ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В АТМОСФЕРЕ
ПОЧЕМУ "МАТКА ДУРИТ НА ПАЗОРЯХ"
Осенью 1581 г. город Псков был осажден войсками польского короля Стефана Батория. В осажденном городе не сегодня-завтра ждали приступа неприятельских войск. Напряженное ожидание ужасного кровопролития искало "чуда", и оно совершилось: в ночь на 28 августа старый кузнец Дорофей, живший в углу города близ Покровского монастыря, увидел, как на небе, влево от Мирожского монастыря, появился большой свет и столб, двигавшийся за городской стеной и освещающий ее, причем воображение полуслепого старца рассмотрело под этим светом богородицу и сонм святых, псковских покровителей: князя Довмонта, богатырский меч которого висел в соборе, Всеволода, Владимира, юродивого Микулу и др. Все они стояли на городской стене и при свете небесного сияния уговаривали богородицу заступиться за Псков…
В ту же ночь в стане Батория, за рекой Великой, в походной палатке, в войсковой канцелярии один из свидетелей похода записывает в дневнике: "Сегодня и в прежние ночи видны на небе знаки, как бы столбы, которые представляют подобие двух конных войск… Но дива тут нет никакого, а скорее какая-нибудь игра природы, испарения и пр".
Явление, наблюдавшееся над Псковом в ночь накануне осады, было северным сиянием (рис. 76). В Пскове видели в нем чудо, а в стане Батория объясняли естественным путем, хотя в те времена еще не была известна действительная причина, вызывающая эти явления. Их боялись тогда не только во Пскове и вообще на Руси: в Западной Европе эти небесные огни тоже часто истолковывались, как признак грядущей войны.
Рис. 76. План юго-западного угла города Пскова, откуда кузнец Дорофей видел северное сияние, свет которого, освещая городскую стену, показался ему чудесным явлением.
Полярные сияния вызывали суеверный ужас своей игрой и разнообразием эффектов главным образом в умеренных широтах, где они вообще бывают видны не часто. Житель севера к ним более привычен. В Скандинавии и Финляндии их не боятся. Нашим "поморам", жителям Северного края, казалось, что это "ангелы играют на небесах". Предки Ломоносова хорошо знали это явление и умели различать отдельные его фазы, называя явление в целом "пазорями" или "сполохами". Начало пазорей, когда на севере начнет как бы разливаться бледный белый свет, подобный Млечному Пути, называется "отбелью" или "белью". Следующий затем переход, когда "отбель" сначала принимает розовый оттенок, потом постепенно багровеет, называется "зори", "зорники". После "зорей" начинают раскидываться по небу млечные полосы — "лучи". Если явление продолжается, — лучи багровеют и постепенно превращаются в яркие, красные и других цветов радуги — "столбы". "Столбы" краснеют все более и более — "багрецы наливаются". "Столбы" сходятся и расходятся—"столбы играют". Когда слышится треск, — это называют "сполохами". Если столбы мерцают, то говорят "зори и столбы дышат". Так, по Мельникову-Печерскому у поморы изображают ход полярного сияния Но самым замечательным наблюдением, быть может, опередившим научное его открытие, является факт, подмеченный нашими поморами: "на пазорях матка дурит". Маткой архангельские моряки называют компас; по их наблюдениям магнитная стрелка компаса теряет свое спокойствие во время полярных сияний, и начинает "дурить" — делать беспорядочные движения.
Рис. 77. Запись магнитографом магнитной бури во время северного сияния 14 ноября 1926 г. в Перми.
Что же представляет собою полярное сияние и почему во время его вспышек содрогается магнитная стрелка? Еще гениальный Ломоносов, с детства ломавший голову над причинами этого явления, допускал электрическую природу полярных сияний. Но он думал, что оно вызывается трением снежных кристаллов, плавающих в атмосфере на большой высоте — "мерзлый пар среди зимы рождает пожар". Первым толчком к правильному объяснению северных сияний послужило предположение германского физика Гольдштейна, что Солнце испускает электрические лучи, подобные катодным, и этим объясняется таинственная связь между изменением в пятнах на Солнце и магнитными и электрическими колебаниями на Земле. Огни сияний как бы наглядно демонстрируют эту зависимость. Дальше мысли эти развивались в деталях, но сущность их осталась та же. В 1896 г. проф. Биркеланд опытным путем доказал, что это воззрение справедливо. Он поместил в огромной разрядной камере небольшой шарообразный электромагнит на пути пущенных в камеру катодных Лучей. Как только начинал действовать электромагнит, катодные лучи окружали шар двумя венцами света у ее полюсов.
