Недостающее звено в загадке зарождения молнии

Молния — самое частое опасное природное явление на Земле, однако механизм зарождения молнии до сих пор не разгадан. Чтобы это сделать, нужно заглянуть внутрь облаков, но технически это весьма непросто. Лишь в последние десятилетия сверхскоростные сверхчувствительные приборы открыли перед учеными новые возможности в изучении молнии. Что же удалось разглядеть в облаках? Об этом Ольге Орловой в программе «Гамбургский счет» рассказал профессор и директор Международного центра изучения молнии в Университете Флориды Владимир Раков.

— Владимир Александрович, как получилось, что люди наблюдают за молнией тысячи лет, а физического описания важнейших стадий развития молнии до сих пор нет? Какие фундаментальные проблемы для ученых за этим стоят?

— Здесь несколько проблем. Первая связана с инициацией молнии. Как она зарождается в облаке. Поскольку это происходит внутри облака, оптические методы регистрации здесь помочь не могут. Какие-то теории, основанные на радиотехнических методах измерения, конечно, выдвигаются, но потом появляются новые наблюдения, которые не подтверждают теорию. Поэтому с инициацией молнии в облаке пока наибольшая неопределенность.

Вторая категория проблем связана с развитием молнии между облаком и землей. Вот как она вышла из облака, направилась к земле и до момента удара в землю. Казалось бы, какие могут тут быть проблемы? Вот она была там, теперь она здесь. Но дело в том, что молния развивается обычно не непрерывно, а ступенчато. То есть она не может непрерывно двигаться к земле. Она должна остановиться, подумать, потом двигаться дальше. Причем это обязательно наблюдается для отрицательной молнии, которая переносит отрицательный заряд на землю. Для положительной может быть непрерывное развитие, а может быть ступенчатое. И детали этого ступенчатого развития, особенно для положительной молнии, в настоящее время не очень хорошо понимаются.

И наконец третья, последняя категория вопросов связана с так называемым финальным скачком. Молния инициируется на высотах порядка 5–7 км над уровнем земли. И в тот момент, когда она стартует в облаке, она не имеет никакого представления, какие объекты есть на земле, где она закончит свое путешествие.

— То есть молния не знает, куда она попадет, и вы, соответственно, тоже предсказать этого не можете?

— Совершенно верно. И этот вопрос молния окончательно «решает», когда находится на высоте порядка 100 м. То есть она стартует на 5–7 км над землей и когда окажется в пределах примерно 100 м, а то и меньше, вот тогда уже окончательно «решит», где будет точка удара, какой объект или какой элемент объекта она поразит.

— Если это решается в последний момент, у геофизиков принято заключать пари, куда будет бить молния? Вы силу собственных предсказаний испытываете?

— Честно говоря, нет. Потому что такие записи обычно анализируются постфактум. То есть в реальном времени мы не смотрим, конечно. Более того, большей частью наша аппаратура работает в автоматическом режиме. Уже потом, когда просматриваем, что наснимали, тогда только заключаем пари.

— Какие бывают типы молний?

— Самое больше количество молний — 90% наземных молний — нисходящие отрицательные. А есть еще молнии восходящие. То есть в этих молниях начальный процесс, который мы называем лидером, стартует не в облаке, а с заземленного объекта. Для того, чтобы такая восходящая молния могла появиться, нужен объект высотой 100 м или выше. Допустим, Останкинская телебашня высотой 540 м годится вполне. Известно, что в среднем она в год поражается молнией 30 раз. Из этих 30 разрядов в год два или три будут нисходящие, а все остальные — восходящие.

— То есть Останкинская башня и другие высотки, которые у нас есть по всему миру в больших городах, сами чаще порождают молнии, чем в них попадает нисходящая молния?

— Совершенно верно. Они сами инициируют молнии. Если бы не было этого объекта, молнии в данный момент тоже бы не было. Они усиливают электрическое поле локально, а это и определяет момент возбуждения молниевого разряда. Еще один пример — это молнии, которые начинаются с летательного аппарата. Самолеты, коммерческие лайнеры поражаются молнией в среднем раз в год. Ничего страшного не происходит. Они сконструированы соответствующим образом и проверены на молниестойкость. Но в случае инициации молнии самолетом будет канал молнии, развивающейся вверх к облаку, и одновременно канал, развивающийся вниз в сторону земли. Это такой двунаправленный лидер.

