Атмосферные разряды, развивающиеся в режиме лавин релятивистских убегающих электронов

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.....................................................................6
ГЛАВА 1. ИСТОРИЯ ПРОБЛЕМЫ...................................................19
1.1. Обзор экспериментов, приведших к гипотезе о лавине убегающих электронов. 19
1.1.1. Летные измерения усиления проникающих излучений электромагнитной
природы в грозовых облаках.............................................19
1.1.2. Регистрация рентгеновскою излучения со спутников.................22
1.1.3. Наземные измерения проникающих излучений электромагнитной природы,
электронов и нейтронов в корреляции с грозовой активностью..............25
1.1.4 Высотные оптические явления над грозовыми облаками................32
1.2. Зарождение и развитие теории лавин убегающих электронов..............36
1.3. Теория атмосферных разрядов над грозовыми облаками...................41
1.4. Лабораторные эксперименты но моделированию лавин убегающих элсктронов.44
1.5. Заключение к главе 1.................................................45
ГЛАВА 2. СКОРОСТЬ РАЗВИТИЯ ЛАВИНЫ РЕЛЯТИВИСТСКИХ УБЕГАЮЩИХ ЭЛЕКТРОНОВ..................................................................49
2.1. Постановка задачи о характерных масштабах усиления лавины релятивистских электронов..............................................................49
2.2. Аналитические оценки.................................................51
2.3. Кинетическое уравнение...............................................55
2.4. Программа Монте Карло ЭЛИЗА..........................................59
2.5. Упрощенная методика Монте Карло......................................61
2.6. Скорость развития лавины релятивистских электронов...................62
2.7. Выводы по главе 2....................................................68
ГЛАВА 3. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛАВИНЫ РЕЛЯТИВИСТСКИХ УБЕГАЮЩИХ ЭЛЕКТРОНОВ.........................................70
3.1. Введение к главе 3...................................................70
3.2. Исследование динамики формирования лавины релятивистских убегающих электронов..............................................................70
3.3. Энергетическое, угловое и радиальное распределение электронов в лавине релятивистских убегающих элскронов......................................76
3.4. Тормозное излучение лавины релятивистских убегающих электронов.......84
3.5. Выводы по главе 3....................................................99
ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЛАВИНЫ РЕЛЯТИВИСТСКИХ УБЕГАЮЩИХ ЭЛЕКТРОНОВ ПРИ НОРМАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ...................................................................102
4.1 Введение к главе 4...................................................102
4.2 Редакция эксперимента................................................106
4.3 Измерения характеристик пучков инжектируемых электронов..............109
4.4 Расчегы методом Монте Карло для интерпретации результатов эксперимента. 118
4.5 Результаты измерений.................................................125
4.6 Выводы по главе 4....................................................127
ГЛАВА 5. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВОСХОДЯЩЕГО АТМОСФЕРНОГО РАЗРЯДА, СОПРОВОЖДАЮЩИХ ОПТИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ И ПРОНИКАЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ..................................................................128
5.1. Постановка задачи о развитии восходящего атмосферного разряда.......128
5.2 Нолуторамерная модель восходящих атмосферных разрядов................133
5.2.1 Самосогласованное электрическое поле.............................134
5.2.2. Многогрупповое описание убегающих электронов....................134
5.2.3. Кинетика иизкоэнсргстичных заряженных частиц....................136
5.2.4 Модель оптического излучения восходящих атмосферных разрядов 141
5.2.5. Результаты расчетов и их обсуждение.............................146
2
5.3. Двумерная модель восходящего атмосферного разряда в самосогласованном электрическом поле...................................................................160
5.3.1. Основные особенности модели......................................160
5.3.2. Система уравнений, описывающих кинетику заряженных частиц в процессе развития релятивистской лавины.....................................161
5.3.3. Усовершенствованная модель оптического излучения.................167
5.3.4. Результаты численного моделирования флуоресценции над облаками (Blue Jets и Red Sprites)................................................176
5.3.5. Длительность Blue Jets...........................................201
5.4. Влияние магнитного поля..............................................205
5.5. Выводы по главе 5....................................................207
ГЛАВА 6. АНАЛИЗ ИМПУЛЬСОВ ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ АТМОСФЕРНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ НА ОСНОВЕ ГЕНЕРАЦИЙ ЛАВИН РЕЛЯТИВИСТСКИХ УБЕГАЮЩИХ ЭЛЕКТРОНОВ........................................................210
6.1. Введение к главе 6...................................................210
6.2. Генерация у - излучения лавин релятивистских убегающих электронов с учетом геомагнитного поля...................................................................211
6.2.1 Концепция последовательных генераций лавин убегающих релятивистских электронов..............................................................212
6.2.2. Влияние горизонтального магнитного поля (низкие широты)..........214
6.2.3. Заряд, переносимый серией лавин релятивистских электронов........221
6.2.4 Вычисление характеристик импульсов у - излучения в случае горизонтального геомагнитного ноля......................................223
6.2.5. Вертикальное геомагнитное поле (умеренные широты)................230
6.3. Исследование транспорта гамма-квантов в атмосфере....................233
6.4. Генерация жесткого у - излучения и нейтронов восходящим атмосферным разрядом.............................................................................250
6.5. Вспышки гамма-квантов при внутриоблачных разрядах....................260
6.6. Выводы по главе 6....................................................262
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................................265
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ............................................269
3
АББРЕВИАТУРЫ И НАИБОЛЕЕ УПОТРЕБИТЕЛЬНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
ВАР - гигантский восходящий атмосферный разряд.
