Реферат: Электрофонные болиды

Термином электрофонный болид в астрофизике называют редко наблюдаемое природное явление - аномальные звуки, сопровождающие полет ярких метеоров. К электрофонным относятся также болиды, которые сопровождаются электромагнитными возмущениями - радиошумами, прослушиваемыми на обычных приемниках, или наводками статического электричества на поверхности земли и на предметах, возникающими одновременно с полетом болида.

Известно, что звук распространяется в воздухе со скоростью около 330 м/с, и, следовательно, чтобы достичь наблюдателя, который отстоит от летящего болида на многие десятки и даже сотни километров, ему требуется никак не меньше нескольких десятков секунд. Однако очевидцы говорят о звуках, одновременных с полетом болида. Как и чем можно объяснить столь удивительное явление?

Само явление загадочных звуков с неба известно еще с 585 г. (Франция). Описания наблюдений таких явлений встречаются в китайских и русских летописях. Отношение ученых к "звучащим" болидам неоднозначно. Одни считали их заблуждением, другие призывали тщательно исследовать каждый случай наблюдения такого болида. В специальных каталогах собрано более 560 случаев наблюдений "звучащих" болидов. Сегодня можно считать доказанным, что аномальные звуки - реальный факт, основанный на большом числе достоверных наблюдений. Термин "электрофонные болиды" для обозначения этого необычного явления был предложен сибирским ученым - геологом, географом и краеведом П. Л. Дравертом. Большой вклад в изучение электрофонных болидов внесли советские исследователи П. Л. Драверт, И. С. Астапович, В. С. Гребенников, В. А. Бронштэн и другие, опубликовавшие несколько статей об этих объектах. За рубежом изучением подобных явлений занимаются Н. Диггелен (Голландия), Э. Уэсткотт (Аляска), А. Фрей, М. Ромиг и Д. Ламар (США), К. Кэй (Австралия) и др.

В 1988 г. автор выполнил статистический анализ всех наблюдений, внесенных в каталоги. Эти наблюдения представлены в повествовательной форме и выполнены, как правило, случайными людьми. В редких случаях они дополнены простыми рисунками или специальными картами, составленными специалистами на основе показаний очевидцев.

А есть такие, частота которых достигает многих тысяч герц (свист). Реально частотный диапазон аномальных звуков, по-видимому, значительно шире и захватывает области акустических колебаний, инфра- и ультразвуки. Есть данные, подтверждающие это положение.

Так, не все очевидцы полета одного болида слышат аномальные звуки, а среди слышавших можно встретить людей, которые утверждают, что звуки возникли до появления болида. Например:

7 апреля 1978 г., 4:04. Болид пролетел над густо населенными районами Нового Южного Уэльса (Австралия), включая город Сидней. Он имел яркость -16m и за время видимости испытал мощную вспышку, после чего пролетел еще 130 км и на высоте 15 км прекратил существование. К. Кэю удалось опросить 33 очевидца, из которых 10 человек сообщили о слышимости звуков типа шипения, треска, жужжания и свиста, одновременных с полетом болида. Трое из этих десяти с определенностью заявили, что сперва услышали звуки, а уже потом увидели сам болид [1, 2].

Интересны описания, в которых аномальные звуки слышали только дети: у них верхний предел по частоте выше, чем у взрослых. Это говорит о гораздо более широком спектре звукового излучения электрофонных болидов, чем принято считать.

Еще более показательна реакция животных на болиды с электрофонными явлениями.

30 июня 1928 г. В штате Техас (США) внимание наблюдателя к болиду привлекли рычание и лай собаки, затем наблюдатель услышал шипение, повернул голову и увидел болид [3].

Другие животные ведут себя так: куры начинают волноваться и бегать в разных направлениях, гуси встают на ноги и хлопают крыльями, овцы пугаются и сбиваются в кучу, лошади падают на колени, а волы останавливаются как вкопанные.

Слышимость опережающих звуков человеком и поведение животных станут понятными, если вспомнить о частотном пороге восприятия звука.

Принято считать, что человек слышит звук в диапазоне частот от 20 Гц до 20 кГц, причем наибольшей чувствительностью ухо обладает в области частот 1-5 кГц. В действительности эти границы во многом условны, относятся к "стандартному" органу слуха человека, и для какого-либо конкретного наблюдателя могут быть как сужены, так и расширены. На частотный порог восприятия звука влияют многие факторы: различные дефекты слухового аппарата, состояние наблюдателя (часто стрессовое) и т. д. Порог восприятия кроме того зависит от возраста наблюдателя (рис. 2). У пожилых людей чувствительность уха к звукам высокой частоты снижены во много раз. В отличие от человека, частотный ч диапазон слышимости звука животными выходит далеко за пределы 20 Гц - 20 кГц и, как правило, верхняя граница частоты много больше 20 кГц. Можно напомнить, например, известный свисток Гальтона, излучающий ультразвуковые волны, на который реагируют собаки.

