По материалам журнала «Техника - молодежи»

Доклады лаборатории «ИНВЕРСОР»

Доклад № 86   Николай Алексеевич Шило

   Если линейная молния в какой то мере изучена и со времен Б. Франклина, впервые указавшего на ее электрическую природу, накоплен материал, характеризующий условия ее возникновения, мощность, температуру и ряд других параметров, то природа и механизм образования менее часто появляющейся шаровой молнии (ШМ) до сих пор остаются неизвестными, а сама она продолжает считаться загадочным явлением.
Все наблюдавшие шаровую молнию, в том числе и автор этих строк, подчеркивают ее особенность: это светящийся шар (сфероид), диаметр которого бывает от нескольких сантиметров до нескольких дециметров, в редких случаях достигая метров. В большинстве случаев ШМ образуется вслед за линейной: по всякого рода косвенным данным она обладает большой удельной энергией. Ее исчезновение, как правило, сопровождается взрывом, вызывающем загорание или разрушение предметов. Почти все, кому приходилось наблюдать ШМ, подтверждают ее катящееся (вращательное) передвижение по поверхности какого-либо предмета; в воздушном пространстве она также сохраняет вращение вокруг некоторой оси.
Поскольку зафиксированы нередкие случаи перекатывания ШМ по телу, в частности, по руке человека, которому не причинялось боли, ожога или какого-нибудь иного вреда, то можно утверждать, что внешняя «пленка» или поверхность светящегося шара не имеет высоких температур и является холодным образованием. Однако взрывы ШМ, воспламеняющие и разрушающие окружающие предметы, свидетельствуют о том, что с ними связаны большие температуры, измеряемые десятками и даже сотнями тысяч градусов.
Аналитическое рассмотрение фактов и некоторые теоретические соображения приводят к следующему выводу о природе ШМ и механизме ее образования.
По существу, это, несомненно, сгусток плазмы, имеющий электрическую (электронную) природу. Его появление легко понять, если иметь в виду неравномерное, импульсное движение лидера линейной молнии, который, учитывая его продвижение в электромагнитном поле, может закручиваться в спираль. Иначе говоря, ШМ - это плазменный вихрь. Как и для всякого вихря, для ШМ характерно ядро и отходящие от него спиральные ветви, или рукава. Если скорость закручивания плазменного шнура молнии в шар определяется скоростью движения лидера линейной молнии, тогда она может достигать 10⁷ -10⁸ м/с. В результате развиваются такие центростремительные силы, которые концентрируют в ядре, спрессованном до огромных плотностей, до 90-98% плазменной массы с соответствующей энергией, оставляя на образование ветвей спирали только от 10 до 2% вещества. Не исключено участие в этом процессе ионизированного водорода, кристаллография которого еще слабо изучена. Спираль ШМ, как и любые вихри, формируется под действием центробежных сил, поэтому между ее ветвями неизбежно должны возникать зоны вакуума. Именно это определяет метастабильный характер ШМ; однако, сама спираль, или вихрь, чтобы образовать сфероид, должна вместе с ядром вращаться вокруг оси, меняющей с некоторой скоростью свое положение в пространстве. Крайняя внешняя ветвь спирали отделена от ближайшей внутренней ветви, или сферы, вакуумной зоной, что определяет холодное внешнее состояние ШМ, и, в целом, именно поэтому вся она представляется наблюдателю загадочным светящимся холодным образованием.
При резком изменении условий существования ШМ, разрушается метастабильная структура плазменного шара, разрушается вихрь, что приводит к взрыву его ядра. Это освобождает огромную энергию, сопровождающуюся громадным тепловым эффектом. Мне представляется, что опыты с образованием плазменных спиралей, или вихрей, могли бы привести к получению плотностей и других характеристик плазмы, нужных для ее устойчивого состояния. Такие эксперименты, возможно, откроют совершенно новую область неизвестных реакций, в которых могут принимать участие ионизированные атомы водорода или какого-либо другого элемента. Сложность математического описания предложенной в настоящем сообщении модели механизма образования ШМ вполне очевидна. Она связана с тем, что вихри вообще еще слабо изучены, тем более если речь идет о плазменном состоянии вещества.

