Физик Александр Костинский о том, как ученые исследуют молнии

Что науке известно о шаровой молнии, как образуются огни святого Эльма, что такое «эльфы» и могут ли молнии подниматься снизу вверх, Indicator.Ru рассказал участник международной коллаборации «Молния и ее проявления», заместитель декана факультета физики НИУ ВШЭ Александр Костинский.

— Расскажите, что на данный момент известно науке о молнии?

— Самое главное о молнии стало известно еще 265 лет назад, когда благодаря Тома Франсуа Далибару и Бенджамину Франклину мы поняли, что молния — это сильнейший электрический разряд в атмосфере. В школе на уроках физики вам, скорее всего, показывали электрофорную машину, где в результате трения заряжались аккумуляторы и между шариками проскакивала искра длиной в несколько миллиметров. В чем-то грозовая ячейка похожа по разделению зарядов на электрофорную машину, только в облаке вращается воздух с трущимися друг о друга гидрометеорами (атмосферными осадками: снегом, каплями дождя — прим. Indicator.Ru). Но не любой атмосферный разряд — это молния. Если говорить корректно, то молния — это грозовой разряд, который зарождается в облаках или под влиянием заряда облака на высотных сооружениях. Поэтому бывают нисходящие молнии, которые образовались в облаках, и разряды, которые поднимаются с высотного сооружения. Это восходящая молния. Например, Останкинская телебашня высотой 530 метров в 90-95% случаев сама порождает разряды, которые уходят в облако. К молниям относят также разряды, которые стартуют с самолетов и ракет вблизи грозового облака. Молния, зародившаяся в облаках, бьет в самолет очень редко.

Интересна не только сама молния, но и физические явления, которые она порождает. В 1989 году Джоном Уинклером было установлено, что на высотах 50-70 км над поверхностью земли во время разряда молнии проявляются гигантские объемные разряды. Исследователи изобретательно назвали их спрайтами, джетами и эльфами. В отличие от наблюдаемых на Земле молний, видимых в качестве голубых ветвящихся вспышек, вновь открытые разряды занимают значительные объемы и иногда достигают нижней границы ионосферы, как бы замыкая конденсатор «Земля – ионосфера».

В 1994 году на американском спутнике были зафиксированы мощные вспышки гамма-излучения, идущие от Земли, причем фотоны имели энергию, характерную для ядерных взрывов. Позже было выяснено, что происходит это и во время грозы. После этого несколько групп ученых во время грозы зафиксировали мощные вспышки гамма-излучения и на Земле. Сейчас идут активные эксперименты и кипят теоретические споры о том, каков механизм генерации таких энергичных фотонов. Что их порождает — молния или грозовое облако? Это действительно передний край исследований и вызов для ученых.

— Откуда взялись такие сказочные названия, как эльфы, духи, спрайты?

— Есть такая книжка — «Три кварка для мистера Марка». Мюрей Гелл-Манн назвал этими словами кирпичики первоматерии в своей выдающейся теории, просто ему так понравилось. В том духе, что «я придумал теорию, тогда возьму и назову свои частицы, как хочу». Иногда и ученые так шутят: эльфы это сокращение (от англ. Elves, Emissions of Lightand Very Low Frequency Perturbations from Electromagnetic Pulse Sources), по звучанию оно напоминает название мифических эльфов. Спрайты — это танцующие воздушные сказочные создания. Когда открывали все новые по формам классы разрядов, то там были и carrots, морковки, и гномы, и медузы и т. д. Эти названия не просто шутки геофизиков, но и способ привлечь к изучению новых явлений внимание, а с ним и финансирование. Это элемент научного пиара.

— А что вы можете рассказать про огни святого Эльма?

— Этот давно известный и красивый феномен пугал моряков в грозу сиянием на мачтах, а в городах в грозу голубым пламенем светились кресты на церквях и колокольнях. Это довольное понятное сейчас явление, его легко смоделировать в лаборатории. Когда электрическое поле в атмосфере достигает определенного значения, на тонких длинных предметах наблюдается так называемый коронный стримерный разряд. Он и ответственен за огни святого Эльма. Но моряки, как и альпинисты в горах, пугались не зря. При достаточной близости грозового облака после многих вспышек коронного разряда может возникнуть и восходящая молния, которая закончится мощными ударами, а они могут поразить людей, поджечь мачты и строения.

Также бывают похожие на молнии мощные атмосферные разряды во время извержений вулканов, в смерчах, в пылевых и снежных бурях. Там тоже происходит электризация и разделение зарядов благодаря трению крупных и мелких частиц пыли, песка, снега.

