Relâmpago de bola - o principal mistério da eletricidade atmosférica

Relâmpago de bola - o principal mistério da eletricidade atmosférica
Relâmpago de bola - o principal mistério da eletricidade atmosférica
Anonim

O relâmpago bola parece uma esfera luminosa que geralmente ocorre durante uma tempestade. Freqüentemente, esse objeto fica suspenso ou se move a uma altura mais ou menos fixa acima do solo. Às vezes, um raio bola explode ao colidir com um objeto ou sem motivo aparente. É digno de nota que ainda não existe uma teoria física geralmente aceita no mundo que explique a natureza dos relâmpagos.

Fenômenos elétricos na atmosfera da Terra, apesar de séculos de pesquisa, permanecem em grande parte mal compreendidos. O raio bola é provavelmente um dos maiores mistérios, a partir do próprio fato de sua existência, afirma o Doutor em Ciências Físicas e Matemáticas, pesquisador sênior do Setor de Teoria do Estado Sólido do Instituto Físico-Técnico com o nome I. I. A. F. Ioffe RAS Mikhail L. SHMATOV. Em entrevista, o cientista falou sobre os assuntos mais interessantes relacionados aos relâmpagos.

─ É verdade que até 2012 a comunidade científica não estava firmemente convencida de que os relâmpagos realmente existem, e somente após a observação sensacional de cientistas chineses que descobriram ferro, silício e cálcio em tais relâmpagos, eles começaram a falar sobre os relâmpagos como um objeto real ? Afinal de contas, havia até sugestões de que o relâmpago bola era uma espécie de alucinação causada pela influência de campos magnéticos de algum relâmpago comum.

─ Nada de fundamentalmente novo aconteceu em 2012; os cientistas chineses não apresentaram nenhum dado revolucionário com base em suas observações. A questão permanece: eles observaram relâmpagos esféricos? Muito provavelmente (e isso é afirmado em nossa revisão conjunta com o professor Karl Stefan, da Universidade do Texas em San Marcos) [1], os cientistas chineses viram as consequências de um raio comum em uma linha de energia. Às vezes, acredita-se que eles estabeleceram a presença de impurezas de ferro, cálcio e silício em relâmpagos. Mas, provavelmente, o registro das linhas espectrais desses elementos é simplesmente o resultado do impacto de uma descarga atmosférica comum sobre a linha e o solo, possivelmente alguns efeitos relacionados ao fato de essa descarga ter produzido um curto-circuito na energia. linha. Deixe-me lembrar que tudo isso estava perto da linha de alta tensão, o que significa que poderia haver um curto-circuito ao aterramento, o que levou a tais consequências.

No entanto, em termos de como as pessoas percebem os relâmpagos, a situação é realmente complicada. Muitas pessoas estão interessadas em raios esféricos, mas existem físicos de plasma que nada sabem sobre este objeto. Esta é a situação atual.

Se falamos de alucinações, acredita-se que, em alguns casos, as pessoas podem ver algum tipo de pontos brilhantes devido à ação de um flash de luz muito forte de um raio comum. Também houve trabalho que, talvez, campos magnéticos de raios comuns agem diretamente no cérebro e dão ilusões de ótica de uma origem mais complexa.

Há um grande número de objetos luminosos de vida longa que podem ser confundidos com raios de bola. Um exemplo maravilhoso que já foi discutido na literatura científica: em alguns casos, até mesmo um pássaro que vive em um buraco pode ser confundido com um raio esférico! O pássaro pode ser manchado com madeira apodrecida e madeira apodrecida brilha em algumas condições.

Acredito que no caso da observação mencionada de cientistas chineses, cujos resultados foram publicados em seu artigo, a situação é mais ou menos a mesma: eles podiam ver as consequências de um simples relâmpago, e não de um relâmpago.

Sim, ainda existem aqueles que ainda não sabem sobre o relâmpago bola, assim como aqueles que acreditam que isso é uma ilusão de ótica, mas hoje já se sabe com certeza: o relâmpago bola existe. E sabemos disso, em particular, por uma série de relatórios sobre os efeitos destrutivos causados por esses raios.

─ Ainda não há consenso sobre em que consiste o relâmpago. Qual é a sua versão?

─ Você está certo, existem apenas diferentes hipóteses e modelos. Acredito que o relâmpago bola seja constituído de elétrons e íons quase completamente ionizados (na verdade, núcleos) dos elementos que compõem o ar, ou seja, não é necessária a presença fundamental do silício e de outros elementos mencionados anteriormente.

