CC BY
130
‘Ве&н.Шс, сентябрь, 2007 г., № 9
ШАРОВАЯ МОЛНИЯ КАК ПЛАЗМЕННЫЙ КРИСТАЛЛ ИЗ КВАТАРОНОВ ВОДЫ
Член-кор. А. М. Асхабов
xmin@geo.komisc.ru
Шаровая молния относится к числу давно известных, но достаточно редких явлений, наблюдаемых в атмосфере Земли. Она представляет собой светящееся фазовообособленное образование, обладающее определенным запасом энергии. Имеющийся фактический материал о шаровой молнии по большей части основан на наблюдениях очевидцев. Эти наблюдения обобщены в ряде отечественных и зарубежных сводок [1—3]. Накопленный материал не оставляет места для сомнений на счет самого факта объективного существования этого природного феномена, хотя природа и механизм его образования остаются все еще не понятными.
Природная шаровая молния — это достаточно долгоживущий объект (время жизни составляет от нескольких до десятков секунд). Она, как правило, имеет сферическую форму. Диаметр молнии меняется в широких пределах. Чаще всего наблюдаются молнии диаметром 10—20 см. Они способны проходить через щели и узкие отверстия, восстанавливать свою форму. Наиболее часто шаровая молния образуется в летнее время, в грозу. К числу характерных свойств молнии относятся также заметные электрические проявления.
Неоднократные попытки воспроизвести шаровую молнию в лабораторных условиях не увенчались полным успехом. Первые эксперименты по искусственному ее получению были начаты Н. А. Гезехусом еще в конце XIX— начале XX в. Лабораторные эксперименты к настоящему времени охватывают широкий диапазон условий, в которых удается получить короткоживу-щие светящиеся образования [2, 4], но утверждать, что в них удалось воспроизвести то, что обычно называют шаровой молнией, надежных оснований нет.
Предположений о природе шаровой молнии, несмотря на отсутствие экспериментальных данных и невозможность искусственного воспроизведения, высказано огромное количество [5—8], в том числе и весьма экзотических. Однако ни одна из предложенных
гипотез не стала общепризнанной. Наиболее аргументированной считается кластерная гипотеза И. П. Стаханова [2]. Согласно этой гипотезе, шаровая молния состоит из необычной плазмы — смеси положительных и отрицательных ионов, облепленных нейтральными молекулами (воды), которые тормозят рекомбинацию ионов, что необходимо для длительного существования плазмы в метастабильном состоянии. По оценкам В. М. Смирнова [9], время рекомбинации гидратированных ионов может на два порядка превосходить время рекомбинации плазмы, состоящей из «голых» ионов и электронов.
В данной работе мы предлагаем принципиально иную кластерную модель образования шаровой молнии.
Модель основывается на идеях ква-таронной концепции кластерной самоорганизации вещества на наноуровне [10, 11]. Ключевая идея этой концепции сводится к тому, что в пересыщенной среде образуются и могут существовать особые наноразмерные кластеры, названные кластерами «скрытой» фазы, или кватаронами. Они предшествуют зародышам новой фазы при конденсации и кристаллизации. Механизм образования и отличительные свойства кватаронов рассмотрены в указанных выше наших работах.
Новая гипотеза о природе шаровой молнии родилась как продолжение предложенной нами ранее кватарон-ной модели конденсации водяного пара [12]. В этой работе были определены условия образования обычной жидкой воды (вода плотностью 1г/см3), а также рассматривалась возможность образования различных, не установленных еще экспериментально аномальных («твердой», «газообразной», «фрактальной») фаз воды при конденсации и агрегации электрически нейтральных кватаронов. Однако если кватароны одноименно заряжены, то ситуация с конденсацией кватаронов радикально изменится. Образование конденсированной фазы в обычном понимании станет невозможным. Но при этом
межкватаронное взаимодействие при определенных условиях может привести к формированию ими пространственно-упорядоченных структур. Впервые на возможность образования заряженными частицами в плазме кристаллоподобных структур указывалось в работе X. Икези [13]. В последующем такие структуры стали называть куло-новскими, или плазменными кристаллами. Они установлены экспериментальными методами и достаточно хорошо изучены, к примеру, для пылевидной плазмы [14]. Легко представить, что подобное явление может быть реализовано для заряженных кватаронов воды, и они сформируют особую фазу, аналогичную кулоновскому кристаллу. По-видимому, именно эта фаза и представляет собой образование, называемое шаровой молнией (по крайней мере, одна из форм светящихся объектов сферической формы, наблюдаемых в атмосфере). Если так, то шаровая молния — это особая плазма, в которой дисперсными частицами выступают электрически заряженные кватароны.
