Эксперт по облакам и молниям
Все начинается в детстве. Бывало, наберешь полный туесок лесной клубники, да и завалишься в мягкую траву отдохнуть. Над головой – красота! Плывет по небу… вата. Как там в песенке: «Облака – белогривые лошадки…» Тут и лошади, и драконы,и зайцы, и торт с пятью свечами. Нет предела фантазии ребенка!
Все начинается в детстве. Бывало, загрохочет гром, соберется гроза, на сухую землю выльется, будто из порванных карманов, миллион ведер дождевой воды. А ты сидишь на подоконнике, обхватив колени руками, и думаешь о тех несчастных, которые в пути, которые промокли и, не дай бог, узнали, как «кусает» шаровая молния. Нет предела фантазии ребенка…
Об облаках и молниях он знает гораздо больше детей, да и многих взрослых. Главный научный сотрудник института криосферы Земли Сибирского отделения РАН, доктор физико-математических наук Анатолий Шавлов годы посвятил изучению процессов, происходящих в небе.
– Анатолий Васильевич, почему физика?
– Сначала была радиотехника. В шестом классе я разобралпервый громкоговоритель. Внутри обнаружил черную бумагу, оторвал ее… А это был необходимый для работы радиоприемника излучатель, диффузор... После серьезного разговора с отцом у меня «появилось» огромное желание все восстановить.
– Ремня дали?
– Для ремня я был взрослым – шестой класс все-таки. Повозился и… починил.
– Наверняка разобрали второй такой же, а запчасти от него в первый затолкали?
– Именно так и было! Починить вручную диффузор невозможно… В десятом классе сконструировал собственный радиопередатчик и радиоприемник. Мечтали с товарищем сделать по приемопередатчику, ходить за грибами и на расстоянии делиться друг с другом впечатлениями от «тихой охоты»! Это сейчас у каждого по мобильнику, да не одному, а в 70-е годы подобная техника считалась фантастической.
«Иногда шаровая молния ведет себя, как живое существо… Она может двигаться против ветра, по ветру, поперек ветра. Она притягивается к металлическим предметам и воде и испаряет их. Она просачивается сквозь щели.В нее стреляли из ружей – она только слегка вздрагивала. Ее прогоняли метлами – она шипела и выбрасывала искры. Что это за удивительное явление, проявляющее признаки разум-ности?! А есть еще невидимые шаровые молнии. Их называют ангелами. Существуют также черные шаровые молнии».
– После школы куда?
– Сначала в Уральский политехнический институт на факультет радиотехники. Почему в Свердловск? Там жили родственники – проблема с жильем сразу отпадала. Сдал экзамены, получил две «тройки»… «Ой, не прошел по «конусу». Наверное, на работу устроится», – делилась бабушка с подружками по лавочке. («Конус» – это, естественно, конкурс!) Через год решил: пора перебираться поближе к родному Аромашевскому району. Так оказался в Тюмени. Поступил в Тюменский госуниверситет на физический факультет. Два с половиной года спустя в «универ» из Москвы приехали важные дяденьки студентов вербовать. Вместе с товарищем Сергеем Амелькиным я попал сразу на третий курс Московского инженерно-физического института. После окончания учебы и успешной защиты диссертации мне предложили остаться в столице. Но в Тюмени ждали жена и дочь Саша… Вернулся. Преподавал на физфаке ТюмГУ. Скажу честно, никакой радости от этого не испытывал: наговоришься на лекциях, а дома хочется молчать. Когда узнал, что в Тюмени создается институт Академии наук, сразу туда… Институт специализировался на мерзлоте, я – на физике полупроводников и диэлектриков – материалов для электронной техники. Поразмыслил и решил, что твердым телом, которое можно изучать в институте на достойном уровне, является лед. Он и к мерзлоте отношение имеет, и в отличие от мерзлого грунта, состоящего изо льда, минеральных частиц, органики, представляет собой чистую систему. Занялся малопонятной на то время темой разделения зарядов между льдом и водой в процессе кристаллизации. Если замораживать воду, то между льдом и водой, когда лед растет, а вода уменьшается в объеме, можно намерить 200 вольт. Из-за фазовых переходов воды в лед, пара в воду, пара в лед рождаются электрические заряды.
– Молнии?
– Да, линейные молнии. К ним эти процессы имеют первостепенное отношение! Захотелось понять природу атмосферного электричества. Считаю, мне удалось построить и опубликовать в ведущих специализированных отечественных журналах современную теорию этого явления.
– До чего дошли?
– Чтобы понять, откуда в облаках электричество, нужно знать, как происходят элементарные процессы разделения зарядов между водой и льдом во время кристаллизации, плавления, испарения, конденсации. Я рассчитал и опубликовал модели этих процессов.
Кроме того, вместе с аспирантом изучал процессы ускорения химических реакций при кристаллизации воды. Представьте, лежит в воде железяка – ржавеет. Если воду охлаждать до замерзания и лед коснется металла, процесс коррозии ускорится в тысячи раз. Но когда вода полностью замерзнет, этот процесс остановится. Выходит, коррозия интенсивно протекает именно в момент кристаллизации. Результатом работы над этой темой стали новые статьи в научных журналах. Пониманию механизма ускорения коррозии во многом способствовали рассчитанные модели разделения зарядов между водой и льдом во время кристаллизации.
– Раз вы поняли природу возникновения коррозии, то наверняка предложили способ борьбы с ней?
