Глава - Солнечно
реклама
Глава 4.1 Быстрые вспышки электромагнитного излучения в верхней атмосфере Б.А. Хренов и Г.К. Гарипов Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д.В. Скобельцына Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова Москва, 119992, Ленинские горы, ул. Лебедева, 1. Абстракт Рассмотрены современные экспериментальные данные об электрических разрядах в верхней атмосфере, занимающие огромные объемы атмосферы (до 1000 км3) и сопровождающихся оптическим излучением (в УФ, видимом и ИК диапазоне длин волн), а также гамма излучением. Рассмотрены возможные физические процессы, отвечающие за развитие таких разрядов. Ключевые слова: атмосфера, электрическое поле, грозы, ионосфера, ускорение электронов, ионизационные потери, флуоресценция, тормозное излучение электронов, вспышки оптического излучения. 1. ВВЕДЕНИЕ. Рассматривая модель ближайшего к Земле Космоса нельзя обойти вниманием те процессы в атмосфере, которые тесно связаны с состоянием магнитосферы Земли, с потоками космических лучей и солнечного ветра, приходящими на Землю из Космоса. Один их таких процессов (полярные сияния) рассмотрен в главе 3.6, Л.Л. Лазутин. К другим подобным явлениям следует отнести электрические разряды в атмосфере Земли и, в особенности, разряды в верхней атмосфере между ионосферой и Землей (ее облачным покровом). Связанные с ними параметры самой ионосферы, глобального электрического поля Земли, проводимости атмосферы также связаны с состоянием «ближнего Космоса» и безусловно должны быть объектами «модели Космоса». В настоящей главе мы обратимся к данным о быстрых вспышках электромагнитного излучения в верхней атмосфере, вызванными электрическими разрядами, которые по своему пространственному масштабу сравнимы с размерами турбулентных атмосферных зон (сотни км по ширине) и достигающие высоты ионосферы (50-100 км). Такие разряды значительно превосходят по пространственному размеру молниевый разряд. Особенно интересно, что длительность таких разрядов невелика (миллисекунды), что при столь больших размерах разряда указывает на высокую скорость распространения разряда в пространстве (скорость, близкая к скорости света). Даже эти общие характеристики позволяют ожидать, что в верхней атмосфере, где плотность вещества мала, в таких разрядах мы скорее всего имеем дело с ускоренными частицами (электронами) и электромагнитными излучениями сравнительно высокой энергии, то есть с объектами, характерными для Космоса. Можно сказать, что в подобных разрядах возникают локальные «космические объекты», физику которых интересно изучать не только с точки зрения взаимосвязи Земли и ближнего Космоса, но и с точки зрения возможности изучения самих «космических объектов», создание которых пока невозможно в лабораторных условиях. 1 Прежде чем приступить к феноменологии быстрых вспышек в верхней атмосфере, напомним некоторые общие сведения о строении и составе атмосферы и о глобальном электрическом поле в атмосфере. Принято разбивать атмосферу на несколько частей с характерными свойствами. На рис. 1 представлена структура атмосферы, зависимость давления и температуры атмосферы от высоты. Полная толщина вещества атмосферы составляет 1000 г/cм2 (давление на уровне моря 1000 мбар), плотность атмосферы падает экспоненциально с ростом высоты. До высот около 100 км состав атмосферы довольно стабилен - это смесь азота (78%) и кислорода (21%) с примесями других газов (более всего представлен аргоноколо 1%), паров воды и частиц пыли (аэрозоли). В тропосфере (высоты до 8-9 км) сосредоточена примерно половина масса атмосферы. Здесь присутствуют пары воды и частицы льда, а также большинство аэрозолей, происходящих от выветривания грунта и человеческой деятельности. Пары воды и частицы льда образуют облака и гигантские облачные образования, которые (см. ниже) играют важную роль в электрических процессах в атмосфере. В тропосфере температура быстро падает с высотой (вблизи уровня моря и суши температура атмосферы определяется температурой нагретой Солнцем поверхности Земли). В стратосфере (на высотах 10-50 км) давление атмосферы на 1-2 порядка ниже, чем в тропосфере. При том же основном газовом составе в стратосфере важную роль играет озоновый слой (молекула кислорода О3 ), который отвечает за поглощение солнечного УФ излучения с длиной волны λ<300 нм. Температура стратосферы повышается с высотой благодаря возрастанию интенсивности солнечного УФ. Рис.1. Строение атмосферы . Правая шкала- высота в атмосфере. Левая шкаладавление в мбарах. Выше стратосферы находятся мезосфера и термосфера, где располагаются слои ионосферы (ионы атомов и молекул атмосферы, их происхождение обсуждается ниже)которая играет важнейшую роль в земных электрических процессах. Следует отметить, что ионы ионосферы составляют лишь малую часть (порядка 10-5) массы ионосферы, состоящей из тех же молекул, что и в нижней части атмосферы. На высотах более 100 км (экзосфера) происходит существенное изменение состава атмосферы, см. рис. 2. Начиная с высот 200 км важнейшую роль в составе атмосферы играет атомарный кислород. На еще больших высотах, более 800 км (магнитосфера), главными элементами атмосферы становятся гелий и водород. 