Шаровая молния и торнадо как вторичные коллективные эффекты при b- распаде короткоживущих изотопов

УДК 53

ББК 22.31

Рецензенты

Доктор физико – математических наук, профессор В.А. Гурашвили

Доктор физико-математических наук, профессор Н.Л. Казанский

Ратис Ю.Л. Шаровая молния и торнадо как вторичные коллективные эффекты при b- распаде короткоживущих изотопов,

Самара, Издательство Самарского научного центра РАН, 2006, 230 с.: ил.

ISBN

Введение

Шаровая молния (ШМ) относится к числу достаточно редких, но стабильно наблюдаемых природных явлений. До сих пор это явление оставалось одним из наиболее загадочных. Число специалистов (и энтузиастов), потративших на ее изучение годы, не поддается никакому учету.

В целом данной проблеме посвящено большое число превосходных работ. К ним относятся, в частности, прекрасные книги и статьи Ф. Араго [82], Н.А. Гезехуса [100], В. Бранда [13], Дж. Барри [7-10], С. Сингера [155], и С.А. Прентиса [60].

Чрезвычайно содержательны работы Б.М. Смирнова (в том числе, с соавторами) [68, 126, 127, 156-164]. В этот список входят как статьи, посвященные физике плазмы, так и обзоры по проблеме ШМ.

Весьма велико число работ, посвященных созданию светящихся образований в лабораторных условиях. Упомяну лишь некоторые из них.

Рис. 1. Шаровая молния профессора Г.Д. Шабанова.

По-видимому, Г. Бабат первым создал сферический разряд в газе, не соприкасающийся со стенкой разрядной камеры [4]. Немалый вклад в решение проблемы создания светящихся образований (СО) внесли японцы, европейцы, американцы и россияне (см., например, [57, 58, 59, 66, 67, 79, 81]).

Однако наиболее значительные результаты в этом направлении получены группой питерских физиков, возглавляемой профессором Г.Д. Шабановым [178-183]. Для того чтобы оценить эффектность «шаровых» экспериментов питерских физиков, я привожу фотографию СО, любезно предоставленную Геннадием Дмитриевичем Шабановым (см. выше).

Множество работ было посвящено фрактально-кластерной природе ШМ, а также аэрогелям, и их участию в физике электрического разряда в газах. В этот обширный список входят экспериментальные работы по взрыву металлических проволочек в электрическом разряде и по пиротехническим опытам, эмулирующим разряд ШМ. Кроме того, немало важных работ в области физики электрических явлений в атмосфере выполнено безотносительно к проблеме шаровой молнии (см. [1, 30, 33, 37, 39, 45, 53, 56-58, 65, 66, 79-81, 83, 92, 93, 115, 121, 136, 171, 175, 184]).

К настоящему моменту накоплены обширные коллекции наблюдательных данных, собранные многочисленными энтузиастами и профессионалами. К ним следует отнести коллекции Араго [82], Бранда [13], Хэмфрейса [38], Мак-Нэлли [54], Рэйла [62], Дмитриева [108], Арабаджи [2], Григорьева и Дмитриева [101], Чэрмана [17, 18], Стаханова [165, 166], Кеула [46], Григорьева и Григорьевой [102, 103], Отсуки и Офурутона [57, 58] и Эгели [25]. Ежегодно появляется в среднем 5 новых теорий шаровой молнии. Число теорий ШМ настолько велико, что их приходится классифицировать. Одна из таких классификаций приведена ниже. Она выделена курсивом[1].

Среди всех возможных классификаций ШМ - по форме, цвету, "поведению", особенностям возникновения и исчезновения, отношению к внешним предметам, источникам энергии - последняя представляется наиболее существенной, ибо она, в конечном счете, определяет все остальное. Поскольку же энергетические особенности реализуются в моделях, то мы и станем рассматривать в основном модели.

Но, впрочем, как вопреки галеновским человеческим типам мы в жизни практически не встречаем чистых сангвиников или чистых холериков, так и в мире моделей обычно преобладают смешанные варианты, и потому мы будем группировать их по совокупности признаков.

1. В химических моделях фигурируют реакции в основном между атмосферным азотом, кислородом, водородом и их соединениями (М.Т. Дмитриев). Протекание труднореализуемых реакций, в том числе и горение металлов, связывается с высоким возбуждением вещества, с его наэлектризованностью (П.Н. Червинский) или с присутствием особых катализаторов, включая и мифическое "молниевое (громовое) вещество" (Араго [82] и др.). Для придания ШМ должного веса (иначе раскаленный газ взлетит ввысь; впрочем, проблема эта остается открытой почти у всех моделей) допускается даже существование многоатомных (до 12-17) молекул (Рейнольдс). Причины свечения шаровой молнии связываются с тепловым излучением, с хемилюминесценцией, с электролюминесценцией. С позиций химических моделей довольно удовлетворительно объясняются такие особенности ШМ, как отсутствие сильного теплового воздействия (низкотемпературное горение углеводородов), пропажа при ее появлении некоторых предметов (колец, браслетов прямо с руки, участков стекла, отщепленных кусков дерева), дегтярные и металлические остатки на месте ее исчезновения. Но химической энергии оказывается недостаточно для объяснения энергетических ресурсов ШМ и многих других ее особенностей.

2. В электроразрядных моделях шаровая молния представлена или как коронный, или как кистевой (Гаррис), или как слоистый разряд (Темплер). По мнению авторов, она появляется там, где образуется концентрированный заряд (включая и наведенный тучами), либо опускается "с небес" по каналу предшествующей линейной молнии, получая по нему энергетическую подпитку от облака и создавая иллюзию своего "свободного" горизонтального полета благодаря перемещению самого канала. Подобный подход объясняет такие особенности ШМ, как потрескивание, шипение, испускание искр и нитей разряда, запахи, обычно сопровождающие ионизацию, хотя имеются большие несоответствия между наблюдаемым тепловым излучением ШМ и той температурой, которая нужна для образования озона. К сожалению, другие свойства ШМ остаются по-прежнему загадкой.

3. В лейденско - электрических моделях ШМ представлена или как изолирующая (состоящая из сухого воздуха с примесью аэрозолей или без них) сфера, несущая на своих противоположных сторонах разные по знаку заряды по типу лейденской банки (Тессан), или как целая система таких сфер (Я.И. Френкель), Общий недостаток таких моделей - они не обеспечивают ни стабильности шара, ни замедления рекомбинации.

4. В электроаэрозольных и ионных моделях ШМ представлена состоящей из заряженных капель и пылевых частиц (в лабораторных условиях было выявлено, что они в мощном электрическом поле светятся) или из пылевых частиц, нагретых при разряде линейной молнии до свечения и несущих на своей поверхности химически активные вещества (Я. И. Френкель). Некоторые модели дополнялись такими "конструктивными элементами", как наэлектризованный разреженный газ внутри (Рейнольдс), что приводило к желаемому следствию - при его нейтрализации вся система кавитационно взрывается внутрь (схлопывается). Модель ШМ, оригинально разрешающую проблему замедления рекомбинации, предложил И.П. Стаханов [165-168]. В ней использованы дипольные свойства молекул воды, из-за чего они могут обволакивать ионы. Когда такие ассоциации объединяются между собою, возникают довольно устойчивые сольватные молекулы.

5. В простых вихревых моделях ШМ представлена вращающейся сферой или системой наслоенных сфер. Возникновение этого вращения связывается со столкновением двух линейных молний, со столкновением лидера и стримера, с прорывом раскаленных газов из канала молнии на ее изгибе (Брукке), а также с вихревыми процессами в атмосфере - например, смерч, торнадо (Файс). В качестве активного субстрата в подобных моделях используются газ и плазма (Мейснер), причем субстрат может нести заряд. В моделях Я.И. Френкеля шаровая молния представлена как вращающаяся смесь заряженных частиц, дыма и возбужденных газов. Была даже попытка объяснить появление ШМ, скажем, из печи как следствие возникновения вихря из частиц золы, наэлектризованных ударом предшествующей линейной молнии. Вихревые модели согласуются с наблюдавшимися фактами вращения ШМ. Ее упругость (подпрыгивание) они объясняют гироскопическим эффектом. Но проблемы устойчивости, запаса энергии и особенностей поведения остаются в этих моделях в основном открытыми.

6. В вихревых тороидальных моделях в роли активного субстрата выступают электронный ток, плазма и ионный газ. Предполагается, что торовое кольцо может образовываться под воздействием ударной волны при разрыве или резком изгибе линейной молнии при ее прохождении сквозь узкие отверстия. В подобных случаях магнитное поле канала, как снимаемый чулок, сжимается в кольцо (тонкое или толстое, подобное вихрю Хилла). Имеются и более сложные модели, в которых один ток движется по каналу тора, а другой (противоположного знака) - по полоидальной орбите (Логан). В одной из моделей (Телетов) даже постулируется сверхпроводимость. В качестве стабилизаторов тороидальных структур привлекалось геомагнитное поле, но безуспешно из-за его слабости, В общем и целом, пока не найдено равновесной (долгоживущей) тороидальной структуры, если не считать самой новой модели О.И. Митрофанова (см. "Изобретатель и рационализатор" № 5 за 1982 год). Но наблюдавшиеся случаи дискообразных молний, а также ШМ, в ядре которых просматривалось сложное движение, не исключают жизнеспособности "торовой молнии". При объяснении ее происхождения используют пинч-эффект. К слову заметим, что этим же эффектом объясняется и происхождение четочных молний.

7. Ядерные модели ШМ. Еще в двадцатых годах Боттингер высказал идею о возможности возникновения ядерных реакций при грозовых разрядах. Впоследствии были рассмотрены (Альтшуллер, Дэвнльер) реакции взаимодействия порожденных разрядом протонов и нейтронов с ядрами атмосферного кислорода и азота с выходом радиоактивных изотопов кислорода, углерода и фтора, могущих выделять энергию. Миллер допускал существование в ШМ ядерных реакций неизвестного пока типа. Вопрос о возможностях ядерных реакций при грозовых разрядах остается открытым[2].

В дополнение к сказанному приведу цитату из замечательной книги В.И. Арабаджи «Загадки простой воды»: «Согласно одной из наиболее рациональных гипотез, шаровая молния может возникнуть за счет осуществляющейся иногда фокусировки ядерно-активных космических частиц в мощном электрическом поле грозовых облаков. Возникающая при этом реакция дробления ядер атмосферного газа ксенона может дать энергию, достаточную для образования шаровой молнии. С этой точки зрения вероятность образования шаровых молний должна иметь связь с мощными вспышками на Солнце, обусловливающими увеличение интенсивности космического излучения у земной поверхности».

8. Плазменно-электромагнитные модели ШМ. Сэр Оливер Лодж еще в 1912 году высказывал мысль о возможности кистевого (тлеющего) разряда в стоячей волне, создаваемой внешним электромагнитным полем[3].

К новейшей экзотике следует отнести исследования, проводимые в Нидерландах Гирмом Дийкхусом в Институте энергетики Кема [22]. В этих работах энергетику ШМ относят на счет так называемого холодного синтеза, а в качестве главного реагента рассматривают дейтерий. Эта теория ближе всего подходит под пункт 7 приведенной классификации.

Однако имеется немало работ, с трудом поддающихся какой бы то ни было классификации. Например, имеется немало работ, в которых ШМ рассматривается как оптическая иллюзия ([3, 11, 55, 172]).

В число упомянутых «странных» работ по проблеме ШМ входят как откровенно нелепые ([76], [172]), так и более или менее наукообразные.

К последним относятся работы новосибирских ученых А.Н. Дмитриева и В.Л. Дятлова [111-113], которые считают ШМ вакуумным доменом (неоднородностью физического вакуума). Достаточно близко к этому направлению примыкают работы мексиканского физика украинского происхождения А.Е. Чубыкало [19], который рассматривает ШМ как особое решение уравнений Максвелла. Однако сам автор работы [19] свою теорию относит к п. 8 приведенной выше классификации.

Надо отметить, что резонансно-электромагнитные модели и вакуумные модели к настоящему времени вышли из моды. На сегодняшний день большинство авторов склоняется к тому, что энергия ШМ запасена в ее веществе, а электрический разряд возникает при выделении этой энергии. При этом наибольшее число авторов полагает, что наиболее близка к реалиям модель И.П. Стаханова [165-168]. Однако в рамках этой модели весьма затруднительно найти физические механизмы спонтанного пространственного разделения зарядов, приводящего к последующему разряду ШМ.

Из последних работ, посвященных обсуждаемой проблеме, самого пристального внимания заслуживают работы С.С. Григоряна по теории сложных атмосферных процессов, включая модель тайфуна и модель шаровой молнии (см. например, [105]). Примерно в том же русле лежат работы по электрокапиллярно-вихревой модели ШМ В.Л. Натяганова [134]. Не лишена изящества водородная модель шаровой молнии, предложенная Ю.Р. Аланакяном [78].

Не поддается никакой классификации гипотеза Джона Джилмана (John Gilman) из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, который предположил, что, по крайней мере, одно из свойств шаровой молнии – когезию, т.е. способность удерживать частицы, составляющие оболочку светящегося шара, вместе в течение достаточно длительного времени, можно объяснить тем, что она состоит из атомов Ридберга. Это сильно возбужденные атомы, в которых валентный электрон находится на орбите с большим главным квантовым числом. Джилман вычислил, что радиус электронной оболочки атома, находящегося в таком состоянии, должен быть порядка нескольких сантиметров, и атом, таким образом, будет иметь очень большую поляризуемость. В этом случае силы притяжения Ван-дер-Ваальса могут быть ответственными за когезию.

Модель Ридберга требует, чтобы каждый электрон был отделен от ядра атома расстоянием в несколько сантиметров. Значение главного квантового числа при этом имеет порядок , а сами ридберговские атомы излучают в радиодиапазоне, в то время как шаровая молния вызывает ультрафиолетовые ожоги у людей. В силу этого гипотеза о том, что заметное число атомов в макроскопическом объеме ШМ одновременно имеет валентные электроны, находящиеся от ядер на столь большом расстоянии, является несуразной.

К той же серии относится теория Абрахамсона (Abrahamson), который в 2002 году вместе с Джеймсом Динниссом (James Dinniss) предположил, что ШМ молния образуется в результате того, что частицы кремния окисляются в атмосфере после удара молнии в землю. Однако большинство исследователей, занимавшихся изучением электрических явлений в атмосфере, отнеслись к теориям Джилмана и Абрахамсона весьма скептически[4].

На этом, пожалуй, следует завершить описание предыстории вопроса. К сожалению, в коротком обзоре современного состояния проблемы очень трудно упомянуть всех авторов, внесших заметный вклад в создание научной картины аномальных явлений в атмосфере.

В конце концов, оказалось, что в основе этого грозного природного явления лежит относительно малоизученный слабый процесс - так называемый - распад в связанное состояние, представляющий собой обращенную реакцию электронного захвата [146] (подробности см. в [61, 139-149]). Этот процесс имеет исключительно важное значение для физики и астрофизики, но на сегодняшний день недостаточно подробно описан в научной литературе, несмотря на то, что был открыт более 50 лет тому назад [21]. Однако перед тем как приступить к изложению радиоизотопной теории ШМ, сделаем еще несколько замечаний.

1. Приводимая ниже радиоизотопная теория описывает наиболее скандально известный тип шаровых молний – плазмоидов, обладающих большим запасом энергии, живущих от нескольких секунд до нескольких минут, вызывающих ультрафиолетовые ожоги у людей, чаще всего заканчивающих свое существование взрывом - хлопком и т.п.

2. Опыты профессора Г.Д. Шабанова убедительно свидетельствуют, что в Природе могут существовать нерадиоактивные шаровые молнии, возникающие в результате различных процессов, протекающих в канале разряда линейной молнии. К сожалению, такие плазмоиды имеют малое время жизни, не обладают большим запасом энергии, и не представляют большого интереса с точки зрения перспективы создания новых технологий.

3. Кроме радиофосфора (см. ниже) – основного источника высокоэнергетических шаровых молний,- существуют и другие короткоживущие изотопы, способные внести свой вклад в процесс образования ШМ. В настоящее время исследуется возможность участия некоторых изотопов мышьяка, брома и ряда других элементов в процессе образования ШМ.

4. Нейтроннодефицитные изотопы (например, , , , ), в принципе, могут образовывать компактные сгустки радиоактивной плазмы. Такая «позитронная» ШМ (скорее, НЛО) встречается крайне редко, она не может взрываться, но может вызывать лучевую болезнь.

5. Некоторые - радиоактивные газы[5] (в первую очередь ) могут образовывать светящиеся образования, которые внешне весьма напоминают ШМ, но не вызывают мощного электрического разряда в воздухе. Период полураспада радона практически не зависит от степени ионизации атомов, поскольку он является - распадником. Другими словами, зависимость вероятности - распада атомного ядра от состояния электронных оболочек атома чрезвычайно мала, поскольку основные свойства потенциального барьера, через который тунеллирует - частица, определяются распределением электрического заряда в ядре. Поэтому в радоновых светящихся образованиях все процессы протекают плавно. Летают эти «привидения» почти бесшумно, не вызывают разрушений, нередко «выползают» из электрических розеток, слабо светят в темноте и т.п.

Развернутые комментарии к данным тезисам будут приведены в заключение настоящей работы.

Итак, перейдем к изложению теории элементарных процессов, протекающих внутри наиболее распространенных в Природе ШМ - высокоэнергетических радиоактивных плазмоидов, образованных радиофосфором.

1.Элементарные субатомные процессы, протекающие в ШМ

Для того чтобы максимально ясно изложить суть анализируемой проблемы, рассмотрим стандартный процесс - распада .

Хорошо известно, что если речь идет о - распаде основного состояния материнского ядра, то в земных условиях этот процесс протекает достаточно медленно из-за малости константы слабого взаимодействия.

Для простоты проведем дальнейшее рассмотрение на примере свободного нейтрона, поскольку с формальной точки зрения его - распад аналогичен - распаду полностью ионизированного атома. Период полураспада нейтрона составляет минуты [153] и является практически бесконечно большим по ядерным масштабам времени.

Рис. 2. Диаграмма, соответствующая распаду свободного нейтрона

В простейшем варианте теории процессу отвечает диаграмма, изображенная на рис. 2.

Для описания этого процесса в работах [5, 135] использовался гамильтониан вида:

. (1)

В формуле (1) есть гамильтониан слабого взаимодействия, - векторная константа слабого взаимодействия, - аксиальная константа слабого взаимодействия, , - матрицы Дирака, , - дираковские спиноры (полевые операторы), - дираковски сопряженные спиноры. Нижний индекс в формуле (1) принимает значения (электрон), (нейтрино), - (нейтрон) и (протон). Слагаемое есть выражение, эрмитово сопряженное первому слагаемому в (1). В выражении (1) индекс пробегает значения от 1 до 4, причем по нему проводится суммирование.

Стандартное выражение для дифференциальной вероятности распада нейтрона имеет вид [90, 129]:

, (2)

где

, (3)

причем () – масса нейтрона (протона), () – энергия электрона (антинейтрино), , () - скорость электрона (антинейтрино), - вектор поляризации нейтрона, а параметр . Полная вероятность распада нейтрона в непрерывный спектр дается соотношением:

(4)

причем , МэВ [90,129].

Данное выражение не учитывает очень важный наблюдаемый физический эффект, а именно, возможность образования в результате -распада нейтрона связанного состояния протона и электрона – атома водорода. Для учета этого процесса к выражению (2) следует добавить поправку:

, (5)

где сумма по включает в себя все состояния дискретного спектра атома водорода.

Величина далеко не всегда является малой по сравнению с величиной . Это связано с двумя обстоятельствами.

Во-первых, матричные элементы в формулах (2) и (5) имеют практически одинаковую структуру[6]. Как следствие, вероятности распадов в непрерывный спектр и в связанное состояние для сильно ионизированных атомов могут быть близки по порядку величины. Во-вторых, увеличение импульса антинейтрино в конечном состоянии для процесса по сравнению с аналогичным импульсом антинейтрино для распада , вытекающее из законов сохранения энергии и импульса, приводит к увеличению вероятности - распада в связанное состояние[7].

Особо отметим, что процесс не противоречит законам сохранения (двухчастичные распады элементарных частиц – один из наиболее изученных классов элементарных процессов) и подробно исследован в работах [5, 135]. Исторически пренебрежение состояниями дискретного спектра при анализе этого распада объяснялось тем, что на момент открытия нейтрона исследование всех - процессов проводилось только на основе анализа спектра электронов.

В одной из наиболее корректных работ, посвященных указанной проблеме [135], получено следующее выражение для вероятности - распада нейтрона в связанное состояние:

, (6)

где - угол Кабиббо, - боровский радиус атома водорода, , причем , . Относительная вероятность распада нейтрона в связанное состояние согласно [135] равна , в полном согласии с результатами работы [5].

Покажем, что при определенных условиях период полураспада нейтронноизбыточных - активных изотопов зависит не только от свойств слабого взаимодействия, но и от внешних условий, в которых они находятся.

Рассмотрим сильно ионизированный атом - активного радионуклида. Для ядра такого атома вероятность - распада описывается соотношением типа (6). Однако при переходе к атомным ядрам величина боровского радиуса уменьшается с увеличением заряда ядра :

. (7)

Именно затягивание волновой функции электрона в область ядра обеспечивает увеличение постоянной - распада в связанное состояние для полностью ионизированных атомов нейтронноизбыточных радионуклидов. Для нейтральных атомов этот эффект подавлен из-за принципа запрета Паули и экранировки валентных электронов облаком заряда внутренних электронных оболочек атома.

С формальной точки зрения скорость - распада в связанное состояние дается соотношениями, полученными в работе [5]. В этой работе расчет - распада в связанное состояние производился в предположении, что гамильтониан процесса имеет вид (1). Согласно результатам этой работы, несколько устаревшей (теория электрослабого взаимодействия и физика кварков, включая квантовую хромодинамику, в 1961 году находились в зачаточном состоянии), но достаточно полной и вполне пригодной для наших оценок, постоянная скорости - распада в связанное состояние для полностью ионизированного атома равна:

, (8)

Отношение ветвления для - распада в связанное состояние и в непрерывный спектр имеет вид:

. (9)

В формулах (8)-(9) используются обозначения работы [5], достаточно стандартные для физики слабых процессов. В частности, - масса электрона, - скорость света, - постоянная Планка. Кроме того, через обозначен энергетический выход ядерной реакции, - есть заряд дочернего ядра, - постоянная тонкой структуры, - функция, описывающая влияние электрического поля атома на распределение - частиц по энергиям. Матричные элементы разрешенных - переходов для векторного и аксиального вариантов теории обозначены и , соответственно. Через них выражается фактор : . Сомножитель в (9) - это поправочный фактор, учитывающий влияние структуры ядра на вероятность процесса.

Таблица 1

Скорости - распада в связанное состояние

Изотоп	(в единицах)
	1,035	2,8×10^-6	6,9×10^-3
	1,31	-2,25	0,01
	1,20	-2,65	0,1
	1,13	-2,9	0,9
	1,29	-1,5	0,7
	1,08	-3,28	7
	1,55	-0,60	0,3
	1,17	-2,1	2
	1,30	-1,0	1
	1,28	-0,85	1

Работа [5] дала начало систематическому изучению - распада в связанное состояние. Некоторые результаты численных расчетов, выполненных в этой работе, приведены выше в табл. 1. Описанный выше вклад дискретного спектра в вероятность - распада ионизированного атома (т.е. процессы типа ) был изучен экспериментально в целом ряде работ [12, 43][8]. Эффект наблюдался даже в случае слабоионизированных атомов. Величина этого эффекта оказалась необычайно большой. Например, согласно данным работы [12] период полураспада материнских ядер при распаде рения в осмий , составляющий в нейтральных атомах лет, в полностью ионизированном состоянии атомов составляет года. Таким образом, ионизация нейтрального атома рения приводит к сокращению периода полураспада на 9 порядков. Самое главное состоит в том, что этот эффект обнаружен в прямом физическом эксперименте.

В случае распада нейтрона вклад связанных состояний в полную вероятность распада гораздо меньше [129]. Тем не менее, вывод о том, что интенсивность слабых процессов, оцененная на основе анализа электронных спектров, является заниженной, остается в силе.

Как уже упоминалось выше, первые оценки подобных процессов были проделаны в работе [21]. Более детальный анализ проблемы был проделан в работах [5, 129]. Существенный вклад в анализ проблемы - распада в связанное состояние внес профессор И.С. Баткин, который детально исследовал проблему вторичных эффектов при - распаде [87, 88]. Необходимо упомянуть вклад в теорию - процессов Р.У. Хафизова, который исследовал проблему радиационного - распада нейтрона (см., например [176])[9].

Астрофизические аспекты процессов - распада в связанное состояние впервые были исследованы в работах [69, 70]. В работах [12, 43, 49, 69-70] было показано, что описанный канал распада становится важным (возможно, единственным), если речь идет о процессах нуклеосинтеза в звездной плазме[10]. В свете этого описанный канал распада является одним из важнейших инструментов космохронометрии. К великому сожалению, описанный выше круг идей к настоящему времени малоизвестен широкой научной общественности и не попал в учебники физики и астрофизики.

Как уже отмечалось, роль рассмотренных выше реакций - распада ионизированных атомов в связанное состояние очень велика, если речь идет о проблеме нуклеосинтеза. Кроме того, данная реакция является хорошим инструментом для прецизионного измерения массы электронного антинейтрино. Но самое главное состоит в том, что описанные эффекты дают ключ к пониманию природы ШМ и других «аномальных» явлений в атмосфере.

2. Шаровая молния как коллективный вторичный эффект

при - распаде ядер радиофосфора

Как уже упоминалось во Введении, все трудности существовавших теорий шаровой молнии (ШМ) были связаны с тем, что по умолчанию предполагалось, что ШМ – это плазмоид в атмосфере. Для поддержания макроскопического объема воздуха в ионизированном состоянии требуется огромная энергия, которую необходимо откуда-то черпать. Многие экспериментаторы, включая таких известных специалистов, как П.Л. Капица, неоднократно предпринимали попытки создания долгоживущего шарового плазмоида в лабораторных условиях.

Здесь уместно привести обширную цитату из работы [118], положившей начало систематическому экспериментальному изучению возможностей создания ШМ в лабораторных условиях: «Из основных представлений современной физики следует, что потенциальная энергия молекул газа в любом химическом или активном состоянии меньше той, которую нужно затратить на диссоциацию и ионизацию молекул. Это дает возможность количественно установить верхний предел энергии, которая может быть запасена в газовом шаре, заполненном воздухом и размерами с шаровую молнию. С другой стороны, можно количественно оценить интенсивность излучения с ее поверхности. Такого рода прикидочные вычисления показывают, что верхний предел времени высвечивания получается много меньше действительно наблюдаемого у шаровых молний. Этот вывод теперь также подтверждается опытным путем из опубликованных данных о времени высвечивания облака после ядерного взрыва. Такое облако сразу после взрыва, несомненно, является полностью ионизованной массой газа, и поэтому его можно рассматривать как заключающее в себе предельный запас потенциальной энергии. Поэтому, казалось бы, оно должно высвечиваться за время меньшее, чем наиболее длительно существующая шаровая молния, но на самом деле этого нет. Поскольку запасенная энергия облака пропорциональна объему , а испускание поверхности ~ , то время высвечивания энергии из шара будет пропорционально , его линейному размеру. Полностью облако ядерного взрыва, при диаметре , равном 150 м, высвечивается за время меньшее, чем 10 сек, так что шар размером в 10 см высветится за время меньшее, чем 0,01 сек. Но на самом деле, как указывается в литературе, шаровая молния таких размеров чаще всего существует несколько секунд, а иногда даже минуту. Таким образом, если в природе не существует источников энергии, еще нам не известных, то на основании закона сохранения энергии приходится принять, что во время свечения к шаровой молнии непрерывно подводится энергия, и мы вынуждены искать этот источник энергии вне объема шаровой молнии».

Однако никаких реальных способов подпитки энергией изолированных сгустков плазмы для поддержания их в стационарном состоянии в течение нескольких минут (а именно столько времени живет ШМ молния в природных условиях) найти так и не удалось.

Целью настоящего раздела работы является обоснование гипотезы о том, что ШМ представляет собой маленькое радиоактивное облачко (сгусток радиоактивной плазмы), в котором на фоне обычного - распада ядер радиоактивного фосфора протекает цепная субатомная реакция индуцированного - распада в связанное состояние. В связи с этим наблюдаемое явление недостаточно точно называется шаровой молнией, поскольку представляет собой вторичный эффект при радиоактивном распаде. То есть, первопричины возникновения ШМ лежат вне физики электрического разряда в газах.

2.1. Феноменологическая модель шаровой молнии

Основная гипотеза, обосновываемая ниже, впервые была сформулирована в работе [146] и подробно изложена в работах [61, 139-149]. Логика происхождение этой гипотезы такова.

Из многочисленных наблюдательных данных следует, что шаровая молния является источником ионизирующего излучения. В пользу этого говорят как оставляемые ею запахи [108], так и лучевые ожоги, получаемые наблюдателями ШМ [161]. Отмечены единичные случаи возникновения лучевой болезни у людей, наблюдавших шаровую молнию [165, 166][11].

Но естественные источники ионизирующего излучения - это радионуклиды. Различные изотопы распадаются, испуская при этом - частицы, - электроны и - лучи. К природным видам радиоактивности относятся также протонная радиоактивность и спонтанное деление ядер.

Но не только наличие запахов и лучевых ожогов у людей говорит о том, что свойства шаровой молнии определяются ее радиоизотопной природой. Для того чтобы в воздухе (т.е. в газе при атмосферном давлении) возник и продолжался в течение длительного времени (секунды, и даже минуты) электрический разряд, недостаточно одного только наличия внутренней энергии. Для поддержания стабильного электрического разряда нужна разность потенциалов, причем, практически не изменяющаяся с течением времени. Но для того, чтобы создать квазипостоянную разность потенциалов, необходимо разнести в пространстве электрические заряды на определенное (макроскопическое) расстояние. А единственный природный высокоэнергетический механизм спонтанного пространственного разделения зарядов – это радиоактивный распад. То есть, из всех видов плазмы, встречающихся в Природе и в технике, только радиоактивная плазма может иметь отношение к процессу образования высокоэнергетических ШМ (см. табл.2).

Поскольку все остальные возможности создания ШМ в лаборатории уже подробно исследовались, и, если не считать отдельных красивых опытов (например, экспериментов профессора Г.Д. Шабанова), исследования эти кончились, в общем-то, ничем, постольку мы и сосредоточим внимание только на этом виде плазмы.

Таблица 2

Классификация видов плазмы

№	Вид плазмы	Источник энергии	Образование и применение
1	Звездная плазма	Реакция слияния ядер	Звезды
2	Термоядерная плазма	Реакция слияния ядер	Водородная бомба, УТС
3	Ядерная плазма	Реакция деления ядер	Ядерная бомба
4	Химическая плазма	Химические реакции	Горение и взрыв
5	Электроразрядная плазма (разряды: искровой, дуговой, коронный, тлеющий и пр.)	Внешнее электрическое поле	Линейная молния, электросварка, плазмотрон, лампы дневного света и пр.
6	СВЧ – плазма	Электромагнитные волны	Плазмоиды, ПРО, ПВО и пр.
7	Лазерная плазма	Лазерное излучение	Лазерные технологии
8	Рентгеновская плазма	Рентгеновское излучение	Радиолиз, плазмохимия
9	Пучковая плазма	Пучки заряженных частиц	Ускорители заряженных частиц
10	Радиоактивная плазма	Радиоактивный распад	- распад, - распад, вторичные процессы при радиоактивном распаде

Мы живем в сильно радиоактивном мире. В литосфере, гидросфере и атмосфере Земли присутствуют миллиарды тонн радиоактивных веществ (см. Приложение 4). В целом радиоактивность Земли с течением времени падает. Однако запасы короткоживущих изотопов постоянно пополняются за счет распада долгоживущих изотопов, а также ядерных реакций в атмосфере, вызываемых космическими лучами. Некую лепту в этот процесс вносят микрометеориты и кометное вещество, а также корональные выбросы массы на Солнце.

Выше уже упоминалось, что в Природе существует пять видов естественной радиоактивности. Методом исключения сразу отбрасываются четыре из них, как не имеющие отношения к проблеме ШМ. Протонная радиоактивность - очень редкое и маловероятное явление, на целенаправленное обнаружение которого ученые потратили годы. Спонтанное деление ядер тоже, очевидно, отношения к делу не имеет, поскольку уран (даже шестифтористый, в газообразном состоянии) в атмосферном воздухе не обнаружен. Альфа-распадные изотопы, если речь идет о распаде невозбужденных ядер, также относятся к тяжелым элементам (некоторые изотопы висмута, полония, радона, радия, тория и т.п.). Из всех перечисленных элементов на поверхность земли вместе с минеральными водами выносит только радон. Но если бы он отвечал за природу шаровой молнии, то «бомбило» бы все курорты, находящиеся вблизи радоносодержащих минеральных источников.

Гамма-излучение возникает в результате электромагнитного перехода возбужденных ядер в основное состояние. Но возбужденные ядра не образуются спонтанно. Если они и появляются в природе, то только в результате предшествовавшего распада - и - активных изотопов[12], либо в результате ядерных реакций, вызванных космическим лучами.

Остается один-единственный вид радиоактивности, который может отвечать за природу шаровой молнии. Это - активность. Дальнейшая логика проста.

1. Шаровая молния почти всегда оставляет после себя запах серы, озона и окислов азота [161-164].

2. Сера образуется только в результате - распада фосфора [153].

3. Постоянная скорости - распада сильно зависит от степени ионизации распадающегося радионуклида [5, 12, 43, 135].

4. Период полураспада полностью ионизованного радиофосфора на 4-5 порядков меньше периода полураспада неионизированного радионуклида и соизмерим со средним временем жизни ШМ в природных условиях.

5. Радиофосфор является распространенным в природе элементом. Он обнаружен в дождевой воде в макроскопических количествах [51].

В соответствии с вышесказанным, для построения рациональной теории шаровой молнии необходимо решить следующие задачи.

1. Описать кинетику наиболее важных физических процессов, протекающих внутри ШМ.

2. Показать, что следствия, вытекающие из гипотезы о радиоизотопной природе ШМ, полностью согласуются со всей имеющейся совокупностью наблюдательных и экспериментальных данных.

3. Описать динамику полета ШМ в атмосфере, содержащей примеси радиоактивных изотопов.

4. Описать динамику процессов самоорганизации химических соединений некоторых изотопов, содержащихся в каплях радиоактивного электролита, в компактные самосветящиеся объекты.

5. Разработать схемы контрольных экспериментов, позволяющих удостовериться в правильности развиваемой теории аномальных явлений в атмосфере.

6. Поставить хотя бы один из таких экспериментов в лаборатории.

В соответствии с приведенным выше перечнем задач, перейдем к описанию кинетики процессов, протекающих внутри ШМ.

Согласно [146] феноменологическая модель шаровой молнии, основанная на изложенных выше экспериментальных данных и теоретических оценках, описывается системой уравнений:

, (10)

где - число невозбужденных атомов (); - число возбужденных атомов () с - (или -) оболочки которых удален один (или более) электрон; - число атомов изотопа серы (); - интенсивность внешнего источника атомов радиофосфора (шаровая молния находится во внешней среде, содержащей эти атомы, и захватывает их во время полета); - интенсивность источника возбужденных атомов (), образующихся при вырывании электронов из - и - оболочек атомов радиофосфора за счет механизмов, отличных от резонансной фотоионизации или ионизации от удара Оже- электроном, ускоренным электрическим полем ШМ (например, эффекта Пеннинга и т.п.). Кроме того, в соотношении (10) использованы следующие обозначения: - постоянная - распада в непрерывный спектр; - постоянная индуцированного - распада в связанное состояние (в дискретный спектр, на вакансию в - или - оболочке)[13]; - средняя вероятность спонтанного перехода (в единицу времени) электрона на - (-) оболочку возбужденного (либо ионизованного) атома () c - оболочек или из непрерывного спектра[14]; - константа скорости возбуждения и ионизации атомов («обдирания» - и - оболочек атома ) - квантами, образующимися при индуцированном - распаде фосфора , а также Оже- электронами, разогнанными электростатическим полем, создаваемым телом шаровой молнии; - перекрестный коэффициент (очевидно, что ); коэффициент - константа скорости выбытия возбужденных атомов фосфора из-за взаимодействия между собой[15].

Имеются веские основания считать, что .

В этой сумме первое слагаемое соответствует вкладу процессов ионизации молекул воздуха за счет взаимодействия с - электронами с энергией МэВ, рождающимися в результате - распада ядер радиофосфора в непрерывный спектр. Это слагаемое весьма значительно. Дело в том, что порядка низкоэнергетических электрона образуются в результате столкновений высокоэнергетических - электронов с молекулами воздуха, каждый из которых, разгоняясь электрическим полем ШМ и сталкиваясь с другими молекулами воздуха, вызывает электронную лавину. Образующиеся при этом свободные электроны () также разгоняются электрическим полем ШМ и взаимодействуют с атомами радиофосфора, «обдирая» у них - и - оболочки.

Второе слагаемое соответствует вкладу процессов ионизации атомов радиофосфора непосредственно - электронами. Эти электроны также «обдирают» - и - оболочки радиофосфора.

Третье слагаемое описывает вклад двукратно ионизованных электронным ударом атомов радиофосфора, появляющихся в теле шаровой молнии за счет того, что при ионизации молекул воздуха в области протекания цепной субатомной реакции также образуется большое количество свободных электронов. Оценки порядков величин говорят о том, что величина источника в случае стационарного горения ШМ такова, что практически полностью компенсирует убыль «ионов» радиофосфора [16]. Источник начинает давать заметный вклад в нестационарные процессы (взрыв ШМ) за счет нелинейного члена только при высоких концентрациях химических соединений радиофосфора.

Радиофосфор образуется в верхних слоях атмосферы в результате ядерных реакций , , , , , , , и , а также , , , , и [153].

Возникнув в верхних слоях атмосферы, облака атомарного радиофосфора опускаются на землю под действием силы тяжести. Фосфор является химически активным элементом. Поэтому после образования изотопов и в верхних слоях атмосферы за счет расщепления ядер космическими лучами [51] атомарный радиофосфор медленно опускаются к Земле и быстро вступают в реакцию с кислородом. В результате этой реакции образуется пятиокись фосфора . В дальнейшем она взаимодействует с парами воды, образуя фосфорную кислоту . Поэтому в контексте рассматриваемой задачи через обозначено число возбужденных атомов фосфора и , входящих в состав молекул и [17], с - (или -) оболочки которых один (или более) электрон перешел на более высокий дискретный энергетический уровень или в непрерывный спектр. Далее для краткости мы всюду, где речь идет о параметре , будем употреблять термин «ион фосфора».

Каждый - распад ядра сопровождается испусканием двух фотонов с энергией около 350 эВ каждый[18]. Именно «встряхивание» - оболочки при - распаде приводит к образованию возбужденного атома , который в процессе девозбуждения испускает два фотона, энергия которых практически совпадает с энергией связи электронов, находящихся на - оболочке атома . Кроме того, одним из основных механизмов девозбуждении атома серы является Оже- эффект. В этом случае вместо двух мягких рентгеновских фотонов в выходном канале реакции появляется несколько электронов (, если они вырываются из - оболочки)[19].

Из-за совпадения энергий - квантов с энергией «обдирания» - оболочки атома радиофосфора становится возможным его резонансное возбуждение (или ионизация). В процесс ионизации радиофосфора определенную лепту вносят ускоренные электрическим полем тела ШМ Оже- электроны («обдирающие» как -, так и - оболочку), а также атомные столкновения[20]. В результате открывается канал - распада в связанное состояние, и при определенных условиях может начаться цепная ядерная реакция. Эта реакция не является цепной реакцией деления, и в ней задействованы не только ядерные, но и атомные степени свободы. В этом состоит ее абсолютная уникальность. Она лежит на стыке молекулярной, атомной и ядерной физики.

Сама возможность протекания такой экзотической реакции связана со специфическим строением электронных оболочек фосфора. Именно название этого элемента дало имя явлению фосфоресценции (то есть люминесценции, продолжающейся значительное время после прекращения возбуждения)[21].

Метастабильность возбужденного атома фосфора, у которого имеется вакансия (дырка) на - или - оболочке, и наличие источника приводят к тому, что при достаточно больших значениях становится возможным выполнение соотношения , то есть, на метастабильном (промежуточном) уровне может накопиться достаточно большое количество возбужденных атомов фосфора с вакансией (электронной дыркой) на - оболочке.

Именно это обстоятельство превращает шаровую молнию в своеобразный рентгеновский лазер с ядерной накачкой[22]. Причем ядерные степени свободы передают свою энергию на атомные степени свободы в результате - распада ядер радиофосфора. Классическая трехуровневая схема такого лазера представлена на рис. 3.

Рис. 3. Схема уровней природного рентгеновского лазера.

Необходимо отметить, что согласно порядковым оценкам имеет место соотношение . Метастабильность возбужденного атома радиофосфора весьма относительна. Просто источник достаточно велик, и в случае стационарного течения реакции пропорционален . Два эффекта компенсируют друг друга практически полностью, о чем свидетельствует эмпирический факт существования шаровой молнии.

Для того чтобы более детально разобраться в механизме этой компенсации, представим коэффициент в следующем виде [149]:

, (11)

где - число столкновений электронов с атомами радиофосфора в единицу времени, - вероятность «обдирания» - оболочки электронным ударом, - число свободных электронов в объеме шаровой молнии, - функция распределения электронов по энергиям, нормированная на единицу, - энергия ионизации - оболочки атома радиофосфора. Большая величина приводит к тому, что даже при относительно малых величинах вероятности ионизации электронным ударом мы приходим к оценке величины с^-1. Если учесть, что для поддержания стационарного течения реакции необходимо выполнение условия , а величина на порядок больше величины , то отсюда следует, что с^-1. Но это означает, что время жизни электронных дырок на - оболочке радиофосфора составляет с, что, в общем и целом, согласуется со спектроскопическими данными.

Приведенные выше оценки чрезвычайно грубы из-за практически полного отсутствия экспериментальных данных. Поэтому имеет смысл обсудить один из весьма необычных механизмов уменьшения величины . В теоретических расчетах обычно вычисляется величина для атома с заполненными электронными оболочками. При этом считается, что переход электрона на вакансию в - или - оболочке происходит с - оболочки. В теле шаровой молнии атомы радиофосфора находятся в ионизированном состоянии, поскольку электроны, находящиеся на - оболочке атома фосфора, имеют не слишком большую энергию связи[23]. Поэтому эти электроны легко захватываются атомами кислорода, входящими в состав молекул химических соединений радиофосфора, либо срываются электронным ударом. В этом случае электронная дырка в - оболочке заполнятся за счет захвата электрона из непрерывного спектра. Но характерное время такого процесса существенно больше, чем время жизни вакансии в - оболочке при заполненной - оболочке возбужденного атома.

Как бы то ни было, эмпирический факт существования шаровой молнии однозначно указывает на то, что условие выполняется с огромной степенью точности[24]. Но это означает, что уровень является динамически метастабильным. Этот тип метастабильных уровней в лазерных системах на сегодняшний день не описан в литературе.

Если цепная реакция индуцированного - распада в связанное состояние началась, то условие ее стационарного течения имеет вид:

, (12)

где

, (13)

откуда немедленно следует, что[25]

. (14)

Подставляя (12) и (14) во второе уравнение системы (10), получаем:

. (15)

Строго говоря, величина сама является функцией величины , т.к. она зависит от величины . Уравнение (15) является весьма сложным нелинейным уравнением (не в смысле техники решения уравнения с разделяющимися переменными, которая тривиальна, а в смысле вычисления или измерения входящих в него величин). Однако для порядковых оценок и качественного анализа поведения шаровой молнии коэффициент и величину можно считать постоянными.

Даже в этом грубом приближении легко объясняется относительная (макроскопическая) устойчивость шаровой молнии. Для того чтобы продемонстрировать это, введем переменную и перепишем уравнение (15) в следующем виде:

. (16)

Решение уравнения (16) имеет вид:

, (17)

где - значение параметра в момент времени . Величина имеет смысл относительного отклонения числа ионов от значения , соответствующего стационарному течению реакции. Именно поэтому трактовка решения (17) совершенно очевидна: если цепная реакция индуцированного - распада началась, то величина устойчиво стремится к своему равновесному значению .

Судя по описаниям очевидцев, светящийся шар возникает в воздухе, на глазах разрастаясь до своего равновесного размера. Поэтому в оценочных расчетах логично положить величину с^-1. Если учесть, что объем шаровой молнии по порядку величины составляет около дм³, а содержание смеси изотопов фосфора по массе в нем не превышает 0,05%, то оказывается, что количество возбужденных атомов радиофосфора (с - или - оболочки которых удален электрон) в рассматриваемом объеме имеет порядок дм^-3. В результате мы получаем оценку величины коэффициента с^-1. Эта оценка соответствует тому, что в цепной реакции участвует примерно каждый десятый радионуклид . С учетом этого обстоятельства величина коэффициентов и составляет с^-1.

Невысокая плотность химических соединений радиоактивного фосфора в воздухе приводит к тому, что если реакция и началась, то идет она крайне вяло, ибо коэффициент размножения фотонов, возбуждающих атомы , относительно мал (). Длина свободного пробега электронов в воздухе при энергиях эВ и КэВ, соответствующих энергии связи - электронов и - электронов в атоме радиофосфора, также невелика.

Особо остановимся на физико-химической природе коэффициента . Если реакция - распада происходит с ядром атома , входящего в состав молекулы , то в результате образуется не существующая в обычной химии молекула . Эта молекула очень быстро разваливается, а электронные оболочки всех атомов, входивших в состав этой молекулы, мгновенно перестраиваются. Если второй атом фосфора, входивший в состав рассматриваемой молекулы , был возбужден (т.е., у него имелась вакансия на - оболочке), то в процессе распада этой молекулы и быстрой перестройки электронных оболочек атомов, входивших в ее состав, он испытывает индуцированное девозбуждение. Если же реакция - распада происходит с ядром атома , входящего в состав молекулы , то индуцированного выбытия ионов радиофосфора не происходит. Именно поэтому критическая масса радиофосфора сильно зависит от процентного соотношения молекул и в объеме шаровой молнии. Кроме того, определенный вклад в величину дают другие процессы: вынужденное излучение в результате взаимодействия возбужденных атомов радиофосфора с фотонами, столкновения с молекулами и , в состав которых входит возбужденный атом, взаимодействие со свободными электронами и т.п.[26]

Оценим другие величины, входящие в задачу. Во-первых, из эксперимента хорошо известно, что величина для равна [153]:

с^-1 (18)

Как уже упоминалось выше, скорость - распада в связанное состояние дается соотношениями, полученными в [5]. Один из недостатков работы [5] состоит в том, что все расчеты в ней выполнены для полностью ионизованных атомов. Это приближение достаточно обоснованно, если речь идет о - распаде в связанное состояние на полностью вакантную - оболочку. Последовательный расчет функции для атома радиофосфора, в котором два электрона находятся на - оболочке, а - распад в связанное состояние происходит на - оболочку, достаточно трудоемок и не является целью настоящей работы. Кроме того, если речь идет о порядковых оценках, то логичнее опираться на сопоставление экспериментальных данных.

К сожалению, как было выяснено несколько позже, теория - распада в связанное состояние, развитая в работе [5], может существенно расходиться с экспериментом [99]. По нашим оценкам средневзвешенное значение постоянной скорости - распада радионуклидов и в связанное состояние на - и - оболочку составляет с^-1. Здесь следует отметить, что Природа позаботилась о том, чтобы у теоретиков не было больших хлопот с оценкой этой величины. Дело в том, что матричные элементы - переходов для ядер ()и ()имеют совершенно одинаковую структуру с точностью до замены электронов на позитроны, а антинейтрино на нейтрино. Энергетика этих реакций достаточно близка. Фазовые объемы конечных состояний попарно одинаковы (у - распада в связанное состояние фазовый объем конечного состояния имеет такую же структуру, как фазовый объем конечного состояния для реакции электронного захвата; фазовые объемы конечных состояний - распада и - распада в непрерывный спектр также имеют одинаковую структуру). Электронный захват и позитронный распад имеют хорошо известное отношение ветвления. Это позволяет оценить величину с учетом того, что м для [153]. Если не учитывать различий в энергетике электронного и позитронного - распада, то оказывается, что с^-1 для . Поскольку при - распаде в связанное состояние импульс антинейтрино в выходном канале несколько больше, чем при распаде в непрерывный спектр, постольку оценка с^-1 для является несколько заниженной. Аналогичный подсчет для изотопа дает оценку с^-1, т.к. для период полураспада равен с. В дождевой воде присутствует смесь изотопов и . Поэтому глазомерная оценка величины с^-1 представляется достаточно разумной.

На этой основе можно оценить один из самых важных параметров задачи – коэффициент . По своему смыслу он является константой скорости возбуждения и ионизации - оболочки атомов - квантами, образующимися при индуцированном - распаде фосфора [27].

Скорость перехода атомов в возбужденное состояние (появление вакансии на - оболочке) дается выражением. В этом соотношении не учтены конкурирующие процессы, приводящие к гибели электронных дырок, но при выводе выражения для кинетического коэффициента они нам и не требуются.

