Шаровая молния:
реальность или миф? читать ~10 мин.

Шаровая молния остаётся одной из самых загадочных и спорных тем современной физики атмосферы. Этот феномен, представляющий собой светящийся сферический объект, наблюдаемый во время грозовых явлений, веками привлекает внимание учёных, исследователей и очевидцев по всему миру. Несмотря на тысячи свидетельств и десятки теоретических моделей, природа шаровой молнии до сих пор остаётся неразгаданной, что делает её одним из самых интригующих явлений в современной науке.

Исторический контекст и первые описания

История изучения шаровой молнии насчитывает несколько столетий. Самое раннее документированное наблюдение в Англии было зафиксировано бенедиктинским монахом Гервасием из Кентерберийского собора в 1195 году, где он описал «удивительный знак, спустившийся рядом с Лондоном» как плотное тёмное облако, из которого вышла белая субстанция, принявшая сферическую форму.

Систематическое изучение феномена началось в XIX веке благодаря французскому физику и астроному Франсуа Араго, который первым собрал и систематизировал свидетельства очевидцев. Во второй половине XIX века он описал около 30 случаев наблюдения шаровой молнии. Многие современники Араго принимали шаровую молнию за оптическую иллюзию, что существенно ограничивало научный интерес к данному явлению.

В советский период значительный вклад в исследование феномена внесли академик Петр Капица и Игорь Стаханов. Капица предполагал, что светящиеся шары могут быть газовыми разрядами, движущимися вдоль силовых линий электромагнитной волны, возникшей во время грозы.

Современные наблюдения и свидетельства очевидцев

Согласно современным оценкам, примерно один из 150 человек утверждает, что видел шаровую молнию. Типичные наблюдения описывают светящиеся объекты диаметром около 20 сантиметров, хотя размеры могут варьироваться от нескольких сантиметров до нескольких метров. Продолжительность существования таких объектов составляет обычно от нескольких секунд до нескольких минут.

Характерные особенности, описываемые очевидцами, включают способность объектов двигаться горизонтально, зависать в воздухе, проникать через стены и окна без видимых повреждений, а также производить шипящие звуки и характерный запах озона. Многие свидетели сообщают о глубоком психологическом воздействии наблюдения — от изумления до сильного страха.

Профессор Анатолий Никитин из Российской академии наук описывает случай 1948 года в Тушино, когда 17-летняя Ида Набоко (впоследствии физик и математик) наблюдала пульсирующий красновато-сине-фиолетовый объект диаметром 15-20 сантиметров, который двигался к линии электропередач и взорвался при контакте с металлической опорой, оставив следы окисленного металла.

Научные теории и модели

Существует множество теорий, пытающихся объяснить природу шаровой молнии. Основные направления исследований включают плазменные модели, электромагнитные теории, химические гипотезы и модели на основе наночастиц.

Плазменные и электромагнитные модели

Одна из наиболее развитых теорий предполагает, что шаровая молния – плазменное образование. Модель Широносова основана на резонансной природе явления, где плазма удерживается собственными магнитными полями в десятки мегаэрстед. Согласно этой теории, шаровая молния представляет самоустойчивую плазму с упорядоченным синхронным движением заряженных частиц.

Релятивистско-микроволновая теория, предложенная Ву, объясняет формирование шаровой молнии воздействием релятивистского электронного пучка, создающего интенсивное микроволновое излучение. Это излучение ионизирует воздух, а радиационное давление создаёт сферический плазменный пузырь, стабильно удерживающий излучение.

Модель кремниевых наночастиц

Широко известная теория Абрахамсона и Диннисса предполагает, что шаровая молния образуется при ударе обычной молнии в землю, который испаряет минералы почвы. Углерод в почве восстанавливает оксиды кремния до элементарного кремния, создавая газ из энергетических атомов кремния. Затем они рекомбинируют в наночастицы или филаменты, которые, плавая в воздухе, реагируют с кислородом, выделяя тепло и свет.

Лабораторные эксперименты Паивы и коллег продемонстрировали возможность создания светящихся шаров путём электрического разряда через чистый кремний. Полученные объекты обладали многими свойствами, приписываемыми природной шаровой молнии, включая продолжительность существования в несколько секунд.