Но мощные разряды наблюдаются не только на Земле. Мы точно знаем, что есть гигантские газовые разряды на Юпитере и Сатурне во время тамошних бурь. Мы пока очень мало знаем об этих явлениях. Возможно, они похожи на наши молнии. Существует отдельная большая научная проблема, до сих пор не решенная, есть ли молнии на Венере? Советские спутники серии «Венера» их зафиксировали, а американские — нет. Почему? Есть несколько гипотез, которые требуют проверки.

Гроза и молния — это самое частое опасное явление в мире. В среднем каждую секунду на Земле происходит сотня молниевых разрядов. И поэтому это явление нужно тщательно исследовать.

— Какие на данный момент существуют основные проблемы и вопросы в области изучения молний?

— Главная проблема, главный вызов, на мой взгляд, — это то, что мы не знаем, как молния зарождается в облаках. Для того чтобы произошел разряд, электрическое поле должно достичь определенного значения — это называется пороговым или пробойным полем. Чтобы пробить всего один сантиметр около поверхности Земли, поле должно достигнуть очень большого значения — 30 000 вольт. Но в облаках таких больших полей нет, их многократно измеряли с помощью приборов, размещенных на самолетах и воздушных шарах. Существуют теории, что усиление поля происходит на гидрометеорах, на острых иголочках снежинок, на частичках, которых выстраиваются в цепочки, усиливая поле друг друга. Но в лаборатории, в больших охлажденных камерах, наполненных гидрометеорами, подобных разрядов не получается. Так что загадка зарождения молнии остается, хотя в последнее время появились интересные гипотезы, которые могут помочь выбраться из этого научного тупика.

Второй вопрос: как этот зарождающийся небольшой по длине разрядный канальчик движется, распространяется и вырастает в многокилометровый канал, который мы и наблюдаем? Как заглянуть внутрь облака? Мы можем заглянуть в него только с помощью электромагнитных волн. Но видимый свет, инфракрасное излучение, которые можно записать на матрицы скоростных камер, поглощаются, или рассеиваются на гидрометеорах, так как их длина волны меньше, чем размеры гидрометеоров. Внутрь облака может проникнуть и выйти из него только электромагнитное излучение длин волн больше сантиметра. Именно на таких длинах волн и работают метеорологические локаторы. Исследователи научились следить за движением источников излучения из облака, используя принципы, похожие на слежение за движением машины по радиоизлучению сотового телефона. Но природа таких источников излучения малопонятна. Неизвестна и природа мегаэлектронвольтных частиц, появляющихся во время грозы.

Также мы не знаем природу открытых не так давно сверхмощных вспышек излучения длиной волны в десятки метров, которые происходят во время грозы. Это точно не обычные молниевые разряды, но, что это, пока непонятно. Эти вспышки даже получили название — компактные внутриоблачные разряды. Но их небольшие размеры следуют только из теоретического анализа излучения и пока не подтверждены ни одним экспериментом. Это еще один вызов для ученых.

— Что такое коллаборация «Молния и ее проявления»?

— Сейчас при изучении сложных физических явлений над проблемами работают в содружестве несколько групп ученых из разных организаций, так как каждая группа может внести свой вклад в общее дело. В нашем проекте работают ученые из Института прикладной физики в Нижнем Новгороде. Научный руководитель проекта — известный специалист по изучению молнии, профессор Университета Флориды Владимир Раков. Моделирование молнии проводилось в филиале РФЯЦ ВНИИТФ в Истре под Москвой. Сам проект стал возможен благодаря программе мегагрантов Министерства образования и науки.

— А как моделируют молнию на Земле?

— В наших экспериментах и экспериментах коллег возможны два подхода. Первый — довольно редкий. Это создание небольшого искусственного облака заряженных капель, которое само порождает разряды, как реальное облако. Такие облака могут состоять из мелких или крупных капель, в зависимости от способа их создания. В наших экспериментах мы специально создали облако из мелких заряженных капель размером меньше, чем полмикрона. Это было сделано для того, чтобы заглянуть внутрь облака с помощью инфракрасных камер с длиной волны на порядок большей (около пяти микрон). В этом случае можно фотографировать разряды внутри облака, то есть «видеть» внутри облака. В результате мы обнаружили необычные внутриоблачные разряды, которые никто не предсказывал и которые мы сами не ожидали получить. Сейчас интенсивно их изучаем, пытаемся понять их физику.

Есть и другие установки — высоковольтные генераторы импульсных напряжений, которые создают огромные напряжения на Земле, до десяти мегавольт. С их помощью изучается динамика развития длинной искры, которая похожа на молнию. Искра длиной более нескольких метров ведет себя аналогично развивающемуся каналу молнии. Тут тоже много неизученного и непонятного, так как явление слишком сложное.