В настоящее время изучением северных сияний усиленно занимается шведский ученый Штермер. Он фотографирует и кинематографирует их из разных пунктов, связанных телефоном, вследствие чего возможно определить форму сияний, их высоту и др. особенности. Оказалось, что обычная высота, на которой сияния наблюдаются, — 100 км, колеблясь от 80 до 200 км. Верхние же части сияний в некоторых случаях доходят до 1000 км.
Полярные сияния имеют 27-дневную периодичность в зависимости от вращения Солнца вокруг оси. Через этот промежуток времени бывает обращена к Земле одна и та же группа пятен, с которой сияние связано. А так как пятнообразовательная деятельность на Солнце усиливается через 11 лет, то и сияния обладают 11-летней периодичностью (рис 79).
Рис. 79. Зависимость в ходе северных сияний (нижняя кривая) от солнечных пятен (верхняя кривая) 1830–1926 гг. В 1872 г. северных сияний было особенно много, как и пятен на Солнце в 1870 г.
ТАЙНА ГРОМОВЫХ РАСКАТОВ
"Стукотит — гуркотит — сто коней бежит", — так изображает народная загадка характерные громовые раскаты, начинающиеся обыкновенно со слабых, словно отдаленных, затем усиливающиеся, достигающие наибольшей силы и постепенно ослабевающие. До сих пор раскаты объяснялись отражением одного удара от воздушных слоев различной плотности, порождающим ряд разнообразнейших "эхо", которые достигают нашего уха в разное время. Наряду с этим, однако, известно, что когда гроза проходит прямо над головой наблюдателя, гром имеет совсем другой характер, напоминающий выстрел или треск, внезапно разражающийся коротко и оглушительно; лишь после этого иногда слышно незначительное эхо. При этом внезапный удар грома следует почти непосредственно после молнии или даже сливается с нею, тогда как в прочих случаях между молнией и громом протекает иногда заметное время; по протекшему промежутку времени часто приблизительно определяют расстояние, на котором произошел разряд атмосферного электричества, т. к. свет распространяется почти мгновенно, а звук сравнительно медленно.
В настоящее время, после работ венского ученого Шмидта, для полного объяснения громовых раскатов нужно принять во внимание не только звуковые волны распространяющиеся после разряда молнии, но и так называемые "взрывные волны". Последние возникают при взрывах вследствие быстрого образования большого количества газов, вызывающих давление в тысячи атмосфер. Напором этих газов моментально оттесняется ближайший слой воздуха, что и вызывает взрывную волну, распространяющуюся во все стороны. В передней части взрывной волны образуется сильное сгущение воздуха, сзади — большое разрежение. Такая волна бежит быстрее звуковой, но расходясь от места взрыва, она делается слабее по мере того, как сгущение в ее передней части ослабевает. Разрушаясь и видоизменяясь, волна постепенно из взрывной превращается в звуковую.
Молния — это электрическая искра громадного размера и, конечно, также производит взрывные волны, но волны эти быстро ослабевают по мере удаления от места разряда. Выяснено, что колебание воздушных частиц, распространяющихся со скоростью большей, чем звуковая волна, воспринимаются ухом как треск, и этот-то треск мы и слышим в момент разряда над нашей головой.
В чем же тогда заключается тайна продолжительных громовых раскатов, когда разряд молнии происходит на некотором расстоянии от наблюдателя?
Фотографии молнии показывают нам, что она состоит не из одной искры, а из ряда искровых разрядов (рис. 80), порождающих целую систему взрывных волн, распространяющихся с разными особенностями. До наблюдателя доходят разные фронты этих волн, взаимно перекрещивающихся. Кроме того, в виду большой длины молнии, путь, проходимый ею через слои воздуха разной плотности, дает неоднородную взрывную волну. Наконец, не исключена возможность и отраженного "эхо" от слоев воздуха.
Теперь мы яснее представляем себе, почему так сложны те раскаты грома, то затихающие, то вновь усиливающиеся, которые мы обычно наблюдаем в грозу и которые народ приравнивает к топоту "ста коней".
Рис. 80. Рисунок с фотографии молнии во время грозы.
ЗАГАДОЧНЫЕ ПРЕСТУПЛЕНИЯ МОЛНИИ
На могиле Веньямина Франклина надпись гласит, что он "похитил с неба молнию". Действительно, с именем этого замечательного человека связано раскрытие тайны молнии: кто не слыхал о знаменитом змее Франклина, который он запускал, чтобы извлечь электрическую искру из туч по металлическому проводу, протянутому к змею?