Современные экспериментальные подходы

Исследователи из Института Макса Планка создали плавающие над водой шары светящейся плазмы диаметром 10-20 сантиметров, существовавшие около полусекунды. Физики МГУ разработали модель, согласно которой шаровая молния больше всего напоминает воздушный шар, заполненный раскалённым газом.

Команда из Университета Тель-Авива использовала «микроволновое сверло» — устройство на основе магнетрона мощностью 600 Вт — для создания лабораторных аналогов. Энергия сверла создавала расплавленную горячую точку в твёрдом объекте, а при удалении сверла часть перегретого материала вытягивалась, формируя огненный столб, который затем превращался в яркий светящийся шар.

Спорные гипотезы и критика

Теория магнитных галлюцинаций

Австрийские учёные из Университета Инсбрука Йозеф Пеер и Александр Кендль предложили альтернативное объяснение части наблюдений шаровой молнии. Они исследовали воздействие магнитных полей, возникающих при разряде молнии, на головной мозг человека.

Согласно их гипотезе, в зрительных центрах коры головного мозга возникают фосфены — зрительные образы, появляющиеся при воздействии сильных электромагнитных полей. Исследователи сравнивают такое воздействие с транскраниальной магнитной стимуляцией, когда магнитные импульсы провоцируют появление фосфенов.

Расчёты показывают, что флуктуирующие магнитные поля могут создавать галлюцинации круглых светящихся объектов у наблюдателей, находящихся в радиусе 20-200 метров от удара молнии. Учёные оценивают, что примерно в одном проценте случаев близкого контакта с молнией флуктуирующее магнитное поле может вызвать галлюцинацию.

Ограничения галлюцинационной теории

Критики отмечают, что теория магнитных галлюцинаций не может объяснить все аспекты феномена. Серьёзные ожоги и смертельные случаи, приписываемые шаровой молнии, требуют материального объяснения. Кроме того, галлюцинации не могут объяснить физические следы, оставляемые шаровой молнией — повреждения стёкол, металлических поверхностей и других материалов.

Физические доказательства и материальные следы

Одним из ключевых аргументов в пользу реального существования шаровой молнии являются документированные случаи материального ущерба и физических следов.

Спектральный анализ 2012 года

Прорывным моментом стало исследование китайских учёных из Северо-Западного педагогического университета в Ланьчжоу в 2012 году. Во время изучения обычных молний на плато Цинхай они случайно зафиксировали спектр и высокоскоростное видео шаровой молнии. Объект диаметром около 5 метров появился сразу после удара молнии в землю на расстоянии 900 метров от приборов.

Спектральный анализ выявил эмиссионные линии кремния, железа и кальция — элементов, ожидаемых в почвенных минералах согласно теории Абрахамсона. Это стало первым инструментальным подтверждением состава шаровой молнии и косвенно поддержало гипотезу о кремниевых наночастицах.

Случаи разрушений и повреждений

Документированные случаи физического воздействия шаровой молнии включают разрушения зданий, повреждения электронной техники и травмы людей. В 2013 году в селе Могсохон Кижингинского района Бурятии шаровая молния проникла через крышу дома и взорвалась внутри, разрушив половину строения. Хозяйка дома получила серьёзные травмы, а у соседей вышла из строя бытовая техника.

Аналогичный случай произошёл в 2021 году в посёлке Медведка Пермского края, где шаровая молния залетела в дом через окно, прошла через все помещения и вышла через другое окно, оставив обугленные потолки и оконные рамы.

Анализ повреждений стекла

Детальное исследование повреждений оконных стёкол, приписываемых шаровой молнии, проведено польскими учёными. В деревне Розкопачев в 2001 году была проанализирована траектория объекта по характеру повреждений двух окон. Анализ линий Валлнера на поверхности радиальных трещин позволил определить направление силы, вызвавшей разрушение стекла.

Исследование показало, что объект воздействовал на окна снаружи, что противоречило свидетельствам очевидцев о движении шаровой молнии через комнату. Учёные предположили существование твёрдого ядра шаровой молнии, способного к механическому воздействию и взрыву.

Лабораторные эксперименты и искусственное воспроизведение

Множество исследовательских групп по всему миру пытались создать аналоги шаровой молнии в лабораторных условиях. Наиболее успешные эксперименты включают использование микроволнового излучения, электрических разрядов в воде и воздействие на различные материалы.