Похожие исследования пытаются сделать с искусственно стимулируемыми молниями. Наш коллега Владимир Раков занимается этим уже четверть века. Они запускают ракету с заземленным проводом в облако в момент, когда гроза подходит близко к пусковой установке, и электрическое поле достигает некоторого порогового значения. Когда ракета поднимается на 250-300 метров, то с нее стартует восходящая молния. Запустить ракету с заземленным проводом — это как мгновенно построить сооружение высотой с Эйфелеву башню, которое в поле облака набирает необходимый для старта молнии электрический потенциал. После того как разряд уходит в облако, по этому же каналу уже из облака следуют несколько мощных ударов, точь-в-точь таких же, как и у настоящей молнии. Поэтому с помощью такой техники можно измерить ток молнии, ее электромагнитное излучение, потоки энергичных частиц и т. д. Получается, что ученые «ловят» молнию и изучают ее поведение. Вы можете снимать это явление любыми камерами и подробно смотреть, как все происходит. Это очень важные эксперименты, но, к сожалению, в России они не проводятся: дорого. Каждый запуск такой ракеты стоит около $1000, не говоря о начальной стоимости стартового комплекса. А таких запусков в сезон делается от 50 до 100. Содержание подобного комплекса в России стоило бы порядка $1 млн в год.

— Как применять знания о молнии на практике?

— Если молния — это самое частое опасное явление, то первое применение знаний о молнии — это защита от молнии. Высотных сооружений сейчас все больше и больше, а для того, чтобы здание порождало восходящую молнию, достаточно, чтобы его высота достигала 50-100 метров. Важно изучать свойства молнии, чтобы при ее ударе в сооружение не было короткого замыкания, пожара, чтобы не было разрушений. Есть, например, объекты, где ни при каких условиях не должно выключаться электричество: перекачивающие станции нефте- и газопроводов, больницы.

Кроме того, молния наносит ущерб не только при прямом попадании в объект, но и наводя своим мощным электромагнитным импульсом электрические поля в электрических сетях и электронике. Благодаря этим наведенным токам внутри приборов могут возникать поверхностные разряды, сгорать электронные платы… А электроника сейчас повсюду, и ее повреждение несет все большую опасность.

Еще одно важнейшее направление — защита летательных аппаратов, таких как ракеты и самолеты. Практически в каждый пассажирский самолет, который регулярно летает, раз в год бьет молния. Бывают серьезные аварии, бывают отказы электроники, и это очень серьезно. Были также случаи, когда ракеты во время полета порождали молнии, а это также очень опасно, так как средства защиты ракет испытаны еще довольно слабо.

— А во что молнии бьют чаще всего?

— В линии высоковольтных электропередач. Если в нее попадает молния, линия может отключиться, что наносит ущерб как технике, так и людям, находящимся в критической ситуации, например, когда у них включена система искусственного поддержания жизни. Кроме того, сейчас создается большое число ветряков для генерации электричества, а это тоже новый тип высотных сооружений. Их высоты в пределах 50-100 метров, и их лопасти часто прогорают от разрядов молнии, которые они сами и порождают.

Ну и, конечно, понимание развития молнии помогает понимать и предсказывать фазы самой грозы. Возможно, электричество молниевых разрядов поможет нам и при предсказании образований торнадо и смерчей. В США, например, существует большая проблема: от Великих озер до Техаса кочуют грозовые облака, порождая мощные торнадо и смерчи. Каждый год сотни людей гибнут, разрушаются дома, и важно как можно раньше предугадать зарождение торнадо, чтобы предупредить людей. Это называется форкастингом — предсказанием опасного явления. Понимание физики грозы, физики молнии может сделать форкастинг быстрее, а здесь счет идет на десятки минут.

— А что такое шаровая молния?

— Да, этот вопрос чаще всего задают «не физики», когда рассказываешь о природе молнии. Почему шаровая молния так интересна? Например, огни святого Эльма тоже интересное и красивое явление, но никто не сходит от него с ума. Это потому, что физическая природа огней понятна, а хоть сколько-нибудь проверенной модели шаровой молнии не существует. Непонятен всего один, но самый главный аспект. Создать разряды шаровой формы различными способами для ученых нет никакой проблемы, проблема заключается в понимании того, за счет чего шаровая молния живет так долго без притока внешней энергии. Шаровая молния — это, скорее всего, плазменное образование, как и обычная молния. Плазма — достаточно сильно ионизованный газ, через который может течь ток. Если через плазму течет ток или ее существование поддерживают внешние микроволновые или лазерные пучки, то шаровое плазменное образование может существовать как угодно долго. Но многие исследователи шаровой молнии считают, что она живет без притока внешней энергии. А вот поддержание плазмы в течение даже десятых долей секунды без внешнего источника энергии никак объяснить нельзя. Плазма должна исчезнуть. В начале ХХ века была такая гипотеза, что существует тонкий, невидимый глазу канал, который идет к шаровой молнии от облака, и он поддерживает плазму током. Но плазменных каналов, живущих секунды и идущих от облака, точно нет. Это мы хорошо знаем из изучения обычных молний.

