Просто электричество

Кроме проблемы управления погодными условиями существует не менее увлекательная задача получения энергии грозового электричества. В тридцатых годах прошлого века на одной из горных вершин Швейцарских Альп была установлена металлическая решетка. Во время гроз эта решетка собирала достаточный заряд для возникновения многометровых электрических разрядов, что соответствовало силе тока в несколько десятков тысяч ампер и миллионновольтной разности потенциалов.

Вначале предполагалось получаемое на этой установке напряжение использовать для ускорения заряженных частиц в ускорителях. Однако от этой мысли пришлось отказаться ввиду сильной изменчивости электрического состояния грозовых облаков и невозможности его достаточной стабилизации. Попытки использовать протекающий во время гроз в поднятых высоко над земной поверхностью антеннах электрический ток для питания ламп накаливания также пока не дали экономически выгодного эффекта.

Каждую минуту на Земле происходит около 6000 ударов молний между облаками и земной поверхностью, естественно, что это совершенно фантастическое количество электроэнергии, расходуемое «впустую» планетными грозами, давно не дает покоя поколениям изобретателей. В научно-популярных изданиях можно найти самые разнообразные проекты различных вертикальных электролиний – громоотводов, прикрепленных к аккумуляторам и поддерживаемых дирижаблями, гелиостатами (воздушными шарами, нагреваемыми солнцем) и даже геостационарными (висящими над определенной точкой земной поверхности) спутниками. Вполне вероятно, что приближающийся глобальный топливно-энергетический кризис заставит научный мир пересмотреть отношение к подобным идеям, перейдя к детальному анализу наиболее перспективных из них.

Между прочим, один из удивительных феноменов проявления атмосферного электричества уже многие столетия служит мореходству, получив название Маяк Маракайбо.

Глава 2. Молниевый шторм в Кататумбо

С незапамятных времен грозные и таинственные явления природы волновали людей, интересовали их и требовали объяснения. Почему, к примеру, время от времени небо затягивают черные тучи, блещут молнии и гремит гром? Почему огненные стрелы поражают некоторых людей, даже если они спрятались под высокими деревьями, и не трогают других в чистом поле? Нет ли в этом какого-нибудь тайного смысла, не участвуют ли в этом выборе неведомые силы?

    А. Томилин. Заклятие Фавна

Как-то раз знаменитый британский пират «на службе короны», то есть имевший патент на официальный грабеж испанских колоний, Френсис Дрейк, задумал взять штурмом город Кататумбо. Этот некогда богатый испанский форпост расположен на северо-западе Венесуэлы, там, где река Кататумбо впадает в озеро Маракайбо. Весной 1595 года под покровом темноты отряды Дрейка подошли к стенам Кататумбо, и тут череда мощных беззвучных молний озарила все окрестности. Испанцы тут же подняли тревогу, и их пушки быстро обратили пиратов в бегство.

Это знаковое событие, предвосхитившее закат карибской пиратской вольницы, нашло свое отражение в эпической поэме Лопе де Вега «Песнь о драконе», написанной в 1597 году. В ней великий испанский драматург, поэт и писатель красочно изобразил гибель ненавистного адмирала-флибустьера.

Так весь мир узнал о прекрасном в своей загадочности природном явлении, которое получило название «молнии Кататумбо».

Феномен Кататумбо исследовал знаменитый прусский естествоиспытатель Александр фон Гумбольдт, пришедший к выводу, что молниевые штормы в небесах вызывают своеобразные «электрические взрывы». Наблюдения Гумбольдта дополнил известный итальянский географ Агустин Кодацци, много писавший об «удивительной череде молний высоко в небесах, которые возникают без грозовой канонады над болотами Зулиа» (Зулиа – это штат Венесуэлы, где располагается озеро Маракайбо и река Кататумбо).

