«Рождение молнии как коллективный процесс — вот что самое неожиданное в современном понимании о молнии»

[NS]: Александр Юльевич, простите, но мы начнем наш разговор не просто с вопроса, а с целого абзаца из старой научно-популярной книги 1980 года, который когда-то произвел на меня большое впечатление: «Расстояния между частицами в облаке превышают космические. Что это значит? Луна, например, удалена от Земли на расстояние 300–400 000 километров, а это всего в 25–30 раз превышает диаметр Земли. Земля удалена от Солнца на расстояние всего 100 диаметров Солнца. А частицы в облаке находятся на расстояниях, в сотни раз превышающих их диаметр, а то и в тысячи. К тому же пространство между частицами заполнено плохо проводящим электрический ток воздухом. Но как в этих условиях канал молнии собирает за несколько тысячных мгновений секунды заряды миллиардов и миллиардов капель, распределенных по объему в несколько кубических километров? Это же похоже на чудо! Реальное чудо, причем чудо, которое повторяется при каждом ударе молнии». Давайте поговорим про это чудо — молнии (их, кстати, бывает на Земле до 100 штук в секунду). В том числе про шаровые.

[АК]: Давайте про шаровые молнии в конце поговорим, этой темы нам все равно не избежать. Я как ученый обычно считаю своим долгом популяризировать знания, которые мы добываем за ваши, кстати, налоги. Поэтому довольно часто читаю всякие популярные лекции с самой широкой аудиторией от взрослых до детишек. И всегда, всегда на этих лекциях звучит вопрос: «А расскажите про шаровую молнию!» У меня есть даже целая большая лекция на YouTube, посвященная этой теме с научной точки зрения — что мы о ней знаем.

[NS]: Итак, тогда начнем с обычных молний, не шаровых. Я хотел прямо сразу уточняющий вопрос задать: молния много десятков тысяч лет известна человеку. Сколько он живет — столько и знает про молнии. Наверное, лет 100 назад казалось, что про них уже более или менее всё известно. Вот есть какой-то ионизированный канал, по нему молния проходит сверху вниз. Но за последние пару десятков лет появилось очень много интересных открытий. Я бы хотел вас спросить, как изменились наши представления о молниях за последний исторический срок?

[АК]: Это все-таки бытовое представление, что мы молнию знаем. Хотя замечу, что такого счастливого времени, как сейчас, популяризация молнии не знала даже 30 лет назад. Сейчас про молнии десятки очень хороших лекций можно найти, как и в целом — по любой почти теме. Дело в том, что все люди привыкли видеть большой горячий канал, который зачастую приводит к большим разрушениям — к гибели самолетов, гибели людей и животных. Каждый год тысячи людей и животных гибнут от молнии (по всему миру).

Молния и гроза, как нечто, порождающее молнию, с другими своими проявлениями, такими как град, это самые частые опасные геофизические явления. Может показаться, что извержения вулканов и землетрясения гораздо страшнее. Но они и происходят гораздо реже. Вы вот правильно заметили, что у нас приблизительно от 50 до 100 раз в секунду молния бьет где-то, в каком-то месте на планете. То есть это действительно очень частое явление. Это только казалось, что мы его хорошо знаем. Допустим, что это так — и кстати, наиболее хорошо изучен именно этот самый горячий, огромный канал, который дает токи в диапазоне от 15 до 100 килоампер. Перетекают огромные заряды, которые исчисляются кулонами и десятками кулон. Если бы здесь, в комнате, где мы сидим, появилась бы хоть 0,1 кулона, то все сверкало и сияло бы от разрядов, которые повредили бы большинство проводников.

У молнии очень большие разрушительные возможности и энергетический запас. Вопрос, где он заключен, ученых мучил с самого начала, когда они поняли, что это плазма, четвертое состояние вещества. Конечно, не со времен Франклина и Ломоносова — все-таки тогда понятия «плазма» еще не было. Они установили, что молния — это электрическое явление. А вот приблизительно с начала ХХ века, 120 лет назад, люди поняли, какое это огромное явление, которое совершенно справедливо вас пугает. Это очень страшное явление! Нельзя к молнии относиться как-то снисходительно. Когда люди стали запускать воздушные шары, то выяснилось, что в облаке ничего нет, кроме маленьких капелек, ледышек, крупы и т. д. — нет ничего, кроме разных фаз замерзшей воды. И на этих крохотных частичках воды есть малюсенькие заряды.

