Китайским ученым, исследующим спектры обычных молний, повезло: в поле зрения их аппаратуры попала шаровая молния. Они впервые получили спектр ее свечения в диапазоне от 400 до 1000 нм, изучили, как он меняется со временем, выяснили, какие линии излучения и на каких этапах в нём присутствуют. Результаты свидетельствуют в пользу одной из моделей шаровой молнии и подсказывают, как можно научиться получать настоящие шаровые молнии в лабораторных условиях.
Рис. 1. Первые два кадра видеоряда спектрографа, на которых присутствует шаровая молния. На самом первом кадре (a) есть кроме нее и светящийся канал обычной молнии, на следующем кадре (b), полученном спустя 0,02 с, он уже отсутствует. Изображение из обсуждаемой статьи в Physical Review Letters
Шаровая молния — классический пример физического явления, в котором, несмотря на всю его «приземленность», физикам не удается толком разобраться. Это не глубины микромира, это не космические дали, это наша обычная, земная физика, разновидность атмосферного электричества. Шаровая молния возникает очень редко и при не вполне понятных обстоятельствах, и из-за этого до сих пор не удавалось ее пронаблюдать с помощью современной аппаратуры и понять, что именно во время нее происходит. В лабораторных условиях физикам удается получать относительно долгоживущие светящиеся плазмоиды, которые в чем-то напоминают природную шаровую молнию; см., например, новость Получен новый вид лабораторных шаровых молний. Однако пока мы не знаем в деталях физические характеристики реальной шаровой молнии, мы не можем сказать, имеют ли эти образования какое-либо отношение к ней.
Однако теперь появляется шанс в этой ситуации разобраться. В статье, опубликованной на днях в журнале Physical Review Letters, китайские физики сообщают, что им удалось получить спектр свечения настоящей шаровой молнии. Отдельные линии излучения, обнаруженные в этих спектроскопических измерениях, позволяют в некотором приближении узнать химический состав и условия в светящейся области. Они ясно указывают на наличие в ней элементов, входящих в состав почвы, и таким образом поддерживают гипотезу, что важную роль в шаровой молнии играет облако испарившегося от удара обычной молнии вещества. Окончательной разгадки шаровой молнии от такого однократного наблюдения ждать, конечно, не следует, но эти подробности могут навести физиков на метод надежного лабораторного воспроизведения явления.
Как можно догадаться, шаровая молния попала «в кадр» случайно. Летом 2012 года исследователи проводили на Тибетском плато измерения спектров обычных молний с помощью двух бесщелевых спектрографов — устройств, которые позволяют снимать спектр сразу всех светящихся объектов в поле зрения, а не только света, приходящего с определенного направления. В одном спектрографе данные записывались на скоростную видеокамеру, делавшую 3 тыс. кадров в секунду и выдававшую серии длительностью чуть больше 1 секунды. Эта камера черно-белая, но поскольку она стояла в спектрометре, она снимала разложенный на спектральный веер свет. Благодаря своей чувствительности не только к оптическому, но и к ближнему ИК-диапазону, она позволяла получить спектр свечения от 400 до 1000 нм. Во втором спектрографе стояла обычная видеокамера, которая непрерывно вела съемку со скоростью 50 кадров в секунду и с несколько худшим разрешением.
Вечером 23 июля 2012 года во время очередной грозы в кадр попала шаровая молния. Ее свечение длилось 1,64 секунды. Непрерывная видеокамера полностью запечатлела весь процесс, включая звук; высокоскоростная камера захватила только последние 0,78 секунды, так что детального спектра первых мгновений жизни шаровой молнии получено не было. На рис. 1 показаны первые два кадра видеоряда, на которых присутствует шаровая молния. Поскольку эта молния появилась в темное время суток, определить расстояние до нее по изображению нельзя. Однако разность по времени между появлением молнии и приходом звука, а также обычный фотоснимок той же местности и с тем же полем зрения показали, что молния ударила примерно в 900 метрах от места съемки. Это позволило, среди прочего, восстановить скорость перемещения шаровой молнии в течение ее жизни (поперечная скорость составила около 9 м/с, скорость вдоль луча зрения неизвестна).