В «фотонном» приближении соотношение для можно получить следующим образом. Рассмотрим ШМ, в которой излучающие «ионы» и поглощающие атомы распределены равномерно по объему ШМ. Каждый элементарный объем (ЭО) тела ШМ является источником - квантов, имеющих энергию, достаточную для ионизации - оболочки невозбужденного атома радиофосфора, где - концентрация «ионов» радиофосфора в теле ШМ. Поэтому плотность потока фотонов, испускаемых каждым ЭО тела ШМ, вычисляется элементарно. В самом деле, плотность потока фотонов, ионизующих атомы радиофосфора, удовлетворяет уравнению непрерывности:

, (19)

откуда

(20)

Интенсивность этого потока вдоль каждого направления распространения убывает, в основном, из-за поглощения фотонов с энергией эВ невозбужденными атомами радиофосфора. Очевидно, что эта убыль описывается соотношением:

, (21)

где - длина пробега мягких рентгеновских квантов в теле шаровой молнии, - концентрация неионизированных атомов радиофосфора в воздухе, а - сечение фотоионизации - оболочки фосфора. В силу этого вдоль каждого направления распространения пучка фотонов выполняется закон Бугера:

. (22)

Но именно с выбытием фотонов связано увеличение количества «ионов» радиофосфора. Поэтому для решения поставленной задачи необходимо рассчитать полное число - квантов, поглощаемых атомами радиофосфора в теле ШМ в единицу времени. Для этого заметим, что через внешнюю поверхность ШМ в единицу времени проходит

(23)

фотонов с энергией порядка эВ. В результате подстановки формулы (20) в выражение (23) мы приходим к соотношению:

. (24)

В формуле (24) отсутствует бугеровский фактор, соответствующий процессу резонансного поглощения фотонов с эВ при их столкновениях с атомами радиофосфора, сопровождающихся появлением вакансии на - оболочке атома-мишени. Учет этого эффекта осуществляется тривиально:

. (25)

Воспользуемся приближением постоянной концентрации атомов и «ионов» радиофосфора. Тогда, в соответствии с теоремой Остроградского-Гаусса выражение (25) можно преобразовать к следующему виду:

. (26)

Разложим экспоненту, описывающую эффекты поглощения, в ряд, и ограничимся первыми членами разложения. Тогда:

, (27)

откуда с очевидностью следует, что:

. (28)

В силу того, что , выражение (28) легко преобразуется к виду:

. (29)

Интеграл в формуле (29) вычисляется аналитически. Для этого заметим, что если внутренний интеграл вычислять при фиксированном положении вектора , то в силу симметрии задачи внешнее интегрирование по угловым переменным выполняется элементарно, и коэффициент выражается через трехкратный интеграл:

. (30)

Введем безразмерный коэффициент с помощью соотношения

. (31)

Прямым расчетом можно показать, что (см. Приложение 1).

С учетом вышесказанного кинетический коэффициент примет вид:

, (32)

где - площадь поверхности ШМ, а - отношение ветвления для девозбуждения атома серы в фотонный и Оже- электронный каналы.

Полагая , м², а м², c, мы немедленно приходим к оценке с^-1 , что несколько меньше феноменологических оценок. Отсюда можно сделать вывод о том, что резонансная фотоионизация дает заметный вклад в процесс «обдирания» электронных оболочек атомов радиофосфора. Однако оценить относительную роль процессов фотоионизации и ионизации электронным ударом (если речь идет только об ионизации атомов радиофосфора от удара ускоренными Оже- электронами, т.е. о нелинейном источнике ионов, пропорциональном ; суммарный вклад от ионизации электронным ударом, безусловно, является абсолютно доминирующим за счет огромного по величине вклада линейного источника ) в настоящий момент достаточно сложно.

Скорее всего, ионизация - электронами и фотоионизация инициируют цепную реакцию, а дальше основную роль играет электронная лавина. Цепная реакция обусловлена малыми по величине нелинейными источниками, а динамическая метастабильность уровня поддерживается большим по величине линейным источником . Это утверждение можно аргументировать следующим образом. Оже-электроны, а также электроны, появившиеся в теле шаровой молнии за счет различных вторичных процессов, ускоряются до энергий, необходимых для «обдирания» - и - оболочек атомов радиофосфора за время порядка с (реально это время еще больше из-за потери энергии при столкновениях электронов с молекулами кислорода и азота). Время жизни электронной дырки на три-четыре порядка меньше ( с^-1). Но это как раз и означает, что электронным ударом можно только в среднем поддерживать динамическую метастабильность уровня , а «цепь» поддерживается за счет фотоионизации, поскольку фотоны достигают атомы-мишени гораздо быстрее (в среднем за с).

Следует сказать, что в работе [141] использовалось заниженное значение величины м². Полученные в этой работе оценки оказались внутренне непротиворечивыми только потому, что при оценке величины на основе наблюдательных данных не были учтены эффекты поглощения фотонов с энергией эВ молекулами воздуха и паров воды, а для теоретического расчета величины использовалось крайне грубое приближение «черного диска».

Заключительный штрих к данной части работы состоит в оценке энергии фотонов, осуществляющих резонансное вырывание электронов из - оболочки атома . Хорошо известно, что в нулевом приближении энергию электрона, находящегося на определенной оболочке неионизированного атома, можно оценить на основе боровской модели атома водорода. Подобный аналог формулы Бальмера, только не для частоты перехода, а для энергии связи,[28] получается относительно просто. Для этого необходимо заменить в числителе обобщенного терма заряд ядра на заряд ядра за вычетом заряда электронов, находящихся на внутренних орбитах (точечное приближение). Естественно, что столь грубая оценка существенно уступает по точности приближению Хартри-Фока. Однако в рамках используемых в настоящей работе приближений, когда оцениваются лишь порядки входящих в задачу физических величин, такой подход вполне оправдан. Если ограничиться указанной степенью точности расчетов, то разница между энергией связи электрона, находящегося на - оболочках атомов и , составляет

, (33)

где эВ – энергия связи электрона в атоме водорода, а - заряд дочернего ядра. Энергия, необходимая для резонансного вырывания электрона из - оболочки атома материнского радионуклида, подчиняется неравенству:

, (34)

где - главное квантовое число.

Двойное неравенство (34) получается следующим образом. Во-первых, заряд дочернего ядра на единицу меньше, чем заряд материнского ядра. Кроме того, на оболочке находятся 2 электрона. Поэтому в правой части неравенства присутствует эффективный заряд . В левой же части неравенства (34) фигурирует эффективный заряд . При этом к пятикратной экранировке заряда материнского ядра приводят следующие эффекты:

1)уменьшение заряда дочернего ядра на единицу в результате - распада материнского ядра;

2) экранировка ядра двумя электронами, находящимися на - оболочке;

3) экранировка ядра еще двумя электронами, находящимися на - оболочке.

Таким образом, резонансное усиление процессов фотовозбуждения и фотоионизации, сопряженных с «обдиранием» - оболочки атомов , участвующих в реакции, возможно только при условии , поскольку заряд ядра не может быть дробным числом. Кроме того, в данных расчетах число есть заряд дочернего ядра. Поэтому «под подозрением» на участие в процессе b- распада в связанное состояние (то есть, на определяющую роль в процессе образовании шаровой молнии) оказываются следующие изотопы [153]:

· , - активен, имеет период полураспада минуты;

· , - активен, имеет период полураспада часа;

· , распространенность в природе , - активен, имеет период полураспада минуты;

· , распространен в природе в весовых количествах, обнаруживается в дождевой воде, образуется в атмосфере под действием космических лучей [51, 153], - активен, имеет период полураспада дней;

Из всех перечисленных изотопов в дождевой воде обнаружены только радиоактивные изотопы фосфора. Кроме того, многие наблюдатели отмечали запах серы на месте взрыва шаровой молнии, что явно указывает на образование изотопов серы из изотопов фосфора в результате - распада. Именно эти обстоятельства заставляют предположить, что основным «горючим материалом» шаровой молнии являются именно изотопы и , а остальные изотопы дают некий, пока что трудно оцениваемый вклад в цепную реакцию - распада в связанное состояние.

2.2. Эмпирические свойства шаровой молнии

2.2.1. Энергетические оценки

Для того чтобы проверить объяснительные свойства предложенной феноменологической модели шаровой молнии, проделаем дополнительный анализ. Вначале приведем энергетические оценки, основанные на описаниях очевидцев. Согласно этим описаниям шаровая молния, попавшая в ведро с дождевой водой, нагрела эту воду до температуры порядка С. Вода, как известно, в 1000 раз плотнее воздуха. Поэтому в ведре дождевой воды, в которой произошла цепная субатомная реакция, содержалось примерно атомов радиофосфора[29].

Предположим, что при попадании ШМ в ведро с дождевой водой распалось около 10% ядер радиофосфора, после чего течение самоподдерживающейся реакции прекратилось из-за сильного поглощения в воде электронов и мягкого рентгеновского излучения, за счет которых инициируется реакция - распада в связанное состояние. Это связано с тем, что, длина свободного пробега электронов, ускоренных электрическим полем и - квантов с энергией в эВ в воде намного меньше, чем в воздухе. Сильное поглощение этих электронов и фотонов приводит к тому, что для инициации реакции в воде обязательно нужен внешний источник – «налетающая шаровая молния». Кроме того, в воде присутствует только фосфорная кислота и ее соли, а пятиокиси фосфора в водном растворе фосфорной кислоты нет. Следовательно, в воде невозможно стационарное течение реакции, ибо коэффициент в этом случае близок к нулю [145]. Поэтому в описанном в литературе случае ведро воды нагрелось по объему за счет наведенной, а не самоподдерживающейся реакции - распада в связанное состояние.

При каждом акте - распада в связанное состояние выделяется порядка КэВ энергии в виде энергии фотонов, кинетической энергии Оже- электронов и дополнительной кинетической энергии дочернего ядра, принимающего на себя импульс отдачи. Кроме того, небольшой вклад в общий энергетический баланс вносит экзотермическая реакция растворения серной кислоты в воде. Более аккуратный расчет показывает, что при каждом акте b- распада в связанное состояние выделяется КэВ полезной энергии.

При - распаде в непрерывный спектр электрон уносит до МэВ энергии, поскольку граница энергетического спектра - электронов для радиофосфора приходится на МэВ. Кроме того, часть энергии уносит антинейтрино.

Согласно общеизвестным данным, приведенным в работе [125],

. (35)

Однако в нашем случае на канал - распада в непрерывный спектр приходится не более 50% выхода полезной энергии. Поэтому при оценке порядков величин мы не будем его учитывать, поскольку в рамках настоящей работы мы не можем претендовать на то, что расчеты выполнены с точностью до фактора 2.

Предположим, что в ведре содержалось 5 литров воды. Нагрелась она примерно на (речь идет только о порядках величин). Это означает, что термодинамическая оценка величины выделившейся энергии по макроскопическому проявлению реакции равна:

Дж. (36)

Соответствующая микроскопическая оценка этой величины :

Дж, (37)

где , число распадов, а - среднее количество полезной энергии, выделяющейся при каждом распаде[30]. Совершенно очевидно, что оценки (36) и (37) совпадают. Глазомерная оценка также говорит о том, что взрыв шаровой молнии происходит, только тогда, когда . Все перечисленные оценки хорошо согласуются с данными работ [145, 146].

2.2.2. Кинетика физических процессов внутри шаровой молнии

Поскольку все приведенные выше оценки согласуются с законом сохранения энергии, законом сохранения заряда и другими фундаментальными законами физики, постольку имеет смысл провести детальный анализ следствий, вытекающих из предложенной модели.

Рассмотрим систему уравнений (10) в приближении , , . То есть будем считать, что число невозбужденных атомов радиоизотопа в загоревшемся объеме шаровой молнии быстро убывает, в основном, за счет процессов возбуждения и ионизации, а возрастает за счет спонтанных и вынужденных переходов электронов на вакансии в - и - оболочках () весьма вяло. Кроме того, предположим, что внешние источники радиофосфора в значительной степени компенсируют выгорание радиофосфора, причем убыль «ионов» радиофосфора идет с той же скоростью, что и их поступление в зону реакции (по порядку величины , где ). В этом случае исходная система уравнений существенно упрощается. Величина интереса не представляет, а величины и подчиняются системе уравнений

(38)

где - порог реакции. Шаровая молния самопроизвольно загорается, если выполняется условие . По статистике это происходит в 6% случаев [161]. В приводимых ниже оценках порог реакции во внимание не принимается.

Система уравнений (38) может быть проанализирована следующим образом. Из первого уравнения этой системы вытекает, что

, (39)

где

. (40)

Т.е. второе уравнение системы (38) можно представить в виде:

. (41)

Введем величину

(42)

и перепишем уравнение (41) как:

. (43)

Если величина настолько мала, что , то горение шаровой молнии, даже если оно началось, очень быстро прекращается из-за быстрого нарастания затухания. Такова, в частности, судьба искр, отлетающих от тела шаровой молнии в разные стороны.

Стационарному горению соответствует ситуация, когда

. (44)

Это условие с высокой степенью точности выполняется, пока справедливо неравенство

. (45)

Таким образом, мы снова приходим к оценке (14) для величины .

Перейдем к анализу нестационарных эффектов. Если за счет наличия источника величина становится настолько большой, что при имеет место неравенство:

, (46)

то начинает выполняться условие

, (47)

причем величина становится существенно зависящей от времени. В этом случае начинается лавинообразное нарастание величины по закону

. (48)

Число возбужденных и ионизированных атомов фосфора, у которых ободрали - или - оболочку, экспоненциально растет до тех пор, пока мы не дойдем до равновесного значения , соответствующего выполнению условия . Однако, в отличие от ситуации стационарного горения, в этом случае величина , задаваемая соотношением (45), отнюдь не мала. Это приводит к тому, что, начиная с момента времени , являющегося корнем уравнения:

, (49)

нарастание величины за счет процессов ионизации прекращается. Начинается лавинообразное падение величины , как за счет - распада в связанное состояние и в континуум, так и за счет атомных процессов (рекомбинация, заполнение - и - оболочек () за счет перехода на них электронов из - оболочки, испускание Оже-электронов и т.п.). С физической точки зрения это означает, что процессы высвобождения накопленной энергии становятся лавинообразными, и шаровая молния взрывается. Таким образом, тихое угасание или взрыв шаровой молнии зависят от того, достаточно ли содержится радиофосфора в объеме шаровой молнии для ее стационарного горения. Если изотопа () в области протекания реакции недостаточно, то она гаснет. Если радиофосфора хватает, то идет процесс стационарного горения. Если имеет место избыток реагирующего вещества, то молния взрывается. При этом бифуркационным параметром задачи является величина - количество ядер () в объеме шаровой молнии в некоторый момент времени . Особо отметим, что в качестве может выступать любой момент разряда шаровой молнии, в который по тем или иным причинам в зону горения поступает дополнительное количество изотопа () и процесс приобретает характер неуправляемой цепной реакции (вклад внешнего источника превышает критическое значение)[31].

2.2.3. Общеизвестные свойства ШМ

В классическом обзоре Б.М. Смирнова [161] приводятся многие свойства шаровой молнии. Остановимся на некоторых из них: «Шаровая молния обладает электрическими свойствами. По этому вопросу нет четкой статистики. Ряд случаев такого рода описан И.П. Стахановым [166]. Действие шаровой молнии на человека, как правило, подобно действию на него электрического тока. Она может вызвать временное онемение или паралич части тела. Согласно Григорьеву [102] в 3 случаях его коллекции сообщается об ожогах от шаровой молнии, подобных действию ультрафиолетового излучения».

В рамках предлагаемой теории эти свойства ШМ воспроизводятся естественным образом. Интенсивный выброс электронов при обычном - распаде приводит к тому, что тело шаровой молнии является сильно заряженным. За 1 секунду она теряет заряд примерно Кл (при оценках предполагается, что суммарная активность ШМ составляет порядка Кюри). В результате электрический потенциал поверхности шаровой молнии за 1 секунду возрастает примерно на В.

В силу этого электрический разряд в воздухе вокруг радиоактивного облака, содержащего химические соединения радиофосфора, наступает за время ~ 1 секунды. Именно этот электрический разряд приводит к тому, что электрический потенциал поверхности шаровой молнии не превосходит напряжения пробоя влажного воздуха при нормальных условиях. Большой по величине положительный заряд тела шаровой молнии работает как электростатический пылесос. Электрические силы собирают из окружающего пространства мельчайшие отрицательно заряженные капли электролита, представляющего собой слабый раствор радиофосфорной кислоты H₃PO₄ и ее солей, и подпитывая, таким образом, запасы радиофосфора в области протекания цепной субатомной реакции индуцированного - распада ядер радиофосфора в связанное состояние.

Мелкие капельки радиоактивного электролита (в ряде случаев, аэрозоля) как правило, заряжены отрицательно. Согласно некоторым оценкам мельчайшая капелька, содержащая десять миллионов молекул воды на тысячу молекул фосфорной кислоты (или ее солей), имеет отрицательный заряд, равный заряду электрона. При b- распаде один электрон уходит «на бесконечность». Капелька становится электрически нейтральной. Она может слиться с другой такой же электрически нейтральной капелькой. Интенсивность выброса электронов растет по мере увеличения концентрации радиофосфора в воздушно-капельной смеси. Образуется положительно заряженный зародыш, который начинает собирать из окружающего пространства отрицательно заряженные микрокапли слабого раствора радиофосфорной кислоты и ее химических соединений[32].

На рис. 4 представлена фотография природной шаровой молнии, размещенная в ИНТЕРНЕТе.

Рис. 4. Фотография природной ШМ[33]

Как видно из этого рисунка, ШМ не имеет резкой границы, поскольку она собирает радиофосфор из окружающего пространства. Именно этим она резко отличается от низкоэнергетической лабораторной шаровой молнии профессора Г.Д. Шабанова.

Процесс образования «заготовок» для ШМ может идти на разных высотах. В частности, в грозу радиофосфор вместе с дождевой водой вначале попадает на землю, и только потом восходящими воздушными потоками выносится на высоту нескольких метров или десятков метров, где и собирается в заготовки для шаровых молний. В ясную же погоду облако, содержащее химические соединения радиофосфора, медленно опускается на землю под действием силы тяжести.

Как отмечалось выше, заряд ШМ, создавая высокий электрический потенциал, вызывает «тихий электрический разряд при атмосферном давлении или периферийное свечение электронного пучка с энергией в несколько десятков килоэлектронвольт, попадающего из вакуумной трубки в воздух при обычном давлении» [108].

Именно этот процесс в течение продолжительного времени заставлял ученых искать причины появления шаровой молнии в рамках стандартной физики электрического разряда в газах.

Особо обсудим тот факт, что электрический разряд при горении ШМ представляет собой макроскопическое квантовое явление – коллективный вторичный эффект при - распаде нейтронноизбыточных радионуклидов. Этот эффект возникает лишь в том случае, когда химические соединения упомянутых радионуклидов присутствуют в воздухе в виде газа, тумана или аэрозоля, и образуют компактные радиоактивные облака. При этом удельная активность такого облака должна быть выше критической и составлять не менее 0.1 Кюри/см³. В этом случае центральная часть облака является источником тока силой мкА, создаваемого - электронами с энергией порядка 1 МэВ, и несет на себе большой по величине положительный электрический заряд. Сильное электрическое поле, создаваемое этим зарядом, вызывает электрический разряд в газе (воздухе, окружающем сердцевину ШМ), предварительно ионизованном - излучением и фотонами «встряхивания». Кроме того, из-за высокой степени ионизации вещества внутри ШМ в ней начинается самоподдерживающаяся цепная реакция индуцированного - распада в связанное состояние, которая при высоких концентрациях радиоизотопов может принимать взрывной характер. Данный тип коллективных вторичных эффектов при - распаде на сегодняшний день не описан в литературе (если только не считать работ автора настоящего обзора).

Что касается ожогов от ультрафиолетового излучения, то необходимо отметить, что фотоны с энергией эВ относятся либо к мягкому рентгену, либо к жесткому ультрафиолету (условная граница раздела по шкале электромагнитных волн). Именно это излучение и вызывает ожоги. Отметим, что это свойство ШМ не объясняет ни одна из альтернативных моделей, включая весьма современные и вполне профессионально разработанные теории (см. например, [78]).

На основании вышесказанного можно оценить светимость шаровой молнии. Очевидно, что в рамках сделанных допущений в теле ШМ за одну секунду происходит примерно - распадов ядер радиофосфора в связанное состояние. При этом выделяется приблизительно Дж полезной энергии. Примерно такой же энергетический вклад дают процессы - распада в непрерывный спектр. То есть, шаровая молния должна светиться, как не очень яркая электрическая лампочка. Это утверждение вполне согласуется с наблюдательными данными. Кроме того, из анализа совокупности наблюдательных данных следует, что в оценочных расчетах рассматривалась не очень большая, и не очень яркая молния.

Тот факт, что шаровая молния может иметь различные цвета, связан, в первую очередь, с вариабельностью химического состава радиоактивного электролита. Если в теле молнии достаточно много таких солей радиофосфорной кислоты, как фосфорнокислый натрий или фосфорнокислый калий, то наблюдатель, скорее всего, увидит оранжевую молнию, а фосфорнокислый магний придаст этому «природному самосветящемуся образованию» белую или фиолетовую окраску.

Многочисленные наблюдатели отмечали, что шаровая молния часто летит против ветра. Это связано с тем, что горючий материал (радиофосфор) в зону протекания реакции наносится именно воздушными потоками и электростатическим взаимодействием. Перемещение шаровой молнии связано с конвекцией лишь в той мере, в которой электростатическое взаимодействие затягивает отрицательно заряженные капли электролита, содержащего , в область протекания реакции. Зона горения (свечения) смещается туда, где радиофосфора больше. Ведь «спичкой» для «зажигания» радиофосфора служат - кванты с энергией порядка 400 эВ[34], на которые ветер никак не влияет. Электроны, разогнанные электростатическим полем тела ШМ и вследствие этого ионизирующие атомы радиофосфора при столкновениях с ними, также достаточно слабо реагируют на ветер.

Особенно поражает воображение способность ШМ проникать через стекло. Это происходит в том случае, когда радиофосфор содержится по обе стороны стекла. При приближении сгустка радиоактивной плазмы к стеклу электростатические силы начинают собирать пары радиоактивного вещества за стеклом в компактное облачко. Вылетающие из тела шаровой молнии - электроны тормозятся в стекле. Возникающее при этом тормозное рентгеновское излучение зажигает цепную реакцию по другую сторону стекла. При этом на стекле остаются следы взаимодействия. На рис. 5 показан стеклянный диск диаметром около 8 сантиметров, выбитый шаровой молнией из окна дома в городе Щелково. Это свойство ШМ наблюдается очень редко, однако именно оно однозначно верифицирует теорию, изложенную в настоящей работе.

Рис. 5. Шаровая молния проходит сквозь стекло

Взрыв шаровой молнии часто происходит при столкновении с твердыми предметами. Все дело в том, что в зонах затишья воздушных потоков скапливается радиофосфор и реакция приобретает взрывной характер.

Способность шаровой молнии проникать сквозь узкие щели становится очевидной, как только мы вспоминаем, что в зонах затишья воздушных потоков и на поверхностях щелей (в дверях, окнах, замочных скважинах) скапливается радиофосфор. Сквознячок, вызванный перепадом давления и электростатическими силами, затягивает мельчайшие капли радиоактивного электролита, содержащего радиофосфор, сквозь щели навстречу налетающей ШМ. Геометрический центр области горения следует в направлении увеличения концентрации радиофосфора. То есть имеет место полет ШМ «против ветра». Многочисленные очевидцы описывают это явление так. Шаровая молния подходит к отверстию и выбрасывает впереди себя длинный светящийся шнур, который как бы нащупывает дорогу к отверстию, а потом втягивается в него. Дело в том, что воздушная струйка, содержащая радиофосфор, вытягивается ШМ из отверстия электростатическими силами. Реакция бежит вдоль этой струйки, как огонь по бикфордову шнуру.

Шаровая форма молнии связана с тем, что кулоновское взаимодействие, которое собирает из окружающего пространства отрицательно заряженные капли радиоактивного электролита в область протекания реакции, обладает сферической симметрией. Кроме того, интенсивность излучения, инициирующего реакцию, падает обратно пропорционально квадрату расстояния от центра. Плотность радиофосфора также уменьшается по мере удаления от геометрического центра ШМ. Как только произведение концентрации радиофосфора на плотность ионизирующего излучения становится меньше критического значения, реакция гаснет.

Один из количественных критериев, позволяющих оценить видимые размеры шаровой молнии, имеет вид

, (50)

где - интенсивность излучения - квантов с энергией эВ; - концентрация в атмосфере; - сечение фотоионизации - оболочки атома . Реакция является самоподдерживающейся, если условие (50) выполняется. Если оно не выполняется, то реакция затухает. Величина в правой части соотношения (50) есть критическое значение параметра задачи. Этот параметр может быть выражен через кинетические коэффициенты , , входящие в уравнения феноменологической модели шаровой молнии.

Строго говоря, условие (50) зажигания цепной реакции индуцированного - распада в связанное состояние недостаточно корректно. В нем не учтен вклад процессов ионизации атомов радиофосфора электронным ударом, который на много порядков больше, чем вклад от процессов фотоионизации. Однако как уже отмечалось выше, за «цепь» отвечают именно процессы фотоионизации и ионизации ударом Оже- электронов, ускоренных электрическим полем ШМ. Именно поэтому условие (50) выполняется с достаточной степенью точности.

Полет ШМ молнии сопровождается треском и шипением. Все дело в том, что электрический разряд в воздухе, вызванный высоким электрическим потенциалом тела ШМ молнии, сопровождается характерными звуками. Достаточно вспомнить школьные опыты с электрофорной машиной.

Предпочтительное загорание шаровой молнии на проводниках связано тем, что она имеет большой электрический заряд, и, следовательно, притягивается к металлическим предметам.

Предпочтительное появление в грозовую погоду связано с тем, что радиофосфор относится к короткоживущим изотопам. Интенсивные вертикальные воздушные потоки и капли дождя доставляют радиофосфор к поверхности Земли до того, как он распался.

Широко известный факт присутствия на месте взрыва ШМ кусочков дерева, смолы или дегтя объясняется электростатическим взаимодействием. Все дело в том, что пондеромоторные силы захватывают мелкие кусочки диэлектрических материалов во время пролета над ними ШМ.

Имеется немало случаев ожогов, полученных людьми при встрече с ШМ. В частности, описаны случаи ожога кожи под обручальным кольцом. Радиоизотопная теория легко объясняет и этот факт. Излучение «встряхивания» при - распаде содержит значительную по величине СВЧ- компоненту. Вихревые токи в обручальном кольце, наводимые СВЧ- излучением, нагревают его и вызывают ожоги человеческого тела.

Аналогично объясняются все остальные эмпирические свойства шаровой молнии. Достаточно полная сводка свойств ШМ, объясняемых в рамках радиоизотопной теории, приведена в разделе spectatum crucis. Дополнительные сведения о свойствах ШМ приведены в Приложении 5.

2.2.4. Уникальные наблюдательные данные

При переходе от анализа общеизвестных свойств ШМ к обзору уникальных наблюдательных данных, уместно привести обширную цитату из классического обзора Б.М. Смирнова [161]:

«В качестве курьезного примера такого рода приведем следующее. В газете «Комсомольская правда» от 5 июля 1965 г. была опубликована заметка «Огненный гость», в которой описано поведение шаровой молнии с поперечником примерно 30 см, наблюдавшейся незадолго перед этим в Армении. В статье, в частности, сказано: «Покружившись по комнате, огненный шар проник через открытую дверь на кухню, а затем вылетел в окно. Шаровая молния ударилась во дворе о землю и взорвалась. Сила взрыва была так велика, что стоявший метрах в пятидесяти глинобитный домик рухнул. К счастью, никто не пострадал». По поводу поведения этой шаровой молнии был послан запрос в управление гидрометслужбы Армянской ССР. В ответе было сказано, что шаровая молния действительно наблюдалась. Описан характер движения шаровой молнии в квартире, который не имел никакого отношения к тексту «Комсомольской правды». В конце ответа сказано: «Что же касается описанного глинобитного дома, то эта полуразвалина никакого отношения к шаровой молнии не имеет». К сожалению, на этом дело не кончилось. Сообщение корреспондента «Комсомольской правды» легло в основу оценки энергии шаровой молнии, что составило порядка ккал (энергия тонны взрывчатки!). Эта оценка учитывалась во многих публикациях по энергетике шаровой молнии, в том числе в книгах [85, 155]. Поскольку наблюдений, по которым можно оценить энергию шаровой молнии, не очень много, то такая публикация является неприятной дезинформацией».

Эту проблему имеет смысл обсудить отдельно. При взрыве шаровой молнии образуется мощный поток фотонов (когерентное излучение, т.е. импульс рентгеновского лазера) с энергией эВ. Эти фотоны вполне могли инициировать реакцию индуцированного - распада радиофосфора, содержащегося в дождевой воде, пропитавшей глинобитный домик. Соответствующие расчеты показывают, что мощность такого индуцированного взрыва соответствует примерно 1 кг в тротиловом эквиваленте. Этого более чем достаточно, чтобы полностью развалить домик. А ударная волна от взрыва ШМ здесь вообще ни при чем. У С. Сингера и Дж. Барри тонна взрывчатки получалась в предположении, что домик был развален взрывной волной. Для того чтобы взрыв, произошедший в пятидесяти метрах от дома, даже не очень прочного, развалил строение своей ударной волной, и тонны тротила может не хватить. Однако всего одного килограмма тротила, распределенного по стенам и крыше маленького глинобитного домика, для этих целей вполне достаточно. Даже с избытком!!! К этому необходимо добавить, что согласно [161] примерно 50% ШМ заканчивает свое существование взрывом, однако наблюдатели не отмечают появления взрывной волны. В то же время попадание ШМ в реку вызывало появление высокого фонтана брызг, отмечались случаи выворачивания участков асфальта из мостовой и расщепления бревен на причале. То есть, согласно многочисленным наблюдательным данным шаровая молния буквально «нашпигована» энергией.

В моей личной коллекции случаев наблюдения ШМ имеется рассказ доцента В.В. Максимова, согласно которому ШМ расщепила яблоню, стоявшую в саду возле его дома. Все это хорошо укладывается в приведенные выше энергетические оценки, сделанные в предположении о том, что ШМ имеет радиоизотопную природу.

В дополнение к вышесказанному приведем уникальные наблюдательные данные Александра Сорокина[35]: «Приблизительно в 1988-89 гг. в районе г. Паланги двое погранцов (пограничников) забрались в будку (внутри был закреплен ящик экспериментальной сигнализации) от дождя и грозы. Влетела шаровая молния (размер с апельсин). Некоторое время они пристально смотрели на неё, пока та не взорвалась, коснувшись стальной дверки ящика сигнализации. Солдаты почти не пострадали, только неделю были ослепшие. Когда зрение вернулось, они из любопытства сходили в будку, где у них была встреча с ШМ. На месте взрыва молнии на стальной дверке желтело пятно размером с пятак (за неделю от влаги появилась ржавчина). Внутри электронная схема сплавлена и разрушена. Посмотрели на дверку изнутри и тоже обнаружили пятно, а так как в будке было темно, то светили фонариком. На просвет в пятне, к своему изумлению, ребята обнаружили мельчайшие отверстия. Их было так много, и они были такие мелкие, что выглядело это как звездное небо. При толщине стенки 1-1,5 мм и диаметре отверстий в 0,05-0,1 мм выглядели они как аккуратно просверленные или прожженные каналы. Более тщательному исследованию эти артефакты, к сожалению, не подвергались. Молодым солдатам это не пришло в голову, им надо было объясняться с командирами за испорченное оборудование, текучка и т.д.».

С точки зрения радиоизотопной теории события развивались следующим образом. В момент взрыва ШМ ионы серы, образовавшиеся за счет - распада ядер радиофосфора, вбило в металл электрическое поле. Это произошло из-за того, что ионы серы разгоняются электрическим полем ШМ до очень приличных энергий (десятки и сотни КэВ). В теле ШМ содержится не менее 0.5 мг радиофосфора. В каплях воды на стенке будки радиофосфора тоже было предостаточно. Качество металла, из которого сделана будка, нам неизвестно, но, почти наверняка, это была низкосортная сталь (скорее всего, СТ-3). Так что водный раствор смеси серной и фосфорной кислот протравил отверстия вдоль треков, оставленных ионами. Кроме того, имела место обычная коррозия металла.

Что касается временной слепоты пограничников, то это был результат офтальмии – ультрафиолетового ожога сетчатки глаза. Ребята еще легко отделались. Могли ослепнуть навсегда, как это было со знаменитой болгарской прорицательницей бабой Вангой. Несколько минут полета внутри торнадо – и вечная слепота. С изотопами шутки плохи…

Очевидно, что ни одна из альтернативных теорий ШМ не в состоянии объяснить приведенные наблюдательные данные Александра Сорокина.

Не менее уникальный случай столкновения с ШМ произошел на Западном Кавказе: «Но вот в горах Западного Кавказа 17 августа 1978 года произошел трагический и загадочный случай[36]. Пять альпинистов спускались с вершины горы Трапеция и остановились на ночлег на высоте 3900 метров. Вот что я услышал от мастера спорта международного класса по альпинизму В. Кавуненко, когда навестил его в госпитале. "Проснулся я от странного ощущения, что в палатку проник кто-то посторонний. Высунул голову из мешка и от удивления замер. Около метра от пола висел ярко-желтый шар размером с теннисный мяч. "Что это такое, откуда взялось?" - подумал я и хотел поднять тревогу. Но не успел я крикнуть, как шар исчез в спальном мешке Коровина. Раздался дикий крик, а огненный "пришелец" выскочил и начал плавно ходить над остальными спальниками, скрываясь по очереди то в одном, то в другом. И каждый раз следовал душераздирающий вопль спящего. Скованные непонятной силой, без движения, словно парализованные, мы лежали в своих мешках. Когда шар проник и в мой мешок, я почувствовал дикую боль, словно меня жгли сварочным аппаратом, и потерял сознание. Через какое-то время, придя в себя, я увидел все тот же желтый шар, который методически, соблюдая только ему известную очередность, проникал в мешки, и каждое такое посещение вызывало отчаянный человеческий крик. Так повторилось несколько раз. Положение было ужасное. Когда я вновь пришел в себя, кажется, в пятый или шестой раз, дьявольского шара в палатке не было. Все еще находясь в мешке, я не мог пошевелить ни рукой, ни ногой. Тело горело, оно все превратилось в очаг чудовищной боли. И опять я потерял сознание...

В больнице, куда нас доставили вертолетом, у меня насчитали семь ран. То были не ожоги: куски мышц оказались вырванными до костей. В таком же состоянии были мои друзья Шитинин, Башкиров, Карпов. Пятого альпиниста, Олега Коровина, этот огненный шар убил. Возможно, оттого, что его спальный мешок лежал на резиновом матраце и был изолирован от земли. В нашей палатке, зашнурованной изнутри, находились радиостанция, альпенштоки, свернутый трос и другие металлические вещи. Но шаровая молния не тронула ни одного предмета, изуродовав только людей. Странный это был визитер. Казалось, он сознательно, злобно, как настоящий садист, издевался над нами, предавая страшной пытке",- закончил свой рассказ Кавуненко. Я спросил у него, какая погода была в эту ночь. - Было облачно, но без признаков приближения грозы. Мы, оставшиеся в живых, не раз раньше видели, как появляются шаровые молнии в горных районах. И мы уверены, что пытке нас подвергло нечто иное.- А что же?- Не знаю. Шаровые молнии я наблюдал не раз. Они появлялись или перед грозой, чаще после нее и, как правило, быстро исчезали. А этот огненный шар находился в палатке и буквально издевался над нами. Нет, это была не шаровая молния. Это было что-то другое... К сожалению, никто из нас не заметил, когда и как этот грозный пришелец убрался восвояси.- Может быть, это была разновидность НЛО? - Право, не знаю. Все может быть. "Летающих тарелок" никогда не видел, хотя наслышан о них немало... Позже я познакомился с выводами специальной комиссии по этому трагическому случаю в горах Кавказа, которая признала все-таки в загадочном "пришельце" шаровую молнию. Вот таков строптивый и непонятный характер шаровой молнии. До сих пор, несмотря на множество научных гипотез, очень умных и, казалось бы, неопровержимых, не удалось мало-мальски убедительно объяснить ее происхождение и "цели" появления на земле и в воздухе».

Здесь, как принято говорить, комментарии излишни. Мощный поток электронов с энергией, превышающей 1 МэВ, вырывающихся из тела ШМ, сообщал мягким тканям человеческого тела отрицательный заряд. Электропроводность мягких тканей не слишком высока. Не успевший рассосаться электрический заряд взаимодействовал с положительно заряженным телом ШМ. В результате электростатическое взаимодействие вырывало куски мяса из тел туристов… Естественно, что ни одна альтернативная теория ШМ объяснить этот случай не в состоянии…

В дополнение к сказанному отметим, что самого пристального внимания заслуживает история ивдельской трагедии, в которой произошла встреча «огненной гостьи» с туристами. Именно при расследовании причин гибели группы Дятлова на горе Отортен в результате столкновения со стихийным природным явлением было обнаружено наличие короткоживущих изотопов на одежде жертв. И, самое главное, результаты расследования не вызывают сомнений, поскольку следствие велось с пристрастием и под личным контролем главы государства (Н.С. Хрущева). Именно поэтому повествование об ивдельской трагедии выделено в отдельный параграф.

2.2.5. Гора мертвецов

Ниже приведены обширные цитаты из статьи С. Богомолова «Тайна огненных шаров»[37]. Объем этой статьи очень велик, поэтому далее мелким шрифтом и курсивом следуют выдержки из нее.

…ПОГИБШАЯ ГРУППА

…Вот как выглядит описание похода группы И. Дятлова, составленное Е. Базяевой, В. Рябковым и А. Коськиным. В январе 1959 года группа туристов УПИ в составе 10 человек отправляется в поход по Северному Уралу. Заявлен маршрут III (в то время высшей) категории сложности. Маршрут достаточно трудный, но, в общем-то, обычный для Северного Урала. В наше время каждый год много групп проходят гораздо более сложные маршруты. Район похода представляет собой громадные безлюдные пространства, покрытые тайгой.

…Группа установила палатку на лежащие лыжи (для теплоизоляции, чтобы снег не таял и не мочил дно палатки, одеяла). Весьма грамотно. И тут случилось что-то, что заставило их срочно панически бежать из палатки. Когда это случилось - вечером, ночью или утром? Экспертиза позже установила - прием пищи за 6-8 часов до момента смерти. Это мог быть как обед, так и ужин. Скорее, ужин, так как люди разделись, они уже легли спать.

…СТИХИЙНАЯ СИЛА?

Далее, наверное, надо обратиться к сухому языку протокола, вернее, к постановлению о прекращении дела: "...Возвратившись 31.01.59 года... в долину р. Ауспии и зная о трудных условиях рельефа высоты "1079", куда предполагалось восхождение, Дятлов как руководитель группы, допустил грубую ошибку, выразившуюся в том, что группа начала восхождение 1.02.59 г. только в 15.00. В последующем по лыжне туристов, сохранившейся к моменту поисков, удалось установить, что, продвигаясь к долине четвертого притока реки Лозьвы, туристы приняли на 500-600 м левее и вместо перевала, образуемого вершинами "1079" и "880", вышли на восточный склон вершины "1079". Это была вторая ошибка Дятлова. Использовав светлое время дня на подъем к вершине "1079" в условиях сильного ветра, что является обычным в данной местности, и низкой температуры порядка 25- 30°С, Дятлов оказался в невыгодных условиях ночевки и принял решение разбить палатку на склоне вершины "1079", с тем чтобы утром следующего дня, не теряя высоты, пройти к горе Отортен, до которой по прямой оставалось около 10 км. В одном из фотоаппаратов сохранился фотокадр (сделанный последним), на котором изображен момент раскопки снега для установки палатки. Учитывая, что этот кадр был снят с выдержкой 1/25 сек. при диафрагме 5,6 при чувствительности пленки 65 Ед. ГОСТ, а также принимая во внимание плотность кадра, можно считать, что к установке палатки приступили около 5 часов вечера 1.02.59 г. Аналогичный снимок сделан и другим аппаратом. После этого времени ни одной записи и ни одного фотоснимка не было обнаружено. Согласно протоколу маршрутной комиссии руководитель группы Игорь Дятлов 12.02.59 г. должен был телеграфно донести спортклубу УПИ и комитету физкультуры (тов. Уфимцеву) о прибытии в поселок Вижай. Поскольку контрольный срок - 12.02.59 г. прошел, а сведений от группы не поступило, туристы, близко знавшие Дятлова, стали настойчиво требовать принятия мер по розыску, и 20.02.59 г. руководством института по маршруту Дятлова была отправлена поисковая группа, а затем еще несколько групп. В дальнейшем на поиски были направлены солдаты и офицеры МВД, самолеты и вертолеты гражданской и военной авиации. 26 февраля 1959 г, на восточном склоне вершины "1079" была обнаружена палатка группы со всем снаряжением и питанием в ней. Палатка и все то, что находилось в ней, хорошо сохранились. Осмотр палатки показал, что она поставлена правильно и обеспечивала ночлег туристам. В палатке постелены 2 одеяла, рюкзаки, штормовые куртки и брюки. Остальные одеяла были скомканы и смерзлись. На одеяле обнаружено несколько кусочков шкурки от корейки. Расположение и наличие предметов в палатке (почти вся обувь, вся верхняя одежда, личные вещи и дневники) свидетельствовали о том, что палатка была оставлена внезапно одновременно всеми туристами, причем, как установлено в последующем криминалистической экспертизой, подветренная сторона палатки, куда туристы располагались головами, оказалась разрезана изнутри в двух местах, на участках, обеспечивающих свободный выход человека через эти разрезы. Ниже палатки на протяжении до 500 метров на снегу сохранились следы людей, идущих от палатки в долину и в лес. Следы хорошо сохранились, и их насчитывалось 8-9 пар. Осмотр следов показал, что некоторые из них оставлены почти босой ногой (например, в одном х/б носке), другие имели типичное отображение валенка, ноги, обутой в мягкий носок, и т. п. Дорожки следов располагались близко одна к другой, сходились и вновь расходились недалеко одна от другой. Ближе к границе леса следы исчезли - оказались занесенными снегом. Ни в палатке, ни вблизи нее не было обнаружено следов борьбы или присутствия других людей. 26.02.59. в 1500 метрах от палатки, у границы леса, обнаружены остатки костра, а около него раздетые до нижнего белья трупы Дорошенко и Кривонищенко. В 300 метрах от костра, в направлении к палатке, обнаружен труп Дятлова, еще в 180 м от него - труп Слободина, а в 150 м от Слободина - труп Колмогоровой. Последние три трупа расположены на прямой от костра к палатке. Дятлов лежал на спине, головой в сторону палатки, рукой обхватив ствол небольшой березы. Слободин и Колмогорова лежали лицом вниз, поза их свидетельствовала о том, что они ползли к палатке. В карманах Колмогоровой, Дятлова и Слободина обнаружены деньги, личные вещи (авторучки, карандаши и т. п.). На левой руке Слободина, откинутой в сторону, обнаружены часы, которые показывали 8 часов 45 минут. Часы Дятлова показывали 5 часов 31 минуту. Судебно - медицинской экспертизой установлено, что Дятлов, Дорошенко, Кривонищенко и Колмогорова скончались от действия низкой температуры (замерзли), ни один из них не имел телесных повреждений, не считая мелких царапин и ссадин. Слободин имел трещину черепа длиной 6 см, которая разошлась до 0,1 см, но умер Слободин от охлаждения. 4 мая 1959 г. в 75 метрах от костра, по направлению к долине четвертого притока р. Лозьвы, т. е. перпендикулярно к пути движения туристов от палатки под слоем снега в 4-4,5 метра, обнаружены трупы Дубининой, Золотарева, Тибо - Бриньоля и Колеватова. На трупах, а также и в нескольких метрах от них обнаружена одежда Кривонищенко и Дорошенко - брюки, свитеры. Вся одежда имеет следы ровных разрезов, т. к. снималась уже с трупов Дорошенко и Кривонищенко. Погибшие Тибо-Бриньоль и Золотарев обнаружены хорошо одетыми, хуже одета Дубинина - ее куртка из искусственного меха и шапочка оказались на Золотареве, разутая нога Дубининой завернута в шерстяные брюки Кривонищенко. Около трупов обнаружен нож Кривонищенко, которым срезались у костра молодые пихты. На руке Тибо обнаружено двое часов - одни из них показывают 8 часов 14 минут, вторые - 8 часов 39 минут. Судебно-медицинским вскрытием трупов установлено, что смерть Колеватова наступила от действия низкой температуры (замерз). Колеватов не имеет телесных повреждений. Смерть Дубининой, Тибо-Бриньоля и Золотарева наступила в результате множественных телесных повреждений. У Дубининой имеется симметричный перелом ребер: справа 2, 3, 4, 5 и слева 2, 3, 4, 5, 6, 7. Кроме того, обширное кровоизлияние в сердце. Тибо-Бриньоль имеет обширное кровоизлияние в правую височную мышцу, соответственно ему - вдавленный перелом костей черепа размером 3 - 7 см, с дефектом кости 3х2 см. Золотарев имеет перелом ребер справа 2, 3, 4, 5 и 6 по окологрудной и среднеключичной линии, что и повлекло его смерть. Произведенным расследованием не установлено присутствия 1 и 2 февраля 1959 года в районе высоты "1079" других людей, кроме группы туристов Дятлова. Установлено также, что население народности манси, проживающее в 80-100 км от этого места, относится к русским дружелюбно, предоставляет туристам ночлег, оказывает им помощь и т. п. Место, где погибла группа, в зимнее время считается у манси непригодным для охоты и оленеводства. Учитывая отсутствие на трупах наружных телесных повреждений и признаков борьбы, наличие всех ценностей группы, а также принимая во внимание заключение судебно-медицинской экспертизы о причинах смерти туристов, следует считать, что причиной гибели туристов явилась стихийная сила, преодолеть которую туристы были не в состоянии. За недостатки в организации туристской работы и слабый контроль бюро Свердловского ГК КПСС наказало в партийном порядке: директора Уральского политехнического института Сиунова, секретаря партбюро Заостровских, председателя профкома УПК Слободина, председателя городского союза добровольных спортивных обществ Курочкина и инспектора союза Уфимцева. Председатель правления спортклуба института Гордо с работы снят. Учитывая, что между действиями перечисленных выше лиц, допустивших недостатки в постановке спортивной работы, и гибелью группы туристов нет причинной связи и, не усматривая в данном деле состава преступления, руководствуясь пунктом 5 ст. 4 УПК РСФСР, постановить: уголовное дело о гибели группы туристов дальнейшим производством прекратить.

Прокурор-криминалист, мл. советник юстиции ИВАНОВ, начальник следственного отдела, советник юстиции ЛУКИН.

Я намеренно привел почти все постановление и две эти подписи, так как в дальнейшем один из этих юристов помог прояснить многое из "белых пятен" как в деле, так и во всей этой трагедии.

Итак, причина гибели - неодолимая стихийная сила.

…Я намеренно воспроизвел эти две личные версии максимально полно, хотя, может быть, получилось и длинновато. Надо сказать, что почти каждый откликнувшийся имел свою гипотезу. Но все авторы исходили из того, что единственная травма была у Р. Слободина, остальные просто замерзли. Мы же с вами, читатель, уже ознакомились с постановлением о прекращении дела, где сказано, что смерть Дубининой, Тибо-Бриньоля и Золотарева наступила в результате множественных телесных повреждений. Об этом обстоятельстве, похоже, знали лишь двое - прокурор-криминалист А. Иванов и судмедэксперт Б. Возрожденный. Правда, многие участники поисков и очевидцы напоминали о неестественном цвете кожи у погибших. Называли даже оранжевый цвет. Но на это обстоятельство мало кто обращал внимание - снег, солнце, да и найти ребят долго не могли... И уж тем более никто не знал о проведенной позже по настоянию Л. Иванова физико-технической экспертизе.

При изучении уголовного дела № 659 мы, конечно, обратили внимание на то, что в оглавлении сказано о наличии физико-технической экспертизы, но самой ее в деле нет, а есть лаконичная надпись в уголке листа № 369: "Листы дела 370-379, как не относящиеся к делу, изъяты и хранятся в особом секторе прокуратуры. 10.07.59. Иванов. "Но из особого сектора эти девять листочков уже перекочевали в конверт, приклеенный к картонной обложке,- где и хранились вместе с десятком пожелтевших фотографий. Почему экспертиза была изъята и что заставило следователя вообще ее проводить? Частично ответ дает само содержание экспертизы.

…Откуда взялась радиация?

