Введение

Атмосферное электрическое явление

Шаровая молния – редкое и необъяснимое явление, описываемое как светящиеся сферические объекты размером от горошины до нескольких метров в диаметре. Хотя шаровая молния обычно наблюдается во время гроз, зафиксированные случаи длительностью значительно превышают мгновенную вспышку обычной молнии, и это явление отличается от огня святого Эльма. В январе 2014 года был опубликован оптический спектр, предположительно полученный при наблюдении шаровой молнии, вместе с видеозаписью, сделанной с высокой частотой кадров. Лабораторные эксперименты воспроизвели эффекты, визуально схожие с описаниями шаровой молнии, однако связь между ними и реальным явлением остаётся невыясненной.

Исторические отчеты

Шаровые молнии являются возможным источником легенд, описывающих светящиеся шары, такие как мифологический Анчимайен из аргентинской и чилийской культуры мапуче. Согласно статистическим исследованиям, проведённым в 1960 году, шаровую молнию наблюдали 5% населения Земли. Другое исследование проанализировало сообщения о 10 000 случаях.

HMS Монтегю

Одним особенно крупным примером, о котором сообщили "по свидетельству доктора Грегори" в 1749 году, был следующий случай: адмирал Чемберс на борту корабля "Монтегю" 4 ноября 1749 года, делая наблюдение незадолго до полудня, заметил большой шар голубого огня на расстоянии около 3 миль (5 км). Они немедленно спустили верхние паруса, но шар приближался к ним так быстро, что до того, как они успели поднять главный шкот, увидели, как шар поднимается почти вертикально, и взрывается, находясь не выше основных вант. Взрыв был таким сильным, словно одновременно выстрелили сотня пушек, и после него остался сильный запах серы. В результате взрыва главная верхняя мачта была раздроблена на куски, а главная мачта обрушилась до киля. Пять человек были сбиты с ног, один из них получил серьёзные ушибы. Непосредственно перед взрывом шар казался размером с большой жернов.

Георг Ричманн

В отчете за 1753 год описывается смертельный случай, связанный с шаровой молнией, когда профессор Георг Рихманн из Санкт-Петербурга, Россия, создал воздушный змей, аналогичный предложению Бенджамина Франклина, сделанному годом ранее. Рихманн присутствовал на заседании Академии наук, когда услышал гром и вместе со своим гравером поспешил домой, чтобы зафиксировать явление для истории. Во время эксперимента появилась шаровая молния, спустилась по веревке, ударила Рихманна в лоб и убила его. На лбу Рихманна осталось красное пятно, его обувь была разнесена, а одежда обгорела. Его гравер был оглушен и потерял сознание. Дверная коробка комнаты раскололась, а дверь вырвало с петель.

HMS Уоррен Хейстингс

В одном английском журнале сообщалось, что во время шторма 1809 года появилось три "огненных шара", которые "атаковали" британский корабль HMS Warren Hastings. Экипаж наблюдал, как один шар опускается, убивая человека на палубе и поджигая главную мачту. Один из членов экипажа попытался забрать тело погибшего и был поражён вторым шаром, который отбросил его назад, оставив лишь лёгкие ожоги. Третий человек погиб при контакте с третьим шаром. После этого члены экипажа сообщили о стойком, тошнотворном запахе серы.

Эбенезер Кобхэм Брюэр

Эбенезер Кобхэм Брюер в своем американском издании 1864 года "Руководство к научному знанию обыденных вещей" обсуждает явление "шаровой молнии". Он описывает его как медленно движущиеся огненные шары или взрывоопасные газы, которые иногда опускаются на землю или катятся по ней во время грозы. Он отмечал, что шары порой разделяются на более мелкие и могут взрываться "словно пушечный выстрел".

Алистер Кроули

Британский оккультист Алистер Кроули сообщил, что в 1916 году во время грозы на озере Паскуэни в Нью-Гэмпшире (США) он наблюдал явление, которое он назвал "шарообразной электричностью". Он укрылся в небольшом коттедже, когда, как он сам выразился, заметил, с тем, что могу описать лишь как спокойное изумление, ослепительный шар электрического огня, диаметром, по всей видимости, около , неподвижно висящий примерно ниже и справа от моего правого колена. Когда я смотрел на него, он взорвался с резким хлопком, который совершенно невозможно было спутать с непрерывным грохотом молний, грома и града, или с шумом бушующей воды и ломающихся деревьев, создававшим за коттеджем настоящий хаос. Я почувствовал очень легкий удар в середине правой руки, которая находилась ближе к шару, чем любая другая часть моего тела.

