Владимир Раков: Если бы не молния, не было бы жизни на Земле

Гости
Владимир Раков
директор Международного центра изучения молнии Университета Флориды

Ольга Орлова: Молния – это самое частое опасное природное явление на Земле. С древних времен люди изучали ее, но так и не ответили на главный вопрос: как же она зарождается? Для того, чтобы это понять, нужно заглянуть внутрь облаков. Но технических средств для этого долго не было. И вот в последние десятилетия новые возможности в изучении молнии открыли ученым сверхскоростные сверхчувствительные современные приборы. Так что же увидели ученые в облаках? Об этом по гамбургскому счету мы решили спросить директора Международного центра изучении молнии в Университете Флориды Владимира Ракова.

Здравствуйте, Владимир Александрович. Спасибо, что пришли к нам в программу.

Владимир Раков: Здравствуйте. Для меня большая честь быть участником программы «Гамбургский счет».

Владимир Раков. Родился в 1955 году в городе Семипалатинске. В 1977 году окончил Томский политехнический университет. В 1983 году защитил кандидатскую диссертацию. С 1991 года работает в Университете Флориды.

Автор более 300 публикаций в научных рецензируемых журналах по различным аспектам молнии, в том числе 4 монографий. Лауреат премии Карла Бергера за выдающиеся достижения в области исследования молний, а также Премии… Такеути. С 2013 по 2017 год – научный руководитель исследовательского проекта «Молнии и грозы. Физика и эффекты» в Институте прикладной физики Российской академии наук по программе мегагрантов.

Ольга Орлова: Владимир Александрович, а как же так получилось, что люди наблюдают за молнией уже 1000 лет, последние 100 лет изучают это явление особенно пристально, а вот физическая природа молний до сих пор не описана. Почему? Какие фундаментальные проблемы для ученых за этим стоят?

Владимир Раков: Здесь несколько проблем. Может быть, даже их можно разделить на три группы. Первая связана с инициацией молнии. Как она зарождается в облаке. Поскольку это происходит внутри облака, поэтому оптические методы регистрации здесь помочь не могут. Какие-то теории, основанные на радиотехнических методах измерения, они выдвигаются, но потом появляются другие наблюдения, которые не подтверждают эту теорию. Поэтому с инициацией молнии в облаке, конечно, большие проблемы и наибольшая неопределенность.

Вторая категория проблем связана с развитием молнии между облаком и землей.

Ольга Орлова: Как она себя ведет, когда она родилась, и куда она движется.

Владимир Раков: Вот как она вышла из облака, направилась к земле, и до момента удара в землю. Вот это развитие молнии мы называем. И здесь, казалось бы, какие могут быть проблемы? Вот она была там, теперь она здесь. Не совсем так. Потому что молния развивается обычно не непрерывно, а ступенчато. То есть она не может непрерывно двигаться к земле. Она должна остановиться, подумать, потом двигаться дальше. Причем, это обязательно наблюдается для отрицательной молнии, которая переносит отрицательный заряд на землю. Для положительной может быть непрерывное развитие, а может быть ступенчатое. И детали этого ступенчатого развития, особенно для положительной молнии, в настоящее время не очень хорошо понимаются.

И наконец третья, последняя категория вопросов связана с так называемым финальным скачком. Молния инициируется на высотах порядка 5-7 км над уровнем земли. И в тот момент, когда она стартует в облаке, она не имеет никакого представления, какие объекты есть на земле, где она закончит свое путешествие.

Ольга Орлова: То есть молния не знает, куда она попадет?

Владимир Раков: В точности нет. Конечно, если она зародилась над Москвой, она вряд ли где-нибудь в Твери приземлится. Но где конкретно… Даже я могу грубо сказать – она в ваш дом попадет или в соседский…

Ольга Орлова: Объект поражения молнии она не знает. Но это означает, что и вы предсказать его не можете.

Владимир Раков: Совершенно верно. И этот вопрос окончательно молния решает, когда она находится на высоте порядка 100 м. То есть она 5-7 км над землей стартует. И когда она подойдет в пределах примерно 100 м, а то и меньше, вот тогда она уже окончательно решает, где будет точка удара, какой объект или какой элемент объекта она поразит.

Можно кое-что хорошее про молнию сказать. В общем-то, может быть, даже и возникновение жизни на Земле связано с разрядами молний, поскольку первые органические соединения (аминокислоты) могли образоваться на Земле только в присутствии электрических разрядов. Если бы не было молний, не было бы жизни на Земле.

