Начнем с некоторых предположений. Во-первых, шаровая молния (ШМ) существует без подвода энергии извне, т.е. энергия необходима только в начальный момент. После образования (например, в результате электрического разряда) ШМ существует без поглощения дополнительной энергии. Во-вторых, ШМ состоит из плазмы, т.е. из полностью ионизированного вещества.
Почему шаровая молния часто движется над землей, будто копируя рельеф местности? Объяснение следующее: с одной стороны, светящаяся сфера, обладая более высокой температурой по отношению к окружающей среде, стремится выплыть наверх под действием архимедовой силы; с другой стороны, под действием электростатических сил шар притягивается к влажной проводящей поверхности почвы. На какой-то высоте обе силы уравновешивают друг друга и шар словно катится по невидимым рельсам.
Шаровую молнию можно представить в виде плазмоида — объема, заполненного плазмой с температурой порядка 10 тысяч градусов, удерживаемого собственным магнитным полем. Возникает она среди положительно заряженной газообразной среды, где в начале создается отрицательно заряженное относительно горячей плазмы облако. Случается это в результате удара линейной молнии, короткого замыкания в сети или импульсного коронного разряда.
При одинаковой температуре скорость электронов выше скорости ионов, поэтому первые быстрее покидают объем, занимаемый облаком. На границе плазменного облака с воздухом на мгновение может образоваться очень тонкий слой, почти полностью состоящий из электронов. Этот слой обладает двумя важными свойствами. Во-первых, сверхпроводимостью; а во-вторых, — что логически вытекает из первого, коэффициентом отражения электромагнитных волн, близким к единице.
Как только образуется сверхпроводящий слой, плазма внутри облака оказывается запертой. Излучение не может выйти из-за высокого коэффициента отражения слоя, плазма удерживается сильным магнитным полем. Так, если плазма начнет расширяться, это вызовет в оболочке вихревой ток, индукцию сильного магнитного поля, которое вернет диамагнитную плазму на место. При возникновении свойства сверхпроводимости в электронном слое характер движения электронов в нем должен резко измениться. В сильном магнитном поле они значительно искривляют свою траекторию. Каждый электрон может находиться в слое около одной секунды. Следовательно, мгновенно возникнув, свойство сверхпроводимости не исчезнет в следующее мгновение. Образуется оболочка, все электроны которой прочно связаны между собой силами электромагнитного взаимодействия и участвуют в коллективном упорядоченном движений. Сила связи электронов достаточно велика, чтобы выдержать давление плазмы внутри шаровой молнии. Из-за малого сечения и больших токов электроны в слое движутся с большими скоростями.
Нейтральные молекулы воздуха свободно попадают на поверхность электронного слоя. Здесь они ионизуются электронным потоком и задерживаются магнитным полем. При этом температура ионов оказывается довольно низкой. Таким образом, так называемый скин-слой плазмоида состоит из холодной плазмы, которая, в свою очередь, является дополнительным препятствием для молекул. Важно, что затраты энергии на защиту от вторжения нейтрального газа оказываются небольшими.
Электрон, затративший энергию на ионизацию, замедляется, выпадает из коллективного движения и покидает оболочку. Однако в плазме внутри шара достаточно много энергичных электронов. И если направление и скорость электронов, участвующих в коллективном движении, случайно совпадут с направлением и скоростью электрона, находящегося очень близко к оболочке, он захватывается ею и, естественно, вливается в общее движение.
Чтобы происходила такая замена, необходим достаточный запас электронов, то есть плазма должна иметь отрицательный заряд. Отдельные молекулы воздуха проникают внутрь сферы и ионизуются. Положительные ионы могут покидать шаровую молнию и, так как их масса значительно превышает массу электронов, ионы слабо искривляют траекторию и не в состоянии разрушить коллективное движение.
Таким образом, за счет тепловой энергии шаровой молнии поддерживается электрический заряд и, следовательно, свойства оболочки.
Свечение, а также излучение в радио-, инфракрасном и других диапазонах может происходить по разным причинам. Например, из-за прорыва части фотонов за электронную оболочку. В конце концов шаровая молния достаточно быстро теряет свою энергию.