2 Если в тропосфере важнейшим солнечным эффектом является нагревание поверхности Земли, то в верхней атмосфере важнейшим эффектом является поглощение атмосферой УФ, рентгена и потока заряженных солнечных частиц. Эти «излучения» Солнца не только нагревают верхнюю атмосферу, но и меняют ее молекулярный и ионный состав. Рис. 2. Состав атмосферы на высотах выше 100 км. Глобальное электрическое поле Земли обусловлено несколькими процессами. В верхней атмосфере поток солнечного УФ и рентгеновского излучения ионизует атомы и молекулы. Скорость рекомбинации появляющихся ионов и электронов в разряженной атмосфере невелика и здесь образуется слой ионов в атмосфере (реально несколько слоев ионов с различными зарядами и массами). Сила тяжести и вращение Земли захватывает ионы и в результате заряд ионов вращается в магнитном поле Земли, что приводит к появлению электрического поля с направлением перпендикулярным к магнитным силовым линиям. На экваторе, где магнитные силовые линии параллельны поверхности Земли, электрическое поле направлено по вертикали к Земле. Вместе с Землей на движение ионов оказывает влияние и сила тяжести Луны, так что можно ожидать небольшие «приливные» эффекты в электрическом поле Земли. Еще одним генератором электрического поля является магнитосфера Земли. Поток ионов солнечного ветра пересекает магнитное поле Земли и также создает электрическое поле. Конфигурация этого поля органически связана со строением магнитосферы Земли, с направлением солнечного ветра, с активностью Солнца. Для нас в настоящей статье важно лишь, что этот генератор активно «поставляет» ионы в полярные районы Земли и создает флуктуирующий, но постоянный ток в этих районах. Энергия, выделяемая этим «магнитогидродинамическим генератором», составляет ~103 МВт. Энергия, выделяемая глобальным электрическим полем, зависит от количества ионов в ионосфере, которое пополняется не только Солнцем (на дневной стороне Земли- за счет солнечного излучения и солнечного ветра, и на ночной стороне- только за счет солнечного ветра), но и за счет других источников. «Космическим» источником ионов являются галактические космические лучи сравнительно высокой энергии (средняя энергия 10 ГэВ) которые создают ионы по всей глубине атмосферы с максимумом на высотах около 15 км (см. главу 3.11, Р.А. Антонов). Другим источником являются радиоактивные элементы в коре Земли, которые ионизуют атмосферу вблизи поверхности Земли, хотя радиоактивный газ радон поднимается и выше, максимум ионизации от радона находится на высоте порядка сотен метров. Самым эффективным источником ионов оказываются грозовые разряды в атмосфере (конечно, и этот источник, в конечном счете, получает солнечную энергию при температурной конвекции атмосферы). Глобально в атмосфере Земли непрерывно действуют около 2000 грозовых образований, и частота молний оценивается как ~30 в секунду. На рис. 3 показано распределение по Земле зон активных 3 грозовых явлений в cезон зимы северного полушария (декабрь-февраль), GHCC Lightning Research Overview, 2000. Рис.3 Распределение молний по их частоте на Земле. Интенсивность серого цвета повышается с увеличением частоты наблюдения молний. Данные GHCC Lightning Research Overview, 2000 сезон декабрь- февраль. Видно, что основной тенденцией распределения является корреляция частоты молний с материками в тропической зоне Земли Географический максимум активности гроз находится в районе двух континентов Африки и Южной Америки и максимум частоты молний во времени оказывается в 18 час по Гринвичу. Такое неравномерное распределение источника ионов по координатам на Земле и времени, делает в какой- то степени неравномерным и электрическое поле Земли, однако сильные глобальные ветры в верхней атмосфере приводят к быстрому распределению ионов по всей поверхности Земли, так что глобальное электрическое поле оказывается достаточно равномерным и имеет максимум в районе экватора. Потенциал электрического поля Земли составляет от 200 до 400 Кв. В безоблачных районах Земли атмосфера является слабо проводящей и средний ток здесь ~4 10-12 А/ м2 (средний земной ток ~140 КА), так что земной электрический генератор работает, в среднем, с мощностью порядка 105 Мвт. Электрические разряды в атмосфере сопровождаются всплесками радио излучения («атмосферики»), которые создаются при локальных сильных возмущениях электрического поля в районе самого разряда (облако-земля, облако- облако) и уходят в ионосферу и далее в магнитосферу. Радиоволны, проникающие в магнитосферу, встречают в ее структуре резонаторы, «настроенные» на определенные длины волн (когда длина волны равна размеру структуры магнитосферы). Порядок величины подобных структурных элементов магнитосферы – тысячи км, что соответствует частотам радио волн порядка долей Гц. Этот диапазон частот называется «очень малыми частотами» и представляет большой интерес в связи взаимодействием электрических явлений в атмосфере и флуктуациями магнитного и электрического полей в магнитосфере и изменениями структуры магнитосферы. 