Микроволновые эксперименты

Команда из Университета Тель-Авива создала «микроволновое сверло» на основе магнетрона мощностью 600 Вт. При направлении луча через заострённый стержень в твёрдый объект из стекла, кремния и других материалов создавалась расплавленная горячая точка. При удалении сверла часть перегретого материала вытягивалась, образуя огненный столб, который затем сжимался в яркий светящийся шар размером чуть больше 2,5 сантиметров, существовавший около 10 миллисекунд.

Российские физики из Института Капицы разработали установку для создания светящихся плазмоидов над поверхностью воды с помощью электрического разряда. Эксперимент основан на российской концепции, научно продолженной в бывшей берлинской лаборатории института, где использовались методы плазменной диагностики.

Исследования наночастиц

Команда из Европейского центра синхротронного излучения использовала малоугловое рассеяние рентгеновских лучей для изучения внутренней структуры искусственно созданных огненных шаров. Результаты показали присутствие горячих наночастиц со средним размером 50 нанометров и объёмной долей около 10^-7, существовавших в течение 2 секунд после выключения микроволнового источника.

Современное состояние исследований

Несмотря на столетия изучения, природа шаровой молнии остаётся загадкой. Отсутствие общепринятой теории объясняется сложностью явления, его редкостью и кратковременностью существования. Современные исследователи продолжают собирать свидетельства очевидцев, проводить лабораторные эксперименты и развивать теоретические модели.

Ричард Зонненфельд из Технологического института Нью-Мексико и Карл Стефан из Техасского государственного университета создали веб-сайт для сбора свидетельств очевидцев с целью улучшения понимания базовых характеристик явления. Они сравнивают полученные данные с системами метеорологических радаров для характеристики факторов, способствующих образованию шаровой молнии.

Новейшие теоретические подходы

Современные теории включают модели на основе тёмной материи, где шаровая молния рассматривается как проявление аксионных кварковых сгустков. Другие исследования предполагают связь с магнитными монополями как объяснение энергетических характеристик явления.

Модель динамических электрических конденсаторов описывает шаровую молнию как ансамбль положительно заряженных элементов внутри сферической оболочки из поляризованных молекул воды. Согласно этой модели, динамический конденсатор представляет систему циклически движущихся электронов и ионов.

Безопасность и практические аспекты

Шаровая молния может представлять серьёзную опасность для человека и имущества. Документированы случаи ожогов, поражения электрическим током и даже смертельные исходы при контакте с этим явлением. Высокочастотное радиоизлучение шаровой молнии в диапазоне волн 1-10 сантиметров может поглощаться жидкой водой, что при близком контакте с телом может вызвать нагрев крови и разрыв мышечных тканей.

Рекомендации по безопасности включают закрытие окон и дверей во время грозы для предотвращения сквозняков, которые могут привлечь шаровую молнию в помещение. При наблюдении светящегося объекта рекомендуется сохранять спокойствие, избегать резких движений и не приближаться к объекту.

Значение для современной науки

Изучение шаровой молнии имеет важное значение для развития физики плазмы, атмосферного электричества и понимания экстремальных состояний вещества. Успешное воспроизведение явления в лабораторных условиях может привести к созданию новых технологий в области энергетики, обработки материалов и плазменных технологий.

Исследования также способствуют развитию методов защиты от молний в авиации и энергетике. Понимание механизмов образования и поведения шаровой молнии может помочь в создании более эффективных систем молниезащиты для зданий и электронного оборудования.

Феномен шаровой молнии продолжает оставаться одной из величайших загадок современной физики. Тысячи свидетельств очевидцев, физические следы повреждений и первые инструментальные измерения убедительно свидетельствуют о реальности явления. Однако отсутствие единой теории, объясняющей все наблюдаемые характеристики, оставляет множество вопросов открытыми.

Современные лабораторные эксперименты демонстрируют возможность создания объектов, визуально напоминающих шаровую молнию, но их связь с природным явлением остаётся неопределённой. Дальнейшие исследования, сочетающие теоретическое моделирование, лабораторные эксперименты и систематический сбор данных наблюдений, необходимы для окончательного решения этой научной загадки.