"Направляемые в радиологическую лабораторию Свердловской городской СЭС пробы твердых субстратов и одежды... исследовались на содержание радиоактивных веществ. Предварительно были проведены дозиметрические замеры одежды, при которых выявлено повышение естественного фона. Была установлена максимальная загруженность на отдельных участках одежды: 1. Свитер коричн. - 9900 расп/мин. со 150 кв. см. (После промывки - 5200). 2. Нижняя часть шаровар - 5000 расп./мин. со 150 кв. см. (После промывки - 2600). 3. Пояс свитера - 5600 расп/мин. со 150 кв. см. (После промывки - 2600). Опытная промывка одежды показала, что загрязнение снимается, процент отмывки колеблется от 30 процентов до 60 процентов (она проводилась в холодной проточной воде в течение трех часов). При определении вида излучения установлено, что активность имеет место за счет бета-частиц. Альфа-частицы и гамма-частицы не обнаружены. Отсутствие соответствующих приборов и условий в лаборатории не позволило провести радиохимический анализ для определения химической структуры излучателя и энергии его излучения". Экспертизе были подвергнуты одежда и ткани Колеватова, Золотарева, Тибо-Бриньоля и Дубининой. Выводы эксперта: "1. Исследованные твердые биосубстраты содержат радиоактивные вещества в пределах естественного содержания, обусловленного калием-40. 2. Исследованные отдельные образцы одежды содержат несколько завышенное количество радиоактивного вещества, являющегося бета-излучением. 3. Обнаруженные радиоактивные вещества при промывке образцов смываются, то есть, вызваны не нейтронным потоком и наведенной радиоактивностью, а радиоактивным загрязнением бета-излучением. Главный радиолог города Левашев. Исследования проводились с 18 мая по 25 мая 1959 года".

Что и говорить, проведенная экспертиза выявила факт весьма неожиданный и тревожный. Но мне, например, до некоторых пор далекому от проблем радиологии (они, правда, бесцеремонно вторгаются в нашу жизнь - но вот как-то не пришлось...), совершенно непонятно: бета-излучение - это хуже альфа- или гамма-излучения? 9900 распадов в минуту на свитере - это много или мало? Стоит на это обращать внимание человеку, или уже поздно? Следователя, видимо, эти вопросы тоже занимали. Кроме того, он пытался уловить связь между радиоактивностью и телесными повреждениями последней четверки. Отсюда в деле и дополнительный допрос эксперта: "Вопрос: может ли быть повышенная загрязненность одежды радиоактивными веществами в обычных условиях, без пребывания в радиоактивно загрязненной зоне или месте? Ответ: не должно быть совершенно. Вопрос: какова степень загрязненности объектов, исследованных вами? Ответ: свитер коричневый имел на момент расследования 9900 распадов в минуту бета-частиц на 150 кв. см., а после промывки в течение трех часов в холодной воде дал 5200 распадов в минуту. Согласно существующим санитарным правилам загрязненность с такой площади не должна превышать 5000 распадов в минуту, а после промывки должен быть лишь естественный фон. Приведенная норма - для работающих с радиоактивными веществами (для населения она значительно ниже - С.Б.). Вопрос: можно ли считать, что данная одежда загрязнена радиоактивной пылью? Ответ: да, одежда загрязнена или радиоактивной пылью, выпавшей из атмосферы, или эта одежда была подвержена загрязнению при работе с радиоактивными веществами, или при контакте. Оно превышает существующие нормы. Вопрос: какова могла быть степень загрязненности, если принять во внимание, что до исследования у вас они находились в проточной воде около 15 дней? Ответ: можно полагать, что загрязненность отдельных участков одежды была во много раз больше, но надо учитывать, что одежда могла промываться неравномерно..." Откуда взялась на одежде четверых туристов радиоактивная пыль? В материалах дела нет ответа на этот вопрос. Логичнее всего предположить, что здесь замешаны испытания новой военной техники с ядерными боеприпасами. Вспомним, что десять лет назад создана в СССР атомная бомба. Вовсю идет холодная война и идет усиленное атомное вооружение с обеих сторон. В таких условиях подобные испытания - вполне допустимая вещь. Однако, судя по публикациям последних лет, такие работы велись на юге - под Семипалатинском - и на севере - на Новой Земле. Северный полигон, безусловно, мог быть причастен к ивдельской трагедии. Кстати, по данным в недавно вышедшем сборнике "Радиация. Дозы, эффекты, риск", именно на 1958 и начало 1959 годов приходится пик испытаний ядерного оружия в атмосфере во всем мире.

…"Внутри загорелась звезда..."

Но вот еще документы из материалов следствия: "17 февраля в 6 часов 50 минут на небе появилось необыкновенное явление - движение звезды с хвостом, хвост был похож на плотные перистые облака. Потом эта звезда освободилась от хвоста, стала ярче звезд и полетела, стала постепенно раздуваться, образовался большой шар, окутанный дымкой. Затем внутри этого шара загорелась звезда, из которой сначала образовался маленький шар, не такой яркий. Большой шар постепенно стал опускаться, стал, как размытое пятно. В 7.05 исчез совсем. Двигался с юга на северо-восток. Техник-метеоролог Токарева".

Еще один рапорт: "17 февраля 1959 года в 6.40 утра во время исполнения служебных обязанностей я наблюдал, как с южной стороны показался шар ярко-белого цвета, временами окутывающийся туманом, внутри - яркая точка-звезда. Шел на север, виден был 8-10 минут. Военнослужащий А.Савкин". Об этом же шаре следователю рассказали Новиков, Авенбург, Малик. Еще один такой шар видели 31 марта того же года, но видели нечто подобное и в ночь гибели ребят, то есть с первого на второе февраля - студенты-туристы геофака пединститута, есть в деле показания Г. Атаманаки о светящемся шаре над Отортеном первого февраля. Наряду со свидетельскими показаниями следователь подшил к делу и вырезку из "Тагильского рабочего" о все тех же белых шарах. Ну не зря же он собирал эти данные, проводил экспертизы? Однако в итоговом документе, который уже приводился, эти поиски не нашли никакого отражения. Более того, выяснилась интересная деталь. В материалах дела то ли по недосмотру, то ли согласно порядкам того времени, оказался подшит и первый, видимо, вариант постановления о прекращении дела, и имелся в нем абзац о наличии радиоактивного загрязнения одежды туристов и о том, что никто из них с радиоактивными веществами по работе или учебе связан не был. Дата - 28 мая, но подписей нет, все постановление, лист за листом, перечеркнуто крест-накрест синим карандашом. В окончательном постановлении, как мы могли уже убедиться, об этом – тишина, - как и об огненных шарах. Неодолимая стихия - и все.

Командировка в Кустанай. Совершенно случайно я узнаю: С. Лукин, чья подпись стоит под постановлением о прекращении дела, жив-здоров и работает сейчас юрисконсультом в Свердловском горисполкоме. Звоню: - Степан Петрович, вы помните ивдельское дело о гибели в 1959 году туристов? - Как же, конечно. Но вряд ли чем помочь смогу, вел его Иванов, я только руководство следственного отдела прокуратуры представлял. Да вы у него самого спросите, он сейчас в адвокатуре работает, в Кустанае... Стоит ли говорить о том, что через несколько дней я уже был в Кустанае, и мы весь вечер допоздна говорили со Львом Никитичем об этом до сих пор загадочном деле. Он начал с главного: - У меня свое объяснение случившемуся. Можете вынести в заголовок "Прокурор-криминалист считает, что туристов убил НЛО!"... - Это сейчас вы так думаете, когда тема НЛО открыта и в моде или тогда, в 1959-м, так считали? В деле-то впрямую об этом не говорится, если не считать ряда свидетельских показаний о светящихся шарах да заметке о них из "Тагильского рабочего". - Тогда я предполагал это, а сейчас уверен. Не берусь утверждать, что это за шары - оружие ли какое, инопланетяне или еще что, но то, что к гибели ребят это имеет прямое отношение - уверен. - Но каким образом вы это себе представляете? Летчики, геологи, изъездившие и излетавшие эти края, в один голос твердят: нет никаких следов взрыва у Отортена и окрест. - А его и не было в привычном для нас понимании - как взрыв снаряда, бомбы. Это было другое, ну как будто воздушный шар лопнул. Дело в том, что на опушке леса, куда туристы так поспешно убежали из палатки, веточки деревьев были как бы опалены. Не сожжены, не изломаны, а опалены. Полагаю, все произошло так. Ребята поужинали и легли спать. Один из них вышел по естественной надобности (были следы) и увидел нечто, что заставило всех покинуть палатку и бежать вниз. Думаю, это был светящийся шар. И он таки настиг их, или это случайно вышло, у опушки леса. Взрыв! Трое получают тяжелейшие травмы. В деле должны быть показания судмедэксперта Возрожденного. По его мнению, это было что-то вроде сильной ударной волны или удара, как при автокатастрофе. Ну а дальше... Началась борьба за выживание. Знаете, тридцать лет прошло, дел я всяких повидал за свою прокурорскую жизнь, но эту историю мне не забыть. Никогда я не встречал более яркого проявления мужества, такой яростной борьбы за жизнь свою и товарищей. Но сила силу ломит... Фамилий не помню, к сожалению. Двое, которых нашли под кедром... Они пытались разжечь костер, лазили на кедр за сучками, и на коре его остались клочки их кожи и мускулов... Очень помог их товарищ, отставший из-за болезни. Юдин, кажется. Он знал, кто в чем одет был, и помог установить, кто в чем оказался. Вся одежда оказалась перепутана. А они мертвых раздевали, чтобы живых спасти. Я виноват, сильно виноват перед родственниками ребят - к телам их не допустил. Ну, да и выдержать такое им было бы нелегко. Единственное, для отца Люды Дубининой сделал исключение - приоткрыл крышку гроба, чтобы показать, что одета дочь, как полагается. Он сознание потерял. Я настоял и тщательно проследил, чтобы одето на ребятах было все, как положено по христианскому обычаю. Одно у меня оправдание - не свою волю выполнял. Первым секретарем тогда был Кириленко, но он в дело не вмешивался, а "курировал" меня Ештокин, второй секретарь. Несколько раз в ходе следствия он меня вызывал в обком. Слушал доклады, давал указания. Дичь, конечно, по нынешним меркам. Но сейчас легко судить, а тогда... У меня даже сомнений не возникало в правомерности его вмешательства. Тогда все так делалось. Говорили так это со значением: "Ты же коммунист!" Так и было прекращено следствие. Версию о светящихся шарах я не отработал. Успел лишь физико-техническую экспертизу провести. Даже на место какой-то прибор возил - большой деревянный ящик. - Счетчик Гейгера? - Да, похоже на это. Он у меня там такую дробь вызванивал... Радиация была там, не сомневаюсь. А вот откуда и какая, не докопался, не дали. - Лев Никитич, а вы запросы не посылали – военным, ученым? - Что вы, какие запросы в то время... да при такой сложившейся вокруг дела ситуации. Нет, не посылал... - А кто и почему засекретил дело? - Я сам и засекретил, сам экспертизу изъял. Сказано же было - "все лишнее убрать..." Встреча со следователем Л. Ивановым прояснила многое, конечно. Например, стало понятно, почему следствие было столь скорым и странным. Но одно обстоятельство по-прежнему осталось загадкой - откуда взялась радиация на одежде троих?

…"Гостинец" с Новой Земли?

Вообще говоря, возможно несколько вариантов. Во-первых, не была ли там заражена вся местность? Помните, счетчик Гейгера буквально верещал у Иванова. К сожалению, экспертизе была подвергнута лишь одежда троих. Не исключено, что "светила" она и у других. Появление радиоактивности в этих глухих краях, кстати, вполне вероятно. Как сейчас уже известно, ядерный полигон на Новой Земле существует с 1954 года, а от Отортена до Новой земли где-то примерно полторы тысячи километров. Пустяк для радиоактивного облака. Чернобыльское, например, пройдясь по Восточной Европе, вернулось в страну и даже краешком зацепило Урал. Кыштымское было послабее, но и его хватило на коридор через три области - Челябинскую, Свердловскую и Тюменскую. Эта версия появления радиоактивности - одна из наиболее вероятных, считают радиологи в областной санэпидстанции В. Заболотских и В. Семенов. Они внимательно ознакомились с данными экспертизы и поделились следующими соображениями: 1. Скорее всего, это с Новой Земли. Тогда легко проверить, достаточно взять пробы земли, воды, может быть, взять и спилы с деревьев. Наверняка следы остались. Но каких-то данных о наличии радиации когда-либо в этих краях нет. Да и кто собирал их тогда, да и позже? 2. Очень жаль, что тогда, в 1959 году, не удалось установить, какой изотоп занесен на одежду туристов. Это многое бы прояснило. В заключении сказано, что зафиксировано бета-излучение. Но, скорее всего, там, на месте, был весь спектр альфа-, бета- и гамма-излучения. Счетчик Гейгера зафиксировал ведь наличие излучения как такового, а определить на месте его вид было нечем. Только в лаборатории было установлено, что это бета-излучение, которое в чистом виде, как правило, не бывает. Его просто зафиксировать легче. Судя по всему, источником могли быть изотопы фосфора, трития, стронция. Последний, кстати, интересен тем, что используется в источниках питания. Есть такие стронциевые блоки питания. В те годы они довольно широко использовались на автоматических метеостанциях. Возможно, где-то такая батарея была повреждена или потеряна, и стронций как-то попал в эти места. Этот вариант заражения возможен, но маловероятен. Не соотносится мощность таких батарей и доза загрязнения одежды. Самый большой уровень, напомню,- 9900 распадов в минуту, превышение санитарной нормы для работающих с радиоактивными материалами вдвое, но ведь одежду омывало проточной водой, как минимум, 15 дней. Иванов, кстати, полагал, что даже больше,- эту цифру в допросе радиолога Левашева он назвал приблизительно. Какой была первоначальная доза, и предположить трудно, но очевидно, что большой. 3. Еще одно, но маловероятное предположение. Дело в том, что в те годы существовала теория, что радиоактивные вещества можно использовать как оружие массового поражения. Может, какие-то неудавшиеся испытания, если не на Северном Урале, то на той же Новой Земле? 4. Гипотеза об атомном взрыве в окрестностях Отортена не выдерживает никакой критики - люди видели бы и слышали сам взрыв, а следы его тем более не скроешь. Тогда я спросил у радиологов - а могло ли зафиксированное на одежде излучение иметь не естественное, от изотопов, происхождение, а искусственное, скажем, от какой-то установки? Радиологи пожали плечами - вряд ли. Вот если как-то получить мощный нейтронный поток... Но там вроде нигде рядышком синхрофазотрона не было... Возможен, правда, вариант плазмы, но в любом случае нужно жуткое количество энергии. Да и с плазмой еще много неясного. Но самое главное, и в экспертизе об этом сказано, на одежде - радиоактивное загрязнение,- а наведенной радиации, то есть возникшей в результате мощного потока нейтронов, нет. Доказательство простейшее - радиоактивная грязь вымывалась... Вот тут то я и рассказал им о светящихся шарах. "Может быть,- без воодушевления ответили они,- но выглядит все уж больно "фантастично". Хорошо бы пробы взять..."

…Была ли вспышка?

Как-то так получилось, что в последнее время мне пришлось встретиться с несколькими специалистами в области радиологии. Каждый раз я "прокачивал" версию причастности светящихся шаров к гибели туристов и радиации на их одежде. Более реальным всем казалось все же изотопное происхождение радиоактивности. Но на очень интересный поворот натолкнул директор специального предприятия по захоронению радиоактивных веществ "Радон" Н. Чемерис: "Бета-излучение, бета-излучение. Вы знаете, если все-таки был взрыв чего-то и бета-излучение - и сильное, то ребята могли ослепнуть. Не была ли у них обожжена кожа? Обратил ли судмедэксперт внимание на их глаза?" Еще раз обсуждаю с радиологами этот момент. Безусловно, могло радиоактивное излучение поразить глаза - как и все тело, а доза такого поражения не осталась бы незамеченной экспертами: медицинским и радиологическим. Скорее всего, радиоактивное заражение вообще не имело отношения к обстоятельствам их гибели. Случайное совпадение. Но окончательно это можно утверждать только после исследования проб с этого места и окрест, - а могли эти светящиеся шары быть чем-то вроде шаровой молнии, которая взорвалась и... - Все могло быть. Мы ведь судим с позиции того, что знаем, пытаемся новое явление всунуть в прокрустово ложе имеющихся знаний и представлений. А их может быть не достаточно. Та же шаровая молния. Мы ведь только предполагаем ее плазменную природу, потому что это многое, но не все объясняет... Действительно, а что если они ослепли? Если не от атомного взрыва, то от вспышки неизвестного происхождения? Это объясняет тогда многое - почему они в палатку не могли вернуться, например. Или разжечь костер толком. Или почему пытались одну и ту же ветку для костра срезать в нескольких местах. Понятны тогда и многие их бессмысленные действия, которые раньше объяснялись шоком, морозом, ураганным ветром. Поэтому и никак не получалась логически восстановленная картина происшедшего у всех исследователей. Но в данных судебно-медицинской экспертизы об этом нет ничего. Причем, видимо, пострадали они от взрыва в разной степени, так как Колмогорова, Слободин и Дятлов шли-таки к палатке, правда, почему-то порознь. Впрочем, таких оставшихся без ответа "почему" в этой истории еще много. (Ну, например, почему тела найденных последними четырех туристов лежали не на настиле, который был сделан для них специально, а рядом?) Версия Иванова привлекательна тем, что дает более или менее внятные ответы на главные вопросы: что их напугало, откуда радиация, как получены телесные повреждения троими туристами? Но прямо скажем, и в ней не все вяжется. Я далек от модной мысли об инопланетном происхождении этого НЛО, скорее, просто неизвестное науке и исследователям явление. Связался я и с одним наиболее серьезным ученым из занимающихся НЛО, с рассказа о встрече с которым в газете по поводу одного странного НЛО и началась, собственно, для меня эта история,- сотрудником института физики высоких температур В. Листратовым. Просил помочь, выяснить по своим каналам два момента: степень возможной причастности военных к этой трагедии, и, во-вторых, не встречалось ли в его практике, что НЛО оставляли радиоактивный след? Ответ получил по обеим позициям отрицательный. Но по-прежнему остаюсь сторонником версии Иванова. Дело в том, что светящиеся белые ли, огненные ли шары, пролетавшие в то время и в том месте,- реальность, подтвержденная многократно и в уголовном деле и помимо того. Так, позвонивший нам геолог Ю. Ильяшин сообщил, что он на Северном Урале не один раз видел такие шары в тех местах. Их называют еще торами. Описание эффекта - практически один к одному с изложенным в деле. Еще одно свидетельство. Несколько лет назад довелось мне в поселке Полуночное под Ивделем познакомиться с интереснейшим человеком - действительным членом Географического общества СССР, большим любителем и исследователем природы О. Штраухом. Многие годы он ведет наблюдения, и, естественно, я обратился к нему с запросом. И вот что он ответил мне, приведя данные из своих дневников: "31.03.59. В 4 часа 10 минут наблюдалось следующее явление: с юго-запада на северо-восток над поселком довольно быстро прошло шаровидное светящееся тело. Светящийся диск, величиною почти с полную луну, голубовато-белого цвета был окружен большим синеватым ореолом. Временами этот ореол ярко вспыхивал, напоминая вспышки далекой молнии. Когда тело скрылось за горизонтом, небо в этом месте еще несколько минут было озарено светом. Подобное явление наблюдали жители Полуночного 17.02.59 в 7 часов 10 минут. Утром за светящимся следом оставался след в виде дымки... 16.02.79. В 20 часов 15 минут на северо-западе на горизонте появилась яркая голубовато-белая вспышка, она превратилась в быстро растущий круг ослепительного света, который затем вытянулся в эллипс. В центре вспышки появился багрово-дымчатый шар, величиной с полную луну, быстро поднялся кверху и растаял, не дойдя до зенита. Световое пятно-эллипс рассыпалось на сегменты, словно дольки апельсина, и постепенно угасло, оставив на небе слабо светящийся след. Все длилось 6-10 минут, затем все померкло... О подобных явлениях рассказывали очевидцы и в другие годы, но они у меня не отмечены. Пролетавшие над поселком объекты другого типа были явно ракетами, я их не отмечал..."

…Скрученные сосны

Есть и еще одна интересная версия. В редакцию пишет о ней свердловчанин В. Сергеев: "По слухам и рассказам охотников-манси, в районах гор Отортен и Чистоп бывают очень сильные ветры, сопровождающиеся фантастическими звуками. Летом 1966 года юго-восточнее горы Чистоп я увидел в лесу странную картину: сосны скручены по нескольку штук, вырваны с корнями и разбросаны по лесу. Сопровождавший меня пояснил, что недавно здесь вдруг послышался странный рев, похожий на рев гигантского разъяренного быка. И тут же появились мощные воздушные вихри, которые и поскручивали между собой деревья, вырвали их из земли и опустили их обратно неподалеку. Попади в этот очаг стихии люди..." Версия вполне заслуживает внимания, так как объясняет происхождение телесных повреждений. Да, если предположить, что радиоактивное загрязнение туристы получили от Новой Земли, как и вся местность. Но вот беда, не было, судя по всему, следов буйства стихии на этом месте. А вот еще кое-что на эту тему, почти из области мистического. Есть такая книга - А.К. Матвеев, "Вершины Каменного пояса. Названия гор Урала". Читаем на странице 129: "Холат-Сяхыл, гора (1079 м) на водораздельном хребте между верховьями Лозьвы и ее притока Ауспии в 15 км на ЮЮВ от Отортена. Мансийское Холат - "мертвецы", то есть Холат-Сяхыл - гора мертвецов. Существует легенда, что на этой вершине некогда погибло девять манси. Иногда добавляют, что это случилось во время всемирного потопа. По другой версии при потопе горячая вода затопила все вокруг, кроме места на вершине горы, достаточного для того, чтобы лечь человеку. Но манси, нашедший здесь прибежище, умер. Отсюда и название горы... Автору не раз приходилось подниматься на Холат-Сяхыл, и он должен признать, что более суровой и мрачной горы в этой части Северного Урала нет..."

Надо сказать, что поспешное следствие и засекречивание его результатов под давлением партийных властей сыграли плохую службу во всей этой истории. Как это обычно бывает, недостаток информации был восполнен самыми различными слухами. Безусловный приоритет среди них принадлежал версии об испытаниях нового не то нейтронного, не то вакуумного, не то психического... неведомого и страшного оружия... Ну вот, например, такая история, дошедшая до нас через третьи руки (или язык?). Как известно, военные помогали искать ребят. Некий молодой лейтенант с группой солдат расположился с палаткой неподалеку от последней стоянки туристов. Однажды ночью его разбудил дневальный, и вместе они наблюдали, как к ним приближался белый светящийся шар. Чем ближе он приближался, тем сильнее охватывал их души смертельный ужас. Хотелось выскочить и бежать, куда глаза глядят. Но лейтенант был честолюбив и не хотел потерять лица в глазах своих солдат... В конце концов, шар потерял к ним интерес и удалился по своим делам. Словом, недостатка в гипотезах и предположениях нет, и все это представляло обширное поле деятельности для пытливого исследователя, но ведь произошла трагедия - погибли десять молодых, полных сил мужественных людей. Мне довелось видеть фотографии с похорон ребят. Поразила какая-то суровая решимость на лицах людей. Да, горе беспредельно, скорбь, но кулаки сжаты, взгляд жесткий. Атмосфера, как сообщают очевидцы, была очень напряженной. По городу ходили слухи один ужаснее другого. Родители, студенты требовали ответа - что случилось с ребятами? Шли гневные письма в прокуратуру, обком партии, в Москву, к Хрущеву. Возмутителей спокойствия урезонивали через партийные комитеты различных уровней. Говорят, что были вызовы и в КГБ. Это еще более накаляло страсти - "отмазывают", значит, не все здесь чисто. Вот почему нести гробы (некоторые из них, как мы знаем, не давали вскрыть) не разрешили по центральным улицам, и несли их на Михайловское кладбище стороной. Было много народу, было много и милиции. Неспроста - опять же думали люди. В туристском клубе УПИ о дятловцах помнят. На перевале, где они погибли, установлена мемориальная плита. Перевал так и зовут - Дятлова. Как бы то ни было с причиной гибели ребят, несомненно одно - редкий бой с неведомой силой приняли они и проявили безмерное мужество. Они стали легендой.

Я полагаю, что ни в каких комментариях приведенные выше цитаты не нуждаются. Комментарием к ним служит вся настоящая монография.

В качестве дополнения к написанному и рабочей гипотезы (которую вряд ли когда удастся проверить) о причинах описанной трагедии могу назвать два возможных источника «огненных шаров» - это Семипалатинский полигон, либо ядерные центры в Снежинске или Озерске.

В первом случае газопылевое облако, содержащее серу и фосфор (результат вулканического выброса или дегазации Земли через рифтовые разломы) могло попасть в мощные потоки нейтронов, образующиеся при ядерном взрыве в атмосфере.

Во втором случае радиофосфор, являющийся побочным продуктом производства оружейного плутония, мог попасть в атмосферу в результате сброса в реки и атмосферу радиоактивных отходов. Причем второй сценарий представляется гораздо более вероятным, поскольку «огненные шары» прилетели к месту трагедии именно с юга, а Челябинск находится практически на той же долготе, что и Отортен, только существенно южнее.

2.3. Краткое резюме

Резюмируем результаты анализа свойств ШМ, проделанного в рамках феноменологической радиоизотопной модели на базе системы кинетических уравнений (10).

Описанная выше феноменологическая модель шаровой молнии полностью согласуется со всей имеющейся совокупностью наблюдательных и экспериментальных данных, как общеизвестных, так и уникальных. Данная модель основана на гипотезе о том, что ШМ представляет собой сгусток радиоактивной плазмы, образование которой представляет собой коллективный вторичный эффект при - распаде ядер радиоактивного фосфора. При этом имеет место как обычный - распад в непрерывный спектр, так и цепная реакция индуцированного - распада в связанное состояние. Этот принципиально новый тип цепных реакций, в которых участвуют как ядерные, так и атомные степени свободы, впервые описан в работах [61,139-149]. Причем указанный процесс реализуется в природных условиях.

Так как процесс загорания ШМ имеет порог, представляется крайне интересным оценить критическую плотность химических соединений радиофосфора в радиоактивном облачке. Этой проблеме и посвящен следующий раздел настоящей работы.

3. Оценка критических параметров химических соединений

изотопов фосфора и , содержащихся в шаровой молнии

В работе [146] впервые была сформулирована гипотеза о том, что шаровая молния представляет собой сгусток радиоактивной плазмы, в котором на фоне обычного - распада протекает цепная реакция индуцированного - распада ядер и в связанное состояние. Внешний наблюдатель при этом видит свечение объекта, имеющего сферическую форму. В наблюдаемое свечение вносит вклад электромагнитное излучение, испускаемое атомами и молекулами, содержащимися в объеме шаровой молнии, перешедшими в возбужденное состояние под действием мягкого рентгеновского излучения «встряхивания», а также других вторичных процессов, протекающих при - распаде, в том числе, электрического разряда в воздухе. Основанием для выдвижения столь экстравагантной гипотезы послужили результаты теоретических [61, 139-149] и экспериментальных [12, 43] работ.

Целью настоящего раздела работы является оценка критических параметров , необходимых для стационарного течения самоподдерживающейся цепной ядерной реакции - распада в связанное состояние, а также проверка результатов работы [146] на внутреннюю непротиворечивость.

3.1. Микроскопические оценки

Оценка критических параметров радиофосфора и впервые была произведена в работе [141]. Ниже мы приведем основные результаты этой работы с учетом того, что после ее выхода в свет появились новые данные.

Все приводимые ниже оценки сделаны в «фотонном» приближении.

Из предыдущего анализа вытекает, что подавляющий вклад в «обдирание» - оболочки дает электронный удар. Однако его хватает только на то, чтобы поддерживать динамическую метастабильность уровня . Для инициации цепной реакции одними электронами не хватает ничтожно малой по величине нелинейной «фотонной» добавки. В связи с этим в настоящей главе мы ограничимся рассмотрением особенностей цепной реакции индуцированного - распада в связанное состояние в «фотонном» приближении.

Оценим длину свободного пробега мягких рентгеновских квантов в теле шаровой молнии. В соответствии с вышесказанным , поэтому м, где - концентрация радиофосфора, а - сечение возбуждения - оболочки атома . Этой оценке соответствует величина сечения фотовозбуждения - оболочки атома радиофосфора:

м². (51)

На основании этого мы можем оценить величину . Приводимые ниже порядковые оценки сделаны в предположении, что работает только механизм фотоионизации, а фотоны с энергией эВ не поглощаются при столкновениях с молекулами воздуха.

Согласно результатам работы [146] выполняется соотношение , причем с^-1, с^-1. Отсюда немедленно вытекает, что в полном соответствии с остальными оценками.

Оценим размеры шаровой молнии, исходя из условия стационарного горения и предполагая, что динамическая метастабильность уровня поддерживается электронным ударом, а цепная реакция начинается за счет фотоионизации. В этом достаточно парадоксальном приближении имеем:

, (52)

где - вероятность поглощения фотонов с энергией эВ внутри тела ШМ. В самом деле, если при каждом распаде ядра радиофосфора образовавшийся при этом возбужденный атом серы испускает два рентгеновских кванта, а один из них поглощается невозбужденным атомом радиофосфора, то, очевидно, число выбывших ядер будет равно числу атомов радиофосфора, перешедших в возбужденное состояние.

Учитывая, что для поддержания динамического равновесия необходимо, чтобы на фотовозбуждение фосфора расходовался один из двух фотонов с энергией эВ, запишем условие стационарности процесса в следующем виде:

(53)

то есть, из зоны реакции ровно половина рентгеновских квантов уходит, не вызвав возбуждения - оболочки атомов радиофосфора. Это и есть условие стационарности процесса. Предположим, что воздушная струйка, содержащая соединения радиофосфора, такова, что внутри нее концентрация практически постоянна ().

Введем параметр и перепишем условие (53) в виде

. (54)

Подставим в (54) общеизвестные соотношения , и , и выполним операцию дифференцирования по . В результате уравнение, определяющее равновесный размер ШМ, принимает вид

. (55)

Преобразуем соотношение (55) в трансцендентное алгебраическое уравнение. Для этого введем вспомогательную функцию

. (56)

Интеграл (56) можно вычислить с помощью следующего искусственного приема. Введем комплексный параметр . Тогда соотношение (56) перепишется как

. (57)

Разложим расходящуюся сферическую волну в (57) в ряд по сферическим гармоникам. Для этого представим (57) в виде:

. (58)

Используем стандартное разложение сферической волны

. (59)

Выполняя в (59) интегрирование по угловым переменным, получаем

. (60)

Воспользуемся явными выражениями для функций Бесселя и , и представим выражение (60) в виде суммы двух слагаемых , где

. (61)

Тогда после нескольких несложных преобразований мы приходим к окончательному выражению для

, (62)

или, с учетом того, что ,

. (63)

Согласно формуле (56)

. (64)

В соответствии с этим подставим (63) в (64) и получим

. (65)

Учитывая, что , и вводя безразмерный параметр , мы преобразуем уравнение (55) к следующему виду:

(66)

Все интегралы в (66) вычисляются элементарно. В итоге мы приходим к трансцендентному уравнению

, (67)

имеющему вещественный корень .

Следовательно, радиус шаровой молнии в «фотонном приближении» равен

м, (68)

где . То есть, объем шаровой молнии в этом приближении равен литрам в полном согласии с наблюдательными данными и предыдущими оценками, выполненными в работах [61, 141, 145].

В заключение заметим, что, с учетом того, что м², размеры шаровой молнии должны быть в три раза больше. Однако сделанные в этом разделе оценки сохраняют свою силу (т.е., в любом случае, л), поскольку в приведенных выше соотношениях не учтены эффекты поглощения фотонов молекулами кислорода и азота, а также отношение ветвления для радиационного девозбуждения атомов серы, родившихся в результате -распада радиофосфора и Оже- эффекта.

Проверим на внутреннюю согласованность оценку величины сечения . Для этого отметим, что величина боровского радиуса для электрона, находящегося на - оболочке атома радиофосфора, равна

м, (69)

где - боровский радиус для атома водорода.

Квазиклассическая оценка сечения фотовозбуждения - оболочки тривиальна:

м². (70)

Учитывая грубость указанной оценки, а также тот факт, что сечения фотореакций всегда больше сечений, рассчитанных в приближении геометрической оптики (приближении «черного диска»), мы приходим к выводу о том, что оценка (70) не противоречит оценке (51) сечения фотоионизации м², сделанной выше на основании информации о видимых размерах ШМ.

Именно этот факт позволяет достаточно обоснованно говорить о том, что ионизация электронным ударом отвечает за метастабильность уровня , а цепная реакция связана с малым нелинейным членом , в значительной степени обусловленным фотоионизацией.

3.2. Резюме

Подытожим результаты этого раздела следующим образом.

1. Оценки, выполненные выше, согласуются с оценками работ [141, 146].

2. Вклад от ионизации атомов радиофосфора электронным ударом практически полностью компенсируется за счет гибели короткоживущих вакансий на - оболочке.

3. Фотоионизация играет существенную роль в физике шаровой молнии.

4. Предложенная модель шаровой молнии внутренне непротиворечива и согласуется с наблюдательными данными.

4. Модель шаровой молнии с учетом процессов диффузии и переноса

В предыдущих разделах настоящей работы была построена феноменологическая радиоизотопная модель ШМ. Несомненным достоинством этой модели является то, что она полностью согласуется со всей имеющейся совокупностью наблюдательных и экспериментальных данных и успешно описывает все эмпирические свойства ШМ. Однако эта модель не лишена столь же очевидных недостатков. Она является математической моделью с сосредоточенными параметрами, и, в силу этого, не может претендовать на описание пространственно-временной картины электрического разряда в воздухе, вызываемого радиоактивными облаками.

Согласно результатам работы [170] переход от системы кинетических уравнений с сосредоточенными параметрами

, (71)

где - динамические переменные системы; - координата, - время, к системе уравнений с распределенными параметрами, осуществляется посредством учета диффузионных процессов переноса

, (72)

причем - поток компоненты . В общем случае этот поток можно представить в виде суммы линейной и нелинейной компонент

, (73)

где - коэффициенты линейной диффузии компонент, а - тензор третьего ранга, причем линейная комбинация имеет смысл нелинейного коэффициента диффузии. Целью данного раздела работы является построение модели ШМ с учетом процессов диффузии и переноса.

4.1. Основной формализм

Используя подход работы [170], запишем систему кинетических уравнений, описывающих «полет» шаровой молнии, в следующем виде:

(74)

где ; - интенсивность внешнего источника атомов радиофосфора (ШМ находится во внешней среде, содержащей эти атомы, и захватывает их во время полета); - интенсивность источника возбужденных атомов (), образующихся при вырывании электронов из - и - оболочек атомов радиофосфора за счет механизмов, отличных от резонансной фотоионизации (например, столкновений с энергичными электронами, эффекта Пеннинга и т.п.); - плотность невозбужденных атомов радиофосфора; - плотность «ионов» радиофосфора; - плотность атомов серы[38]; - скорости макроскопических течений соответствующих компонент смеси. В нашем случае , где - скорость ветра. Нелинейные члены и в приближении малых градиентов концентрации описывают процесс самоорганизации материнского радиоактивного облака (см. ниже).

Эта система уравнений не является замкнутой. Строго говоря, ее надо дополнить системой уравнений Навье-Стокса, уравнением переноса энтропии и уравнением состояния газовой смеси. Однако для наших целей достаточно рассмотреть случай и ограничиться рассмотрением средних величин.

Траектория ШМ молнии определяется по смещению центроида распределения . В простейшем случае мы просто считаем эту функцию заданной. Если реакция индуцированного - распада в связанное состояние началась (т.е. ), то дифференциальное уравнение, описывающее изменение радиус-вектора центра ШМ , можно получить следующим образом.

Предположим, что пространственная плотность распределения «ионов» радиофосфора подчиняется распределению Гаусса

, (75)

а плотность невозбужденных атомов радиофосфора имеет вид:

, (76)

где - средняя плотность радиофосфора; - флуктуации плотности; - убыль радиофосфора за счет выгорания.

Распределение (75) описывает случай зависания ШМ на одном месте. Для того чтобы получить уравнения движения ШМ, необходимо учесть асимметрию распределения . Для определенности будем работать с асимметричным распределением Гаусса[39]

. (77)

Предположим, что конвекция отсутствует (), а диффузия серы ни на что не влияет. Сделанные предположения позволяют получить уравнение, описывающее динамику плотности «ионов» радиофосфора

. (78)

Логично предположить, что диффузия и конвекция незначительно влияют на плотность невозбужденных атомов радиофосфора (приближение слабого ветра); основную роль играют флуктуации плотности и выгорание радиофосфора. В этом случае первое уравнение системы (75) резко упрощается

. (79)

Как и в работе [145], ограничимся приближением

, (80)

откуда немедленно следует, что

. (81)

Предположим, что мы имеем дело со стационарным процессом горения. В этом случае, согласно [145], выполняется соотношение

. (82)

Поэтому в первом приближении имеем

, (83)

причем в соотношении (83) отброшены все члены второго порядка малости. Обозначим через «скорость» шаровой молнии[40] (скорость перемещения центральной зоны реакции), и подставим распределение (77) в уравнение (78). В результате получаем

. (84)

Проинтегрируем правую и левую часть уравнения (84) по пространственным координатам. В результате интегрирования левой части уравнения (84) получаем:

. (85)

Для того чтобы проинтегрировать по объему правую часть уравнения (84) проделаем ряд промежуточных преобразований. В результате этих преобразований получаются следующие соотношения:

, (86)

, (87)

, (88)

. (89)

При соотношение (89) упрощается

. (90)

Очевидно, что не все диффузионные члены влияют на траекторию центроида шаровой молнии. В самом деле,

, (91)

. (92)

Таким образом, уравнение движения шаровой молнии приобретает вид

(93)

где , а также

. (94)

Для дальнейшего анализа соотношения (93) предположим, что для промежутков времени порядка нескольких секунд справедливо соотношение

. (95)

Таким образом, не выходя за рамки принятых в данной работе приближений, можно считать, что

. (96)

Тогда

, (97)

Подставляя соотношение (97) в (93) и полагая, что , получаем

(98)

Для того чтобы в задаче фигурировали только физически интерпретируемые параметры, рассчитаем средний объем шаровой молнии, опираясь на распределение (75)

. (99)

Из (99) следует, что эффективный радиус шаровой молнии равен

. (100)

Введем эффективную плотность «ионов» радиофосфора

. (101)

Из (101) вытекает соотношение

. (102)

Подставляя соотношение (102) в уравнение (98), получаем

(103)

Согласно описаниям многочисленных очевидцев, шаровая молния обычно имеет практически сферическую форму. Поэтому в рамках сделанных предположений естественно считать, что

. (104)

В результате уравнение (103) существенно упрощается

(105)

Если речь идет о смещении шаровой молнии на расстояния, соизмеримые с ее размерами, то, очевидно, можно принять

, (106)

поэтому

. (107)

Из уравнения (107) видно, что перемещение шаровой молнии на малых интервалах времени имеет характер равнопеременного движения и определяется четырьмя факторами:

1) неравномерностью распределения «ионов» радиофосфора по объему молнии (параметр );

2) мощностью внешнего источника радиофосфора , от которого существенно зависит величина ;

3) наличием флуктуаций плотности невозбужденного радиофосфора;

4) наличием градиента концентрации невозбужденного радиофосфора.

Для того чтобы получить окончательное выражение для уравнения движения шаровой молнии, остается оценить зависимость параметра от скорости выгорания радиофосфора в результате реакции индуцированного - распада в связанное состояние.

Согласно (87) при имеет место соотношение

, (108)

откуда

. (109)

В рамках сделанных предположений логично считать, что скорость движения шаровой молнии строго параллельна градиенту концентрации «ионов» радиофосфора. В результате мы легко приходим к следующему уравнению движения шаровой молнии:

. (110)

Введем единичный вектор , коллинеарный вектору . В соответствии с результатами работы [145] условие стационарного течения реакции (плавного полета шаровой молнии) имеет вид

. (111)

В результате уравнение движения (110) существенно упрощается

, (112)

где

. (113)

Уравнение (112) представляет собой уравнение равнопеременного движения. По способу своего построения оно пригодно только для малых отрезков времени. Из уравнения (112) хорошо видно, что скорость движения шаровой молнии определяется градиентом концентрации невозбужденных атомов радиофосфора, направление движения молнии – градиентом концентрации «ионов» радиофосфора, ускорение движения – концентрацией радиофосфора (с учетом соотношения (111)). Из соотношения (113) и оценок, проделанных в работе [145], видно, что с^-2. То есть ускорение шаровой молнии на каждом прямолинейном отрезке траектории очень мало.

Самосогласованные оценки входящих в задачу величин получаются, если предположить, что молния летит равномерно в направлении увеличения концентрации атомов радиофосфора. В этом случае

. (114)

В свою очередь

. (115)

Для глазомерных оценок вполне пригодно приближение , . В указанном приближении

. (116)

В связи с этим оценка скорости полета шаровой молнии имеет вид

. (117)

Для величины естественной выглядит оценка м^-1 (толщина «оболочек» шаровой молнии составляет около 1 сантиметра). Согласно результатам работы [145] , с^-1. Учитывая, что согласно данным многочисленных наблюдений м/с, получаем оценку для величины коэффициента взаимной диффузии

. (118)

Таким образом, мы приходим к системе непротиворечивых оценок, позволяющих рассчитать все параметры траектории полета шаровой молнии.

Отметим, что при входе в зону аномально высокой плотности невозбужденного радиофосфора движение молнии замедляется (включается в работу член в уравнении (110)), и далее нарушается условие (82), обеспечивающее возможность стационарного течения реакции. В этом случае начинает реализовываться сценарий, описанный в работе [145]. То есть, происходит лавинообразное накопление «ионов» радиофосфора и последующая быстрая разрядка («взрыв») ШМ, представляющая собой, по сути дела, импульс рентгеновского лазера. Это означает, что переход от системы кинетических уравнений с сосредоточенными параметрами, к системе с распределенными параметрами, удовлетворяет принципу соответствия.

4.2. Выводы

Резюмируем результаты настоящего раздела работы:

1. Построена кинетическая модель шаровой молнии, учитывающая пространственное распределение радиофосфора.

2. Получено приближенное уравнение движения шаровой молнии в среде со случайно распределенными параметрами.

3. Даны оценки входящих в задачу величин.

4. Показано, что в рамках принятых допущений нелинейная диффузия «ионов» радиофосфора влияния на динамику полета ШМ не оказывает.

5. Формирование облаков химических соединений радиофосфора

В предыдущем разделе работы была предложена феноменологическая модель ШМ молнии с распределенными параметрами, описываемая системой кинетических уравнений (74).

Для того чтобы шаровая молния вспыхнула в радиоактивном облачке, содержащем химические соединения радиофосфора, необходимо, чтобы плотность этого изотопа достигла определенной величины. В связи с этим большой интерес представляет анализ процессов самоорганизации химических соединений радиофосфора в облака за счет электростатического взаимодействия. Притяжение капелек радиоактивного электролита к центру облака обусловлено тем, что они содержат радиоизотопы фосфора и захватывают электроны из непрерывного спектра, образуя отрицательно заряженные кластеры. Центральная часть радиоактивного облака имеет положительный заряд и притягивает слаборадиоактивную воздушно-капельную смесь, имеющую отрицательный заряд.

Целью настоящего раздела работы является анализ процесса формирования радиоактивных облаков, содержащих , и , а также различные соли радиофосфорной кислоты.

5.1. Основной формализм

Предположим, что за счет процессов, происходящих в верхних слоях атмосферы, образовалось обширное облако, содержащее небольшое количество радиофосфора[41]. Рассчитаем равновесное распределение радиофосфора в радиоактивном облаке, полагая, что реакция индуцированного - распада в связанное состояние еще не началась (). В этом случае система уравнений (74) принимает вид

. (119)

Нелинейные члены и [42] в приближении малых градиентов концентрации описывают процесс самоорганизации облака, происходящей за счет пространственного разделения зарядов при - распаде. Именно - электроны с энергией МэВ ( МэВ) ионизируют воздух вокруг радиоактивного облака. При этом в воздухе появляется большое количество свободных электронов, которые захватываются каплями электролита, содержащими химические соединения радиофосфора. Отсюда и появляются отрицательные кластеры, которые центральная положительно заряженная часть облака собирает из окружающего пространства. Таков микроскопический механизм самоорганизации химических соединений радиофосфора в облака и, затем, в ШМ[43].

Пренебрегая конвекцией и наличием внешних источников (), преобразуем уравнение (119) к виду[44]

. (120)

Линейные члены в уравнении (120) отвечают за «расползание» облака радиофосфора в воздухе, а нелинейные члены – за его формирование.

Анализ уравнения (120) логично провести в пять этапов:

1) рассчитать равновесное распределение радиофосфора;

2) на основе анализа равновесного распределения оценить параметры задачи;

3) проанализировать раннюю стадию формирования облака, когда нелинейная диффузия пренебрежимо мала, линейная диффузия также мала и отвечает за процессы медленного распада облака радиофосфора, а основную роль в инициации процесса его образования играют флуктуации плотности химических соединений радиофосфора;

4) исследовать позднюю стадию формирования облака, когда отклонение распределения радиофосфора от равновесного невелико, и уравнение (120) линеаризуется;

5) описать процесс формирования облака в целом посредством численного решения уравнения (120).

5.2. Расчет равновесного распределения радиофосфора

В соответствии с логикой решения задачи вначале рассчитаем равновесную форму облака. Стационарное уравнение для плотности имеет вид

. (121)

Воспользуемся сферической симметрией рассматриваемой системы. В этом случае уравнение (121) запишется как:

. (122)

Решение уравнения (122) численными методами не представляет никаких сложностей. Однако для качественного анализа процессов самоорганизации облаков радиофосфора крайне желательно иметь аналитические соотношения, позволяющие осмыслить физику явления.

В этом смысле уравнение (122) относится к числу достаточно сложных для аналитического решения. Поэтому, прежде чем приступить к его анализу, исследуем нереализуемый в природе одномерный случай распределения радиофосфора вдоль одной декартовой оси, например ,

, (123)

которое решается достаточно просто. Для этого ведем новую функцию

. (124)

Тогда уравнение (123) принимает вид:

. (125)

Введем функцию . В этом случае уравнение (125) становится тривиальным

. (126)

Перепишем (126) в следующем виде:

. (127)

Вначале найдем решение однородного уравнения:

. (128)

Отсюда

. (129)

Следовательно, решение неоднородного уравнения имеет вид

. (130)

Постоянная , поскольку . В итоге мы получаем

. (131)

Вспоминая, что и , приходим к уравнению для равновесного распределения концентрации радиофосфора

. (132)

Это уравнение с разделяющимися переменными. Из него вытекает, что

. (133)

Очевидно, что уравнение имеет смысл только при условии

. (134)

Таким образом,

. (135)

С формальной точки зрения имеют место два случая:

1) линейная диффузия преобладает над нелинейной ();

2) линейная диффузия меньше нелинейной ().

В несуществующих в природе плоских стационарных изолированных системах реализуется только первый случай. Это обусловлено тем, что за границей облака (), где концентрация заведомо мала, выполняется условие , а физического или математического механизма «проскакивания» концентрации через полюс в правой части уравнения (132) не существует.[45] Другими словами, полученное «одномерное» стационарное распределение абсолютно неустойчиво, т.к. соответствует случаю, когда «расползание» облака превалирует над его «самосжатием». Однако с формальной точки зрения такое решение существует, и его отыскание не лишено смысла.

Итак, в рассматриваемом модельном случае

(136)

(137)

Для того чтобы проинтегрировать выражение (137), разобьем его левую часть на два слагаемых

(138)

В первом из этих интегралов сделаем замену переменных . Тогда

. (139)

Таким образом,

, (140)

где

, (141)

причем , , . При этом мы учли, что при замене переменных стоящий в (139) знак «минус» исчезает при перестановке пределов интегрирования. Решение исходной задачи сводится к отысканию зависимости . Для нахождения этой зависимости требуется решить трансцендентное уравнение

. (142)

Константа подлежит определению из условия максимальности концентрации в начале координат

. (143)

Исследуем асимптотическое поведение этого решения при . Очевидно, что в этом случае , и уравнение (142) упрощается. Действительно, при

. (144)

С другой стороны,

. (145)

Поэтому

, (146)

, (147)

где , и мы получаем

. (148)

Таким образом, периферийная плотность радиофосфора экспоненциально падает по мере удаления от центра облака. Причем скорость ее убывания тем больше, чем выше степень ионизации (больше константа - распада , которую, строго говоря, и надо было бы использовать вместо константы ), и тем меньше, чем больше коэффициент линейной диффузии [46].

Максимальная плотность «плоских» облаков ограничена соотношением между линейной и нелинейной диффузией

. (149)

Рис. 6. Равновесное распределение плотности радиофосфора .

Выше, на рис. 6 приведены результаты численного расчета плотности радиофосфора для следующего набора параметров задачи:м^-3, м²/с, м⁵/c, c^-1, м³/с, причем расстояние измеряется в метрах.