— Физики вашей специальности не любят этот вопрос, но всё же рискну: а шаровая молния есть?

— Ответ на этот вопрос зависит от того, что называть шаровой молнией. Существуют базы данных, в которых собраны тысячи свидетельств, наблюдений шаровой молнии, и это только надежные свидетельства, т. е. оттуда исключены все сомнительные и явно фейковые записи. Скорее всего, шаровая молния — это не одно какое-то явление, а целая группа явлений разной природы, которые объединяются в одну категорию «шаровая молния». Например, хорошо известно, что при размыкании контактов выключателей мощных электрических установок возникают светящиеся шары или другие образования немножко другой формы. И они существуют достаточно долго. При отсутствии грозы. Наблюдались они, в частности, на подводных лодках.

— Получается, это были рукотворные шаровые молнии?

— Совершенно верно. Это рукотворные плазменные образования. Это одна категория, но она включается в этот общий класс шаровых молний. С другой стороны, часто шаровая молния наблюдается во время грозы. И, в частности, после обычной линейной молнии. То есть, видимо, какое-то родство между нормальной и шаровой молнией существует.

— А почему тогда специалисты по молниям так не любят вопрос про шаровую молнию?

— Видимо, по той же самой причине, почему многие ученые не любят отвечать на вопросы об инопланетянах — нет надежного объекта для изучения. Есть много теорий шаровой молнии, включая и миниатюрные черные дыры, и реакцию аннигиляции материи и антиматерии, и метеоры из антиматерии. Чего там только нет! Но проверить, работает ли тот или иной механизм, практически невозможно. Были сообщения, и не раз, что шаровую молнию удалось воспроизвести в лаборатории. Но никогда не удавалось этот эксперимент повторить независимо в другой лаборатории.

— А вы у себя в Университете Флориды проверяли?

— Да, в 2006 году нам выделили финансирование и попросили проверить, что будет, если ток триггерной молнии (тот тип молнии, которая инициируется небольшой ракетой, растягивающей тонкую проволочку под грозовым облаком, это называется «триггерная молния») пропустить через разные материалы, может ли так образоваться шаровая молния. Около сотни разных образцов было проверено, но результаты оказались отрицательными.

— То есть ни разу не смогли получить плазменное шаровидное образование, которое наблюдалось бы несколько секунд?

— Вот вы ключевые слова сказали сейчас. Для того, чтобы какое-то плазменное образование можно было назвать шаровой молнией, оно должно жить по меньшей мере секунду. Типичное время жизни для шаровой молнии — это от 1 до 4 с. А какие-то 
короткоживущие плазменные образования, плазмоиды — это сколько угодно. Если в какой-то ограниченный объем закачать большую энергию, будет образовываться что-то такое светящееся. Но оно не долгоживущее, оно не может жить больше одной секунды. И в наших экспериментах с триггерной молнией самая большая длительность была порядка полсекунды. По­этому мы заключили: подтвердить, что в наших экспериментах была воспроизведена шаровая молния, мы не можем.

— А как именно вы пытались получить шаровую молнию?

— Мы пропускали ток молнии порядка 10 тыс.ампер через разные образцы, которые закреплялись на длинной пластиковой трубе, и ток молнии через все эти образцы протекал.

— Образцы чего?

— Самые разные. Там были металлы, алюминий, порошкообразная и проволочная медь, сухой или влажный кремний, сера. Даже такой экзотический материал, как bat guano — экскременты летучих мышей.

— А их-то для чего? Верования индейцев проверяли?

— Есть теория, что шаровая молния возникает, когда обычная молния ударит в такое место, где это bat guano находится. Дело в том, что bat guano богато соединениями азота. И в давние времена использовалось для изготовления пороха.

— Ну и что? Помогли вам летучие мыши?