– Способ борьбы – это для инженеров. Для меня главное – академическая наука. Кстати, инженерные решения даются гораздо легче, чем фундаментальные.
Как-то появился промежуток времени, когда смог позволить себе немного «отдохнуть ото льда». Давняя мечта – «разобраться» с шаровой молнией, понять, как она устроена. Нобелевский лауреат Петр Капица большую часть жизни посвятил изучению низких температур, а в зрелом возрасте заинтересовался шаровой молнией – проводил опыты по ее созданию на даче. Это явление и мне не давало покоя. Написал статью, отправил в ряд журналов. Сначала получил издевательские рецензии. Со временем сарказма у коллег поубавилось. В конце концов, меня опубликовали в высокорейтинговом журнале «PhysicsLetters A» в разделе «Физика плазмы». Потом – в отечественном журнале «Доклады Академии наук».
Мне хотелось не только объяснить природу молнии, но и поставить опыты по ее изучению. И тут наткнулся на капельно-облачную тематику, в ходе разработкикоторой коснулся физических процессов, близких по природек процессам внутри шаровой мол-нии. Началось с того, что увидел статью по образованию капельных структур над поверхностью подогретой воды тюменского исследователя Федорца. Он заметил, что над кружкой с подогретой водой из пара на поверхность воды выпадают капельки – их можно разглядеть в микроскоп. Они притягиваются друг к другу, но не слипаются. К ним пристраиваются другие капельки, образуя структуру, подобную кристаллической решетке. Я бы сказал «немножко твердую структуру». Ветер дует, а она не разрушается. Мы тут же подумали: облака тоже состоят из капелек воды, так, может, и в них возникают подобные структуры?
«Небо таит множество секретов. Кроме молний в нем «живут» серебристые облака. Они полностью состоят из кристалликов льда. Температура внутри таких облаков –40–60 градусов. Кстати, замечать их стали после падения Тунгусского метеорита. Лучше всего видны после заката дня или перед восходом солнца».
Когда летишь на самолете, можно почувствовать, как он дрожит. Традиционная наука считает, что внутри облака есть восходящие и нисходящие потоки воздуха – поэтому самолеты бросает то вверх, то вниз. Эта так называемая «болтанка» нередко приводит к повреждению конструкции техники. Мы считаем, что «болтанка» в значительной степени может быть связана с изменением вязкости облачной среды, из-за которой подъемная сила крыла то увеличивается, то уменьшается. Сейчас хотим определить размер и заряд капелек, понять механизм их объединения в структуру и построить математическую модель. Когда удастся довести до числа – это будет уже наука! Если знать, как капельные структуры влияют на процессы переноса тепла в атмосфере, можноусовершенствовать наукуклиматологию, а прогнозы погоды делать более точными.
– Что же молнии?
– Я убежден, что механизм удержания капель в обсуждаемых капельных структурах совпадает с механизмом удержания частиц шаровой молнии.
– Почему бьет молния?
– Слова «бьет молния» обычно произносят по поводу разряда линейной молнии. Вследствие элементарных процессов конденсации и испарения воды и льда, проходящих в облаках, кристаллы льда, капли воды и пар приобретают различный электрический заряд. Крупные капли и кристаллики льда из-за сил гравитации быстро падают вниз. При этом молекулы пара не успевают следовать за ними. В результате положительные и отрицательные заряды разделяются в пространстве, внутри облака, а также между облаком и поверхностью земли – возникает разность потенциалов. Если разность потенциалов больше пробойного напряжения для воздуха, то возникает искра, образуется электропроводящий канал, по которому весь заряд, который накопился в облаке, стекает в землю. Это и есть разряд, или удар линейной молнии. Близкий разряд линейной молнии может привести к поражению электрическим током. Шаровая молния тоже является электрически опасным объектом. В силу внутренних электрокинетических процессов в ней накапливается большой электрический заряд. При тесном контакте с шаровой молнией заряд может стекать через контактирующее тело и поражать электрическим током.
– Как от нее спрятаться?
– Чтобы спрятаться от линейной молнии, следует находиться подальше от высоких предметов. В лесу путнику лучше найти ложбинку, присесть. Расстояние между ступнями ног должно быть минимальным. Молния ударяет в те «предметы», вершины которых расположены ближе к облакам – в деревья, холмы… При встрече с шаровой молнией ни в коем случае не следует трогать ее руками. Рекомендуется либо тихо, без резких движений удалиться, либо замереть и затаить дыхание на то время, пока она сама не переместится на безопасное расстояние.
– Каково практическое применение шаровой молнии?
– Многие десятки лет ученые всего мира работают над проблемой получения управляемого термоядерного синтеза, который мог бы удовлетворить все энергетические потребности человечества. Для получения термоядерной реакции необходимо решить задачу удержания водородной плазмы в течение заданного времени в ограниченном объеме при высокой температуре. Два дорогостоящих способа удержания плазмы – в магнитной ловушке токамака и лазерным инерционным способом – пока не дали удовлетворительных результатов. В то же время в природном объекте – шаровой молнии – плазма, по-видимому, удерживается самостоятельно. Шаровая молния нашла бы великолепное практическое применение в решении проблемы термоядерного синтеза, если удалось понять ее физическую природу и научиться создавать такие условия существования плазмы, при которых она могла самостоятельно удерживаться.
Фото Варвары ДЖУМАНДЖИ