Абсолютно правильно в своей книге «За гранью законов науки» (М., 1980) И. Я. Имянитов, выдающийся исследователь грозовых облаков, и журналист Д. Я. Тихий написали эти проникновенные слова, которые вы процитировали в самом начале разговора: действительно, как из зарядов, которые являются даже не нанокулонами, а пикокулонами, т. е. одна триллионная часть кулона, только они при этом еще разбросаны на гигантском расстоянии друг от друга, вдруг получается мощный большой разряд — ну как же они собираются вместе в один канал?

[NS]: Причем в мгновение ока!

[АК]: Да! Для ученых это не мгновение, тут другие шкалы времени и другие шкалы скоростей.

[NS]: Давайте отступим еще на шаг назад, потому что при чтении этих строк у кого-нибудь наверняка возникнет вопрос: как вообще многочисленные заряды на этих частицах возникают?

[АК]: Это очень сложный комплексный процесс. Это трение, разрушение, вытягивание и разрыв капель. При любом разрушении и столкновении капель происходит зарядка. Эта динамо-машина очень мощная, вернее даже не динамо, а этакая турбулентная машина, которая питается теплом конденсации пара. Очень много тепла выделяется, когда из пара, который молекулы газа, образуются капли. При поднятии облака и его охлаждении выделяется тепло; облако поднимается еще быстрее, возникают скорости восходящих струй от 10 и иногда до 40 м/с. Вот смотрите, крутится такая мощная машина. В этой машине разного рода частички трутся, ударяются, с капелек срываются другие капельки…

[NS]: …И в процессе этой турбулентности образуются заряды.

[АК]: Мощной турбулентности, подчеркну! И разного типа гидродинамических неустойчивостей — т. е. эти потоки распадаются на струи, сталкиваются и т. д. В действительности это одна из мощнейших известных нам газодинамических машин. А дальше возникает вопрос: вот этот самый канал идет к земле, те самые молнии. Вопрос: как им удается достигнуть земли? Как они могут пробить такое гигантское расстояние от облака до поверхности?

Дело в том, что даже если взять школьную электрофорную, которую мы все помним, — для того чтобы пробить всего один сантиметр воздуха, т. е. сделать электрический разряд, нужно электрическое поле 30 000 вольт на сантиметр. А вы представляете, даже до нижней кромки грозовых облаков — обычно 2–3 км. Если все хорошенько посчитать, то выходит, что никаких зарядов в облаке, которые мы уже хорошо научились измерять, не хватит, чтобы сформировать этот пробой. Это была одна из самых первых загадок молнии. В ЮАР был такой офицер, которого за исследования молний (за заслуги перед британской наукой) королева Елизавета II в 1960-м титуловала рыцарем, это был сэр Бэзил Шонланд. Он и его команда открыли т. н. лидер (или «предвестник» молнии). Оказывается, перед тем как молния ударит в землю, возникает такой горячий плазменный канал, который движется с огромной скоростью 100–500 км/с. И вот когда этот отрицательный лидер подходит к земле, со зданий или с земли ему навстречу поднимается положительно заряженный лидер (точнее, даже несколько лидеров, не один)…

[NS]: Поднимается навстречу такой же лидер?

[АК]: Ну, маленький, конечно, по сравнению с молнией, метров 200–500. Тот лидер, что спускается сверху, он длиной несколько километров, так как сформировался уже давно. По человеческим понятиям это слово звучит смешно, конечно: «давно» в данном случае означает примерно сто миллисекунд, десятую долю секунды назад. Но многие процессы в облаке, самые короткие, длятся всего лишь десятки наносекунд. Десятки миллиардных долей секунды. Поэтому 100 миллисекунд, 0,1 секунды — это гигантское время для молнии, за это время может пройти целая ее жизнь, от рождения до гибели.