Прочие счета

Вилли Лей обсудил наблюдение в Париже 5 июля 1852 года, "по которому были представлены присяжные показания во Французской академии наук". Во время грозы портной, живущий рядом с церковью Валь-де-Грас, увидел шар размером с человеческую голову, вылетевший из камина. Он облетел комнату, вернулся в камин и взорвался, разрушив верхнюю часть дымохода. 30 апреля 1877 года шар молнии вошел в Золотой храм в Амритсаре, Индия, и вышел через боковую дверь. Несколько человек наблюдали за шаром, и этот инцидент выгравирован на передней стене Даршани Деори. 22 ноября 1894 года в Голден, штат Колорадо, произошел необычно продолжительный случай естественной шаровой молнии, что позволяет предположить, что ее можно искусственно индуцировать из атмосферы. Газета "Золотой глобус" сообщила: "В прошлый понедельник вечером в этом городе было замечено красивое, но странное явление". Ветер был сильным, и воздух казался насыщенным электричеством. Перед новым инженерным корпусом Школы горного дела, над ним и вокруг него огненные шары играли в течение получаса, вызывая удивление и изумление всех, кто наблюдал за этим зрелищем. В этом здании расположены динамо и электрическое оборудование, возможно, лучшей электростанции такого размера в штате. Вероятно, это был визит делегации из облаков к пленникам динамо в прошлый понедельник вечером, и они, безусловно, отлично провели время и весело поиграли. 22 мая 1901 года в казахском городе Уральске Российской империи (ныне Орал, Казахстан) во время грозы "ослепительно яркий огненный шар" постепенно спускался с неба, затем вошел в дом, где укрывались 21 человек, "разрушил квартиру, пробил стену в печь в соседней комнате, сломал трубу печи и вынес ее с такой силой, что она врезалась в противоположную стену и вылетела через разбитое окно". Об этом инциденте сообщалось в Bulletin de la Société astronomique de France в следующем году. В июле 1907 года шаровая молния ударила в маяк Кейп-Натуралист в Западной Австралии. В то время в башне находился смотритель маяка Патрик Бэрд, которого сбило с ног и он потерял сознание. Его дочь Этель зафиксировала это событие. Лей рассказал о другом инциденте в Бишофсверде, Германия. 29 апреля 1925 года несколько свидетелей видели, как бесшумный шар приземлился рядом с почтальоном, переместился по телефонному проводу в школу, отбросил учителя, пользующегося телефоном, и проделал идеально круглые отверстия размером с монету в стекле. Расплавилось 213 метров провода, были повреждены несколько телефонных столбов, сломан подземный кабель, несколько рабочих упали на землю, но не пострадали. Раннее упоминание о шаровой молнии появляется в детской книге, написанной в 19 веке Лаурой Ингаллс Уайлдер. Книги считаются исторической фантастикой, но автор всегда настаивала на том, что они описывают реальные события в ее жизни. В описании Уайлдер во время зимней метели возле чугунной печи на кухне семьи появляются три отдельных шара молнии. Они описываются как появляющиеся возле трубы печи, затем катящиеся по полу, чтобы исчезнуть, когда мать (Кэролайн Ингаллс) гонится за ними метлой из ивы. Пилоты во время Второй мировой войны (1939–1945) описали необычное явление, объяснением которого могла быть шаровая молния. Пилоты видели маленькие шары света, движущиеся по странным траекториям, которые стали называть "фу-файтерами". Подводники во время Второй мировой войны давали наиболее частые и последовательные отчеты о небольших шаровых молниях в замкнутой подводной атмосфере. Есть многочисленные сообщения о случайном образовании плавающих взрывчатых шаров при включении или выключении аккумуляторных батарей, особенно при неправильном включении или при неправильном подключении или отключении сильно индуктивных электродвигателей. Попытка позже воспроизвести эти шары с помощью избыточной подводной батареи привела к нескольким неудачам и взрыву. 6 августа 1994 года считается, что шаровая молния прошла через закрытое окно в Уппсале, Швеция, оставив круглое отверстие диаметром около. Отверстие в окне было обнаружено через несколько дней, и предполагалось, что это могло произойти во время грозы; удар молнии был замечен жителями района и зафиксирован системой отслеживания молнии в Отделе электричества и исследований молнии в Уппсальском университете. В 2005 году произошел инцидент на Гернси, где очевидный удар молнии в самолет привел к многочисленным наблюдениям огненных шаров на земле. 10 июля 2011 года во время сильной грозы светящийся шар с хвостом прошел через окно в диспетчерскую местных служб экстренной помощи в Либереце, Чехия. Шар отскочил от окна к потолку, затем к полу и обратно, где прокатился по нему на два-три метра. Затем он упал на пол и исчез. Персонал в диспетчерской испугался, почувствовал запах электричества и горелой проводки и подумал, что что-то горит. Компьютеры зависли (не вышли из строя), и все средства связи были отключены на ночь, пока их не восстановили техники. Помимо повреждений, вызванных отключением оборудования, был уничтожен только один компьютерный монитор. 15 декабря 2014 года рейс Loganair 6780 в Шотландии столкнулся с шаровой молнией в передней кабине непосредственно перед ударом молнии в нос самолета, самолет упал на несколько тысяч футов и приблизился на 1100 футов к Северному морю, прежде чем совершить аварийную посадку в аэропорту Абердина. 24 июня 2022 года во время мощного грозового фронта отставная дама в Либенберге, Нижняя Австрия, увидела ослепительную молнию от облака к земле к северо-востоку и через 1 минуту заметила желтый "горящий объект с языками пламени", который двигался по волнистой траектории вдоль местной дороги примерно в 15 метрах над землей и исчез через 2 секунды. Это произошло в конце местной грозовой ячейки. Европейская лаборатория сильных штормов зафиксировала это как шаровую молнию.