4 2. ФЕНОМЕНОЛОГИЯ ВСПЫШЕК ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО СВЯЗАННЫХ С РАЗРЯДАМИ В ВЕРХНЕЙ АТМОСФЕРЕ. ИЗЛУЧЕНИЯ, Исторически первыми наблюдениями вспышек (разрядов) в атмосфере были наблюдения молний. Характерным признаком молниевого разряда является его локальность- шнур молнии всегда имеет малый поперечный размер, хотя длина его может достигать нескольких км. Вместе с тем давно было замечено, что как сами молниевые разряды бывают разного типа, так и разряды совсем иного типа возникают в атмосфере. Типичными признаками таких разрядов является их диффузное свечение, занимающее большие размеры в пространстве и отсутствие «грома», то-есть отсутствие быстрого, локального повышения температуры в области разряда («холодный» разряд). Благодаря развитию современной техники регистрации разрядов в атмосфере, когда стали применяться детекторы изображения оптической вспышки на самолетах и на спутниках Земли эти «новые» разряды стали регулярно наблюдаться и сегодня можно попытаться систематизировать данные о «немолниевых» разрядах. Пожалуй, самым типичным свойством этих разрядов являются их большие пространственные размеры и выход свечения в верхнюю атмосферу- в область мезосферы, где находится проводящий слой ионосферы. Пространственная форма разрядов и их развитие во времени весьма разнообразны. С помощью детекторов, способных наблюдать цвет свечения или (еще лучше) измерять спектральный состав излучаемого света, получены данные от том, что цвет свечения разряда может изменяться от широкого спектра во всем видимом диапазоне и в области ближнего УФ в нижней части атмосферы (до высот 50 км) к преимущественно красному в верхней атмосфере (высоты более 50 км). Характерным для большинства разрядов является кратковременность вспышек- длительность порядка 1-100 миллисекунд. В некоторых разрядах наблюдается интенсивное ультрафиолетовое излучение (ближний УФ, длины волн 300-400 нм), а также рентгеновское и гаммаизлучение. Рассмотрим экспериментальные данные о разрядах в верхней атмосфере в соответствии с типом используемого детектора. Будем обращать внимание на данные о распределении разрядов по координатам на Земле и сравнивая это распределение с распределением молний (рис.3) оценивать, существует ли корреляция между молниевыми разрядами и разрядами в верхней атмосфере. 2.1 Детекторы изображения. Спектрометрические данные. Специальные «быстрые» видео камеры (с длительностью кадра 1-20 мс) дают наиболее полное представление о развитии разряда во времени и пространстве. Первые поисковые экспедиции для регистрации разрядов в верхней атмосфере были проведены со специально оборудованных самолетов (экспедиция Sprite-93, Sprite-94, Blue Sand-95 и, наконец, наиболее успешная EXL98, организованные в США). С помощью видео камер расположенных на земле и на самолетах были зарегистрированы различные типы вспышек, получившие названия sprite, blue jets, elves и отличающиеся спектром излучаемого света, длительностью и формой распределения в атмосфере. Примеры вспышек различного типа, полученных с помощью видеокамер, расположенных на земле или на самолете и направленных в горизонтальном направлении, приведены на рисунках 4-7 (литературные данные, см. подписи к рисункам) . 5 Рис.4 Разряд типа спрайт, уходящий высоко к ионосфере. Экспедиция EXL98, видео кадр события 22 июля 1998 г., 4:57:43 из диссертации Heavner, 2000. Верхняя часть вспышки красного цвета, нижняя- синего цвета. Рис. 5 Видео кадр разряда типа спрайт, полученный в 2005 г. в работе Cummer et al, 2005. Рис. 6. Кадровая развертка события «спрайт» сложной формы (из диссертации Heavner, 2000. Видно, что имеется первоначальная пространственная структура, которая определяет дальнейшее развитие разряда. 6 Рис. 7. Пример «голубой струи» [2]. Обычно длительность свечения голубой струи значительно больше, чем у спрайта (сотни мс). В последние годы начались исследования вспышек в верхней атмосфере с помощью видео камер и спектрометров, размещенных на спутниках Земли. Пожалуй, наиболее широкий спектр приборов, регистрирующих характеристики электромагнитного излучения в области длин волн от УФ до ИК иcпользуется в установке ISUAL на спутнике ROCSAT-2 Mende et al, 2005 , рис. 8. Также как и в наблюдениях с поверхности земли и с борта самолета приборы ISUAL направлены горизонтально так, чтобы видеть разрез атмосферы по высоте. Рис. 8. Диапазоны длин волн спектрометров аппаратуры ISUAL. На рис. 9 представлено событие Elve, зарегистрированное видео камерой и спектрометрами аппаратуры ISUAL. 