Meu modelo é baseado na suposição de que a parte principal do relâmpago bola é um núcleo, consistindo de íons e elétrons quase completamente ionizados, oscilando (aproximadamente, Oscilando) em relação uns aos outros. Acontece que os elétrons oscilam em relação aos íons. Jonah também se move. O movimento dos elétrons ocorre principalmente na direção radial, a situação com os íons é mais complicada e depende de parâmetros específicos do núcleo. O núcleo é uma nuvem de plasma, semelhante às nuvens de plasma que surgem em alguns experimentos de fusão termonuclear a laser e em explosões nucleares na atmosfera (embora haja outros motivos para a ocorrência de oscilações). Outros cientistas também consideraram modelos com oscilações, mas eu sou o único que foi capaz de explicar as vidas úteis e a energia dos raios de bola dentro da estrutura de tal modelo.

Referência. Ionização nesta situação é a retirada de um ou mais elétrons, ionização completa de todos, ou seja, um íon totalmente ionizado de um elemento é o seu núcleo atômico.

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─ O relâmpago bola é conhecido há milhares de anos. Por que ainda não foi possível estabelecer inequivocamente sua natureza até agora?

─ Acredito que um dos principais problemas é a falta de pesquisas suficientemente grandes e bem financiadas nesta área.

Na década de 1960, pesquisas importantes sobre raios esféricos foram realizadas nos Estados Unidos. O resultado é o excelente livro de Stanley Singer, The Nature of Ball Lightning. Essas obras foram realizadas durante a Guerra do Vietnã, e a tarefa máxima era "assustar os vietcongues", soube após a morte de Singer. Mas agora ninguém enfrenta tais tarefas e, portanto, o interesse em raios de bola é moderado. Além disso, a grande complexidade e a falta de valor óbvio aplicado assustam muitos.

No entanto, penso que o estudo dos relâmpagos bola é de grande importância política para a física dos plasmas, porque atualmente existe um problema de produção de energia, e uma das soluções promissoras, como sabem, é a fusão termonuclear controlada.

A posição de muitos pesquisadores no campo da fusão termonuclear controlada é a seguinte: se for alocado dinheiro suficiente, a humanidade receberá essa fonte de energia, porque a física do plasma é bem compreendida. Mas pode-se perguntar: por que você ainda pensa que entende a física do plasma? Bem, nós resolvemos um problema, o segundo é bom. Mas existe um fenômeno natural como o relâmpago. É conhecido há milhares de anos, está associado ao plasma, mas ainda não foi totalmente explicado. E até que tenhamos explicado o relâmpago esférico, dificilmente se pode dizer que a física do plasma é bem compreendida.

─ Plasma, até onde eu sei, é considerado o estado da matéria menos estudado …

─ Pergunta difícil. Acredito que vários aspectos dessa área foram muito bem estudados. Se a física do plasma não tivesse sido bem estudada, não haveria bombas de hidrogênio, em particular. Eles não pouparam nada. E aqui estão eles e, em geral, proporcionam a convivência pacífica no planeta.

─ É possível criar relâmpagos em laboratório?

─ Eu diria que não há uma resposta direta para esta pergunta. E seria mais correto falar sobre a criação de raios esféricos não tanto no laboratório quanto no local de teste. Porque? Sabe-se que o relâmpago bola é uma manifestação da atividade de uma tempestade na atmosfera e, de modo geral, em uma nuvem de tempestade, em alguns casos, existem potenciais gigantescos. A diferença potencial entre diferentes pontos da nuvem ou entre algum ponto da nuvem e o solo pode ser de centenas de milhões de volts. Sob certas condições, podemos até ir para a faixa de várias centenas de milhões de volts, e talvez até vários bilhões. Portanto, é melhor realizar o trabalho em condições de polígono.

Existem muitas tentativas de recriar relâmpagos em laboratório. Até agora, isso não produziu resultados convincentes. E se isso é possível em princípio ou não, não posso dizer. No meu modelo, é melhor trabalhar no aterro. Experimentos semelhantes foram realizados nos Estados Unidos pelo menos duas vezes - com uma tentativa de usar raios, iniciada por foguetes puxando um fio atrás deles. Mas, como você sabe, lançar um foguete é uma coisa séria. Esses experimentos aconteceram em campos de treinamento especiais, em particular na base da Guarda Nacional. Esse tipo de pesquisa é um empreendimento muito caro e perigoso, pois um míssil também pode derrubar uma aeronave em caso de lançamento malsucedido e, em qualquer caso, se as precauções de segurança não forem seguidas, você pode ser atingido por um raio iniciado.