Уж сколько раз, встретив очередную публикацию о шаровой молнии, мы читали, что "это уже не тайна", что "загадки больше не существует", но… количество гипотез все возрастало, а ясности в сути явления так и не прибавилось. По обилию гипотез и уровню их обоснованности проблема ШМ удивительно близка к проблеме Тунгусского метеорита (ТМ).
Основная разница между ними состоит в том, что очень многие пытаются объяснить уникальный взрыв в тайге результатом действия огромной ШМ, но никто всерьез не производит огненные шары непосредственно от метеоритов, хотя такое направление поисков было бы не самым оригинальным среди существующих. О том, что роднит обе проблемы, можно было бы сказать многое.
Но главное состоит в том, что долгие годы их исследований не прошли зря: очень многое и о ШМ и о ТМ науке уже известно достаточно точно, и до подлинной разгадки обоих этих явлений не хватает, по видимому, всего лишь нескольких решительных и поэтому очень трудных шагов. И на наш взгляд, доклад академика Н.А. Шило, как раз и является шагом, особенно вдохновляющим благодаря его неожиданности.

Ведь после того как журнал уделил шаровой молнии столь большое внимание (см. "ТМ" № 1-7 за 1982 год и № 3 за 1983 год), что, казалось бы, осветил все возможные мнения о происхождении и строении этого удивительного явления природы, редакция полагала - повод вернуться к этой теме появится очень не скоро. И не потому, что она исчерпана. Наоборот, дискуссия на страницах журнала достигла своей цели, намного расширив количество молодых энтузиастов исследования ШМ.
Количество квалифицированных сообщений о наблюдениях явлениятакже существенно выросло. В условиях большого изобилия фактов, мнений и гипотез трудно сказать принципиально новое слово. Поэтому казалось, разгадка тайны ШМ должна основываться на скрупулезной обработке накопленных фактов и на выявлении и совершенствовании тех немногих жизнеспособных гипотез, которые после экспериментального подтверждения превратятся в теории, описывающих один или скорее всего несколько типов реально существующих явлений, называемых шаровыми молниями.
Такая работа, подобная поискам новых комет и исследованиям метеорных потоков в астрономии, не слишком вдохновляет профессиональных ученых (после известных работ академика П.Л. Капицы, последняя из которых была опубликована в 1970 году, даже в Институте физических проблем АН СССР, которым он руководил, эта тематика фактически сошла на нет) и в основном привлекает любителей науки. Но в астрономии ученые очень четко направляют поиски энтузиастов. Здесь же этого нет.
Один из немногих в мире специалистов по ШМ, доктор химических наук, профессор М.Т. Дмитриев, недавно отмечал, что, хотя "в природе шаровой молнии таятся огромные возможности для науки и техники", в нашей стране, да и в мире "нет головной организации которая бы концентрировала данные о шаровой молнии, ее природой занимаются энтузиасты", и сетовал на то, что "занятия шаровой молнией по сложившемуся стереотипу представлений не дают ни кому чести" (см. журнал "Журналист" , № 3 за 1984 год).
Тем не ценнее на этом фоне обращение к проблеме ШМ известного советского ученого Н.А. Шило. Нужно отметить, что в почти двадцатилетней истории творческой лаборатории "Инверсор", действующей при нашей редакции, это первое выступление действительного члена Академии наук СССР. И вы, уважаемые читатели, познакомившись с этим докладом, еще раз можете убедиться, сколь плодотворным является обращение крупного специалиста к новой для него теме. Николай Алексеевич Шило, уделяющий в течении многих лет большое внимание исследованию роли вихревых движений геологических процессах, увидел всеобъемлющее значение этого типа движений в природе и сначала построил на их основе новую космогоническую гипотезу (см. "ТМ" № 4 за 1982 год), а теперь удивительную по смелости гипотезу образования шаровой молнии.
Вихревые модели ШМ строились не раз, но даже лучшие из них (см. журнал "Изобретатель и рационализатор" № 5 за 1982 год и № 1 за 1983 год) были чисто умозрительны.
Докладчик исходит из того, что ШМ представляет собой сгусток плазмы. Плазменные сгустки, а следовательно, и шаровые молнии бывают разными. Довольно просто объясняются и даже воспроизводятся в экспериментах, причем несколькими способами, малоэнергетические самоподдерживающиеся светящиеся объекты - как в чистом воздухе, так и в воздухе с примесями (см. весьма содержательную книгу Дж. Барри "Шаровая молния и четочная молния". М., "Мир", 1983). Но эти так называемые физико-химические и хемилюминесцирующие образования (ФХО) характеризуются относительно низкой температурой и малой концентрацией ионов и электронов, что и позволяет им сравнительно длительно существовать без подвода энергии извне.