Тут сразу хочется заметить, что часто спрашивают, защищены ли мы в городе от молний. В том-то и дело, что в основном защищены, потому что молния ударяет в то место, откуда ей навстречу поднимается встречный лидер. А в городе есть высотные здания. И нисходящий лидер скорее встретится с тем лидером, который поднимается с возвышенных точек, и по этому каналу пройдет основной ток молнии через высокие сооружения до земли. Поэтому если вы не где-то в поле или в парке, где нет высотных сооружений, вы защищены. А вот если вы на открытой местности, то точно не надо прятаться под деревьями. Дождь идет — обычно гроза сопровождается сильным дождем, и люди спешат укрыться под деревьями. Не делайте так. Но если вы, допустим, в горах — подумайте, почему так много историй гибели именно там?

[NS]: Потому что там нет мощного земляного покрова поверх твердой породы?.

[АК]: Точно, там просто молнии выгодно долго идти по поверхности, а не уйти в землю. Такой страшный веер молниевых каналов расходится от места удара, и молния гораздо шире растекается по земле

[NS]: А в скалу неинтересно уходить, потому что сопротивление, видимо, высокое.

[АК]: Конечно! Вообще защита от молнии в горной местности — отдельная серьезная история. Как защититься в горах? Куда спустить этот ток? Ты поставил, допустим, молниеотвод… Только ни в коем случае не говорите при людях, которые занимаются молниями, слова «громоотвод»! Потому что гром — это звук, а звук нельзя отвести. Сейчас есть довольно хитрые молниеотводы, но есть проблема: приходится иногда очень сильно заглубляться, чтобы увести такие токи и избежать опасности.

[NS]: А давайте вернемся к тому, как навстречу друг другу на невероятно высокой скорости движутся два лидера. Но откуда вообще взялся этот нижний лидер? Верхний — понятно, там на протяжении многих эпох, целые, может, две секунды или даже три, в облаке происходили разные процессы…

[АК]: Нет-нет, с нижним как раз все понятно! Представьте: сверху из облака опускается большой электрический заряд. На нижнем конце канала молнии собирается большой положительный или отрицательный заряд, который движется к земле. Он на проводящей земле продуцирует заряд другого знака. То есть если сверху идет отрицательный лидер, ему навстречу движется положительный лидер. И поэтому конденсатор получается, это у вас как бы такая разветвленная электрическая «метла»-электрод, а снизу у вас как раз другой электрод конденсатора.

[NS]: Я, собственно, к чему веду: земля в основном положительно заряжена, а облака — отрицательно? Или как получается?

[АК]: Нет, не так! Если вы расположите заряд над заземленной металлической поверхностью, то вверх притечет один заряд (допустим, положительный), а утечет в землю отрицательный.

[NS]: Вот отлично! Чуть-чуть вспомнили школьную физику.

[АК]: Без нее не обойтись, особенно при работе с молнией. Не забываем, как это опасно! Например, ученые, которые занимаются молниезащитой, очень долго и тщательно изучают взаимодействие этих лидеров, и как они возникают. В Гуанчжоу, там работают наши китайские соавторы и друзья, много высотных сооружений. И вот у них получилось сделать несколько раз просто замечательные кадры, когда опускается молния, и ей навстречу со всех высотных домов поднимаются лидеры. Вот тот из них, который первым перехватит нисходящий лидер, и будет молодец — в то здание и будет удар. Очень красиво!

[NS]: Возникает практический вопрос: вот у нас под носом такое безумное количество энергии — можно ли его использовать?

[АК]: Ничего не выйдет, увы. Смотрите: в чем фокус молнии? Большое количество энергии — не безумное, но большое, и в очень короткое время высаживается внутрь, например, дерева. Это как взрыв, понимаете? Если вы возьмете какое-то взрывчатое вещество и медленно его сожжете, то у вас будет просто костер. Но если вы это сделаете за несколько микросекунд, энергия высаживается очень быстро, быстро растет давление и возникает взрыв. Фокус молнии, т. е. ее опасность, в том, что она чрезвычайно быстро происходит. То есть, условно говоря, от удара молнии можно всего-навсего вскипятить чайник. Это немного. Были, например, подобные проекты, когда люди еще не изучили токи молнии, не знали, сколько это, всерьез рассчитывали перехватывать молнии и получать таким образом электричество.

[NS]: Красивая идея!