Вторгаясь из космоса в верхние слои атмосферы, метеорное тело порождает аномальные звуки, частота которых либо очень низка, либо очень велика, так что воспринять их могут только люди с необычно острым слухом или животные. По мере снижения метеорного тела сопротивление атмосферы растет и, когда плотность воздуха становится больше 2.4•10-11 г/см3 (высота менее 120 км), наблюдатель видит вспыхнувший болид; при этом частота аномальных звуков увеличивается (уменьшается), попадая в диапазон нормальной работы органа слуха человека.

Таково возможное объяснение слышимости опережающих звуков и поведения животных. Известны также случаи изменения частоты звука при движении болида. Например:

10 мая 1944 г., 23:20. Болид яркостью -15т пролетел с севера на юг над Каракалинским районом Ашхабадской области, в полете менял цвет с желтого на оранжево-красный; он имел хвост длиной 2°. После себя оставил тонкий яркий след, видимый несколько десятков секунд. Прохожие вскрикивали и останавливались. А. Н. Пейч, музыкант по профессии, отметил, что звук, слышимый одновременно с полетом болида, повышался вверх, убыстряясь в высоте тона, а затем быстро оборвался. Болид испытал вспышку на высоте 84 км и па высоте 32 км погас [4].

Еще в 1951 г. советский наблюдатель метеоров И. С. Астапович, составивший первый каталог электрофонных болидов, специально отметил несколько случаев изменения характера звука при полете: переход свиста (в начале) в шипение (к концу), повышение высоты тона (к концу). Число подобных случаев невелико.

Статистическое изучение болидов показывает, что имеется корреляция между звуком и такими явлениями, как вспышки, искрообразование, появление следа и т. п. Весьма показательно в этом отношении следующее наблюдение:

26 марта 1936 г., 21:15. Видимый во многих населенных пунктах Красноярского края, яркий оранжевый болид с хвостом летел под углом 25-30° к горизонту. По сообщению В. К. Добрынина, полет сопровождался сильным освещением местности и шумом. За хвостом - коричневый дым. Спустя 2-2,5 мин послышался сильный удар с раскатом. Как свидетельствуют другие очевидцы, огненный шар разорвался в воздухе, и этот разрыв сопровождался звуками выстрелов [2, 5].

Звук в момент дробления болида отмечается сравнительно часто. Другое любопытное явление: "звучание" хвоста при изменении его длины ("раздался треск и хвост вытянулся").

Имеются также три сообщения о возникновении звука, когда болид сближался с каким-либо объектом: с деревьями, горой и тучами. Сбор таких сообщений следует продолжить, пока их слишком мало.

Аномальные звуки болидов могут быть услышаны по радиоприемнику, правда не в таком большом разнообразии как при восприятии их непосредственно ухом. Характер радиозвука - это свист или помехи типа треска.

26 декабря 1933 г., 17:30. Болид шарообразной формы с коротким хвостом вначале имел белый цвет, перешедший затем в сине-зеленый, голубой и красный перед погасанием. Погас, распавшись на две группы. В поселке Первомайский Владимирской области В. И. Пурин вместе с И. Г. Гуриным слушали радио, но когда комнату осветило, то передачу прервало и из динамика послышались треск и удары. Другой очевидец, Н. Ф. Морозов, также отметил, что одновременно с появлением болида по радиоприемнику раздался треск [2].

Электрическое воздействие болидов не ограничивается радиопомехами. Широко известен, например, случай сильного электрического воздействия на человека при падении Сихотэ-Алинского метеорита. 12 февраля 1947 г. электрик, чинивший отключенные провода на телефонном столбе, который находился в 15 км от места падения, во время вспышки болида получил мощный удар от электрического разряда, к счастью, оказавшийся несмертельным [3]. А сравнительно недавно, 26 февраля 1984 г., при полете Чулымского болида над территорией Западной Сибири в некоторых пунктах перегорели лампочки, наблюдались помехи на экранах телевизоров, вышли из строя фотоэлементы ламп дневного света [1].

По свидетельству очевидцев полет болидов в редких случаях сопровождается теплом и запахами.