Сегодня мы знаем, что непрекращающийся шторм Кататумбо выражается в возникновении множества последовательных молниевых вспышек. Порывы этого небесного шторма возникают в основном ночью и сильно зависят от времени года, достигая пика интенсивности в мае и октябре. Интенсивность ударов молний здесь одна из самых высоких на Земном шаре и достигает 250 разрядов на квадратный километр в год. При этом количество грозовых дней в году меняется от семидесяти до двухсот. В суточном пике активности, который приходится на время от семи часов вечера до четырех утра, можно увидеть до трех десятков вспышек в минуту. В час молнии вспыхивают до трех сотен раз.

Молнии видны с расстояния до 400 км, не только в дни штормов, но и в обычные. Из-за такой постоянной грозовой активности молниевый шторм называют Маяком Маракайбо, ведь на протяжении столетий яркие сполохи помогали судам ориентироваться в болотистой дельте Кататумбо.

Грозовые тучи над Кататумбо порождают более миллиона молний в год, мощность каждой из которых составляет порядка 400000 А. Непрерывно сменяя друг друга, небо рассекают колоссальные электрические разряды до десяти и более километров длиной. Самое интересное, что при такой интенсивности молний практически не слышно грозовых раскатов.

Считается, что молнии Кататумбо являются крупнейшим одиночным генератором озона на Земле. Впадающая в озеро Маракайбо река Кататумбо проходит через очень большие болота, вымывая органические материалы, которые, разлагаясь, выделяют огромные облака ионизированного метана. Потом они поднимаются на большие высоты, где разносятся сильными ветрами, прибывающими из Анд. Метан, ослабляя изоляционные свойства воздуха в облаке, вызывает частое появление молний.

Существуют и другие версии возникновения молниевого шторма над Маракайбо, но в январе 2010 года метановая гипотеза получила существенное подтверждение. После многомесячной засухи многие болота пересохли, и выбросы метана резко снизились. Вскоре Маяк Маракайбо погас. Небесные сполохи исчезли на долгие три месяца, так что экологи, метеорологи и туристы забили тревогу задаваясь вопросом, почему прекратился удивительный феномен. К счастью, после обильного сезона дождей, восстановившего водный баланс болот, генератор молний заработал вновь и с небольшими перерывами продолжает сверкать до сих пор.

Обычно молнии «включаются» примерно через час после заката. К этому моменту небольшие кораблики с туристами уже качаются на волнах озера. Берег чуть виден, и его огни не мешают наслаждаться удивительной и завораживающей картиной бесконечной пляски желто-оранжевых всполохов. При этом старожилы не рекомендуют искать встречи с молниями в период с января по март.

Недавно НАСА представило серию снимков молниевых штормов, сделанных с высоты нескольких сотен километров метеоспутником GOES-16. Этот геостационарный спутник наблюдения за окружающей средой был запущен на орбиту высотой в 35,8 тысячи км и с тех пор висит над Западным полушарием, анализируя погоду и передавая данные на Землю.

Этому новейшему американскому погодному спутнику и удалось запечатлеть поразительный мощный электрический шторм, который разразился над северо-западом Венесуэлы. Кроме всего прочего, GOES-16 зафиксировал редкую особенность молниевого шторма, когда разряды бьют исключительно из тучи в тучу параллельно земной поверхности.

На гербе и флаге штата Зулиа в честь феномена Кататумбо изображен стилизованный Маяк Маракайбо. При этом власти штата при поддержке центрального правительства на протяжении многих лет ставят вопрос о включении этого удивительного природного явления в перечень памятников всемирного наследия ЮНЕСКО. Если молнии Кататумбо когда-нибудь попадут в этот список, это, несомненно, будет беспрецедентным решением мирового сообщества.

Глава 3. Молниеносные призраки

Издавна считалось, что в Древнем Лесу, помимо обитателей фауны, живут таинственные призрачные эльфы. Они являлись защитниками леса от посторонних, которые нарушали покой и порядок, пытались посягнуть на святое – на их дом. А те, кто все же решил вторгнуться в лес, не смели задерживаться там дольше, чем до заката солнца, ибо, когда на землю опускался мрак ночи, начиналась охота на нежданных гостей. Мало кому удавалось выбраться из леса живым, сквозь тьму, засады и ловушки, поставленные невидимыми, как призраки, существами. А те немногие счастливчики, которым удалось спастись, говорили, что эти воины ловки, а их удары сильны, как разряды молний, и точны, как время, а тьма – их стихия.