Experimentos sem o uso de foguetes usando raios convencionais também são possíveis. Há um grande número de relatórios sobre as condições de observação de relâmpagos. Por exemplo, você pode reproduzir esta configuração e esperar por um raio normal. É fácil recriar a atmosfera da aparência de um relâmpago bola, mas agora não vou me alongar sobre como exatamente isso pode ser feito. Preocupações com alto custo e segurança também são importantes para experimentos sem foguetes.

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- Nosso compatriota, ganhador do Prêmio Nobel Pyotr Kapitsa, lidou com problemas com raios de bola. Ele escreveu que o relâmpago, devido à sua raridade, dificilmente se presta a um estudo sistemático. O que você pensa sobre isso?

- E aqui geralmente não fica claro o quão raro é esse fenômeno. Acredita-se que, para uma pessoa que vive na zona média da ex-URSS, a probabilidade de encontrar um raio bola durante a vida seja de cerca de 5%. Isso não é muito. Mas nos Estados Unidos, em 1963, uma pesquisa interessante foi realizada: perguntaram aos funcionários da NASA com que frequência eles viam relâmpagos esféricos e com que frequência eles viam a queda de um raio comum. O número de ambos revelou-se comparável, o que significa que é muito difícil falar a sério sobre a probabilidade de geração de relâmpagos durante uma descarga normal. O fato é que o raio esférico tem um curto alcance de detecção. Além disso, durante uma tempestade, como regra, todas as pessoas prudentes, se possível, sentam-se dentro de casa. Ao mesmo tempo, um raio simples é visível a grandes distâncias, pois é grande e brilhante, e o som que sai dele é forte. É bem possível que a freqüência de geração de relâmpagos esféricos por descargas naturais seja comparável à freqüência de relâmpagos comuns. Podemos simplesmente não ver o relâmpago.

Quanto ao facto de se observar relâmpagos, independentemente dos motivos, é raro, não considero este um obstáculo significativo à investigação, pois uma grande quantidade de dados observacionais foi acumulada e publicada. Ao mesmo tempo, certamente é impossível confiar em todas as mensagens.

O número de pessoas que se encontram a uma curta distância de um raio normal é comparável ao número de pessoas que já assistiram a um relâmpago. A propósito, os pilotos viram muitas bolas de fogo. Esta questão foi cuidadosamente estudada por I. M. Imyanitov é um excelente pesquisador da eletricidade atmosférica. Ele chegou à conclusão de que os relâmpagos ocorrem nas nuvens cem vezes mais do que em baixas altitudes.

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─ A propósito, em que altura os relâmpagos são geralmente observados?

─ O relâmpago bola tem uma propriedade muito interessante ─ que muitas vezes paira ou se move a uma altura fixa, por exemplo, na área de um metro ou um metro e meio acima do solo. E este é realmente um fato muito não trivial, porque é obviamente afetado tanto pela força da gravidade quanto pela força de Arquimedes. Acontece que o raio de bola é muito leve. E, ao que parece, se o relâmpago em forma de bola for mais pesado que o ar, ele deve cair e, se for mais leve que o ar, deve decolar. Mas o relâmpago bola, pelo menos em alguns casos, tem uma carga elétrica que afeta seu movimento. Mas esta é uma questão separada e muito complexa, portanto, não entraremos em detalhes agora. Em geral, os relâmpagos esféricos foram observados diretamente no solo ou no piso das instalações, e na altura mencionada de um metro e meio, e a uma altitude de vários quilômetros.

─ Quanto tempo dura o relâmpago bola?

─ A vida útil do relâmpago é um dos melhores parâmetros registrados. O limite inferior é alguns segundos. Aparentemente, as características regionais do raio de bola são importantes, uma vez que os resultados de trabalhos escritos em diferentes países dão limites ligeiramente diferentes para a vida. É seguro dizer que o relâmpago pode definitivamente viver por alguns segundos. Mas com o limite superior, a questão é muito difícil. Existem, por exemplo, dados publicados sobre a observação de M. T. Dmitriev [3]. Ele viu a bola de fogo por cerca de um minuto e meio. Provavelmente, podemos dizer que em baixas altitudes o raio bola pode durar pelo menos três minutos. A literatura também menciona relatos de que o raio bola durou até 15 minutos. Mas conheço apenas uma ou duas mensagens desse tipo.

