Fysiker Alexander Kostinsky om bollnedslagning, hypoteser om dess existens och modellering av detta fenomen i laboratoriet
För första gången gavs en vetenskaplig beskrivning av kulblixten i boken "åska och blixt" av den franska fysikern Francois Arago i början av 1800-talet. Detta är den första boken om blixtnedslag, vars elektriska natur upptäcktes ett halvt sekel tidigare. I Aragos bok beskrivs två dussin fall av observation av bollnedslag. Dess egenskaper är fortfarande svåra att fastställa, eftersom beskrivningarna huvudsakligen tillhörde människor som inte var forskare, och vanligtvis inte gjordes i het strävan.
Bollnedslagning som ett svårt att studera och därför ett mystiskt fenomen har blivit populärt i populärkulturen. Det finns till och med en James Bond-film med det namnet. Men forskare som bestämmer sig för att undersöka detta fenomen måste vara mycket försiktiga med att bara ta hänsyn till riktigt tillförlitliga data. Den första fullfjädrade vetenskapliga observationen av bollnedslag publicerades nyligen, men den väcker också frågor.
Det som kallas kulblixten
Ögonvittnen kallar omedelbart alla bollar lysande och rörande fenomen i luftbollens blixt. Det kan vara en händelse som folk såg efter en blixtnedslag i en högspänningsledning eller ett träd. Samma namn ges till ett föremål som dök upp i rummet, flyger ut från skorstenen eller dök upp med en väsen från uttaget.
Forskarna som samlade information om detta fenomen förlitade sig på en ganska opålitlig källa - rapporterar ögonvittnen. Vittnen till fenomenet säger att storleken på kulblixten är från fem centimeter till en meter. Glödet varar från fraktioner av en sekund till flera sekunder eller till och med tiotals sekunder. Vid kontakt med bollnedslag upplevde människor ofta en stark elektrisk chock, till och med dödlig. Vissa observatörer talade om väsningen från kulblixten, att det var en flum av ljusa kanaler med blå färg, men i stora kulblixten fanns det också röda färger. Kulblixten "passerar" genom glaset och det är till och med som om det ses i flygplan.
Bollnedslag ses ofta efter att ha slagits av konventionell blixt. Men en blixtnedslag på nära håll ser ut som en mycket stark ljusglimt. Därför fanns det i början av 1900-talet forskare som trodde att bollnedslag inte är ett fysiskt fenomen, utan en artefakt, en ögonblossning (om du tittar på en ljus blixtlampa när du fotograferar eller ett stroboskop i ett diskotek, då under några sekunder kommer det att ögon, oavsett om ögonen är stängda eller öppna).
Kampanjvideo:
Vilket är huvudproblemet med kulblixten
Det enorma intresset för bollnedslag orsakas inte av att det har formen på en boll, utan av att dess långa livslängd är fortfarande obegriplig. I allmänhet, i naturen, om du inte har en dedikerad riktning, tar många fenomen form av en boll, tappar till exempel när de faller. Det finns inga allvarliga problem att skapa en sfärisk plasmabildning mellan två elektroder så länge som det är nödvändigt med användning av elektriska bågar med låg ström. Detsamma gäller för en sfärisk plasmaformation i fritt utrymme, stödd av en stråle av elektromagnetisk strålning i mikrovågsområdet (med stor uppfinningsrikedom kan den till och med skapas i en mikrovågsugn, som en gång gjordes av japanska forskare). I dessa fenomen tillförs elektromagnetisk energi till urladdningsplasma från utsidan, och det finns inga problem med att bibehålla en sådan plasma.
Men majoriteten av forskarna och särskilt "amatörer" går ut från antagandet att ingen extern energi tillförs bollnedslag. Plasma är en gas där det finns många fria elektroner, och därför har plasma en hög konduktivitet, en betydande ström flyter genom den, som en tråd med hög motstånd. Om du slutar att tillföra energi till plasma, kommer elektronerna på några miljoner sekund att försvinna, strömmen kommer att stoppa, plasma kommer att gå ut. Och om detta är så, är det nödvändigt att förklara varför kulblixten, om det är en plasmaformation, lever så länge - tiotusentals gånger.