Использованный при расчете набор параметров соответствует равновесному распределению обширного облака в верхних слоях атмосферы, в котором еще не начались процессы индуцированного - распада в связанное состояние, а внешние источники, подпитывающие его радиофосфором, уже отсутствуют. Строго говоря, приведенные выше расчеты весьма условны. Однако из них однозначно следует, что если до начала разряда характерные размеры облака составляли м, то на момент зажигания разряда ШМ они сократились до м. Это изменение связано с тем, что . Поэтому из (148) с очевидностью вытекает, что ускорение - процессов за счет реакции индуцированного - распада в связанное состояние и вызванное этим ускорение процессов ионизации приводят к быстрому самосжатию радиоактивного облака. Именно таков механизм формирования тела ШМ молнии на стадии, предшествующей ее «самовозгоранию».

В этом плане физика образования облаков соединений радиофосфора очень похожа на физику образования обычных облаков и дождевых туч. Однако основным источником ионизации в этом случае является не атмосферное электричество, а - распад, хотя и обычные атмосферные процессы вносят в описанный процесс ионизации значительный вклад.

Покажем, каким способом можно провести приближенное аналитическое интегрирование уравнения (122). Для этого преобразуем его к виду

, (150)

и перегруппируем члены этого уравнения

. (151)

Совершенно очевидно, что при больших уравнение (151) переходит в уравнение (123), то есть поправки на «кривизну» задачи невелики. Асимптотика в области малых отыскивается следующим образом. Полагаем, что при мы можем разложить в ряд и ограничиться первыми членами разложения

. (152)

Подставляя (152) в (151), получим

(153)

Коэффициенты этого разложения отыскиваются посредством приравнивания множителей при соответствующих степенях в правой и левой частях уравнения (153). Так при слагаемом, содержащим , стоит коэффициент . Следовательно, имеются две возможности удовлетворить уравнение (153). Рассмотрим случай . В этом случае из (153) вытекает следующая система уравнений:

. (154)

Как уже отмечалось ранее, самоорганизация облаков радиофосфора происходит из-за электростатического взаимодействия молекул и (как нейтральных, так и отрицательных ионов). Это означает, что , то есть увеличение концентрации радиофосфора из-за взаимодействия этих молекул с облаком превышает выбытие ядер радиофосфора из-за - распада. Поэтому согласно второму уравнению системы (154) . В этом случае максимум плотности радиофосфора находится отнюдь не в начале координат. Но даже не это главное. Как уже отмечалось выше, в модельном «плоском равновесном» облаке линейная диффузия превышает нелинейную диффузию[47]. Но это означает, что согласно первому уравнению системы (154) . Таким образом, мы приходим к противоречию. Из этого следует, что .

Из приведенного выше анализа вытекает, что

. (155)

Сравнение коэффициентов при приводит нас к соотношению:

, (156)

из которого вытекает, что

, (157)

причем знак «минус» выбран из условия максимума плотности в центре облака, содержащего радиофосфор. Наконец, сравнивая коэффициенты при , мы приходим к следующему выражению для :

, (158)

причем в процессе нахождения асимптотик равновесного распределения мы оценили порядок входящих в задачу коэффициентов.

В заключение этого раздела отметим, что в отличие от модельной задачи об одномерном распределении радиофосфора вдоль оси , в реальной трехмерной системе нелинейная диффузия может стать больше линейной. Дело в том, что в силу соотношения (155) процесс формирования равновесного распределения радиофосфора заканчивается в тот момент, когда линейная и нелинейная диффузия взаимно компенсируются в центре облака радиофосфора. Однако именно в этот момент зажигается разряд ШМ, начинается электрический разряд в воздухе, вызванный большим электрическим зарядом ее тела, и физика начинающихся при этом процессов принципиально не сводится к анализу исследуемого в данной работе уравнения.

С формальной точки зрения состояние равновесия, в котором концентрация радиофосфора подчиняется уравнению (151), является неустойчивым (из-за наличия квадратичной нелинейности ). Однако при высоких концентрациях радиофосфора начинаются процессы индуцированного - распада в связанное состояние. Поэтому фактором, стабилизирующим равновесное распределение радиофосфора, выступает быстрое увеличение эффективной постоянной с ростом (и ). Кроме того, на стадии разряда ШМ огромную роль играют внешние источники радиофосфора, не учтенные в модельном расчете. Поэтому на стадии, непосредственно предшествующей зажиганию разряда шаровой молнии, распределение радиофосфора ведет себя устойчиво.

Как уже отмечалось выше, соотношение (148) позволяет оценить размеры шаровой молнии на основе анализа процессов переноса. В момент зажигания разряда . Поэтому м^-1. Учитывая грубость приведенных расчетов, можно сделать вывод о том, что оценки размеров ШМ, сделанные на основе анализа процессов переноса, не противоречат оценкам, выполненным выше на основе анализа процессов фотоионизации.

Полученные соотношения позволяют рассчитать электрическое поле в окрестности тела шаровой молнии.

Предположим, что распределение положительных ионов серы (), образующихся в теле шаровой молнии в результате - распада радиофосфора, приблизительно совпадает с распределением радиофосфора. Это предположение достаточно логично, поскольку скорость рождения положительно заряженных ионов серы квазипостоянна и равна .

Для грубых оценок предположим, что

. (159)

Как это видно из рис. 6, это приближение, выполняется с точностью, достаточной для порядковых оценок.

В этом приближении электрическое поле ШМ подчиняется уравнению

, (160)

где - потенциал электростатического поля.

Учитывая, что задача решается в статическом приближении (), и используя сферическую симметрию распределения (159), представим уравнение (160) в виде

, (161)

откуда немедленно получаем

. (162)

Интеграл (162) вычисляется элементарно. В результате мы получаем выражение для напряженности электрического поля, создаваемого телом ШМ,

. (163)

Суммарный электрический заряд ШМ равен

. (164)

Подставляя выражение (164) в формулу (163), получаем очевидное соотношение

. (165)

Рассчитаем величину электрического поля в окрестности шаровой молнии. Для оценок используем следующий набор параметров: Кл, м^-1. Этот набор хорошо согласуется с наблюдаемыми размерами шаровой молнии и данными о скорости «подзарядки» ее тела за счет выброса электронов при - распаде в непрерывный спектр (активность ~100 Кюри).

Результаты подобных расчетов представлены на рис. 7. Хорошо видно, что в окрестности поверхности тела ШМ ( м) напряженность электрического поля по порядку величины соответствует напряжению зажигания коронного разряда ( В/м) [154][48].

Рис. 7. Пространственная зависимость напряженности электрического поля

Скорее всего, это означает, что одна из «оболочек» ШМ [108] обусловлена коронным разрядом. В какой-то мере, это подтверждает гипотезу П.Л. Капицы о том, что «огни Святого Эльма» и шаровая молния имеют родственную природу [118].

5.3. Ранняя стадия формирования облака радиофосфора

На ранней стадии образования облака огромную роль играют флуктуации плотности, быстрое накопление электрического заряда центральной частью облака и тот факт, что положительный заряд центральной части облака сосредоточен на ионах серы и ее соединений (), а не на соединениях радиофосфора. Причем динамика процесса образования облаков радиофосфора с точки зрения синергетики полностью аналогична динамике фазовых переходов в металлах.

В этом случае уравнение, описывающее динамику образования облака радиофосфора, предельно упрощается

. (166)

Это уравнение с разделяющимися переменными легко приводится к виду

. (167)

Перепишем (167) как

. (168)

Отсюда следует, что зависимость плотности от времени имеет вид:

, (169)

где - постоянная интегрирования. Если , то . Очевидно, что это решение описывает процесс разрастания флуктуации. Оно пригодно только при малых временах

. (170)

Поскольку характерное время формирования облака намного меньше двух недель (радиофосфор успевает достичь поверхности земли), постольку логично предположить, что , т.е. . Величина определяется не только и не столько этим соотношением, сколько величиной электрического заряда центральной части облака, содержащего радиофосфор. Это, в свою очередь, позволяет оценить величину затравочной концентрации радиофосфора , начиная с которой процесс формирования радиоактивного облака становится самоподдерживающимся.

5.4. Поздняя стадия формирования облака радиофосфора

Выше мы получили равновесное распределение радиофосфора. Далее мы будем обозначать его через . Если процесс формирования облачности находится на завершающей стадии, то уравнение (119) линеаризуется. Для того чтобы выполнить эту линеаризацию, представим плотность радиофосфора в виде: и подставим это выражение в уравнение (119). Учитывая соотношение (121), получим

. (171)

Это линейное уравнение параболического типа. Очевидно, что оно описывает позднюю стадию процесса самоорганизации радиофосфора в облака. Из уравнения хорошо видно, что причиной процессов диффузии и переноса на завершающей стадии формирования облака служат наличие сильно притягивающей центральной части облака и градиент концентрации радиофосфора на его границе.

Наконец, необходимо отметить, что учет силы тяжести приводит к тому, что равновесная форма радиоактивного облака – сплюснутый эллипсоид. Все дело в том, что центральная область облака является источником притяжения для радиофосфора из периферийных областей. Облако в целом медленно опускается на землю, поскольку оно несколько тяжелее воздуха. При этом притяжение к центру облака для капель радиоактивного электролита, находящихся выше центра, складывается с силой тяжести, а для капель, находящихся ниже центра, работает против сил тяжести. В результате нижние слои опускаются на землю медленнее, чем облако в среднем, а верхние – наоборот – быстрее. В итоге облако само себя сжимает в вертикальном направлении, и мы приходим к выводу о том, что равновесная форма облака радиофосфора - эллипсоид. Именно эти светящиеся сплюснутые эллипсоиды многочисленные наблюдатели обычно принимали за «летающие тарелки»[49].

5.5. Выводы

Резюмируем результаты, полученные в настоящем разделе работы.

1. Проделан анализ процесса формирования облаков невозбужденного радиофосфора. Найдено приближенное решение уравнения распределения равновесной плотности радиофосфора в воздухе.

2. Дано численное решение задачи о равновесном распределении радиофосфора.

3. Дана оценка коэффициентов, линейной и нелинейной диффузии.

4. Рассчитано электрическое поле, создаваемое телом шаровой молнии.

5. Проанализирована начальная стадия формирования облака, инициируемая флуктуациями плотности.

6. Построено линейное уравнение, описывающее позднюю стадию формирования облаков.

7. Показано, что притяжение отрицательно заряженных капель электролита, содержащих химические соединения радиофосфора, к положительно заряженной центральной части облака является фактором, определяющим динамику образования радиоактивных облаков.

8. Представляет несомненный интерес проведение обширного численного эксперимента для создания наглядной картины явления.

6. Электростатический механизм образования радиоактивных облаков

Как уже упоминалось выше, для того чтобы шаровая молния вспыхнула в облачке соединений радиофосфора, необходимо, чтобы их плотность достигла определенной концентрации. Феноменологический анализ динамики данного процесса проделан в предыдущей главе.

Целью настоящего раздела работы является расчет коэффициентов и , входящих в систему уравнений (120), а также анализ ранней стадии формирования радиоактивных облаков в верхних слоях атмосферы, когда диффузионное приближение становится недостаточно корректным.

6.1. Основной формализм

Облака, содержащие радиофосфор, образуются в верхних слоях атмосферы в результате различных ядерных реакций. Возникнув, они медленно опускаются на землю под действием силы тяжести и одновременно сжимаются за счет электростатического взаимодействия.

В верхних слоях тропосферы эти облака все еще имеют малую концентрацию, недостаточную для инициации реакции индуцированного - распада в связанное состояние (зажигания разряда шаровой молнии). В этом случае система уравнений, описывающих динамику облака, принимает вид (120).

Рассчитаем коэффициенты и , входящие в (120), в электростатическом приближении исходя из того, что из-за интенсивного выброса электронов при - распаде в непрерывный спектр радиоактивное облако является сильно заряженным. Как было показано выше, за 1 секунду оно выбрасывает из себя отрицательный заряд примерно равный Кл[50]. Вследствие этого электрический потенциал поверхности облака за 1 секунду возрастает, приблизительно, на В. При достаточно малых размерах облака его электрическое поле вызывает электрический разряд в воздухе (шаровую молнию). Именно этот электрический разряд приводит к тому, что электрический потенциал поверхности облака не превосходит напряжения пробоя воздуха на заданной высоте над уровнем моря.

Большой по величине положительный заряд центральной части облака притягивает из окружающего пространства отрицательно заряженные капли электролита, содержащие радиофосфорную кислоту , а также слабый раствор ее солей.

Предположим, что центральная часть радиоактивного облака имеет заряд , где - заряд электрона. Тогда уравнение движения капель радиоактивного электролита имеет вид

, (172)

где - радиус-вектор заряженной частицы (считается, что центр облака находится в начале координат), - эффективная масса капли[51], - коэффициент вязкости воздуха, - его плотность, - эффективный радиус заряженной капельки, - постоянная экранировки, по порядку величины равная (- длина свободного пробега в воздухе электронов с энергией МэВ). Учитывая, что силы жидкого трения пропорциональны скорости, мы легко приходим к выражению для установившейся скорости заряженных капель (), содержащих радиофосфор,

. (173)

В облаке, содержащем атомов радиофосфора, происходит распадов в секунду, то есть формально заряд нарастает по закону . Однако рост заряда имеет место только на начальной стадии формирования облака. На самом деле положительный заряд облака в нулевом приближении можно считать пропорциональным величине , поскольку его прирост постоянно компенсируется за счет притока свободных электронов и отрицательных ионов из окружающего пространства. По этой причине логично считать, что , где - время релаксации. Учтем тот факт, что заряд центральной части облака распределен в пространстве, и представим уравнение (173) в следующем виде:

, (174)

причем интегрирование ведется по объему облака .

Плотность потока отрицательно заряженных частиц, содержащих атомы радиофосфора, определяется выражением

, (175)

поэтому число ядер радиофосфора в объеме облака нарастает по закону

. (176)

Подставляя (174) в (176), получаем

. (177)

Введем обозначение и проделаем следующие преобразования:

(178)

С другой стороны, согласно (176) прирост количества радиофосфора в объеме облака равен

. (179)

Формально приравнивая эти выражения (имеющие различную степень точности и разные границы области применимости), получаем

(180)

Разложим подынтегральные выражения в (180) в ряд по и используем тот факт, что экранированный кулоновский потенциал имеет конечный радиус действия. Тогда для первого слагаемого в левой части соотношения (180) имеем

(181)

В силу сферической симметрии задачи второе слагаемое в (181) зануляется

, (182)

а интеграл в первом слагаемом вычисляется элементарно

. (183)

Отсюда немедленно следует, что

. (184)

Совершенно аналогично находится величина

(185)

и в рамках точности сделанных приближений мы приходим к выражению

. (186)

Таким образом, нелинейные члены и в приближении малых градиентов концентрации описывают процесс самоорганизации радиоактивного облака. Рост этого облака происходит за счет притяжения отрицательно заряженных капель радиоактивного электролита[52] к центральной части облака химических соединений радиофосфора, имеющей большой положительный электрический заряд из-за потери электронов, вылетающих из него при - распаде в непрерывный спектр. Именно эти электроны с энергией МэВ ионизируют окружающий воздух. В результате в воздухе появляется большое количество свободных электронов, которые захватываются нейтральными каплями электролита, содержащего радиофосфорную кислоту и ее соли. Приобретая отрицательный заряд, эти капли с огромной силой притягиваются к центральной положительно заряженной части облака. Таков микроскопический механизм самоорганизации химических соединений радиофосфора в облака и, затем, в шаровые молнии.

Проанализируем полученные выражения. Из соотношения (184) следует, что коэффициент зависит от вязкости воздуха и времени электрической релаксации положительного заряда центральной части облака химических соединений радиофосфора, и не зависит от параметра , обратно пропорционального длине свободного пробега электронов.

В свою очередь, эти параметры атмосферы зависят от высоты. Учитывая, что время релаксации растет вместе с вязкостью газа, получаем, что коэффициент зависит от высоты облака над уровнем моря как .

Коэффициент вязкости согласно [154] равен

, (187)

где - концентрация молекул воздуха, - средняя масса молекул воздуха, - средняя длина свободного пробега ионов серы, - их средняя скорость.

Произведение в формуле (187) от высоты над уровнем моря практически не зависит, поскольку определяется, в основном, сечением рассеяния ионов серы на молекулах воздуха. Средняя скорость ионов серы, по-видимому, должна достаточно быстро расти с высотой, поскольку электрическое поле разгоняет ионы серы весьма эффективно, а передача импульса молекулам воздуха происходит медленно из-за его низкой плотности[53]. Проанализируем свойства коэффициента . Для этого представим выражение (186) в следующем виде:

. (188)

Из этого соотношения немедленно вытекает, что на больших высотах относительная роль нелинейной диффузии, вызванной электростатическим взаимодействием, существенно возрастает, причем величина увеличивается с ростом высоты гораздо быстрее, чем .

Наконец, определенный интерес представляет анализ влияния нелокальности реального кулоновского взаимодействия. В рамках сделанных предположений плотность химических соединений радиофосфора подчиняется следующему интегро-дифференциальному уравнению:

(189)

где - единичный радиус-вектор.

На очень больших высотах уравнение (189) должно быть дополнено внешним источником

(190)

интенсивность которого определяется плотностью потока космических лучей и плотностью присутствующих в атмосфере ядер-мишеней, из которых образуется радиофосфор.

Любопытно отметить, что, несмотря на большую внешнюю сложность, это уравнение допускает исследование простейшими методами. Дело в том, что на больших высотах градиенты плотности химических соединений радиофосфора невелики, линейная диффузия пренебрежимо мала, а кулоновская экранировка практически отсутствует (). Если первоначальные флуктуации плотности радиофосфора в облаке малы, то в рамках сделанных приближений уравнение (190) существенно упрощается

, (191)

где - средняя концентрация радиофосфора. Решение этого уравнения тривиально:

. (192)

Из (192) следует, что если средняя плотность радиофосфора достаточно велика[54], то процесс самоорганизации идет очень быстро, причем из-за малости плотности и вязкости воздуха в верхних слоях атмосферы процесс образования компактного облака начинается даже в том случае, когда длина свободного пробега электрона достигает многих километров.

Поскольку , то из (192) с очевидностью следует, что ускорение - процессов за счет реакции индуцированного - распада в связанное состояние и вызванное этим ускорение процессов ионизации приводят к быстрому самосжатию облака радиофосфора. Именно таков механизм формирования тела шаровой молнии на стадии, предшествующей ее «самовозгоранию».

Именно поэтому физика образования облаков химических соединений радиофосфора весьма похожа на физику образования дождевых облаков и грозовых туч. Имеются очень серьезные аргументы в пользу того, что основным источником ионизации и пространственного разделения зарядов противоположного знака и в том, и в другом случае является - распад, хотя и обычные процессы взаимодействия капель воды и снежинок с воздушными потоками вносят определенный вклад в электрические явления в атмосфере.

Полученное в предыдущей главе соотношение в совокупности с соотношением (191) позволяет оценить критическую концентрацию радиофосфора, начиная с которой зародыш радиоактивного облака превращается в самоорганизующийся объект,

. (193)

Дадим численную оценку этой величины, опираясь на предположение о том, что процесс формирования облака радиофосфора происходит в тропосфере, и с определенной натяжкой можно использовать данные о вязкости воздуха при нормальных условиях ( кг·c^-1·м^-1). Полагая м (мельчайшая капелька воды, сконденсировавшаяся, например, на ионе ), секунды и отбрасывая все несущественные факторы типа 3/2, приходим к оценке величины

м^-3, (194)

что не противоречит другим оценкам и здравому смыслу. То есть на ранней стадии образования облаков радиофосфора происходит своеобразный фазовый переход, в результате которого формируется прототело шаровой молнии. Этот тип фазовых переходов не описан в литературе, поскольку в рамках классической термодинамики, метеорологии, радиационной химии и других традиционных наук проблемой формирования облаков химических соединений радиофосфора в верхних слоях атмосферы никто никогда не занимался.

В дополнение отметим, что при наличии подпорогового ВЧ- поля процессы развития пробоя в газе существенно ускоряются [115]. Это означает, что реальное значение в условиях сильной грозы может уменьшиться на несколько порядков.

6.2. Выводы

Итак, в данном разделе работы проделан анализ электростатического механизма самоорганизации облаков химических соединений радиофосфора (радиоактивного аэрозоля). Получены следующие результаты.

1. Дана оценка величины коэффициента и коэффициента нелинейной диффузии .

2. Показано, что в верхних слоях атмосферы нелинейная диффузия, вызванная электростатическим притяжением, является доминирующей.

3. Исследована грубая зависимость коэффициентов, определяющих процесс самоорганизации соединений радиофосфора в облака от высоты над уровнем моря. Показано, что скорость указанных процессов, в общем и целом, растет с увеличением высоты над уровнем моря, в первую очередь, из-за нелинейной диффузии.

7. Spectatum crucis, его статус в истории физики и проблема

верификации новой теории шаровой молнии

В работе [146] впервые была сформулирована гипотеза, согласно которой шаровая молния представляет собой облачко, содержащее химические соединения радиофосфора, в котором протекает как обычный - распад, так и цепная субатомная реакция индуцированного - распада в связанное состояние[55]. В пользу этой гипотезы свидетельствует множество наблюдательных данных. Однако за время с момента рождения этой гипотезы так и не удалось поставить прямой эксперимент, позволяющий проверить ее истинность, или удостовериться в ложности. Организация эксперимента с радиоактивными материалами – дело не простое[56]. Кроме того, имеется масса финансовых и организационных проблем, не позволяющих немедленно напрямую проверить очень интересную научную гипотезу.

Однако не всякая теория нуждается в немедленном экспериментальном подтверждении. Иногда для ее верификации достаточно наблюдательных данных. Целью настоящей главы является анализ статуса понятия «решающее наблюдение» (spectatum crucis) в современной физике и оценка вероятности того, что предложенная в работе [146] гипотеза ошибочна.

7.1. Experimentum crucis и его роль в истории науки

История физики XIX и XX веков насчитывает немногим более десятка решающих экспериментов (experimentum crucis).

В опытах Дж.Дж. Томсона был открыт электрон. Дискретность электрического заряда (как и закон сохранения заряда) является одним из наиболее фундаментальных свойств материи.

На основе результатов экспериментов Майкельсона и Морли была признана правильной специальная теория относительности.

В опытах Э. Резерфорда и Ф. Содди было открыто превращение химических элементов.

В другой серии опытов Э. Резерфорда было открыто атомное ядро.

В опытах А. Комптона были исследованы корпускулярные свойства рентгеновского излучения.

В опытах Дэвиссона и Джермера были исследованы волновые свойства электрона.

Этот список можно продолжать, но он, в любом случае, не является длинным. Фундаментальных свойств материи не так уж много.

В рамках перечисленных экспериментов были установлены основные свойства материи. На этой базе и развивается современная наука и техника.

Однако не все естественные науки опираются на экспериментальные данные. Классический пример наблюдательной науки - астрономия. Об экспериментах с контролируемыми параметрами астрономы на протяжении тысячелетий даже не мечтали. История астрономических и астрофизических исследований с помощью спутниковой (и другой научной) аппаратуры насчитывает не более полувека. При этом наличие немногих контролируемых параметров, по сути дела, практически ни на что не влияет. Астрономия и астрофизика как были, так и остаются науками, опирающимися не столько на эксперимент, сколько на наблюдательные данные.

История науки изобилует примерами, когда научные открытия совершались на основе наблюдательных данных и только гораздо позднее подтверждались прямыми экспериментами.

В частности, на основе наблюдательных данных был получен и признан правильным закон всемирного тяготения (законы Кеплера, морские приливы и отливы и предсказание появления кометы Галлея).

Общая теория относительности (ОТО) также была признана правильной по совокупности наблюдательных данных. В пользу ОТО свидетельствовали смещение перигелия Меркурия и наблюдение отклонения луча света в гравитационном поле Солнца, зафиксированное сэром Артуром Стэнли Эддингтоном во время солнечного затмения 29 мая 1919 года. Несколько позже, было открыто красное смещение, связанное с «разбеганием» галактик[57]. И только гораздо позднее, в результате проверки в опытах Паунда и Ребки, ОТО получила статус теории, проверенной в прямом эксперименте.

На основе обобщения наблюдательных данных Роберт Юлиус Майер открыл закон сохранения энергии. Причем стартовым толчком, позволившим открыть фундаментальный закон природы, послужило наблюдение. Р.Ю. Майер заметил, что кровь у темнокожих людей светлее, чем у белых людей. На основе этого наблюдения он первым осознал роль энергии Солнца в природных процессах и сформулировал всеобщий закон сохранения энергии. Экспериментальное подтверждение этого закона и признание его фундаментального статуса произошло несколькими годами позже.

Открытие реликтового излучения в 1964 году (А. Пензиас и Р. Вильсон, лауреаты Нобелевской премии 1978 года) радикально изменило наши космологические и космогонические представления. Именно это открытие физики и астрофизики рассматривают как главное доказательство справедливости теории Большого Взрыва. И хотя для регистрации реликтового излучения использовался радиотелескоп, тем не менее, результат А. Пензиаса и Р. Вильсона относится скорее к наблюдению, чем к эксперименту.

Таким образом, крупнейшие научные открытия (закон всемирного тяготения, закон сохранения энергии, неевклидовость геометрии нашего мира и Биг Банг[58]) были сделаны (и признаны научной общественностью[59]) на основе наблюдательных данных. То есть некоторые основные законы природы были открыты и признаны на основе spectatum crucis. Следовательно, статус spectatum crucis практически эквивалентен статусу experimentum crucis.

7.2. spectatum crucis и загадка шаровой молнии

Для того чтобы уяснить, насколько информативны наблюдательные данные, приведем одно из наиболее ярких и квалифицированных описаний наблюдения шаровой молнии [108]:

“Светимость молнии была значительной, особенно при расстоянии в несколько метров, тем не менее, её всё же можно было свободно рассматривать без чрезмерного напряжения. Было заметно, что цвет молнии неоднороден. Центральная часть представляла собой шар диаметром около 6- 8 см, несколько вытянутый в вертикальном направлении. Эта часть была и наиболее яркой, по своему внешнему виду (кроме формы) весьма напоминая электроразрядный факел в воздухе, получаемый в плазмотронах, с температурой плазмы порядка 13000 - 16000°. Центральная часть молнии была окружена областью толщиной 1- 2 см с густым фиолетовым свечением, очень похожим на свечение воздуха при давлении 0.1 мм. рт. ст., бомбардируемого электронами с энергией в несколько десятков электронвольт. Следующая, наружная оболочка, толщиной около 2 см, также была неоднородна, напоминая по цвету тихий электрический разряд при атмосферном давлении или периферийное свечение электронного пучка с энергией в несколько десятков килоэлектронвольт, попадающего из вакуумной трубки в воздух при обычном давлении. Светло-голубое свечение этой части молнии быстро убывало с увеличением расстояния от центрального шара, постепенно сходя на нет. Оболочки молнии хорошо просматривались только в горизонтальном направлении. В нижней части они, вероятно, были сжаты и их можно было различить только при сопоставлении с боковыми частями молнии. Над молнией сверху оболочки были значительно толще, но не так резко выражены. Кроме того, в них можно было видеть отдельные яркие конвективные струи (как над обычным костром, только цвет их был с беловатым оттенком). Общий диаметр шара составлял около 11-12 см в горизонтальном направлении и около 14-16 см в вертикальном. С расстояния в несколько десятков метров наблюдалась, по-видимому, только центральная часть шара. Издали молния имела синеватый оттенок… В молнии, по-видимому, всё время выделялась энергия. На это указывали сплошной шорох и сильные отдельные потрескивания. Вероятно, беспрерывно происходила и утечка её заряда. Выделение энергии резко увеличивалось при соприкосновении молнии с поверхностями (листьями или сучками) и сопровождалось более сильным треском и искрением. Молния оставила после себя сильный запах, по своему характеру почти совпадающий с запахом воздуха, подвергнутого воздействию ионизирующего излучения”.

К этому можно добавить сведения, почерпнутые из Интернета (ссылка на http://www.laboratory.ru/articl/hypo/rax040.htm, статья С.Г. Федосина и А.С. Ким): «В связи со строением ШМ интересно рассмотреть некоторые случаи из [155]. ШМ довольно редко представляет собой правильную сферу, скорее это масса неправильной формы, иногда с несколькими выступами. Некоторые ШМ кажутся полыми, овальными, сердцевидными, грушевидными, яйцевидными или в виде тора или кольца. В случае в Париже в 1849 г. у ШМ возникли искры и огненные языки, которые как будто вырывались из отверстия в шаре. При увеличении отверстия ШМ взорвалась с молниеподобным разрядом. После этого наблюдалось ещё некоторое яркое свечение.

В случае 1949 г. в ФРГ после распада ШМ осталась её часть, напоминающая по форме молодой месяц, повёрнутый рогами вниз. Распад этой ШМ сопровождался искрами длиной до 30 см. Прикреплённые к предметам ШМ исчезают, обычно, как бы кипя и выбрасывая искры. По статистике до 50 % всех наблюдаемых ШМ оканчивают свою жизнь с небольшим взрывом»[60].

Наблюдение М.Т. Дмитриева, данные С. Сингера и других авторов настолько точны, что создают все предпосылки для того, чтобы выступить в качестве решающих наблюдений. Они, в совокупности с другими наблюдениями, (см., например, [161, 165]) однозначно идентифицируют физическую природу шаровой молнии.

На основании вышесказанного покажем, что в случае с шаровой молнией (ШМ) мы имеем дело со spectatum crucis, исключающим возможность альтернативной трактовки описываемого феномена.

Итак, в пользу выдвинутой в работе [146] гипотезы свидетельствуют эмпирические свойства шаровой молнии, перечисленные и прокомментированные в таблице 3.

Таблица 3

№	Наблюдательные данные	Объяснение феномена
1	Наличие изотопов радиофосфора в дождевой воде	Обнаружено в 1957 году [51].
2	Шаровая форма	Кулоновское взаимодействие, сжимающее облачко химических соединений радиофосфора до критической плотности, обладает сферической симметрией. Концентрация радиофосфора падает с увеличением расстояния от центра. Кроме того, плотность потока фотонов, инициирующих реакцию, убывает обратно пропорционально квадрату расстояния от геометрического центра ШМ, и также обладает сферической симметрией.
3	Способность менять свою форму во время полета	Форма ШМ определяется не только распределением плотности фотонов, но и распределением плотности радиофосфора, на которое сильно влияет ветер. Если исходное облако химических соединений радиофосфора, из которого ШМ вытягивает отрицательно заряженные капли электролита, содержащие радиофосфорную кислоту и ее соли, растягивает сильный ветер, то шар может превратиться в ленту.
4	Запах серы, озона и окислов азота	Сера является продуктом - распада фосфора. Озон и окислы азота образуются в результате ионизации молекул кислорода и азота за счет взаимодействия с мягким рентгеновским излучением и Оже-электронами.
5	Размеры шаровой молнии	м, . . Обозначения и детали расчетов см. выше.
6	Энергетика шаровой молнии	При каждом - распаде в связанное состояние выделяется более 1 КэВ полезной энергии. При каждом - распаде в непрерывный спектр выделяется не более 1,709 МэВ полезной энергии. Именно этот огромный запас энергии позволяет шаровой молнии «творить чудеса», неоднократно описанные в литературе. Расчет процесса кипячения ведра дождевой воды приведен выше.
7	Способность проникать сквозь узкие отверстия	Сквознячок, вызванный перепадом давления и электростатическими силами (см. п. 28), затягивает радиофосфор сквозь щели навстречу налетающей ШМ. Геометрический центр области горения следует в направлении увеличения концентрации радиофосфора. То есть имеет место полет ШМ «против ветра». Многочисленные очевидцы описывают явление так. ШМ подходит к отверстию и выбрасывает впереди себя длинный светящийся шнур, который как бы нащупывает дорогу к отверстию, а потом втягивается в него. Дело в том, что воздушная струйка, содержащая радиофосфор, вытягивается ШМ из отверстия электростатическими силами. Реакция бежит вдоль этой струйки, как огонь по бикфордову шнуру.
8	Способность неподвижно зависать в воздухе	Динамические уравнения, описывающие полет ШМ, получены в работе [145]. В этой работе показано, что ШМ неподвижно висит в воздухе, если асимметрия распределения «ионов» радиофосфора равна нулю. В терминах работы [145] .
9	Способность лететь как по ветру, так и против ветра	Если скорость перемещения области реакции больше, чем скорость ветра, а радиофосфор наносит воздушным потоком, то ШМ летит против ветра. В противном случае она летит по ветру. Подробный анализ см. в [145].
10	Продолжительность разряда	Определяется двумя факторами: постоянной с^-1 и размерами радиоактивного облака, служащего источником атомов радиофосфора, необходимого для поддержания цепной субатомной реакции индуцированного - распада в связанное состояние [145]. В любом случае речь идет о временах от нескольких секунд до нескольких минут.
11	Способность как тихо угасать, так и взрываться	Определяется наличием бифуркационного параметра . Если концентрация радиофосфора больше критической, то происходит взрыв. Если концентрация умеренная - имеет место стационарное горение. Если мало – разряд тихо гаснет. Детали расчета см. выше.
12	Способность вызывать нагревание и разрушение предметов, намоченных дождевой водой	Рентгеновское излучение и электроны, ускоренные сильно заряженным телом ШМ, инициируют реакцию в радиофосфоре, содержащемся в дождевой воде [51, 145].
13	Способность загораться в канале разряда линейной молнии	Электрический разряд сопровождается мощным электромагнитным импульсом, в котором присутствуют фотоны с энергией эВ, а также энергичные электроны, способные «ободрать» - или - оболочку атома радиофосфора. Эти фотоны и электроны «зажигают» реакцию, если в данной области пространства содержится радиофосфор.
14	Способность возникать «из ничего»	Из-за электростатического взаимодействия и нелинейной диффузии происходит самопроизвольное сжатие облачка радиофосфора. Если плотность радиофосфора превышает критическую (см. выше), то происходит самовозгорание разряда ШМ. Процесс самоорганизации облаков радиофосфора подробно описан в предыдущих разделах настоящей работы.
15	Способность появляться в помещениях	Если окно открыть перед грозой или во время грозы (чтобы подышать свежим воздухом), то радиофосфор, может попасть в комнату вместе с озонированным воздухом. Внутри закрытых помещений нет ветра, поэтому химические соединения радиофосфора имеют достаточно времени для самоорганизации, т.е. самосжатия до критической плотности.
16	Способность появляться Внутри летящего самолета	Этой способность ШМ наблюдалась в старых самолетах с негерметичной кабиной (или салоном). ШМ появлялась при пролете самолета через грозовое облако. Физика здесь точно такая же, как и в случае загорания ШМ в комнате.
17	Предпочтительное возгорание или угасание на проводниках	В силу того, что в радиоактивном облаке происходит обычный b- распад, сопровождающийся стандартными вторичными эффектами, облачко приобретает электрический заряд. В результате на близлежащих проводниках возникает наведенный заряд, после чего обычное кулоновское взаимодействие собирает исходное облако, содержащее радиофосфор, вблизи этих проводников.
18	Предпочтительное появление во время или после грозы	Радиофосфор относится к числу короткоживущих изотопов. В грозу наблюдаются мощные вертикальные воздушные потоки. Именно они (а также капли дождевой воды) доставляют радиофосфор к поверхности земли. В тихую ясную погоду облако, содержащее радиофосфор, также может опуститься на землю. Однако продолжительность этого процесса соизмерима с периодом полураспада изотопов радиофосфора. Поэтому ШМ чаще всего появляется в грозу.
19	Способность «уходить в землю»	Если земля смочена дождевой водой, содержащей радиофосфор, то от земли парит. В направлении повышения концентрации радиофосфора и летит ШМ.
20	Способность лететь по проводам линий электропередачи	См. п. 17.
21	Способность проникать через стекло	Если радиофосфор содержался по обе стороны стекла, то при приближении области протекания цепной реакции к окну - электроны, вылетающие из тела ШМ, тормозятся в стекле. Возникающее при этом тормозное рентгеновское излучение зажигает цепную реакцию по другую сторону стекла. При этом на стекле остаются следы взаимодействия. Это свойство ШМ наблюдается очень редко, однако именно оно вместе со свойствами 1-11, однозначно верифицирует теорию, изложенную в работах [61, 139-149].
22	Наличие тонкой структуры. Согласно [108] ШМ имеет три оболочки	Внутренняя область ШМ – это область протекания цепной субатомной реакции индуцированного - распада в связанное состояние. Следующая оболочка – это область взаимодействия мягких рентгеновских квантов, вылетающих из центральной области ШМ и низкоэнергетических электронов из внешней оболочки ШМ с молекулами азота и кислорода. Наконец, внешняя оболочка – это область, в которой происходит электрический разряд в воздухе, вызванный наличием у ШМ большого по величине положительного электрического заряда (см. п. 28). Он представляет собой нестандартную комбинацию коронного разряда с тихим и искровым разрядом.
23	Полупрозрачность	Цепная реакция индуцированного - распада идет весьма вяло. За 1 секунду в ШМ с эффективным объемом в 1 л происходит примерно распадов. Поэтому собственная светимость области разряда не слишком велика, и сквозь ШМ видно расположенные за ней предметы [161].
24	Вариабельность цветности	Определяется относительным содержанием в ШМ изотопов и , а также плотностью водяных паров, углекислого газа и пр. В первую очередь микрокапель растворов различных солей , , , , .
25	Противоречивость оценок светимости и температуры	Электромагнитное излучение при девозбуждении атомов серы имеет принципиально не тепловую природу. Коронный разряд также имеет спектр излучения, сильно отличающийся от теплового.
26	Хаотичность траектории полета	Распределение плотности радиофосфора в воздухе определяется как динамическими, так и статистическими факторами. Наличие случайно распределенных градиентов концентрации радиофосфора приводит к тому, что направление полета ШМ может меняться случайным образом. Детали расчета траектории ШМ см. выше.
27	Большой разброс продолжительности разряда	Определяется большим разбросом суммарного количества радиофосфора, достигающего поверхности Земли при различных погодных и прочих условиях.
28	Характерное потрескивание (шум) при разряде	Интенсивный выброс электронов при обычном b- распаде приводит к тому, что тело ШМ является сильно заряженным. За 1 секунду ШМ теряет заряд примерно Кл. Вследствие этого электрический потенциал поверхности шаровой молнии за 1 с возрастает примерно на В. Электрический пробой воздуха, вызванный этим потенциалом, сопровождается характерным треском. Достаточно вспомнить школьные опыты с электрофорной машиной. Именно этот электрический разряд приводит к тому, что электрический потенциал поверхности ШМ не превосходит напряжения пробоя влажного воздуха при нормальных условиях. Большой по величине положительный заряд тела ШМ работает, как электростатический пылесос, собирая из окружающего пространства отрицательно заряженные капли радиоактивного электролита, содержащие ионы фосфорной кислоты и ее солей, и, таким образом, подпитывая запасы радиофосфора в области протекания цепной реакции индуцированного b- распада в связанное состояние. Кроме того, заряд ШМ, создавая высокий электрический потенциал вблизи ее тела, вызывает «тихий электрический разряд при атмосферном давлении или периферийное свечение электронного пучка с энергией в несколько десятков килоэлектронвольт, попадающего из вакуумной трубки в воздух при обычном давлении» [108]. Особо отметим, что электрический разряд при горении ШМ представляет собой макроскопическое квантовое явление – вторичный эффект при b- распаде ядер радиоактивного фосфора. Данный тип коллективных вторичных эффектов при b- распаде впервые был описан в работах [145, 146].
29	Усиление реакции при соприкосновении ШМ с сучьями и ветками, намоченными дождевой водой	При приближении ШМ к сучьям, намоченным дождевой водой, содержащей радиофосфор, в каплях этой воды начинается вынужденная цепная реакция индуцированного b- распада в связанное состояние. Ее инициируют мягкие рентгеновские фотоны с эВ, вылетающие из тела ШМ. Цепная реакция, возникшая в радиофосфоре, содержащемся в каплях воды, порождает встречный поток таких же фотонов, усиливающий реакцию в основном теле ШМ. (Данное явление можно смело назвать «эффектом Ванникова». Нарком вооружений Борис Львович Ванников обладал изрядной комплекцией. Когда он приближался к образцам плутония, из которого делали советскую атомную бомбу, счетчики Гейгера начинали трещать, как сумасшедшие. Дело в том, что нейтроны, вылетающие из плутония, отражались от ядер атомов углерода, содержащихся в жировых отложениях наркома. Попадая обратно в плутоний, они усиливали цепную реакцию.) Кроме того, при приближении ШМ к источникам радиофосфора (каплям дождевой воды) электростатические силы начинают затягивать эти капли в тело ШМ, увеличивая концентрацию радиофосфора внутри нее и, таким образом, усиливая интенсивность цепной реакции.
30	Стабильность сезонного распределения частоты появления ШМ	Интенсивность вертикальных воздушных потоков и частота гроз определяются именно временем года (см. п. 18).
31	Относительная стабильность географического распределения частоты появления шаровых молний	Радиофосфор образуется, в основном, в верхних слоях атмосферы в результате расщепления ядер космическими лучами [51]. Перечень ядерных реакций, в результате которых образуются изотопы и , приведен в работе [145]. Ядра-мишени в верхних слоях атмосферы появляются в результате вулканических выбросов, а также выбросов газов через рифтовые разломы. Географическая определенность расположения вулканов и разломов земной коры при наличии достаточно устойчивой розы ветров обеспечивает относительную стабильность географического распределения частоты появления ШМ. Вблизи крупных месторождений радиоактивных полезных ископаемых радиофосфор выносится на поверхность Земли родниковыми водами. Расположение этих зон также не меняется с течением времени, если речь не идет о временах, характерных для глобальных геологических процессов.
32	Способность создавать радиопомехи	См. п. 28
33	Способность убивать людей	См. п. 28

Таким образом, на сегодняшний день в научной и научно-популярной литературе описано более 30 различных свойств шаровой молнии, подтвержденных тысячами наблюдений. Многие из этих свойств не объясняются ни одной из существовавших ранее теорий.

В рамках предложенной теории все перечисленные свойства шаровой молнии получаются автоматически в качестве естественных следствий одной исходной гипотезы. Причем имеет место не только качественное, но и количественное согласие результатов расчетов и наблюдательных данных [145]. Подобный уровень согласия наблюдательных данных и теоретических выводов и оценок возможен только в том случае, если оцененная вероятность ложности излагаемой теории не превосходит . Все это позволяет уверенно говорить о правильности нарисованной картины явления.

7.3. Выводы

Резюмируем результаты, полученные в настоящем разделе.

1. Теоретические оценки, выполненные в работах [145, 146], находятся в хорошем количественном согласии с наблюдательными данными.

2. Совокупность наблюдательных данных, хорошо укладывающихся в рамки предложенной теории, настолько велика, что позволяет говорить о полном подтверждении гипотезы, впервые высказанной в работе [146].

3. Величина является верхней оценкой вероятности ошибочности теории ШМ. На самом деле, вероятность ошибки намного меньше.

8. Experimentum crucis для выяснения физической природы ШМ

В работе [146] была высказана и достаточно подробно обоснована гипотеза, согласно которой шаровая молния (ШМ) представляет собой сгусток радиоактивной плазмы, в которой содержатся химические соединения радиоактивного фосфора и , причем концентрация этих соединений превышает некоторое критическое значение. Упомянутые вещества сильно радиоактивны, и при определенных условиях в радиоактивном облачке, содержащем радиофосфор, может начаться самоподдерживающаяся (при взрыве - неуправляемая) цепная ядерная реакция индуцированного - распада в связанное состояние

. (195)

Кинетика этого процесса подробно описана выше.

Электромагнитное излучение в видимом диапазоне, испускаемое при девозбуждении атомов , а также излучение, вызванное электрическим разрядом в воздухе, возникающим из-за большого положительного заряда тела ШМ, воспринимается внешним наблюдателем как свечение объекта, имеющего сферическую форму. Именно этот факт (а также запах серы, всегда сопровождающий «адское пламя») служит косвенным (но очень надежным) подтверждением правильности сформулированной гипотезы.

Однако для того, чтобы окончательно удостовериться в правильности сделанных предположений, необходимо показать, что процесс - распада в связанное состояние, впервые описанный в работе [21] и подробно исследованный теоретически и экспериментально в работах [12, 43, 135], относится к числу весьма распространенных в природе ядерных реакций.

Продолжительное игнорирование большинством физиков этого факта является прискорбным заблуждением, сопряженным с рядом особенностей процессов указанного типа. Описываемые процессы (я бы их назвал «тишайшими») относили к разряду несуществующих по принципу «этого не может быть, потому, что этого не может быть никогда». К этому следует добавить, что кроме «эффекта шорности», заставлявшего профессиональных физиков-ядерщиков скептически относиться к самой возможности низкоэнергетической трансмутации химических элементов, зловещую роль в прохладном отношении профессионалов к излагаемой тематике сыграли различного рода «трансмутологи», претендовавшие на изобретение нового «философского камня». Непрофессионализм «новых алхимиков» и вызываемое ими раздражение у профессионалов, хорошо знакомых с сутью проблемы, привели к тому, что исследования в перспективной области человеческого знания оказались замороженными на десятилетия.

Основная проблема изучения процессов состоит в том, что регистрирующие приборы, как правило, могут обнаружить только чрезвычайно медленное (даже по геологическим меркам) самопроизвольное изменение химического состава вещества и очень слабое свечение изучаемого образца в инфракрасном диапазоне (если только вещество не ионизировано). Зарегистрировать низкоэнергетические электронные антинейтрино, рождающиеся в этих процессах, не представляется возможным из-за невообразимо малой величины сечения реакции

. (196)

Для того чтобы осознать малость величины этого сечения, достаточно напомнить, что длина свободного пробега нейтрино с энергией 1 МэВ в свинце составляет м (~100 световых лет). Для регистрации антинейтрино в реакции типа

(197)

в опытах Ф. Рейнса и К. Коуэна, выполненных в 1953-1956 годах, была использована схема запаздывающих совпадений. В этом опыте, продолжавшемся 57 суток, в среднем регистрировалось 3 двойных вспышки в час при условии, что плотность потока антинейтрино была очень высокой. Обнаружение нейтрино в этих экспериментах было отмечено Нобелевской премией по физике и по праву считается одним из важнейших научных открытий XX века.

Зарегистрировать антинейтрино, рождающееся в результате - распада в связанное состояние, можно, если повысить чувствительность установки Ф. Рейнса и К. Коуэна порядков на 20. Но в этом случае на изготовление детектора не хватит всей массы вещества Земли. Именно поэтому для изучения - распада в связанное состояние требуется создание специальных методов, учитывающих специфику процесса.

Такие методы были созданы совсем недавно. Первые «намеки» на регистрацию - распада в связанное состояние были получены в 1983 году в работе [15], в которой было обнаружено различие времени жизни ионизированного трития () и трития в молекулярном состоянии ().

В дальнейшем в прямых экспериментах с многозарядными ионами диспрозия, выполненных на ускорительно-накопительных кольцах коллаборации GSI, реакция - распада в связанное состояние была исследована в 1992 году [43]. Несколько позже в работе [12] была исследована реакция - распада 75-кратного иона рения-187 в связанное состояние. При этом рений превращался в осмий-187. В силу того, что вероятность - распада в связанное состояние для ядер полностью ионизированных атомов пропорциональна [5, 135], где - заряд дочернего ядра, скорость описываемой реакции существенно зависит от кратности ионизации атомов распадающегося радионуклида. В результате в естественных условиях нейтральный рений превращается в осмий с периодом полураспада лет, в то время как в ускорительно-накопительном кольце скорость распада возрастает более чем на девять порядков (экспериментальное значение периода полураспада составляет лет [12]).

Однако упомянутые эксперименты являются очень сложными и дорогостоящими. По самой своей сути доведение техники этих экспериментов до уровня технологических приложений практически невозможно. Альтернативные же схемы проведения экспериментов по изучению процессов - распада в связанное состояние в настоящее время отсутствуют, несмотря на то, что согласно известным законам физики этот процесс относится к разрешенным (и достаточно распространенным).

Дело в том, что с формальной точки зрения - распад в связанное состояние представляет собой обращенную ядерную реакцию электронного захвата. Что касается последнего процесса, то он известен с 1937 года и представляет собой ядерную реакцию типа , сечение которой отнюдь не мало. Реакция - захвата была открыта Л.У. Альварецом и подробно исследована во множестве работ. За это и другие открытия в области физики элементарных частиц Л.У. Альварец удостоился Нобелевской премии по физике за 1968 год.

Матричные элементы процессов электронного захвата и - распада в связанное состояние имеют одинаковую структуру, а двухчастичные фазовые объемы конечных состояний этих реакций не могут различаться на много порядков, если речь идет о каком-либо фиксированном диапазоне энергий. Если - электроны в реакциях переходят на - или - оболочку, то вероятности электронного захвата и - распада в связанное состояние соизмеримы. В связи с этим возникает проблема систематического изучения указанного явления.

Целью настоящего раздела работы является разработка схем относительно недорогих экспериментов, позволяющих регистрировать - распад в связанное состояние в условиях небольшой физической лаборатории.