В то же время достоверно известны случаи появления ШМ с плотностью энергии в тысячи раз большей, чем ее плотность в каннеле линейной молнии и в естественных или искусственных ФХО, модели которых успешно развиваются М.Т Дмитриевым, Дж. Барри и другими исследователями. По данным того же Дмитриева, температура ШМ достигает 13 000-16 000 К. Подобные плотности энергии и температуры могут быть присущи только сгусткам плотностью ионизированной плазмы, которые представляют для науки несравненно больший интерес, чем ФХО, поскольку теоретически могут существовать в воздухе при атмосферном давлении не более 10 мкс. Шаровые же молнии, не считаясь с теорией, существуют не только целые секунды, десятки секунд, но и минуты. Гипотеза академика П.Л. Капицы о постоянном внешнем источнике энергии, подпитывающем ШМ, несмотря не тщательные поиски подтверждения, не оправдалась.
Следовательно, вся эта огромная энергия запасается в ШМ в момент ее образования и непротиворечивая модель этого феномена должна объяснить, во-первых, механизм громадной концентрации энергии в малом объеме и, во-вторых, механизм ее длительного удержания от рассеивания.
Концентрация энергии, по гипотезе Шило, возникает в результате инерционной концентрации массы ионов и электронов, разогнанных в канале линейной молнии электромагнитными силами до очень больших скоростей, достигающих, как показали измерения, релятивистских значений , 10_7 - 10_8 м/с. Лидер молнии можно представить в виде протяженного пучка или трубки заряженных частиц, направляемых силовыми линиями поля. В идеальной среде пучок распространялся бы строго прямолинейно.
Но в возмущенной по всем механическим, химическим параметрам атмосфере он мечется из стороны в сторону, выискивая себе путь. Вслед за первым лидером или навстречу ему устремляются другие. Каждый из них имеет свою скорость, несет разную энергию и разную массу частиц. В результате на множество столкновений лидеров приходится какая-то часть (порядка 10_4 на разряд линейной молнии), при которой несущийся с огромной скоростью пучок частиц начинает закручиваться вокруг некоторого центра в шарообразный клубок. При этом передние частицы резко тормозятся и стремятся разлететься в стороны, но им не дают сделать это "наматывающиеся на клубок", следующие за ними частицы. Происходит процесс, подобный инерционному удержанию частиц вещества в установках лазерного термоядерного синтеза. Только там сверхдавление создается реактивным действием отлетающих с поверхности мишени частиц, нагретых лазерными лучами. Здесь же оно создается активным действием частиц, стремящихся по инерции сохранить свою скорость, но вынужденных изменять ее направление и переходить на круговую орбиту вокруг центра образовавшегося сферического вихря.
Очевидно, чтобы не произошло полного торможения частиц и вся их кинетическая энергия мгновенно не перешла в тепловую, "нити", образовавшие клубок, должны каким-то образом замкнуться в устойчивые кольца. Возможно, что в центре клубка давление и температура достигают значений, при которых какая-то часть протонов в результате сливается друг с другом, выделяя энергию синтеза. При этих условиях ШМ может быть особенно долгоживущей. Возможно также, что вращающиеся вокруг центра ШМ частицы сохраняют такие скорости, что это сказывается на увеличении их массы, чем объясняется повышенная плотность быстро падающих с неба ШМ.
Менее разработан в гипотезе процесс удержания плазмы в ШМ в свернутом состоянии. Но это слабость теории вихревого движения вообще, а не только данной модели ШМ. Поэтому гипотеза Н.А. Шило должна помочь и в построении единой самосогласованной теории ШМ, и в стимулировании дальнейших исследований вихревых явлений. Перспективным здесь будет изучение различных проявлений пинч-эффекта, обеспечивающих самоудержание плазмы, ее самолокализацию.
В литературе не раз высказывалась справедливая, на наш взгляд, мысль, что разгадка генезиса и природы ШМ будет способствовать решению одной из важнейших программ, разрабатываемых сегодня наукой и техникой, - программы управляемого термоядерного синтеза, завершение которой способно кардинально решить энергетическую проблему человечества. Концепция Н.А. Шило указывает четкое направление поисков решения этой задачи. Действительно, если удастся разогнанный до большой скорости водородный плазменный шнур мгновенно сворачивать в клубок, то в результате перехода кинетической энергии составляющих его частиц в потенциальную энергию сжатия давление и температура в нутрии клубка резко вырастут. Совершенствуя этот процесс, заменяя, например, протиевую плазму не дейтеривую и тритиевую, можно добиться такого режима, при котором начнется термоядерный синтез. Причем в условиях самолокализации, характерных для ШМ, порог начала этого синтеза вероятно будет ниже, чем при других способах удержания плазмы. Этот фантастический на сегодня "молниевый" способ получения термоядерной энергии обладает рядом очевидных преимуществ перед магнитным и перед лазерным способами. При интенсивном развитии исследований в этом направлении искусственная шаровая молния может стать основой первого термоядерного реактора, опередив создание сверхгигантских лазерных и токамакоподобных установок, а может быть, помочь в их создании.