1 октября 1917 г. 22:30. "Слепящий" болид пролетел над многими населенными пунктами штата Техас (США). После себя оставил голубовато-белый искристый след. Характер аномальных звуков - свист, шипение, жужжание и легкое гудение. Кроме того, в городах Грандвью и Клебурге отмечено появление тепла ("воздух был теплым"; "как будто исходило от небольшого электрического разряда"), а в городах Сан-Антонио и Ла Грейндж - запаха серы и запаха горящего пороха [3].

Скажем теперь кое-что о направленности звуков. Здесь можно выделить три четкие группы. К первой принадлежат звуки, не имеющие направления на источник, "раздающиеся везде". Ко второй группе относятся те звуки, которые идут из сектора полета болида. Наконец к третьей группе можно отнести звуки, хотя и порожденные болидом, но исходящие от земли, зданий или окружающих наблюдателя предметов. Не исключено, что существование трех разных групп объясняется наличием нескольких механизмов возникновения и восприятия аномальных звуков.

Среди разнообразных явлений, связанных с электрофонными болидами, особое место занимают сейсмические явления, одновременные с полетом болида. Они не похожи на нормальные детонации, которые наблюдаются спустя 1,5-2 мин после исчезновения болида. Аномальные сейсмические явления можно разделить на два типа. Первый тип - это такие сравнительно слабые сейсмические явления, как сотрясение воздуха, дрожание предметов, легкое колебание почвы и т. д. Второй тип включает сильные сейсмические явления, например, содрогание земли и зданий, раскачивание деревьев, их перелом и др. В ряде случаев механическое воздействие болидов на земную поверхность носит характер ударной волны. Приведем одно из таких наблюдений.

Май или июнь 1947 г., 14:00. В ясным тихий день жители поселка Кобрик Майского района Красноярского края В. В. Лифунша, В. В. Лукашенко и Е. Е. Лукашенко услышали нарастающее шипение, "как откроешь баллон с газом", затем увидели яркий болид с дымным хвостом. Звук перешел в треск разрываемого полотна или сильного пожара. По свидетельству очевидцев "лес пригибало сильной волной, быстро приближавшейся". У нескольких деревьев вершины сломались. Все длилось 5-8 с. Наклонный дымный след рассеивался как сероватый дым [2, 5].

Рассмотрим в заключение некоторые гипотезы о природе электрофонных болидов.

Поиски физических причин звуков ведутся еще с 30-40-х годов. Сегодня большинство специалистов, в их числе и автор этих строк, сходятся во мнении, что возможны две перспективные гипотезы [1, 2]:

- объяснение звуков электростатическими механизмами, рассматривающими возникновение наведенных зарядов на близлежащих предметах, а затем стекание заряда, сопровождающееся потрескиванием, гудением и т. д.;

- объяснение звуков механизмами, предполагающими перенос энергии электромагнитными волнами на радиочастотах или еще более низких частотах с последующим выпрямлением их и преобразованием в звуковые волны в непосредственной близости от наблюдателя.

Пожалуй, первую электростатическую гипотезу высказал и теоретически обосновал И. С. Астапович в 1947 г. По его мнению, болиды очень большой яркости могут создавать (например, за счет ультрафиолетового излучения) статические заряды в стратосфере огромной величины - до 107 Кл, которые быстро нейтрализуются. Расчеты показали, что болид увеличивает напряженность электрического поля у поверхности Земли до 140 В/см против нормального значения ~ 1 В/см. В этих условиях возможно стекание с некоторых предметов статического электричества, сопровождающееся световыми и звуковыми явлениями: появлением огней св. Эльма, небольших шаровых молний и шипения. Кроме того, получает объяснение и запах, возникающий при полете болида, поскольку коронирующий разряд сопровождается также химическими реакциями. К недостаткам гипотезы Астаповича и вообще всех электростатических гипотез следует отнести то, что они хорошо объясняют лишь звуки, исходящие от окрестных предметов (третья группа), и плохо согласуются с показаниями очевидцев, которые указывают на звуки, "раздающиеся везде", или идущие из сектора полета болида.

В 1965 г. В. В. Иванов и Ю. А. Медведев показали, что в некоторой области за фронтом ударной волны, окружающей летящее метеорное тело, происходит вытеснение электрического поля из области ионизации, причем эта область приобретает дипольный момент, направленный против электрического поля Земли. Для крупных болидов при вертикальном движении, наводимые на поверхности земных предметов потенциалы могут достигать нескольких сотен вольт. Вопрос о накоплении заряда на метеорных телах изучался В. Ф. Соляником и другими исследователями [6, 7].