Ольга Орлова: То есть молния может быть причастна к процессу химической эволюции?

Владимир Раков: Совершенно так.

Ольга Орлова: Сейчас у вас есть возможность снимать молнии уже на высокочувствительную аппаратуру. Давайте посмотрим, как это выглядит.

Владимир Раков: Это типичный отрицательный разряд на землю. Обычно он ветвится. Это скоростная съемка. Расстояние временное между кадрами 100 микросекунд. В этот момент уже можно заключать пари, какая – левая или правая – ударит в землю. Как вы думаете?

Ольга Орлова: Левая.

Владимир Раков: Правильно. Но в тот момент, когда я сказал о пари, это было еще совершенно неясно.

Ольга Орлова: То есть это решается до в такой степени последние секунды?

Владимир Раков: Да. Так называемый финальный скачок.

Ольга Орлова: Вообще у геофизиков принято заключать пари в этот момент? Вы собственную силу предсказаний испытываете?

Владимир Раков: Честно говоря, нет. Потому что такие записи обычно анализируются постфактум. То есть в реальном времени мы не смотрим, конечно. Более того, большей частью наша аппаратура работает в автоматическом режиме. И потом, когда мы уже просматриваем, что мы наснимали, мы уже тогда только заключаем пари.

Хороший пример мы только сейчас посмотрели для нисходящей отрицательной молнии. Их 90% всех наземных молний. А есть еще молнии восходящие. То есть в этих молниях начальный процесс, который мы называем лидером, он начинает не в облаке, а с заземленного объекта. Для того, чтобы такая восходящая молния могла произойти, нужен объект высотой 100 метров или выше. Допустим, Останкинская телебашня годится вполне. 540 метров. Известно, что в среднем она в год поражается молнией 30 раз. Из этих 30 разрядов в год два или три будут нисходящие, а все остальные восходящие.

Ольга Орлова: То есть Останкинская башня и другие высотки, которые у нас есть по всему миру в больших городах, они сами чаще порождают молнии, чем в них попадает нисходящая молния?

Владимир Раков: Инициация молнии происходит на самом объекте.

Ольга Орлова: Они сами инициируют молнии?

Владимир Раков: Совершенно верно. Они сами инициируют молнии. Если бы не было этого объекта, молния в данный момент не произошла. То есть они усиливают электрическое поле локально, а это и определяет момент возбуждения молниевого разряда.

Ольга Орлова: А это означает, что в те времена, когда не было никаких небоскребов и люди не умели строить никакие высотные здания, то, что наблюдали древние люди, они всегда наблюдали нисходящие молнии? То есть они не видели молний, которые мы сами, люди…

Владимир Раков: Это действительно так. Для восходящей молнии действительно нужен man made, искусственный высокий объект, 100 метров и выше. Тогда их не было. Действительно так.

Еще один пример – это молнии, которые начинаются с летательного аппарата. То есть самолеты, коммерческие лайнеры поражаются молнией в среднем раз в год. Ничего страшного не происходит. То есть они сконструированы таким образом и проверены на молниестойкость. Ничего страшного не происходит. Но в случае инициации молнии самолетом будет канал молнии, развивающейся вверх к облаку, и одновременно канал, развивающийся вниз в сторону земли. Это такой двунаправленный лидер. И, конечно, древние люди таких явлений наблюдать не могли.

Ольга Орлова: Я знаю, что физики вашей специальности не любят этот вопрос. Но мне не простят ни наши телезрители, ни даже, я думаю, операторы в студии, если вы уйдете, а я вас не спрошу: «А шаровая молния есть?»

Владимир Раков: Наверное, ответ на этот вопрос зависит от того, что называть шаровой молнией. Существуют базы данных, в которых собраны тысячи свидетельств, наблюдений шаровой молнии, и это только надежные свидетельства, то есть оттуда исключены все сомнительные и явно фейковые записи. С другой стороны, скорее всего, шаровая молния – это не одно какое-то явление, а это целая группа разных явлений разной природы, которые объединяются в одну категорию «шаровая молния». Например, известно хорошо, что при размыкании контактов выключателей мощных электрических установок возникают светящиеся шары или другие образования немножко другой формы. И они существуют достаточно долго. При отсутствии грозы. Наблюдались они, в частности, на подводных лодках.