В первый раз известие о великом открытии Франклина сообщено русским читателям в "С.-Петербургских Ведомостях" 1752 г.:
"В Филадельфии, в Северной Америке, господин Вениамин Франклин столь далеко отважился, что хочет вытягивать из атмосферы тот страшный огонь, который часто целые земли погубляет. А именно, делал он опыты, для изведания, не одинакова ль материя молнии и электрической силы, — и действие догадку его так подтвердило".
В том же году Ломоносов и Рихман хотели повторить опыт Франклина, но гроз в С.-Петербурге не было, и только в следующем они дождались их. Квартиры Рихмана на 5-й линии Вас. Острова и Ломоносова на 2-й линии были приспособлены к опытам. На крышах их красовались шесты, от которых внутрь квартир были проведены железные цепи. Конечно, это были не громоотводы, а настоящие громоприводы; мысль о сооружении подобных смертоносных "машин" теперь представляется нам безумием, но тогда это было далеко не ясно нашим ученым, и они не подозревали, какой опасности подвергали свои жилища. Стремление к раскрытию тайн атмосферного электричества у наших ученых, очевидно, было сильнее сознания собственной безопасности. Исход этих опытов был роковым: Рихман был убит голубоватой шаровой молнией, выскочившей из прута, проведенного в его квартиру, Ломоносов остался жив лишь благодаря случаю. Ломоносов так писал об этом Шувалову:
"Я не знаю еще, или по последней мере сомневаюсь, жив ли я, или мертв. Я вижу, что проф. Рихмана громом убило в тех же точно обстоятельствах, в которых я был в то же самое время. Выставленную громовую машину посмотрев, не видел я ни малого признаку электрической силы. Однако, пока кушанье на стол ставили, дождался я нарочитых электрических из проволоки искр, и к тому пришла моя жена и другие. И как я, так и они беспрестанно до проволоки и до привешенного, прута дотыкались… Внезапно гром чрезвычайно грянул в самое то время, как я руку держал у железа и искры трещали. Все от меня прочь бежали. И жена просила, чтобы я прочь шел. Любопытство удержало меня еще две-три минуты, пока мне сказали, что шти простынут… Только я за столом посидел несколько минут, внезапно дверь отворил человек покойного Рихмана, весь в слезах… Он чуть выговаривал: профессора громом зашибло".
Рис. 81. Снимок с аэроплана разряда молнии.
Смерть Рихмана взволновала весь Петербург. Ломоносов просил Шувалова, "чтобы сей смертный случай не был протолкован противу приращения наук, — всепокорнейше прошу науки миловать". На академическом заседании была даже снята речь Ломоносова об электричестве "по причине случая смертного с проф. Рихманом". Нашлись и такие люди, которые трунили над учеными: хотел других спасти от грозы, а сам был убит…
Со времени смерти Рихмана прошло почти два века. Теперь никто уже таких опасных опытов делать не станет. "Машины" наших академиков из громоприводных стали громоотводами. Люди начали постигать тайну шаровой молнии, некогда поразившей Рихмана. Умерший недавно физик Штейнметц в Америке получил в лабораторий искусственную шаровую молнию. Подобные же опыты были поставлены у нас (в лаборатории проф. Чернышева в Ленинграде) физиком Москвиным и тоже дали успешные результаты. Цилиндрический сосуд с двумя электродами наполнялся газом — аргоном. Верхним электродом служила платиновая пластинка, нижним — поверхность щелочного металла (натрия), нагреваемого выше температуры плавления. Вблизи поверхности металла возникали отдельные светящиеся образования шаровидной формы. Они медленно двигались к другому электроду и, не достигнув его, плавно уклонялись в сторону и исчезали. Правда, такие шарики не превышали 10 мм в диаметре, и до настоящих шаровых молний им еще далеко. Но все же явление, подобное шаровой молнии, воспроизведено.
За последнее время французский физик Матиас высказал мысль, что шаровая молния происходит от особой грозовой материи, образующейся в воздушном канале, по которому проскакивает линейная молния. Эта накаленная материя светится красным или желтым цветом, иногда голубоватым, еще реже зеленым. Постепенно остывая с поверхности, грозовая материя стремится принять шаровую форму вследствие поверхностного натяжения. Выйдя из канала, шаровая молния приобретает самостоятельное, иногда очень причудливое движение. Это объясняется тем, что шар молнии подчиняется закону "сфероидального состояния жидкостей" только вместо капли воды, бегающей по раскаленной плите, мы имеем рас саленное ядро в соприкосновении с предметами, имеющими более низкие температуры. Цвет молнии объясняется ее химическим составом. Органические вещества в воздухе придают грозовой материи красный или желтый цвет, прохождение же шаровой молнии по металлическим предметам окрашивает ее в голубой или зеленый цвет. Вот почему шаровая молния, убившая Рихмана, была голубой.