[АК]: Идея была красивой, но она оказалась нереальной, потому что это сложно — раз, а во-вторых — очень уж выхлоп небольшой получается. Но давайте вернемся все-таки к зарождению молнии в облаках. Те же отцы-основатели, Шонланд и его коллеги сразу поняли, что это серьезная проблема. Смотрите, мощнейший плазменный канал выходит из облака. А как он рождается? Он же не может родиться сразу таким большим? Они с самого начала прикидывали: вот если мы представим себе, что молния — это такая гигантская, огромная, толстая анаконда, как она рождается? В виде крохотного червячка, такой змейки, что легко поместится на нашей ладони! И вот она много лет растет и превращается в большую змею. Такой путь из малого в большое интуитивно понятен.

Исследователи стали предполагать: наверное, где-то в облаках, мы не знаем, как, но рождается этот маленький червячок и вырастает в гигантского змея, за сотни миллисекунд — с точки зрения импульсных электрических разрядов это очень долгое время. Был такой героический период, лет 50–70 назад примерно, когда исследователи на самолетах поднимались прямо в грозовые облака, в частности для понимания, как устраивать молниезащиту самолетов. В особенности военных самолетов, потому что они должны быть всепогодными. Ты же не скажешь, что намечается, мол, гроза, поэтому война пока отменяется. Следовательно, надо было понять, что происходит с самолетами во время грозы. Естественно, и с гражданскими самолетами тоже, они тоже важны.

И выяснилось вот что: самолет — это же большой металлический предмет, который летит в облаках: 30 метров, 40 метров длиной, несколько метров в диаметре. Это почти как длинная металлическая палка. Ну чуть-чуть меньшей проводимости и большего сопротивления. И оказалось, что с самолета вначале положительный лидер начинает развиваться. Потом с другой стороны появляется отрицательный лидер. Почему они должны быть положительным и отрицательным? Закон сохранения заряда никуда не девается. Если с одной стороны (разделились заряды) есть положительный, то должен быть и такой же отрицательный с другой стороны. Лидеры же на землю вначале не замкнуты? И вот с со времен самолетных экспериментов идет, казалось бы, подтверждение этой теории лидера, направленного в разные стороны (двунаправленного лидера). Более того, когда мы говорим о высотных сооружениях — взять хотя бы Останкинскую телебашню: 540 метров. Она такая длинная, и на ней такая поляризация заряда происходит, что у нее нулевой потенциал доходит до 540 метров. Она заземлена. И вот оттуда положительный лидер поднимается. Буквально до последних пяти лет было такое основное представление, что молния — это двунаправленный лидер.

[NS]: Давайте сформулируем его коротко.

[АК]: Оно таково: мы не знаем, как на этих капельках и т. д. рождается маленький горячий плазменный канал. Почему он должен быть горячим? Потому что кислород очень быстро прикрепляет к себе электроны. Ток идет за счет электронов, но они либо к атомам кислорода, либо к молекулам кислорода прилипают. У вас в воздухе есть очень быстрая потеря электронов. Для того чтобы ее не было, нужно, чтобы канал был горячий и по нему тек ток. Смотрите, ведь молния болтается в облаках, как длинный металлический провод, даже большая — это ведь не замкнутый контур! Нас в школе, опять же, учили, что если у вас есть металлический проводник в электрическом поле, то электрическое поле из него вытесняется! А это значит, что поле должно вытесниться, и молния должна умереть. А она не умирает. Почему? Потому что через нее течет ток и сильно греет канал молнии.

Достаточно давно при изучении электродных разрядов были открыты такие холодные плазменные маленькие летящие дротики. Они называются «стримеры». Они вылетают из молниевых каналов и поддерживают в них ток. Потому что очень большой потенциал сосредоточен на концах молнии. Стримеры ионизируют воздух вокруг молниевых каналов, увеличивая их электрическую емкость. С двух противоположных концов молнии стартуют эти самые стримеры. Да, они поддерживают ток, но вот основной канал молнии как плазменное образование должен быть горячим, чтобы жить долго. Вот такие сложились представления: маленький плазменный червячок в процессе роста превращается в большую анаконду-молнию, на которую мы с восхищением смотрим. Причем многие экспериментальные результаты говорили в пользу таких представлений.

[NS]: Итак, как все-таки на самом деле образуется молния? Мы говорили сейчас о том, какие были представления за последние годы. За это время они изменились, в том числе благодаря работе вашей коллаборации. Что же поменялось?