7 Рис. 9 Событие типа Elve, зарегистрированное детектором ISUAL. В верхней части рис. представлен кадр видео камеры. В нижней части рис. – временные развертки свечения в различных диапазонах спектра. Видно, что вспышка длится в течение однойнескольких мс и излучение происходит в широком спектре длин волн от УФ до ИК. Наблюдения показали, что большинство разрядов в верхней атмосфере ассоциируется с грозовой активностью. В некоторых приборах управление видеокамерами осуществлялось по вспышке молнии и тогда регистрировались только события, прямо связанные с молниевым разрядом. В других опытах управление осуществлялось по интенсивности вспышки в поле зрения камеры и тогда можно было исследовать, насколько связаны вспышки в верхней атмосфере с молниями (можно также различать события, связанные с молниями между облаком и землей или молниями между облаками). Измерения с аппаратурой ISUAL, работающей при управлении от молнии, показывают, что распределение по географическим координатам вспышек типа спрайт практически повторяет распределение молний: вспышки типа спрайт регистрируются, в основном, над континентами, рис. 10. 8 Рис. 10 Распределение по географическим координатам вспышек типа спрайт (+) и гало спрайта (•), данные ISUAL 2004 г. (сравнить с распределением молний, рис. 3). Вместе с тем, вспышки типа Elve, регистрируются в эксперименте ISUAL не только над районами с высокой грозовой активностью, но и над океанами в районах с минимальной частотой молний рис.11. Рис. 11 Распределение по географическим координатам событий типа Elve (х), данные ISUAL, 2004 г. 2.2 Детектор ближнего ультрафиолета (УФ). Еще одним примером глобального наблюдения вспышек света в атмосфере является наблюдение вспышек в УФ диапазоне на микроспутнике МГУ «Университетский-Татьяна» (высота орбиты с наклонением 82о равна 950 км). Детектор УФ излучения в диапазоне 300-400 нм отбирает вспышки на ночной стороне Земли в круге диаметром 250 км. Вспышка регистрируется фото электронным умножителем, имеющим квантовую эффективность 20%, закрытым фильтром, пропускающем только свет с длиной волны менее 400 нм. Регистрация вспышки осуществляется двумя цифровыми осциллографами, отличающимися длиной развертки и шагом измерения во времени: 1. длина развертки 4 мс, шаг (деление осциллограммы)-16 мкс, 2. длина развертки 64 мс, шаг- 256 мкс. Телеметрия спутника не позволила посылать в наземный центр регистрации данные обо всех вспышках, так что окончательно записывались и передавались данные о самой яркой вспышке на одном витке спутника. Аппаратура работала не на каждом витке (в связи с малым запасом мощности электропитания) и поэтому наблюдения, проводимые на полярной орбите, распределены неравномерно по 9 долготам, но на тех долготах, на которых аппаратура работает, имеется возможность следить за распределением вспышек по широтам. Обработанные и опубликованные данные Гарипов и др., 2005 и Garipov et al, 2005 относятся к февралю- марту 2005 г., когда на ночных витках данные получены в диапазоне широт от 65о СШ до 65о ЮШ. Энергия отобранных вспышек УФ оказалась в диапазоне 104 -106 Дж. Вероятность появления такой вспышки УФ на один виток около 50%. Распределение зарегистрированных вспышек неравномерно по широте: из 83 вспышек 50 оказались в экваториальном поясе, между 10 о СШ и 10о ЮШ, см. рис. 12. Рис. 12. Распределение вспышек УФ по координатам на Земле Гарипов и др., 2005. Зарегистрированные осциллограммы вспышек УФ двумя осциллографами с длительностью 4 и 64 мс показывают, что несмотря на низкий порог отбираемых сигналов (рис. 13, левая осциллограмма) выборка самого мощного сигнала на одном витке приводит к регистрации сигналов на порядок больше порога. Среди сигналов встречаются как одиночные всплески (рис. 14, верхняя осциллограмма) так и двойные (рис. 13 (правая осциллограмма) и многократные всплески. Рис. 13 Пример регистрации импульса (1) шума и нескольких всплесков УФ (2,3) в течение 4мс, деление осциллограммы 16 µс. 10 Рис.14 Пример регистрации одиночного всплеска УФ (1) и серии всплесков в импульсе (2,3). Длина развертки осциллографа 64 мс, деление осциллограммы 256 µс. Сравнение координат и времени регистрации вспышки УФ с фотографиями облачного покрова ночной атмосферы Земли в инфракрасном излучении показывает, что зарегистрированные в экваториальной области вспышки УФ находятся в облачных районах. Вместе с тем авторы Garipov et al, 2005 обращают внимание на то, что большинство отобранных мощных вспышек УФ происходит над океаном, в противоположной тенденции к вспышкам молний, которые чаще происходят над материками. На рис. 15 показан результат анализа корреляции координат наблюдаемых вспышек УФ с частотой молний (для тех же координат), взятой из работы Garipov et al, 2005. Длительность и интенсивность одиночных вспышек УФ, согласуются с характеристиками вспышек типа Elve, зарегистрированных аппаратурой ISUAL (рис. 9 и 11). Вместе с тем, сигналы сложной формы, доля которых составляет около 50%, повидимому вызваны иными разрядами, возможно, гигантскими струями, которые регистрируются над океанами и не сопровождаются молниями. Указания на возможность генерации электрического разряда в верхней атмосфере над океаном, покрытым облаками, но без молний, имеются в данных Тайванской группы Su et al, 2003, которая зарегистрировала уникальные по своей яркости и по высоте развития в атмосфере вспышки над морем, которые не сопровождаются молниями на начальной стадии разряда. 