1. Введение

Матушка природа создаёт стекло каждый раз, когда на поверхности Земли высвобождается огромное количество энергии в течение достаточного промежутка времени, при условии, что состав почвы является подходящим для образования стекла. Если условия подходящие, например, песчанная почва, то в результате может получиться природное стекло - кварцевое стекло, которое называют "лешательерит", в честь французского химика Генри Ле Шательера (1850-1936). Существуют два явления, ответственные за создание природного стекла: метеориты и молнии. Стекло, образованное в результате столкновения метеорита с поверхностью Земли - метеоритное стекло - называют "тектит". Стекло (стеклянный объект, если быть точнее), образованный в результате разряда молнии называют "фульгурит" (от лат. "фульгур" - молния). Фульгуриты встречаются во всевозможном разнообразии форм, так что, по истине, могут считаться собственным произведением искусства природы. Стоит отметить, что лешательерит, или натуральное кварцевое стекло, не имеет ничего общего с обсидианом, стеклоподобным материалом вулканического происхождения. С другой стороны, вулканическая активность способна порождать молнии, которые в свою очередь, могут ударить в песчаную почву и создать фульгурит. Кварцевое стекло также может быть получено с помощью ядерного взрыва. В 1945 году, первая ядерная бомба (18 тысяч тонн в тротиловом эквиваленте) была взорвана над пустыней в Нью Мексико. Взрыв сформировал кратер 800 ярдов (~732 метра) в диаметре, поверхность которого целиком состояла из серо-зеленого кварцевого стекла. Такое стекло называют "тринитит", в честь Тринити, где и проводилось первое испытании атомной бомбы.

2. Характеристика молний

В среднем, около 100 ударов молний ежесекундно происходит на планете Земля. Только треть из них - это разряд между небом и землей, который потенциально способен сформировать фульгурит (другие случаются в облаке, между облаками, или между облаком и чистым воздухом). Тампа - крупный город Штата Флорида - принимает по 12 ударов молнии на квадратный километр в год. Это наивысший уровень грозовой активности в США.

Каждый разряд небо-земля включает в себя около 10⁹-10¹⁰ Джоулей энергии. БОльшая часть энергии тратится на создание грома, радиоволн, свечение и на нагревание воздуха, поэтому лишь малая часть общей энергии достигает точки удара. Однако, хорошо известно, что этой малой доли общей энергии молнии достаточно, чтобы убивать людей и животных, устраивать пожары и быть причиной значительных механических повреждений различных устройств. Молния, также, основной источник электрических помех.

Наивысшая температура в канале молнии порядка 30 000 К, что в пять раз выше температуры поверхности Солнца (температура внутри Солнца 107К). Температура плавления кварца значительно ниже и находится между 1600 и 2000 °C, в зависимости от влажности; но зависит ли плавление кварцевого песка и образование стекла от других, не очень хорошо понятых факторов, таких как длительность разряда? Некоторые молнии длятся (с момента контакта с землей) меньше миллисекунды, другие - значительную часть секунды. Максимум силы тока молнии обычно порядка 10 килоампер, но изредка может превышать 100 килоампер. Продолжительная составляющая тока, как правило, находится в диапазоне от десятков до сотен ампер. Она-то и считается причастной к образованию фульгуритов.

Когда речь идёт о природных молниях, всегда неизвестно, когда и где произойдет разряд. Однако, неопределенность можно устранить, инициируя молнию с помощью так называемого "метода ракетного провода". Наиболее интересные фульгуриты были получены в экспериментах с "искусственными" молниями.

Около 30-40 разрядов молнии срабатывает каждое лето в Интернациональном Центре Исследований и Испытаний Молний (ICLRT) в Camp Blanding, Флорида. Центр расположен примерно на полпути между Джексонвиллем и Гейнсвиллем, и является уникальным объектом для изучения различных аспектов атмосферного электричества, молний и защиты от них.

Центр используется Университетом Флориды. Летом с 1995 по 1998 более 30 ученых и инженеров из 13 стран, представляющих 4 континента, выполняли эксперименты по исследованию молний. См. рис.1. Много разрядов, полученных в Центре, были устремлены в землю (в отличие от разрядов в заземленные объекты и системы), поэтому были причастны к образованию фульгуритов.
 

Рис.1 Генерация молний в Интернациональном Центре Исследований и Испытаний Молний (Флорида).

3. Основная информация о фульгуритах.

Считается, что раннее открытие фульгуритов, сделал в 1706 году пастор Дэвид Герман в Германии. Большинство людей никогда не видели фульгуриты, а если и видели, то скорее всего не знали, что это такое. Фульгуриты бывают двух типов: песчаные и каменные, по составу почвы, из которой они изготовлены. Песчаные фульгуриты обычно представляют из себя полые, покрытые стеклом трубки с песком, прилипшим к внешней стороне. Каменные фульгуриты образуются при попадании молний, например, в поверхность скалы. Такой тип выглядит как стеклянная кора, образованная короткими трубками или вытянутыми отверстиями в камне, заполненными стеклом. Стекло такого типа может быть с относительно низким содержанием кварца, но большого разнообразия цветов, в зависимости от состава камня. Такие фульгуриты  обнаруживаются на вершинах гор.