Рис. 2. Зависимость полной яркости свечения от времени по данным обычной видеокамеры (вверху) и скоростной камеры (внизу). Скоростная камера захватила часть стадий 2 и 3 и показала также наличие периодических осцилляций свечения с частотой 100 Гц. Изображение из обсуждаемой статьи в Physical Review Letters
Яркость свечения шаровой молнии менялась со временем по-разному на разных стадиях процесса (рис. 2). Стадия 1 (первые 160 мс) — это период существенного снижения яркости, стадия 2 (160–1080 мс) характеризуется примерно постоянной яркостью, а на стадии 3 происходит плавное угасание и пропадание свечения. Высокоскоростная камера запечатлела часть стадий 2 и 3 и показала то, что на обычной камере видно не было — периодическое изменение яркости свечения с частотой около 100 Гц (точное значение — 99,4 Гц). Эти осцилляции, по всей вероятности, вызываются не внутренними причинами, а всего лишь являются откликом молнии на внешнее воздействие. Дело в том, что неподалеку проходили 35-киловольтные линии электропередачи на частоте 50 Гц, которые создают в окрестности переменные электромагнитные поля. Однако сам этот факт свидетельствует о том, что яркость шаровой молнии действительно зависит от внешних ЭМ-полей.
Рис. 3. Некоторые кадры с изображением шаровой молнии, полученные в разные моменты процесса. Изображение из обсуждаемой статьи в Physical Review Letters
Некоторые спектральные особенности свечения шаровой молнии можно заметить и в показаниях обычной камеры (см. рис. 1 и 3). В целом, свечение простирается по всему видимому спектру, но в нём есть две области: сине-зеленая и красная. Относительная яркость этих областей менялась со временем, так что общий цвет шаровой молнии постепенно менялся от белого к красноватому (рис. 3).
Более детальную спектроскопическую информацию дает высокоскоростная камера (рис. 4). Она показала, прежде всего, что спектр шаровой молнии заметно отличается от молнии обычной. Обычная молния (рис. 4а) демонстрирует спектр, состоящий в основном из линий ионизованного азота, который присутствует в воздухе из-за высокой температуры (около 30 тыс. градусов) в светящемся канале.
Спектр шаровой молнии (рис. 4b–d) наполнен линиями совсем других элементов — железа, кремния, кальция. Например, линия кремния на 594 нм видна вплоть до последних мгновений жизни шаровой молнии.
Рис. 4. Спектры обычной (a) и шаровой (b, c, d) молнии в разные моменты времени. На спектрах подписаны отдельные линии излучения и элементы, которым они соответствуют. Изображение из обсуждаемой статьи в Physical Review Letters
Все эти элементы являются основными составляющими вещества почвы. Их присутствие в светящейся области означает, что важную роль в свечении играет именно вещество почвы, которое испарилось от удара обычной молнии. Это, в свою очередь, может служить аргументом в поддержку одной из теорий происхождения и механизма свечения шаровой молнии. В ней энерговыделение и вызванное им свечение объясняются как результат постепенного окисления облака наночастиц кремния или его моноксида, поднимающихся из почвы после удара молнии. При таком объяснении шаровая молния — это всего лишь процесс догорания высокодисперсного твердого горючего вещества. Надо сказать, что подобные светящиеся образования были получены и экспериментально при пропускании электрического разряда в присутствии чистого кремния, однако до сих пор оставался открытым вопрос, имеют ли эти экспериментальные результаты отношение к природной шаровой молнии. Новые спектрографические измерения дают повод считать, что да, имеют. Это, конечно, еще не дает окончательного объяснения всем загадкам явления, но по крайней мере указывает способ его получения.
Последняя яркая особенность спектра — это периодическое появление и исчезновение отдельных линий излучения азота и кислорода, которые и приводят к осцилляциям общей яркости (рис. 4d). Видно, что эти осцилляции относятся совсем к другой области спектра и практически не влияют на основную сине-зеленую группу линий. Это доказывает, что осцилляции свечения не связаны с самим механизмом, обеспечивающим разогрев, а являются лишь побочным проявлением высоких температур в присутствии внешних электромагнитных полей.
Источник: J. Cen, P. Yuan, S. Xue. Observation of the Optical and Spectral Characteristics of Ball Lightning // Physical Review Letters 112, 035001 (2014).
https://aftershock.news/?q=node/545586