Det finns många fantastiska optiska och elektriska atmosfäriska fenomen. Till exempel, ljuset från St. Elmo, som "brinner på masten natten före stormen", som i sången från Bulat Okudzhava. För de flesta av dem har övertygande fysiska förklaringar hittats. Forskare förstår hur det är möjligt att studera till och med ett så sällsynt fenomen som vanligt linjärt blixtnedslag: cirka hundra utsläpp inträffar på jorden varje sekund. En åskväder bildas gradvis, och platsen där blixtnedslag kommer att uppstå kan förutsägas med god noggrannhet genom förändringen i det elektriska fältet på jorden och rörelserna från hydrometeorer (droppar, isflis, snöflingor, snöflingor osv.) I åskvädercellen, där den huvudsakliga elektriska laddningen ackumuleras. Linser för olika fysiska apparater kan riktas till denna plats.
Lights of Saint Elmo / wikipedia.org
Ofta under åskväder börjar blixt från höga byggnader och tv-torn (mer än tvåhundra meter), i ändarna kan du också sätta enheter. Dessutom har forskare redan lärt sig i sextio år att kalla blixt från en åsklöja "mot sig själva", det vill säga att skapa så kallad trigger blixt. Trots detta förstås många av de viktigaste problemen med konventionell blixtnedslag fortfarande dåligt, vad kan vi säga om bollnedslag. Eftersom dess natur inte är tydlig, är det inte klart var man kan förvänta sig den, beväpnad med enheter.
Huvudhypoteser
I början av det tjugonde århundradet fanns det en hypotese där man antog att på grund av det stora avståndet från vilket kulblixten vanligtvis observeras, ser vi inte hur en tunn plasmakanal sträcker sig från molnet till den - tack vare sin nuvarande upprätthållande av kulblixten. Nu vet forskare mycket om strömmen från vanlig blixt och har konstaterat att urladdningen varar högst en sekund, medan den kommer att bestå av många separata ljusa stötar med en stor ström, mellan vilka det finns pauser, under vilka strömmen till marken praktiskt taget stoppar. Och kulblixten med en livstid på tio sekunder eller mer registrerades, medan inga starka blixtnedslag observerades genom dem, annars skulle vittnen till sådana händelser helt enkelt få elektriska stötar av sådan kraft att de inte skulle kunna berätta om sina intryck senare.
Dessutom är forskare väl medvetna om storleken på laddningarna som ackumuleras i molnet från mark- och flygplanobservationer, och det finns inte så många av dem heller för att säkerställa plasmaformations livslängd. Det visar sig att det fortfarande är omöjligt att förklara upprätthållandet av bollnedslagets livslängd med hjälp av de kända manifestationerna av naturlig atmosfärisk elektricitet. Därför dök det upp många exotiska förklaringar av naturen till kulblixten, bland annat från forskare som blev sjuka av detta fenomen, från andra fysikområden, som inte är välbevandrade i atmosfärisk elektricitet och inte tar hänsyn till allt ackumulerat observationsmaterial i sina hypoteser.
Till exempel föreslog Pyotr Leonidovich Kapitsa, akademiker och nobelpristagare att kulblixten stöds av en mikrovågsstråle, som i en mikrovågsugn, och själva mikrovågsstrålningen kommer från blixtnedslag. Men när man studerade blixtar var det inte möjligt att upptäcka några allvarliga strömmar av mikrovågsstrålning. Mikrovågsstrålning mäts lätt på långa avstånd, eftersom den används för att upptäcka flygplan, missiler och mäta hastigheten på bilar.
Vissa kärnkraftsforskare har föreslagit att kulblixten har en kärnkraft. Men kärnkraftsprocesser är en monströs energi som inte kan genereras av blixtnedslag. Dessutom skapar det radioaktivitet som också är lätt att mäta. På platser där kulblixten observerades försökte de flera gånger att mäta radioaktiviteten, men den överskred inte den naturliga bakgrunden.