Вспышка молнии - серия последовательных разрядов молнии.
ИСЗ - искусственный спутник Земли.
КУ - кинетическое уравнение.
ЛРУЭ - лавина релятивистских убегающих электронов.
МК - Монте Карло.
ПУЭ - пробой на убегающих электронах.
УМК - упрощенная методика и программа МК.
УЭ - убегающий электрон, убегающие электроны.
ЭЛИЗА - методика и программа МК, точно моделирующая самосогласованный транспорт электронов, фотонов и позитронов в веществе.
ЭМИ - электромагнитный импульс.
“Blue Jets” — флуоресценция воздуха “голубые струи”.
“Red Sprites” - флуоресценция воздуха “красные духи”.
TGF - “terrestrial gamma ray flash” - гамма-вспышки Земного происхождения.
TNF - “terrestrial neutron flashes” - вспышки нейтронов Земного происхождения.
В - индукция магнитного поля.
о
с « 3* 10 м/с - скорость света. е » 1.6*10'19 Кл - заряд электрона.
Е - напряженность электрического поля.
F(e) - сила трения, действующая на электроны со стороны атомарных частиц.
Fmm = 218 кэВ/(м*атм.) - минимальное значение силы трения.
4
Ис[ш = 7100 м - характерный размер изменения давления (плотности)
“экспоненциальной” атмосферы в е раз.
У- яркость флуоресценции.
/е(^,Р) - длина усиления ЛРУЭ в е раз.
т = 9.109-1 О*31 кг - масса электрона.
N - концентрации молекул воздуха.
0У2(г)] - концентрация молекул азота.
Ягип> пъ> и*, я+, п. - концентрации УЭ, фоновых электронов, вторичных электронов, положительных и отрицательных ионов.
[02(г)] - концентрация молекул кислорода.
Р(г) - давление возду ха на высоте г над уровнем моря (атм). р - импульс электрона.
2с1 - заряд облака.
Акял ~ длительность разряда молнии.
*е = с/е - время усиления ЛРУЭ в е раз.
Р = \/с.
у = 1 /д/ 1-р2 - фактор Лоренца.
5 = еЕ/Рт\п - перенапряжение.
Лб10П » 32 эВ - “цена” образования электрон - ионной пары в воздухе.
8 - энергия электронов.
19
8о = 8,85-10' “ Ф/м - диэлектрическая проницаемость вакуума.
8^ - энергетический порог убегания электронов, т - характерное время экранировки электрического поля плазмой, р - косинус угла между направлениями.
Рс - подвижность электронов.
|т. - подвижность отрицательных ионов.
|х? - подвижность положительных ионов.
5
ВВЕДЕНИЕ
Диссертация посвящена исследованию механизма атмосферных разрядов на основе лавин релятивистских убегающих электронов (ЛРУЭ). Термин “убегающие” принят для электронов, ускоряющихся в плотных газовых средах. В работе исследованы фундаментальные свойства ЛРУЭ и на этой основе выполнено всестороннее самосогласованное исследование атмосферных разрядов, обусловленных пробоем на убегающих электронах (ПУЭ). Результатом является математическая модель, позволяющая, исходя из данных об элементарных процессах на микроскопическом уровне, выполнять сквозные расчеты макроскопических процессов и явлений и сравнивать результаты расчетов оптического излучения, гамма-излучения и нейтронов с показаниями приборов.