Однако, не все еще тайны молнии раскрыты. Ежегодно приходят сообщения о разнообразных случаях поражения молнией, где не все объяснимо. Так, 28 июня 1926 г. близ Стрельны, под Ленинградом, молния пробила досчатую крышу низкого сарая, окруженного высокими зданиями и деревьями, и убила стоящих внутри над кормушками двух лошадей, опалив им головы от челюстей до ушей, так как ток очевидно прошел по уздечкам. Корова же, стоявшая рядом, осталась невредима. 3 мая 1925 г. в Пермяцком округе убита лошадь в конюшне, ей отрезало язык — и больше никаких повреждений! Быть может, и здесь все дело в уздечке. 7 августа 1925 г. во время сильной грозы в Новосибирске молния ударила в столб осветительной сети, верхушку которой растрепало. Разряд распространился по сети, и загорелось три трансформатора. Разряд был настолько силен, что его не могли принять шесть громоотводов (роговых на трансформаторах), а громоотвод электростанции выбросил такой пучок лучей, что сторож подумал, что станция горит. У абонентов испортилось множество лампочек. В доме, находившемся против разрушенного столба осветительной сети, после удара оказалось разбитым зеркало, лежавшее горизонтально на столе; на поверхности находились ножницы, отброшенные в сторону. Очевидно, зеркало с амальгамированной задней поверхностью и лежащими на нем ножницами составило естественный конденсатор.
Вот еще примеры. 8 сентября 1926 г. в Переславле Залесском молния ударила в провода и расщепила шесть телефонных столбов. Разряд передался на телефонную станцию, где перегорело семь предохранителей на столбе у станции и у некоторых абонентов. Затем разряд передался в почтово-телеграфную контору по проводу, по которому передавали телеграмму. На телеграфном аппарате помещался громоотвод с волнистыми поверхностями из темного металла. В момент грозового разряда из промежутка между этими поверхностями, при треске, похожем на взрыв пистона, вылетел огненный шарик, величиною с горошину. Он пролетел семь метров и исчез, коснувшись металлических частей десятичных весов.
17 июля 1927 г. в с. Измайлове, под Москвой, внезапно налетевшей грозой ударило в антенну, прикрепленную к ели, под которой стояли наблюдатели. Наверху антенны появился голубоватый шар с размытыми краями. Он мгновенно скользнул по антенне к окну, и раздался оглушительный треск. Из окна дачи, где стоял приемник, вырвался столб красно-бурого дыма и сразу исчез. Антенны длиной в 30 м как не бывало! Окно, куда входил провод, опалено. А лежавший поблизости нож на столе покрылся медными пятнами.
В Голштинии (Германия) 14 ноября 1926 г. после грозы были найдены на полях до 20 убитых гусей-казарок с ожогами на брюшной стороне. Очевидно, молния ударила в стаю и прошла вдоль по гусям, летящим шеренгой.
"ОГНИ СВ. ЭЛЬМА"
Не всегда однако электричество ведет себя так жестоко. Явление, известное под именем "огней св. Эльма", представляет исключительно эффектную и совершенно безобидную картину. Это так называемый "тихий разряд" электричества, который проявляется свечением на остриях различных предметов. Свечение слабое, так что днем его часто можно не заметить; иногда оно сопровождается легким треском и свистом. Часто "огни св. Эльма" наблюдаются при грозовом состоянии воздуха, на мачтах и снастях парусных судов (рис. 82).
Рис. 82. «Огни св. Эльма» на мачтах и снастях.
Нередко их можно также видеть в горах. Один из инженеров, работающих в Скалистых горах в Колорадо, пишет:
"Свечение, сопровождаемое своеобразными свистящими и трещащими звуками, весьма часто наблюдается в горах Колорадо. Наши горняки, инженеры и кондуктора поездов на горных линиях, живущие, можно сказать, в самой гуще этих электрических явлений, нередко очень забавляются страхом, который они вызывают у непривычных путешественников. Особенно забавно бывает, когда у какой-нибудь "кисейной барышни" волосы встают на голове дыбом и светятся, точно у мифической фурии! Я часто слышал при этих явлениях определенные звуки на высотах около 2000 м; на больших высотах они нередко становятся прямо-таки страшными".
Некоторые старые шахтеры считают, что характер электрических явлений на поверхности земли может дать представление о залегающих в глубине металлических рудах; возможно, что в этом есть некоторая доля правды.
Свечение Андов — явление "огней св. Эльма" в грандиозном масштабе: вершины гор светятся огненными языками (рис. 83).
Рис. 83. Свечение Андов