8.1. Описание принципиальных схем эксперимента

Эксперимент №1. Наиболее надежными представляются прямые эксперименты с изотопами радиофосфора и (см. [145]). Воздушную взвесь химических соединений радиофосфора, имеющих достаточно высокую концентрацию, можно поджечь пучком фотонов с энергией эВ. Это наилучший способ установления природы шаровой молнии в решающем физическом эксперименте (experimentum crucis). Однако на пути к осуществлению подобного эксперимента стоят многочисленные препятствия. Все они сопряжены с тем, что изотоп сильно радиоактивен и эксперименты с ним небезопасны, поскольку существующие оценки для его критической массы недостаточно точны.

Для проведения решающего эксперимента знание порядка оцениваемой физической величины крайне важно, но абсолютно недостаточно для воспроизведения природного феномена в лабораторных условиях. Поэтому остановимся подробнее на анализе возможности прямого наблюдения индуцированного - распада радиофосфора в связанное состояние.

В ядернофизическом эксперименте радиофосфор можно получить в результате следующих реакций: , , , , , , , и , а также , , , , и .

Поэтому схема прямого эксперимента достаточно проста. Для изучения индуцированного - распада в связанное состояние необходимо изготовить мишень для проведения одной из перечисленных выше реакций. Критерием отбора мишеней служит распространенность соответствующего элемента в природе, а также величина сечения ядерной реакции при энергиях, характерных для космических лучей в околоземном пространстве. После этого, используя пучки протонов, нейтронов, дейтронов или - частиц, необходимо получить некоторое количество радиофосфора, достаточное для регистрации стандартными ядернофизическими методами. По окончании этой стадии эксперимента необходимо замерить количество полученного радиофосфора, после чего облученную мишень следует поместить под интенсивный электронный пучок и исследовать зависимость постоянной - распада от степени ионизации радиофосфора.

Необходимо отметить, что описанные выше схемы получения радиофосфора давно реализованы. Изотоп широко используется для исследований в области молекулярной биологии, микробиологии и в медицинской биохимии. Корпорацией NECSA налажено промышленное производство радиофосфора-32. Связаться с производителем можно по электронной почте (ntp@aec.co.za, см. также сайт в Интернете http:\\www.radioisotopes.co.za\).

Данные о производимом изотопе приведены ниже на рис. 8. Фактически «experimentum crucis» сводится к закупке фосфора-32 (суммарная активность 100-200 кюри) и воздействию на него с целью инициации цепной реакции. «Поджечь» радиофосфор можно, облучая его мягким рентгеновским излучением, либо пучком электронов, либо посредством повышения давления в камере, в которой он находится[61]. Реакция индуцированного - распада в связанное состояние должна проявить себя посредством резкого увеличения интенсивности рентгеновского излучения, выброса Оже - электронов, либо даже взрыва мишени.

Product Specification
Decay mode:	ß
Half-life:	14.3 days
Decay energy max:	1.709 MeV
Chemical form:	H₃³²PO₄ in 0.01M HCI*
Radiochemical purity:	>98 % as PO₄^3-
Radionuclide purity:	The material contains < 0.1 % (total, based on activity) of the other unwanted radionuclides (excluding ³²P and ³³P). The ³⁵S and other y-emitting radionuclide contents are specified.
Activity concentration:	1 Ci/ml (negotiable)
Containment:	Glass vial with rubber septum
Shipment:	Type A container

Рис. 8. Информация производителя о характеристиках производимого изотопа [62]

Если же количество радиофосфора в облучаемой мишени по соображениям безопасности слишком мало для надежной регистрации усиления интенсивности рентгеновского излучения, то следует использовать рентгенофлюоресцентный анализ для определения постоянной - распада ядер по изменению количества радиофосфора с течением времени.

Эксперимент №2. Косвенный способ оценки постоянной - распада в связанное состояние, основанный на измерении скорости счета (числа распадов в единицу времени ) для трития двумя способами:

а) стандартная - активность, определяемая путем подсчета вылетевших электронов, образующихся в реакции . При этом измеряется константа в уравнении

, (198)

связывающем скорость счета - частиц с количеством делящегося вещества;

б) интенсивность рентгеновского излучения и выброса Оже- электронов. При этом измеряется константа в уравнении

, (199)

связывающем скорость счета - квантов с энергией

эВ (200)

с количеством делящегося вещества. Фактор 2 при константе возникает из-за того, что при - распаде в связанное состояние возбужденный атом испускает два энергичных фотона. При обычном - распаде также вылетает 2 фотона и Оже-электроны. При этом один фотон испускается при переходе присутствовавшего в атоме трития электрона на - оболочку нового атома, а второй – за счет захвата электрона ионом гелия из непрерывного спектра. Однако фотон, образующийся при захвате ионом атома гелия электрона из континуума, имеет энергию, существенно меньшую, чем 40 эВ. Кроме того, захват электрона может идти за счет последовательных квантовых переходов. В этом случае вместо одного энергичного фотона образуется множество фотонов с меньшей энергией.

Теоретические оценки, выполненные в работе [5], показывают, что

. (201)

Как уже упоминалось выше, постоянные распада можно искать на основе измерения скорости счета -электронов и на основе измерения интенсивности рентгеновского излучения и Оже- электронов. Сопоставляя результаты этих экспериментов, легко оценить вклад процессов - распада в связанное состояние на основе соотношения

. (202)

Согласно имеющимся экспериментальным данным [153] период полураспада для трития равен года. То есть статистическая погрешность измерения этой величины составляет менее . Величина известна с той же степенью точности. Очевидно, что относительная «погрешность» порядка 1,5% много больше статистической погрешности , имеющей место в ядернофизическом эксперименте по определению периода полураспада трития.

В свете изложенного выше имеются две возможности организации эксперимента по обнаружению - распада трития в связанное состояние.

Во-первых, это эксперимент, в котором одновременно регистрируются и - электроны, и фотоны, и Оже- электроны, возникающие за счет процессов - распада. В этом случае количество делящегося вещества фиксировано, и сопоставление скорости счета электронов и фотонов осуществляется напрямую.

Во-вторых, это прямое воспроизведение результатов работы [15] с целью подтверждения регистрации описанного эффекта.

Эксперимент №3. Определение скорости счета (числа распадов в единицу времени) для радиоуглерода двумя способами. Схема опыта с радиоуглеродом полностью аналогична схеме эксперимента с . Однако эксперимент с имеет ряд существенных преимуществ.

Во-первых, согласно оценкам, выполненным в работе [5], для радиоуглерода величина

, (203)

то есть несколько больше, чем для трития.

Во-вторых, эВ. Но - кванты с такой энергией имеют большую проникающую способность и существенно меньше поглощаются веществом, чем - кванты с энергией 40 эВ, образующиеся при - распаде трития. То есть систематическая погрешность экспериментов, выполненных с радиоуглеродом, намного меньше, чем для экспериментов с тритием[63].

Эксперимент №4. Облучение рентгеновским излучением фольги, изготовленной из изотопа рутения . Этот изотоп замечателен тем, что, согласно расчетам, выполненным в работе [5], для него величина

. (204)

Указанная оценка получена в [5] в предположении о том, что атом рутения полностью ионизирован. Поэтому схема эксперимента тривиальна. Фольга из должна облучаться потоком - квантов с энергией в диапазоне

, (205)

где - главное квантовое число, - заряд дочернего ядра, а эВ - энергия связи электрона в атоме водорода. Под действием фотонов с энергией в КэВ выбиваются электроны с - оболочки атома рутения и открывается канал -распада в связанное состояние. При этом резко возрастает интенсивность рентгеновского излучения, причем энергия подлежащих регистрации фотонов составляет КэВ. Тот факт, что изотоп распространен в природе (, [153]) и имеет период полураспада дней, делает его крайне интересным объектом исследования.

Эксперимент №5. Пластина из природной смеси изотопов палладия используется в качестве электрода в тлеющем разряде в аргоне [152]. Атомы, входящие в состав электродов, ионизируются. При этом открывается канал - распада в связанное состояние, и начинают образовываться изотопы . Результаты анализа процессов и представлены ниже в табл. 4.

Таблица 4*

Изотоп	Распространенность (%)		Распад в	Изотоп , Активность
		м	запрещен	-	-
		м	запрещен	-	-
		д	запрещен	-	-
		ч	запрещен		м
		Стабилен	запрещен		м
		д	запрещен		м
		Стабилен	запрещен		м
		Стабилен	запрещен		д
		Стабилен	запрещен		м
		г	разрешен	Стабилен
		г	разрешен		м
		ч	разрешен	Стабилен
		Стабилен	запрещен		с
		м	разрешен		д
		ч	разрешен		ч
		м	разрешен		ч
		м	разрешен		с
		с	разрешен		м

*В таблице 4 электронный захват обозначен символом ; - распад есть процесс , а прочерки означают, что соответствующий изотоп не существует. Буква «м» означает минуты, «с» - секунды, «д»- дни.

Особый интерес в таблице 4 представляет изотоп . Процесс -распада приводит к образованию радиоактивного изотопа , а в результате его распада образуется стабильный изотоп .

В свете вышесказанного представляется интересной перепроверка результатов эксперимента [152], поскольку данные этой работы не согласуются с известными законами сохранения. Вопрос о том, какие примеси могли привести к образованию , обнаруженного в этой работе, остается открытым, поскольку изотоп стабилен, а изотоп имеет период полураспада около 1 часа и не встречается в природе.

Единственная логическая возможность объяснения результатов работы [152] состоит в том, что ядра атомов , присутствующие в виде примеси в электроде, изготовленном из , взаимодействуют с электронами из непрерывного спектра. Однако для обоснования подобного утверждения необходимо исследовать энергетическую зависимость сечения реакции

, (206)

имеющей достаточно высокий энергетический порог. Очевидно, что сечение этого процесса (не запрещенного законами физики) при не слишком высоких энергиях электронов строго равно нулю, а при незначительном превышении порога чрезвычайно мало. И если в экспериментах [152] было зафиксировано появление , то необходимо разобраться в том, почему степень загрязнения палладиевых электродов была чудовищно высока, и каковы механизмы резонансного усиления сечения реакции (206) при тех энергиях, которые имеют электроны в плазме тлеющего разряда.

Эксперимент №6. По сути дела, этот эксперимент, как и эксперимент №5, навеян результатами работы [152]. Уникальность этой работы в ряду работ различных «трансмутологов» состоит в том, что она выполнена исключительно аккуратно. Исследователи из нескольких крупных научных центров вряд ли могли ошибаться, экспериментально регистрируя трехкратное превышение радиоактивного фона при анализе палладиевых электродов, побывавших в плазме тлеющего разряда. Как показано в рамках анализа эксперимента №5, единственная возможность для появления в использовавшихся электродах микропримесей сопряжена с возможностью существенного ускорения процесса , если энергия налетающих электронов достаточно высока. В связи с этим возникает простейшая схема нового эксперимента. Мишень, изготовленную из стабильного изотопа серебра (распространенность в природе ), следует поместить под электронный пучок с энергией МэВ (в плазме тлеющего разряда энергия электронов на порядки меньше, но нецелесообразно проводить какие-либо эксперименты, не будучи абсолютно уверенным в их воспроизводимости, а энергетического порога этой ядерной реакции еще никто не отменял) на достаточно продолжительное время, после чего исследовать облученный образец методом авторадиографии, как и в работе [152]. В этом плане гораздо более эффективными мишенями могут служить изотопы . Для него порог реакции типа (196) отсутствует, распространенность в природе составляет , период полураспада составляет дня, наблюдается реакция электронного захвата, и для его трансмутации можно использовать пучки электронов с энергией порядка КэВ. Поскольку образующийся при этом изотоп стабилен, то следы соответствующей реакции можно искать либо путем регистрации фотонов и Оже-электронов, либо с помощью рентгенофлюоресцентного анализа.

Эксперимент №7. В сущности, это тот же эксперимент №6, также направленный на анализ возможности ускорения реакции электронного захвата. Реакцию электронного захвата интересно исследовать экспериментально, используя для этого пучки электронов с энергией порядка КэВ. Регистрация ускорения счета фотонов либо рентгенофлюоресцентный анализ поверхности мишени могут служить указанием на то, что реакция имеет достаточно большое сечение и может использоваться в технологических целях. Критерий отбора интересных мишеней достаточно прост. В качестве мишеней необходимо использовать нейтроннодефицитные изотопы, для которых либо открыт канал электронного захвата, либо порог реакции не слишком высок ( КэВ). Именно поэтому, на наш взгляд, кроме упомянутой выше реакции

(207)

определенный интерес представляет реакция

, (208)

которая может протекать с заметной вероятностью; реакция ионизации электронным пучком изотопа циркония-93

(209)

с последующим - распадом в связанное состояние

, (210)

а также реакция

, (211)

реализующая «мечту алхимика» сотворить что-нибудь из свинца, и

, (212)

которая особенно интересна тем, что изотоп является стабильным, используется в некоторых технологиях и стоит очень дорого.

Наконец, необходимо отметить, что при отборе изотопов-мишеней для экспериментов №6 и №7 использовался еще один не упомянутый выше критерий. Предпочтение отдавалось радиоактивным изотопам, которые испытывают электронный захват и, тем не менее, распространены в природе и присутствуют в виде примесей в естественной смеси изотопов соответствующих химических элементов. Именно этот факт позволяет надеяться на то, что в лабораторных условиях в прямом физическом эксперименте удастся зарегистрировать ускорение соответствующих - процессов.

8.2. Выводы

Резюмируем вышесказанное следующим образом:

1) предложена схема решающего эксперимента для определения физической природы шаровой молнии;

2) предложено 6 других схем экспериментального исследования - распада в связанное состояние и ускоренного электронного захвата, позволяющих получить косвенное подтверждение правильности гипотезы о том, что шаровая молния представляет собой радиоактивное облачко, в котором протекает самоподдерживающаяся цепная субатомная реакция индуцированного - распада радиофосфора в связанное состояние;

3) перечисленные эксперименты не противоречат известным законам физики;

4) при обсуждении различных - процессов и перспектив их обнаружения в эксперименте автор ясно отдавал себе отчет, что речь может идти только о регистрации физического эффекта, а не о наработке технологически интересных веществ в весовых количествах, ибо для всех обсуждавшихся процессов сечения реакций и вероятности распадов крайне малы (за исключением радиофосфора);

5) «низкоэнергетическая трансмутация химических элементов» - это нормальное физическое явление, не имеющее к лженауке никакого отношения. Однако на сегодняшний день только электронный захват и - распад в связанное состояние могут претендовать на то, чтобы иметь это название;

6) в рамках настоящей работы обсуждались только принципиальные схемы различных экспериментов по обнаружению - распада в связанное состояние и «ускорению» электронного захвата. Аккуратный расчет сечений перечисленных в этом разделе реакций, безусловно, должен предшествовать реальному физическому эксперименту;

7) представляется весьма интересным исследовать явление сонолюминесценции с точки зрения изложенных в данной работе соображений.

9. Торнадо как коллективный вторичный эффект при - распаде ядер короткоживущих - активных изотопов

Торнадо относится к числу наиболее грозных атмосферных явлений.

Проблеме торнадо и тропических ураганов посвящено бесчисленное число работ. Различные аспекты проблемы этих грозных атмосферных явлений изучались на протяжении последних столетий. Наиболее существенные наблюдательные и теоретические исследования этой проблемы представлены, на мой взгляд, в следующих работах: [14, 16, 20, 24, 26, 28, 29, 31, 32, 34-36, 42, 44, 48, 63, 71, 73, 75, 106, 107, 111-113, 133, 142]. Ведущие специалисты в области физики указанных атмосферных явлений объединены международным центром торнадо и тайфунов во главе с известным профессором-метеорологом Теренсом Миденом (terence.meaden@torro.org.uk).

Однако одной из основных проблем, сопряженных с задачей создания физической теории торнадо, является то, что ни одна из существующих моделей не объясняет всей совокупности его свойств (см. Приложение 3).

В частности, во всех перечисленных выше работах (за исключением работы [142]) отсутствуют реальные механизмы подпитки торнадо энергией. Во всяком случае, для неистовых торнадо запаса энергии, выделяющейся при конденсации водяного пара, совершенно недостаточно для возникновения мощного вихревого течения, вызывающего катастрофические последствия [185]. Если верить литературным данным, то остается необъяснимым наличие внутри торнадо мощных электрических полей. Ожидает детального анализа свойство самосветимости торнадо, а также тот факт, что от столба торнадо отлетают шаровые молнии. Загадкой для большинства физиков и метеорологов остается и многое другое, в частности, величина всасывающего эффекта торнадо. В работе [142] впервые был дан ответ на перечисленные выше вопросы. Однако она была опубликована в малодоступном журнале.

Целью настоящего раздела работы является изложение и обоснование гипотезы о радиоизотопной природе торнадо и водяных смерчей. Последние замечательны тем, что имеют высоту до 1,5 километров, что соответствует перепаду давления в 150 атмосфер, и никаким образом не могут быть объяснены перепадом давлений и температур в атмосфере.

9.1. Гипотеза о радиоизотопной физической природе торнадо

По своей природе торнадо во многом аналогичен ШМ и также как и она, является природным самосветящимся объектом. Однако у этих объектов имеются и серьезные отличия. Данное утверждение относится не только к различиям в физических свойствах, но и к отношению исследователей к наблюдательным данным. Например, никто никогда не отрицал наличия у торнадо огромного запаса энергии. Когда «аномальное явление в атмосфере» стирает с лица земли целый город, а то и половину штата, то очевидцев этого события столько, а материальные следы настолько велики, что никакие аргументы логического плана (типа «это противоречит законам физики») в научных дискуссиях уже не работают. Налицо обширные эмпирические данные.

Этим торнадо, как объект исследования, сильно отличается от шаровой молнии, само существование которой долгое время многие специалисты подвергали сомнению. Когда же сомнения в том, что она существует, были рассеяны, то в научной литературе начали отметаться любые наблюдательные данные, которые не укладывались в рамки очередной модели ШМ, разработанной очередным автором.

В работах [61, 139-149] была создана радиоизотопная теория ШМ, которая полностью объясняет все ее эмпирические свойства и согласуется как с наблюдательными, так и с экспериментальными данными. В этих работах был открыт и исследован новый тип цепных реакций – цепные субатомные реакции индуцированного - распада в связанное состояние. Для этих реакций характерен энергетический выход, на три-четыре порядка больший, чем для химических реакций, но на три порядка меньший, чем для ядерных реакций. Поэтому все атмосферные процессы, не вписывающиеся в общепринятые представления с точки зрения закона сохранения энергии, следует проверять на участие в них упомянутых субатомных процессов.

Согласно общепринятой классификации торнадо, они разделяются на слабые (скорость ветра м/с, частота образования около 70% всех торнадо), сильные ( м/с, примерно 28%) и неистовые м/с (около 2%) [185].

Радиоизотопная теория, вообще говоря, может быть пригодна для объяснения всех типов торнадо. Однако большинство свойств слабых торнадо, особенно образующихся не из грозовых, а из кучевых облаков, достаточно просто объясняется на основе стандартной теории. В рамках этой теории считается, что торнадо образуется в результате столкновения воздушных масс, имеющих разную температуру, причем в более теплом воздухе содержится достаточно много влаги. Согласно общепринятым представлениям [14] основная энергия торнадо запасена в материнском облаке, и выделяется она за счет конденсации водяных паров и замерзания капель воды.

В то же время в работе [185] (см. Приложение 2) показано, что свойства сильного и неистового торнадо нельзя объяснить, оставаясь в рамках стандартных представлений. Для краткости всюду далее мы будем упоминать только неистовый торнадо (или просто торнадо, или смерч), подразумевая, что привлечение радиоизотопного механизма, вообще говоря, необходимо только для объяснения природы сильных и неистовых смерчей.

В дальнейшем по умолчанию предполагается, что мы имеем дело с сильным или неистовым торнадо, а весьма подробно исследованные механизмы энерговыделения при фазовых переходах первого рода нас мало интересуют. Поэтому далее рассматривается только радиоизотопные механизмы образования наиболее разрушительных торнадо, которые и представляют наибольший интерес, как с научной, так и с практической точки зрения.

В справочных целях приведем некоторые сведения об изотопах, принимающих участие в атмосферных процессах. Перечень наиболее распространенных изотопов, имеющих отношение к физике ШМ и торнадо, представлен ниже в таблице 5[64].

Таблица 5

Перечень короткоживущих - активных изотопов, образующих электролиты[65]

Элемент	Распространенность
		м
		д
		д
		д
		ч
		д
		ч
		ч
		ч
		ч

Эти изотопы при определенных условиях могут собираться в радиоактивные облака. Для внешнего наблюдателя радиоактивное облако иногда выглядит как светящееся образование, зачастую сферической или дисковидной формы. Оно обладает огромным запасом энергии, которая выделяется в результате - распада в непрерывный спектр, а также протекания цепных субатомных реакций.

В этой связи необходимо отметить, что согласно законам газовой динамики кинетическая энергия, которой обладает газовый поток, равна , где - плотность газа, - его скорость, а - рассматриваемый объем. Прямая подстановка в это выражение численных значений для небольшого торнадо радиусом м, высотой км и имеющего скорость км/час, приводит к оценке Дж. Для сравнения напомним, что обычный утюг мощностью 1 кВт за 3 часа потребляет Дж электроэнергии. Как раз столько энергии приходится на «рабочую» часть торнадо – первые 10-20 метров от поверхности Земли, где он и производит все разрушения. Но даже если бы вся энергия газового потока была израсходована на перемещение находящихся на земле предметов, то и тогда бы 1 гигаджоуль соответствовал энергопотреблению 100 утюгов (или 100 стиральных машин) за 3 часа[66]. Очевидно, что сотня утюгов город разрушить не может, а торнадо – разрушает. Налицо видимое нарушение закона сохранения энергии.

Ниже мы обоснуем тот факт, что:

· За энергетику торнадо, как и за энергетику шаровой молнии, отвечает - распад ядер короткоживущих - активных изотопов легких химических элементов;

· За образование атмосферного вихря (смерча) отвечает - распад в непрерывный спектр, который приводит к пространственному разделению электрических зарядов противоположного знака.

· В области глаза торнадо находится большой по величине электрический заряд, вокруг которого вращается воздушно-капельная смесь[67] (аэрозоль на основе радиоактивного электролита), имеющая электрический заряд противоположного знака.

· Эта смесь, как правило, содержит слабый раствор радиофосфорной кислоты и ее солей, а также химические соединения других короткоживущих - активных изотопов.

· В настоящее время вопрос о процентном соотношении изотопов, содержащихся в материнской туче и столбе торнадо, является открытым.

В пользу описанной выше модели распределения заряда можно привести следующие аргументы:

1. Столб торнадо практически всегда спускается из огромной черной тучи.

2. Зарождается торнадо в эпицентре грозовой активности.

3. Радиоизотопы содержатся в материнском грозовом облаке.

4. Пространственное разделение электрических зарядов происходит при радиоактивном распаде упомянутых изотопов.

5. Электрическое поле, вызывающее закрутку воздушного потока, действует, в основном, на заряженные частицы[68].

6. Положительный электрический заряд сосредоточен на ионах, образовавшихся в результате - распада короткоживущих изотопов, а также на снежинках и кристалликах льда, образующих верхнюю часть грозового облака (см. ниже).

7. Во влажном воздухе отрицательный заряд сосредоточен на каплях радиоактивного электролита.

8. Во влажном воздухе затормозившиеся - электроны захватываются

капельками кислого электролита.

9. Наличие «глаза» торнадо свидетельствует в пользу того, что именно там сосредоточен заряд одного знака. У обычных торнадо в «глазу» находится положительный заряд. В пользу такой модели говорит тот факт, что в северном полушарии обычные торнадо и водяные смерчи «крутит» против часовой стрелки (см. рис. 9, 10). Направление закрутки обусловлено магнитным полем Земли и однозначно указывает на то, что воздушно-капельный столб торнадо несет на себе отрицательный заряд.

10. В каскаде классических торнадо сосредоточен положительный заряд.

11. В сухом воздухе подавляющая часть отрицательного заряда в атмосферном вихре представляет собой облако свободных электронов.

Рис. 9. Торнадо. Рис. 10. Водяной смерч.

12. В сухом воздухе при взаимодействии продуктов радиоактивного распада с молекулами воздуха эффективная передача энергии и импульса происходит только при ион-молекулярных соударениях.

13. При столкновении - электронов с молекулами воздуха передачи энергии не происходит из-за малости массы электрона (скорость молекул практически не изменяется).

14. В «невидимых» торнадо (т.е. в сухом воздухе) нет капель электролита, способных захватывать электроны. Поэтому в крошечном «глазу» «невидимого» микроторнадо сосредоточен отрицательный заряд. Такие вихревые потоки радиоактивной атмосферной плазмы вызывают образование кругов на полях. Вот как описывают этот процесс очевидцы: «Солнечным августовским днем 1991 года одна супружеская пара, отправившись на прогулку, оказалась в самом центре такого круга во время процесса его образования. Впервые в истории загадка природы рождалась на глазах у людей. Гарри и Вивьен Томлинсоны из Гилдфорда, графство Суррей, прогуливались по тропинке на краю кукурузного поля в Гемпшире. Кукуруза вдруг заколыхалась... и они оказались в середине образовавшегося круга. Вивьен Томлинсон вспоминает: "Поднялся сильный шум. Мы подняли головы, предполагая, что над нами кружит вертолет, но в небе ничего не было. Мы почувствовали сильный ветер сбоку и сверху. Он буквально давил на нас. Невероятно, но волосы на голове моего мужа встали дыбом. Затем вихрь как бы раздвоился и зигзагом ушел в сторону. На наших глазах смерч в виде легкой колеблющейся дымки удалялся от нас, пока не исчез совсем, а мы оказались в центре круга с полеглой кукурузой. Вокруг опять было так тихо, что звенело в ушах". Гарри добавил: "Мы так растерялись, что очень долго вообще не разговаривали даже между собой и три дня никому не говорили об этом происшествии". Когда Томлинсоны, в конце концов, рассказали об этом случае, доктор Теренс Миден немедленно поехал с ними на место происшествия. Впоследствии он заявил: "Этому есть абсолютно логичное объяснение. Когда над холмом дует сильный ветер, он вторгается в застойный воздух над обратным скатом холма и вызывает спиралевидный вертикальный вихревой столб"».

15. В кругах на полях (КНП) зафиксированы колебания радиационного фона. В ряде КНП отмечено присутствие продуктов распада короткоживущих изотопов. В природных КНП иногда находили «волосы ангела» - длинные белые слаборадиоактивные нити - состоящие, в основном, из изотопов ,,, (рис. 13, 14, источник [I-10])[69].


Рис. 11. КНП. Сделано природой.	Рис. 12. КНП. Работал вихрь.

Рис.13. «Волосы ангела» россыпью.		Рис.14. Клок «волос ангела».

Согласно имеющимся данным, через некоторое время «волосы ангела» превращались в студенистую дурно пахнущую массу. В ряде случаев в глифах находили микроскопические вкрапления (железосодержащие и кремнийсодержащие шарики, похожие на космическую пыль). Кроме того, люди, оказавшиеся внутри КНП, испытывают выраженный дискомфорт.

16. Растения в КНП закручены по часовой стрелке (см. рис. 11, 12, источник [I-10]). Это однозначно указывает на то, что вращающийся «столб» в таких «невидимых» микроторнадо заряжен положительно.

Рассмотрим процесс образования классического торнадо. Предположим, что вблизи поверхности Земли образовалось радиоактивное облако, состоящее из химических соединений короткоживущих - активных изотопов. В природе такие облака образуются, в основном, в результате:

· взаимодействия потока космических лучей с вулканическими выбросами (на высотах 20¸100 км);

· взаимодействия протонов, входящих в состав космических лучей, с аргоном и другими газами и примесями, содержащимся в атмосфере независимо от вулканической деятельности;

· взаимодействия потока космических лучей с кометным веществом (на Землю ежеминутно выпадает порядка 40 тонн кометного вещества, см. [I-11]);

· выхода радиоактивных газов из родников, гейзеров, вулканов, рифтовых разломов и прочих подземных источников, расположенных в относительной близости от месторождений радиоактивных (урановых, ториевых) руд.

В силу достаточно высокой радиоактивности внутри рассматриваемого облака некоторая часть газа (смесь воздуха с каплями радиоактивного электролита, аэрозоля или аэрогеля) находится в ионизованном состоянии, и представляет собой низкотемпературную плазму. Внутри облака протекает обычный - распад. Реже возникает цепная субатомная реакция индуцированного - распада в связанное состояние (ШМ). Из-за интенсивного выброса - электронов центральная часть радиоактивного облака имеет положительный заряд, а его периферия имеет отрицательный заряд. Кроме того, имеет место распределение заряда по высоте.

В результате радиоактивного распада в описываемом облаке образуется огромное количество атомов дочерних радионуклидов в возбужденном состоянии. «Встряхивание» электронных оболочек при - распаде приводит к тому, что описываемое облачко является интенсивным источником мягкого рентгеновского (жесткого ультрафиолетового) излучения, а также электромагнитного излучения в видимом и СВЧ- диапазонах.

Перечисленные особенности радиоактивного облака обуславливают некоторые его необычные свойства:

1) такое облако является самосжимающимся;

2) оно является источником ионизирующего излучения;

3) чаще всего летит в направлении повышения концентрации соответствующего радиоизотопа (иногда против ветра);

4) на его траекторию очень сильно влияет электрическое поле Земли;

5) траектория полета облака является случайной;

6) в некоторых случаях перемещение зоны свечения слабо связано с переносом вещества.

Наиболее важным является первое из перечисленных свойств. Радиоактивное облако затягивает в себя атмосферную пыль и частицы тумана (микрокапли электролита, а также метеорную пыль), содержащие химические соединения - активных нейтронноизбыточных изотопов. Это может быть слабый раствор радиофосфорной кислоты и ее солей, или пятиокись радиофосфора , либо растворы и взвеси соединений типа или , содержащие радиомарганец или радионатрий и другие изотопы. Именно свойство самосжимаемости обеспечивает стабильность облака и дает ему возможность перемещаться в пространстве, как целому.

Если размеры облака велики, а концентрация содержащихся в нем радиоизотопов невысока, то на ионах – продуктах радиоактивного распада происходит конденсация паров воды. Так начинается процесс формирования огромного грозового облака, служащего заготовкой для торнадо.

Если за счет флуктуаций плотности изотопов и водяных паров в грозовом облаке образуется зона повышенной радиоактивности, то в ней может сконцентрироваться положительный заряд, вокруг которого начинает закручивать капли отрицательно заряженного электролита. Примерно так происходит зарождение торнадо.

Однако нарисованная картина не будет полной без описания основных свойств грозовых облаков, в которых запасена энергия торнадо. Все дело в том, что торнадо - это быстро вращающаяся воздушная воронка, свисающая из кучевого или грозового облака. Брукс выдвинул предположение, получившее всеобщее признание, что воронка является частью материнского облака, которое по структуре и по динамике представляет собой маленький тропический ураган, с типичным для урагана “глазом бури”, и имеет спиральное строение [14]. Материнское облако здесь является энергетическим и материальным источником воронки, хотя облако может существовать и без воронки, но воронка без такого облака появиться не может.

Это утверждение Брукса полностью вписывается в радиоизотопную концепцию происхождения торнадо.

9.2. Основные свойства грозовых облаков[70]

Исследование смерчей чрезвычайно затруднено и опасно из-за того, что образуются они неожиданно, захватывают небольшую территорию и быстро исчезают. Средние размеры «материнского» облака сравнительно невелики: 5-10 километров, реже до 15 километров в поперечнике, высотой до 4-5 километров, иногда до 10-15 километров. У очень больших смерчей ширина облака составляет 30-40 километров, длина - до 50 километров.

В работах В.А. Ранцева-Картинова был проделан анализ маршрутов ураганов в океанах за 100 лет. На основании результатов этого анализа была выдвинута гипотеза: «структурообразующая пыль» для ураганов и водяных смерчей продуцируется вулканами [I-12]. Далее электрическое поле Земли и атмосферное электричество формируют из нее мощные облака. Такие облака могут вызвать аномальные явления в атмосфере, или опуститься на поверхность океана, и создать водяной смерч.

В любом случае, подход Ранцева-Картинова прекрасно согласуется с радиоизотопной теорией ШМ и торнадо, фактически подтверждая тот факт, что бури, смерчи и тайфуны бушуют там, где в верхних слоях атмосферы имеются ядра-мишени, из которых космические лучи могут производить короткоживущие - активные изотопы. Именно радиоизотопы являются аккумуляторами ядерной энергии, которая затем выделяется в атмосфере, порождая различные электрические и газодинамические явления. Этот тезис подкрепляют многочисленные оценки (см. например [185] и приложение 2), которые показывают, что энергии, выделяющейся при конденсации влаги, явно недостаточно для того, чтобы обеспечить наблюдаемое при неистовых торнадо выделение энергии.

Дополнительным подтверждением радиоизотопной гипотезы служит тот факт, что материнское облако имеет трёхэтажную структуру с вращением в горизонтальной плоскости. Причем нижний слой имеют встречную скорость по отношению к скорости вращения среднего слоя [31], [75].

Обычно направление вращения циклонов и торнадо в различных полушариях объясняют закручивающим действием силы Кориолиса, связанной с суточным вращением Земли. Однако хорошо известно, что возле самого экватора в полосе широт < 5° по обе стороны мощные вихри не образуются. Это свойство торнадо вполне вяжется с приведенным объяснением, поскольку на экваторе горизонтальная составляющая силы Кориолиса равна нулю. Однако никакие силы Кориолиса не приводят к описанной трехслойной структуре воздушных течений. А вот с эмпирическим фактом распределения электрических зарядов в грозовых облаках по высоте (см. ниже) и наличием вертикальной составляющей магнитного поля Земли, обеспечивающей начальную закрутку воздушного потока, наблюдаемая структура материнского облака прекрасно согласуется. То есть, атмосферную радиоактивную плазму можно в буквальном смысле этого слова разглядывать, определяя знаки электрических зарядов в различных частях грозового материнского облака по направлению закрутки вихревого течения в атмосфере.

Этот факт является чрезвычайно веским основанием для того, чтобы и обычные грозы считать индикатором появления в атмосфере короткоживущих - активных изотопов. Причем, судя по всему, грозу чаще всего вызывают изотопы легких элементов, нестабильные по отношению к электронному захвату (скорее всего, ).

Остановимся на этом вопросе чуть подробнее. Обычно под грозой понимают процесс развития в атмосфере мощных электрических разрядов (молний), как правило, сопровождаемых громом. В большинстве случаев в грозу происходит укрупнение облаков и льет проливной дождь. При прохождении грозы происходит значительное изменение метеорологических условий в приземном слое воздуха. Чаще всего температура воздуха падает, его влажность повышается, резко меняется атмосферное давление, происходит изменение силы и направления ветра.

В грозовых облаках, как и в тропосфере в целом, имеет место существенное понижение температуры с ростом высоты. Причем на высоте более 5 километров всегда очень холодно. В частности, хорошо известно, что вершины высоких гор покрыты вечными снегами.

В результате экспериментальных исследований грозовых облаков установлено, что от нижней кромки облака вплоть до слоя с температурой 0 C простирается водная часть облака. В диапазоне температур от 0 C до -15 C сосуществуют вода и лед. При температуре ниже -15 C облака, как правило, состоят только из ледяных кристаллов.

Обычно капельная часть облака имеет отрицательный электрический заряд, а ледяная часть облака - положительный.

Распределение электрического заряда по высоте, в общем и целом, зависит от широты местности. В частности, в средних широтах центр отрицательного заряда грозового облака располагается приблизительно на высоте 3 км. Центр положительного заряда расположен существенно выше - примерно на высоте 6 км. Эти данные вполне согласуются с тем, что воздушно-капельная смесь в торнадо, спускающаяся из нижней части облака, имеет отрицательный заряд. Кроме того, хорошо известно, что часть материнского облака, расположенного выше столба торнадо, всегда закручивает в противоположную сторону. Этот факт тоже вписывается в общую картину явления, и служит хорошим подтверждением излагаемой теории.

Прямыми измерениями установлено, что напряженность электрического поля внутри грозового облака составляет от 10 000 до 30 000 В/м. Перед разрядом молнии локальные значения напряженности электрического поля достигают величины В/м.

Электрические разряды в воздухе (гроза) происходят из-за того, что в материнском грозовом облаке положительный и отрицательный заряды разделены в пространстве. Важнейшую роль в процессе пространственного разделения зарядов играет конвекция.

Как правило, поле конвекции в облаках распадается на несколько ячеек (от 1 до 8). Конвективная ячейка, как и любое другое образование в атмосфере, проходит стадию зарождения, зрелости и затухания. На стадии зарождения вдоль всей конвективной ячейки преобладают восходящие воздушные потоки, скорость которых составляет в среднем 10-12 м/с. Максимальное значение скорости такого потока достигает 30 м/с.

На стадии зрелости конвективная ячейка характеризуется развитием восходящих и нисходящих потоков, электрической активностью (разрядами молний) и обильным выпадением осадков. Зрелая ячейка имеет горизонтальные размеры ~ 2-8 км и простирается в высоту вплоть до уровня с температурой -40C.

На стадии затухания во всем объеме конвективной ячейки преобладают слабые нисходящие течения. Наблюдается уменьшение электрической активности, и количества выпадающих в единицу времени осадков.

Конвективная ячейка проходит полный цикл своего развития от зарождения до затухания приблизительно за один час. Стадия зрелости занимает от 15 до 30 минут, а стадия затухания около получаса.

Если гроза продолжается несколько часов, то это является результатом деятельности нескольких конвективных ячеек.

На сегодняшний день нет единого мнения по вопросу о том, за счет чего получают заряд капельки воды и кристаллики льда в грозовых облаках. Одни считают, что капельки и кристаллы льда захватывают заряд из воздуха, другие - что они заряжаются за счет обмена зарядом при контакте между собой.

На мой взгляд, пространственное разделение зарядов в значительной степени обусловлено наличием в грозовых облаках - активных изотопов. В принципе, вклад в спонтанное пространственное разделение зарядов могут давать все виды природной радиоактивности. Однако, судя по всему, основной вклад дают процессы электронного захвата и - распада (как в непрерывный спектр, так и в связанное состояние). Основания для такого утверждения достаточно серьезны.

Вся доступная на сегодняшний день совокупность наблюдательных и экспериментальных данных говорит о том, что линейные молнии (ЛМ) - это несостоявшиеся шаровые. Электрический разряд (траектория линейной молнии) идет вдоль зоны ионизации воздуха. То есть там, где за счет - распада радиофосфора и других изотопов воздух предварительно ионизован. Поэтому неудивительно, что вблизи земли основной канал линейной молнии распадается на кучу стримеров (см. рис. 15, 16).

"Следы преступления" линейная молния заметает тем же способом, что и шаровая. В столбе ионизованного газа радиофосфор мгновенно распадается, и радиоактивность искать бесполезно. А другой активный участник событий – аргон-37 – является газом. Малые концентрации - активного изотопа, нестабильного по отношению к электронному захвату, найти в воде или в воздухе крайне тяжело.


Рис. 15. Удачный выстрел	Рис. 16. Стримеры у Земли

Проявляют себя изотопы (в том числе радиофосфор-32 и аргон-37) четырьмя признаками: 1) в воздухе пахнет грозой (озоном) до того, как она началась; 2) электрический разряд наступает при напряжениях, в 10 раз меньших, чем в лаборатории; 3) канал разряда рассыпается в мультифрактальную структуру у поверхности земли, куда радиофосфор натащило дождевой водой, и он начал парить, образуя множество струек ионизованного воздуха; 4) ШМ предпочтительно образуется в канале разряда ЛМ.

Тот факт, что в грозу практически не наблюдается жестких - квантов говорит о том, что вклад электронного захвата в процесс формирования макроскопических электрических зарядов в атмосфере достаточно велик. Одним из наиболее серьезных претендентов на роль «формирователя гроз» в средних широтах является изотоп (, , распространенность в Природе , период полураспада дней).

Линейная молния представляет собой многократный электрический разряд. Обычно она состоит из 5-6 (максимум из 20) отдельных разрядов. Отдельные разряды разделены паузой, продолжительностью от 2·10^-3 с до 0,5 с. В среднем длительность полного разряда молнии составляет несколько десятых долей секунды. Наблюдаются отклонения длительности полного разряда молнии от среднего значения в обе стороны на порядок величины.

Длительность отдельных разрядов в молнии составляет от 100 до 200 микросекунд. Изредка эта величина доходит до 1 000 микросекунд. Как правило, наиболее интенсивным и ветвящимся является первый разряд молнии.

В среднем заряд грозового облака составляет от 30 до 50 Кл. Однако в одном из случаев отмечался заряд в 164 Кл, который переносился к земле в виде непрерывного и значительной силы тока.

В каждом разряде молнии на землю переносится от 1 до 10 Кл электричества. Диаметр канала линейной молнии составляет от 10 до 45 см. Сила тока в канале линейной молнии может достигать величины в 340 000 А. Однако в абсолютном большинстве случаев наблюдаются токи, в сотни раз меньшие.

Как правило, молнии переносят на Землю отрицательный заряд. Гораздо реже встречаются разряды противоположной полярности. В первом случае грозы гораздо богаче молниями, чем во втором.

Для зон умеренного климата (т.е. в средних широтах) отношение количества молний отрицательной полярности к молниям положительной полярности составляет примерно 4:1. В тропиках оно доходит до 17:1. Указанное отношение для молний, поражающих высокие здания, больше, чем для разрядов в равнинной местности.

В средних широтах разряды молний направляются преимущественно к Земле. В тропических широтах большинство разрядов происходит между облаками или внутри облака. Средняя длина молнии составляет от 2 до 3 км. Однако зафиксированы случаи, когда между облаками проскакивали молнии длиной 20 км и более. Разность потенциалов между грозовым облаком и Землей очень велика, и может достигать 1 ГВ.

Площадь земной поверхности, на которой проявляются связанные с отдельной грозой электрические явления составляет от 4 до 80 км². Благодаря наличию мягкого ионизирующего излучения (см. выше) воздух в грозу обладает повышенной проводимостью. Поэтому через «воздушный проводник» с полной площади грозового облака к поверхности Земли поступает ток от 0,5 А до 2 А.

Наконец, следует отметить, что энергия конденсации, выделяющаяся в грозовом облаке средних размеров с площадью основания около 30 км² при дожде средней интенсивности, составляет примерно 10¹⁴ Дж. Это означает, что энергия, выделяющаяся при выпадении осадков из грозового облака, значительно превышает его электрическую энергию. Именно этот факт в течение длительного времени вводил в заблуждение и физиков, и метеорологов. Ведь энергия, запасенная в радиоизотопах, на которых сформировалось грозовое облако перед образованием торнадо, имеет тот же порядок величины. И отделить вклад энергии конденсации от энергии - распада крайне сложно.

Молнии всегда считались оружием богов. И овладение грозными силами природы всегда было предметом мечтаний ученых и философов.

В последние десятилетия ставились многочисленные эксперименты по предотвращению градобития, осаждению радиоактивных облаков, образовавшихся в результате техногенных катастроф (Чернобыль, например) и пр. Для этого использовались такие вещества, как йодистое серебро, йодистый свинец и твердая углекислота. Каждое из этих веществ способствует резкому усилению конденсации водяного пара. Опыты в этом направлении были начаты более 40 лет тому назад, однако имеющийся экспериментальный материал, собиравшийся без учета наличия радиоизотопного фактора, оказался недостаточным для окончательных выводов.

В годы холодной войны предпринимались попытки создания климатического оружия (например, HAARP, доведенный до состояния технической готовности только в наши дни). Однако «кипячение» полярных сияний с помощью СВЧ- излучения также ни к чему хорошему не привело.


Рис. 17. Гроза	Рис. 18. Торнадо рождается в эпицентре

Будем надеяться на то, что новейшие научные данные помогут в дальнейшем предотвращать гуманитарные катастрофы. В том числе, и разрушительные действия неистовых торнадо, процесс зарождения которых показан на рис. 17, 18.

9.3. Описательная модель торнадо

Согласно наблюдательным данным «хобот» торнадо практически всегда отделяется от черного грозового материнского облака. Возникает вопрос: как смоделировать процесс образования такого мощного вихревого воздушного течения?

В основу модели торнадо положим следующие эмпирические факты:

1. Мощные торнадо всегда образуются из больших грозовых облаков.

2. Внутри торнадо стоит затишье (глаз торнадо); вращение воздушного потока имеет место на периферии торнадо.

3. В торнадо имеются мощные электрические поля (согласно экспериментальным данным, полученным НАСА, напряженность поля составляет 4000-10 000 В/м (по некоторым данным, до 1 000 000 В/м).

4. В глазу торнадо наблюдатели отмечали голубое свечение в центральной части столба и зеленые светящиеся полосы по внутренней его «стенке».

5. Многие наблюдатели отмечали, что от столба торнадо отлетали ШМ.

6. Газодинамическая энергетика минимум на три порядка меньше, чем эмпирически наблюдаемые запасы энергии торнадо.

7. Торнадо чрезвычайно устойчив по отношению к внешним возмущениям (см. рис. 19).

8. Многие торнадо движутся «скачками» или «прыжками». То есть «хобот» торнадо периодически касается земли, оставляя за собой пунктирный след разрушений. Акустические станции слежения в США определяют степень опасности торнадо именно по его «стуку» о землю.

9. У торнадо имеется каскад. Он представляет собой облако пыли или столб водяных брызг, сосредоточенный у основания воронки. Термин «каскад» произошел от названия массы брызг, которые поднимаются вверх, когда смерч касается поверхности акватории. При падении в море, реку или озеро наблюдаемые потоки воды сильно напоминают речные каскады. В дальнейшем это название было распространено на наземные смерчи, которые, касаясь поверхности земли, поднимают вверх массы пыли, сухих листьев и мелких обломков (см. рис. 20). Существует мнение (на мой взгляд, недостаточно обоснованное), что каскад создается восходящими потоками воздуха, которые идут вне воронки смерча.


*Рис.19. Торнадо чрезвычайно устойчив*	*Рис. 20. Каскад торнадо*

У торнадо в Небраске (1955 год) ширина каскада составляла 1100 м при высоте 260 м и ширине воронки 70 м. Зафиксирован случай, когда ширина каскада достигала 1700 м при ширине воронки всего лишь 220 м. Подобные размеры каскада наблюдаются редко. Среди водяных смерчей также изредка наблюдаются гиганты. Например, разрушительный смерч в заливе Массачусетс имел высоту свыше 1000 метров, диаметр у облака – 250 метров, у воды - 70 метров. Диаметр каскада составлял более 200 метров, а его высота доходила до 150 метров.

Характерные параметры торнадо, полученные на основании многочисленных наблюдательных данных, приведены ниже в таблице 6. Поскольку разброс значений очень велик, в таблице приведены только нижняя и верхняя границы параметров.

Опираясь на приведенные выше эмпирические данные, обоснуем гипотезу о радиоизотопной природе торнадо.

Таблица 6

Характерные параметры торнадо

(по данным работ [14,16,20,24,26,28,29,31,32,34-36,42,44,48,63,71,73,75,106, 107, 111-113])

Наблюдаемая величина	Минимальное значение	Максимальное значение
Высота видимой части торнадо	10 м	2 км
Диаметр у земли	1 м	2 км
Диаметр у материнского облака	1 км	2 км
Линейная скорость стенок	20-30 м/с	100-500 м/с
Толщина стенок	3 м	> 10 м
Пиковая мощность	1 МВт	30 ГВт
Длительность существования	1 мин	5 час.
Путь	10 м	500 км
Площадь разрушения	10 м²	400 км²
Масса поднятых предметов	0	300 т
Скорость перемещения	0	150 км/ч
Давление внутри торнадо	< 0,8 атм	~ 1 атм

Простейшие оценки показывают, что гипотеза о том, что торнадо черпает свою энергию от радиоактивных изотопов, содержащихся в материнском облаке, не противоречит закону сохранения энергии. В самом деле. Наблюдаемые размеры материнского облака, из которого выходит столб торнадо, составляют, как минимум, 10×10 км (100 км²), а толщина его не менее 1 км. Таким образом, материнское облако имеет объем прядка (100 км³). Оценки, выполненные при анализе проблемы ШМ, показывают, что для возникновения стационарного электрического разряда в воздухе необходима удельная активность ~100 Кюри/литр. Наблюдатели неоднократно отмечали, что от «хобота» торнадо отделяются шаровые молнии. Следовательно, удельная активность материнского облака достаточно высока. Для оценок положим, что она составляет ~100 Кюри/м³, что на 3 порядка меньше, чем в ШМ. При - распаде 1 ядра (в непрерывный спектр) электрон уносит ~ 1 МэВ энергии, которая, в конечном счете, поглощается молекулами воздуха. Постоянная - распада для радиофосфора составляет с^-1. Знание этой величины позволяет оценить суммарную массу радиоактивных материалов, содержащихся в материнском облаке.

Рассчитаем эффективную мощность материнского грозового облака. Для этого перемножим объем облака на его удельную активность и на среднюю величину полезной энергии, выделяющейся при - распаде одного атомного ядра: в полном соответствии с данными, приведенными в таблице 6. Это и есть та самая чудовищная мощность торнадо-убийцы, стирающая с лица Земли целые города. То есть, в отличие от приведенных выше газодинамических оценок, ядернофизические оценки мощности торнадо полностью согласуются с наблюдательными данными. Причем, в отличие от энергии конденсации, практически равномерно распределенной по объему облака, ядерная энергия может перетекать на газодинамические степени свободы с очень высоким КПД из-за наличия электростатического взаимодействия продуктов распада.