Além disso, há um efeito muito insidioso, semelhante em aparência ao relâmpago de bola, ─ essas são as luzes de Santo Elmo em um concentrador de campo elétrico voador. Se tivermos um campo forte o suficiente, e os campos sob as nuvens de tempestade (e neles) podem ser da ordem de um quilovolts por centímetro, e há algum objeto ou objetos, por exemplo, um enxame de besouros, então um brilho pode aparecem nesses besouros ou outros objetos. Os cientistas estudaram especialmente esta questão. Verificou-se que é muito difícil distinguir o raio esférico das luzes de Santo Elmo à distância, mesmo que o concentrador do campo elétrico não voe.

─ Você já observou o relâmpago de uma bola?

─ Não.

─ Você gostaria?

─ Na verdade não. O fato é que dentro da estrutura do meu modelo, se você for completamente azarado, poderá obter graves danos de radiação, inclusive letais, à distância, em casos únicos, de dezenas de metros. Os relâmpagos esféricos são muito perigosos para os humanos.

Uma história muito interessante, que parece semi-fantástica, mas está bem documentada e descrita no Journal of Technical Physics em 1981 [5], aconteceu em Khabarovsk, onde um raio de bola derreteu 440 kg de solo. Parece um terrível conto de fadas, mas estudos muito sérios desse solo foram realizados no Instituto de Física Nuclear da Universidade Estadual de Moscou e outras organizações científicas. Em particular, a partir das tentativas de reproduzir uma escória de aproximadamente a mesma composição, ficou claro que o derretimento foi causado por ondas de rádio ou por radiação forte, ou seja, radiação gama, e o que exatamente ─ não há uma conclusão final.

Os relâmpagos esféricos também são perigosos para a tecnologia, em particular devido à sua capacidade de influenciar o funcionamento de circuitos elétricos. Tanto a literatura antiga quanto as histórias relativamente modernas descrevem quando um relâmpago acendeu lâmpadas elétricas. Em princípio, ele pode desmontar eletrônicos [6], mas para uma aeronave moderna, por exemplo, desmontar eletrônicos é um evento muito ruim. Há relatos de que os pilotos de aeronaves militares até tiveram que ejetar devido a danos na aeronave por relâmpago bola [7], mas quais foram os mecanismos específicos de dano, eu não sei.

─ O relâmpago bola está sempre associado ao relâmpago comum, ou pode ocorrer independentemente dele?

─ Em alguns casos, o nascimento de um relâmpago esférico pode ser associado a um relâmpago comum específico, entretanto, também há casos em que um relâmpago comum não precedeu o nascimento de um relâmpago esférico. Existem relatos de observação de relâmpagos em céu aberto.

- Seus trabalhos também são dedicados ao risco de radiação de raios esféricos. Quão real é essa ameaça?

─ Estou interessado no perigo de radiação de relâmpagos e eletricidade atmosférica em geral. No passado e no ano retrasado, publiquei dois artigos [8, 9], onde, dentro da estrutura do meu modelo de relâmpago, expliquei alguns parâmetros de fluxos de radiação gama registrados em um caso no Japão [10], e em o outro na Armênia [11].

Desde cerca de 1980, o fato da geração de raios X e radiação gama em nuvens de tempestade foi claramente estabelecido. Existem pulsos curtos e suficientemente potentes, e fluxos longos de radiação gama com duração, por exemplo, de segundos ou minutos, além de eventos que podem ser interpretados como a geração de um grande número de pulsos. A questão de qual é a natureza dos impulsos de longo prazo está aberta.

Existem relatos de observação não apenas de relâmpagos de esfera única, mas também de grupos inteiros de relâmpagos de esfera [4]. Na Armênia, na estação de Aragats, entre outras coisas, é realizada a observação da luz visível, que vem das nuvens. Em 2019, um artigo de A. Chilingaryan [11] com colegas foi publicado sobre como eles viram a radiação gama e um grupo de pontos brilhantes. Eles ofereceram alguma explicação sobre a origem dos pontos de luz, cerca de 10 peças. Eu admito que eles puderam ver um grupo de relâmpagos esféricos [9].

─ Podem existir grupos de bolas de fogo?

─ Sim. Esses eventos são raros, mas acontecem. Existem histórias documentadas de pilotos que, em situações de emergência, como um pouso de emergência em um campo de aviação durante uma tempestade, viram dezenas de bolas de fogo nas nuvens [4]. Repito que a probabilidade de encontrar um raio bola em uma nuvem é cerca de cem vezes maior do que em nossas alturas usuais, ou seja, ao nível do solo e alguns metros acima dele [2].