Прямые измерения естественной шаровой молнии

В январе 2014 года ученые из Северо-Западного педагогического университета в Ланьчжоу, Китай, опубликовали результаты записей, сделанных в июле 2012 года, оптического спектра объекта, который считался естественной шаровой молнией, случайно зафиксированной во время изучения обычной молнии между облаком и землей на Тибетском плато. На расстоянии , было получено в общей сложности 1,64 секунды цифрового видео шаровой молнии и ее спектра, начиная с момента формирования шаровой молнии после удара обычной молнии в землю и заканчивая оптическим затуханием явления. Дополнительное видео было записано высокоскоростной камерой (3000 кадров/с), которая из-за ограниченного объема памяти зафиксировала только последние 0,78 секунды события. Обе камеры были оснащены спектрографами без щели. Исследователи обнаружили линии эмиссии нейтрального атомного кремния, кальция, железа, азота и кислорода – в отличие от преимущественно ионизированных линий эмиссии азота в спектре основной молнии. Шаровая молния перемещалась по горизонтали в кадре со средней скоростью, эквивалентной . Ее диаметр составлял , и она преодолела расстояние около за эти 1,64 секунды.

Наблюдались колебания интенсивности света и эмиссии кислорода и азота с частотой 100 Гц, предположительно вызванные электромагнитным полем высоковольтной линии электропередачи 50 Гц, расположенной поблизости. По спектру, температура шаровой молнии была оценена как более низкая, чем температура основной молнии (<15 000–30 000 К). Полученные данные согласуются с испарением почвы, а также с чувствительностью шаровой молнии к электрическим полям. Тесла интересовался более высокими напряжениями и мощностями, а также беспроводной передачей энергии; шары, которые он создавал, были лишь предметом любопытства. Международный комитет по изучению шаровой молнии (ICBL) регулярно проводил симпозиумы по этой теме. Связанная группа использует общее название "нетрадиционные плазмы". Последний симпозиум ICBL был предварительно запланирован на июль 2012 года в Сан-Маркосе, штат Техас, но был отменен из-за недостаточного количества представленных тезисов.

Микроволновые печи с волновым направлением

Оцуки и Офурутон описали создание "плазменных шаров" посредством микроволновой интерференции в цилиндрической полости, заполненной воздухом, которая запитывалась от прямоугольного волновода с помощью микроволнового генератора частотой 2,45 ГГц и максимальной мощностью 5 кВт.