11 Рис.15. Вероятность УФ вспышек для района Земли с заданной частотой F появления молний. 2.3 Детекторы всплесков радиоволн низкой частоты, вызываемых молниями и другими разрядами в атмосфере. Наблюдение молний и разрядов в верхней атмосфере успешно осуществляется с помощью локации места генерации всплеска радиоизлучения на низких частотах. Как было указано в разделе 1 молнии создают радио всплески, регистрируемые в диапазоне низких частот (атмосферики с частотами от Гц до 30КГц) и лоцируются на расстояниях в тысячи км с точностью порядка км. Во многих странах (США, Канада, Европейский союз, Япония) созданы сети станций слежения за молниями. В Антарктиде работает международная станция для регистрации молний и других разрядов. На спутниках также установлены приемники радио излучения и регистрируются разряды в атмосфере. Разряды типа спрайтов в верхней атмосфере генерируют всплески радиоволн еще более низкой частоты: от долей Гц до килогерц. Этот диапазон подтвержден в удачных случаях совпадения данных об оптическом излучении и о радио сигнале. Отмеченные выше события Su et al, 2003 были одновременно зарегистрированы японской и антарктической станциями радио локации разрядов. 2.4 Детекторы гамма- излучения. Наблюдение вспышек в атмосфере оказалось эффективным даже в области гаммаизлучения с энергией до десятков МэВ. На борту орбитальной обсерватории CGRO (Compton Gamma Ray Observatory) в ходе выполнения эксперимента BATSE (Burst and Transient Source Experiment) в 1993 г. были зарегистрированы вспышки излучения с энергией МэВ, временем нарастания 0,1 мс и длительностью 2 мс, Fishman et al, 1994. В некоторых событиях регистрировались цуги импульсов с общей длительностью 1 – 4 мс. . При сопоставлении времени регистрации гамма- вспышек с результатами измерений атмосфериков на станции в Антарктиде была обнаружена корреляция импульсов и атмосфериков. Общее число зарегистрированных -вспышек в эксперименте BATSE невелико: ~70, вероятность появления такого события на одном витке спутника не более 0,3% (на два порядка реже, чем вспышки УФ, описанные выше). В 2002 г. начал работу новый детектор гамма вспышек на спутнике RHESSI. В настоящее время статистика событий, полученных на RHESSI значительно превышает статистику BATSE и совместные данные позволяют построить распределение событий земных гамма вспышек (Terrestrial Gamma Flashes, TGF) на карте Земли Smith et al, 2005. На рис. 16 представлено распределение по географическим координатам событий TGF. Вероятность появления гамма вспышек в заданном районе Земли явно коррелирует с частотой наблюдения молний в том же районе. Эта корреляция демонстрируется на 12 рис.17, где по оси ординат представлена вероятность регистрации гамма вспышки в районе с известной частотой молний F, отложенной по оси абсцисс. Напомним, что такой Рис. 16. Распределение событий TGF (крестики) на карте Земли. же анализ самых ярких вспышек в УФ не показывает такой корреляци. Наблюдаемая разница в корреляции вспышек УФ и гамма вспышек с разрядами молний указывает на вполне возможную разницу в природе разрядов в верхней атмосфере. Для генерации гамма квантов с энергией порядка МэВ необходим поток электронов с энергией того же порядка: гамма кванты генерируются при тормозном излучении электронов в атмосфере. Излучение УФ скорее всего связано с флуоресценцией молекул азота атмосферы, которая может быть возбуждена электронами совсем небольших энергий –порядка десятков эВ. Огромное число таких электронов генерируется в столкновениях потока электронов и фотонов разряда с молекулами и атомами атмосферы. Возможно энергетические спектры электронов в лавинах разряда сильно отличаются (в зависимости от начальных условий разряда) и наблюдаемые вспышки УФ и вспышки гамма квантов относятся к разрядам разного типа. Рис.17. Вероятность TGF вспышек для района Земли с заданной частотой F появления молний. 13 3. ВОЗМОЖНЫЕ МЕХАНИЗМЫ РАЗРЯДОВ В ВЕРХНЕЙ АТМОСФЕРЕ. Механизмы разрядов в верхней атмосфере были предложены еще до открытия самих разрядов. Первоначально природа разрядов в атмосфере была рассмотрена на основе тех знаний о газовом разряде, которые были получены в лаборатории- в газоразрядных трубках. В таком классическом случае разряд начинается с порогового значения электрического поля Епор которое пропорционально давлению газа (атмосферы). В предположении, что в атмосфере имеется постоянное вертикально направленное электрическое поле с напряженностью V/Н , где Н расстояние между верхним проводящим слоем (ионосферой) и поверхностью Земли (как мы видели выше, такое поле действительно есть порядка 400 Кв/Н) пробой некоторого промежутка атмосферы скорее всего должен произойти в верхней атмосфере, где давление мало. В качестве триггера такого пробоя может быть локальное повышение поля за счет разряда между облаками и замлей. Какого типа разряд начнется в атмосфере зависит от соотношения величины напряженности электрического поля и давления атмосферы, и, возможно, от формы и