Древняя молния

Может показаться, что о молнии мы знаем все. Виднейшие ученые, например, Ю.Райзер и Э.Базелян в России, В.Раков и М.А.Юман в США, и многие другие построили десятки моделей, которые должны дать детальное описание явления на уровне современного знания. Однако основа лежащих в этих моделях научных представлений появилась четыре века назад, когда были сделаны электрофорные машины. В них заряд создается в результате трения друг о друга вращающихся дисков, и по мере его накопления в конденсаторах — лейденских банках — между электродами с сильным треском пробивает искра, точь-в-точь похожая на молнию. Тогда-то, за 150—200 лет до Максвелла и Фарадея, Гальвани и Вольта, возникла мысль, что атмосферное электричество появляется как и в электрофорной машине в результате трения друг о друга составляющих облака частиц. И заряд равномерно распределяется по облаку. На самом деле что именно происходит на небе, как образуются заряды электричества и как они распределяются, достоверно неизвестно и доныне. Это обстоятельство, впрочем, не мешает кочевать из монографии в монографию древних умозрительных представлений, выдаваемых за истину. В то же время экспериментальные попытки зарядить искусственно созданные в лабораториях облака до нужного заряда успехом не увенчались.



Молния как плазменный канал

Первые эксперименты для доказательства идентичности лабораторной искры и молнии поставил Б.Франклин в середине XVIII века. В России подобные исследования стоили жизни Г.Рихману, сподвижнику М.В.Ломоносова. Появление фотоаппаратуры позволило Б.Шотланду в 30-е годы прошлого века, а затем и другим исследователям, в том числе И.С.Стекольникову в СССР, измерить скорость распространения молнии в атмосфере. Оказалось, что она варьируется в пределах 100—2000 км/с при движении от облака к земле и достигает 3000 км/с при молниях между облаками на длинных, 10—100 км, промежутках. Получается, что горячий канал молнии пробивает атмосферу со скоростью в десять тысяч раз больше скорости звука!

Естественно возникает вопрос: а не сопровождается ли это какими-либо аэродинамическими явлениями? Ведь когда сверхзвуковой самолет разгоняется выше скорости звука, возникает ударная волна, грохочет гром, а вокруг носа самолета образуется конус обтекания. Пусть в случае с молнией ударная волна прижата к телу разряда и ее не видно, но что происходит на его кончике, пробивающем атмосферу со скоростью, многократно превышающей скорость звука?

Оказывается, специалисты об этом не задумываются. За время, прошедшее с опытов Франклина, молниезащита стала мощной отраслью техники, однако ученые, которые разрабатывают соответствующие устройства, озабочены способами защиты, а не деталями аэроодинамики процесса. Те, кто занимается аэродинамикой (в России это ЦАГИ, МАИ, ИВТАН и МГТУ им. Н.Э.Баумана), не предполагают существования столь быстрого движения в атмосфере. Ведь максимальная скорость, с которой они имели дело, — это 12 км/с, — возвращение космического аппарата с орбиты Луна—Земля. Остальное меньше: 8 км/с — спутник Земли, чуть меньше скорость боеголовки стратегической ракеты, километры в секунду — тактические ракеты и, наконец, самолеты вроде Миг-25 — максимум 3,5 скорости звука. Поэтому, когда общаешься со специалистами по сверхзвуковому движению и говоришь, что существует объективно фиксируемый сверхскоростной процесс движения в атмосфере горячего канала с поперечным сечением в сантиметры и десятки сантиметров, то ничего, кроме недоверия и удивления, это не вызывает. Однако наличие таких процессов — это научно установленный факт.

В экспериментах с ракетами и проволоками, которые они тянут к облаку для получения искусственных молний, было замечено, что сечение канала молнии составляет от нескольких сантиметров до дециметров. На видеозаписях тех же экспериментов зафиксирована стадия угасания молнии, когда по ее длине появляются темные прозрачные зоны — страты. Аналогичный процесс можно наблюдать в лампе дневного света: при пониженном напряжении возникает череда темных и светлых зон. Стратификация канала, либо сразу, либо по мере угасания молнии, воспринимается наблюдателем, инерционной фотопленкой и видеокамерой как черточная молния.

Так, пристально рассматривая многочисленные фотографии молний, полученные методом высокоскоростной съемки, мы приходим к выводу, что молния — это вовсе не лавина электрических зарядов, а полый плазменный канал, причем ток сосредоточен в его стенках, образуя так называемый скинслой. Становится ясна и причина огромной, до 60000 км/с, скорости обратного лидера молнии — яркого мерцания, которое возникает после того, как молния достигла земли во время так называемого основного процесса. Такой обратный лидер развивается как колебательный процесс внутри полой плазменной трубы, подобно колебаниям в замкнутом контуре. Это электрические колебания, скорость которых может быть несравнимо выше, чем у колебаний плотности воздуха.

