Вопросы изучения и моделирования неживой природы не ограничиваются изучением только минералов и процессов, которые активно проходят в них или развиваются с их помощью. Познаются также разнообразные природные физико-химические процессы, включая электрические и магнитные явления. Полученные результаты активно используются в практической деятельности человека. Вспомним, как выяснилась природа молнии, как создавали модель, поясняющую суть образования молнии, которая имеет значение в геофизических исследованиях.
В середине XVIII в. Б. Франклин, М. В. Ломоносов, Г. В. Рихман и другие ученые заложили основы проведения научного эксперимента и анализа атмосферно-электрических явлений, а потом использовали результаты исследований для создания средств защиты от молнии. После большого числа работ, выполненных на протяжении XVIII—XIX вв. в области атмосферного электричества метеорологами и геофизиками, наступил новый этап в исследованиях молнии, знаменующийся глубоким проникновением в познание природы атмосферного электричества. Это было связано с поистине героическими наблюдениями за неживой природой. Американский ученый — физик, писатель и политический деятель — Бенджамен Франклин первым показал, что молния, причудливыми зигзагами пересекающая небо, есть не что иное как электрический разряд. Такое открытие осуществлено в период с 1747 по 1753 г.
Для доказательства электрической природы молнии Б. Франклину нужно было извлечь электричество из атмосферы. Он это сделал с помощью воздушного змея. Во время дождя змей и веревка намокают, в силу чего становятся проводниками электричества. По мокрой веревке электричество стекает на землю. Получаемым электричеством можно зарядить лейденскую банку или зажечь спирт, а также сделать любые опыты с электричеством. Вот что записывал сам Б. Франклин по поводу аналогий между электричеством, полученным, например, при натирании стеклянного шара и из грозы. «Электрическая жидкость имеет с молнией следующее сходство. 1) Дает свет. 2) Тот же цвет света. 3) Ломаное направление. 4) Быстрота движения. 5) Проводится металлами. 6) Создает треск или шум при взрыве. 7) Встречается в воде или во льду. 8) Разрывает предметы, через которые проходит. 9) Убивает животных. 10) Плавит материалы. 11) Зажигает легко воспламеняющиеся вещества. 12) Серный запах. Электрическая жидкость притягивается остриями…».
Так аналогии между лабораторным опытом и природным явлением сначала помогли классифицировать природное явление. Конечно, и здесь были у Б. Франклина предшественники, в первую очередь те, кто изучал минерал янтарь.
Интересно, что ряд соображений относится к аналогиям между электрической искрой янтаря и молнией. На стыке XVII и XVIII вв. англичанин д-р Уолл высказал предположение, что потрескивание при натирании янтаря имеет ту же природу, что и молния с громом. Но все же это была лишь наводящая мысль. После выяснения электрической природы молнии Б. Франклин изобрел громоотвод в виде металлического стержня, облегчающего путь электричества в землю из облака и предохраняющего от попадания молнии непосредственно в здание. Так был создан прибор геонического типа «молниепровод», основанный на наблюдениях за неживой природой. Отдельные опыты проводились с риском для жизни. Но Б. Франклину везло. Здесь нельзя также не сказать об исследованиях М. В. Ломоносова и Г. В. Рихмана, которые также были направлены на создание моделей природных процессов.
Г. В. Рихман погиб от молнии, проводя наблюдения в период грозы. Трагическая гибель ученого и сегодня служит великим примером служений науке.
М. В. Ломоносов разработал теорию атмосферного электричества, осуществляя наблюдения за грозовыми явлениями. Независимо от французского физика Л. Г. Лемонье им была обнаружена электрическая активность в атмосфере, когда молния и гром отсутствовали. М. В. Ломоносовым установлены восходящие и нисходящие потоки воздуха, которые электризуются от трения при перемещении относительно друг друга. Так наблюдения за неживой природой приводят к построению моделей, ведущих к совершенствованию теорий или созданию новых геофизических приборов.
В наши дни проводятся углубленные исследования грозовых явлений и на их основе, с одной стороны, разрабатываются методы борьбы с молнией, а с другой — пополняются сведения о законах электрических явлений. Б. Франклин изучал поведение молнии с помощью игрушки — летающего змея. Сегодня геофизические обсерватории снаряжают авиационные экспедиции в грозовые облака. Самолеты, на борту которых установлено большое число приборов для наблюдения за электрическими явлениями, подлетают к грозовым облакам, ученые изучают молнии, разрабатывают способы защиты летательных аппаратов. Этот самоотверженный труд исследователей прекрасно описан в книге Д. Гранина «Иду на грозу».
В Энергетическом институте им. Г. М. Кржижановского проводятся работы по изучению механизма образования молний, которые используются при проектировании линий электропередач.