Высокоэнергетичные явления в газовом разряде издавна привлекали внимание исследователей, но долгое время исследования ограничивались масштабами лабораторных импульсных высоковольтных разрядов и единичных экспериментов в грозовых полях. Исследование природных явлений, связанных с грозами, стимулировало поиск механизмов, ответственных за совокупность наблюдаемых феноменов. К этим явлениям относятся генерация проникающих излучений в поле грозовых облаков и разрядами молнии, восходящие объемные разряды, развивающиеся над грозовыми облаками, инициирование молнии и развитие ступенчатого лидера.
Генерация проникающих излучений грозовыми полями - проблема, имеющая почти вековую историю. Эксперименты по обнаружению проникающей радиации в корреляции с грозовой активностью атмосферы проводятся с начала 30-х годов. В некоторых из них статистически достоверно показано, что разряды молнии коррелированны с генерацией проникающих излучений: гамма-квантов и нейтронов. Обнаружено, что грозовая активность приводит к усилению проникающей радиации
6
электромагнитной природы в атмосфере на три порядка. Зафиксировано гамма-излучение из канала молний, что указывает на возможность участия убегающих релятивистских электронов в механизме инициирования молнии.
Кроме ’’обычных” контрагированных молний, имеется сообщения о менее известном типе атмосферных разрядов, представляющих третью проблему атмосферного электричества, которая решается в рамках указанной идеи ЛРУЭ. Над крупномасштабными системами грозовых облаков со спутников, самолетов и земной поверхности неоднократно наблюдались высотные оптические явления: “голубые струи” (Blue Jets), “красные духи” (Red Sprites), “эльфы” (Elves) и др., происхождение которых связывают с гигантскими восходящими атмосферными разрядами (ВАР). В отличие от контрагированной молнии, ВАР развиваются как диффузионное свечение в объемах ~ 1000 км ' и более. В корреляции с грозовой активностью с орбитальных станций и самолетов регистрировались необычайно мощные и короткие радио и у-импульсы. Однако, несмотря на очевидный интерес, до сих пор в этой области остается много нерешенных вопросов. Непредсказуемость этих явлений, сложность организации наблюдений, связанная с огромными масштабами, удаленностью и невозможностью воспроизведения объектов исследования, - причины их слабой изученности. В этих условиях возрастает необходимость разработки теоретических моделей, позволяющих интерпретировать результаты наблюдений и планировать новые эксперименты.
Одно из направлений теории атмосферного электричества связано с убегающими электронами высоких энергий. В 1924 г. Вильсон предложил гипотезу о возможности ускорения заряженных частиц, источником которых является космическое излучение, до высоких энергий электрическими полями грозовых облаков. Однако сама по себе гипотеза
7
Вильсона не приводит к наблюдаемым явлениям ввиду малой скорости генерации высокоэнергетичных электронов космическим излучением.
Следующим важным шагом в развитии теории Вильсона стала гипотеза образования лавины убегающих электронов, предложенная Гуревичем, Милихом и Рюсселем-Дюпре в 1992 г. Суть ее в том, что ускоряющиеся в электрическом поле электроны в столкновениях с молекулами воздуха рождают вторичные электроны с энергией, достаточной для перехода в режим убегания и развивается лавина. Космическое излучение является источником затравочных электронов для инициирования ЛРУЭ. Рост числа убегающих электронов приводит к возрастанию тока иизкоэнергетичных электронов и пробою воздуха. Этот механизм в настоящее время представляется единственным, способным единообразно объяснить всю совокупность наблюдаемых электромагнитных явлений, в том числе в области высоких энергий.
С 90-х годов 20-го века уделяется большое внимание полевым наблюдениям ВАР и измерениям их излучений. Одновременно в России и США разрабатывается механизм ВАР на основе развития ЛРУЭ и создаются соответствующие численные модели, позволяющие вести расчеты масштабов /с и /е и характеристик излучений ВАР в радио, оптическом и гамма диапазонах. Выполнен ряд лабораторных экспериментов с целью подтверждения механизма формирования ЛРУЭ.
