Экстремальная физика шаровых молний

Около года назад уважаемый Валерий Исаковский @valisak ^[1] опубликовал на Хабре статью «Существуют ли шаровые молнии и как их объясняет современная наука? ^[2]». В ней он упомянул некоторые физические сценарии, которые, теоретически, могут приводить к образованию шаровой молнии, в частности, версию об электромагнитном солитоне. Автор упомянул, что шаровую молнию до сих пор не только не удаётся воспроизвести в лаборатории, но более того — фотографии или видео этого явления в природе до сих пор крайне редки и не отличаются чёткостью, хотя наши современники в большинстве своём владеют мощными смартфонами с высокотехнологичными камерами. Под катом будут рассмотрены в основном теоретические модели, но, надеюсь, когда-нибудь какие-то из них подтвердятся на практике.

Согласно типичному описанию, шаровая молния напоминает светящуюся сферу (огненный шар) или сгусток плазмы. Диаметр такого шара (по некоторым сообщениям, шаровые молнии бывают и продолговатыми) варьируется от нескольких сантиметров до нескольких десятков сантиметров. Шар обычно бывает белым или желтоватым, но может иметь и оранжевый, красноватый или голубоватый оттенок. Продолжительность существования шаровой молнии достигает нескольких минут, хотя чаще она исчезает за считанные секунды. Обычно объект дрейфует по горизонтали, но иногда может взмывать в воздух.

Считается, что шаровая молния почти не попадает на плёнку или видео как из-за редкости самого феномена, так и из-за краткости существования объекта. Наблюдения очевидцев в целом согласуются друг с другом. Зачастую указывают, что шаровая молния обладает разветвлёнными световыми отростками, а также может проникать в помещение через самые узкие отверстия или щели. Имеются сообщения даже о том, что шаровая молния формировалась в самолёте ^[3]. Чаще всего сообщают, что шаровая молния возникает на месте удара обычной молнии, но также есть свидетельства о том, что подобный объект может сформироваться около электрической розетки, уличного громкоговорителя ^[4] или трансформатора ^[5].

Возможные механизмы возникновения

На протяжении долгого времени шаровая молния считалась мифом или просто оптической иллюзией. В наше время её всё-таки пытаются осмысливать как реальное (пусть и экзотическое) физическое явление, а также моделировать в лаборатории ^[6].

Среди наиболее труднообъяснимых свойств шаровой молнии — срок её существования и плавное перемещение в воздухе. Свечение молнии может быть обусловлено не только физическим газоразрядным процессом, но и химическими реакциями (сгоранием), и в таком случае молния должна исчезать, израсходовав этот горючий материал. Все теории о природе шаровой молнии подразделяются на две обширные категории, и именно желание поговорить о второй категории подтолкнуло меня написать эту статью.

1. Представления середины-конца XX века связаны с попаданием молнии в каплю воды с подходящим химическим составом, либо в песчинку, например в зерно кварца. Такие гипотезы исследовали, например, Хироаки Кикути ^[7] из университета Мэйдзи в Токио и Петри Варса ^[8] из университета Калгари. Серьёзная работа по осмыслению шаровых молний и попытки получать «долгоживущие плазменные объекты» в лаборатории проделана в СССР и России, начиная с Петра Капицы и далее в изысканиях учёных Санкт-Петербургского отделения РАН, а также учёных Ярославского университета. Подробнее об этих исследованиях, а также о свидетельствах очевидцев рассказано на сайте «Элементы» в статье «Молнии шаровые, но разные ^[9]», написанной в 2007 году для журнала «Химия и жизнь» доктором физико-математических наук Александром Григорьевым.

2. Более новые представления, интерес к которым возрос после упоминаемого в статье @valisak ^[1] китайского эксперимента, сближают шаровую молнию с экзотическими состояниями вещества, похожими на плазму или на квантовые объекты, состоящие из квазичастиц. 

