизмов их образования и их единственное наблюдение не может ответить на все вопросы, касающиеся этого явления. Остается надеяться, что в скором будущем рядом с шаровой молнией какого-то другого типа окажется хладнокровный физик со спектрографом и высокоскоростной камерой. Однако уже сейчас можно достаточно уверенно сказать, что шаровая молния все-таки не то же самое, что огненный змей русских поверий.