Актуальность исследований фундаментальных характеристик ЛРУЭ и основанного на этом явлении механизма развития атмосферных разрядов определяется как интересами фундаментальной физики атмосферного электричества, так и рядом практических задач, описанных ниже. Актуальность работы усиливается тем обстоятельством, что исследование находится на стыке различных областей науки: физики космических лучей и ядерной физики, квантовой электродинамики, атмосферных процессов, газового разряда, молекулярной физики и оптики,
8
радиофизики. Для исследования явлений в грозовых облаках необходим единый комплексный подход.
Целью работы явилось теоретическое исследование фундаментальных свойств ЛРУЭ и развитие механизма гигантских восходящих атмосферных разрядов с участием ЛРУЭ, включающее создание численной модели кинетики заряженных частиц, оптического излучения и генерации импульсов проникающих излучений. Это исследование предполагало работу по следующим направлениям.
1. Разработка независимых эффективных численных методик расчета характерного временного масштаба усиления ЛРУЭ /е как функции перенапряжения 5 = еЕ/РттРу т.е. отношения электрической силы к минимальному значению усредненной силы трения, действующей на электроны со стороны атомарных частиц /у™ = 218 кВ/(м-атм.).
2. Расчет эффективного порога убегания электронов в зависимости от 6, средней энергии, угловых и энергетических спектров электронов и фотонов в ЛРУЭ, скорости генерации тормозного излучения.
3. Экспериментальное подтверждение результатов расчета характерного временного масштаба усиления ЛРУЭ.
4. Разработка физической модели ВАР в самосогласованном электрическом поле с многогрупповым описанием электронов высоких энергий. Численное моделирование кинетики заряженных частиц, генерации ВАР оптического излучения, гамма-квантов и нейтронов.
5. Создание физической модели ВАР с учетом эффектов геомагнитного поля и численный анализ гамма-импульсов атмосферного происхождения, зарегистрированных с борта искусственных спутников Земли (ИСЗ). Моделирование транспорта фотонов в атмосфере. Исследование зависимости энергетического распределения фотонов на детекторе от высоты источника и положения ИСЗ. Расчет вспышек гамма-излучения генерации нейтронов ВАР при различных конфигурациях зарядов в облаке.
9
Научная новизна.
Формирование лавины убегающих электронов высоких энергий в сравнительно слабых грозовых полях - новое явление, впервые описанное в 1992 г. в работе Гуревича, Милиха и Рюсселя-Дюпре. Эта гипотеза лежит в основе нового направления физики атмосферного электричества - пробоя на убегающих электронах (ПУЭ), объясняющего механизм наблюдаемых над грозовыми облаками восходящих атмосферных разрядов. Детальное описание этих процессов, разработка сложных нелинейных моделей требует учета всех сторон явления, относящихся к различным разделам физики, в их взаимосвязи. Малочисленность экспериментальных результатов, слабая изученность атмосферных процессов и неконтролируемые условия эксперимента потребовали надежных данных об основных процессах, определяющих изучаемые объекты. Для этого предварительно изучены фундаментальные свойства ЛРУЭ, генерация затравочных УЭ космическим излучением и транспорт гамма-излучения в атмосфере. Для проверки теории ЛРУЭ предложено и проведено экспериментальное исследование начальной стадии формирования ЛРУЭ. Изучение фундаментальных свойств ЛРУЭ позволило построить математическую модель ВАР, отличающуюся детальным учетом всех сторон явления и позволяющую проводить сравнение результатов расчетов с экспериментом.
В результате выполненной работы автором сделан крупный вклад в развитие нового направления в физике атмосферного электричества -механизма атмосферных разрядов, развивающихся с участием генераций ЛРУЭ.
В диссертации получены следующие новые научные результаты.
1. Разработаны независимые методики для численного моделирования лавины релятивистских убегающих электронов, причем, впервые - с учетом упругих столкновений электронов. С помощью этих методик вычислены надежные величины характерного временного масштаба
10
усиления лавины /с в воздухе в зависимости от перенапряжения, согласующиеся между собой, с результатами других авторов и с лабораторным экспериментом.