Песчинки и аэрозоли

Когда пылинка или капля аэрозоля, состоящая из проводящего материала и обладающая или не обладающая электрическим зарядом попадает в электрически нейтральную точку, конфигурация электрического поля предположительно может внезапно меняться: так, что линии электромагнитного поля направляются во все стороны от этой точки, и вокруг «зерна» образуется шарообразная область, газ в которой превращается в плазму. Поляризованные заряды при этом могут образовывать электромагнитный квадруполь ^[10]. Такое явление должно сопровождаться возникновением сильных электрических полей, пробоем воздуха, а также поверхностными электрическими разрядами. Тогда электроны и ионы на поверхности шара ускоряются, образуя электрогидродинамические капиллярные волны ^[11]. Поверхность шара приобретает кинетическую энергию из электростатической энергии окружающей среды, что приводит к пересоединению. По мере того, как электроны и ионы достигают критических скоростей, их кинетическая энергия резко преобразуется в энергию ионизации. Именно в этот момент частицы останавливаются и образуют вокруг пылинки или аэрозольной капли шар из ионизированного газа.

Другая популярная гипотеза заключается в том, что шаровая молния состоит из сильно ионизированной плазмы, которая удерживается в компактном (шарообразном) виде под действием спонтанно возникающих магнитных полей. Именно в таких условиях пытались получать искусственную шаровую молнию советские и российские учёные, получая такие «долгоживущие плазменные образования», как следующее, созданное Г. Д. Шабановым:

Тем не менее, лабораторные образцы существуют не дольше нескольких секунд и сами не генерируют магнитного поля. Более того, если плазменный шар образовался из газов, входящих в состав окружающего воздуха, то по причине высокой температуры он должен быть гораздо легче влажной приземной атмосферы и взмывать вверх, а не двигаться по горизонтали. Поскольку основным источником сведений о шаровой молнии являются свидетельства очевидцев, приходится учесть ещё одно её труднообъяснимое свойство: шар легко проникает через щели или крошечные отверстия, мгновенно принимая цилиндрическую, червеобразную или каплевидную форму — и это также невозможно объяснить в контексте поверхностного натяжения ионизированного газа.

Для большей наглядности рассмотрим комикс ^[6] голландского физика Мартина Госсенса. Он иллюстрирует теорию образования шаровых молний, предложенную ^[12] Джоном Абрахамсом и Джеймсом Диннисом в 2000 году. Здесь зерном для образования шаровой молнии выступает мелкая кремнийсодержащая пыль (песок и кварц — это оксид кремния SiO₂), которую высекает молния при ударе в грунт.

Эта теория получила неожиданное серьёзное подтверждение, когда в 2014 году была опубликована статья ^[13] группы китайских учёных под руководством Пинь Юаня из Северо-Западного Нормального Университета города Ланьчжоу, провинция Ганьсу. Исследователи впервые составили спектр излучения шаровой молнии, зафиксированной во время мощной грозы на тибетском плато в июле 2012 года и снятой на видео. Удар молнии в грунт произошёл на расстоянии около 900 метров от спектрографа, шаровая молния образовалась на высоте около 5 м над землёй и просуществовала более секунды, плавно спустившись в горизонтальном направлении примерно на 3 метра. В спектре излучения (молния успела изменить цвет с ярко-белого на красноватый) явно выделялся кремний, а также линии железа и кальция, характерных для почв этого региона. 

Если испарение наночастиц кремния действительно приводит к возникновению шаровых молний, то было бы тем интереснее изучить случаи попадания атмосферных электрических разрядов в солнечные панели — тем более, что проблема молниезащиты солнечных батарей хорошо известна ^[14] и становится всё актуальнее. Однако бурное распространение солнечных панелей не приводит к аналогичному распространению шаровых молний. Панель, повреждённая молнией, выглядит так:

Возможная проверка этой гипотезы потребовала бы тщательно регулировать длительность и мощность электрической дуги, а также состав «мишени» и подбор примесей в ней. Насколько могу судить, подобные эксперименты пока не проводились.  