Поскольку кватароны являются относительно крупными частицами, до десятков и даже сотен молекул, то заряд на кватаронах может быть достаточно большим. Однако при значительных зарядах увеличивается среднее расстояние между кватаронами и уменьшается энергия кулоновского взаимодействия, что в конечном итоге приведет к распаду шаровой молнии.
В рамках кватаронной модели находит объяснение большинство свойств шаровой молнии, на которые указывают наблюдатели. Так, наличие «запирающей» фазовой границы и кристаллический характер облака заряженных кватаронов обеспечивают устойчивость шаровой молнии. Отпадает необходимость существования внутри шаровой молнии жесткого каркаса фрактальных кластеров [6] или органического полимера [4]. Модель не противоречит также существованию у шаровой молнии собственного электрического поля, что отмечается во мно-
ÂecMiuê, сентябрь, 2007 г., № 9
гих работах. Ряд свойств шаровой молнии (способность сохранять свою целостность и форму, проникать через щели и отверстия и т. д.) являются следствием существования фазовой границы и, следовательно, поверхностной энергии. Рекомбинация зарядов, очевидно, также происходит главным образом на фазовой границе.
Просто решается также центральный вопрос о природе запасенной в шаровой молнии (или полученной извне) энергии. Прежде всего, из изложенной модели следует, что необходимая для поддержания шаровой молнии и ее свечения энергия не подводится извне, а запасена внутри самой молнии, в энергии образующих ее частиц. Никаких химических реакций с выделением энергии и появлением заряженных частиц в шаровой молнии не происходит.
Энергия шаровой молнии состоит из поверхностной энергии самой молнии (Е8), энергии образующих ее ква-таронов (Бе[) и потенциальной энергии электрического заряда на их поверхности (Ее1). Удельная поверхностная энергия шаровой молнии по разным оценкам находится в пределах 0.1^10Ч10-7 дж/см2 [2]. Для шаровой молнии с радиусом в 5 см при = =10Ч10-7 дж/см2 имеем Е8 « 0.310-4 дж, что, очевидно, составляет крайне малую часть энергии шаровой молнии. Если воспользоваться для определения выражением, приведенным в [15], то значения Е8 несколько больше (0.12 дж), но все еще очень малы.
Энергия Бку представляет собой энергию, которая должна была выделиться при образовании кватаронов, но осталась запасенной в них. Она равна энергии образования всех кватаронов, взятой с обратным знаком:
4 2 (л 48^1
Бк, =-А°•п = -3пг УсI 1 -— I-п, (1)
где А в — энергия образования квата-ронов, п — число кватаронов в шаровой молнии, г — радиус кватарона, 70 — удельная поверхностная энергия, 5 — диаметр кластерообразующих частиц (молекул воды). Для кватаронов, радиус которых меньше, чем 45, Б^ > 0.
Плотность кватаронов рк, и их масса равны соответственно:
6М
pkv _
8M ( г
Na V 5
(2)
(3)
где М — молекулярный вес, МА — число Авогадро.