Когда молния попадает в песчаную почву, воздух и влага, находящиеся в точке удара очень быстро нагреваются, в результате чего взрывоподобное расширение формирует центральную полость трубки. Как было сказано ранее, кварцевый песок плавится при температуре 1600-2000 °C, в зависимости от содержания влаги, то есть уже расплавленное стекло выталкивается к периферии полости в результате взрывоподобного расширения. Далее следует относительно быстрое охлаждение, поэтому стекло затвердевает. Общее условие формирования песчаных фульгуритов - наличие относительно сухого диэлектрика, такого как кварцевый песок, покрывающий более проводящий слой почвы или грунтовой воды, причем глубина последнего будет определять предельный вертикальный размер стеклянного образования. Диаметр фульгурита меняется от 1/4 до 3 дюймов (от 0,6 до 7,6 см), а цвет зависит от песка, его образовавшего. Песчаные фульгуриты чаще бывают коричневатыми, сероватыми или черными, однако белые и почти прозрачные как-то были обнаружены во Флориде на пляжах Пахандла. Внутренняя поверхность из стекла и имеет большое число пузырьков. Стенки обычно 0,5-2 мм толщиной, но могут быть и как тонкая бумага. Не замечено  взаимосвязи между диаметром и толщиной стенок. Песчаные фульгуриты довольно хрупкие, поэтому тяжело выкапывать их целиком. Пример песчаного фульгурита представлен на рис.2.

Рис.2 Типичный песчанный фульгурит.

Так как фульгуриты - это стеклянные образования, они устойчивы по отношению к выветриванию и, как правило, хорошо сохраняются в течение долгого времени. По этой причине, они используются как палеоклиматические индикаторы. Например, множество фульгуритов обнаружено в пустыне-Сахаре, где в настоящее время слабая грозовая активность, подтверждает, что совсем другие условия были в этом регионе в доисторические времена. Ископаемые фульгуриты имеют возраст 250 миллионов лет.

Фульгуриты также получали искусственно, создавая электрическую дугу и пропуская её через песок. Исследователями Технического университета Ильменау (Германия) было обнаружено, что токи выше, чем 50 кА, длящиеся несколько сотен микросекунд, типичные импульсные составляющие тока молнии, неспособны создать фульгуриты (только некоторые очень тонкие фрагменты). Однако, импульсы относительно низкой силы тока - в несколько сотен ампер - продолжительностью несколько сотен миллисекунд дали хорошо сформированные фульгуриты диаметром от 7 до 15 мм. Также замечена прямо-пропорциональная зависимость диаметра фульгуритов от величины силы используемого тока. Наблюдалось отличие форм фульгуритов, получаемых из сухого и влажного песка. Стеклянные образования из влажного песка более изогнутые и имеют много неоднородностей на внешней поверхности. Последнее свойство - следствие давления парообразной влаги, которое продолжает действовать тогда, когда давление за счет электрической дуги в центральной части достигло нуля, в то время стекло ещё пластично и подвержено деформации.

4. Создание фульгуритов в Международном Центре Исследования и Испытаний Молний (ICLRT) в Кэмп Бландинг, Флорида.

4.1. Проект подземного кабеля питания (1993-1994)

В 1993 году, в эксперименте, спонсированном Научно-Исследовательским Институтом Электроэнергии (EPRI), были проведены силовые технологии для изучения воздействия молний на подземные силовые кабели. В этом эксперименте три кооксиальных кабеля 15-ти кВ, покрытые полиэтиленовой изоляцией между центральным проводником и внешним концентрическим экраном (нейтральным), были зарыты в 5-ти метрах друг от друга на глубину 1 метр. Ток молний был индуцирован в разные места по отношению к кабелям. Первый кабель (кабель А) был обернут в изолирующую оболочку и помещен в ПВХ-трубу. Второй кабель (кабель B) был обернут только изолирующей оболочкой. Последний кабель (кабель C) был закопан непосредственно. Около 20 вспышек молний было произведено прямо над кабелями, когда последние находились в отключенном состоянии.

Подземные кабели питания были извлечены Университетом Флориды в 1994 году. Обнаруженные повреждения варьировались от незначительных проколов оболочки кабеля до обширных пробоев оболочки и плавления почти всех концентрических нейтральных нитей вблизи точки удара молнии. Также отмечалось некоторое повреждение изоляции кабеля. В случае с кабелем, вмонтированным в ПВХ: боковая стенка трубы была расплавлена, искажена и открыта взрывом, а канал молний прошел внутрь кабеля и повредил его изоляцию. Фотографии поврежденных частей кабеля приведены на рис.3.

Рис.3 Эксперимент с подземными кабелями. Повреждения.

5 фульгуритов было обнаружено вдоль выкопанных из-под земли кабелей. Процесс выкапывания производился медленно, методично и был единственным на площади размером 4x20 метров. Различные палеонтологические методы использовались для извлечения фульгуритов. Фульгурит, образованный вдоль кабеля B был почти вертикальным с длиной около 1 м и средним диаметром 1,5 см в верхней части и около 0,4 см у кабеля. Этот фульгурит был наиболее цельным среди раскопанных в данном проекте. Он обнаружен в части, наименее нуждающейся в реконструкции. Этот фульгурит в настоящее время представлен на выставке в Научно-Исследовательском Институте Электроэнергии в Пало-Альто, Калифорния.