Существующая сейчас теория электромагнитного поля во многом построена на источниках типа магнитного диполя и электрического диполя, в основе которой лежит изучение магнита и янтаря, тока, протекающего в витке провода и в молнии. Свойства этих источников сформулированы и описаны сейчас в виде изящных математических формул, следующих из уравнения Д. Максвелла.
Гроза в городе — фотографии молний при большой выдержке: видны самые разнообразные их пути — вертикальные и горизонтальные
Как научно представить себе грозу? Она может быть по теории представлена в виде вертикального электрического диполя и реже — наклонного. Длинные светлые линии на фотографии молнии — это и есть вертикальные электрические диполи. Вертикальный электрический диполь возникает при обратном разряде земля — облако, а горизонтальный и наклонный — при разряде облако — облако. Число разрядов составляет многие десятки в секунду.
Значительная часть молний не выходит за пределы одного грозового облака. Часть молний сверкает от облака к облаку и лишь третья или четвертая молния ударяет из облаков в землю с продолжительностью удара в доли секунды. При таком большом числе разрядов источник в равной степени может быть представлен и магнитным диполем, который в общем случае изображается в виде витка с током, т. е. набор отдельных наклонных и горизонтальных линий образует кольцо. Эта модель была предложена автором книги вместе с Н. И. Калашниковым и В. И. Гордиенко на основании анализа результатов многочисленных наблюдений за естественными электромагнитными полями. Ее особенность состоит в том, что в разные моменты источники могут иметь разный тип и у них могут быть три режима работы. Один — когда оба источника, электрический и магнитный, развиты одинаково сильно, второй — когда вертикальный электрический диполь преобладает над магнитным и третий — когда наиболее сильно действует магнитный диполь. Таким образом, комбинированный источник (назовем его электромагнитным) является наиболее универсальным. Его можно использовать в самых различных технических устройствах: геофизических, радионавигационных, гидрофизических и др.
На изучении электромагнитного поля гроз основан один из геофизических методов. Наблюдениями отмечено, что молнии часто попадают в месторождения электропроводных руд. Определяя частоту попадания молний в тот или иной район, можно было бы сделать предположение о том, что здесь находится рудное тело. А на практике используют само электромагнитное поле гроз с целью поисков месторождений полезных ископаемых. Наблюдатель применяет прибор, антенны которого настроены на прием сигналов, зависящих от электрических и магнитных характеристик гроз. Наличие рудного тела искажает электромагнитное поле. В нем появляются аномальные отклонения.
И еще одна загадка молнии. У Аристотеля (IV в. до н. э.) имеются упоминания о разновидности грозового разряда — шаровой молнии. Систематическое изучение этого явления продолжается с 1838 г. Был опубликован обзор наблюдавшихся в природе свойств молнии, составленный членом Парижской академии наук Д. Араго. Хотя с той поры прошло довольно много времени, но до сих пор нет теории шаровой молнии. Книги и статьи, в которых собраны наблюдения за шаровыми молниями, специальные модельные эксперименты пока не помогли в этом. Предложено более 150 моделей шаровой молнии. При экспериментах наблюдались долгоживущие плазменные образования, однако нет уверенности, что была получена действительно шаровая молния. Основная сложность состоит в том, что пока достоверно не изучены ее свойства. Шаровая молния очень редко наблюдается в природе, поэтому даже не все ученые, ведущие исследования этой молнии, видели ее своими глазами.
Из результатов наблюдений удалось составить общее описание шаровой молнии. Ее размеры в среднем 10—30 см, иногда до 2 см, продолжительность существования измеряется единицами минут. Скорость перемещения молнии в среднем 2 м/с, но имеются и случаи, когда скорость составляла до 0,5 км/с. Нередко молнии исчезают незаметно, подчас бывают случаи, когда они взрываются. Установлено, что шаровые молнии являются источником, который излучает магнитное поле, поле радиоволн и звуковые колебания. Излучение молнии пульсирует. По-видимому, шаровая молния дает ультрафиолетовое излучение. Вопрос об ионизирующем излучении рентгеновского характера не решен окончательно. Тем не менее известен случай, когда была зарегистрирована мощность дозы 1 Р/мин. Сильные поражения находившихся вблизи шаровой молнии можно объяснить лучевым воздействием. Молния может иметь грушевидную, веретенообразную, тороидальную или сферическую форму. Цвет чаще всего желто-красный. К числу не вполне доказанных свойств шаровой молнии относится ее способность проникать внутрь замкнутых объемов, например самолетов.
Мы считаем, что такая молния — явление сложного типа, в котором одновременно проявляется комплекс разнообразных излучений. Теория таких сложных излучателей должна отличаться от представлений об отдельных самостоятельных излучателях. По нашему мнению, она может быть более точно представлена в виде сложного источника поля — одновременно работающих электрического и магнитного диполей. Указанное явление настолько сложное, что его можно изучить только по природным данным. Но и это сегодня пока трудно осуществить.