    Дж. Толкиен. Властелин колец

Кто не помнит из детства описание таинственного Древнего Леса из романа Толкиена! И вот, в конце двадцатого века, кажется, прямо со страниц романа сошли сказочные персонажи, чтобы обогатить науку об атмосферном электричестве удивительными образами молний-призраков. Призрачные короткоживущие молнии – спрайты, эльфы, джеты и струи – быстро стали одним из интенсивно исследуемых явлений в атмосферной физике.

Характеристики спрайтов были зарегистрированы исследователями из различных частей света, но, несмотря на внимание, которое было обращено на новый вид молний, до сих пор не существует приемлемой теории, которая удовлетворительно объясняла бы их инициирование и развитие.

Удивительна история открытия молний-эльфов. Впервые они наблюдались с борта космического аппарата, поскольку являются наиболее вероятной формой разгрузки молниевых разрядов на больших высотах (30–95 км), их существование многие исследователи связывают с квазиэлектростатическими областями, насыщенными электричеством в нижней кромке грозового облака. Среди них преобладает окраска пурпурного цвета, время их жизни составляет несколько миллисекунд. Из-за низкой поверхностной яркости они были зафиксированы только ночью (прежде всего очень чувствительными монохроматическими камерами). Однако если глаза наблюдателя достаточно привыкли к темноте, то спрайты можно обнаружить без каких-либо оптических инструментов.

Голубыми или синими спрайтами называют оптические вспышки, пляшущие над грозовыми тучами на высоте от 30 до 90 км. По своей природе они родственны высотным молниевым разрядам, но возникают на самом краю атмосферы, и были открыты в ходе орбитальных наблюдений поверхности верхнего облачного покрова гроз. Вспышки голубых спрайтов и родственных им синих джетов обычно длятся от нескольких сотых до нескольких десятых долей секунды и имеют характерные формы, которые исследователи описывают как «колонны», «пальцы», «деревья» и «морковь».

Поскольку спрайты возникают на большой высоте, они могут влиять на химический состав озонового слоя Земли.

Далеко не сразу к ученым пришло понимание, что эти оптические явления связаны с положительным облачным покровом основания туч, так как они сопровождают удары молнии в значительном удалении от электрически активных ядер гроз. На сегодняшний момент еще не найдено отрицательных спрайтов.

Эльфы – это разбросанные области яркости, которые возникают намного выше энергетических уплотнений разрядов молний положительной или отрицательной полярности. Скорее всего, эльфы исчезают после того, как энергетический электромагнитный импульс разряжается в ионосферу. Хотя обычные молнии и могут сопровождаться эльфами, считается, что их причинный механизм имеет полностью различную природу.

Кстати, свое необычное название эльфы получили как английский акроним слов: эмиссия света и возмущений. Красные эльфы и синие джеты – это верхние атмосферные оптические явления, связанные с грозами, которые были зарегистрированы с использованием телевизионных технологий ночного видения. Первые изображения эльфа были случайно получены в 1989 году и начиная с 1990 года двадцать изображений зафиксированы с шаттла «Колумбия».

С тех пор зарегистрировано более тысячи видеонаблюдений эльфов и джетов. Они включают как наземные измерения, так и авиационно-космические. После красных призраков в результате высотной аэрокинофотосъемки были обнаружены многочисленные изображения новой формы оптической активности, получившие название синих джетов. Синие джеты появляются непосредственно у вершин облаков и выстреливают вверх узкими конусами через стратосферу. Их восходящая скорость оказалась фантастически велика: приблизительно 100 км/с.