Эксперименты с водоотводом

Некоторые научные группы, включая Институт Макса Планка, по сообщениям, воспроизвели эффект, подобный шаровой молнии, разряжая конденсатор высокого напряжения в ёмкости с водой.

Домашние эксперименты с микроволновой печью

Многие современные эксперименты включают использование микроволновой печи для создания небольших поднимающихся светящихся шаров, часто называемых плазменными шарами. Обычно эксперименты проводятся путем помещения зажженной или недавно потушенной спички или другого небольшого предмета в микроволновую печь. Обугленная часть предмета разгорается в большой огненный шар, а "плазменные шары" парят вблизи потолка камеры печи. В некоторых экспериментах описывается накрывание спички перевернутой стеклянной банкой, которая удерживает как пламя, так и шары, чтобы предотвратить повреждение стенок камеры. (Однако стеклянная банка в конечном итоге взрывается, а не просто обжигает краску или плавит металл, как это происходит с внутренней поверхностью микроволновой печи.) Эксперименты, проведенные Эли Джерби и Владимиром Дихтияром в Израиле, показали, что микроволновые плазменные шары состоят из наночастиц со средним радиусом. Израильская команда продемонстрировала это явление, используя медь, соли, воду и углерод.

Кремниевые эксперименты

В 2007 году в экспериментах использовались электрические разряды на кремниевых пластинах, в результате чего кремний испарялся и пары окислялись. Визуальный эффект можно описать как небольшие светящиеся, мерцающие шарики, катящиеся по поверхности. По сообщениям, два бразильских учёных, Антонио Павао и Герсон Пайва из Федерального университета Пернамбуку, регулярно получали с помощью этого метода небольшие, долговечные шары. Эти эксперименты были вызваны теорией о том, что шаровая молния на самом деле представляет собой окисленные пары кремния (см. гипотезу об испарении кремния ниже).

Предлагаемые научные объяснения

В настоящее время не существует общепринятого объяснения шаровой молнии. С момента, как это явление было привнесено в научную область английским врачом и исследователем электричества Уильямом Сноу Харрисом в 1843 году и ученым Французской академии Франсуа Араго в 1855 году, было предложено несколько гипотез.

Гипотеза испарения кремния

Эта гипотеза предполагает, что шаровая молния состоит из испаренного кремния, горящего в процессе окисления. Удар молнии в почву Земли может испарять содержащийся в ней кремнезем, и каким-то образом отделять кислород от диоксида кремния, превращая его в чистый кремниевый пар. При охлаждении кремний может конденсироваться в плавающий аэрозоль, удерживаемый зарядом, и светиться из-за тепла, выделяющегося при рекомбинации кремния с кислородом. Экспериментальное исследование этого эффекта, опубликованное в 2007 году, сообщило об успешном создании "светящихся шаров с продолжительностью жизни порядка секунд" путем испарения чистого кремния электрической дугой. Видеозаписи и спектрограммы этого эксперимента были опубликованы. Эта гипотеза получила существенное подтверждение в 2014 году, когда были опубликованы первые зарегистрированные спектры естественной шаровой молнии. Мэтью Фрэнсис назвал эту теорию "гипотезой комка земли", поскольку спектр шаровой молнии указывает на сходство её химического состава с почвой.

Электрически заряженная модель твердого ядра

В этой модели шаровая молния рассматривается как имеющая твердое, положительно заряженное ядро. Исходя из этого базового предположения, ядро окружено тонким электронным слоем с зарядом, почти равным по величине заряду ядра. Между ядром и электронным слоем существует вакуум, содержащий интенсивное электромагнитное (ЭМ) поле, которое отражается и направляется электронным слоем. Микроволновое ЭМ-поле оказывает пондеромотивное воздействие (давление излучения) на электроны, предотвращая их падение к ядру.