Метеорологи рассказывают, что еще 40 лет назад радары фиксировали очень важную закономерность: в грозовых фронтах и облаках, которые служат источниками молний и торнадо, они замечали точки повышенной радиоотражаемости. Она была столь же высока, как у металлических объектов, а размер этих точек составлял от метра до десятков и сотен метров. Обычные облака, даже дождевые, такими свойствами не обладают. Получается, что в грозовых облаках и фронтах есть зоны концентрации электрических зарядов. Этот факт не находил объяснения в теориях грозы и не освещался в научной печати, так как предполагалось, что подобное концентрирование заряда в сравнительно малой области противоречит законам электростатики. Но в 2006 году в январском номере журнала "Метеорология и гидрология" вышла статья начальника отдела активных воздействий Росгидромета В.Н.Стасенко, который обобщил результаты многолетних радиолокационных экспериментов, проходивших в Главной геофизической обсерватории им. А.И.Воейкова под руководством С.М.Гальперина. В ней признано, что в грозовых фронтах и облаках действительно есть центры электроактивных зон или зарядов. При формировании молний эти центры могут образовывать разрядный ансамбль. То есть объединяться в несколько зон. Сами зоны, как рассказывает С.М.Гальперин, наблюдаются со стационарной радиолокационной базы длительное время, до 40—45 минут. Итак, получается, что у молнии есть три особенности. Во-первых, это зона сконденсированного электрического заряда в небе, причем не обязательно в облаке, помните гром среди ясного неба? Во-вторых, полый плазменный канал, стенки которого — скинслой (зона концентрации тока) этого канала. В-третьих, существует передняя часть, пробивающая атмосферу, которая функционально отличается от канала. Заметив эти черты молнии, попробуем найти их у торнадо.

Тайны торнадо

Суть тысячелетних представлений о торнадо в том, что это воздушный вихрь. Такие представления получаются большей частью на основании сделанных со значительного расстояния наблюдений, а также фото- и видеозаписей. Другие источники знания — образовательный процесс в школе и институте, телевидение и энциклопедии. Однако накопилось много данных, которые эту гипотезу не подтверждают. Например, есть сведения, что зона, откуда тянется хобот торнадо, независимо от того, расположена ли она в грозовом фронте или отдельном облачке, представляет собой зону электрической активности. Существуют фото- и видеозаписи хоботов причудливых, в том числе Г-образных, форм, объяснить существование которых теории торнадо-вихрей не в состоянии: вихрь не может образовывать углы. Есть фото, когда солома, попав в торнадо, ускоряется настолько, что пробивает доски. Расчеты показывают, что для этого нужно иметь скорость в несколько скоростей звука, а всей теорией торнадо это не допускается: вихрь не может вращаться со скоростью, превышающей скорость звука, это все равно как если бы свет летел со сверхсветовой скоростью.

.
Если фотографии смерчей (Адлер, 2005 год) сделать очень контрастными, то станут заметными и полая структура хобота (справа), и наличие конуса в месте соприкосновения с поверхностью, в данном случае, моря (слева) (изображение: журнал "Химия и жизнь")

При прохождении торнадо зажигаются выключенные лампочки накаливания, что свидетельствует о наличии в нем сильного переменного магнитного поля. В идеальных условиях, без пыли, грязи, дождя и солнечной засветки, фото- и видеоаппаратура всегда фиксирует идеальный вращающийся тонкий конус, вершина которого находится у земли, а углы слева и справа относительно земли всегда одинаковы. На всех качественных фото- и видеодокументах всегда видно: хобот торнадо имеет трубчатую структуру с тонкими стенками, что сильно напоминает канал молнии. Так мы подошли к следующей гипотезе: торнадо — это одиночный электрический разряд.

Строение конуса

При изучении явлений природы важнейшая роль принадлежит случаю: когда наблюдателю удается рассмотреть тот или иной не поддающийся воспроизведению природный процесс. К сожалению, сделать правильные выводы из увиденного, да и просто понять, на что следует обратить внимание, может далеко не всякий человек, а прежде всего тот, который читает научно-популярную литературу. Мне повезло увидеть в деталях образование смерча. Дело было так.