Ольга Орлова: То есть получается, что шаровые молнии – это такие плазменные образования рукотворные?

Владимир Раков: Совершенно верно. Это рукотворные плазменные образования. Это одна категория, но она включается в этот общий класс шаровых молний. С другой стороны, часто шаровая молния наблюдается во время грозы. И, в частности, после обычной линейной молнии. То есть, видимо, какое-то родство между нормальной молнией и шаровой молнией существует.

Ольга Орлова: Александр Александрович, а почему тогда специалисты по молниям так не любят вопрос про шаровую молнию?

Владимир Раков: Видимо, по той же самой причине, почему многие ученые не любят отвечать на вопросы о зеленых человечках, об инопланетянах. Поскольку…

Ольга Орлова: Нет объекта для изучения?

Владимир Раков: Практически. В науке можно предлагать любые теории.

И много есть теорий шаровой молнии, включая и миниатюрные черные дыры, и реакция аннигиляции материи и антиматерии, и метеоры из антиматерии. Чего там только нет. Но проверить, работает этот механизм или нет, практически невозможно.

Ольга Орлова: Не получалось ни разу экспериментально получить шаровую молнию?

Владимир Раков: Были сообщения, и не раз, что шаровая молния была воспроизведена в лаборатории. Но никогда не удавалось этот эксперимент повторить независимо в другой лаборатории.

Более того, были эксперименты, проведенные Флоридским университетом на эту тему.

Ольга Орлова: В котором вы работаете, да?

Владимир Раков: То есть было выделено финансирование, нас попросили проверить, что будет. Если ток триггерной молнии (тот тип молнии, которая инициируется небольшой ракетой, растягивающей тонкую проволочку под грозовым облаком, это называется «триггерная молния»), то есть если ток этой молнии пропустить через разные материалы, может или не может шаровая молния образоваться?

И такие эксперименты мы проводили в 2006 году. Около сотни разных образцов было проверено. И я, может быть, заранее скажу, что результаты были, можно сказать, отрицательны.

Ольга Орлова: То есть ни разу не получилось, чтобы образовалось плазменное шаровидное образование, которое хоть сколько-то можно было зафиксировать, чтобы оно подержалось хотя бы секунду.

Владимир Раков: Вот это вы ключевые слова сказали сейчас. Для того, чтобы какое-то плазменное образование называть шаровой молнией, оно должно жить по меньшей мере секунду. Типичное время жизни для шаровой молнии – это от 1 до 4 секунд. Если в этом диапазоне…

Ольга Орлова: И вот это главная проблема, почему она так долго живет, да?

Владимир Раков: Да. Совершенно верно. А какие-то короткоживущие плазменные образования, плазмоиды – это сколько угодно.

Ольга Орлова: То есть получить можно?

Владимир Раков: Конечно. То есть любые эксперименты со взрывами.

Ольга Орлова: А удержать – нет?

Владимир Раков: Всегда, когда в какой-то ограниченный объем закачать большую энергию, будет образовываться что-то такое светящееся. Но оно не долгоживущее, оно не может жить больше одной секунды. И в наших экспериментах с триггерной молнией самая большая длительность была порядка полсекунды. Поэтому мы сделали заключение, что мы не можем сказать или подтвердить, что шаровая молния была воспроизведена в наших экспериментах.

Мы пытались (и мы это сделали) пропускать ток молнии порядка 10 000 ампер (это такие токи в молнии) через разные образцы, которые закреплялись на длинной пластиковой трубе, и ток молнии через все эти образцы протекал, образцы были самые разные. То есть там были металлы, допустим, алюминий, порошкообразная и проволочная медь, сухой, влажный, кремний, сера. Даже такой экзотический материал, как bat guano.

Ольга Орлова: Что это?

Владимир Раков: Это экскременты летучих мышей.

Ольга Орлова: А их то для чего?

Владимир Раков: То есть есть теория, что шаровая молния возникает, когда обычная молния ударит в такое место, где это bat guano находится.

Ольга Орлова: Это верования индейцев проверяли?

Владимир Раков: Не совсем. Дело в том, что bat guano богато соединениями азота. И в давние времена использовалось для изготовления пороха.

Ольга Орлова: А.

Владимир Раков: Так что, в общем…

Ольга Орлова: То есть у этого есть некоторые физические основания вполне.

Владимир Раков: Есть, есть. Я бы сказал – не очень большие. Но, тем не менее, наша задача – вопрос проверить, правда или нет то, что говорят другие.