Высокоскоростные фотометрические измерения показывают, что продолжительность эволюции эльфов связана с молниевыми разрядами в распадающихся частях гроз и зависит от интенсивности ударов положительных молний по направлению центр-основание. Оптическая интенсивность средней группы из пучков эльфов, оцененная по сравнительной сводной таблице звездных интенсивностей, сопоставима с умеренно яркой утренней дугой восхода (до появления края солнца).

Для невооруженного человеческого глаза молнии-призраки предстают в виде обширных неярких вспышек-сполохов пастельных тонов, но в усиленном телевизионном изображении, которое можно получить на земной поверхности или с борта летящего самолета, они уже проявляются как сложные комплексные структуры, принимающие самые разнообразные формы и очертания.

Второе крупное семейство молний-призраков – синие джеты – представляет собой высотное оптическое явление со временем жизни около секунды. Они существенно отличаются по спектрально-световой гамме и внешнему виду от эльфов, хотя наблюдаются в тех же областях выше гроз с использованием таких же телевизионных систем ночного видения. Из их названия (jet – выброс, англ.) подразумевается, что джеты похожи на оптические выбросы из вершин электрически активных основных областей гроз. После их появления от вершины грозовой тучи они типично размножаются вверх в узких конусах с вертикальной скоростью примерно 100–300 100 км/с, раздуваясь и исчезая приблизительно на пятидесятикилометровой высоте. Существование голубых струй давно было предсказано геофизиками, но только ученым, пролетая в самолете со скоростной видеоаппаратурой над большой грозой, удалось заснять это потрясающее зрелище.

Молнии-призраки эльфы рождаются довольно редко и только в области активных слоев грозы. Они обычно встречаются группами, занимая обширное пространство, при этом кажутся плотно упакованными пучками из многих индивидуальных эльфов. Изредка встречаются обширные призраки со свободной упаковкой структуры, простирающиеся в поперечно-горизонтальном направлении на десятки километров и занимающие атмосферные объемы в десятки тысяч кубических километров.

Чтобы их увидеть, необходимо оказаться в условной зоне визуального доступа выше шторма между свободно парящими облаками и темным звездным фоном. В большинстве случаев подобные условия складываются нечасто. Сами по себе эльфы тусклые и могут быть замечены только привыкшими к темноте глазами. В среднем их яркость сравнивается со слабыми северными сияниями. Непосредственное восприятие призрачных молний эльфов и джетов определяется особенностями человеческого зрения.

В сетчатке наших глаз два вида рецепторов, так называемые колбочки и палочки. Колбочки отвечают за цветное зрение, их пороговая чувствительность приблизительно пересекается с уровнем восприятия молнии-призрака. Палочки несколько более чувствительны, но они обеспечивают черно-белое вечернее и ночное видение предметов.

Обычно призрачные молнии представляют собой обширные, но слабые вспышки, которые появляются непосредственно выше верхней кромки грозы. Они напоминают небольшие сполохи и многократные вертикально удлиненные пятна со слабыми всплесками свечения, которые простираются от вершин облака на десятки километров. Чаще всего наиболее яркая область свечения располагается на высоте 65–75 км, выше которой часто можно наблюдать слабый красный жар, который простирается приблизительно на 90 км. Ниже яркой красной области наблюдаются синие волокнистые структуры, простирающиеся вниз на несколько десятков километров.

Поэтому привыкшие к темноте глаза готовы зафиксировать эльфов и джетов как бесцветные тени, при этом нужно не смотреть на объект непосредственно, а использовать боковое зрение. Таким образом, они могут буквально появиться как вспышки в уголках глаз (возникнуть как призрак!). Из-за призрачной основы эльфов очень трудно рассмотреть в присутствии ярких близлежащих огней, например в городе. Следует также учитывать, что подсветка облака от молнии составляет величину более яркую, чем сам эльф. Это может легко отвлечь наблюдателя, чтобы он мог заметить мимолетный и тонкий танец красных эльфов высоко в небе выше шторма, бушующего ниже. Обычно эльфы живут в течение 3–10 мс. Это слишком мало, чтобы сфокусировать на них пристальный взгляд для полного визуального контакта.