Однако до сих пор практически нет работ (если не считать статьи [142]), посвященных анализу механизмов «перекачки» внутриядерной энергии на газодинамические степени свободы. В связи с этим возникает проблема разработки радиоизотопной модели торнадо.

На описательном уровне предлагаемая в настоящей работе модель классического торнадо выглядит следующим образом. На начальной стадии процесса в грозовом облаке образуется зародыш торнадо (зона высокой концентрации радиоизотопов и плотности водяных паров).

Кулоновское взаимодействие притягивает отрицательно заряженные капли дождевой воды, содержащей радиоизотопы, к положительному заряду, образованному облаком ионов-продуктов распада. Однако наличие тангенциальной составляющей скорости приводит к закручиванию воздушно-капельного потока. За счет центробежных эффектов в центральной зоне торнадо создается разрежение. В результате «электрический воздуховорот» затягивает воздушно-капельную смесь из грозового облака внутрь столба торнадо.

Так образуется смерч. При этом потери энергии, которая тратится на преодоление сил трения и на перемещение предметов, захваченных воздушным потоком, компенсируются за счет энергии - распада. Само же вихревое движение воздушного потока, имеющее малый радиус вращения, обусловлено электростатическим взаимодействием. Причем радиус торнадо однозначно связан с концентрацией радиоизотопов, поскольку именно их - распад обеспечивает «подзарядку» торнадо электрическим зарядом и энергией.

В завершение этого подраздела отметим, что в «невидимых» торнадо положительно заряженная периферия вращается вокруг отрицательного зародыша. Математический аппарат, описывающий «невидимые» торнадо, с формальной точки зрения ничем не отличается от такового для классического торнадо. Просто во всех соотношениях производится формальная смена знаков заряда, никак не влияющая на конечные формулы для компонент скорости воздушно-капельного (газопылевого) потока. Поэтому ниже будут приведены соотношения только для классического торнадо. Обобщение теории на случай «невидимого» газопылевого торнадо тривиально.

9.4. Математическая модель торнадо

Построим математическую модель неистового торнадо, исходя из приведенной выше описательной модели. Будем считать, что присутствующие в торнадо отрицательно заряженные капли электролита, образовавшиеся в результате - распада короткоживущих изотопов, «вморожены» в газовый поток, а столкновениями ионов - продуктов распада с молекулами воздуха в нулевом приближении можно пренебречь. То есть, положительные ионы удерживаются в «глазу» торнадо силами инерции, а их подвижность не настолько велика, чтобы быстро нейтрализовать отрицательный заряд «столба» торнадо.

Система уравнений газовой динамики в совокупности с уравнениями состояния газа имеет вид:

(213)

где - плотность газа, - его скорость, - давление, - плотность внутренней энергии, - плотность энтальпии, - вязкий тензор напряжений, - температура газа, - универсальная газовая постоянная, - молярная масса газа, - коэффициент теплопроводности, - плотность отрицательного электрического заряда, - конвекционная компонента плотности электрического тока, - напряженность электрического поля, - индукция собственного магнитного поля торнадо, - индукция магнитного поля Земли, - ускорение свободного падения.

В уравнении (213) присутствует - плотность мощности источников внутренней энергии, подпитывающих газовый поток:

(214)

причем - плотность - тока, - эффективное удельное сопротивление воздуха для - электронов, - эффективная проводимость воздуха для токов, создаваемых ионами, а - удельная скрытая теплота конденсации водяного пара и кристаллизации (замерзания) водяных капель. Треугольные скобки означают, что усреднение ведется по энергиям - частиц.

Газовый поток приходит в движение из-за нескольких причин. Во-первых, его разгоняют перепады давления и температуры, а подпитка энергией происходит за счет скрытой теплоты фазовых переходов пар-вода и вода-лед (снежинки). Во-вторых, в «хобот» торнадо «вморожены» электрические заряды (капли электролита), движущиеся под действием электрического и магнитного полей. Система уравнений Максвелла, описывающая электродинамическую часть задачи, имеет вид:

, (215)

где - плотность электрического заряда, а - плотность электрического тока. Эти заряды и токи создают электрическое и магнитное поле, которые определяют эволюцию торнадо.

В соответствии с гипотезой о том, что капли электролита «вморожены» в воздушный поток, постулируем, что

. (216)

Таким образом, полная плотность электрического тока складывается из плотности конвекционного тока , из плотности - тока и плотности тока проводимости :

, (217)

где - средняя скорость положительных ионов в воздухе.

Система уравнений Максвелла (215) должна быть дополнена системой материальных уравнений:

. (218)

Используемое приближение, вообще говоря, не является ни самосогласованным, ни внутренне непротиворечивым. Но, как будет видно из дальнейшего, для качественного анализа явления и для порядковых оценок, оно вполне пригодно.

Условие квазистационарности торнадо имеет вид

, (219)

то есть, среднее значение суммы радиальных компонент - тока и тока проводимости равно нулю. Только в этом случае распределение электрического заряда в пространстве является квазистационарным, поскольку изменение величины во времени будет определяться конвекционным током. Проводя осреднение всех уравнений по промежуткам времени, порядка времени релаксации (установления равновесного распределения заряда), получаем следующую систему уравнений:

(220)

В приближении «вмороженного» отрицательного заряда плотность тока и скорость воздушного потока параллельны (). Поэтому

. (221)

Рассчитаем параметры стационарного вихря, за закрутку которого отвечает электростатическое взаимодействие. Предположим, что влияние конвекционных токов на структуру вихревого течения невелико. То есть

. (222)

Наличие магнитного поля, создаваемого конвекционным током сказывается, в основном, на стационарном распределении электрического заряда. Именно магнитное поле кругового тока удерживает некоторое количество ионов в глазу торнадо, хотя, как правило, вертикальная компонента магнитного поля Земли гораздо больше собственного магнитного поля торнадо[71]. Именно наличие магнитной ловушки отвечает за определенную асимметрию пространственного распределения электрического заряда. В процессе анализа структуры электрического вихря мы еще вернемся к обсуждению этой проблемы.

Воспользуемся тем, что главной «движущей силой торнадо» является электростатическое взаимодействие. Поскольку в работе производятся только порядковые оценки, постольку точность «электростатического» приближения согласуется с точностью остальных приближений и предположений, используемых в настоящей работе.

На основании имеющихся данных мы можем считать, что потери на трение в торнадо полностью компенсируются за счет источников внутренней энергии. В дополнение к этому заметим, что структура вихревого течения такова, что вектора и фактически перпендикулярны, а поправки, обусловленные наличием силы тяжести и градиентами температуры и давления, пренебрежимо малы. С учетом сделанных замечаний и предположений система уравнений, приближенно описывающая стационарное движение воздуха в «хоботе» торнадо, примет вид:

, (223)

где - КПД внутренних источников энергии (таким образом, мы учли наличие вязкого трения).

Система уравнений Максвелла, описывающая электрические и магнитные поля в торнадо, также упрощается. В силу соотношения (219) она запишется как:

. (224)

В общем виде система уравнений электромагнитной газодинамики может быть исследована только численными методами. Однако для обоснования гипотезы об электростатической природе закрутки атмосферного вихря малого радиуса вращения (торнадо) достаточно качественного анализа в сформулированном выше приближении стационарного процесса. Рассмотрим стационарный вихрь газа, в котором распределен электрический заряд. Опуская в системе (224) уравнения, несущественные на данном этапе рассмотрения, представим газодинамическую часть задачи в виде

(225)

Воспользуемся цилиндрической симметрией задачи. В этом случае

. (226)

Система уравнений (226) все еще достаточно сложна для решения аналитическими методами. А для обоснования радиоизотопной модели торнадо крайне желательно иметь пусть и не очень точные, но удобные для анализа соотношения, позволяющие делать порядковые оценки наблюдаемых параметров вихревого воздушного потока. В связи с этим логично воспользоваться приближением «длинного торнадо», в котором имеет место не только цилиндрическая симметрия относительно оси вращения, но и инвариантность по отношению к сдвигам вдоль оси симметрии.

Случай вихревого течения (включая теорию тропических циклонов и торнадо), для которого выполняется условие подробно исследован в литературе (см. [185]). В частности, в работе [185] прямыми вычислениями показано, что скрытой теплоты фазовых переходов пар-вода и вода-лед совершенно недостаточно для образования неистового торнадо. Поэтому далее мы исследуем только случай, когда влияние перепада давления на параметры торнадо намного меньше, чем влияние электростатического взаимодействия (), и в нулевом приближении будем считать, что .

9.5. Приближение «бесконечно длинного торнадо».

Если имеет место инвариантность системы по отношению к сдвигам вдоль оси , система уравнений газовой динамики (226) становится еще проще. В этом случае система уравнений (226) может быть записана как:

, (227)

где - усредненная по пространственная плотность положительных электрических зарядов, а - усредненная по плотность воздуха.

Эта система уравнений, вообще говоря, внутренне противоречива, поскольку из уравнения непрерывности следует, что

. (228)

В свою очередь, из требования регулярности решения вытекает соотношение

. (229)

Последнее условие совместимо с (227) лишь в том случае, когда

, (230)

то есть когда вся внутренняя энергия газа, сосредоточенная на ядерных степенях свободы радиоизотопов, увлекаемых воздушным потоком, расходуется на компенсацию потерь кинетической энергии этого потока, обусловленных силами трения. Судя по внешним проявлениям, это условие выполняется для торнадо с достаточно высокой степенью точности.

В этом случае система уравнений (227) принимает вид:

. (231)

Приближение «бесконечно длинного торнадо» весьма далеко от реальности. Однако оно удобно тем, что многие оценки в этом приближении выполняются элементарно.

В частности, согласно закону Кулона напряженность электрического поля тривиально выражается через плотность заряда:

. (232)

При наличии цилиндрической симметрии задачи и отсутствии зависимости плотности заряда от координаты азимутальная и вертикальная компоненты электрического поля зануляются (). Компоненту проще всего вычислить по теореме Гаусса:

, (233)

откуда с учетом материальных уравнений

. (234)

Таким образом, мы получаем общее выражение для азимутальной составляющей скорости вихревого потока

. (235)

Из этого соотношения немедленно следуют два фундаментальных вывода:

1. Поскольку капли радиоактивного электролита находятся только в «хоботе» торнадо, постольку наличие «глаза» торнадо связано с тем, что в зоне затишья воздушного потока () отрицательный заряд отсутствует ().

2. У торнадо имеется резкая внешняя граница.

Последнее утверждение вытекает из того, что в силу закона сохранения заряда выполняется условие

, (236)

и в соответствии с этим радиальная компонента электрического поля является знакопеременной. В «глазу» и вплоть до внутренней границы «хобота» торнадо она положительна, далее – отрицательна, а за границей каскада торнадо, равна нулю.

Распределение - электронов по направлениям вылета изотропно. Однако в «глазу» торнадо имеется магнитная ловушка, создаваемая конвекционным током и магнитным полем Земли. Поэтому распределение электрического заряда по радиусу сильно неравномерно. В случае высокой проводимости воздуха внутри торнадо расположен положительный заряд, удерживаемый силами инерции и магнитным полем; «хобот» торнадо заряжен отрицательно, а за его внешней границей находится положительный заряд, сосредоточенный на каплях, пыли и мусоре, образующих каскад. В настоящей работе наличием этого заряда мы пренебрегаем.

С учетом вышесказанного соотношение (235) становится противоречивым приблизительно на внешней границе распределения отрицательного заряда , поскольку при

(237)

где - корень уравнения

. (238)

В реальности картина воздушного течения несколько сложнее, и внешняя часть столба торнадо вовлекается в движение силами трения; кроме того, в соотношении (239) опущены члены, обусловленные наличием вертикальной и радиальной составляющих скорости. Но сам эффект наличия резкой внешней границы вихревого воздушного потока обусловлен именно знакопеременностью радиальной компоненты электрического поля.

9.6. Приближение «торнадо конечной длины»

Для того чтобы оценить влияние конечной длины торнадо на характер воздушного течения, исследуем простейший случай линейного по распределения заряда

. (239)

Основанием для выбора линейной зависимости плотности заряда от высоты служит факт относительно равномерного выгорания «горючего» торнадо по мере удаления от материнской тучи, обусловленный постоянством скорости распада радиоактивных изотопов, за счет которого и происходит пространственное разделение электрических зарядов.

В качестве дополнительного условия, позволяющего доопределить зависимость плотности электрического заряда от высоты, мы постулировали, что на полувысоте торнадо радиальная зависимость плотности заряда совпадает со средней плотностью заряда

(240)

Для дальнейшего анализа нам необходимо определить зависимость . Для этого воспользуемся основным уравнением электростатики:

, (241)

причем учтем, что в силу цилиндрической симметрии задачи , а величина дается соотношениями (233)-(234).

Тогда

, (242)

или с учетом (241):

. (243)

Откуда следует, что

, (244)

и мы немедленно получаем выражение для

, (245)

причем при определении константы интегрирования мы воспользовались условием того, что «электрический центр тяжести» торнадо находится на его полувысоте:

. (246)

Это условие соответствует тому, что в столб торнадо электрические силы втягивают и предметы с поверхности земли, и радиоактивную воздушно-капельную смесь из материнской тучи.

Отметим, что соотношение (245) дает относительно большую погрешность для величины электрического поля торнадо, но позволяет оценить вертикальную составляющую скорости воздушного потока. Все дальнейшие оценки мы будем проводить в приближении несжимаемой жидкости, причем будем полагать, что плотность газа постоянна

. (247)

Кроме того, постулируем, что плотность заряда медленно меняется от основания столба торнадо до материнской тучи:

. (248)

Условие (248) позволяет считать, что все величины в задаче слабо зависят от . Поэтому можно использовать адиабатическое приближение. В этом приближении

(249)

где

(250)

причем - азимутальная составляющая скорости газового потока на полувысоте торнадо.

Из системы уравнений (226) следует, что радиальная и вертикальная компоненты скорости воздушного потока связаны соотношением

, (251)

где

(252)

Из системы уравнений (226) также видно, что в рамках сделанных предположений - компонента уравнения Навье-Стокса имеет вид

, (253)

и с учетом определения функции

. (254)

В силу того, что уравнение непрерывности для цилиндрически симметричного течения несжимаемой жидкости имеет вид

, (255)

и с учетом соотношения (251) мы получаем

. (256)

Отсюда вытекает связь между производными по радиусу и по высоте от вертикальной компоненты скорости воздушного потока

. (257)

Подставляя (257) в (254), мы получаем следующее выражение для вертикальной компоненты скорости:

(258)

Соотношения (249)-(251) и (258) дают решение поставленной задачи в рамках оговоренных приближений. Формулы для компонент скорости воздушного потока по способу своего построения верны только в области отрицательных зарядов (т.е. для воздушно-капельной смеси, образующей «хобот» классического торнадо). Кроме того, в приведенных выше формулах опущены слагаемые, возникающие из-за наличия электрического поля Земли. На самом деле, они отнюдь не малы, и отвечают за процесс зарождения торнадо, а также за «пунктирный» характер его движения по земле. Столб торнадо опускается на землю там, где средний заряд земной поверхности положителен (что, обычно, и бывает в средних широтах), и отрывается от земли в зоне локализации отрицательных зарядов (например, на побережье Англии, где часто наблюдаются круги на полях). «Невидимые» торнадо ведут себя противоположным образом.

Для дальнейшего исследования свойств вихревого потока нам необходимо рассчитать функцию , определяемую соотношением (252). Для этого воспользуемся тем, что согласно (249)

, (259)

и, следовательно

. (260)

Строго говоря, для того, чтобы найти как функцию радиуса, необходимо знать закон распределения электрического заряда в пространстве. Однако для порядковых оценок основных параметров торнадо вполне годятся грубые приближения. Воспользуемся тем фактом, что нас интересуют, в основном, максимальные значения параметров воздушного потока.

Для определения радиальной зависимости функции оценим экстремальные параметры торнадо. Очевидно, что условие максимума азимутальной скорости воздушного потока имеет вид

. (261)

Точное соотношение (261) становится приближенным в некоторой окрестности точки (- корень уравнения (261)), но его точность остается удовлетворительной в том смысле, что имеет место неравенство

, (262)

причем , где - толщина слоя, в котором справедливо неравенство (262). Из наблюдательных данных известно, что скорость воздушного потока внутри столба торнадо слабо зависит от радиуса. Поэтому величина соизмерима с толщиной «хобота» торнадо. В силу этого для порядковых оценок годится простейшее приближение для :

. (263)

Подставляя (263) в (258), мы приходим к соотношению

. (264)

Подставим выражение (245) для вертикальной компоненты электрического поля в формулу (264). Как уже отмечалось выше, скорость воздушного потока отлична от нуля только в области столба торнадо[72]. С учетом этого обстоятельства, мы имеем:

, (265)

откуда видно, что

. (266)

Для того чтобы рассчитать радиальную компоненту скорости торнадо, воспользуемся формулой (251) и учесть соотношения (263) и (266). В итоге получаем:

. (267)

Соотношения (249), (250), (266) и (267) дают общее решение задачи о нахождении поля скоростей в столбе торнадо. Однако возможности практически безмодельного анализа явления на этом не исчерпываются. Дело в том, что в процессе вывода формул (249), (250), (266) и (267) мы нигде не использовали предположений о явном виде пространственного распределения электрического заряда в столбе и «глазе» торнадо. Строго говоря, его следует находить из условия (219). Однако решение этой задачи выходит далеко за пределы настоящей работы, в которой даются только порядковые оценки рассматриваемых величин.

Проделаем ряд преобразований, не делая каких-либо специальных допущений о явном виде зависимости плотности электрического заряда от координат.

Согласно (250) азимутальная скорость газового потока равна

. (268)

Очевидно, что абсолютная величина отрицательного электрического заряда (), сосредоточенного во внутренней области торнадо (), дается интегралом от плотности заряда по объему «глаза»

. (269)

Средняя линейная плотность отрицательного заряда , находящегося в «глазу», равна

. (270)

В соответствии с этим представим соотношение (268) в виде:

. (271)

Формула (271) может быть переписана следующим образом:

, (272)

где функция имеет смысл абсолютной величины средней линейной плотности отрицательного заряда, сосредоточенного в столбе торнадо.

. (273)

Из последнего соотношения ясно видно, что в рамках используемых приближений азимутальная скорость вихревого течения вообще не зависит от конкретного вида распределения отрицательного заряда в «глазу» торнадо. Именно это обстоятельство определяет высокую устойчивость торнадо по отношению к внешним возмущениям.

Оценим величину максимальной азимутальной скорости газового потока в столбе торнадо. Очевидно, что положение максимума этой компоненты скорости, находится из условия

. (274)

Однако в рамках сделанных допущений знаменатель в формуле (274) от координаты не зависит, и тогда это уравнение принимает вид:

. (275)

Линейная плотность положительного заряда также не зависит от , а абсолютная величина линейной плотности отрицательного заряда удовлетворяет соотношению

. (276)

В итоге мы получаем следующее уравнение для положения максимума функции

. (277)

Таким образом, выражение для максимальной азимутальной скорости газового потока в торнадо имеет вид:

, (278)

где - корень уравнения (277). Или, по-другому

. (279)

Соотношения (277)-(279) полностью решают задачу о нахождении максимальной скорости ветра в торнадо. Возвращаясь к соотношению (234), заметим, что при имеет место очевидное соотношение

. (280)

Это соотношение позволяет производить проверку расчетов на самосогласованность и на соответствие наблюдательным данным.

В самом деле, из (278) и (280) следует, что

(281)

Для торнадо большого радиуса и малой толщины в окрестности

, (282)

где - безразмерный коэффициент, который для большинства «разумных» функций лежит в пределах .

Именно поэтому

, (283)

или, по-другому

. (284)

Выражение (283) замечательно тем, что в него входят величины, хорошо известные из данных по наблюдениям за торнадо и водяными смерчами.

Для проверки оценок на внутреннюю согласованность воспользуемся наблюдательными данными. При этом учтем, что столб торнадо содержит большое количество водяных капель (), величина кг/м³ (для воздуха без капель воды и песчинок кг/м³); Ф·м^-1. Полагая что , а эффективная диэлектрическая проницаемость воздушно-капельной смеси , мы приходим к тому, что

. (285)

Согласно имеющимся данным напряженность электрического поля в торнадо достигает величины В/м. Поскольку в выражении (285) фигурируют экстремальные значения физических величин, постольку в формулу (285) следует подставить значение В/м. Тогда, в полном соответствии с наблюдательными данными получаем оценку:

м/с, (286)

то есть приблизительно 200 км/час. Таким образом, радиоизотопная модель не только дает ответ на вопрос о том, откуда берется колоссальная энергия торнадо, но и дает правильные количественные соотношения для компонент скорости этой разновидности атмосферного вихря.

Для полноты картины явления нам остается оценить радиус торнадо и величину магнитного поля, создаваемого конвекционным током.

Начнем с оценок величины магнитного поля. По теореме Стокса величина магнитной индукции

, (287)

где - полный конвекционный ток, а - магнитная проницаемость воздушно – капельной смеси в столбе торнадо. Величину конвекционного тока нетрудно рассчитать по формуле

, (288)

откуда вытекает соотношение для величины

. (289)

Из соотношения (289) вытекает, что

, (290)

а плотность заряда можно оценить, воспользовавшись формулой (234)

. (291)

Подставляя (291) в (290), мы немедленно приходим к оценке

, (292)

где - скорость света в вакууме. На основе (292) величина индукции магнитного поля оценивается элементарно:

Тл, (293)

что примерно на 3 порядка меньше характерных значений индукции магнитного поля Земли.

Таким образом, магнитное поле на оси торнадо, оцененное в приближении конвекционного тока, не слишком велико, а условие (222), использованное нами при построении приближенной системы уравнений, описывающих движение газового потока в торнадо, выполняется с высокой степенью точности. Однако если учесть, что при оценке скорости воздушного потока мы рассматривали случай «умеренного» торнадо, то совершенно очевидно, что в разрушительных торнадо магнитные поля могут достигать значительной величины (что, впрочем, не меняет вывода о справедливости неравенства (222)). Кроме того, учет круговых ионных токов проводимости может повлиять на оценку (293).

Наконец отметим, что на основе полученных выше формул можно оценить соотношение между радиусом торнадо и толщиной его столба:

, (294)

откуда следует, что в полном согласии с предыдущими оценками.

9.7. Модельные оценки

Все соотношения, полученные в предыдущем разделе, по способу своего построения являются усредненными оценкам. И с этой точки зрения представляется логичным провести дополнительные расчеты входящих в задачу величин на основе любой правдоподобной аппроксимации пространственного распределения электрического заряда. Результат, очевидно, будет устойчив по отношению к малым вариациям параметров, однако при этом можно извлечь дополнительную информацию о строении торнадо, уточнив, таким образом, картину явления.

В соответствии с вышесказанным аппроксимируем распределение электрического заряда по обобщенной квадратичной формой:

, (295)

где - внешняя граница торнадо.

Распределение (295) фактически соответствует тому, что и положительную, и отрицательную составляющие плотности электрического заряда мы разложили в ряд Тейлора в окрестности соответствующих максимумов, и удержали первые неисчезающие члены разложения, после чего перегруппировали слагаемые. Кроме того, в соотношение (295) мы с помощью функций Хевисайда ввели обрезающие факторы.

В силу закона сохранения заряда

. (296)

Подставляя (295) в (296), получаем:

(297)

Отсюда легко вычисляется связь между и .

(298)

Физическая размерность коэффициентов и одинакова:

; (299)

они имеют физический смысл эффективной плотности заряда.

Распределение (295) позволяет вычислить линейную плотность заряда, сосредоточенного в «глазу» и столбе торнадо:

. (300)

Поскольку всюду далее речь идет только об оценке порядков величин, постольку воспользуемся приближением «тонкого торнадо». То есть будем считать, что толщина положительно заряженного слоя воздуха намного меньше радиуса вращения торнадо.

Обозначим через корень уравнения

, (301)

и представим радиальную зависимость плотности электрического заряда в следующем виде:

, (302)

где - толщина столба торнадо. Тогда

(303)

причем . При проведении порядковых оценок логично считать, что в несколько раз меньше толщины столба торнадо. В соответствии с этим положим

, (304)

где - безразмерный коэффициент.

В этом случае

, (305)

и, следовательно, с учетом формулы (277)

. (306)

В этом случае из соотношения (279) вытекает, что

. (307)

Прямыми вычислениями нетрудно показать, что плотность отрицательного электрического заряда в области развитого вихревого течения равна

, (308)

а абсолютная величина средней линейной плотности отрицательного заряда вдоль столба торнадо подчиняется соотношению

. (309)

В результате мы можем выразить азимутальную скорость ветра в столбе торнадо через параметры распределения электрического заряда:

, (310)

или по-другому

. (311)

Численные оценки максимальной азимутальной скорости воздушного вихря, выполненные на основе соотношений (310), (311), совпадают с аналогичными безмодельными оценками (см. формулу (284)).

Наконец отметим, что при радиоактивном распаде радиоизотопов, содержащихся в столбе торнадо, огромное количество мягких рентгеновских квантов (жесткого ультрафиолета) заряжает приземные слои воздуха, воду и твердые предметы за счет фотоэффекта. То есть, предметы приобретают положительный заряд, а фотоэлектроны отбрасывает от торнадо его электрическое поле. В результате положительно заряженные тела начинают притягиваться к отрицательно заряженному «хоботу» торнадо. Эффект этот настолько велик, что фактически, является доминирующим. В результате воздушные потоки вблизи земли будут иметь, как правило, положительную составляющую вертикальной скорости (всасывающий эффект торнадо), а вблизи материнского облака - наоборот - отрицательную вертикальную составляющую. Именно этот эффект обеспечивает подпитку торнадо «горючим».

Как было показано выше, физические параметры торнадо таковы, что напряженности электрического поля В/м соответствует скорость ветра приблизительно м/с, что, хорошо согласуется с совокупностью имеющихся наблюдательных данных. Величина радиальной и вертикальной составляющих скорости воздушного потока, как это следует из соотношений (266), (267), существенно меньше.

Успешное объяснение феномена шаровой молнии на основе теории цепных субатомных реакций также говорит о том, что - распадный механизм «подпитки» торнадо энергией вполне рационален и не противоречит имеющимся данным.

9.8. Резюме

Резюмируем вышесказанное следующим образом.

1. Никакой газодинамический механизм не способен обеспечить торнадо наблюдаемым запасом энергии.

2. Энергетические оценки показывают, что радиоактивный распад короткоживущих изотопов способен обеспечить торнадо необходимым запасом энергии. Радиоизотопный механизм образования торнадо подтверждается тем, что его наблюдаемая мощность (оцененная по уровню разрушений) совпадает по порядку величины с соответствующими теоретическими оценками.

3. Отсюда следует, что торнадо по своей физической природе аналогичен шаровой молнии. Эта гипотеза подтверждается многочисленными наблюдениями того, что от столба торнадо отделялись шаровые молнии.

4. Данный факт является дополнительным подтверждением того, что источником энергии торнадо является - распад радиофосфора и других короткоживущих - активных изотопов.

5. За закрутку и всасывающий эффект газового потока отвечает электростатическое взаимодействие.

6. Электростатическое взаимодействие различных частей закрученного газового потока возникает за счет того, что при - распаде в непрерывный спектр ядер радиоизотопов происходит пространственное разделение электрических зарядов.

7. Устойчивость торнадо обеспечивается за счет нескольких факторов. Во-первых, ионы в «глазу» торнадо удерживаются за счет инерции и малой (по сравнению с электронами) подвижности. Определенную роль играет магнитная ловушка, создаваемая магнитным полем Земли, и, в какой-то степени, круговым конвекционным током. Наконец, основные свойства торнадо не зависят от конкретного вида распределения положительного электрического заряда, расположенного вблизи оси вращения торнадо.

8. Движение торнадо «прыжками» вызывается электрическим полем Земли.

9. Каскад торнадо обусловлен электростатическим взаимодействием.

10. Сам факт существования каскада служит прямым подтверждением правильности радиоизотопной теории смерчей.

11. Численные оценки энерговыделения в торнадо и скоростей воздушного потока подтверждают нарисованную картину явления как качественно, так и количественно.

12. Наличие внутри торнадо магнитного поля вполне согласуется с многочисленными наблюдениями полетов внутри особо мощных торнадо тяжелых металлических предметов (например, автомобилей). Согласно имеющимся наблюдательным данным внутри торнадо нередко останавливаются часы. Эти факты также свидетельствуют в пользу радиоизотопной теории торнадо.

13. Зафиксированы случаи офтальмии, т.е. ультрафиолетового ожога сетчатки глаза у людей, побывавших внутри торнадо. В частности, так ослепла знаменитая прорицательница баба Ванга. Мощные потоки ультрафиолета образуются при - распаде весовых количеств короткоживущих изотопов. Поэтому воздействие торнадо на зрение наблюдателей также говорит о правильности гипотезы о его изотопной природе.

14. Из результатов анализа таких явлений, как шаровая молния и торнадо однозначно вытекает, что современные данные о распространенности короткоживущих - активных изотопов в природе попросту неверны. В процессе сбора и анализа экспериментальных данных исследователи не учитывали эффектов самоорганизации, благодаря которым и некоторые другие, упомянутые в настоящей монографии изотопы, имеют тенденцию собираться в компактные облака (иногда в плазмоиды). В итоге результаты определения их средней концентрации в атмосфере на основе анализа проб воздуха или дождевой воды несостоятельны. По степени соответствия действительности они эквивалентны результатам оценки общей массы снежного покрова планеты по опытным данным, полученным в пустыне Сахара.

15. Имеется множество дополнительных аргументов, позволяющих обосновать правильность утверждения о том, что в шаровой молнии происходит передача ядерной энергии на атомные степени свободы, а в торнадо ядерная энергия, в конечном счете, преобразуется в кинетическую энергию газового потока.

Выводы и комментарии

В настоящей работе описаны основные механизмы формирования и горения шаровой молнии, а также закрутки воздушного потока в торнадо. Необычные свойства этих атмосферных явлений есть следствие того, что они представляют собой вторичные коллективные эффекты при b- распаде.

Именно наличием механизма спонтанного пространственного разделения зарядов шаровая молния отличается от самостоятельного электрического разряда в газе, вызванного внешним электрическим полем.

Именно наличием огромного количества энергии, запасенной в короткоживущих радиоизотопах, захваченных материнской тучей, из которой спускается хобот торнадо, грозный смерч отличается от низкоскоростного вихревого воздушного течения.

Тот факт, что в данной работе удалось построить более или менее ясную, внутренне непротиворечивую картину таких явлений, как шаровая молния и торнадо, не используя каких-либо неизвестных ранее законов физики или гипотез ad hoc, говорит о многом. Вероятность принципиальной ошибки сводится практически к нулю.

Однако на всякую бочку меда неизбежно приходится энное количество дегтя. В частности, на повестку дня выходят следующие задачи:

· Корректный расчет константы для и .

· Детальный анализ взрыва шаровой молнии.

· Построение и анализ динамических уравнений движения шаровой молнии на основе уравнения Навье-Стокса.

· Микроскопический расчет кинетических коэффициентов.

· Построение более или менее подробной системы кинетических уравнений, в явном виде учитывающих наличие фотонов, электронов, молекул кислорода, азота и т.п.

· Оценка относительной роли различных физических процессов, приводящих к «обдиранию» - и - оболочек атомов радиофосфора.

· Обширный вычислительный эксперимент, позволяющий детализировать нарисованную выше качественную картину таких атмосферных явлений, как шаровая молния и торнадо.

· Прямой эксперимент, закрывающий проблему окончательно.

· Поиск других радиоизотопов, отличных от , интересных с точки зрения изучения процессов - распада в связанное состояние.

· Экспериментальное определение средней концентрации изотопов в атмосфере с учетом эффекта самоорганизации радиоактивных облаков.

· Поиск технологических приложений описанных в работе процессов.

Этот список является практически неограниченным, поскольку новый класс цепных субатомных реакций индуцированного - распада в связанное состояние никогда и никем не исследовался. Так что серия работ [61, 139-149] открывает новое и весьма обширное поле деятельности.

Хотелось бы также отметить, что в процессе анализа проблемы торнадо выяснилось, что концентрация ряда изотопов (, распространенность , дня), (, распространенность , часа), (, распространенность , часа), (, распространенность , часа) в природных самосветящихся образованиях может достигать значительной величины. Ввиду этого обстоятельства предстоит исследовать возможность формирования шаровых молний из сгустков (облачков) радиоактивного аэрозоля, содержащего перечисленные изотопы. Правда, в отличие от радиофосфора, процессы фотоионизации в таких образованиях не могут приводить к ионизации - оболочки атомов перечисленных радионуклидов. Поэтому исследование возможности существования шаровых молний на основе изотопов мышьяка и брома сводится к расчету кинетических коэффициентов в приближении «электронного удара». То есть, оценке вероятности того, что в радиоактивном облаке процессы ударной ионизации идут столь интенсивно, что значительное число атомов радиоактивного мышьяка и брома оказываются «ободранными» вплоть до - и даже - оболочки, несмотря на малое время жизни глубоко лежащих электронных дырок. На сегодняшний день вопрос о возможности существования таких молний остается открытым.

Наконец, следует отметить, что кроме ШМ и торнадо в Природе могут существовать и другие самосветящиеся объекты, за образование которых отвечают процессы радиоактивного распада.

К таковым, скорее всего, относятся полярные сияния. Имеются многочисленные аргументы в пользу того, что полярные сияния образуются короткоживущими нейтроннодефицитными изотопами. Эти изотопы рождаются в ионосфере в результате взаимодействия различных ядер-мишеней с космическими лучами. Образовавшись в ионизованном состоянии, эти короткоживущие нейтроннодефицитные изотопы становятся достаточно долгоживущими. Они имеют положительный электрический заряд. Кроме того, вектор скорости таких радиоактивных ионов, как правило, имеет отличную от нуля компоненту проекции скорости на линии земного магнитного поля.

«Навиваясь» на линии вектора магнитной индукции магнитного поля Земли, нейтроннодефицитные «радиоионы» перемещаются в полярные области. После вхождения в плотные слои атмосферы, они превращаются в нейтральные атомы. В результате период полураспада этих изотопов резко сокращается, и они распадаются вследствие реакции электронного захвата. Именно поэтому за Полярным кругом радиационный фон всегда повышен, а выпадения радиоактивных осадков не наблюдается, да и шаровых молний тоже. Разве что, круги на снегу. Впрочем, это, пока что, всего лишь гипотеза.

По-видимому, нейтронноизбыточные изотопы также вносят свою лепту в полярные сияния. Однако затронутая проблема – это тема для отдельного исследования. А здесь я лишь упомяну, что в пользу изложенной точки зрения свидетельствуют фотографии Полярных сияний из космоса. В видимом диапазоне это почти что монохроматическое излучение (рис. 21). Кроме того, имеется мощная рентгеновская компонента электромагнитного излучения Полярных сияний (см. рис. 22). Стандартными теориями эти свойства Полярных сияний объяснить не удается!

Рис. 21. Синхронные Полярные сияния.

Источник http://cgi.astronet.ru/.

Рис. 22. Рентгеновская Земля. Снимок 30.12. 1996. Источник http://cgi.astronet.ru/

Однако Полярные сияния - это, в любом случае, глобальный процесс, значение которого для геофизики и метеорологии еще предстоит осмыслить.

В дополнение к сказанному следует сказать, что за всякого рода «аномальщину» могут отвечать не только - процессы. При - распаде короткоживущих изотопов также могут возникать вторичные эффекты, связанные со спонтанным пространственным разделением зарядов. Однако перечень кандидатов на роль «нарушителей спокойствия» в атмосфере здесь совсем короткий. Единственный - распадник, подходящий по основным физическим свойствам для создания всякого рода свечений, шумов и воздушных течений в атмосфере – это . Он имеет период полураспада дня; энергия - частиц МэВ. При - распаде образуется . Цепочка распадов заканчивается на стабильном изотопе свинца . Отличительной особенностью является его высокая распространенность в Природе. В качестве примера образования «самосветящихся природных объектов» выбросами радона приведу знаменитую фотографию «белокурихинской свечи». По описаниям наблюдателей «свеча поднялась из земли, свернулась в яркий шар, быстро взлетела вверх и исчезла в небе». Событие произошло в месте сгущения разломной сети Белокурихинского массива, в его юго-восточной части. Как известно, белокурихинские минеральные воды содержат радон. Именно поэтому там расположен один из наиболее интересных сибирских курортов России.


Рис. 23. «Белокурихинская свеча» (фотограф неизвестен).	Рис. 24. Фотография из работы Massimo Teodorani, A Long-Term Scientific Survey of the Hessdalen Phenomenon, Journal of Scientific Exploration, Vol. 18, No. 2, pp. 217-251, 2004

Ничуть не менее впечатляюще выглядит фотография «самосветящихся объектов» в долине Hessdalen (Норвегия). Учитывая, что эта долина покоится на гранитном основании, можно предположить, что именно радон, вырвавшийся из недр Земли, вызвал свечение ночного неба. Впрочем, это не единственный вариант объяснения загадки долины Hessdalen. На месте ночных огней были найдены магнетитовые шарики – типичная разновидность космической пыли. Так что феномен свечения ночного неба мог быть результатом падения геофизического (электрофонного) метеорита, содержащего радиоактивные вещества.

Возвращаясь к теме следует отметить, что он может быть причиной возникновения некоторых видов торнадо и водяных смерчей. Возможно, что в некоторых случаях небольшое облачко радона может образовать сгусток радиоактивной плазмы (шаровую молнию). Для этого достаточно, чтобы в 1 литре воздуха содержалось чуть больше 0.5 миллиграмма радона-222. Активность такого «самосветящегося объекта» имеет порядок ~ 100 Кюри, и, следовательно, электрический разряд в воздухе неизбежно начнется через 1-2 секунды после образования компактного облачка радона. Однако на пути создания «радоновой» теории шаровой молнии и торнадо имеются серьезные препятствия. Главное из них состоит в том, что радон является инертным газом. Продукты его распада – тяжелые металлы. Механизм «самоорганизации» радона, выходящего из горных пород и разломов земной коры, в компактные сгустки радиоактивной плазмы, неизвестен. Во всяком случае, на сегодняшний день… Хотя, «проживание» привидений в старинных английских замках, построенных из гранитных блоков, свидетельствует в пользу того, что механизм самоорганизации радона в компактные облака все таки существует… В этом смысле физика образования компактных самосветящихся объектов - активными изотопами и их химическими соединениями гораздо проще.

В заключение хотелось бы также отметить, что многие загадочные явления типа НЛО, вполне возможно, также объясняются в рамках радиоизотопной теории. В частности, по мнению автора, НЛО - это всего лишь облака соединений радиофосфора, которые, в основном, состоят из пятиокиси радиофосфора. Отрицание многими учеными самого факта существования НЛО до сих пор сводилось к утверждению «этого не может быть, потому что этого не может быть никогда». И это было вполне логично, ибо в науке нет места чудесам. Такой же позиции придерживался и автор этих строк до тех пор, пока не наткнулся на необычную цепную реакцию. В настоящее время мои взгляды сильно поменялись, и я начинаю верить в то, что движущиеся с огромными скоростями и ускорениями НЛО - это всего лишь перемещение зоны протекания цепных субатомных реакций индуцированного b- распада ядер радиофосфора в связанное состояние. Наблюдавшееся некоторыми очевидцами перемещение этих объектов с гиперзвуковыми скоростями свидетельствует о том, что мы имеем дело не с перемещением в пространстве материального тела, а с перемещением зоны свечения, каковой и может быть область протекания означенной реакции. Она в одном месте гаснет, а в другом вспыхивает. Вот и вся загадка.

Правда, следует отметить, что в физике плазмы известны объекты, движущиеся с очень большой (более 1000 км/час) скоростью. Эффект этот характерен для плазмоидов, в которых заметная часть энергии запасена на внутренних степенях свободы. Такие плазмоиды могут двигаться очень быстро за счет нелинейной диффузии. Возможно, что аналогичные механизмы увеличения скорости движения воздушного потока работают и в торнадо…

Не исключено, что многие другие виды «чертовщины» (см., например, Приложение 6) также могут найти рациональное естественнонаучное объяснение в рамках теории, изложенной в этой монографии. Об этом свидетельствуют многие признаки и наблюдаемые свойства аномальных явлений в атмосфере.

Благодарности

Выражаю благодарность В.А. Сойферу, Н.Л. Казанскому, В.И. Фурману, И.П. Завершинскому, В.С. Казакевичу, В.В. Ленивкину, Л.В. Туманову за многочисленные стимулирующие дискуссии, в результате которых на свет появилась эта работа. В этом списке особое место занимают Виктор Александрович Сойфер и Леонид Валентинович Туманов. Член-корреспондент РАН, профессор, д.т.н. В.А. Сойфер первым понял важность развития нового, еще не существующего раздела физики, и поддержал исследования, сущности которых в 2003 году практически никто не понимал. А Л.В. Туманов, не имея ни чинов, ни степеней, ни званий, но, будучи по сути, одним из лучших физиков Самары, оценил концепцию радиоизотопной природы аномальных явлений, и снабдил меня огромным количеством эмпирических данных, которыми я не располагал на момент начала исследований.

Особую благодарность выражаю Ф.А. Гарееву за то, что он первым ознакомил меня с проблемой - распада в связанное состояние, снабдил соответствующей научной литературой и постоянно поддерживал мою работу.

Также выражаю благодарность В.П. Алфименкову и Ю.М. Чувильскому, которые первыми обратили мое внимание на проблему времени жизни электронных дырок.

Искренне благодарю моих учителей – профессора И.С. Баткина, который ознакомил меня с проблемой влияния радона на различные атмосферные процессы и профессора И.В. Копытина, подтвердившего корректность моей оценки ускорения - распада радиофосфора при переводе его в ионизированное состояние.

Выражаю глубокую благодарность ректорату Самарского государственного аэрокосмического университета, а также Фонду содействия экономическому развитию СГАУ (Фонду Лукачева) за финансовую поддержку. Научные результаты, изложенные в работе, получены при выполнении проекта российско-американской программы «Фундаментальные исследования и высшее образование» (BRHE) при финансовой поддержке Американского фонда гражданских исследований и развития (CRDF Project SA-014-02), Министерства образования и науки РФ и Правительства Самарской области.

Искреннюю благодарность выражаю своей семье - жене Е.В. Ратис и сыну Г.Ю. Ратису. В течение продолжительного времени они постоянно и усердно помогали мне в работе. Эта помощь заключалась, в первую очередь, в том, что они, проявляя безмерное терпение, несметное число раз вычитывали черновики моих статей и книг…

Список литературы

1. Aerogels// Ed. J. Fricke.- Berlin a.o.: Springer-Verlag, 1985

2. Arabadji W.J.// J. Geophys. Res. 1976, v.81, р.6455

3. Argute E./Nature, 1971, v.230, p.179

4. Babat G.I.// J. Inst. Electr. Eng. 1947, Part III, v.94, p.17

5. Bahcall J.N., Phys. Rev. 124, 495 (1961)

6. Balyberdin V.V.// Foreign Sci. Bul. 1966, v.2, №4, p.48; 967, v.3, № 5, p.103

7. Barry J.D. Ball lightning and bead lightning. New York; London, 1980

8. Barry J.D., Boney W.E., Brandelik J.E.// Appl. Phys. Lett. 1971, v18, p.15

9. Barry J.D.// J. Atmosph. and Terr. Phys. 1968, v.3, p.313

10. Barry J.D.// J. Geophys. Res. 1980, v.85, р.4111

11. Berger K.// Naturwissenshaften, 1973, Bd 60, s.485

12. Bosh F., at al. Phys. Rev. Lett., 77, №26, 5190 (1996)

13. Brand W. Der Kugelblitz. Hamburg, Henri Grand, 1923

14. Brooks E. M. The tornado-cyclone. Weatherwise,v.2, №2, 1949, p.32-33

15. Budick B., Phys.Rev.Lett. 51, 1034 (1983)

16. Chandrsuda C., Mehta R. D. Weir A. D. and Bradschaw P. J. Fluid Mech. 85, 693, (1978)

17. Charman W.N.// Phys. Rep. 1979. v.54. p.261

18. Charmen W.N. After-images and ball lightning//Nature, 1971, v.230, № 5296

19. Chubykalo A.E., Espinoza A.// J. Phys A: Math. Gen. 35 (2002) 8043-8053

20. Church C.R., Snow J.T., Baker G.L., Agee E.M. Characteristics of tornado - like vortices as a function of swirl ratio: a laboratory investigation// J. Atmos. Sci. 36. 1755-1776 (1979)

21. Daudel R., Jean M., and Lecoin M.// J. Phys. Radium 8, 238 (1947)

22. Dijkhuis G.C.// Ned. Tijdsch. Natk. Ser B, 1985, v.51, p.125

23. Douglas M.S. Hurricane N-Y. 1958, 393p.

24. Duane J.E. The hurricane of Florida. Bull. Amer. Met. Soc. v. 16, 1935, с. 238-139

25. Egely Gy. Hungarian ball lightning observations.- Budapest: Central Research Institute for Physics. 10/D, 1987

26. Faye H. Nouvelle etude sure les tempetes, cyclones, trombes ou tornado Paris, 1897, 142p

27. Filippov D.V., Rukhadze A.A, Urutskoev L.I. Effects of atomic electrons on nuclear stability and radioactive decay Ann. Fond. L.de Broglie, 2004. v.29, Hors Serie 3, p. 1207–1217

28. Finley J. P. Report on the tornado of May 29 and 30, 1879 in Kansas, Nebraska, Prof. Paper of the signal Service, N 4, 1881, 116p.

29. Flora S. D. Tornadoes of the United States. Oklahoma, 1953, 194p.

30. Forrest S.R., Witten Т.A.// J. Phys. Ser. A, 1979, v.12, p.L109

31. Fujita T. A detailed analysis of the Fargo tornadoes of June, 1957, Res. Pap., Nо 42 Weather Bur. Unit. Stat., 1960, 67p.

32. Glaser A.H. The structure of tornado vortex according to observation data. Cumulus Dynamics. Proceedings of the First Conference on Cumulus Convection, Portsmouth. 19-22 May, 1959

33. Granqulst C.G., Buhrman R.A.// Appl. Phys. 1976, v.47, p.2200

34. Hall R. S. Inside a Texas tornado. Watherwise, v4, №3, 1951, p.54-57

35. Hardin J.C. The velocity field induced by a helical vortex filament// Phys. Fluid. v.25(11), November 1982.

36. Hayes M.W. The tornado of October 9, 1913 at Lebanon, Kansas, Monthly Weather Rev. v.1913, p.1528

37. Hill R.D. Determination of Charges Conducted in Lightning Strokes// J. Geophys. Res. 1963, v.68, p.1365-1374.

38. Humphreys M.J.// Proc. Am. Phil. Soc. 1936, v.76 p.613

39. Hurd A.J., Shaefer D.A., Martin I.E.// Phys. Rev. Ser. A. 1987, v.35, p.236

40. Iribarne J.V., Cho H.R. Atmospheric Physics.- Dordrecht, Holland: Reidel, 1980

41. Israel H., Atmospheric Electricity.- Jerusalem: Keter Press Binding, 1973

42. Jones H. L. The tornado pulse generator. Weatherwise, 1965, v.18, №2, p.78-79

43. Jung M. at al. Phys. Rev. Lett., 69, №15, 2164 (1992)

44. Justice A.A. Seeing the inside of a tornado. Monthly Weather Rev. v..8, 1930, p.57-58

45. Kantor Y., Witten T.A.// J. de Phys, 1984, v.45, p.L675

46. Keul A.G., Schwarzenbacher K.// Science of Ball Lightning/ Ed. Y.H. Ohtsuki.- Singapore a.o.: World Scientific, 1989.- p.58

47. Keul A.G.//Naturwissenschaften, 1981, Bd 68, s.296

48. Kirk T. H. and Dean D. T. J. Report on a tornado at Malta, 14 October 1960, Met. Off. Geophys. Mem. Nо 107, 1963, 26 pp.

49. Klepper O. et al.// Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. B70, 427, (1992)

50. Kosarev Е.L, Zatzepin V.G., Mitrofanov A.V.// J. Geophys. Res. 1970, v.75, p.7524

51. Lal D., Narasappaya N., Zutshi P.K., Nucl. Phys., v.3, 1957, p.69.

52. Mandelbrot B.B. Fractal Geometry of Nature.- San Francisco: Freeman, 1982

53. McLain I.H. Pyrotechnics.- Philadelphia: Franklin Ins-t, Press, 1980

54. McNally J.R., Preliminary report on ball lightning.- Oak Ridge: Nat. Lab. №3938, Мау 1966

55. Mortley W.S.// New Scientist, 1973, v.57 p.42

56. Niklasson G.A. et al.// Phys. Rev. Lett. 1988, v.60, p.1735

57. Ohtsuki Y.H., Ofuruton H.// Nuovo Cimento. Ser С. 1986, V.106, p.577

58. Ohtsuki Y.H., Ofuruton H.// Proc. of the 9th Intern. Wroclaw Symposium on Electromagnetic Compatibility.- Wrozlaw, 1988, p.27

59. Powell I.R., Finkelstein D.// Amer. Scientist, 1970, v.58, p.2318

60. Prentice S.A.// Lightning/Ed. R.H. Golde, London: Academic Press, 1977, 465p.

61. Ratis Yu.L. Ball lightning as macroscopic quantum phenomenon, Universidad Politecnica de Valencia, Editorial UPV, Ref. 2005.2538, 112 p.