Ольга Орлова: Ну и что? Помогли вам летучие мыши?

Владимир Раков: В результате этот контейнер с содержимым взорвался и все это разлетелось по полигону. Скорее продукты горения этого самого материала разлетелись по полигону и никаких долгоживущих плазменных образований не получилось.

Ольга Орлова: То есть просто помет летучих мышей сгорел, и весь полигон был…

Владимир Раков: Можно сказать и так.

Ольга Орлова: Вадим Александрович, а если уже без шаровой молнии, вы запускаете, сами инициируете молнию, это называется триггерная молния, вот это как происходит?

Владимир Раков: В триггерной молнии используется небольшая ракета (примерно 1 м длиной, может быть, меньше), она может быть сделана из пластика, из металла. То есть сама ракета никакой роли не играет. Ее задача – только растянуть очень тонкую проволочку, обычно медную, но иногда стальную применяют, в промежутке между облаком и землей. То есть, конечно, нужно грозовое облако. То есть источник энергии – это, естественно, грозовое облако. Если нет грозы над головой, можно запускать сколько угодно ракет – ничего не выйдет.

Ольга Орлова: А что получается? Вы сидите в засаде, ждете, пока подойдет грозовое облако, и, когда оно появится, тогда вы запускаете ракеты, так?

Владимир Раков: Точно так. Кроме того, мы контролируем напряженность электрического поля специальными приборами. И когда она превышает какой-то эмпирический порог, значит это время нажимать кнопку.

Ольга Орлова: Давайте посмотрим как раз ваш полигон, видео, как выглядят ваши эксперименты, как вы получаете триггерную молнию.

Владимир Раков: Ракета пошла вверх. Проволочка взорвалась. И прошел разряд в данном случае в линию электропередачи. То есть здесь проходило тестирование линии электропередачи.

Пусковая установка находится на телескопическом подъемнике, который используется в электросетях. Ракета идет вверх. Где-то через 2-3 секунды она растягивает проволочку длиной примерно 300 метров. Ну, мы могли бы и 540 растянуть. Потому что на катушке 700 метров. Как Останкинская телебашня. Принцип тот же самый: очень высокий объект, который усиливает электрическое поле, вызывает восходящую молнию.

Единственная разница заключается в том, что наша проволочка взрывается. Как бы одноразовая Останкинская башня.

Ольга Орлова: Вот запускают ракету, да?

Владимир Раков: Да. Это другая пусковая установка. Она находится на платформе 11 метров над землей. Видно, что там есть шесть таких алюминиевых труб. В каждой из этих труб находится ракета. Она стартует. Видно дым от ракеты. Проволочка взрывается. Молния возникает. Полномасштабная молния с токами порядка 10 000 ампер и электрические потенциалы порядка 10 миллионов вольт. То есть источник энергии – это, естественно, грозовое облако. Мы просто стимулируем молнию из конкретного уже развившегося грозового облака.

Ольга Орлова: Владимир Александрович, на записи слышны голоса. Это что, люди находятся рядом? Они при этом присутствуют? Почему слышно? Где вы в этот момент находитесь, ваши коллеги, кто это кричит? Это же опасно?

Владимир Раков: Это очень опасно. Это действительно полномасштабная молния. И она может убить. И молнии убивают – это хорошо известно. В данном конкретном случае те кадры, что мы видели, вот эта пусковая установка находилась на расстоянии 70 метров от металлического вагончика, в котором находились люди. Обычно этим занимаются аспиранты.

Ольга Орлова: Их не жалко?

Владимир Раков: Меньше жалко. Ну, и, конечно, преподаватели, профессора в этом деле тоже участвуют. За 25 лет существования полигона у нас не было ни одного несчастного случая. То есть этот вагончик, или пункт контроля, надежно защищен, заземлен. Что очень важно – нет никаких металлических проводников, которые бы входили в этот вагончик снаружи. Есть волоконно-оптические линии связи и есть пластиковые, можно сказать, шланги. То есть пуск ракеты контролируется сжатым воздухом.

Ольга Орлова: Владимир Александрович, вы 5 лет были научным руководителем мегагранта «Молнии и грозы. Физика и эффекты». В процессе работы в этом проекте как вы продвинулись в понимании физики молнии? Что произошло?