Проблема исследования шаровой молнии требует комплексного усилия ученых — физиков, включая радиофизиков, специалистов по атмосферному электричеству, химиков, метеорологов и геофизиков.
Природные токи текут и в Земле. Одним из первых исследователей, наблюдавших электрические токи в Земле, был английский ученый Р. В. Фокс. В 1830 г. он сделал сообщение Лондонскому королевскому обществу, в котором изложил результаты своих наблюдений на медных рудниках Корнуолла, доказывающих существование электрического поля нашей планеты. Р. В. Фокс собирал цепь, состоящую из электродов, проводов и измерительного прибора. В качестве электродов он брал медные пластинки и прибивал их к рудной жиле медными гвоздями или прижимал с помощью подпорок. Электроды присоединялись к прибору медной проволокой. В приборе использовалась магнитная стрелка, которая размещалась внутри соленоида, содержащего 25 витков медной проволоки. Соленоид соединялся с электродами. Они располагались на поверхности жил с медной рудой и нерудных стенок выработки. Расстояние между электродами изменяли от единиц до сотен метров. На основании полученных результатов было зафиксировано наличие токов в Земле. Р. В. Фокс считал, что эти токи обусловлены электрическим полем, существующим так же, как магнитное поле Земли. Рудные жилы считались проводниками токов, возникающих в электрическом поле. В работе Р. В. Фокса сделана общая оценка электрического сопротивления сульфидных минералов и окислов, а также отмечена возможность применения предложенного метода в геологии для определения степени обогащения рудой исследуемого участка. Ныне естественное электрическое поле широко изучается с целью поисков рудных тел.
В СССР большую роль в создании и развитии таких методов электроразведки сыграл один из основоположников отечественной геофизики А. А. Петровский и его ученик профессор А. С. Семенов. Коллективным трудом ученых удалось понять физику процесса. С чем же связано электрическое поле над рудным телом? Оказывается, рудное тело и окружающая его среда создают своеобразный гальванический элемент. Образование элемента тесно связано с водами, циркулирующими около рудного тела. Просачиваясь сверху вниз, взаимодействуя с окружающими породами и рудами, воды изменяют свой состав, что приводит к соответствующим электрическим изменениям. Подземные воды, растворяя соли руд и вмещающих пород, становятся ионными проводниками. На границе ионного проводника и электропроводного рудного тела появляется разность потенциалов. Она приводит к возникновению зарядов на поверхности рудного тела. Обычно верхняя часть ионной среды на границе с проводником заряжается отрицательно, а нижняя — положительно. Так образуется природный гальванический элемент, который был обнаружен в недрах Земли. Изучение идущих в нем процессов позволяет сделать техническую модель природного источника тока в виде своеобразной батарейки. Фактически это тот же элемент, который сделал А. Вольта. Так что если бы не было биологического открытия Л. Гальвани, то со временем аналогичное по значению открытие сделал бы Р. В. Фокс.
Схема электрических токов около рудного тела (по А. С. Семенову)
Знание работы природных «батареек» позволяет выяснить принцип их действия и в других случаях, включая биологические. Например, у трубочистов в складки кожи попадает сажа, которая смачивается потом сальных желез. Сажа является электронным проводником, окружающий воздух содержит кислород, а пот, предположим, имеет слабо щелочную реакцию. Взаимодействие электропроводной сажи с кислородом воздуха и выделениями пота приводит к появлению на поверхности кожи микроэлемента. Электрический ток такого микроэлемента проходит через тело.
В природных условиях наблюдаются аномалии так называемого естественного электрического поля над месторождениями антрацитов, сажистых, углистых и графитизированных горных пород. Естественные электрические поля возникают, когда перечисленные горные породы, обладающие высокой удельной электропроводностью, попадают в созданные действием природных сил окислительно-восстановительные условия: кислород воздуха сверху (или воды, богатые кислородом) и воды, имеющие щелочную реакцию, в глубоких частях месторождения. Напряженность естественных электрических полей над графитизированными или углистыми горными породами может достигать десятков и сотен милливольт. По результатам измерений, выполненных автором, напряженность в десятки милливольт могут иметь естественные электрические поля, возникающие на границе электропроводной сажи и биологической среды. Л. Гальвани, А. Вольта, Р. В. Фокс в своих работах затронули большой круг явлений, который еще долго будет источником знаний.
Источник: Г.С. Франтов. Геология и живая природа. (Уровни организации вещества, бионика и геоника, клетки и газово-жидкостные включения). Изд-во «Недра». Ленинград. 1982