Недавно было открыто еще несколько новых типов молний, их назвали «голубые струи». Эти атмосферные разряды, формирующиеся очень высоко в земной атмосфере, намного выше, чем слои, где появляются обычные молнии. Голубые струи образуются начиная от вершин облаков и до высот порядка полусотни километров. Поскольку жизнь голубых струй составляет всего лишь секунду, их можно заснять только скоростной видеокамерой. Голубые струи выглядят узкими конусами, перемещающимися в пространстве со скоростью около 100 км/с.

Если учесть все вышеперечисленные особенности появления и наблюдения молний-призраков, становится ясно, почему они столь неуловимы. Однако в ряде случаев они могут быть замечены и невооруженным человеческим глазом. Для этого требуется четко видеть всю перспективу грозы, особенно если молниевые разряды наблюдаются вблизи горизонта, при этом облачный покров должен быть не особенно мощным.

Лучше всего наблюдать грозовой шторм на расстоянии 200–300 км в сгущающихся сумерках. При этом глаза должны быть полностью адаптированы к темноте, как в случае астрономических наблюдений. Если вы можете увидеть Млечный Путь, это значит, что уже достаточно стемнело и зрение приспособилось к фиксированию молний-призраков. Далее необходимо остановить пристальный взгляд на пространстве выше активной области грозы, стараясь при этом не отвлекаться на молнии внутри наэлектризованного облака. Эльфы и джеты как очень краткие вспышки воспринимаются только на самом краю визуальной чувствительности. Они перемещаются слишком быстро, чтобы следовать за ними глазами, но их странный вид, вертикальная полосатая структура и багровый тусклый цвет могут быть замечены боковым зрением и отложиться на сетчатке глаза. Так, терпение наблюдателя может быть вознаграждено, если правильно выбрать вид грозового шторма и геометрическую перспективу наблюдения молниевых разрядов. Можно сказать, что вероятность увидеть эльфов, струи и джеты намного превосходит возможность наблюдения метеоров.

Иногда появление молний-призраков смешанного типа «эльф-джет» объясняют ионосферным резонансом Шумана, связанным с явлением образования стоячих электромагнитных волн низких и сверхнизких частот между поверхностью Земли и верхними слоями атмосферы: если возникшая в этой среде электромагнитная волна от разряда мощной молнии после огибания Земного шара снова совпадает с собственной фазой (входит в резонанс), то она может существовать долгое время, порождая всплески слабого свечения.

Большой научный интерес представляет электронное моделирование возможных электрохимических эффектов для эльфов и джетов в мезосфере и стратосфере с помощью разнообразных компьютерных программ. Следует признать, что с помощью компьютерных моделей эволюции эльфов были установлены многие важные закономерности их поведения. Так, прояснился принципиальный вопрос: могут ли они создавать в пределах верхней атмосферы локально или глобально существенные долгоживущие электрохимические остатки?

В целом призрачные молнии должны играть большую роль в общей земной системе перераспределения атмосферного электричества и могут быть существенным элементом глобальной электрической цепи Земли. Вполне вероятно, что они были неотъемлемой частью гроз, которые произошли за предыдущие миллиарды лет после возникновения атмосферы и даже внесли свой вклад в процесс возникновения жизни на Земле.

Можно строить предположения о возможности возникновения подобных явлений, связанных с молниевыми разрядами и на других планетах Солнечной системы, особенно это касается Юпитера и Венеры, где были обнаружены следы необычно сильного радиоизлучения от молниевых разрядов.

Глава 4. Круглое электричество

Нам думается, что ранее высказанные гипотезы о природе шаровой молнии неприемлемы, так как они противоречат закону сохранения энергии. Это происходит потому, что свечение шаровой молнии обычно относят за счет энергии, выделяемой при каком-либо молекулярном или химическом превращении, и, таким образом, предполагают, что источник энергии, за счет которого светится шаровая молния, находится в ней самой…

    П. Капица. О природе шаровой молнии