Первую электромагнитную гипотезу предложил американский специалист X. Найниджер в 1939 г. [3]. Он считал аномальные звуки следствием естественной трансформации электромагнитных волн в звуковые с помощью подходящего выпрямителя, например, из металлических предметов вблизи наблюдателя. В самом деле, во многих случаях очевидцы находились внутри или вблизи от металлических конструкций, но есть и случаи, когда звуки болидов исходили от деревьев, кустов и т. п., а это уже ставит гипотезу Найниджера под сомнение: растительность не может служить таким эффективным преобразователем, как металлический забор.

Другой зарубежный ученый, В. Анызеский, в 1946 г. предположил, что существует еще неизвестный физиологический механизм, в силу которого ухо само может выпрямлять электромагнитные волны. По его мнению, определенное сходство уха человека с микроволновым волноводом делает эту гипотезу весьма правдоподобной. Были поставлены специальные опыты по непосредственному восприятию высокой частоты (А. Фрей, 1962), и низкой частоты (К. Кэй, 1980), давшие положительные результаты.

В опытах К. Кэя экспериментатор усаживал добровольцев в звукоизолированной комнате и подвергал их воздействию переменного электрического поля с напряженностью 1,3 В/см и частотой несколько килогерц. И испытуемые слышали звуки! Причем те, у кого были длинные волосы или очки в металлической оправе, слышали звуки лучше. Волосы и оправа очков наряду с ушной раковиной становились неплохими преобразователями электромагнитного поля и превращали его в звуковые колебания.

Опираясь на результаты своих опытов, К. Кэй предложил такую гипотезу. Как известно, за летящим в атмосфере метеорным телом образуется ионно-электронный след, движущийся вместе с телом и претерпевающий диффузное расширение. В случае ярких болидов этот след является насыщенным, т. е. число электронов на 1 см длины следа превышает 1012. В след появляются вихри (как говорит физики, возникает турбуленция), которые при известных условиях могут закручивать силовые линии магнитного; поля Земли, и тогда напряженность поля в следе резко возрастает. Спустя какое-то время это поле разрушается, отдавая свою энергию окружающему пространству, р том числе и в виде радиоволн очень низкой частоты, а они уже преобразуются в звук.

Гипотеза Кэя в основном была качественной. Ее строгое теоретическое обоснование было сделано советским астрономом В. А. Бронштэном. Он показал, что энергии радиоволн хватит на то, чтобы создать ощутимый нашим ухом звуковой эффект на расстоянии ~ 100 км от летящего болида.

Гипотеза Кэя - Бронштэна, пожалуй, на сегодняшний день самая перспективная, хотя есть у нее и слабые стороны. Так, для закручивания магнитных силовых линий проводимость плазмы ионно-электронного следа должна превышать некоторое критическое значение. Это значение обеспечивают только болиды ярче -9т. Между тем известно свыше 10 наблюдений электрофонных болидов и меньшей яркости, вплоть до -Зт. Возможно, гипотеза не учитывает какие-либо существенные моменты. Ее разработку, конечно же, следует продолжить.

Общим недостатком электромагнитных гипотез является то, что они не объясняют, каким образом осуществляется конверсия электромагнитных волн в звуковые; ведь даже впечатляющие опыты Кэя, подтвердившие такое преобразование, на этот вопрос не ответили.

По нашему мнению, природа электрофонных болидов объясняется с помощью явления электрострикции. Суть этого явления в деформации диэлектриков- любых: твердых, жидких или газообразных - под действием переменного электрического поля, пропорциональной квадрату напряженности электрического поля. В газах, в том числе в воздухе, электрострикция наблюдается как изменение плотности и, возможно, является причиной преобразования электрических колебаний в звуковые.

Чтобы электрострикционный механизм работал, необходимо переменное электрическое поле. Откуда оно берется? Можно дать два разных ответа:

1. Болид излучает мощные радиоволны (например, по схеме Кэя - Бронштэна), электрическая составляющая которых, воздействуя на приземные слои воздуха, возбуждает в нем звук.

2. Верхняя атмосфера, в частности ионосферный Е- или D-слой, и Земля образуют гигантский сферический конденсатор (В. Анызеский, 1946; И. С. Астапович, 1947). Влетая в ионосферу, заряженное метеорное тело вызывает колебание потенциала между "пластинами" конденсатора; в свою очередь переменное электрическое поле возбуждает в воздушном промежутке между "пластинами" звуковые колебания.

До сих пор электростатические и электромагнитные механизмы рассматривались порознь, как конкурирующие. Думается, что объединение этих механизмов в рамках одной гипотезы может дать новые плодотворные результаты.