— В результате этот контейнер с содержимым взорвался, помет летучих мышей сгорел и всё это разлетелось по полигону. Но никаких долгоживущих плазменных образований не получилось.

— А как происходит инициация триггерной молнии?

— В триггерной молнии используется небольшая ракета (примерно 1 м длиной или меньше), она может быть сделана из пластика, из металла. То есть сама ракета никакой роли не играет. Ее задача — только растянуть очень тонкую проволочку (обычно медную, но иногда стальную применяют) в промежутке между облаком и землей. При этом, конечно, нужен источник энергии — это грозовое облако. Если нет грозы над головой, можно запускать сколько угодно ракет — ничего не выйдет.

— Вы для этого сидите в засаде, ждете, пока подойдет грозовое облако, и, когда оно по­явится, тогда запускаете ракеты, так?

— Точно так. Кроме того, мы контролируем напряженность электрического поля специальными приборами. И когда она превышает какой-то эмпирический порог, значит, время нажимать кнопку. Сама пусковая установка находится на телескопическом подъемнике, который используется в электросетях. Ракета идет вверх. Где-то через 2–3 с она растягивает проволочку длиной примерно 300 м. Ну, мы могли бы и 540 м растянуть, как Останкинская телебашня. Потому что на катушке 700 м принцип тот же самый: очень высокий объект, который усиливает электрическое поле, вызывает восходящую молнию. Единственная разница заключается в том, что наша проволочка взрывается. Как бы одноразовая Останкинская башня. Но есть у нас и другая пусковая установка. Она находится на платформе 11 м над землей.

— А где вы во время запуска ракет находитесь? Были ли несчастные случаи?

— Мы находимся в металлическом вагончике. За двадцать пять лет существования нашего полигона у нас не было ни одного несчастного случая. Потому что наш вагончик надежно защищен и заземлен. Что очень важно — нет никаких металлических проводников, которые бы входили в этот вагончик снаружи. Есть волоконно-оптические линии связи и пластиковые шланги. Пуск ракеты контролируется сжатым воздухом.

— Владимир Александрович, вы пять лет были научным руководителем мегагранта «Молнии и грозы. Физика и эффекты». Как при этом вы продвинулись в понимании физики молнии?

— В ходе работ по мегагранту были получены новые уникальные данные, которые опубликованы в международных журналах¹ и вызвали очень серьезный интерес у коллег. Например, существенная часть работ, связанная с инициацией молнии, проводилась в высоковольтном центре в Истре. Силами сотрудников этого центра под руководством сотрудников Высшей школы экономики и Института прикладной физики РАН с помощью инфракрасных камер и скоростных камер с усилением света были получены изображения очень необычных плазменных формирований внутри искусственного облака заряженных водяных капелек. И эти образования не были похожи ни на какие другие разрядные процессы ни в молнии, ни в длинной лабораторной искре. Они имели ячеистую структуру, и отдельные элементы этой структуры были горячими. Причем этот нагрев, что было в какой-то степени сюрпризом, происходил на очень коротких временах, меньше 1 мкс. И, по нашему мнению, не исключено, что эти необычные плазменные образования (unusual plasma formations) являются промежуточным этапом между невозмущенным воздухом и зародышем молнии. То есть это может быть недостающим звеном в понимании инициации молнии.

Другое дело, что естественные облака, конечно, гораздо более плотные, чем это маленькое искусственное облако, которое сделали экспериментаторы в Истре. Поэтому есть надежда сейчас на то, что эти не­обычные плазменные образования будут возникать близко к границе настоящих грозовых облаков и мы сможем поймать их инфракрасной камерой и внимательно рассмотреть.

Владимир Раков
Беседовала Ольга Орлова

Видеозапись передачи см. otr-online.ru/programmy/gamburgskii-schet/vladimir-rakov-zagadka-rozhdenii-molnii-35552.html

¹ Kostinskiy A., Syssoev V., Bogatov N., Mareev E., Andreev M., Makalsky L., Sukharevsky D., Rakov V. Observation of a new class of electric discharges within artificial clouds of charged water droplets and its implication for lightning initiation within thunderclouds // Geophys. Res. Lett., 2015, 42, 8165–8171.