62. Rayle W.D. Ball lightning characteristics NASA Tech. Note NASA-TN-D3138,1966

63. Rossmann F. The physics of tornado Cumulus Dynamics. Proceedings of the First Conference on Cumulus Convection Held at Portsmuth, New Hompshire, 19-22 May 1959

64. Shah G.N., Razdan H., Bhat C.L., Ali Q.M. Neutron generation in lightning bolt// Nature, 1995, v.313, № 6005, p.773-775

65. Shimizu Т., Fireworks: the Art, Science, and Technique.- Tokyo: Maruzen Co., 1981

66. Silberg Р.A.// Аррl. Phys. 1978, v.49, p.1111

67. Silberg Р.A.//Problem of Atmospheric and Space Electricity/Ed. S.C. Corotini.- Amsterdam: Elsevier, 1965

68. Smirnov B.M. Phys. Rep. 1987, v.152, p.177

69. Takahashi K. and Yokoi K., At. Data Nucl. Data Tables 36, 375 (1987)

70. Takahashi K. and Yokoi K., Nucl. Phys. A404, 578 (1983).

71. Takaki R. Hussain A. K. M. F. The Phys. Fluids.- 1984, v. 27, No 4

72. Ter Haar// Phys. Scripta, 1989, v.39, p.735

73. Vonnegut B. and Meyer J. R. Luminous phenomena accompanying tornadoes Weather-wise, v.19, №2, 1966, p.66-68

74. Weitz D., Oliueria M.// Phys. Rev. Lett. 1984, v.54, p.1433

75. Wobus H. B. Tornado from cumulo-nimbus// Bull. Amer. Met. Soc. v.21, Nо 9, 1940, pp.367-368

76. Авраменко Р.Ф. Будущее открывается квантовым ключом, -М.: Химия, 2000, 351 с.

77. Акимов А.Е., Тарасенко В.Я. Модели поляризованных состояний физического вакуума и торсионные поля// Изв. вузов. Физика.-1992, №3, с.13-23

78. Аланакян Ю.Р. Водородная шаровая молния // ДАН 2002, т.385, №6, с.750-753

79. Александров В. Я., Подмошенский И.В.// Письма в ЖТФ, 1988, т.14, с.639

80. Александров В.Я., Голубев Е.М., Подмошенский И.В.// ЖТФ, 1982, т.52, с.1987

81. Андрианов А.М., Синицын В. Л.// ЖТФ, 1977, т.47, с.2318

82. Араго Ф. Гром и молния// Пер, с франц. - СПб., 1853

83. Базелян Э.М., Райзер Ю.П. Механизм притяжения молнии и проблема лазерного управления молнией// УФН, 2000, т.170, №7, с.753-769.

84. Базелян Э.М., Райзер Ю.П. Физика молнии и молниезащиты. М.: Физматлит 2001, 320с.

85. Барри Дж. Шаровая молния и четочная молния// Пер, с англ.-М.: Мир, 1983

86. Барри Дж.// Природа. 1968, №12, с.62

87. Баткин И.С., Изв. Акад. Наук СССР, сер. Физ., 40, 1279 (1976)

88. Баткин И.С., Смирнов Ю.Г. ЭЧАЯ, 1980, т.11, с.1421

89. Биберман Л.М., Норман Г.Э.// ТВТ, 1969, т.7, с.822

90. Бьёркен Дж.Д., Дрелл С.Д. Релятивистская квантовая теория, Т.1, М.: Наука, 1978, 295с.

91. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей.- М: Наука, 1972

92. Василяк Л.М., Верещагин И.П., Глазков В.В. и др. Исследование электрических разрядов вблизи искусственно заряженного аэрозольного облака и их взаимодействие с лазерной искрой. ТВТ, 2003, т.41. №2, с. 200-210.

93. Войцеховский Б.Б.// ДАН СССР, 1982, т.262, с.84

94. Войцеховский Б.В., Войцеховский Б.В. Природа шаровой молнии// Доклады АН СССР, 1974, т.218, № 1

95. Гайдуков Н.И.// ДАН СССР, 1988, т.301, с.1076

96. Гайдуков Н.И.// ЖТФ, 1986, т.56, с.1797

97. Гайдуков Н.И.// ЖТФ, 1987, т.57, с.1899

98. Гайдуков Н.И.// ЖТФ, 1989, т.59, с.88

99. Гареев Ф.А., Жидкова И.Е., Ратис Ю.Л. Влияние возбуждения и ионизации атомов на скорости ядерных процессов при низких энергиях, Препринт ОИЯИ, Р4-2004-68, Дубна, 2004, 47 с.

100.Гезехус Н.А. О шаровой молнии. СПб., 1898.

101.Григорьев А. И., Дмитриев М.Т.// Изв. Вузов СССР. Сер. Физика, Депон. 1978, № 1412,2280; 1979; № 29, 296

102.Григорьев А.И., Григорьева И.Д.// Труды 3-го Всесоюзного симпозиума по атмосферному электричеству.- Тарту: Тарт. гос. ун-т, 1986, с.22

103.Григорьев А.И., Григорьева И.Д.// ЖТФ 1989 Т.59, с.79

104.Григорьев А.П., Синкевич О.Л.// ЖТФ, 1984, т.54, с.1276

105.Григорян С.С. О механизме возникновения шаровой молнии// ДАН 2002, т.385, №6, с.747-749

106.Дмитриев А.Н.// Космоземные связи и НЛО, Новосибирск, Триза, 1996

107.Дмитриев А.Н., Похолков Ю.П., Протасевич Е.Т., Скавинский В.П.// Плазмообразование в энергоактивных зонах, Новосибирск, ОИГГМ СО РАН, 1992, 212с

108.Дмитриев М.Т. Природа шаровой молнии//Природа, 1967, №6, с.98–106

109.Дмитриев М.Т., Бахтин Б.И., Мартынов В.Я.//ЖТФ, 1981, т.51, с.2567

110.Дмитриев М.Т., Дерюгин В.М., Калинкевич Г.А.// ЖТФ, 1972, т.42, с.2187

111.Дятлов В.Л. Линейные уравнения макроскопической электрогравидинамики. Москва, 1995, 24 с. (Препринт / Международный институт теоретической и прикладной физики; №11).

112.Дятлов В.Л. Дмитриев А.Н. Модель неоднородного физического вакуума и природные самосветящиеся образования, Новосибирск, 1996, 34с. (Препринт Института математики СО РАН, №16).

113.Дятлов В.Л. Поляризационная модель неоднородного физического вакуума. Новосибирск, Издательство института математики, 1998, 183с.

114.Егоров А.И., Степанов С.И. Долгоживущие плазмоиды – аналоги шаровой молнии, возникающие во влажном воздухе// ЖТФ, 2002, т.72, В12, с.102-104.

115.Завершинский И.П., Коган Е.Я., Сорока А.М., Об одном механизме развития пробоя в газе в подпороговом ВЧ- поле, Известия вузов, №8, 1989, с.55-59

116.Зельдович Я.Б.// ЖЭТФ, 1937, т.7, с.1463

117.Имянитов И.М., Тихий Д.Я. За гранью законов науки.- М.: Атомиздат, 1980

118.Капица П.Л. О природе шаровой молнии// ДАН СССР, 1955, т.101, № 2, с. 245-248.

119.Капица П.Л.// ЖЭТФ, 1969, т.57, с.1801

120.Карапетьянц М.X., Карапетьянц М.Л. Основные термодинамические константы неорганических и органических веществ.- М.: Химия, 1968

121.Козлов О.В. Электрический зонд в плазме. М.: Атомиздат, 1969. 292с.

122.Колосовский О.А. Исследование следа шаровой молнии на оконном стекле// ЖТФ, т.L1, 1981, с. 856-858

123.Косарев Е.Л., Зацепин В.Г., Митрофанов А.В.// ЖТФ, 1971, т.41, с.315

124.Косарев Е.Л., Сережкин Ю. Г.// ЖТФ, 1974, т.44, с.364

125.Кравцов В.А. Массы атомов и энергии связи ядер// М.: Атомиздат, 1974, 343 с.

126.Крайнов В.П., Лебедев Г.П., Назарян А.О., Смирнов Б.М.// ЖТФ, 1986, т.56, с.1791

127.Крайнов В.П., Смирнов Б.М., Шматов И. Я.// ДАН СССР, 1985, т.283, с.361

128.Кулик П.П., Норман Г.Е., Полак Л.С. Химические и физические кластеры// Химия высоких энергий, 1976, т.10, № 3

129.Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Релятивистская квантовая теория, т.4, ч.2, М.: Наука, 1971, 287 с.

130.Леонов Р. Загадка шаровой молнии.- М.: Наука, 1965

131.Лихошерстных Г. // Техника - молодежи. 1983, №3, с.138

132.Маханьков Ю.П. Условия образования шаровой молнии. НиТ, 2000.

133.Наливкин Д. В. Ураганы, бури, смерчи. Наука, Ленинград, 1969, 488 с.

134.Натяганов В.Л. Электрокапиллярно-вихревая модель шаровой молнии// ДАН 2003, т.390, №6, с.769-772

135.Неменов Л.Л. ЯФ, 31, Вып. 1, 1980, с.221

136.Нефёдов А.П., Петров О.Ф., Молотков В.И. и др. Возникновение жидкостных и кристаллических структур в пылевой плазме. Письма в ЖЭТФ, 2000, т.72, В4, с.313-326

137.Носков Н.К. Физическая модель шаровой молнии. НиТ, 1999.

138.Пудовкин А. К. Шаровая молния в новосибирском Академгородке // УФН, 1996, т.166, №11, с.1253-1254

139.Ратис Ю.Л. Модель шаровой молнии с учетом процессов диффузии и переноса, Естествознание. Экономика. Управление. Сб. науч. трудов. Вып. 4. СГАУ, ИСОИ РАН, Самара, 2003, с.3-8.

140.Ратис Ю.Л. Experimentum crucis для выяснения физической природы шаровой молнии, Естествознание. Экономика. Управление. Специальный выпуск. Самара, СГАУ, 2003, с. 24.

141.Ратис Ю.Л. Оценка критических параметров паров радиофосфора и . Естествознание. Экономика. Управление. Сб. науч. трудов, Спец. выпуск. Самара, СГАУ, 2003, С.17.

142.Ратис Ю.Л. Торнадо как коллективный вторичный эффект при бета-распаде ядер радиофосфора, Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика С.П. Королева, Материалы Второй летней школы молодых ученых по дифракционной оптике и обработке изображений, Изд-во СГАУ, Самара, 2004, 9 с.

143.Ратис Ю.Л. Тунгусский феномен как результат субатомной реакции, Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика С.П. Королева, Материалы Второй летней школы молодых ученых по дифракционной оптике и обработке изображений, Изд-во СГАУ, Самара, 2004, 3 с.

144.Ратис Ю.Л. Формирование облаков паров радиофосфора и нелинейная диффузия, Естествознание. Экономика. Управление. Сб. науч. трудов. Вып.4, СГАУ, ИСОИ РАН, Самара, 2003, с.9-15.

145.Ратис Ю.Л. Шаровая молния как макроскопическое квантовое явление, Самара, Изд-во СНЦ РАН, 2004, 132 с.

146.Ратис Ю.Л. Шаровая молния как макроскопическое проявление b- распада ядер радиоактивного фосфора в связанное состояние, Естествознание. Экономика. Управление. Сб. науч. трудов. Спец. выпуск. Самара, СГАУ, 2003, с.4

147.Ратис Ю.Л., Шаровая молния как макроскопическое проявление b- распада ядер радиоактивного фосфора в связанное состояние, Компьютерная оптика, вып. 25, Самара - Москва, 2003 г. с.5-10

148.Ратис Ю.Л., Шаровая молния как макроскопическое проявление b- распада ядер радиоактивного фосфора в связанное состояние, Препринт ОИЯИ, Р4-2004-67, Дубна, 2004, 16 с.

149.Ратис Ю.Л., Шаровая молния как макроскопическое проявление b- распада ядер радиоактивного фосфора в связанное состояние// Письма в ЭЧАЯ №6 (129), с. 64, ОИЯИ, Дубна, 2005, Ratis Yu.L., Physics of Particles and Nuclei, vol. 2, No. 6, 2005, pp.374-383.

150.Резуев К.В. Шаровая молния. НиТ, 2002

151.Рухадзе А.А., Уруцкоев Л.И., Филиппов Д.В. Краткие сообщения физики (1) 5 (2004) Бюллетень Физического института РАН им. П.Н. Лебедева (1) 1 (2004).

152.Савватимова И.Б., Карабут А.Б. Радиоактивность палладиевых катодов после облучения в тлеющем разряде// Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, №1, 1996

153.Селинов И.П. Изотопы, n.1, М:. Наука, 1970, 623 с.

154.Сивухин Д.В., Общий курс физики, т.3., Электричество, М.: Наука, 1977, 687 с.

155.Сингер C. Природа шаровой молнии. М.: Мир, 1973, 239 с.

156.Смирнов Б. М. Проблемы шаровой молнии. - М.: Наука, 1988.

157.Смирнов Б. М.// Природа, 1987, № 2, с.15

158.Смирнов Б. М.// Химия плазмы, 1976, Вып. 4, с.191

159.Смирнов Б.М. Возникновение шаровой молнии//Доклады АН СССР. 1976. Т. 226. № 4

160.Смирнов Б.М. Загадка шаровой молнии.- М.: Знание, 1987.- (Новое в жизни, науке и технике. Сер. «Физика», № 5)

161.Смирнов Б.М.// УФН, т.160, вып. 4, 1990, с.1

162.Смирнов Б.М.// УФН, 1975, т.116, с.732

163.Смирнов Б.М.// УФН, 1986, т.149, с.177

164.Смирнов Б.М.// УФН, 1987, т.152, с.133

165.Стаханов И.П. О физической природе шаровой молнии. М.: Энергоатомиздат, 1985. 209 с.

166.Стаханов И.П. Физическая природа шаровой молнии.- М.: Атомиздат, 1979

167.Стаханов И.П. Фотографирование шаровой молнии «Наука и жизнь»,- 1989, №9,с. 66-72

168.Стаханов И.П.// ЖТФ, 1987, т.54, с.1538

169.Стекольников И.С.// Молния/ Физический энциклопедический словарь. М., 1963

170.Таланов В.И. Стимулированная диффузия и кооперативные эффекты в распределенных кинетических системах // Нелинейные волны. Самоорганизация. Сборник трудов ИПФ АН СССР, М.: Наука, 1983, 264 с.

171.Темников А.Г., Орлов А.В., Кошелев М.А.. Формирование электрического поля в искусственном облаке заряженного водного аэрозоля. Сб. тр. 5-ой Российской конф. по атмосферному электричеству. Владимир. 21.09.-26.09. 2003. т.2, с.98-101

172.Торчигин В.П. О природе шаровой молнии// ДАН, 2003, т.389. №1, с.41-44.

173.Фарадей М. История свечи.- М.: Наука, 1980

174.Федосин С.Г., Ким А.С. Шаровая молния: электронно-ионная модель. НиТ, 2000.

175.Фрике И. Аэрогели// В мире науки. 1988, №8, с.50.- (Пер. с англ.: Sci. Amer. 1988, v.288, №5)

176.Хафизов Р.У. Письма в ЭЧАЯ 2001 №5 [108], с.45-53

177.Чинарёв И.П. Подходы к объяснению шаровой молнии. НиТ, 1999

178.Шабанов Г.Д. Оптические свойства долгоживущих светящихся образований. Сб. трудов 3-ей междунар. конф. «Естественные и антропогенные аэрозоли». СПб. 24.09.-27.09. 2001. с.368-370. Сокр. вариант в Письмах в ЖТФ 2002, т.28, В4, с.81-86.

179.Шабанов Г.Д., Жеребцов О.М. Экспериментальное моделирование аналога шаровой молнии. Сб. Трудов 10-ой Российской конф. по ХТЯ и ШМ. Дагомыс, Сочи 29.09.-6.10.2002, с.285-301

180.Шабанов Г.Д., Жеребцов О.М. Электрические свойства автономных долгоживущих светящихся образований. Представлено на 11ой Российской конф. по ХТЯ и ШМ. Дагомыс, Сочи, 28.09.-05.10. 2003. Тезисы с. 16-17.

181.Шабанов Г.Д., Жеребцов О.М. Электрический разряд в воздушное полупространство. Оптический журнал 2004. т.71, №1, с.6-8. Сокр. Вар. в «New Energy» 2003. №2. P.8-10.

182.Шабанов Г.Д., Жеребцов О.М. Электрический разряд в воздушное полупространство. Сб. трудов 5-ой Российской конф. по атмосферному электричеству. Владимир. 21.09.-26.09. 2003, т.1. С.279-282.

183. Шабанов Г.Д., Степанов С.И., Егоров А.И, Долгоживущие светящиеся плазмоиды, возникающие при электрическом разряде во влажном воздухе. Сб. трудов 5-ой Российской конф. по атмосферному электричеству. Владимир. 21.09.-26.09, 2003, т.2. с.117-120

184. Шидловский А.А. Основы пиротехники.- М.: Машиностроение, 1973

185. Юсупалиев У., Анисимова Е. П., Маслов А.К., Шутеев С.А. К вопросу о формировании и геометрических характеристиках смерча. ч.1, Прикладная физика, 2001, № 1, с.56-61

Интернет-ссылки

1. Ball Lighting Links. http://www.mysteries-megasite.com/.

2. Ball lightning page. http://www.eskimo.com/.

3. Unusual research: Ball Lightning. http://www.unusualresearch.com/.

4. Алеманов С.Б. Природа элементарных частиц и полей. http://www.comail.ru/, 2002.

5. Кравец В.Н. Шаровая молния без секретов! http://praonics.narod.ru/, 2000.

6. Марколия А.И., Попов А.Ф. Физика шаровой молнии. http://popovsfti.narod.ru/, 2002.

7. Новая теория шаровых молний http://grani.ru/Society/Science/m.45129.html

8. Троицкий O.А. Молнии – оружие богов http://rusnauka.narod.ru/, 1998

9. Федосин С.Г., Ким А.С. Электронно-ионная модель шаровой молнии, http://www.laboratory.ru/, 2001.

10. http://subscribe.ru/archive/rest.mystery.ufodigest/200101/18120517.html

11. http://www.mccme.ru/

12. Rantsev-Kartinov V.A. http://www.arxiv.org/ftp/physics/papers/0401/0401139.pdf

13. Rantsev-Kartinov V.A. http://130.246.71.128/pdf/O5_08.pdf.

Приложение 1.

Рассмотрим интеграл

(п1.1)

Выполняя интегрирование по , мы приходим к выражению (п1.2)

, (п1.2)

из которого немедленно следует, что

. (п1.3)

Вычислим вспомогательный интеграл

(п1.4)

В процессе получения соотношения (п1.4) мы вычислили еще один вспомогательный интеграл

. (п1.5)

Несколько сложнее обстоит дело со вторым вспомогательным интегралом

. (п1.6)

Дело в том, что в процессе его вычисления мы сталкиваемся с проблемой обхода полюса в точке . Однако, в силу того, что функция нечетна, интеграл (п1.6) необходимо вычислять в смысле главного значения.

Поэтому, повторяя цепочку преобразований (п1.4), получаем

(п1.7)

Согласно соотношению (п1.2)

. (п1.8)

Из (п1.8) вытекает, что

. (п1.9)

В процессе вычисления коэффициента мы использовали следующую цепочку преобразований:

. (п1.10)

Таким образом, мы получаем численное значение коэффициента

. (п1.11)

Приложение 2

Прикладная физика, 2001, № 1, с. 56-61

К вопросу о формировании и геометрических характеристиках смерча

Часть 1

У. Юсупалиев, Е.П. Анисимова, А.К. Маслов, С.А. Шутеев

Московский государственный университет, Москва, Россия

В серии работ, объединенных одним названием, смерч рассматривается как центральное ядро торнадо-циклона, который возникает в конвективной ячейке грозового облака под действием вертикального сдвига ветра в условиях неустойчивой стратификации нижнего слоя тропосферы. Торнадо-циклон рассматривается как квазидвумерная структура [1]. В первой части предложена физическая модель процессов, приводящих к образованию смерча, и показана недостаточность скрытой теплоты конденсации для формирования столь интенсивного атмосферного вихря. В приближении “линейного годографа”, развитом в работах [2, 3], исследована роль сдвига ветра в интенсификации вращения конвективных структур в вязкой несжимаемой атмосфере.

Смерч (торнадо, тромб) представляет собой атмосферный вихрь малой горизонтальной протяженности (характерный радиус 50-300 м, реже до 1 км) и большой интенсивности. Он возникает в конвективной ячейке, связанной с грозовым облаком, и имеет вид спускающейся из облака воронки (серии воронок, столба и т. д.). Воронка заполнена воздухом, медленно движущимся вниз. Ее поверхность является почти изобарической [4]. Смерч сопровождается грозой, дождем, градом, и если воронка достигает земли, то вызывает значительные разрушения. Торнадо делятся на: слабые - со скоростью ветра до 50 м/с (около 70 % всех торнадо); сильные - со скоростью ветра от 50 до 100 м/с (около 28 %); и неистовые - со скоростью ветра свыше 100 м/с (~ 2 %). В сильных и, возможно, в неистовых торнадо восходящий поток поднимается, вращаясь в тонком слое, охватывающем воронку. По некоторым оценкам, скорость ветра в торнадо может превышать скорость звука [5]. Высота смерча обычно составляет 800-1500 м. Давление в ядре смерча на 10-15 % ниже, чем на его периферии.

Смерч обычно возникает перед холодным фронтом [6] и движется примерно в том же направлении, что и фронт, со скоростью несколько десятков метров в секунду (до 60), проходя за несколько часов своего существования 40—60 км (до 300 [1]).

В процессе своего возникновения и формирования смерч связан с циклоном мезомасштаба, т. н. торнадо-циклоном [1, 7-9] с радиусом 5-25 км, тангенциальной скоростью 15—25 м/с и завихренностью в окрестности смерча порядка 10^-2 с^-1. Смерч обычно образуется вблизи оси вращающегося торнадо-циклона в области между восходящими и нисходящими потоками в тыловой части грозовой ячейки [7].

Сейчас не вызывает сомнений роль вертикального сдвига ветра в формировании атмосферных вихрей [3, 10, 11].

Различные сценарии образования смерча, связанные с изломом первоначально горизонтальных вихревых трубок в восходящем потоке с последующим вытягиванием вихря, рассмотрены в [7-9, 12]. В работе [11] исследуется роль спиральности в устойчивости торнадоподобных вихрей, в [13] - влияние конденсации влаги на рост спиральности, в [14] - формирование интенсивного смерча из первичного торнадо-циклона и его устойчивость объясняется исходя из концепции турбулентного динамо. В работах [15-17] исследуется связь интенсификации атмосферных вихрей с асимметрией окружающего потока.

Большое количество работ и разнообразие теоретических подходов не разрешают, однако, всех сомнений о роли различных физических процессов в механизме образования и самоподдержания смерча. Натурные исследования смерчей [5, 12, 18-21] осложняются, во-первых, большим разнообразием атмосферных вихрей и условий их возникновения, что затрудняет анализ экспериментальных данных, и, во-вторых, относительно малыми пространственными размерами смерча, что не позволяет надежно разрешить структуру восходящих и нисходящих потоков.

В работе предложена простая физическая модель взаимодействия различных процессов, приводящих к формированию смерча; проведен ряд оценок в приближении вязкой несжимаемой атмосферы. Отдельные детали этой модели рассматривались в [7, 18-26].

Последовательность процессов, приводящих к образованию торнадо в условиях неустойчиво стратифицированной атмосферы, в данной работе рассматривается следующим образом. Пусть в зоне влияния активного холодного фронта [6] сложилась сильно неравновесная стратификация тропосферы: более холодные и сухие воздушные массы оказались над более теплыми и влажными [7], и пусть интенсификация вращения в конвективной системе грозового облака в результате сдвига ветра [3, 9, 10] привела к возникновению мезоциклона и падению давления в его приосевой области, связанному с действием центробежных сил. Понижение давления, в свою очередь, приводит, с одной стороны, к проседанию холодного воздуха (проседание верхушки облака, порождающего смерч, начинающееся за несколько минут до образования смерча, и опускание облачных башен, когда торнадо-циклон достигает основания облака, отмечено в [8]), а с другой стороны — к развитию процессов конденсации влаги в приосевой части мезоциклона. Эти процессы приводят к увеличению сил плавучести [4] вблизи образовавшейся воронки и усилению конвекции. Включается также механизм “конвекции второго рода” [27], когда относительно холодный воздух периферии мезоциклона вытесняет вверх нагревающийся в результате конденсации воздух в приосевой части. Интенсификация конвекции, в свою очередь, увеличивает горизонтальную конвергенцию и восходящий поток, что вызывает усиления вращения в центре мезоциклона как за счет адвекции завихренности к оси [28], так и за счет механизма растяжения вихревых линий [29]. Горизонтальные размеры мезоциклона значительно больше вертикальных, поэтому вне зарождающегося смерча его можно рассматривать как квазидвумерную структуру [1, 30], в которой завихренность (ротор скорости) сохраняется, поток же в области зарождающегося смерча существенно трехмерен, поэтому там возможна генерация завихренности [29]. Таким образом, интенсификация вращения ведет к понижению давления, а понижение давления - к дальнейшей интенсификации вращения. Замыкается первый виток положительной обратной связи.

В результате понижения давления увеличивается глубина проседания холодного воздуха. Когда столб холодного воздуха достигает поверхности земли, включается торцевой эффект [31]: вдали от поверхности радиальный градиент давления уравновешивается центробежными силами:

здесь - давление; - плотность воздуха; - азимутальная компонента скорости; мы пренебрегли адвекцией радиального потока и силами диссипации в сравнении с центробежными силами, а на поверхности, в результате действия вязкости, .

Вследствие теоремы Тейлора-Праудмена [32, 33], условия которой выполнены для мезоциклона, радиальный градиент давления не зависит от высоты. В результате возникает радиальный поток, направленный к оси вращения, скорость которого обеспечивает появление на поверхности сил трения, компенсирующих ослабление центробежных сил.

Так возникает второй виток положительной обратной связи, приводящей к формированию смерча. Рост радиального потока за счет торцевого эффекта увеличивает концентрацию завихренности и восходящий поток. Это приводит к понижению приосевого давления и, следовательно, к усилению торцевого эффекта. Торнадо-циклон претерпевает “коллапс” [23], в результате которого у него образуется ядро, вращающееся с большой угловой скоростью, радиус которого на два порядка меньше радиуса торнадо-циклона. Но так как сдвиг ветра продолжает влиять на конвективные процессы в ячейке облака, то и после формирования смерча торнадо-циклон продолжает существовать. При этом соотношение между торнадо-циклоном и смерчем такое же, как между тропическим циклоном и “глазом бури” [25, 26]: торнадо-циклон поставляет смерчу теплый влажный воздух, а смерч играет роль тепловой машины, преобразующей тепло конденсации в кинетическую энергию воздушных потоков. Источниками энергии для смерча и торнадо-циклона служат скрытая теплота конденсации и энергия неоднородного внешнего потока.

В работах [7, 13, 14] подчеркивалась принципиальная роль выделения скрытой теплоты конденсации в смерчеобразовании. Рассмотрим вопрос о том, достаточно ли этой энергии для формирования смерча. Пусть на кг воздуха конденсируется г влаги (примерная разница между насыщением при температуре °С и давлении Па и насыщением при температуре °С и Па - давление на границе воронки и на высоте км). Поскольку теплота парообразования МДж/кг, теплоемкость воздуха при постоянном давлении кДж/(кг×К), то выделится кДж/кг, а воздух нагреется на °С. Оценивая КПД тепловой машины по формуле Карно , получаем, что кинетическая энергия в смерче не может превышать кДж/кг, что соответствует скорости м/с. (Доля выделившейся энергии конденсации, переходящая в кинетическую энергию восходящих потоков, оценивается в работах [7, 14, 34]. Более детальная оценка доли тепла, переходящей во вращательную энергию, дана в работе [22]). Даже при такой значительной разнице между температурами воздушных масс и явно завышенном КПД преобразования тепловой энергии в кинетическую, модель, в основе которой лежит положение о том, что скрытая теплота является основным источником энергии смерча, не описывает 30 % всех смерчей. Кроме того, следует учитывать, что многие торнадо приходятся не на летнее время, т.е. , и, следовательно, отношение смеси (влагосодержание) теплой воздушной массы будет значительно меньше.

Таким образом, мы приходим к выводу, что для формирования торнадо необходим дополнительный (кроме скрытого тепла конденсации) источник энергии. Очевидно, что больше всего на эту роль подходит неоднородность основного потока.

Для иллюстрации отклика конвективных систем на рост ветра с высотой (вертикальный сдвиг ветра) [3, 10] рассмотрим эволюцию завихренности жидкой частицы, движущейся в зоне втока восходящего конвективного потока. Динамику завихренности будем исследовать в приближении линейного годографа [3, 7], суть которого состоит в том, что соленоидальное возмущение скорости рассматривается на фоне стационарной потенциальной компоненты, а производные потенциальной компоненты скорости в пределах зоны втока слабо зависят от координаты. В этом приближении уравнение завихренности в несжимаемой жидкости примет вид [3]

(1)

где - завихренность, понимаемая как вектор-столбец; - тензор скоростей деформации. Последний член в (1) качественно учитывает влияние вязкости [11]; , где - кинематическая вязкость; - характерный размер конвективной системы, будем также считать константой. Точкой обозначена лагранжева производная по времени.

В простейшем случае (в отсутствие сдвига ветра) тензор скоростей деформации с учетом несжимаемости будет иметь вид

(2)

здесь , _. К вопросу о формировании в зоне втока их естественно считать положительными; - горизонтальная конвергенция.

Очевидно, условие устойчивости траектории (1) с тензором (2) имеет вид , а условие стационарности завихренности в зоне втока

. (3)

В этом случае -я и -я компоненты завихренности затухают с декрементами и , соответственно, а вертикальная компонента не изменяется.

Теперь пусть -я компонента скорости меняется с высотой с постоянным вдоль втока градиентом . Теперь тензор скоростей деформации приобретет вид

. (4)

Решая (1) с тензором скоростей деформации, определяемым (4), и начальными условиями , получаем

При выполнении условия или

(5)

вертикальная и -я компоненты завихренности экспоненциально растут со временем, а при выполнении условия (3), (5) выполняется при любом , не равном нулю.

Таким образом, вертикальный сдвиг ветра может быть вполне реальным претендентом (вместе со скрытой теплотой конденсации) на роль основного источника энергии для формирования и самоподдержания смерча.

Литература

1. Должанский Ф. В., Крымов В. А., Манин Д. Ю. Устойчивость и вихревые структуры квази- двумерных сдвиговых течений//УФН. 1990. Т. 160. Вып. 7. С. 1—47.

2. Петерсен С. Анализ и прогноз погоды. — Л.: Гидрометеорологическое изд-во, 1961. — 652 с.

3. Девис-Джонс Р. П. Наблюдательные и теоретические основы торнадогенеза//Интенсивные атмосферные вихри. — М.: Мир, 1985. С. 198—215.

4. Скорер Р. Аэрогидродинамика окружающей среды. — М.: Мир, 1980. — 552 с.

5. Наливкин Д. В. Смерчи. — М.: Наука, 1984. — 112 с.

6. Хргиан А. Х. Физика атмосферы. — М.: Изд-во МГУ, 1986. — 328 с.

7. Писниченко Е. А. Роль фазовых переходов влаги в процессе образования смерчей//Изв. РАН. Сер. Физика атмосферы и океана. 1993. Т. 29. № 6. С. 793—798.

8. Симпсон Дж. Вращение в кучевом облаке: модель и данные наблюдений в облачной системе, порождающей смерч//Интенсивные атмосферные вихри. — М.: Мир, 1985. С. 183—197.

9. Лилли Д. К. Развитие и поддержание вращения в конвективных штормах//Там же. С. 169—182.

10. Lilly D. K. The structure, energetic and propagation of rotating convective storms. Part I: Energy exchange with mean flow//J. Atm. Sci. 1986. V. 43. № 3. P. 113—125.

11. Lilly D. K. The structure, energetic and propagation of rotating convective storms. Part II: Hellicity and storm stabilization//Ibid. P. 126—140.

12. Barnes S. L. Some aspects of severe, right moving thunderstorm deduced from mesonetwork rawinsonde observations//Ibid. 1970. V. 27. № 4. Р. 643—648.

13. Курганский М. В. Генерация спиральности во влажной атмосфере//Изв. РАН. Сер. Физика атмосферы и океана. 1993. Т. 29. № 4. С. 464—469.

14. Курганский М. В. Генерация завихренности во влажной атмосфере//Там же. 1998. Т. 34. № 2. С. 175—181.

15. Матвеев Л. Т., Солдатенко С. А. Двухмерная гидродинамическая модель процессов вихреобразования в бароклинной атмосфере//Там же. 1994. Т. 30. № 1. С. 437—442.

16. Матвеев Л. Т., Матвеев Ю. Л., Солдатенко С. А. Математическая модель циклогенеза при вторжении холодного воздуха//Там же. № 6. С. 725—729.

17. Nolan D. S., Farell B. F. Generalized stability analyses of asymmetric disturbances in one- and two-celled vortices maintained by radial inflow//J. Atm. Sci. 1999. V. 56. № 10. Р. 1282—1307.

18. Klemp J. B., Wilhelmson R. B. The simulation of three-dimensional convective storm dynamics//Ibid. 1978. V. 35. № 6. P. 1070—1096.

19. Klemp J. B., Wilhelmson R. B. Simulation of right- and left-moving storm produced through storm splitting//Ibid. P. 1097—1110.

20. Ulansky S. L., Garstang M. The role of surface divergence and vorticyty in the life cycle on convective rainfall. Part I: Observation and analysis//Ibid. P. 1047—1062.

21. Ulansky S. L., Garstang M. The role of surface divergence and vorticyty in the life cycle on convective rainfall. Part II: Descriptive model//Ibid. P. 1047—1062.

22. Юсупалиев У., Маслов А. К., Шутеев С. А. Тепловыделение как механизм самоподдержания закрученного потока в газе//Прикладная физика. 2000. № 1.

23. Седов Ю. Б. Коллапс кругового спирального вихря//Изв. АН. Сер. Физика атмосферы и океана. 1994. Т. 30. № 1. С. 123—124.

24. Свиркунов П. М., Калашник М. В. Эволюция вихря, вызванная стоком массы в модели мелкой воды//Там же. 1995. Т. 31. № 5. С. 725—730.

25. Chаrney J. G., Eliassen A. On the growth of the hurricane depression inflow//J. Atm. Sci. 1964. V. 21. № 1. Р. 68—75.

26. Оояма К. В. Об основных проблемах теории и моделирования тропических циклонов// Интенсивные атмосферные вихри. — М.: Мир, 1985. С. 32—47.

27. Старр В. П. Физика явлений с отрицательной вязкостью. — М.: Мир, 1971. — 260 с.

28. Новиков Е. А., Седов Ю. Б. Концентрация завихренности и спиральные вихри//Изв. АН СССР. Сер. Механика жидкости и газа. 1983. № 1. С. 15—21.

29. Бэтчелор Дж. Введение в динамику жидкости. — М.: Мир, 1973. — 760 с.

30. Данилов С. Д., Должанский Ф. В. Квазидвухмерная турбулентность и роль внешнего трения//Изв. РАН. Сер. Физика атмосферы и океана. 2000. Т. 36. № 1. С. 35—44.

31. Гольдщтик М. А., Штерн В. Н., Яворский Н. И. Вязкие течения с парадоксальными свойствми. — г. Новосибирск: Наука, 1989. — 336 с.

32. Педлоски Дж. Геофизическая гидродинамика. — М.: Мир, 1984. Т. 1. — 400 с; Т. 2. — 416 с.

33. Tritton D. J. Physical fluid dynamics. — N. Y. etc.: Van Nostand Reinhold Company, 1977. — 362 p.

34. Голицин. Исследования конвекции с геофизическими приложениями и аналогиями. — Л.: Гидрометеоиздат, 1980. — 56 с.

Авторы выражают глубокую признательность профессору Л. С. Кузьменкову за постоянное внимание к нашей работе и плодотворные обсуждения. Работа выполнена при содействии правительства Москвы в рамках Программы поддержки инфраструктуры науки в городе Москве. Грант ГА-19/9.

To matter on formation and geometrical characteristics of tornado.

Part 1

U. Yusupaliev, Y. P. Anisimova, A. K. Maslov, S. A. Shuteyev

M. V. Lomonosov Moscow State University, Moscow, Russia

In a few papers joined by one title tornado is treated like central core of tornado cyclone appearing in storm-cloud convective cell in result of vertical wind shear and unstable troposphere stratification. Tornado cyclone is considered as quasi-two-dimensional structure [1]. In the first part scenario of tornado genesis is subjected Insufficiency of the only latent heat of condensation for such intense atmospheric vortex formation is shown. The role of wind shear in intensification of convective structures rotation in viscid uncompressible atmosphere is investigated in linear godograph approximation [2, 3].

Приложение 3[73]

Русское слово "смерч" происходит от слова "сумрак", поскольку смерчи появляются из чёрных грозовых облаков, застилающих небо...

Чаще всего смерчи наблюдаются в странах с тропическим климатом (особенно в районе Мексиканского залива) в жаркую весеннюю и летнюю погоду. В России смерчи нередко появляются во время весенне-летних гроз на Черноморском побережье Кавказа. Возникают смерчи при встрече воздушных потоков с достаточно различными скоростями движения, особенно в тех частях этих потоков, где сильнее проявляется необходимое для вихреобразования трение между слоями воздуха.

Наиболее благоприятные условия для возникновения смерчей существуют в грозовых облаках, откуда эти вихри обычно и опускаются к земле. В США, где смерчи образуются примерно в 40...60 раз чаще, чем в Европе, частота их образования по месяцам года параллельна частоте образования гроз. В пустынях при сильном нагреве песчаной поверхности солнцем также возникают небольшие смерчи диаметром около 2...4 м и высотой до 0,5...1 км. В отдельных случаях такие смерчи могут существовать до 2 часов.

Смерч имеет диаметр от нескольких метров до полутора километров. Воздух в нём вращается с огромной скоростью, измерить максимальную скорость потока воздуха ещё ни разу не удавалось: приборы не выдерживают натиска стихии. По-видимому, в отдельных случаях скорость вихря достигает 300-400 километров в час. При таких колоссальных скоростях вращения возникают огромные центробежные силы, которые создают внутри вихря сильное разрежение. Именно поэтому смерч, подобно насосу, втягивает в себя песок, почву, воду, различные предметы.

При прохождении смерча над строениями они из-за разницы давления как бы взрываются изнутри. Ширина полосы разрушении может достигать нескольких километров, а длина - десятков и сотен километров. Путь смерча бывает прерывистым: это случается тогда, когда "хобот" вихря отрывается от земли, чтобы обрушиться на нее с новой силой.

Рис. п1. Грозный смерч.

Первое упоминание о смерче в России относится к 1406 году. Троицкая летопись сообщает, что под Нижним Новгородом "вихорь страшен зело" поднял в воздух упряжку вместе с лошадью и человеком и унёс так, что они стали "невидимы бысть". На следующий день телегу и мёртвую лошадь нашли висящими на дереве по другую сторону Волги, а человек пропал без вести...

Бывает, что смерч втягивает в себя огромное количество воды, которая при распаде его колонны выливается на землю единым потоком. 21 августа 1985 года близ Сочи водяным валом, пронёсшимся по речке Хобза, в море было смыто около 40 автомобилей и множество палаток с находившимися в них людьми. Накануне в этом районе почти сутки непрерывно шёл дождь, но заметного подъема уровня воды в реке не наблюдалось. Оказалось, что с моря на сушу вышел смерч. Вся содержащаяся в нём вода - несколько миллионов кубометров - пролилась в верховьях Хобзы. Образовался водяной вал высотой 5,5 метра и шириной около 150 метров, который понёсся к морю, сметая всё на своём пути.

29 июня 1904 года близ Москвы зародился разрушительный смерч. Он двинулся к Москве, становясь всё шире и шире.

Вскоре его колонна достигла ширины около 500 метров. Когда она дошла до деревни Шашино, в небо стали взлетать избы; воздух вокруг колонны наполнился обломками строений и кусками деревьев.

В это же время западнее, в нескольких километрах от первой, шла вторая колонна. Она двигалась вдоль железной дороги, пройдя через станции Подольск, Климовск и Гривно.

Обе колонны врезались в густо застроенные районы Москвы. По мере их продвижения наступала тьма; на одной из улиц столкнулись две кареты. Темнота сопровождалась страшным шумом, рёвом и свистом, заглушавшим всё вокруг. Выпал град небывалых размеров; отдельные градины, имевшие форму звезды, достигали 400-600 граммов. Прямое попадание такой градины убивало на месте, перерубало толстые ветви деревьев, срывало провода.

Разрушительная сила смерча была ужасающей. В Капотне пострадало 200 домов, в Чагино - 150; большинство из них превратилось в развалины. Главная колонна смерча пересекла Москву. Большие каменные дома устояли, но крыши везде были сорваны, стропила изломаны, а кое-где пострадал и верхний этаж. Количество жертв превышало сто человек, раненых насчитали 233.

29 мая 1981 года на литовский городок Ширвинтас надвинулась чёрная туча. Около 16.30 из неё опустился "хобот", который, извиваясь, приблизился к земле. Вот что рассказал механизатор, работавший в то время на тракторе: "Вдруг песок, земля и откуда-то взявшиеся листья и обрывки бумаги начали кружиться, подниматься вверх, сливаясь со столбом, опустившимся из черной тучи. Был слышен сильный гул. Вдруг вижу: конь пролетел по воздуху и шлепнулся на землю. Мой трактор весом восемь тонн и шестнадцатитонный прицеп начало бросать из стороны в сторону, и я вцепился в сиденье... Больше ничего не помню. Очнулся уже в больнице". Оказалось, что смерч перевернул трактор, а тракториста выбросил из кабины.

Двигаясь над рекой Ширвинта, смерч всосал в себя воду и, пронеся 200-300 метров, вылил её. Прокатившись через каменные коттеджи, смерч сорвал крыши, вырвал полы и "высосал" все вещи. Улетело все, даже мебель (те, кто не пострадал, несколько дней собирали свой скарб).

Сила смерча была невероятной. Перед ней не устояли даже современные здания маслозавода, котельной. По воздуху летали "КамАЗы" и "Кировцы", не говоря уже о легковых автомобилях. Служебный автобус смерч поднял с земли, перенёс через котельную и бросил за 300 метров; водитель, пытавшийся поставить машину в укрытие, погиб.

Во второй половине дня 9 июня 1984 года через Московскую, Калининскую, Ярославскую, Ивановскую и Костромскую области прошли смерчи чудовищной силы. Наиболее мощный смерч наблюдался в Иванове. В 15.45 близ города появилось очень темное облако с "хоботом". Напоминающий воронку выступ опускался к земле, раскачиваясь из стороны в сторону. Почти коснувшись поверхности, воронка стала быстро расширяться и всасывать в себя предметы. Нижний конец её приподнимался и вновь опускался. Было хорошо видно, что "хобот" стремительно вращается, выбрасывая на высоте втянутые в него предметы. Слышался сильный свист и гул, словно от реактивного самолета. Воронка внутри светилась, и все это напоминало кипящий котёл.

Облако, из которого опустился смерч, быстро перемещалось на север. В полосе шириной около 500 метров смерч сравнивал с землей дома, ломал и вырывал деревья, столбы, линии электропередач, сносил с рельсов вагоны. Приподнимались, многократно перевертывались и отбрасывались в сторону автомобили, автобусы, троллейбусы. Падали вывороченные с корнем ели, ломались сосны и березы, рушились дома. Бак водонапорной башни весом 50 тонн был отброшен на 200 метров в сторону.

За одно мгновение смерч превратил всё в сплошное месиво, оставив после себя трупы людей и вырванные с корнем деревья. Спаслись только те жители Иванова, кто укрылся в погребах каменных домов. Смерч начисто стёр с лица земли деревни Беляницы и Говядово. Только в городской больнице №7 были прооперированны 97 человек, еще 166 оказана первая помощь. Общее количество жертв было огромным, а точное число погибших и по сей день неизвестно.

Что же делать, если смерч застанет врасплох? Лучше всего укрыться в подвале. Если есть время, нужно закрыть двери, вентиляцию, слуховые окна. Свет и газ во избежание пожара включать не рекомендуется. Бежать от смерча невозможно, но на автомобиле можно от него уехать. При этом стоит помнить, что траектория смерча непредсказуема, как и места падения поднятых им предметов или градобития. К тому же автомобиль - хорошая мишень для молний. Лучше всего укрыться в кювете дороги, яме, рве, овраге и плотно прижаться к земле. Ещё лучше, если есть возможность, чем-то прикрыться сверху (лезть под автомобиль не рекомендуется). Ни в коем случае нельзя привязывать себя к каким-то предметам. Сцена спасения двух учёных, привязавших себя к трубам в фильме режиссёра Яна де Монта "Смерч", является полностью вымышленной.

В дополнение к этому отметим, что в США работает целая армия «охотников за торнадо». За время этой «охоты» накоплен огромный эмпирический материал. Причем иногда "охотники" встречаются с необычными, порой необъяснимыми явлениями. До сих пор многие учёные не могут взять в толк, почему после буйства вихря местные жители находят ощипанных кур! "Охотник" Джим Стивенс на разрушенной бурей ферме обнаружил металлический кувшин с оказавшимся внутри дохлым петухом! Как он туда попал, если горлышко у кувшина было очень узким?

С моей точки зрения все перечисленные «чудеса» объясняются электростатическим взаимодействием и служат весьма надежным подтверждением радиоизотопной теории торнадо.

Приложение 4

Выдержки из книги В.И. Арабаджи «Загадки простой воды»

Согласно приблизительным оценкам возраст Земли составляет около 6 млрд. лет. Около 2 млрд. лет тому назад на Земле зародилась жизнь. Существует мнение, что задержка в развитии жизни на Земле могла произойти из-за высокого уровня радиации, который господствовал на планете вскоре после ее возникновения, вследствие чего живые организмы появились лишь после значительного уменьшения радиоактивности земной коры и атмосферы.

Воды Мирового океана содержат миллиарды тонн калия, рубидия, урана, тория и радия. Естественная радиоактивность вод суши и океана в основном обусловлена радиоактивным изотопом калия (К⁴⁰). Количество радия в поверхностных водах океана составляет около 0,4·10^–10%. В глубоководных осадках центральных частей океанов радия значительно больше, чем должно быть по условиям равновесия с имеющимся в осадках ураном. Воды природных источников содержат урана от 5·10^–7 до 3·10^–5 г/л. В северных реках урана несколько меньше, в южных – больше. В бессточных водоемах засушливых районов концентрация урана может возрасти до 4·10^–2 г/л. Радиоактивность речной воды оценивается величиной порядка 10^–12 Кюри/л, озерной 10^–11 Кюри/л и морской 10^–10 Кюри/л, в то время как радиоактивность атмосферного воздуха составляет примерно 10^–16 Кюри/см³ и радиоактивность атмосферных осадков у поверхности Земли около 2·10^–11 Кюри/г (сохраняется радиоактивность осадков в течение нескольких часов, причем снег более радиоактивен, чем дождь). Выпадение осадков способствует очищению атмосферы от радиоактивных загрязнений. Наибольшее количество радиоактивных веществ содержат туманы и морось.

В высоких слоях атмосферы, при бомбардировке ядер водорода космическими лучами, образуется тяжелый изотоп водорода – радиоактивный тритий, который затем входит в состав сверхтяжелой воды Т₂О и вместе с осадками попадает на земную поверхность. Общее количество трития в водах Мирового океана составляет около 800 г, период его полураспада 12,2 года. Концентрация трития уменьшается с приближением к экватору. Когда в водах одного из подземных источников провинции Шампань (Франция) тритий не был обнаружен, ученые пришли к выводу, что в этот источник не попадала влага из атмосферы. В океанических водах трития меньше, чем в водах суши. Это обстоятельство использовано для решения вопроса о том, какая часть атмосферных осадков образовалась за счет испарения воды с поверхности океана и какая – за счет испарения вод суши. Разновидности тритиевой воды HTO, DTO и Т₂О применяются в качестве радиоактивных индикаторов влагонепроницаемости вещества.

В человеческом организме имеется около 3·10^–3 г радиоактивного калия и 6·10^–9 г радия. За счет этих веществ в теле человека ежесекундно происходит 6 тысяч бета-распадов и 220 альфа-распадов. Кроме того, в результате воздействия космических лучей в организме человека возникают искусственные радиоэлементы. Только благодаря радиоактивному углероду С¹⁴ происходит 2 500 бета-распадов в секунду дополнительно. В общем итоге в теле человека ежесекундно происходит 10 000 актов распада. Поскольку окружающий нас воздух, вода и горные породы радиоактивны, человеческий организм по уровню своей радиоактивности приспособился к радиационному фону окружающей среды.

