Получен новый вид лабораторных шаровых молний

Три стадии создания рукотворной шаровой молнии: локальное испарение вещества сфокусированными микроволнами, плазменный столб и шарик, висящий под потолком (изображение с сайта prl.aps.org)
Три стадии создания рукотворной шаровой молнии: локальное испарение вещества сфокусированными микроволнами, плазменный столб и шарик, висящий под потолком (изображение с сайта prl.aps.org)

Израильские физики с помощью техники микроволнового сверления научились изготовлять устойчивые шаровые молнии в лабораториях. Не исключено, что и природные шаровые молнии рождаются аналогичным способом.

Удивительно, но шаровая молния и сейчас остается столь же малоизученным явлением, как и полвека назад. Причина проста: ученые пока не научились получать настоящую шаровую молнию в лаборатории и потому вынуждены довольствоваться наблюдениями этого явления в природе.

Единственный тип эксперимента, который до сих пор позволял получить хоть что-то отдаленно напоминающее шаровую молнию, использует газовые разряды. В камеру с воздухом или иной газовой смесью помещают два электрода, на которые подается высокое напряжение. Возникает газовый разряд — электрический ток, текущий от одного электрода к другому сквозь ионизованный газ (плазму) и испускающий свечение. (Нечто подобное, правда, при гораздо меньшем токе, происходит внутри лампы дневного света.) Иногда этот «плазменный жгут» удавалось оторвать от электродов, и тогда он в течение короткого времени существовал в воздухе самостоятельно, без внешней поддержки.

Получавшееся в таких экспериментах облачко плазмы было неустойчивым, недолговечным и мало походило на природную шаровую молнию. Для дальнейшего прогресса требовалось найти иную методику получения шаровых молний, и к тому же более стабильных.

Именно это удалось сделать двум израильским физикам; результаты их исследования были на днях опубликованы в статье V. Dikhtyar and E. Jerby, Physical Review Letters, 96, 045002 (30 January 2006). В ней описывается принципиально новый способ рождения шаровой молнии: путем «вытягивания» из расплавленного вещества внутри «микроволновой печи».

Процесс выглядит следующим образом (см. иллюстрацию). В резонатор, внутри которого генерируется мощное поле микроволнового излучения, помещается образец твердого материала (стекла, кремния, германия, окислов алюминия). Непосредственно к образцу подносится стержень, который как бы собирает микроволновое излучение, фокусируя его на острие. Микроволновое излучение вблизи острия столь велико, что оно нагревает и локально расплавляет образец, создавая ярко светящееся облачко полурасправленного-полуиспарившегося вещества. (Этот процесс известен как микроволновое сверление.)

Затем, медленно отодвигая стержень, экспериментаторы буквально вытягивали это облачко: вначале оно шло за острием, затем превращалось в светящийся столб, а потом собиралось под потолком в виде небольшого светящегося шарика.

Наблюдения показали, что этот плазменный шарик вполне устойчив (при работающем резонаторе), свободно движется по камере, подпаливает предметы, а энергией подпитывается исключительно из микроволнового излучения. По тому, как он отскакивает от препятствий, видно, что он похож скорее на жидкость или даже на желеобразное тело, чем на газовое облако. Видеофрагменты поведения рукотворной шаровой молнии доступны на сайте журнала.

В конце своей статьи авторы предлагают простую теоретическую модель этого явления, которая помогает в целом понять, как происходит энергетическая подпитка шаровой молнии микроволнами. Кроме того, авторы отмечают, что процесс рождения шаровой молнии напоминает плазмонный резонанс — эффект, хорошо известный в физике металлических нанокластеров.

Будем надеяться, что эти эксперименты станут толчком к детальному пониманию природной шаровой молнии и приведут к использованию ее на благо человека.

Игорь Иванов


3
Показать комментарии (3)
Свернуть комментарии (3)

  • kostinsky  | 09.02.2006 | 11:19 Ответить
    Уважаемый Игорь:

    Подобные плазменные образования получают уже больше 50 лет в СВЧ-резонаторах. Поэтому это далеко не новый объект. К природным шаровым молниям эти объекты не имеют отношения, так как требуют мощной подпитки СВЧ-излучением, что и происходит в опыте наших израильтян. Гипотеза о том, что реальная шаровая молния подпитывается СВЧ высказывалась Петром Леонидовичем Капицей те же 50 лет назад, когда он придумал и реализовал в своем Институте физпроблем СВЧ-резонатор оригинальной конструкции. К сожалению, при всех известных проявлениях атмосферного электричества мощности СВЧ-полей оказались на несколько порядков ниже, чем необходимо для поддержания свободнолокализованного СВЧ-разряда в воздухе атмосферного давления. И даже эти поля не имеют нужных для поддержания разряда конфигураций, которые достигаются в резонаторах и сфокусированных (линзами или фазированными решетками) пучках. Поэтому данное научное сообщение касается узкой области создания СВЧ-разрядов. Кстати, авторы назвали свой объект корректно Fireball. Для природной шаровой молнии, которая и возбуждает всеобщее любопытство, устоявшийся термин ball lightning.

    С уважением,
    Александр Костинский
    Ответить
    • spark > kostinsky | 09.02.2006 | 14:05 Ответить
      Уважаемый Александр,

      спасибо за комментарий. Про Капицу, его опыты, и т.д. -- все, конечно же верно, наверно мне стоило это добавить в текст. Fireball vs. ball lightning я отметил, и потому перемежал термин "(лабораторная) шаровая молния" и "плазменный шарик", а про природное явление говорил "природная шаровая молния".

      Новшество же этих экспериментов -- в способе получения объекта, путем вытягивания из расплава (Капица все же газоразрядным способом его получал). Отсюда следует и иной химический состав полученного шарика, который вполне может аукнуться и в его макроскопических свойствах (Вы ведь наверняка молчаливо подразумеваете, что шаровая молния -- это "чистая плазма", но есть и модели, где ее энергетика имеет химическую природу). Кроме того, параллель с магнонным резонансом действительно интересная.
      Ответить
  • spark  | 11.02.2006 | 15:51 Ответить
    Сообщение об этой работе появилось и на physicsweb.org ( http://physicsweb.org/articles/news/10/2/6/1 ).
    Ответить
Написать комментарий

Другие новости


Элементы

© 2005-2017 «Элементы»