Om kulblixten är ett fysiskt fenomen kan man från flera tusen pålitliga observationer härleda dess grundläggande egenskaper. Därför är det en forskare som hävdar att förklara mekanismen för kulblixten, det är nödvändigt inte bara att föreslå någon ny ovanlig källa till inre energi som stöder kulblixten, utan också att förklara, inom ramen för denna hypotes, andra etablerade egenskaper för kulblixten. Nästan ingen av de som presenterar alternativa hypoteser gör detta, så deras idéer hänger i luften.
Martin Human, en av de mest berömda moderna experterna i studien av blixtar, tillsammans med sina kollegor initierade en trigger-blixt, startade en raket med en jordad tråd i molnet och fick ett kraftfullt urladdning mellan specialformade elektroder, men de lyckades inte skapa bollnedslag.
Trampolin som fältmodell
2012 filmerade kinesiska forskare linjära blixtar med en spektrograf och en höghastighetskamera och registrerade ett sfäriskt fenomen som dök upp för närvarande då en vanlig linjär blixt slog marken. Detta är ett mycket viktigt bevis. Deras resultat publicerades i den mest prestigefyllda tidskriften inom fysik - Physical Review Letters, och redaktörerna lämnade termen "ball lightning" i titeln, vilket indikerar att seriösa fysiker erkänner möjligheten till detta fenomen. Artikeln fick titeln Observation of the Optical and Spectral Characteristics of Ball Lightning (PRL 112, 035001 (2014) DOI: 10.1103 / PhysRevLett.112.035001).
Spektrum av bollnedslag orsakad av blixtnedslag i jord / wikipedia.org
Inspelningen, som visar bollen glöd, varar en och en halv sekund, vilket är mycket. En lysande bildning dök upp från kanalen för linjärt blixt direkt nära jordytan. Enligt deras mätningar var måtten på kulformationen till en början mer än tio meter, och efter en hel sekund mer än fem meter, och detta är mycket för bollnedslag.
Kulblixten skinade en hel sekund nästan jämnt, vilket är absolut omöjligt utan tillströmning av extern energi. Det var möjligt att fixera spektrallinjerna förknippade med jordmaterialet, som slogs av linjärt blixtnedslag, och att ta bort spektrumet med "kulblixten" (kisel, järn, kalcium). Dessutom var spektralinjer hela tiden för inspelning, vilket innebär att plasma som upprätthöll denna glöd existerade under samma tid. Ett sådant spektrum kan inte förklaras med någon förbränning. Fireballfärgen ändrades från lila till röd. Den lysande formationen rörde sig med en hastighet av cirka nio meter per sekund.
Jag skulle vilja gratulera de kinesiska kollegorna till den anmärkningsvärda framgången, men i själva arbetet finns det en ganska konstig graf över fluktuationer i ljusstyrkan hos "kulblixten" med en period på cirka 100 Hz hela tiden för en ljus glöd, som är proportionell mot den industriella frekvensen för kraftledningar (50 Hz). Författarna skriver ärligt att tjugo meter från den plats där den linjära blixtnedslaget slog och denna plasmaformation dök upp, det finns en 35 kV högspänningsledning (PTL).
Tjugo meter är inte så långt och en blixtkanal kan passera den längs våt mark och nå kraftöverföringstornet och skada det. Som ett resultat kan strömmen från kraftöverföringsledningen ansluta till kontaktpunkten för blixtkanalen med marken, där "kulblixten" fanns. Det visar sig, och i detta experiment kan det inte uteslutas att plasmaformationen, som kallas av författarnas bollnedslagning, inte är ett helt naturligt fenomen, men eventuellt förses med strömmen från kraftöverföringsledningen bruten av blixt. Då är det tydligt varför plasman levde så länge: den drivs av industriell elektricitet.