Вот из этого непонимания механизма «долгоживучести» плазмы и возникает проблема шаровой молнии. Тут-то и появляется простор для всяческих фантазий, и здесь грешат не только увлеченные любители, но и множество ученых из смежных областей, которые не занимаются физикой газового разряда высокого давления. Придумываются самые экзотические и безумные источники энергии, от холодного термоядерного синтеза до извлечения энергии из вакуума. Но мало придумать механизм, объясняющий подвод энергии, надо также объяснить и другие известные свойства шаровой молнии. Вот это как раз и не удается последовательно сделать никому.

Одно время даже считали, что шаровая молния — это засветка сетчатки глаза при близком разряде обычной молнии, как если бы вы посмотрели на стробоскоп, а потом закрыли глаза. При этом у вас будет мелькать «отсвет» внутри глаза. Но сейчас зафиксировано несколько тысяч случаев с более или менее надежным описанием этого странного явления, часть из них сделана учеными.

В прошлом году китайцы снимали на скоростную камеру обыкновенную молнию и увидели после нее шар, причем снимали через спектрометр. Это значит, что они смогли снять спектр излучения этого шарового плазменного образования и выделить линии, соответствующие элементам поверхности. К сожалению, длина записи была чуть более секунды. Так что явление, которое называют шаровой молнией, с большой вероятностью, все-таки существует.

Некоторые ученые считают, что шаровая молния — это несколько явлений, которые собраны под одной шапкой. Часть из них можно объяснить довольно просто, без привлечения понятия шаровой молнии. Чтобы изучать какое-то явление, нужно иметь некую его повторяемость, надо неоднократно его фиксировать с помощью приборов и, в первую очередь, понять, о чем все-таки мы говорим. О самой обычной молнии, снятой сотни тысяч раз, мы и то не знаем очень многого. Есть места на Земле, где 300 дней в году бьет молния, приезжай и изучай сколько хочешь. А шаровая молния описана крайне плохо, в основном случайными людьми, не учеными. Очевидцы, даже самые честные, могут добавить что-то для красоты, или дополнить свой рассказ фантазиями, или невольно использовать рассказы других, потому что рассказывают они об этом часто через несколько лет после события. Редко кто сразу сядет и запишет впечатления после такого шокирующего события. Поэтому многие серьезные ученые считают эту тему маргинальной и даже ненаучной. Как-то на научном семинаре, посвященном очередной гипотезе о физике шаровой молнии, один крупный ученый насмешливо спросил докладчика: «Вы сумасшедший или шарлатан? Я вот в отношении шаровой молнии — сумасшедший». Некоторые ведущие научные журналы по физике просто не принимают статьи, если там есть слова «шаровая молния» или «ball lightning». Впрочем, шаровой молнией занимались и выдающиеся физики, такие как нобелевский лауреат Петр Капица. Но и его гипотеза о роли микроволнового излучения в поддержании шаровой молнии оказалась несостоятельной.

— Значит, с молнией у ученых еще много проблем?

— Очень много. Она нам постоянно преподносит сюрпризы. Поэтому мы не мелочи подчищаем, а пытаемся понять самую суть этого удивительного явления. Понять его здесь, на Земле, значит иметь надежную модель для понимания того, что происходит на других планетах. Будут ли разряды на Марсе, каковы механизмы разрядов на Юпитере, состоящем из водорода и гелия, или на углекислой Венере.

Интересно, что разряды молний вообще не могли бы происходить внутри облаков, если бы не было космического излучения, поскольку оно поставляет первые электроны для разрядов. Даже если вы приложили очень большое электрическое поле (которого нет в облаке), вам нужен первый электрон, который будет размножаться, выбивая другие электроны из молекул газа. Обычно первый электрон возникает у поверхности Земли в результате радиоактивного распада (чаще всего радона). Но на высотах в несколько километров радона в достаточном количестве уже нет, туда доходят только энергичные космические лучи. Поэтому молнию при некотором романтическом порыве можно даже назвать «дыханием космоса» или чем-то подобным.

Источник: indicator.ru