Атмосферные микроволны

Выше я упомянул относительно «традиционные» объяснения природы шаровых молний, и все они практически не объясняют проникновения таких плазменных объектов в замкнутые помещения и самолёты. В 2016 году эту проблему исследовал ^[15] китайский учёный Ву (H.-C. Wu) из Чжэцзянского университета, город Ханчжоу. Ранее он уже сформулировал собственную теорию шаровых молний ^[16] в одноимённой статье. Ранее предполагалось ^[17], что к образованию шаровых молний может приводить микроволновое излучение грозовых облаков, которое с физической точки зрения действует как атмосферный мазер. По мнению Ву, зародышем шаровой молнии может быть пучок релятивистских (то есть разогнанных до субсветовой скорости) электронов, возникающий в точке попадания молнии в грунт. Ускорение лавины электронов происходит в канале, пробиваемом ступенчатым нисходящим разрядом молнии — этот разряд называется «лидером». Вот ^[8] как процесс выглядит в природе:

А вот ^[16] как в лабораторной конфигурации, предложенной Ву:

Независимо от источника, атмосферные микроволны приводят к образованию плазмы, заряжая окружающий воздух. Давление микроволнового излучения может быть достаточно существенным, чтобы раздувать плазму в виде пузыря, имеющего форму светящегося шара. Часть микроволн оказывается заперта внутри пузыря и продолжает превращать воздух в плазму, что позволяет молнии просуществовать некоторое время. Если в пузыре возникает разрыв, то начинается бурная утечка микроволн через него. Поэтому шаровая молния иногда взрывается, но чаще просто исчезает. Как известно, микроволны легко проходят через обычное стекло ^[18], и это объясняет проникновение шаровых молний в замкнутые помещения через окна или иллюминаторы.

Скирмион — квазичастица, похожая на шаровую молнию

На мой взгляд, самая интригующая гипотеза о природе шаровых молний связана с квантовой физикой и экзотическими агрегатными состояниями вещества, похожими на конденсат Бозе-Эйнштейна ^[19]. Это вещество похоже на ультрахолодный атомный газ и уже позволило получить в лабораторных условиях такие странные сущности, как сверхтекучее твёрдое тело ^[20], экcитоний ^[21], ридберговские поляроны ^[22] и жидкости, проявляющие свойства материи с отрицательной массой ^[23]. 

Конденсат Бозе-Эйнштейна был впервые получен в 1925 году и состоял из атомов рубидия, охлаждённых до температуры 1,7 нанокельвина (1,7⋅10⁻⁷ К). В таком состоянии атомы теряют практически всю энергию, и в результате весь конденсат действует как один гигантский атом. Работа с этим агрегатным состоянием вещества не прекращается, поэтому не стоит удивляться, что в 2010 году удалось удержать в таком состоянии конденсат из фотонов при комнатной температуре ^[24].

Применяя к конденсату Бозе-Эйнштейна магнитное поле, учёным удаётся манипулировать спином всех частиц сразу, в результате чего все они запутываются в квазичастицу, называемую «скирмион». По форме она напоминает спиновый клубок.

Существование скирмиона предсказал на кончике пера в 1962 году ^[25] британский физик Тони Скайрм (1922 – 1987), а получить трёхмерный скирмион впервые удалось в 2018 году ^[26]. В том же году учёные из колледжа Амхерст, штат Массачусетс и из финского университета Аалто под руководством Дэвида Холла и Микки Мёттонена осознали, что скирмион может спонтанно менять как форму, так и поляризацию, но «распутать» его извне практически невозможно. Скирмион образуется из двух электрических токов, идущих во взаимно противоположных направлениях, поэтому напоминает вложенные друг в друга спирали.

Учёные пришли к выводу, что магнитное поле скирмиона в точности совпадает по свойствам с электромагнитным полем, которое должно быть у шаровой молнии согласно имеющимся моделям ^[8]. Иными словами, скирмион является квазичастицей и при этом максимально точно моделирует электрическое и магнитное поле атмосферного плазмоида. Сложно представить, каким образом вещество внутри шаровой молнии может сравниться по разреженности с конденсатом Бозе-Эйнштейна и при этом поддерживать высокую температуру, но, возможно, дальнейшее исследование скирмионов прольёт свет на эти вопросы.