2. Исследован механизм лавинообразования убегающих электронов с учетом упругих столкновений. Исследованы фундаментальные характеристики ЛРУЭ: средняя скорость направленного движения, эффективный порог убегания электронов в зависимости от б; установлена инвариантность средней энергии и энергетического спектра электронов и фотонов в широком диапазоне значений перенапряжения, исследованы угловые распределения электронов и фотонов в ЛРУЭ и получены удобные аналитические аппроксимации. Исследовано тормозное излучение ЛРУЭ: вычислены угловое и энергетическое распределение фотонов и скорость излучения; найдены соответствующие аналитические аппроксимации.
3. Предложена методика экспериментального измерения усиления ЛРУЭ в лабораторных условиях и получено экспериментальное подтверждение результатов расчета характерного временного масштаба усиления ЛРУЭ.
4. Предложена модель ВАР в самосогласованном электрическом поле, отличающаяся детальным учетом физических процессов и многоірупповьім описанием кинетики убегающих электронов на основании выполненных исследований фундаментальных свойств ЛРУЭ. Разработаны полуторамериая и двумерная компьютерные программы, реализующие физическую модель, и выполнено численное моделирование ВАР. В результате получены пространственно-временные распределения УЭ и заряженных частиц низких энергий. На основе этих данных исследована эволюция оптического излучения в пространстве и времени на различных высотах для разных конфигураций и величины заряда грозового облака, согласующиеся по многим параметрам с натурными наблюдениями. Показано, что
И
оптические явления на разных высотах обусловлены возбуждением флуоресценции непосредственно УЭ и релаксируюшими вторичными электронами (относительно низкие высоты, Blue Jets), фоновыми и вторичными электронами, пришедшими в равновесие с локальным полем (средние высоты, Red Sprites).
5. На основании новых данных о масштабах усиления лавины развита физическая модель ВАР в скрещенных электрическом поле грозового облака и геомагнитном поле. В рамках развитой модели выполнен анализ гамма-импульсов атмосферного происхождения, зарегистрированных с борта ИСЗ, и усиления потока нейтронов в атмосфере, зарегистрированных в корреляции с ЭМИ разрядов молнии, показавший, что эти явления могут быть обусловлены механизмом Гуревича - Милиха - Рюсселя-Дюпре.
6. Выполнены надежные расчеты транспорта через атмосферу в ближний космос тормозного излучения ЛРУЭ. Для различных высот источника излучения получены зависимости углового распределения фотонов и их тока через поверхность полусферы радиусом равным радиусу орбиты ИСЗ, на котором был размещен детектор гамма-излучения. Результаты расчетов показали преобладающий вклад рассеянного излучения в показания детектора при высотах источника (ВАР) ниже 35 км. Показано, что угловое распределение квантов обусловлено не угловым распределением электронов источника, а рассеянием в атмосфере. Показано, что источником наблюдаемых с ИСЗ гамма-вспышек может быть ВАР, обусловленный внутриоблачным разрядом молнии, со сравнительно малой яркостью свечения в оптическом диапазоне и малыми размерами светящейся области.
Достоверность полученных результатов обоснована согласием характеристик рслятивисткой лавины, вычисленных различными методами, и с результатами выполненных экспериментальных исследований; а также согласием характеристик ВАР, полученных
12
численным моделированием, с данными натурных наблюдений оптического и рентгеновского излучения.
Практическая необходимость исследований ЛРУЭ и обусловленного ею пробоя воздуха на релятивистских убегающих электронах, как наиболее вероятного механизма ВАР, определяется влиянием проникающего излучения, сопровождающего ВАР. Необычайно мощные радиоимпульсы способны влиять на деятельность человека, сказываясь на надежности запуска ракет различного назначения и безопасности движения воздушных судов, а импульсы проникающих излучений - на здоровье экипажей самолетов и пассажиров. Необычные гамма импульсы атмосферного происхождения могут восприниматься системами слежения как следствие несанкционированных ядерных взрывов, и по этой причине представляют интерес для контроля за нераспространением ядерного оружия. В настоящее время обсуждается вопрос о связи процессов ионизации в атмосфере с наблюдаемыми климатическими вариациями, а также их влияние на начальную стадию образования урагана. Учет ЛРУЭ, как одного из механизмов, связывающих процессы электризации и ионизации в атмосфере, представляется важным для работ в этой области. В теории глобального электрического контура также необходимо учитывать ВАР.