пространственных размеров локального электрического поля. Скорее всего в этой модели ожидается появление тлеющего разряда (развитие лавин электронов малых энергий) в терминах разрядов, изученных в лаборатории. Известно, однако, что разряды этого типа развиваются медленно (со скоростью ~108 см/сек) и не смогут объяснить главную особенность наблюдаемых разрядов в верхней атмосфере- скорость развития, близкую к скорости света. Тем не менее, в этой модели можно предположить, что быстрое развитие разряда обеспечивается скоростью распространения фронта электромагнитного поля, возникающего при разряде молнии. В таком типе разряда не может возникнуть гаммаизлучение, хотя и возможно появление вспышки флуоресценции молекул атмосферы в области УФ и видимого света. Новая теория разряда на «убегающих электронах», развитая в работах Гуревич, 1960 и Гуревич и Зыбин, 2001 оказалась способной объяснить экспериментально наблюдаемую высокую скорость развития разряда и сопровождение разрядов в верхней атмосфере гамма- излучением (с энергией до десятков МэВ). Лавина «убегающих» электронов в атмосфере развивается при условии, что электрическое поле превышает критическое значение Ек при котором ускорение электрона компенсирует его ионизационные потери (Ек=50 кВ/м на высоте облаков, ~10 км). При значениях Е>>Ек развивается лавина электронов. Условием развития лавины является достаточная протяженность поля Е>Eк , которая должна, по крайней мере, превышать длину экспоненциального роста лавины Le ~15-20 м (на высоте облаков). Чем больше перенапряжение поля, тем скорее развивается лавина. Важным фактором, который замедляет развитие лавины электронов является упругое рассеяние электронов на ядрах атомов атмосферы. При этом скорость движения электронов лавины всегда близка к скорости света и поэтому разряд развивается со скоростью света, как того требуют экспериментальные данные. В атмосфере разряд происходит на длинах порядка десятков км, намного превышающих экспоненциальную длину Le, и число электронов возрастает от малого «затравочного» значения до огромных потоков, способных вызывать яркие наблюдаемые вспышки как флуоресценции атмосферы, так и тормозного гамма- излучения. Отсюда возникает общая динамическая модель разряда и его свечения- в начальный момент возникает электрическое поле Е>>Eк в области между отрицательно заряженной поверхности «диска» с радиусом порядка километров (облако на высоте порядка 10 км) и положительно заряженной плоскостью (ионосферы), вблизи диска затравочные электроны начинают ускоряться и дают начало лавине электронов, которая заканчивается в области положительно заряженной плоскости, где поле уменьшается ниже критического за счет нейтрализации положительного заряда потоком электронов. 14 Для получения количественных результатов в расчетах по теории пробоя на «убегающих электронах», необходимо задать определенную модель распределения электрического поля в атмосфере, заряд и размер облака (диска), высоту его расположения, длительность молниевого разряда, принять модель изменения радиуса диска в процессе развития разряда и т.п.. Такая модель упрощает расчет, но не всегда позволяет объяснить все характерные признаки разряда в верхней атмосфере. Примерами подобных расчетов могут служить расчеты в диссертациях: Кудрявцев, 2005 и Lehtinen, 2000 и в работах Бабич и др., 2001, 2003 и 2004. В процессе расчета, в первую очередь, вычисляются характеристики лавины электронов (энергетический спектр электронов на всех стадиях развития лавины, время появления электронов на различных высотах в атмосфере). В этих расчетах показано, что действительно в атмосфере могут образоваться лавины электронов с значительным количество электронов с энергией в десятки МэВ, которые в процессе тормозного излучения в столкновениях с ядрами атомов атмосферы могут дать наблюдаемый поток гамма- излучения. Сложнее расчеты оптического излучения, связанного с возбуждением молекул и атомов атмосферы не только непосредственно электронами лавины, но и вторичными электронами, возникающими в столкновениях электронов лавины с ядрами атомов атмосферы. Здесь снова важную роль играет электрическое поле, в котором развивается разряд. В разряженной верхней атмосфере вторичные электроны небольшой энергии (десятки и сотни эВ) успевают ускорится до того, как погибнут в процессе ионизации молекул и атомов атмосферы. Расчеты показали, что в верхней атмосфере (на высотах Н>40 км) электроны малых энергий эффективно тратят приобретаемую энергию электрического поля на ионизацию и флуоресценцию атмосферы. Таким образом, электрическое поле оказывается ответственным как за ускорение электронов и развитие лавины электронов высокой энергии, которые создают флуоресценцию на сравнительно малых высотах (10-12 км, вблизи облаков), дают наблюдаемые вспышки гамма- излучения выше в атмосфере (на высотах 20-30 км) и отвечают за свечение вторичных электронов на высотах H~40-80 км в области ионосферы. На рис. 18 представлены основные линии высвечивания возбужденных электронами молекул азота