В предположении, что плотность шаровой молнии равна плотности воздуха р, легко получить выражение для числа кватаронов п в шаровой молнии радиусом ЯЬ1:
nRblPNA
6m(5
(4)
Тогда из (1) и (4) имеем для суммарной энергии n кватаронов:
Ek
3
Mr
(5)
Расчеты по формуле (5) дают для шаровой молнии радиусом Яы = 5 см при г = 5 = 0.3 нм Бку « 243 дж, а при г=25=0.6 нм Ек, « 41 дж. При г=0.384 нм, с конденсацией которых связано образование обычной жидкой воды, Е^ составляет 135 дж. Эти значения примерно соответствуют оценкам энергии выделения по действиям, вызываемым шаровой молнией в закрытых помещениях [5], но они гораздо меньше значений, полученных на основе наблюдений вне жилых помещений на открытой местности. Последние, однако, считаются некорректными, поскольку могут быть связаны с выделением энергии внешнего электрического поля. В связи с этим заметим, что еще И. П. Стаханов [2] высказывал предположение, что разрушительное действие шаровой молнии обусловлено не ее собственной энергией, а энергией внешнего электрического поля, выделяющейся при протекании тока через нее. Вместе с тем очевидно, что реальная энергия, заключенная в шаровой молнии, больше, поскольку необходимо принимать во внимание энергию, связанную с подзарядкой кватаронов после их образования.
Действительно, при тех же условиях расчет энергии электростатического поля заряженных кватаронов по формуле
Eel =
(Ze)2 , 4nss 0г
(6)
где 2е — заряд, е — диэлектрическая проницаемость, е0 — электрическая постоянная, дают значения Ее1, достигающие сотен и десятков тысяч джоулей, в зависимости от величины заряда на кватаронах. Таких энергий вполне достаточно, чтобы объяснить даже самые разрушительные действия шаровой молнии, описанные в литературе.
Таким образом, интерпретация шаровой молнии как плазменного кристалла, образованного кватаронами воды, позволяет объяснить важнейшие ее свойства, отмечаемые наблюдателями. В конечном итоге эти свойства определяются концентрацией и размером кватаронов, а также величиной заряда на них, от которых зависит плотность энергии в объеме шаровой молнии. Количественные оценки энергетических характеристик молнии, полученные в рамках предложенной модели, являются весьма разумными.
В заключение отметим, что светящиеся образования по обсуждаемому механизму могут в принципе возникать и в парах других веществ. Не исключено, что многие полученные в лаборатории образования, напоминающие природную шаровую молнию, имеют такую природу.
Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант №05-05-65112) и программ фундаментальных исследований ОНЗ РАН.
Литература
1. Амиров А. X., Бычков В. Л. // Шаровая молния. М. : Изд-во Ин-та высоких температур АН СССР, 1991. Вып. 2. С. 19—27. 2. Стаханов И. П. О физической природе шаровой молнии. М.: Научный мир, 1996. 246 с. 3. Barry I. D. Ball lightning and bead lightning. New York and London: Plenum Press, 1980. 298 p. 4. Шаровая молния в лаборатории. М.: Химия, 1994. 256 с. 5. Степанов С. И. // Природа, 1995. № 6. С. 107—117. 6. Смиронов Б. М. Проблема шаровой молнии. М.: Наука, 1988. 208 с. 7. Kadomtsev B. B. // J. Moscow Phys. Soc. 1991. № 1. P 335—340. 8. Игнатович В. К. Электромагнитная модель шаровой молнии. Препринт №34-92-209. Дубна: Изд-во ОИЯИ РАН, 1992. 9. Александров В. Я., ГолубевЕ. М., Подмошенский И. В. // ЖТФ, 1982. Т. 52, № 10. С. 1987—1992. 10. Асха-бов А. М. Кватаронная концепция кластерной самоорганизации вещества на наноуровне в решении задач кристаллографии, минералогии и смежных наук. Сыктывкар: Геопринт, 2003. 15 с. 11. Асхабов А. М. // ЗВМО, 2004. № 4. С. 108—123. 12. Асхабов А. М. // ДАН, 2005. Т. 405, № 3. С 481—384. 13. Ikezi H. // Phys. Fluids, 1986. V. 29. P. 1764. 14. Нефедов А. П., Петров О. Ф., Фортов В. Е. // УФН, 1997. Т. 167, № 11. С. 1215—1226. 15. Асхабов А. М. // XV Российское совещание по экспериментальной минералогии. Сыктывкар: Геопринт, 2005. С. 7—9.
n
3
m,_. =
kv
