Старинный проект для защиты от разрядов молнии.
Днем 24 июля 2001 года над Москвой разразился шторм такой силы, которая, по статистике, бывает лишь дважды в столетие. Перед этим дневная температура воздуха в Москве две недели держалась около 30°С. Шторм длился почти полтора часа, но уже в его начале скорость ветра поднялась до 25 м/с. Началась гроза с дождем, температура воздуха за полчаса упала с 31 до 18°С. Разряды молний возникали на высоте 400-500 метров, ветер на территории города вырвал с корнем более десяти тысяч деревьев.
На следующий день московский телеканал НТВ продемонстрировал видеофильм, показавший, как во время этого шторма яркая линейная молния бьет в шпиль Останкинской телебашни на высоте 533 метров. Известно, что если скорость ветра у земли равна 25 м/с, то на уровне шпиля она достигает 43 м/с (см. "Наука и жизнь" N 11, 1966 г., "Строится телебашня"). Молния снята оператором телевидения с расстояния около 700 метров с частотой 25 кадров в секунду. Размеры молнии можно оценить с точностью 20%, сравнивая их с известными размерами элементов башни, четко видными на каждом кадре. Студия НТВ любезно предоставила нам возможность исследовать несколько кадров этого фильма. Результаты исследования приводятся ниже.
Рис.1. Контуры молнии и шпиля Останкинской телебашни во время грозы 24 июля 2001 года. На схеме изображен кадр N 2 видеофильма, снятый через 0,04 секунды после возникновения молнии, начавшей свое восхождение из конца шпиля.
Вначале молния поднялась по прямой линии из шпиля, и ее вершина повернула влево. Это хорошо видно на первом кадре, не показанном здесь. Длина прямой части молнии около 10 метров, ширина - 0,25 метра. Время первого кадра будем считать началом отсчета (равным нулю). В кадре N 2 изображение молнии приняло очертания непрерывной ленты (рис. 1). Здесь показан почти горизонтальный участок молнии, соединенный со шпилем. Его длина в плоскости изображения около 47 метров. Средний диаметр молнии, измеренный по ширине ленты, составляет метр, а предельные значения - от полуметра до трех метров.
Спустя 0,375 секунды (кадр N 9) молния распалась на части (рис. 2). Свечение исчезло на участке длиной 2 метра, примыкающем к шпилю. Четыре аналогичных разрыва возникли в свечении молнии на расстояниях примерно 3; 7; 17,5 и 20 метров от шпиля. Средняя длина разрывов и ширина оставшихся частей молнии составляли около полуметра.
Рис.2. Схематическое изображение кадра N 9 того же фильма, на котором сплошная лента молнии начинает распадаться.
Затем молния превратилась в гирлянду из отдельных бусинок, ярко светящихся на фоне потемневшего дневного неба и хорошо различимых на экране телевизора. При подробном изучении кадра N 14 (рис. 3) оказалось, что эта гирлянда состоит из 27 бусинок, или четок. Если не считать трех самых длинных разрывов между ними, средний шаг гирлянды равнялся 1,69 метра. Средняя длина темного промежутка между бусинками составила r = 1 метр. Средние длина и ширина бусинки равны 0,65 и 0,41 м соответственно, а площадь бокового сечения бусинки равна S=0,41x0,65
0,27 м2. На 15-м кадре осталась лишь одна бусинка в 33 метрах от шпиля. Она сместилась на 1,23 метра от следа исходной молнии. На кадре N 16 исчезли все бусинки, то есть молния "погасла" спустя время равное (1/25)x15=0,625 секунды после своего рождения.
Рис.3. Схематическое изображение кадра N 14 подтверждает, что сплошная линейная молния превратилась в гирлянду бусинок, или четок, которую невидимая силовая струна удерживает на месте, сопротивляясь силе ураганного ветра.
Поразительно, насколько хорошо совпадают результаты мгновенного наблюдения внимательного человека, сделанные им в грозу невооруженным глазом (см. Beadle D. G A Curious After-Effect of Lightning. "Nature", January 18, 1936, v. 137, p. 112), с нашими измерениями, сделанными в спокойной обстановке по "застывшим" кадрам видеофильма. Поскольку на эту работу ссылаются как на первоисточник во всех книгах по четочной молнии (см. например, Barry J. D. Ball lightning and bead lightning. New York and London, Plenum Press, 1980.298 p., русский перевод: Барри Дж. Шаровая и четочная молнии. - М.: Мир, 1983), процитируем ее практически целиком.
"Интересное наблюдение было сделано во время грозы, которая разразилась над Иоганнесбургом 5 декабря 1935 г. Буря, которая сопровождалась дождем, была жесточайшей из случившихся за несколько последних лет.
В самом разгаре бури особенно яркая вспышка ударила в землю в сотне ярдов
(1 ярд = 0,91 м) от наблюдателя; вспышка, казалось, была приблизительно в один фут (1 фут = 0,30 м) шириной и существовала, по крайней мере, в течение одной секунды. После того как вспышка угасла, осталась вереница ярко светящихся бусинок вдоль ее следа, которая была, скажем, три дюйма в диаметре. Расстояния между бусинками были как будто почти одинаковыми и равнялись, казалось, примерно двум футам. Они оставались видимыми примерно половину секунды; в течение этого времени они не подавали признаков какого-либо движения".
Но вернемся к результатам наших наблюдений. Если совместить кадры N 9 (с исходным изображением молнии) и N 14, контуры бусинок на четырнадцатом кадре либо полностью совпадут с исходным изображением, либо сместятся от него не более чем на метр. Допустим, что каждая бусинка составляет единое целое с тем воздухом, в котором она возникла. Допустим также, что темные промежутки между бусинками и есть тот невозмущенный воздух, который послужил исходным материалом как для молнии, так и для ее остатка - бусинок. Тогда ураганный ветер должен был бы отнести бусинки от шпиля башни на расстояние 43 м/с x(14-9)/25 с-19 м.
Но столь большое расхождение изображений было бы прекрасно заметно при совмещении кадров, в какой бы плоскости ни смещались бусинки, сносимые ветром.
Остается предположить не только то, что бусинки есть иной, чем воздух, материал, но и то, что контур их свечения ограничивает объем некоторого тела, границы которого яростно сопротивляются воздействию урагана. На высоте шпиля башни на каждую бусинку действует сила скоростного напора ветра, равная F=(pv2/2)xS(1,3x432/2)x0,27324 Н (32 кгс), где p1,3 кг/м3 - плотность воздуха. Но даже она не может сдвинуть бусинки с места, занятого ими в гирлянде.
Противостоять силе урагана способна лишь равная ей электрическая сила, которая действует на среднем расстоянии r = 1 метр между бусинками. Ее поле имеет напряженность порядка 
, где 
- электрическая постоянная. Чтобы создать такое поле, напряжение между бусинками должно быть около V=E x r1600000 вольт. Это огромная величина, если сравнивать ее c напряжениями, действующими в окружающих нас электрических машинах.
Таким образом, гирлянда бусинок, или четочная молния, сопротивляется силе ветра, как струна, туго натянутая между грозовым облаком и шпилем башни. Роль струны играют мощные электрические силы, ограниченные в пространстве тем каналом, который им подготовила распадающаяся молния. Но что заставило молнию разделиться на десятки регулярных периодов, составленных из пары: светящаяся бусинка - темный промежуток, пока остается загадкой.
Доктор технических наук, профессор МГТУ им. Н. Э. Баумана М. Марахтанов, аспирант Калифорнийского университета г. Беркли (США) А. Марахтанов.
Ниже приведены рисунки различных грозовых разрядов:
Наука и жизнь