Два года назад, 8 мая 2005 года, на возвышенности, расположенной неподалеку от деревни Сутки в Смоленской области, меня застала гроза. Лил дождь, сыпал град размером с грецкий орех, били молнии, причем буквально в 10—15 метрах от меня. В какой-то момент я поднял голову и стал рассматривать тучи над собой. Внезапно я увидел, как на небе образовалось движение в виде сверкающих спиц без колеса. Спицы вращались около секунды. Сразу после этого образовался гигантский голубой конус, с вершиной, направленной к земле. Этот конус стал опускаться, и мне удалось разглядеть, что он обладает сложной структурой и быстро вращается, а вверх тянется полая труба. Обогнув деревья, конус приземлился на дорогу в 8—9 метрах от меня (потом я измерил это расстояние шагами). Все залило желтым светом, столь сильным, что находящиеся рядом ветки и кусты слились с фоном, однако детали строения прилетевшего объекта были хорошо заметны. В частности, оказалось, что сине-голубые стенки и конуса, и трубы отнюдь не гладкие, но обладают рельефом. Вниз по трубе спускались кольца-утолщения, внутри которых можно было разглядеть своеобразную белесую структуру — группы полых замкнутых колец. Аналогичные структуры формировались в обращенной к земле вершине конуса. Поднимаясь вверх, они встречали спускающиеся кольца трубы и исчезали. От нижней части конуса формировался конус внешний, идеально совпадающий с известной по фотографиям картиной чехла торнадо. Конус висел на высоте 5—30 см от земли и медленно описывал окружность, то есть прецессировал. Наблюдение продолжалось более десятка минут. Конец же был таким. Труба расцвела синим цветом и стала непрозрачной. На внешней поверхности появились большие кольца-перетяжки. Поперек них сформировались несимметрично друг к другу маленькие внешние кольца. Затем раздался шипящий звук и хобот стал опускаться. При соприкосновении с землей возник сильнейший разряд с ослепительной вспышкой. Сразу после исчезновения объекта возник шум дождя. То есть конус играл роль зонтика.

Выводы из наблюдения

Замеченное явление можно объяснить, только если предположить, что молния и торнадо обладают одной природой и представляют собой проявления атмосферного электричества. Тогда все встает на свои места. Хоботом торнадо оказывается такой же, как у молнии, канал транспортировки электрических зарядов от заряженной зоны в облаке. Узел вращения соответствует лидеру молнии. В отличие от молнии, у которой лидер достигает земли и происходит разряд, лидер торнадо до земли не доходит. Узел вращения выступает в роли пробки, которая не дает заряду пройти до конца и обеспечивает многочасовую жизнь торнадо. Однако разряд в нем все равно идет — по каналу перемещаются пламенные кольца. Подобранные образования вовсе не представляют загадки для специалистов по физике плазмы — они часто встречаются с плазменными кольцами в своих экспериментах. Фактически группы полых колец представляют собой силовые линии вихревого магнитного поля, сформировавшегося при движении по каналу электрического тока: плазма диамагнитна и в соответствии с законами магнетизма она из магнитного поля выталкивается. Энергия разряда расходуется и на вращение конуса, и на движение этих колец, и на излучение. Сам же конус, в сущности, представляет собой гироскоп, который находится в режиме электромагнитного подвеса. Будучи электромагнитным образованием, он вполне может вращаться со скоростями много больше скорости звука и разгонять до этих скоростей различные материальные объекты — капли дождя или соломинки. Становится понятной и еще одна тайна торнадо - по рассказам очевидцев, попав в колодец, оно уже не смогло оттуда выбраться. Для вихря такое поведение странно, а электромагнитный гироскоп действительно не сможет перепрыгнуть стенку колодца.

Предложенную гипотезу сравнительно не сложно проверить. Для этого нужно, во-первых, измерить электромагнитные поля при соприкосновении аппаратуры с хоботом и другими частями торнадо. Во-вторых, сфотографировать торнадо в рентгеновском, ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах, причем как можно ближе к объекту — чтобы избежать искажений от воздуха и поднятой грязи. Это позволит доказать существование узла вращения, выявить детали его строения и особенности движения кольцевых образований. В-третьих, провести локацию зарядов, из которых формируются торнадо.

Из гипотезы следуют очень важные и полезные выводы. Прежде всего в случае подтверждения электромагнитной сущности торнадо возникает хороший способ борьбы с этим разрушительным явлением природы: для уничтожения такого торнадо достаточно перебить его хобот либо с помощью длинных проводников разрядить питающую его зону заряда в облаке. Кроме того, если в природе существуют каналы передачи огромных токов, которые живут десятки минут и тянутся на километры, то, значит, нет никаких фундаментальных ограничений на создание руками человека аналогичных каналов длиной в сотни и тысячи километров. По таким каналам удастся чрезвычайно эффективно транспортировать электроэнергию, причем на них не будут распространяться те ограничения, которые свойственны металлическим проводам.

Источник: "Химия и жизнь"