Приложение 5

Огненные странники пространства

По материалам, размещенным на сайте http://neplaneta.ru/ognen_p3.shtml

Время от времени природа преподносит нам такие загадки, ответы на которые исследователи безуспешно ищут на протяжении столетий.

К таковым явлениям относятся и шаровые молнии - некие светящиеся сферы, которые появляются и быстро исчезают, повергая очевидцев в ужас и оторопь.

Все происходит настолько мгновенно, что свидетели подчас не успевают не то что разглядеть, но и понять - а что вообще случилось. Являются ли шаровые молнии, как когда-то предполагалось, разумными существами или, наоборот, речь идет о природном объекте, чье поведение можно объяснить с точки зрения нормальной науки?

Пока можно сказать одно: ни наука, ни паранаука, ни более или менее остроумные гипотезы и теории так до конца этот феномен и не объяснили...

Это явление известно с глубокой древности. В VI веке святой Григорий Турский присутствовал на церковной церемонии, когда вдруг в воздухе над головами священников и прихожан возник светящийся огненный шар. Согласно хроникам, его появление произвело настолько сильное впечатление, что участники службы попадали в страхе на землю. Нет ничего странного в том, что эти простые люди решили, будто произошло чудо. Поведение нынешних свидетелей появления шаровой молнии зачастую мало чем отличается от действий наших далеких предков.

Чудо это было или нет, ясно одно: церковным наблюдателям повезло больше, чем другим, можно сказать, менее квалифицированным в такого рода делах. Почему? Да по одной простой причине: благодаря репутации священников никто не отважился отмахнуться от их свидетельств, назвав их галлюцинацией или даже заведомой ложью.

А именно такова была судьба, постигшая поначалу сообщения многих других - насмешки, едкая критика, но по большей части - олимпийское равнодушие. То же самое касалось и рассказов о падении камней, объятых пламенем; возможность подобного отвергалась сентенциями знаменитостей вроде той, что изрек французский ученый Лавуазье: "Камни не могут падать с неба, потому что на небе нет камней". Кажется, не меньше прав на существование имели и огненные шары, осмелившиеся, однако, безнаказанно пронестись над головами священников весьма высокого ранга.

Говоря о квалифицированных наблюдателях - по крайней мере, с точки зрения их социальной значимости, - нельзя не вспомнить об истории, героем которой стал такой особенный человек, как Педро II Алькантарский, пробывший императором Бразилии почти пятьдесят лет. Как-то раз он оказался на заседании Французской Академии наук, посвященном рассмотрению множества свидетельств об огненных шарах, которые просыпались настоящим ливнем в 1890 году. Наблюдатели - происходившие, в основном, из крестьян - говорили, что много раз видели такие предметы. Их свидетельства включали даже рассказы о том, как шары проникали в жилища через дымоходы и окна, недолго болтались по дому, а потом покидали его, или же взрывались внутри с неистовой силой.

Рассмотрев и горячо обсудив некоторые заявления очевидцев, один из академиков пришел к безапелляционному выводу, что все эти наблюдения, как проведенные простыми селянами, не имеют никакой научной ценности. И тогда-то со своего места поднялся дон Педро, бывший почетным членом Академии, и сказал своему прославленному оппоненту, что сам видел такие шары своими собственными глазами - точь в точь такие же, как те, о которых рассказывали крестьяне!

Когда теория не согласуется с фактами

Хоть он и был императором, но, судя по всему, научные воззрения академиков лишь немного поколебались после слов дона Педро. Ведь как выразился по другому поводу некий ученый, чье имя лучше благоразумно позабыть? "Если факты не соответствуют моей теории, нужно изменить факты". И речь идет не просто об анекдоте. Например, достаточно сослаться на историю о канадском ученом Эдварде Арджайле. Этот господин разделался с огненными шарами так. Он просто отнес их к "оптическим иллюзиям", возникающим, якобы, когда наблюдатель с близкого расстояния смотрит на обычную молнию. Вспышка оказывается столь яркой, что вводит наблюдателя в замешательство, и он начинает верить, что видел круглый светящийся объект. Но что же сказать о тех явлениях, которые происходили на протяжении значительного времени, так что шары даже успевали обжечь тех, кто вошел в физическое соприкосновение с ними? Да их можно просто обойти молчанием! "Если светящийся шар на самом деле оптическая иллюзия, - говорит Арджайл, - то мне не кажется столь уж неблагоразумным охарактеризовать все подобные сообщения, как "малодостоверные". На основе похожих аргументов приводилось в действие "прокрустово ложе" в греко-римской мифологии. Если у кого-то ноги выдавались за край кровати, не стоило трудиться увеличивать мебель: достаточно было просто немного подрезать сверху или снизу самого человека.

Но, тем не менее, не надо сгущать краски, говоря о недоверчивости ученых, живших в те времена. Пожалуй, самое простое объяснение этого основано вот на чем: как метеориты, так и огненные шары являются чрезвычайно редкими в природе феноменами; следовательно, и число их очевидцев тоже мало. К счастью, и в последующую эпоху были свидетели, заслуживающие такого же доверия, как и в старину. Включая и ученых.

Примеры? В 1967 году русский химик М.Т. Дмитриев наблюдал огненный шар на реке Онеге. В 1933-м доктор Стенли Сингер, специалист по оценке ущерба, причиненного бурями, случайно сфотографировал "сферическую молнию", производя съемку различных электрических разрядов во время бури (его книга "Природа шаровой молнии" вышла в русском переводе в издательстве "Мир" в 1973 году). Даже в престижном журнале "Нейчур" в 1991 году появилась работа британского физика Брайана Пиппарда, в которой он уверял, что видел вместе с другими учеными различные типы этих светящихся шаров. Это только несколько примеров из большого множества.


*Рис. п2. Шаровая молния*	*Рис. п3. Шаровая молния*

Порождение бури?

Очевидно, однако, что никто пока не понял природы этого феномена, и самое лучшее тому подтверждение состоит в том, что никому не удалось воспроизвести его в лаборатории, хотя три-четыре года назад группа японских ученых получила похожие "объекты". Единственное, что можно заявить с уверенностью на нынешний день: природа этого явления электрическая и в большинстве случаев - но не во всех - оно сопровождало бурю. Большинство наблюдений описывают светящиеся сферы маленького диаметра - от 10 до 30 см - белого, красного, оранжевого и чуть реже зеленого или голубого цвета. Некоторые физики-теоретики говорят также о "шаровой молнии" и прибегают к концепции плазмы для объяснения ее зарождения. Эта плазма, которую часто определяют как четвертое состояние материи - не твердое, не жидкое и не газообразное - встречается в виде сферы ионизированного газа при очень высоких температурах. Плазма является основным компонентом звезд, и из плазмы также состоят те мельчайшие и мощнейшие ослепительные шарики, которые образуются в термоядерных реакторах на доли секунды, когда ядра кислорода при слиянии друг с другом выбрасывают в огромных количествах энергию: говоря кратко, звезды в миниатюре. Ясно, что если эти сияющие сферы имеют отношение к плазме, то возникает научная проблема немалого масштаба. Ведь если мы пока не владеем неисчерпаемой энергией, которую нам предоставляет термоядерная реакция, то и не можем знать, как поддержать огненный шар в физических границах реактора. Его не поместишь ни в один контейнер из вещества, чтобы при этом не испарился сам контейнер. На самом деле, исследователи удерживают его подвешенным в пространстве при помощи мощных магнитных полей такой силы тока - так называемого "устройства магнитного сцепления", - что их произведение забирает добрую часть энергии, которую генерирует сам реактор. Но шаровые молнии, кажется, плавают по воздуху без каких-либо забот и внешних источников энергии. Откуда взялась у плазмы такая наглость - существовать вне соответствующим образом оснащенной лаборатории?

Почему огненные сферы нахально странствуют, ничего не боясь при нарушении как физических законов, так и воздушных границ государств?

В 1960 году грузовой самолет КС-97 американских ВВС пролетал на высоте почти в шесть километров, когда на борту объявился незваный гость: светящаяся сфера почти метр в диаметре, которая проникла в кабину, полетала туда-сюда между членами экипажа, а затем отбыла обратно в небо, не причинив ни малейшего вреда как людям, так и приборам и корпусу самолета.

Эта история хороша и для иллюстрации другой любопытной характеристики феномена, традиционно приписываемой душам в чистилище: огненные шары также способны проходить сквозь стены и любые другие материальные преграды, которые попадутся на их пути. Если, как кажется, это действительно так, то они обладают какой-то "проницательной способностью" на атомном уровне. Объект проходит сквозь материю без столкновений с субатомными частицами. Но не будем чересчур удивляться: радиоэлектрические волны делают то же самое и при этом они-то не являются пришельцами из другого измерения.

Можем ли мы включить в категорию огненных шаров и те загадочные сферы света, известные как "фу-файтеры", о которых столь много говорят в последнее время? Не входя в обсуждение всех случаев наблюдения НЛО, можно предположить, что некоторые из этих объектов действительно относятся к нашим чудесам природы, все действия которых, как мы уже видели, кажется, состоят только из спокойного сверхъестественного пролета, и которые никоим образом не намерены навредить своим перепуганным наблюдателям.

Научные гипотезы

То, что их пролет бывает спокойным, вовсе не означает, что он так уж безобиден и безопасен для наблюдателей. Ведь физики полагают, что при такой сверхконцентрации энергии температура может достигать 30 тысяч градусов по Цельсию. Тогда вопрос состоит в следующем: если температура на самом деле столь высока, то почему, вместо того, чтобы подниматься, как струи раскаленного воздуха, эти шары летают как по вертикали, так и по горизонтали? И по какой причине этот интенсивный жар немедленно не распространяется вокруг? К тому же можно вспомнить, что эти огненные шары иногда наблюдались на протяжении необычно долгого времени.

Последняя трактовка природы зарождения этого явления была выдвинута Антонио Фернандесом-Раньяды, известным испанским ученым из Комплутенского университета Мадрида, и появилась на страницах журнала "Нейчур". Гипотеза Фернандеса-Раньяда основана на теории электромагнитного узла, которую он же и разработал пять лет назад. Ее сложно пересказать, не прибегая к математическим формулам, но речь идет об образовании, похожем на клубок, только состоящий не из нитей пряжи, а из линий магнитного поля. Как видно из названия, это сочетание магнитных и электрических полей, обеспечивающее продолжение одного из них при существовании другого и так далее. Когда эти поля объединяются и взаимно усиливают друг друга, внутри них порождается сильное давление, удерживающее всю структуру. Короче, вид "магнитной бутылки", похожей на то, что мы уже описывали, говоря о термоядерном реакторе. Внутри на протяжении необычно долгого для такого типа явлений времени накапливается энергия. Если в этом все дело, осталось только воспроизвести нечто подобное в лаборатории.

Неизведанный аспект электричества?

Так называемые шаровые молнии - ШМ - часто естественным образом появляются во время бури. Кроме того, замечено, что они связаны с торнадо в околотропических широтах, чаще в Соединенных Штатах, чем в Европе. Поэтому большинство наблюдений было проведено именно в США. И при этом были зарегистрированы так называемые технологические феномены, как, например, электрические разряды большой силы, но низкого напряжения. Форма ШМ, судя по всему, не сферическая, а похожа на крендель или пончик с очень маленьким центральным отверстием. Свет шаровой молнии ослепляет, что делает трудноопределяемой оценку формы, тем более, что когда "пончик" сжат с боков, а его "дырка-труба" сплющена. Тогда он действительно сильно смахивает на шар. Это и есть "плазмоид кольцеобразный вихревой", в котором происходит подобие внутреннего вращательного движения. Оно и поддерживает его форму, сцепление и стабильность относительно продолжительное время.

Это явление того же типа, что и кольца дыма, который могут выпускать ловкие курильщики, и который способен получить каждый, если напустит его в картонную коробку через дырку, а затем ее потрясет. Движение подобного кольца дыма зависит не от силы начального выдува курильщика, а от дальнейшего вращения этого выдува в воздухе. Представим себе вращение такой "замкнутой на самой себе трубы" и мы увидим, что внешняя часть ее имеет гораздо большую поверхность, чем внутренняя. В ШМ, медленно движущихся по причудливым траекториям, происходит нечто подобное.

Самое удивительное в шаровых молниях - это их способность проникать, не теряя формы, в военные самолеты, чьи кабины состоят по большей части из кристаллических структур пластиков, объединенных металлическими "жилами", то есть при этом возникает "туннельный эффект". В негрозовое время такие явления в самолетах могут начинаться с "огней святого Эльма", которые, при определенных условиях влажности, приобретают следующую форму: края под действием внутреннего давления, пытаясь избежать внешнего сжатия, сворачиваются, и получается подобие вихря. И именно из такого вихря состоит ядро ШМ, которая в данном случае вовсе не нуждается в грозе, как генераторе тока. Во время бури искра, которая достигает самолета, пробивает в нем микродырочку и образует ШМ в фюзеляже, точно так же, как кольца дыма, которые вырываются из пор в картонной коробке.

В погруженных субмаринах, оснащенных аккумуляторами огромной емкости и силой тока в тысячи ампер (иногда до 100 тысяч), эти ШМ, вероятно, образуются при неправильной работе переключателей, когда производится резкое прерывание тока, чтобы дать судну задний ход. Эти ШМ меньших размеров, чем естественные, бывало, странствовали внутри корпуса около 30 секунд, проникая в разные отсеки, прежде чем взорваться. Они бывали зеленого цвета - возможно, потому, что переносили атомы меди с переключателей, которые их породили. Командору Стюарту Альберту удалось сфотографировать одну такую в машинном отделении подводной лодки.

Еще гениальный электромеханик Никола Тесла случайно наблюдал ШМ в больших индукционных катушках со сферическим электродом, которые получили его имя. Молнии зарождались в этих катушках большого напряжения и совершенно ничтожной силы тока. Другие исследователи использовали катоды на диске или подобии конической трубы. Магнитные поля противоположной полярности также связаны с ШМ, и их мог генерировать на своих катушках сам Тесла.

Японцы, как Т. Мацумото, занятые изучением механизмов освобождения энергии во время работы по "холодному термояду", получали микроскопические плазмоиды-ШМ в 9,5 микрона диаметром на поверхности электродов гальванических элементов и даже смогли их сфотографировать.
Мы оказываемся, таким образом, перед ШМ самых разных размеров, от микроскопических до тех, которые образуются в торнадо, величиной в 15 м, и средних, которые наблюдались в самолетах и подводных лодках.

Если обратиться к самым крупным ШМ, возникающим при таких естественных явлениях, как торнадо, то выяснится: основная проблема их изучения состоит в том, что большинство людей, имевших несчастье очутиться внутри, не выживали, а те, кому это посчастливилось, не были подготовлены для научных наблюдений. Так случилось с торнадо "Сильвертон", который 15 мая 1957 года убил 20 человек в Техасе.

Наблюдатель, попавший в его центр, говорил, что видел свет в виде кольца огромных размеров, от 12 до 15 м диаметром, в 12 метрах над землей. К счастью для науки, был, по крайней мере, один случай, когда два метеоролога сумели выжить после пребывания внутри торнадо; кажется, профессиональное любопытство в них перевесило страх, и им удалось провести интересные наблюдения.

Большая часть торнадо не светятся. Колонна или ствол, который спускается с облаков, может быть темным из-за увлеченных им промышленных отходов, но его черный, как у головешки, цвет, говорит о том, что происходит некое странное явление, в процессе которого поглощается весь свет снаружи. Однако во всех случаях существует внутренний свет, хотя чаще всего темный наружный слой мешает его увидеть.

Известно, что есть и светящиеся торнадо, и особенно это можно заметить в тех редких случаях, когда дело происходит ночью.

Ф.Монтгомери, один из тех метеорологов, побывавших в торнадо "Черный Колодец" в Оклахоме 25 мая 1955 года, описывал плазмоиды в 120 м шириной, и располагавшиеся в 250 м над землей, ослепительные, как паяльная лампа, и головокружительно вертевшиеся. Внутренняя часть ствола смерча отрывалась от земли корнями, которые начинали вращаться и разбрасывать более мелкие шаровые молнии. Другой метеоролог, Р. Холл, который попал внутрь техасского торнадо 1948 года, видел колонну света, которая была отделена от прозрачных, темных стенок. Эта колонна образовывалась кольцами, которые, при опускании, обращались в шаровые молнии.

Образование ШМ в нижней части торнадо, где они срываются со ствола, - явление, наблюдающееся многими, так как оно хорошо заметно снаружи. Измерения электрических и магнитных полей, зарегистрированных близ торнадо, показали высвобождение необъяснимо большого количества энергии, большего, чем при сильной буре, что подтверждается немедленным повышением температуры в их окрестностях на целых три градуса по Цельсию.

Еще один необъяснимый феномен, который предполагает странные искривления пространства-времени вместе с гравитационными аномалиями - это поднятие в воздух людей и машин безо всякого ветра, как будто притянутых шаровой молнией диаметром в несколько метров. Доктор Петтье отметил, что испытывает какое-то давление сверху и в тот же момент оказался над землей, хотя никакого ветра не было - будто поднятый невидимой рукой. Во время того же торнадо были сфотографированы круглые дырочки в стеклах, напоминающие те, которые запечатлел Мацумото. В некоторых публикациях по "холодному термояду" были ссылки на "светящиеся торнадо", в чем нет ничего странного с точки зрения специалистов.

Другие странные явления, связанные с торнадо и ШМ - это проникновение в вещество. Так, например, одна автомобильная шина оказалась надетой на ствол дерева, чьи ветки не были задеты. Подобные феномены подтверждают, хотя и не объясняют прохождение ШМ сквозь твердые предметы.

В итоге то, что до сих пор было метеорологическим курьезом, начали изучать серьезно. Сами по себе смерчи, в своей более привычной форме, даже не обладая видом и способностями ШМ, являются одним из самых загадочных явлений природы. Но когда смерчи оказываются в состоянии плазмы и в форме ШМ, как мы уже видели, они приобретают почти магические свойства.

Тем интереснее их изучать. Что ж, это все, что нам остается. Ибо о природе шаровых молний надежно известно только одно – что нам мало что известно надежно.

Редакция решила выслушать мнение официальной отечественной науки о шаровых молниях. Слово доктору физико-математических наук БОРИСУ СМИРНОВУ.

ДО РАЗГАДКИ ЕЩЕ ДАЛЕКО, А...

Б.М. Смирнов

Шаровая молния - загадочное явление природы, о наблюдениях которого сообщается на протяжении нескольких столетий. Большой прогресс в исследовании этого явления был достигнут в последние десять - пятнадцать лет. В настоящее время мы имеем несколько независимых наборов описаний шаровой молнии, что позволяет представить надежную количественную информацию о ее параметрах. Хотя принципиальные закономерности природы ее понятны, проблему шаровой молнии нельзя считать решенной, ибо нет конкретных способов создания ее в лабораторных условиях. Однако изучение загадочного явления прогрессирует за счет развития смежных областей физики и химии.

Исследования шаровой молнии в попытках понять ее природу ведутся в течение нескольких веков. Загадочность этого явления, соединенная с неожиданностью появления шаровой молнии и сильным эмоциональным впечатлением, которое она производит, может привести к крайним выводам об этом явлении. Мнительные люди заявляют, что шаровая молния управляется высшим разумом, что она является существом или связана с пришельцами из космоса. Трансформированные в науку, эти крайние точки зрения объясняют природу шаровой молнии на основе космического излучения, антивещества и других экзотических элементов, которые, как и в первом случае, невозможно воспроизвести. И хотя трезвый ум не может серьезно относиться к таким точкам зрения, они отпадут только тогда, когда можно будет найти достаточно естественное и убедительное объяснение этому явлению. А убедительным оно станет в том случае, когда его научатся воспроизводить в лабораторных условиях.

Возникает вопрос: а что нам даст понимание природы шаровой молнии?

Обратимся к фантастическим произведениям. В одном из них шаровые молнии используются как источник энергии. Одна шаровая молния в течение года питает энергией трактор, только нужно следить, чтобы она оставалась сухой: стоит шаровой молнии промокнуть, как она взрывается. В другом произведении шаровая молния применяется в военных целях: управляемые молнии приносят много неприятностей противнику. В третьем - шаровая молния используется как источник излучения - лампа без проводов, которую можно повесить в любом месте.

Однако я считаю, что основной интерес к исследованиям шаровой молнии заключается в другом. Естественно считать, что в основе природы шаровой молнии лежат известные физические закономерности, но их сочетание приводит к новому качеству, которое мы не понимаем. Разобравшись в этом, мы найдем реальным то, что ранее казалось экзотическим, и получим качественные представления, которые могут иметь аналоги и в других физических процессах и явлениях. Получение таких представлений обогащает науку и является ценным в рассматриваемых исследованиях. Такова логика развития науки вообще, и накопленный опыт исследования природы шаровой молнии подтверждает это.

Несмотря на трудности в понимании природы шаровой молнии, эта проблема находится в более благоприятном положении, чем исследование ряда других атмосферных явлений (например, "летающих тарелок", или НЛО). Это связано с тем, что имеются четкие признаки, по которым шаровую молнию можно отделить от других явлений.

Наряду со сведениями, полученными при обработке сообщений о наблюдениях шаровой молнии, научную ценность представляют монографии, где проводится разносторонний анализ этого явления. В книге С. Сингера "Природа шаровой молнии" содержится описание разных теоретических моделей шаровой молнии, в книге Дж. Барри "Шаровая молния и четочная молния" представлены лабораторные исследования явлений, моделирующих отдельные свойства шаровой молнии, собраны и проанализированы фотографии, а также приведена большая библиография, включающая в себя около двух тысяч публикаций. В целом вся эта научная литература позволяет создать надежный образ шаровой молнии и определить численные параметры, характеризующие ее свойства.

Проведенные исследования позволяют однозначно ответить на вопрос, существует ли шаровая молния. В свое время высказывалось предположение, что она может быть оптической иллюзией. Эта гипотеза повторяется и в наше время. Суть ее в том, что сильная вспышка линейной молнии за счет фотохимических процессов может оставить след на сетчатке глаза, который сохраняется на ней в виде пятна в течение 2-10 с. Это пятно и воспринимается как шаровая молния.

Такое утверждение отвергается всеми авторами обзоров и монографий о ШМ, которые обработали большое число наблюдений. Во-первых, каждое из многочисленных описаний наблюдений шаровой молнии, использующихся как довод в пользу реальности ее существования, содержит множество деталей. Эти детали не могли возникнуть в мозгу наблюдателей в качестве последействия вспышки линейной молнии. Во-вторых, имеется ряд надежных фотографий шаровой молнии, что объективно доказывает реальность ее существования. В-третьих, в ряде случаев шаровая молния оставляет после себя следы, которые нельзя связать с линейной молнией. Таким образом, на основе совокупности данных о наблюдениях шаровой молнии и их анализа можно с полной уверенностью утверждать, что она - вполне реальное явление.

Следующий вопрос, который нужно рассмотреть: какова степень достоверности сообщаемых фактов о наблюдениях шаровой молнии? Имеется целый ряд примеров, когда можно сравнить описание наблюдаемого факта очевидцем и сообщение о нем в печати. Весьма показательный случай такого рода приводится в книге И.М. Имянитого и Д. Я. Тихого.

В газете "Комсомольская правда" от 5 июля 1965 г. была опубликована заметка "Огненный гость", в которой описано поведение шаровой молнии поперечником примерно 30 см, наблюдавшейся в Армении. В статье, в частности, говорится: "Покружившись по комнате, огненный шар проник через открытую дверь на кухню, а затем вылетел в окно. Шаровая молния ударилась во дворе о землю и взорвалась. Сила взрыва была так велика, что стоявший метрах в пятидесяти глинобитный домик рухнул. К счастью, никто не пострадал".

По поводу поведения этой шаровой молнии был послан запрос в Управление гидрометеослужбы Армянской ССР. В ответе было сказано, что шаровая молния действительно наблюдалась. Описан характер движения молнии в квартире, который не имел ничего общего с текстом "Комсомольской правды". В конце ответа сказано: "Что же касается описанного в газете глинобитного дома, то эта полуразвалина никакого отношения к шаровой молнии не имеет".

К сожалению, этим дело не кончилось. Сообщение корреспондента легло в основу оценки энергии шаровой молнии, которая составила приблизительно 10 в 9 степени ккал (тонна взрывчатки!). Эта оценка учитывалась во многих публикациях по энергетике шаровой молнии, в том числе в книгах Сингера и Барри. Ясно, что такая дезинформация вредна, тем более что мы имеем немного случаев, когда по последействию шаровой молнии можно восстановить ее энергетические параметры.

Существует ряд других газетных сообщений, проверка которых показала, что излагаемые факты не совсем соответствуют действительности. Это можно понять - сообщения о шаровой молнии можно отнести к разряду сенсационных, а связанная с этим поспешность может привести к искажению информации. Поэтому к газетным публикациям о ШМ следует относиться с некоторой осторожностью.

Насколько же часто возникает шаровая молния и какова вероятность наблюдения ее отдельным человеком? Опыт показывает, что она не так мала. Например, в результате опроса, проведенного Рэйли, выяснилось, что среди 4400 сотрудников НАСА 180 встречались с шаровой молнией. И. Стаханов, исходя из полученных им данных, считает, что средняя вероятность для человека увидеть шаровую молнию в течение своей жизни составляет примерно 10 в минус 3 степени. Дж. Барри оценивает вероятность появления шаровой молнии тем, что в среднем на земном шаре каждый час должно существовать 100 - 1000 шаровых молний. Эта цифра средняя по времени и пространству. В грозовую погоду вероятность появления шаровой молнии выше. Она зависит и от географии конкретной местности.

Рассмотрим характер распада шаровой молнии. Наблюдения показывают, что ее существование может закончиться взрывом или же она может спокойно погаснуть. При этом, согласно данным Мак Нэллив, в тех наблюдениях шаровой молнии, когда фиксировался ее конец, наблюдалось 309 взрывов и 112 случаев медленного распада. По данным Рэйли, в 54 случаях молния тихо угасла, в 24 - взорвалась, а согласно данным У. Чэрмана в 25 случаях тихо угасла, а в 26 - взорвалась. И. Стаханов сообщает о 610 наблюдениях шаровой молнии, когда конец ее жизни происходил на глазах очевидцев. В 835 случаях она взорвалась, в 78 распалась на части, а в 197 спокойно угасла.

Как видно, несколько разная терминология и обработка данных мешают сопоставлению этих сообщений. Из них можно заключить, что чаще всего существование шаровой молнии заканчивается взрывом, несколько меньше вероятность медленного ее угасания. Однако нередки случаи, когда шаровая молния распадается на части.

Чаще всего взрыв шаровой молнии происходит без последствий. И. Стаханов отобрал 335 сообщений о ее взрывах, среди которых лишь 34 сопровождались повреждениями. Чаще всего это расщепление деревьев, деревянных столбов, свай (19 случаев). Иногда она пробивает легкие стенки и перегородки. Если в зоне взрыва находились люди, то в большинстве случаев это кончалось благополучно. Тем не менее, согласно Стаханову, из 1000 обработанных им описаний шаровой молнии пять закончились человеческими жертвами, хотя не всегда это было результатом ее непосредственного воздействия. Наиболее трагическим из известных был взрыв шаровой молнии, описанный в "Литературной газете" 21 декабря 1983 года. Вот что там говорилось: "Двадцать три женщины и один мужчина работали в солнечной долине. Долину окружали горы. Внезапно в небе появилась туча. Туча была громоздкой. Словно освещенной изнутри. Хлынул слепой дождь. Люди бросились к тутовому дереву под укрытие! Шаровая молния была уже здесь".

Заметка посвящена мужеству и благородству людей, пришедших на помощь пострадавшим. Однако в этой заметке не сказано, что представляла собой шаровая молния, которая взорвалась и разбросала людей, спрятавшихся под деревом. Большинство из них потеряло сознание. Помощь была оперативной, но трое человек умерли, не приходя в чувство.

Приложение 6

Наконец у нас есть конкретное доказательство связи между земными организмами, дельфинами, и внеземной жизнью, которая пользуется такими технологиями, о которых мы, земляне, даже не мечтаем». Эти слова принадлежат профессору Клайву Холкомбу, научному руководителю исследовательской группы, изучающей популяцию дельфинов в морях Антарктиды. Эта зона расположена прямо под расширяющимися «дырами» в озоновом слое. У жителей Австралии и Новой Зеландии отмечается катастрофический рост случаев рака кожи. Профессор Холкомб и его коллеги надеялись открыть, как «дыры» в озоновом слое воздействуют на популяцию мигрирующих дельфинов.

На 16-ю ночь шестинедельного плавания команда научного судна «Йоган Кеплер» стала свидетелем невероятного явления. Сначала в море возник маленький водяной смерч, над которым росло яркое сияние. Потом дельфины начали приплывать и собираться под сиянием. Еще через несколько секунд эти загадочные млекопитающие будто входили в столб воды и поднимались на НЛО, от которого исходило сияние. Пару часов спустя снова появилось сияние, возникли столбы воды, и дельфины благополучно спустились в море.

- Перед тем как увидеть эту неожиданную картину, - рассказывает профессор Холкомб, - мы брали кровь у животных на анализ и находили то же повреждение ДНК ультрафиолетовыми лучами, что и у людей, страдающих раком кожи. Естественно, мы сделали анализы и дельфинам, побывавшим на НЛО. У них все повреждения были «залечены». Генетический материал оказался соединенным с новой формой ДНК, невиданной нами прежде. Аминокислоты не похожи на те, что встречаются в земных организмах.

Во время второго визита НЛО Холкомб и его коллеги пытались установить контакт с инопланетянами, но безуспешно. Только удалось зафиксировать звуковой сигнал, обращенный к больным дельфинам, которые, получив его, стали собираться у водяного столба. http://www.privatelife.ru/2005/tv05/n2/1.html

[1] Выделенный курсивом текст заимствован с сайта http://ufo.tokamak.ru/nlog/old/1-10-99.htm. Необходимо отметить, что ИНТЕРНЕТ буквально замусорен статьями по проблеме ШМ, НЛО и прочей «аномальщины». В справочных целях в список литературы включены наиболее часто попадающиеся на глаза ИНТЕРНЕТ- публикации. Как правило, эти работы не имеют никакого отношения к реальной физике процессов, протекающих в ШМ.

[2] Новейшие исследования показали, что при ударе линейной молнии возникает поток нейтронов. Так что, вопрос о наличии ядерных реакций при электрических разрядах в атмосфере (ударах молнии) можно считать окончательно закрытым. Реакции эти идут, и приводят к изменению изотопного состава атмосферы [64], Shah G.N., Razdan H., Bhat C.L., Ali Q.M. Neutron generation in lightning bolt // Nature, 1995, v.313, № 6005, p. 773-775.

[3] В дальнейшем эта идея получила развитие в работах П.Л. Капицы [118, 119].

[4] Описание теорий Джилмана и Абрахамсона приведено в статье «Новая теория шаровых молний» http://grani.ru/Society/Science/m.45129.html

[5] История открытий А. Беккереля, Пьера и Марии Кюри, Э. Резерфорда и других великих исследователей весьма драматична. Доказательство того, что - частицы представляют собой ядра атома гелия, было получено в опытах с эманацией радия. Эманациями в начале XX века называли радиоактивные газы, выделявшиеся при распаде радиоактивных материалов.

[6] Детали вычислений матричных элементов в (5) имеются в любом учебнике, содержащем достаточно подробный расчет вероятности K-, L-, M –,… электронного захвата.

[7] Расчет «поправки» (5) технически несложен, но не входит в цели настоящей работы, носящей качественный характер и опирающейся исключительно на первые принципы физики и надежные экспериментальные данные.

[8] Смежные проблемы рассматривались также в работах [15, 69, 79].

[9] В данном контексте я не упоминаю классические экспериментальные работы Э. Резерфорда, в которых были открыты b- лучи. Опущены ссылки на работы Л.У. Альвареца, в которых был обнаружен электронный захват, а также на работы Ц. Ли и Ч. Янга, благодаря которым стало понятным, что в слабых взаимодействиях нарушается закон сохранения пространственной четности. Не привожу я и ссылки на различные варианты теории b- процессов, начиная со статей Э. Ферми, Г. Гамова, Э. Теллера, Л.Д. Ландау и более поздних работ по теории электрослабых взаимодействий (С. Вейнберг, Ш. Глэшоу, А. Салам) только потому, что нельзя объять необъятное. Эта классика, изложена в любом учебнике.

[10] Для неионизированных атомов b- распад в связанное состояние либо строго запрещен принципом Паули, либо чрезвычайно сильно подавлен. Поэтому наблюдение описанного эффекта в земных условиях и дальнейшее изложение результатов измерений в доступной форме является непростой задачей. Обычно продукты b- распада в связанное состояние, появляющиеся в различного рода электроразрядных экспериментах («трансмутация»), объявляют «лженаукой» и считают «ошибкой эксперимента». И это несмотря на то, что эффект ускорения b- процессов хорошо известен с 1947 года, не противоречит ни одному из известных фундаментальных законов физики, и может достигать 9 порядков [12, 43].

[11] Именно поэтому один из наблюдателей ШМ заболел лучевой болезнью. Забегая вперед, отмечу, что случаи лучевой болезни – единичные. Дело в том, что средняя экспозиционная доза, получаемая наблюдателем ШМ, составляет примерно 0.1 рентгена, и не представляет опасности для здоровья. По-видимому, заболевший попал под радиоактивный ливень, либо попил радиоактивной дождевой воды. Возможно он столкнулся с «позитронной» ШМ.

[12] Ядра-мишени чаще всего появляются в верхних слоях атмосферы в результате вулканических выбросов. Для оценки масштабов глобальных радиационных процессов упомяну, что в атмосфере Земли постоянно присутствует более 1 тонны одного только радиоуглерода .

[13] Постоянная l₂ для K- и L- оболочек отличается почти на порядок (l₂_K>>l₂_L). В данной работе используется некоторое средневзвешенное значение l₂. Кроме того, необходимо отметить, что фотоны осуществляют резонансное вырывание электронов только из L- оболочки, в то время как электроны, разогнанные электрическим полем тела ШМ, «обдирают» как L-, так и K- оболочку атомов радиофосфора.

[14] В атоме фосфора, находящемся в основном состоянии, заполнены K- и L- оболочки, а M- оболочка заполнена частично.

[15] Полная система уравнений, описывающих кинетику шаровой молнии, конечно же, должна также учитывать динамику фотонов, электронов, молекул азота, молекул кислорода, молекул окислов азота, молекул озона и т.п. Однако целью настоящей работы является объяснение происхождения источника энергии шаровой молнии. Поэтому из системы уравнений (10) исключены «переносчики взаимодействия». Их влияние интегрально учитывается с помощью кинетических коэффициентов.

[16] Реально величина l₃N₂ отнюдь не мала. Но самосогласованность многочисленных «фотонных» оценок говорит о том, что различные «электронные» процессы, протекающие в теле ШМ, практически полностью компенсируют друг друга.

[17] В состав тела шаровой молнии входят не только P₂O₅ и H₃PO₄, но и другие химические соединения радиофосфора, включая соли радиофосфорной кислоты.

[18] Возбужденный атом , образующийся в результате b- распада , испускает и другие фотоны. Однако именно процессы, протекающие в K- и L- оболочках, отвечают за физику шаровой молнии.

[19] Девозбуждение серы может осуществляться многими способами. На выходе могут появиться два фотона с энергией E_g»350 эВ, один такой фотон и несколько электронов, ни одного фотона и много Оже - электронов. Если возбужденный атом серы входил в нестабильную молекулу PSO₅, то возбуждение может передаться непосредственно атому фосфора, что приведет к резонансному «обдиранию» его L- оболочки.

[20] Все механизмы ионизации, пропорциональные числу «ионов» радиофосфора N₂ и числу невозбужденных атомов радиофосфора, интегрально учитываются с помощью члена b₁₂N₁N₂. Остальные механизмы описываются с помощью эффективного источника q₂.

[21] Время высвечивания люминофора может составлять часы, сутки, и даже месяцы. Но столь большие времена высвечивания люминофора связаны с молекулярными процессами. Время жизни электронной дырки на K- или L- оболочке на много порядков меньше. Если бы не наличие источника q₂, то о метастабильности уровня N₂ не могло бы идти никакой речи.

[22] Необходимо отметить, что отличительной особенностью этого рентгеновского лазера является малая интенсивность рентгеновского излучения. Значительная доля фотонов с E_g»350 эВ поглощается внутри тела шаровой молнии. Половина из них – атомами радиофосфора, еще часть – молекулами воздуха.

[23] Именно поэтому фосфор является классическим люминофором.

[24] Подробные оценки частоты электронных ударов, средней температуры электронного облака и т.п. будут приведены в одной из следующих работ.

[25] Существование стационарного режима горения шаровой молнии возможно только в том случае, когда «горючее», поступающее в тело шаровой молнии, убывает с той же скоростью. Поэтому . Но это означает, что . Именно поэтому соотношение (14) записано в весьма нестандартной форме.

[26] Вопрос о том, какая доля молекул химических соединений радиофосфора, образующих тело шаровой молнии, не разваливается под действием электронных ударов и ионизирующего излучения, в настоящее время является открытым. Такой науки, как радиационная плазмохимия, на сегодняшний день не существует. Поэтому все приводимые в работе высказывания относительно влияния доли молекул H₃PO₄ и P₂O₅ в теле ШМ на величину кинетических коэффициентов достаточно условны. Они являются результатом глазомерных оценок, а не точного расчета.

[27] Оценка скорости ионизации и возбуждения атомов радиофосфора за счет столкновений с электронами, разогнанными электростатическим полем, создаваемым телом ШМ, является отдельной задачей. В настоящей работе мы ограничиваемся «фотонным» приближением.

[28] Философия этих оценок достаточно близка к соображениям Ридберга, на основе которых были установлены аналитические выражения для термов щелочных металлов.

[29] В ШМ объемом 1 дм³содержится атомов радиофосфора, причем эти атомы связаны в мельчайших капельках дождевой воды. Поэтому концентрация радиофосфора в радиоактивной дождевой воде в 1000 раз больше, чем в воздушно-капельной смеси, в которой происходит разряд ШМ.

[30] В величину не входит «бесполезная» энергия, уносимая электронным антинейтрино.

[31] Качественный анализ вариантов поведения шаровой молнии, приведенный выше, является очень грубым, поскольку вблизи точки бифуркации нарушается условие b₂₂N₂»b₁₂N₁, а само поступление радиофосфора в область реакции, вызывающее взрыв ШМ, связано с наличием случайного внешнего источника. Альтернативная модель взрыва ШМ приведена, например, в [105].

[32] С электрокапиллярно-вихревой моделью ШМ, дающей некоторое представление о соотношении сил поверхностного натяжения и электростатического взаимодействия, определяющих размер заряженных капель, можно ознакомиться, например, в работе [134].

[33] Фото с сайта http://lukyanovich.narod.ru/aboutMe/nature1.html

[34]^{Более
корректный расчет}^E^{g с учетом эффектов экранировки
дает значения 340-360 эВ.}

[35] Сайт учителя Виктора Елькина http://elkin52.narod.ru/

[36] http://wmk2002.by.ru/question/lightn2.htm

[37] Новая версия ивдельской трагедии 1959 года, газета "Уральский рабочий", 8, 10, 11, 12 июля 1990 г.

[38] Сера химически активна, и сразу же после образования в результате - распада радиофосфора вступает в реакцию с кислородом, входящим в состав воздуха. В дальнейшем окислы серы взаимодействуют с дождевой водой. При этом образуется серная кислота. Однако в рамках настоящей работы химические аспекты задачи нас не интересуют, и мы их далее обсуждать не будем.

[39] В данном подходе эффективный параметр интегрально учитывает все внешние воздействия, отвечающие за полет шаровой молнии, в первую очередь, силы электростатического взаимодействия.

[40] Индекс (fireball) использован для того, чтобы подчеркнуть, что речь идет о пространственном перемещении геометрического центра шаровой молнии.

[41] Здесь и далее мы пренебрегаем гравитационными поправками в уравнении (119), поскольку облака химических соединений радиофосфора падают на землю под действием силы тяжести очень медленно.

[42] Константы и являются эффективными и выражаются друг через друга. Они зависят от плотности воздуха (высоты), влажности, наличия других радиоизотопов и т.п. Физика образования радиоактивных облаков очень сложна. Ее исследование не сводится к анализу свойств простейшей модели (74) или (119). Однако даже грубое приближение (119) позволяет понять основные закономерности описываемого явления.

[43] Подробному выводу уравнения (109) посвящен следующий раздел настоящей работы.

[44] В облаке, содержащем радиофосфор, всегда имеют место процессы ионизации («обдирания» - оболочки). Поэтому, строго говоря, вместо постоянной распада всюду необходимо использовать зависящую от плотности линейную комбинацию . Однако на стадии, далекой от момента зажигания разряда шаровой молнии, эту зависимость можно не учитывать. Указанный эффект становится существенным в момент зажигания цепной реакции индуцированного - распада в связанное состояние. Именно он отвечает за макроскопическую устойчивость радиоактивного облака.

[45] Если только не считать мистической возможности того, что коэффициент случайным образом окажется таковым, что при числитель и знаменатель в уравнении (122) сокращаются.

[46] Наличие зависимости констант и от множества параметров, не включенных в исследуемую простейшую модель, но в реальности оказывающих существенное влияние на физику процессов самоорганизации облаков радиофосфора, приводит к тому, что на стадии зажигания разряда шаровой молнии все уравнения, описывающие ее поведение, спонтанно линеаризуются. При этом влияние источника становится определяющим из-за быстрого выгорания радиофосфора. Константы и становятся такими, что эффективный электрический заряд ШМ остается практически постоянным, вплоть до момента ее взрыва или угасания.

[47] В данном разделе работы рассматривается равновесное распределение химических соединений радиофосфора. На начальной стадии процесса, когда формирование облака только начинается и система далека от равновесия, нелинейная диффузия значительно превосходит линейную диффузию.

[48] В подобных расчетах учет факторов порядка 2-3 является превышением точности. В данном контексте не имеет особого значения, имеем ли мы дело с напряженностью поля 30000 В/м или 70000 В/м.

[49] Динамика полета «летающих тарелок» несколько отличается от динамики полета ШМ. Это связано, в первую очередь, с тем, что радиофосфор в ШМ присутствует, в основном, в виде , а в «летающей тарелке» в виде .

[50] Оценки приводятся для облака суммарной активностью порядка 100 кюри.

[51] Ионы, образовавшиеся в результате процессов радиоактивного распада, являются центрами конденсации водяных паров, поэтому на высотах менее 10 км имеет место соотношение , где - масса отдельной молекулы химических соединений радиофосфора.

[52] Возможно, в некоторых случаях, аэрозоля.

[53] Речь идет о высотах более 20 км. В стратосфере (и выше) средняя скорость ионов (речь не идет о скорости теплового движения) определяется не столько температурой, сколько наличием внешних полей, в том числе, локальных.

[54] Например, в результате наложения вспышки на Солнце на интенсивный выброс вулканических газов, или на выброс газов из рифтовых разломов земной коры.

[55] Обобщение результатов работы [146] на случай реального пространственного распределения радиофосфора сделано в работе [145]. Расчет критических параметров для радиофосфора выполнен в работе [141].

[56] Суммарная активность радиофосфора, необходимого для того, чтобы начался разряд шаровой молнии, составляет примерно 100-200 Кюри. Это означает, что для проведения эксперимента по непосредственному созданию шаровой молнии в лабораторных условиях требуется лаборатория класса A. Многие специалисты были поражены тем, что люди, видевшие шаровую молнию, не заболели лучевой болезнью при таком уровне ее радиационной активности. Однако прямой расчет показал, что экспозиционная доза, получаемая наблюдателем шаровой молнии, не превосходит 0.1 рентгена и не может вызвать лучевой болезни.

[57] Обнаруженное Хабблом красное смещение существенно изменило наши космологические и космогонические представления. В наблюдениях Хаббла использовалась достаточно сложная и точная физическая аппаратура. Тем не менее, его результаты следует считать наблюдательными, а не экспериментальными.

[58] Теория Большого Взрыва до сих пор вызывает сомнения у ряда специалистов.

[59] Здесь необходимо напомнить, что процесс признания крупных научных результатов далеко не всегда идет гладко. В частности, Роберт Юлиус Майер провел два года в психиатрической больнице, поскольку вначале эксперты-физики признали безумными рассуждения врача, каковым был Майер. Именно на мнение физиков опирались психиатры, упрятавшие гениального ученого в психиатрическую больницу.

[60] Авторы электронно-ионной модели шаровой молнии С.Г. Федосин и А.С. Ким правильно определили, что она имеет большой положительный электрический заряд, который вызывает электрический разряд в воздухе. В этом смысле необходимо отдать должное интуиции и наблюдательности авторов. В то же время они не обратили внимания на тот факт, что запах серы не может появиться в результате движения электронов и ионов в магнитном поле. Кроме того, созданная ими модель не согласуется с законом сохранения заряда, поскольку авторы фактически предполагают, что имеется некий, отсутствующий в работе механизм, позволяющий непрерывно «подзаряжать» тело ШМ. В который раз была использована гипотеза ad hoc, и очередная неправильная модель шаровой молнии пошла кочевать по ИНТЕРНЕТу.

[61] Оценка критической концентрации химических соединений радиофосфора приведена выше.

[62] Попутно отметим, что радиофосфор производится и в России. Например, в НИИАР (г. Димитровград) производится изотоп радиофосфор-33, поставляемый, в основном, в Польшу. Он используется в медико-биологических исследованиях, однако стоимость его весьма высока (порядка 30000 $ за 1 Кюри). Радиофосфор-32 примерно в 10 раз дешевле, но и для его закупки требуется не менее 300 000 $ на изготовление одного лабораторного аналога природной шаровой молнии.

[63] В экспериментах 2 и 3 необходимо измерять выход не только фотонов, но и Оже-электронов. Причем регистрация Оже-электронов осуществляется намного проще. В данном контексте нас интересует только класс экспериментов, в которых может быть обнаружен - распад в связанное состояние, а не технические детали.

[64] На самом деле, короткоживущих - активных изотопов намного больше. В таблице 5 приведены только те из них, которые распространены в природе, живут более нескольких часов и могут входить в состав капель электролита, способных захватывать электроны и образовывать отрицательные ионы.

[65] В таблице 5 в колонке (период полураспада) буква «м» означает минуты, «ч» – часы, «д» – дни.

[66] Если в случае с ШМ время ее жизни дискутируется каждым первым автором, то для торнадо имеется огромная официальная статистика, и торнадо, которые существуют 3 часа, – не такая уж большая редкость, хотя гораздо чаще вихрь живет 10-30 минут.

[67] В некоторых случаях смерч образуется за счет присутствия в воздухе радиоактивных газов, а также радиоактивной микрометеоритной пыли.

[68] В контексте настоящей работы мы пренебрегаем эффектами, связанными с наличием у молекул дипольного электрического момента.

[69] Зафиксированы случаи,  когда при пролете НЛО на землю выпадали странные длинные нити белого цвета,  прозванные «волосами ангела».  Часть нитей постепенно  превращалась  в  студенистую пахнущую массу, которая быстро испарялась.  Прикосновение к  ним вызывало зуд и оставляло трудносмываемые пятна на руках.  Выпадение «волос ангела» отмечалось во Франции, Италии, США,  Новой Зеландии и СССР.  Спектральный анализ «волос»,  проведенный учеными Флорентийского университета, показал содержание в них бора, кремния, кальция и магния.  Ныне покойный уфолог, доктор технических наук Феликс Зигель утверждал,  что исследования «волос ангела»  в ряде советских институтов не позволяют отождествить их с известными на земле объектами и приводил заключение академика И.В. Петрянова-Соколова: «Интересное тонковолокнистое вещество вряд ли является природным соединением». В 1992 году подобные «волосы ан-

гела» были привезены в «Космопоиск» для анализа из Краснодарского края и Волгоградской области. Масс-спектрометрическое исследование показало, что эти «волосы» выполнены из сложнейшего сплава редкоземельных металлов.  Впрочем, анализ может быть продолжен.  Несколько «волосков» в герметичной упаковке  хранятся  в  «Космопоиске».  В сноске цитированы данные, собранные А. Павловым и В. Чернобровом.

[70] Обзор свойств грозовых облаков сделан на основе книги В.И. Арабаджи «Загадки простой воды», М.: Знание, 1973. Это научно-популярная книга. Поэтому она не включена в список литературы.

[71] Магнитное поле, вообще говоря, влияет на время релаксации электрического заряда. В этом смысле торнадо представляет собой некий природный аналог магнетрона.

[72] Именно в столбе классического торнадо находятся отрицательно заряженные капли радиоактивного электролита. Они движутся под действием электрического и магнитного полей, и, сталкиваясь с молекулами воздуха, увлекают за собой воздушный поток.

[73] Данное приложение написано на основе материалов, собранных неизвестным мне автором и опубликовано в Интернете. В данной монографии приводится исключительно в справочных целях