Гипотеза микроволновой полости

Петр Капица предположил, что шаровая молния – это свечение, вызванное микроволновым излучением, которое направляется к шару по линиям ионизированного воздуха из облаков обычной молнии, где оно и генерируется. Шар служит резонансной микроволновой полостью, автоматически подстраивая свой радиус к длине волны микроволнового излучения для поддержания резонанса. Теория шаровой молнии Генделя-Мазера-Солитона предполагает, что источником энергии, генерирующим шаровую молнию, является крупный (несколько кубических километров) атмосферный мазер. Шаровая молния возникает как плазменный кавитон на антинодальной плоскости микроволнового излучения от мазера. В 2017 году исследователи из Университета Чжэцзян в Ханчжоу, Китай, предложили, что яркое свечение шаровых молний создается, когда микроволны оказываются захваченными внутри плазменного пузыря. На конце разряда молнии, достигающего земли, может формироваться релятивистский пучок электронов при взаимодействии с микроволновым излучением. Последнее ионизирует окружающий воздух, а давление излучения вытесняет образовавшуюся плазму, формируя сферический плазменный пузырь, который стабильно удерживает излучение. Микроволны, захваченные внутри шара, продолжают генерировать плазму в течение короткого времени, поддерживая яркие вспышки, описанные очевидцами. Шар в конечном итоге гаснет, когда излучение, содержащееся в пузыре, начинает затухать, и микроволны высвобождаются из сферы. Шаровые молнии могут взрывообразно исчезать при дестабилизации структуры. Эта теория может объяснить многие необычные характеристики шаровой молнии. Например, микроволны способны проникать сквозь стекло, что объясняет возможность образования шаров в помещениях.

Гипотеза Солитона

Хулио Рубинштейн, Дэвид Финкельштейн и Джеймс Р. Пауэлл предположили, что шаровая молния является отделившимся огнем Святого Эльмо (1964–1970). Огонь Святого Эльмо возникает, когда острый проводник, такой как мачта корабля, усиливает атмосферное электрическое поле до пробоя. Для сферы коэффициент усиления равен 3. Свободный шар ионизированного воздуха может усилить окружающее поле в такой степени благодаря собственной проводимости. Если это поддерживает ионизацию, шар представляет собой солитон в потоке атмосферного электричества. Кинетический расчет Пауэлла показал, что размер шара определяется вторым коэффициентом Таунсенда (средняя длина свободного пробега электронов) вблизи пробоя. Блуждающие свечения наблюдаются в некоторых промышленных микроволновых печах и продолжают светиться несколько секунд после отключения питания. Дуги, полученные от мощных низковольтных микроволновых генераторов, также демонстрируют послесвечение. Пауэлл измерил их спектры и обнаружил, что послесвечение в основном исходит от метастабильных ионов NO, которые долговечны при низких температурах. Это происходило в воздухе и в закиси азота, содержащей такие метастабильные ионы, но не в атмосферах аргона, углекислого газа или гелия, которые их не содержат. Модель солитона шаровой молнии была далее развита. Было предложено, что шаровая молния основана на сферически симметричных нелинейных колебаниях заряженных частиц в плазме – аналоге пространственного солитона Лангмюра. Эти колебания были описаны как в классических подходах. Было обнаружено, что наиболее интенсивные плазменные колебания происходят в центральных областях шаровой молнии. Предполагается, что связанные состояния радиально колеблющихся заряженных частиц с противоположно ориентированными спинами – аналог куперовских пар – могут возникать внутри шаровой молнии. Это явление, в свою очередь, может приводить к сверхпроводящей фазе в шаровой молнии. Идея сверхпроводимости в шаровой молнии рассматривалась и ранее.

Антисимметрия гидродинамического вихревого кольца

Одна из теорий, способная объяснить широкий спектр наблюдаемых данных, заключается в идее горения внутри области низких скоростей при сферическом распаде вихря естественного вихря (например, сферического вихря Хилла).

Гипотеза нанобатарей

Олег Мещеряков предполагает, что шаровая молния состоит из композитных нано- или субмикромных частиц, каждая из которых является своего рода батареей. Поверхностный разряд замыкает эти батареи, вызывая ток, формирующий шар. Его модель описывается как аэрозольная и объясняет все наблюдаемые свойства и процессы, связанные с шаровой молнией.