[АК]: Даже на конференциях ученым из смежных областей, которые примерно тем же самым занимаются, очень трудно все это объяснить, потому что это результаты буквально последних пяти лет. Благодаря обобщению экспериментальных результатов последних лет мы с коллегами совершенно неожиданно пришли к выводу, что молния рождается как коллективное явление. Это сейчас одна из самых будоражащих гипотез. То есть если мы снова вернемся к метафоре с маленькими и большими змеями, то рождается как бы множество маленьких плазменных червячков одновременно, причем их тысячи. Или даже, что вернее, десятки тысяч. Родившись почти одновременно, в объеме около кубического километра, они сливаются в большие сети. Сети объединяются, а потом из них выходит большой плазменный канал, который становится мощным лидером молнии и доходит до земли.

[NS]: То есть они все время рождаются и сливаются — или не сливаются, это уж как повезет? Если слились, то получилась большая молния?

[АК]: Да, но облако должно быть очень сильно турбулентным, заряженным, чтобы подготовить это рождение. Тридцать лет назад была сформулирована очень оригинальная теория, что космические лучи играют большую или даже основную роль в рождении молнии. В последнее время это представление видоизменилось — оно не совсем такое, как было вначале. Сейчас сформулирована новая гипотеза, она до конца не признана, надо оговориться, но весьма возможно, что мощные космические лучи из далеких галактик буквально «зажигают» молнии в земной атмосфере. Это не значит, что без них не было бы молний вообще. Они с земли, с высотных сооружений бы поднимались. Но их было бы гораздо, гораздо меньше. И если говорить о последних тенденциях, это есть несколько научных групп с разными представлениями — в России, в Америке, в Нью-Мехико, в Лос-Аламосе. Это разные подходы, но рождение молнии как коллективный процесс — вот что самое неожиданное в современном понимании о молнии.

[NS]: А как образуются именно шаровые молнии? Дети вот часто считают, что молния в клубочек скручивается.

[АК]: Почему обычную молнию очень сложно изучать? Она где попало в грозовом облаке появляется, ее сложно поймать на мушку приборов, но все же можно. Но молния — явление, про которое мы точно знаем, что оно есть. Долгое время, кстати, очень многие ученые говорили, что шаровой молнии вообще не существует — это блик (засветка) в глазах у вас, когда обычная молния ударяет. Вот как если вы на дискотеку попали, все вокруг мигает, вы глаза закрыли, и все равно вам кажется, что что-то светится. После войны много серьезных ученых, даже нобелевский лауреат Петр Леонидович Капица пытались шаровой молнией заниматься. Какая главная проблема была? Непонятно, когда это явление можно наблюдать, сложно подготовиться, поставить приборы и ждать. Но частные свидетельства при этом копились.

В 1970–1980-е собрали у нас тысячи свидетельств появления шаровых молний. В Штатах ученые тоже собирали. То есть сейчас надежных свидетельств — несколько десятков тысяч существует, что шаровая молния есть. Это первое. Второе: большинство случаев ее наблюдения — после обычной молнии или как-то связано с нею. Она, конечно, не в клубок сворачивается. Но это, скорее всего, плазменное явление. Люди, которые попадали, контактировали с ней, получали ожоги — не такие, как от настоящей молнии, она-то почти всегда убивает, но примерно как от сильного электрического удара. Иногда даже и этого не случалось. Я лично уверен, что шаровая и обычная молния каким-то образом связаны.

[NS]: Но почему, если это плазма, то в форме шара? Она же не в магнитной ловушке?

[АК]: Нет, шар — это как раз не проблема. В шар превращается вообще все, если у вас нет выделенного направления. Вот Земля — шар. Создать шаровую плазму — вообще не вопрос. Однако проблема шаровой молнии не в ее форме, а в том, за счет чего она так долго живет. Если мы говорим про исследования обычных молний, то их жизнь очень коротка (десятые и сотые доли секунды). Мы знаем, что молнии — это огромные токи, но и они короткоживущие, по сравнению с шаровой молнией. Шаровая молния живет секунды и даже десятки секунд. Главная проблема для ученых — объяснить, почему она так долго живет. Даже не какой источник энергии её питает (между грозовым облаком и землей большой электрический потенциал) — а как!

[NS]: Почему энергия не распределяется в пространство? Ей никто не мешает же?