Изучение механизма диффузных разрядов с участием ЛРУЭ и разработка соответствующих компьютерных моделей представляются актуальными также в связи с потребностью в объемных разрядах для инициирования и накачки газовых лазеров и мощных малоиндуктивных коммутаторов электромагнитной энергии, необходимость в которых диктуется задачами развития электрофизических установок.
Личный вклад автора заключается в формулировке решенных в диссертации проблем, развитии математических моделей, выполнении численного моделирования ряда задач, анализе промежуточных и
13
окончательных результатов, в постановке лабораторного эксперимента, обработке и анализе его результатов.
14
СТРУКТУРА ДИССЕРТАЦИИ
Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения и списка литературы.
В первой главе выполнен исторический обзор работ по физике атмосферного электричества, стимулировавших возникновение гипотезы о развитии ЛРУЭ и теории ПУЭ. В этих работах обсуждаются проблемы генерации проникающих излучений грозовой атмосферой, кратко описаны полевые эксперименты по регистрации проникающих излучений и наблюдения высотных оптических явлений над грозовыми облаками. Далее кратко изложена теория ЛРУЭ и обусловленный сю механизм ПУЭ, приведена хронология работ в этой области. В заключение формулируются проблемы, нерешенные к 1995 г., когда автор начал работать над ними, и достижения, полученные в данной области.
Во второй главе излагаются методы и обсуждаются результаты расчетов временного /е и пространственного /с масштабов усиления ЛРУЭ в воздухе, являющихся фундаментальными в физике ВАР. Приводятся результаты аналитических оценок, выполненных на начальном этапе исследования. Дальнейшее развитие теории ЛРУЭ связано с учетом влияния упругих столкновений на движение электронов. Для решения этой проблемы понадобилось создание численных методик. Обсуждаются достоинства и недостатки различных вычислительных методов: конечноразностной схемы для решения кинетического уравнения, описывающего ЛРУЭ, классического метода Монте Карло, моделирующего транспорт электронов, позитронов и фотонов в веществе с точным описанием всех взаимодействий и упрощенной гибридной техники Монте Карло, включающей детерминистический и стохастический подходы к описанию кинетики релятивистских УЭ и их взаимодействий с атомарными частицами. Вычисленные по разным методкам ^ и /с, как функции перенапряжения, сравниваются между собой. Точность вычислений повышалась с течением времени благодаря усилиям автора. В результате
15
удалось добиться согласия результатов разных методик между собой, а также с результатами, полученными другими авторами.
В третьей главе изложены результаты моделирования ЛРУЭ методом Монте Карло. Рассчитаны величины эффективного порога убегания электронов в зависимости от б; средней энергии, угловых и энергетических спектров электронов и фотонов в ЛРУЭ. Исследована динамика формирования распределения электронов по энергиям. Показано, что установившаяся средняя энергия электронов слабо зависит от 5. В широком диапазоне значений 8 существует универсальное распределение электронов по энергиям, практически не зависящее от б. Вычислены угловые распределения электронов всех энергий и угловые распределения энергетических групп. Получены аналитические аппроксимации энергетических и угловых распределений. В результате расчетов найдены спектрально-угловые распределения источника излучения для установившихся распределений электронов лавины по углам и энергиям. Как и для электронов, для тормозных квантов существует универсальное спектральное распределение энергии излучения, не зависящее от б. Предложена аналитическая аппроксимация этого распределения. Вычислены угловые распределения всей энергии тормозного излучения и угловые распределения отдельных спектральных групп, для которых также получены удобные аппроксимирующие формулы.
В четвертой главе выполнен анализ лабораторного эксперимента для исследования развития лавин релятивистских убегающих электронов, аналогичного классическому эксперименту Таунсенда, но в релятивистской области энергий. Для этой цели создано крупномасштабное лабораторное устройство на рабочее напряжение до
1,2 МВ, представляющее собой камеру с плоскими электродами, разделенными секционированным изолятором. Описывается специально разработанный по предложению автора чувствительный коллекторный метод анализа спектров высокоэнергетичных электронов. Метод
16
реализован в детекторах электронов с большой поверхностью сбора. Исследовано размножение релятивистских электронов в воздухе при напряжениях до 1,0 МВ. Впервые реализована начальная стадия релятивистской электронной лавины. Результаты измерений согласуются с результатами численного моделирования методом Монте Карло.