4.2 Фульгурит - мировой рекордсмен (1996).

Рис.4 Стеклянная "ветвь" фульгурита-рекордсмена (5,18 м)

После извлечения фульгуритов, как часть проекта подземных кабелей питания, мы начали проверять фульгуриты на всех известных точках удара молнии на объектах в Кэмп Бландинг. Каждый год мы производили в среднем 30-40 разрядов, некоторые из которых попадали в землю, в отличие от завершающихся на пусковой установке. Кроме того, установка получала около 5-ти ударов природных молний независимо от сгенерированной нами грозовой активности. Камеры наблюдения, а также отчеты наблюдателей позволили во многих случаях определить точку удара на земле. Такие точки обычно выглядят как отверстия в земле с мертвой травой вокруг них (как становится очевидно в течение нескольких дней). Когда точка удара обнаружена и отмечена, нельзя предсказать, создан ли фульгурит, и если да, нельзя предсказать его форму или размер. Одна такая находка в 1996 привела к многодневным тщательным раскопкам, в результате которых был вырыт фульгурит, имеющий две вертикальные ветви, одна около 16 футов (4,88 м), другая - около 17 футов (5,18 м). Стеклянное образование занесено в Книгу Рекордов Гиннеса, как самый длинный раскопанный фульгурит. На рис.4 приведена длинная ветвь рекордсмена. Успешная раскопка была бы невозможна без специальных инструментов и палеонтологических навыков г-на Дана Кордье и г-на Майка Стэплтона. Фульгурит-рекордсмен был осторожно разделен на секции и покрыт пластичным материалом, который используется в палеонтологических раскопках. Каждая секция была измерена с помощью специальных приспособлений и пронумерована для последующей сборки. Сейчас фульгурит-мировой рекордсмен находится в поисках дома - музея с достаточным количеством пространства, чтобы продемонстрировать это великолепное подземное создание атмосферного электричества. Также мы выкопали около 10-ти других фульгуритов в Кэмп Бландинг, которые имеют длину 4-5 футов (1,22-1,52 м).

4.3 Xудожественная инсталляция "Окаменевшая молния из Кэмп Бландинг" (1997-1998).

Летом 1997-го года исследователи Международного Центра Исследований и Испытаний Молний (ICLRT), д-р М.А. Уман, г-н Д.Дж. Кордье, г-н К.Дж. Рэмбо и г-н М.В. Стэплтон, работая вместе с г-ном Алланом Макколумом, международно признанным художником, создали фульгурит, который стал центральным в художественной инсталляции под названием "Окаменелая Молния из Кэмп Бландинг". Творение было представлено на выставке в Музее Современного Искусства Университета Южной Флориды в городе Тампа осенью 1998 года и одновременно являлось презентацией проекта Музея Науки и Промышленности города Тампа (MOSI). Проект организовали Маргарет А. Миллер, директор Музея Современного Искусства; Джейд Деллинджер, независимый куратор и Вит Остренко, исполнительный директор MOSI.

Рис.5 Искутвенный фульгурит.

В Кэмп Бландинг для изготовления экспоната проводились эксперименты с минералами, из которых фульгурит может быть сделан, и с различными типами контейнеров, чтобы избежать трудоемкой процедуры раскопки. Фульгурит, изготовленный из ставролита (75%), ильменита (15%) и рутила (10%), в качестве примера показан на рис.5. Но Аллан Макколум выбрал циркон (ZrSiO4), тяжелый минерал, который добывается в Дюпон, недалеко от Кэмп Бландинг, и в основном используется в огнеупорной промышленности. Циркон плавится при температуре 2100-2300 °С, что немного выше температуры плавления кремния. Песок из циркона был упакован в трубу из ПВХ диаметром 4 фута (1,22 м), оснащенную двумя осевыми металлическими электродами, разведенными примерно на 15 см в песке. Такой контейнер был помещен в красный мусорный бак, размешенный рядом с установкой для генерации молний. Аллан Макколум, художник, помогающий с композицией эксперимента, был тем самым, кто нажал кнопку запуска установки. После удара молнии ток, проходящий через зазор между электродами, превратил цирконный песок в фульгурит, напоминающий кость. Сувенирная фабрика Флориды "Творения песка" произвела 10000 копий фульгурита. Дубликаты были изготовлены из смеси циркона (такого же, из которого был сделан оригинал) и эпоксидной смолы - рис.6. В качестве другого элемента выставки Аллан Макколум подготовил ряд брошюр, содержащих более 50-ти текстов о фульгуритах, молниях и связанных с ними предметов.

Рис.6 Художественная инсталляция изделий сувенирной фабрики "Творения песка", Флорида.

29-ая ежегодня конференция "Glass Art Society", Тампа, Флорида,1999

Владимир А. Раков

Университет Флориды, Гейнсвилль