[АК]: Вот для этого и нужно понять природу этого явления! Условно говоря, если бы был какой-нибудь плазменный канальчик — ну пусть мы его даже не видим, он тоненький, который бы подводил к этому шаровому образованию энергию, то и проблем бы не было. Но если бы такой канал существовал, то по нему тек бы довольно сильный ток и это видели ли бы очевидцы. Поэтому и возникает вопрос: как электрическая энергия попадает в этот шарик и поддерживает его жизнь? Он светится довольно ярко. Если перевести в энергию лампочки, скажем, это довольно большая энергия. Вот это до сих пор непонятно.

[NS]: Несмотря на десятки тысяч хороших свидетельств, хорошей теории под этим пока нет?

[АК]: Есть огромное количество разных гипотез. Есть электрические, но они не объясняют, как осуществляется подвод энергии. Есть химическая: скажем, костер может гореть сколько угодно.

[NS]: Как это «сколько угодно»? Пока топливо есть.

[АК]: Справедливо. Есть такие гипотезы, что, допустим, это метан выделяется из болот или свалок, и потом какой-то разряд молнии его поджигает. Шаровые пламёна тоже бывают при определенных условиях. Но, опять же, когда мы говорим про шаровые молнии, у нас нет надежных видеосъемок. Есть в основном какие-то непонятные, может жулики снимали, может помехи или что-то еще. В общем, химическая гипотеза не имеет проблем с объяснением долгого времени существования шаровой молнии. Химические реакции могут продолжаться долго. Но многие электрические проявления молнии не объясняются химическими гипотезами. Например, то же самое поражение людей похожее на поражение током: если бы это был горячий шар, который горит, то был бы просто ожог, как ожог от костра. И потом, горячая шаровая молния бы неизбежно поднималась по закону Архимеда, а не двигалась по эквипотенциальным поверхностям. Есть масса вполне надежных историй о том, когда молния влетает в помещение, огибает двери, движется по сложной траектории и ни на что не натыкается. Понимаете, это поведение электрически лучше объясняется: заземленные стены — эквипотенциальные поверхности. Химическими гипотезами это объяснить нельзя.

Второй вопрос: а почему устойчива форма шаровой молнии? Если взять исследования последних лет, что стало понятно? Некоторые ученые высказывали такие идеи: трудность объяснения шаровой молнии заключается в том, что это не одно явление, а несколько разных явлений. Стали понятны некоторые свидетельства. Вот у нас электропоезд идет, его линии электропередачи питают. Молния ударила в высоковольтную линию, и появилась шаровая молния. Тут нет проблем с объяснением. У вас есть мощное электрическое питание сети и благодаря ему возникает какая-то странная форма электрической дуги. Таких вещей в интернете навалом, когда у вас просто ветки мокрого дерева на даче перемыкают провода и возникают постоянные разряды между проводами.

[NS]: Мне тоже всегда казалось, что многие шаровые молнии, на самом деле, разные явления, просто визуально похожие.

[АК]: Конечно, потому что как мы видим? Мы же видим не глазами, а мозгами. Мы идентифицируем явление с тем, что уже когда-то видели. Возьмите Гоголя: все видели в сумерках чертей, русалок. А сейчас что-то все видят инопланетян, а про чертей почти никто не рассказывает доверчивым журналистам местных изданий. Может быть, и есть бабушки, которые сглаз и порчу снимают, но это в основном маргинальное явление. А вот мир, замечательно описанный в «Вечерах на хуторе близ Диканьки», просто полон чертей. А сейчас их нет — включите любой канал! Поэтому с шаровой молнией большая проблема заключается в том, что не совсем понятно, как это явление смоделировать. Есть люди, которые создают в лаборатории какие-то хитрые электрические разряды, похожие на шаровую молнию, но тогда возникает вопрос: какое отношение эти эксперименты имеют к природе?

[NS]: Мы выяснили, что хорошей теории все-таки пока нет, и нет той теории, которая объединяла бы все эти явления, может быть это вовсе разные феномены. К сожалению, у нас заканчивается время; как всегда, нам его не хватает. Александр, большое спасибо! Я надеюсь, что через несколько месяцев мы продолжим нашу беседу.

[АК]: Не исключено, что мы за это время узнаем что-нибудь новое.

(В разговоре принимала участие Маргарита Фёдорова)