по данным работы Milikh et al, 1998. Видно, что вклад линий в ближнем УФ и синем цвете (λ= 314-426 нм) в общее излучение примерно равен вкладу линий в красном диапазоне (λ=600-800 нм). Однако, реальная яркость линий высвечивания зависит также и от коэффициента тушения, который уменьшается с ростом высоты, и от вероятности самостоятельных переходов с высокоэнергетических уровней на низкоэнергетические. В результате цвет флуоресценции атмосферы существенно изменяется с увеличением высоты: от УФ и синего на высотах 10-12 км к красному на высотах 40-80 км. На рис. 19 представлена рассчитанная в диссертации Кудрявцева, 2005 яркость флуоресценции атмосферы на разных высотах в атмосфере, а на рис. 20- время высвечивания в обеих частях лавины. Реально регистрируемый цвет излучения разряда зависит от спектральной чувствительности применяемого детектора. В большинстве использовавшихся видео камер диапазон регистрируемого света был λ=430-850 нм и не позволял регистрировать существенную часть излучаемого света- ближний ультрафиолет. 15 Рис. 18. Спектр излучения в разряде типа спрайт, расчет Milikh et al, 1998. Рис.19. Распределение по высоте усредненной яркости разряда для двух вариантов заряженного диска (облака): переменный и постоянный радиус диска. 16 Рис. 19. Длительности вспышек на двух уровнях высот (вблизи облаков и вблизи ионосферы). Приведенная картина развития разряда усложняется наличием магнитного поля Земли которое искривляет траекторию движения электрона. Вблизи экватора, где магнитное поле параллельно горизонту, вертикальное движение электрона по электрическому полю под действием магнитного поля постепенно изменяется на горизонтальное, потери энергии на ионизацию перестают компенсироваться ускорением в электрическом поле и лавина затухает. Учет всех возможных факторов, влияющих на развитие лавины «убегающих электронов», весьма сложен и достижение согласия с экспериментальными данными вомногом зависит от выбранных начальных условий. Как было показано в разделе 2, экспериментальные данные указывают на существование разного типа «триггерного» механизма разряда: с участием молнии и без нее. В работе Sentman and Christian, 2005 выдвинуто предположение что внутри облака существуют «гидрометеоры» из кристаллов льда, которые могут «замкнуть» поле внутри облака и без молнии. В этом варианте частота возникновения разряда на «убегающих электронах» возможно повышается над океаном, где влажность выше и образование «гидрометеоров» более вероятно. Предположение о важной роли молниевого разряда как первопричины развития лавины «убегающих электронов» развивается в работе Milikh et al, 2005. В этих работах учитывается не только роль появляющегося между диском и ионосферой электрического поля, но и электромагнитное поле атмосферика, возникающего при молниевом разряде. Это дополнительное поле позволяет получить гамма- излучение с интенсивностью, необходимой для объяснения эксперимента, при меньшем первоначальном заряде и значении поля между облаком и ионосферой. Насколько верны предположения о начале развития лавины электронов и роли различных факторов- это открытый вопрос, так как до сих пор нет экспериментальных сведений о начальной стадии разряда. К сожалению, при систематических наблюдениях со спутников пока не используются действительно комплексные детекторы, которые могли бы регистрировать в одном событии все характеристики излучения, сопровождающего разряд (вместе со спектральным составом света в видимом, УФ и ИК диапазонах, интенсивность и спектры рентгена и гамма- излучения). Не исследована начальная стадия разряда, когда излучение вспышки невелико. В настоящее время мы можем лишь статистически проверять корреляцию координат вспышек с частотой молний, характерной для этих координат. 17 4. ВОЗМОЖНЫЕ СВЯЗИ МЕЖДУ РАЗРЯДОМ В ВЕРХНЕЙ АТМОСФЕРЕ И ДРУГИМИ ГЕОФИЗИЧЕСКИМИ ЯВЛЕНИЯМИ. Современные экспериментальные данные о разрядах в верхней атмосфере показывают, что само явление разрядов в верхней атмосфере имеет глобальный характер, число разрядов и энергия, выделяемая в этих разрядах так велико, что мы вправе ожидать определенной связи между явлением разрядов и другими геофизическими явлениями. Из механизмов, объясняющих появление разрядов следует, что разряды в верхней атмосфере, электрическое поле Земли и ее ионосфера безусловно взаимосвязаны. Все факторы, влияющие на электрическое поле Земли и ионосферу (состояние магнитосферы, количество гроз, «приливные» силы Земли и Луны) могут влиять и на частоту разрядов, и, возможно, на спектр разрядов по яркости, на спектральный состав электромагнитного излучения в разрядах. Интересным вопросом является возможность выхода части высокоэнергичных электронов разряда в радиационные пояса Земли и, наоборот, высыпания электронов из радиационного пояса при нарушениях электромагнитного поля Земли в момент разряда в верхней атмосфере. Современные оценки энергии, выделяемой в разрядах в верхней атмосфере –порядка 1012 Дж в день (несколько микроватт на м2 ) малы по сравнению с общей кинетической