Владимир Раков: В ходе мегагранта были получены новые уникальные данные, которые опубликованы в международных журналах и вызвали в какой-то степени очень серьезный интерес по всем трем направлениям. Я, может быть, скажу об инициации молнии. Существенная часть работ по мегагранту проводилась в высоковольтном центре в Истре. Силами сотрудников этого центра, а также Высшей школы экономики и Института прикладной физики Российской академии наук были получены с помощью скоростных камер с усилением света изображения очень необычных плазменных формирований внутри искусственного облака заряженных водяных капелек. И эти образования не были похожи ни на какие другие разрядные процессы ни в молнии, ни в длинной лабораторной искре. То есть они имели какую-то ячеистую структуру, и отдельные элементы этой структуры были горячими. Причем, этот нагрев, что было в какой-то степени сюрпризом, происходил на очень коротких временах, меньше 1 микросекунды. И, по нашему мнению, мы назвали эти структуры unusual plasma formations (необычные плазменные образования). Не исключено, что эти необычные плазменные образования являются промежуточным этапом между невозмущенным воздухом и зародышем молнии. То есть это недостающее звено.

Ольга Орлова: Недостающее звено в процессе…

Владимир Раков: В понимании инициации молнии. Здесь два кадра. Один кадр обозначен буквой а, а другой буквой b. Это два последовательных кадра. Время экспозиции каждого кадра где-то между 6 и 7 миллисекунд. И временной интервал между кадрами – 2 миллисекунды. То есть это была инфракрасная камера. В чем ее особенность? С помощью этой инфракрасной камеры можно было заглянуть внутрь этого облака. И если бы это была обычная камера, работающая в видимом диапазоне, то мы бы ничего не увидели. То есть эти каналы, эта какая-то ячеистая структура, вся эта сложная морфология – это возможно было увидеть только с помощью инфракрасной камеры.

Давайте посмотрим на левый кадр. И там цифрой 1 обозначен положительный восходящий лидер. Вот это вещь хорошо известная, изученная. И в длинной искре, и в молнии тоже. Этот лидер, плазменный горячий канал, он такой черный, потому что он горячий. Он развивается от заземленной плоскости, на которой там есть небольшой шарик, для того чтобы облегчить инициацию этого лидера, и он прорастает вверх.

А под номером 3 не только эта идущая по диагонали с левого верхнего угла в правый нижний ветвь, но и все остальные, которые ниже ее – вот это все unusual plasma formation, необычное плазменное образование. И не исключено, что, может быть, самый толстый канал, если считать, где троечка, его назвать первым, идти вниз. Следующий яркий. Второй, а вот еще третий, самый толстый. Может быть, из него и получится зародыш молнии.

Ольга Орлова: А вот это искусственное облако. Вот так оно выглядит снаружи. То есть то были картинки, как инфракрасная камера видит изнутри. А это как выглядит это облако снаружи.

Владимир Раков: Совершенно верно. Это в видимом диапазоне. То есть облако выглядит темным. Даже если там что-то было, мы увидеть не можем в видимом диапазоне, и это статистическая фотография. Она показывает… Это в виде какого-то такого расходящейся струи. Это такую она имеет форму. Это экспозиция была 4 секунды, длинная экспозиция. И можно наблюдать, по-моему, 4 искры примерно 1.5 метра длиной. И разряды эти происходили между заряженным облаком и шариком, который находится на заземленной плоскости. Заземленная плоскость такая наклонная. Я раньше упоминал. Здесь ее хорошо видно. То же самое происходит при изучении естественной молнии в видимом диапазоне. Мы видим облако. Может быть какое-то диффузное свечение, когда там что-то начинается. Но какие там каналы, как они прорастают, что там происходит, мы увидеть не можем.

И, может быть, более важный фактор – это то, что инициация молнии и потенциально эти необходимые плазменные образования – они внутри облака. И естественные облака, конечно, гораздо более плотные, чем эти маленькие облака с маленькими капельками, которые использовались в Истре. Поэтому единственная надежда только на то, что зарождение молнии и эти необычные плазменные образования будут возникать близко к границе облака, где толщина облака небольшая и, возможно, мы что-то сможем увидеть.

Ольга Орлова: Большое спасибо. У нас в программе был директор Международного центра изучения молнии Университета Флориды Владимир Раков.


Подписаться на ОТР в Яндекс Дзене

Что «увидели» ученые в облаках?

Комментарии

  • Все выпуски
  • Яркие фрагменты