Гипотеза плавучей плазмы

В рассекреченном отчете проекта "Кондигн" делается вывод, что плавучие заряженные плазменные образования, подобные шаровой молнии, формируются под воздействием новых физических, электрических и магнитных явлений, и что эти заряженные плазмы способны перемещаться с огромной скоростью под влиянием и в балансе электрических зарядов в атмосфере. По-видимому, эти плазмы возникают из-за сочетания различных погодных и электрически заряженных условий, научное обоснование которых неполно или недостаточно изучено. Одна из гипотез предполагает, что метеороиды, распадающиеся в атмосфере и образующие заряженную плазму вместо полного сгорания или падения в виде метеоритов, могут объяснять некоторые случаи этого явления, наряду с другими неизвестными атмосферными событиями. Однако, по мнению Стенхоффа, это объяснение считается недостаточным для объяснения феномена шаровой молнии и вряд ли выдержит рецензирование.

Транскраниальная магнитная стимуляция

Cooray и Cooray (2008) отметили, что характеристики галлюцинаций, испытываемых пациентами с эпилептическими припадками в затылочной доле, схожи с наблюдаемыми характеристиками шаровой молнии. Исследование также показало, что быстро меняющееся магнитное поле близкой молнии достаточно сильно, чтобы возбуждать нейроны мозга. Это подтверждает возможность возникновения эпилептического приступа в затылочной доле у человека, находящегося рядом с ударом молнии, и устанавливает связь между эпилептическими галлюцинациями, напоминающими шаровую молнию, и грозами. Более поздние исследования с использованием транскраниальной магнитной стимуляции показали, что в лабораторных условиях удается получить аналогичные галлюцинаторные эффекты (называемые магнитофосфенами), и подобные условия наблюдаются в природе вблизи ударов молнии. Однако эта гипотеза не объясняет наблюдаемые физические повреждения, вызываемые шаровой молнией, или одновременные наблюдения нескольких свидетелей. (По крайней мере, описания наблюдений существенно различаются.) Теоретические расчеты исследователей из Университета Инсбрука предполагают, что магнитные поля, возникающие при определенных типах ударов молнии, потенциально могут вызывать зрительные галлюцинации, напоминающие шаровую молнию.

Концепция материи Ридберга

Manykin et al. предположили, что атмосферная материя Ридберга может объяснить феномен шаровой молнии. Материя Ридберга – это конденсированная форма высоковозбужденных атомов, во многих отношениях схожая с каплями электронных дырок в полупроводниках. Однако, в отличие от капель электронных дырок, материя Ридберга обладает значительно большим временем жизни – до нескольких часов. Это конденсированное возбужденное состояние материи подтверждается экспериментами, главным образом группой под руководством Холмлида. Оно подобно жидкому или твердому состоянию материи с крайне низкой (газообразной) плотностью. Сгустки атмосферной материи Ридберга могут образовываться в результате конденсации высоковозбужденных атомов, которые формируются под воздействием атмосферных электрических явлений, в основном линейной молнии. Однако стимулированный распад облаков материи Ридберга может протекать как лавина и, таким образом, проявляться в виде взрыва.

Гипотеза вакуума

Никола Тесла (декабрь 1899 года) предположил, что шары состоят из сильно разреженного (но горячего) газа. Электростатические модели лейденских банок. Стэнли Сингер обсудил (1971) этот тип гипотезы и предположил, что время электрической рекомбинации будет слишком коротким для продолжительности жизни шаровой молнии, которую часто сообщают. Смирнов предложил (1987) гипотезу фрактального аэрогеля. М. И. Зеликин предложил (2006) объяснение (с строгим математическим обоснованием), основанное на гипотезе сверхпроводимости плазмы (см. также). А. Миссен представил теорию на 10-м Международном симпозиуме по шаровой молнии (21–27 июня 2010 года, Калининград, Россия), объясняющую все известные свойства шаровой молнии с точки зрения коллективных колебаний свободных электронов. Самый простой случай соответствует радиальным колебаниям в сферической плазменной мембране. Эти колебания поддерживаются параметрическим усилением, возникающим в результате регулярного "поглощения" заряженных частиц, присутствующих в окружающем воздухе в меньшей концентрации. Таким образом, шаровая молния исчезает бесшумно, когда доступная концентрация заряженных частиц слишком низка, а также исчезает с громким и иногда очень сильным взрывом, когда эта концентрация слишком высока. Электронные колебания также возможны в виде стационарных волн в плазменном шаре или толстой плазменной мембране, что приводит к образованию концентрических светящихся пузырей.