Em geral, o risco de radiação de um raio bola foi discutido seriamente pela primeira vez em 1962. Anteriormente, em 1886, a Scientific American (agora uma revista, e as edições antigas parecem um jornal) publicou uma publicação única que descreveu a história de como uma família na Venezuela observou uma luz forte em sua casa e ao mesmo tempo sentiu um sentimento específico cheiro (relatos de relâmpagos às vezes mencionam um cheiro de pólvora negra queimando ou enxofre). As pessoas começaram a rezar pensando que o fim do mundo havia chegado (uma suposição completamente natural para o século 19 e para uma família religiosa), mas essa atividade foi interrompida pelo vômito. No futuro, as pessoas desenvolveram bolhas na pele, que se transformaram em úlceras, e os cabelos começaram a cair. O que, senão radiação, se parece? Além disso, este fato dificilmente pode ser considerado falsificação, pois foi descrito tanto antes da descoberta da radioatividade natural, quanto antes da criação das fontes de raios X, e mais ainda antes da criação de fontes poderosas de radiação ionizante. 90 anos depois, Eugene Garfield interpretou este incidente como possível dano de radiação de bola de fogo.

Rosalyn Krysik observou outro efeito interessante: uma bola de relâmpago voou até a porta de vidro e o vidro brilhou. Não era um reflexo porque o relâmpago era de cor azulada e o brilho era amarelo. Posteriormente, Karl Stefan e seus colegas conduziram uma série de experimentos, e descobriu-se que um efeito semelhante pode ser causado pela ação da radiação ultravioleta ou mais dura [1].

─ Um raio comum também pode representar um perigo de radiação?

─ Sim. Foi estabelecido que uma certa quantidade de raios comuns (o quanto é desconhecido, aproximadamente de 0,01% a 1%) gera fluxos de radiação forte. Curiosamente, esses fluxos são claramente visíveis dos satélites, porque a radiação interage com o ar - é simplesmente absorvida e espalhada, o espalhamento leva a uma diminuição na energia do fóton. A intensidade diminui com o aumento da distância e em uma situação em que praticamente não há absorção e espalhamento, simplesmente pelo fato de o mesmo número de quanta cair em uma área maior. Mas um efeito mais significativo é observado em uma atmosfera bastante densa - é o espalhamento e a absorção da radiação gama e de raios-X pelo ar. Portanto, verifica-se que se a tempestade está a uma altitude de vários quilômetros e, principalmente, mais elevada, é mais fácil ver a forte radiação do satélite do que do solo.

─ Mikhail Leonidovich, diga-nos no final, como você pode se proteger quando encontrar um raio bola? O que pode e o que não pode ser feito?

─ As mesmas regras de segurança se aplicam aqui como ao encontrar raios comuns. Por exemplo, muitas pessoas sabem que você não pode ficar sob as árvores durante uma tempestade - um raio em uma árvore pode causar uma descarga de seu tronco em uma pessoa ao lado dela. A situação com relâmpagos é contraditória. Existem várias recomendações, mas considero uma delas perigosa. A recomendação geral em relação ao raio bola parece que, em termos de perigo, o raio bola é um grande cachorro raivoso: você não precisa provocá-lo, mas você precisa recuar devagar, e devagar ─ uma coisa fundamental. Por que lento? Em princípio, esse é o conselho correto, pois um movimento repentino pode criar uma leve descarga, que trará a bola relâmpago para mais perto de uma pessoa. Mas às vezes há recomendações para não se mover! Este é um conselho estranho, visto que há uma série de relatórios sobre o perigo de radiação de um raio bola, e correspondendo a uma lesão grave, até vômito durante a observação, e essas são doses muito grandes de radiação, isso é um risco de morte.

Resumindo, quero dizer que o relâmpago bola tem suas próprias dificuldades específicas. Por um lado, não sabemos o quão raro ou frequente os relâmpagos em bola ocorrem ─ isto é devido ao pequeno raio de detecção, relâmpagos em bola são realmente raramente observados. Mas, por outro lado, já é conhecido há milhares de anos, e nos últimos cem anos os dados sobre raios esféricos tornaram-se mais e mais, existem muitas publicações muito interessantes, em particular, sobre o perigo dos raios esféricos. Um dos melhores livros publicados até agora é um trabalho de Walter Brand intitulado "Fireball" em alemão, 1923. É citado até hoje. Recentemente, este livro foi publicado em uma versão ligeiramente suplementada em inglês, e em nossa biblioteca li sua tradução para o russo. Eu recomendo fortemente este trabalho para qualquer pessoa interessada em fenômenos naturais como os relâmpagos.

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