энергией в мезосфере, но и они могут влиять на состояние мезосферы, так как создают мощные локальные эффекты. Разряды в верхней атмосфере могут существенно влиять на химический состав верхней атмосферы. До исследований разрядов в верхней атмосфере считалось, что основной причиной диссоциации молекул азота в верхней атмосфере и появления оксида азота NO являются космические лучи. Присутствие химических комплексов NO и NO2 в верхней атмосфере важно, так как эти соединения генерируют озон (О3). Этот процесс имеет жизненно важное значение, так как компенсирует убыль озона при поглощении солнечного УФ. С учетом большой энергии, вносимой в верхнюю атмосферу электронами разрядов, возможно главным источником диоксида азота являются эти разряды. Электроны разрядов в верхней атмосфере, вообще говоря, могут существенно изменить соотношение между молекулярным и атомным составом всех элементов верхней атмосферы. Так как разряды в верхней атмосфере скорее всего связаны с каскадом «убегающих электронов», для инициирования которых необходимы как локальное повышение электрического поля, так и некоторое количество «затравочных электронов», то не исключено влияние выделения радиоактивного радона (в распадах атомов которого появляются необходимые затравочные электроны) на частоту разрядов в заданном районе, где активно выделяется радон. В свою очередь, как известно, количество выделяемого радона зависит от сейсмической активности в заданном районе, так что и частота разрядов может быть признаком определенной сейсмической активности. Все перечисленные выше связи между разрядами в верхней атмосфере и другими геофизическими явлениями пока носят гипотетический характер. Наука о разрядах в верхней атмосфере молода и предстоит еще большая исследовательская работа в этой области. Литература 1. Бабич Л.П., Донской Е.Н., Илькаев Р.И., Кудрявцев А.Ю., Куцык И.М., Шамраев Б.Н. Скорость развития лавины релятивистских убегающих электронов для нормальных условий. ДАН, т. 379, с. 606-608, 2001. 18 2. Бабич Л.П., Илькаев Р.И., Куцык И.М., Бахов К.И., Рюссель-Дюпре Р.А. Расчет высотных оптических явлений над облаками на основе механизма с участием лавины релятивистских электронов. ДАН, т. 388, с. 383-386, 2003. 3. Бабич Л.П., Донской Е.Н., Куцык. И.М., Рюссель-Дюпре Р.А. Тормозное излучение лавины убегающих электронов в атмосфере. Геомагнетизм и аэрономия, т. 44, с. 697-703, 2004. 4. Гарипов Г.К., Панасюк М.И., Тулупов В.И., Хренов Б.А., Широков А.В., Яшин И.В. и Салазар У. Вспышки УФ излучения в экваториальном районе Земли, Письма в ЖЭТФ, 82, 204-206, 2005. 5. Гуревич А.В. К теории эффекта убегающих электронов. ЖЭТФ, 39, 1296-1301, 1960. 6. Гуревич А.В. и Зыбин К.П. Пробой на убегающих электронах и электрические разряды во время грозы. УФН, т. 171. с. 1177 – 1199, 2001. 7. Кудрявцев А. Ю., Развитие механизма восходящих атмосферных разрядов на основе генерации лавин релятивистских электронов. Кандидатская диссертация, Саров, 2005. 8. Cummer S.A., Jaugey N.C. et al, Submillisecond Video and Electromagnetic Observations of Sprite Development and Structure, AE11A-05, www.aug.org/meetings/fm05/ 2005. 9. Fishman G.J., Bhat P.N., Mallozzi R., Horack J.M., Koshut T., Kouveliotou C., Pendleton G.N., Meegan C.A., Wilson R.B., Paciesas W.S., Goodman S.J., Christian H.J. Discovery of Intense Gamma – Ray Flashes of Atmospheric Origin., Science, 264, 13131316, 1994. 10. Garipov G.K., Khrenov B.A., Panasyuk M.I., Tulupov V.I., Shirokov A.V., Yashin I.V. and Salazar H., UV radiation from the atmosphere: Results of the MSU “Tatiana” satellite measurements, Astroparticle Physics, 24, 400-408, 2005. 11. GHCC Lightning Research Overview, www.ghcc.msfc.nasa.gov/overview/lightning.html/ 2000. 12. Heavner M.J., Optical Spectroscopic Observations of Sprites, Blue Jets and Elves: Inferred Microphysical Processes and Their Macrophysical Implications, PhD Thesis, University of Alaska Fairbanks , 2000. 13. Lehtinen N., Relativistic Runaway Electrons above Thunderstorms. PhD Thesis, Stanford University, 2000. 19 14. Mende S.B., Frey H.U., Su H.T., Hsu R.R., Chen A.B., Fukunishi h., Takahashi Y., Adachi T., Lee L.C. , Global TLE observation with ISUAL, Berkley Special Seminar, Berkley, February 15, 2005. 15. Milikh G.M, Papadopoulos K. and Valdivia J.A., Spectrum of Red Sprites , J. Atm. Terr. Phys., 69, 907-915, 1998. 16. Milikh G.M., Guzdar P.N. and Sharma A.S., Gamma ray flashes due to plasma processes in the atmosphere: Role of whistler waves, J. Geophys. Res., v. 110, p. A02308, 2005. 17. Sentman D.D., Christian H.J., Electrical Breakdown Inside a Thundercloud-Cosmic Rays vs Hydrometeor Effects, Atmospheric and Space Electricity, AE13A-07 , 2005. 18. Smith D.M., Lopez L.I., Lin R. P., RHESSI Terrestrial Gamma-ray Flashes: Current Status, sprg.ssl.berkeley.edu/atmos/tgf/dsmith_annot.pdf , 2005. 19. Su H.T., Hsu R.R, Chen A.B., Wang Y.C., Hsiao W.S., Lal W.C., Lee L.C., Sato M., Fukunishi H. Gigantic Jets between a thundercloud and the ionosphere, Nature, 423, 974976, 2003. 20
