Свечение плазмы
Четвертое состояние вещества — плазма.
Часть 3. Свечение плазмы
В верхних слоях земной атмосферы уже упоминавшиеся посторонние причины могут вызывать явления, очень сходные с теми, которые получаются на столе экспериментатора. Одной из таких причин являются быстрые ионы, выбрасываемые Солнцем при вспышках на его поверхности. Скорости этих ионов огромны. Разлетаясь по всем направлениям, они достигают верхних слоев земной атмосферы примерно за сутки. Врываясь в атмосферу, солнечные частицы ионизируют и возбуждают атомы газа (воздуха); в результате возникает яркое свечение, длящееся при особенно интенсивной «бомбардировке» иногда часами. Это свечение — не что иное, как Полярные сияния.
Падающие звезды
Свечением плазмы объясняется и другое, часто наблюдаемое и совершенно неправильно называемое явление — «падающие звезды». Конечно, звезды здесь совершенно ни при чем. Это — раскаленный газ, но в совершенно ничтожных количествах, светится он, когда в земную атмосферу влетают метеоры — небольшие камешки и пылинки из межпланетного пространства. Быстро тормозясь в сравнительно плотных слоях атмосферы, они почти мгновенно разогреваются до температур в десятки тысяч градусов и сгорают. При этом метеоры передают свое тепло атомам газов воздуха, которые начинают испускать яркий свет. Проходит мгновение, горячие атомы быстро «остывают», распределив полученное тепло между «холодными» соседними атомами, и свечение тухнет.
Чтобы плазма не потухала, оставалась горячей достаточно длительное время, к ней непрерывно надо подводить энергию. При этом неважно, какая это энергия — имеет ли она тепловую, механическую или электрическую природу: в плазме она все равно перейдет в энергию движения свободных ионов и электронов и энергию свечения атомов.
Шаровая молния
Но остановимся еще немного на молнии. Молния — самый настоящий лавинный разряд. Энергия, подводимая этой огромной искрой к газу, настолько велика, что воздух в канале молнии раскаляется до температуры во много десятков тысяч градусов и начинает испускать ослепительный свет. Проходит ничтожное время после окончания разряда — и газ опять становится холодным и перестает светиться.
Но есть одна очень своеобразная форма молнии, процессы в которой протекают чрезвычайно своеобразно и которую столь просто объяснить не удается. Это — шаровая молния. Собственно говоря, назвать ее молнией трудно: в отличие от электрической искры, имеющей характерную зигзагообразную форму и живущей ничтожные доли секунды, шаровая молния имеет округлую форму (откуда и произошло ее название) и существует более длительное время, иногда до нескольких минут. Ее назвали молнией, видимо, потому, что она, как правило, возникает во время гроз.
Наблюдения показали, что шаровая молния появляется, в частности, на концах заостренных металлических предметов, на которых во время грозы создается высокое напряжение, достаточное для начала лавинного разряда в воздухе. Затем шар совлекается потоками воздуха с предмета, на котором он появился, и начинает летать по воздуху. Шаровая молния ярко светится, хотя гораздо слабее молнии обычной, причем свечение ее имеет такой же цвет, как и обычная молния. Но, несмотря на довольно «мирный» вид, шаровая молния опасна: просуществовав в воздухе несколько минут, она иногда кончает свою жизнь взрывом, который может убить человека либо разрушить или поджечь здание.
Можно предположить, что шаровая молния — плазменный шар, заполненный раскаленным воздухом. Если это так, то понятно, почему молния принимает вид шара: газ, нагретый до огромной температуры, соприкасаясь с окружающим холодным воздухом, стремится принять такую же форму, как капли горячего масла, попавшие со сковородки на холодную плиту.
Но откуда же плазменный шар берет энергию, поддерживающую его существование? Ведь не будь этой энергии, он очень быстро бы остыл и «растворился» в воздухе. На этот счет делаются самые различные предположения. Одно из них, высказанное акад. П. Л. Капицей, заключается в следующем:
Во время грозы, если поблизости ударяет молния, во включенном радиоприемнике слышен сильный треск. Иными словами, приемник улавливает какие-то радиоволны, достаточно сильные, причем именно в момент удара молнии. В этом нет ничего удивительного: молнии, как и любые искры, являются источниками радиоволн, которые испускаются в канале молнии плазмой, колеблющейся с высокой частотой. Энергией мощных «молнийных» радиоволн, по-видимому, и питается плазма в шаровой молнии. Стоит только почему-либо прекратиться этому питанию или в силу каких-то других причин — и шаровая молния оканчивает свою жизнь. Но она не всегда остывает мирно: иногда по еще не ясным причинам, вероятно, лопается тонкая защитная «пленка», отделяющая раскаленные газы в молнии от окружающего воздуха, и энергия, запасенная в плазме, с огромной скоростью выделяется в воздух — происходит взрыв большой силы.
Такое объяснение механизма питания шаровой молнии, хотя и не подтвержденное еще до конца, навело на мысль нагревать плазму не кратковременной искрой, а электромагнитными колебаниями высокой частоты. Расчеты показали, что таким способом плазму можно разогреть до очень высокой температуры. Нам еще представится случай поговорить об этом позже.