Det är synd att författarna inte skrev i artikeln om de kontaktade elkraftsindustrin, som skulle fixa uppdelningen av kraftledningen, om det fanns en. I vilket fall som helst är detta ett viktigt bevis till förmån för plasmas karaktär, om inte för själva "kulblixten", så för de sfäriska plasmafenomen som kan genereras av linjär blixt när den slår högspänningsledningar eller nära dem.
Kemisk hypotes
För närvarande är den mest konsekventa hypotesen den kemiska karaktären hos kulkällan för energiförsörjning. Kemiska reaktioner kan ta relativt lång tid tills kemikalierna som är involverade i reaktionerna är uttömda. Till exempel kan en sådan process vara en specifik form av sfärisk förbränning (det var möjligt att skapa sfäriska antändningsformer av brännbara gaser under laboratorieförhållanden, som inte exploderade och fanns i sekunder under rörelse genom laboratoriekammaren).
Anta att blixtnedslag träffar ett träskområde, där ångor och ansamlingar av brandfarliga gaser som metan är ganska vanliga. På grund av den höga temperaturen under ett blixtnedslag tänds och brinner denna gas ytterligare, och liknar en brännare på en gasspis, från vilken locket togs bort. När allt kommer omkring kan gas brinna i timmar om det finns ett inflöde av gas från insidan av träsket.
Men om kulblixten betraktas som en form av förbränning, hur kan vi förklara dess elektriska manifestationer fram till folkets och djurens nederlag i kontakt med kulblixten? Det är också mycket svårt att i naturen inse rörelsen av en brinnande boll liknande den som beskrivs av observatörerna. Gaserna exploderar eller bränner vanligtvis snabbt. Därför kan den kemiska hypotesen inte förklara många viktiga egenskaper för kulblixten, men den tar bort problemet med livstiden som finns i plasmahypotesen.
Fördelen med den kemiska hypotesen är att det inte finns något behov av att involvera helt exotiska begrepp som "erhålla energi från ett vakuum" eller "kall fusion". Men den här hypotesen motsvarar inte det pålitliga kinesiska experimentet som beskrivits ovan, eftersom det inte fanns några träsk där, och förbränningsspektrumet skiljer sig radikalt från det spektrum som registrerats av kineserna. Men även det kinesiska experimentet kan inte lita helt.
Simulering av kulblixten i laboratoriet
Flera grupper runt om i världen har försökt att simulera bollnedslag i ett laboratorium. Det finns forskare som hävdar att de lyckades skapa kulblixten med en kraftig urladdning i vattenånga. De publicerade till och med bilder på internet. Men det fanns inga allvarliga publikationer om detta ämne i peer-reviewade vetenskapliga tidskrifter som den kinesiska - publikationer där deras experiment beskrivs i detalj, egenskaperna hos plasma registrerades av moderna apparater, frånvaron av extra energi från externa källor skulle garanteras, och så vidare.
Kulslampaeffekt skapad genom urladdning av en högspänningskondensator i en vattentank / wikimedia.org
Det räcker inte för att få ett intressant långlivat globulärt lysande fenomen i laboratoriet - du måste göra allvarliga argument för att det vi skapat i laboratoriet är relaterat till ett naturfenomen som kallas kulblixten. Gnisten mellan bollarna, som hoppar över elektroformaskinen, har, till skillnad från skollärarnas uttalanden, mycket att göra med blixtnedslag. Hon kan inte bara förklara hur blixtnödet föds utan också hur det bryter igenom moln - jordgapet. Detsamma gäller skapandet i laboratoriet av en långlivad sfärisk ljusbildning. Vi måste också bevisa att experimentet simulerar ett naturfenomen.
Och ändå utgör kulblixten en allvarlig utmaning för forskare. I dag tros det att det finns så mycket bevis på förekomsten av kulblixten att det är omöjligt att avföra den. Kanske blixtnedslag inte bara ett fenomen, utan en komplex kombination av kända fysiska fenomen, som vi ännu inte kan spåra och dechiffrera.
Alexander Kostinsky. PhD i fysik och matematik, biträdande dekan vid fakulteten för fysik, National Research University Higher School of Economics