Плазмоид может менять форму, но характер магнитного поля, создаваемого оболочкой, таков, что при этом должно выполняться условие: объем молнии — величина постоянная.
Например, плазмоид в полете натыкается на препятствие. При этом электронный слой непосредственно не контактирует с твердым телом, а ионизует и испаряет поверхность препятствия. Между молнией и другим телом всегда будет прослойка ионизованных атомов.
При контакте с другим телом поверхность шара пусть незначительно, но деформируется. Деформация оболочки вызывает увеличение тока и возрастание в месте контакта магнитного давления. Если препятствие не металлическое, то это никак не отразится на его взаимодействии с молнией. Возросшее магнитное поле вытеснит плазму на другое место так, чтобы магнитное давление выровнялось по всей поверхности. Плазмоид как бы «перетекает». При этом он в состоянии проходить через отверстия, значительно меньшие его диаметра, а затем, благодаря кулоновским, а может и другим, силам снова формироваться из неправильного облака в шар.
Исчезать шаровая молния может по-разному. Например, при разрушении сверхпроводящей оболочки горячая плазма вырывается наружу — происходит взрыв. Если же молния потеряет тепловую энергию раньше, то исчезновение её будет тихим. При этом температура внутри плазмоида должна постепенно снижаться, и при некотором значении её начнется рекомбинация. Нейтральные атомы внутри сферы будут иметь гораздо большую энергию, нежели молекулы воздуха, но и тем и другим покинуть шар легче, чем попасть туда, что они и будут делать. С начала этого процесса газовое давление шаровой молнии станет быстро падать. К тому времени, когда разрушится оболочка, газовое давление внутри сферы выровняется с атмосферным. От начала рекомбинации этот процесс будет выглядеть так: от шаровой молнии начинается истечение газа во все стороны, и через 0,5—2 секунды она тихо гаснет.
Шаровая молния делает также резкие скачки. Их причиной может послужить либо сильный порыв ветра, либо изменение в направлении движения электронной лавины. Нашлось объяснение и еще одному факту: шаровая молния стремится попасть внутрь построек. Любое строение, особенно каменное, поднимает в данном месте уровень грунтовых вод, а значит, возрастает электропроводность почвы, что и привлекает плазменный шар. И наконец, почему шаровая молния по-разному заканчивает свое существование, иногда бесшумно, а чаще взрывом? Здесь тоже виноват электронный дрейф. Если к шаровому «сосуду» подводится слишком много энергии, он в конце концов лопается от перегрева или, попав в область повышенной электропроводности разряжается, подобно обычной линейной молнии. Если же электронный дрейф по каким-либо причинам затухает, шаровая молния тихо угасает, рассеивая свой заряд в окружающем пространстве. А.М. Хазен создам интересную теорию одного из самых загадочных явлений природы и предложил схему ее создания: «Возьмем проводник, проходящий через центр антенны передатчика сверхвысоких частот (СВЧ).
Вдоль проводника, как по волноводу, будет распространятся электромагнитная волна. Причем проводник надо взять достаточно длинный, чтобы антенна электростатически не влияла на свободный конец. Подключим этот проводник к импульсному генератору высокого напряжения и, включив генератор, подадим на него короткий импульс напряжения, достаточный для того, чтобы на свободном конце мог возникнуть коронный разряд. Импульс надо сформировать так, чтобы возле его заднего фронта напряжение на проводнике не падало до нуля, а сохранялось на каком-то уровне, недостаточном для создания короны, то есть постоянно светящегося заряда на проводнике. Если менять амплитуду и время импульса постоянного напряжения, варьировать частоту т амплитуду поля СВЧ, то в конце концов на свободном конце провода даже после выключения переменного поля должен остаться и, возможно, отделиться от проводника светящийся плазменный сгусток». Необходимость большого количества энергии мешает реализовать данный эксперимент. И все же большинство ученых отдают предпочтение гипотезам второй группы. Одна из них предполагает химическую природу шаровой молнии. Первым ее предложил Доминик Араго. А в середине 70-х годов ее детально разрабатывал Б.М.Смирнов. Предполагается, что шаровая молния состоит из обычного воздуха (имеющего температуру примерно на 100 градусов выше температуры окружающей атмосферы), небольшой примеси озона и оксидов азота.