В пятой главе сформулирована задача о развитии ВАР в самосогласованном электрическом поле в приближении сплошной среды. Для эффективного моделирования проникновения ЛРУЭ на большие высоты автором предложено использовать многогрупповое описание потока УЭ. Это методика реализована сначала в полуторамерном, а затем и двумерном приближении. В расчетах используются полученные автором в гл. 2 новые данные для характерного времени усиления лавины ?с, как функции локальных напряженности электрического ноля и давления воздуха. Кинетика вторичных электронов низких энергий, генерируемых в процессе развития ВАР, фоновых электронов, положительных и отрицательных ионов описывается локальными уравнениями баланса в дрейфовом приближении с учетом процессов размножения в ударной ионизации, рекомбинации и прилипания. Флуоресценция молекул рассчитана в квазистатическом приближении с детальным описанием колебательной кинетики и учетом тушения возбужденных состояний воздуха. Разработана двумерная численная программа и выполнено численное моделирование ВАР для различных конфигураций зарядов грозового облака и разной длительности разряда молнии, инициирующей ВАР. Результаты расчетов яркости, спектров и пространственного распределения оптического излучения, возбуждаемого ВАР, согласуются с данными наблюдений флуоресценции воздуха над грозовыми облаками.
В шестой главе изложена полуаналитическая модель ВАР на основании данных о /с и /с, полученных автором, и изгибания траекторий УЭ геомагнитным полем. Выполнен расчет локального источника тормозного излучения потока УЭ на высоте изгиба, спектра и полного
17
числа гамма квантов на высоте орбитальной станции, с борта которой зарегистрированы гамма-импульсы атмосферного происхождения. Показано, что в рамках разумных предположений о пространственной форме ВАР для реальных зарядов грозового облака предложенная модель предсказывает спектр и число квантов, близкие к зарегистрированным детектором на ИСЗ. Исследован транспорт гамма-квантов через атмосферу. Результаты расчетов характеристик тормозного излучения УЭ ВАР, выполненных по результатам численного моделирования, сравниваются с характеристиками импульсов жесткого гамма-излучения, зарегистрированных с борта ИСЗ. Показано, что наблюдаемые вспышки гамма-излучения могут быть обусловлены ВАР малой интенсивности, инициируемым внутриоблачным разрядом, с малой яркостью свечения в оптическом диапазоне, затрудняющей его регистрацию.
В заключении приведены основные результаты, выносимые на защиту, указаны мероприятия, где результаты были апробированы.
18
ГЛАВА 1. ИСТОРИЯ ПРОБЛЕМЫ.
Бурное развитие экспериментальных исследований атмосферных процессов в районе грозовых облаков в 80-90-х годах XX в. привело к обнаружению новых явлений, потребовавших своего объяснения. Среди этих экспериментов можно выделить исследования но генерации проникающих излучений в грозовых облаках, наблюдения объемных разрядов, развивающиеся над грозовыми районами, изучение механизма инициирования молнии и развития ступенчатого лидера. В Главе 1 приведен краткий обзор этих исследований, которые явились предпосылкой для появления новой концепции в теории газовых разрядов - лавины релятивистских убегающих электронов. Также рассмотрены основные направления и этапы работ по теоретическому и экспериментальному исследованию нового механизма пробоя воздуха на убегающих электронах.
1.1. Обзор экспериментов, приведших к гипотезе о лавине убегающих электронов.
В многочисленных наблюдениях в районе грозовых фронтов был зарегистрирован ряд явлений, которые легли в основу механизма 1ТУЭ. Среди них можно назвать регистрацию проникающего излучения (рентгеновское излучение и высокоэнергетичные электроны, нейтроны), необычайно мощных парных импульсов ЭМИ и оптических явлений в мезосфере. Остановимся вкратце на некоторых из них.
1.1.1. Летные измерения усиления проникающих излучений электромагнитной природы в грозовых облаках.
В летных экспериментах, выполненных на самолетах и воздушных шарах, получены весьма интересные результаты по исследованию
19
электромагнитных излучений в грозовых облаках. Большим преимуществом таких исследований по сравнению с наземными измерениями является максимальная приближенность к предполагаемому источнику излучения, что позволяет уменьшить влияние поглощения излучения в атмосфере.
Вероятно, наиболее ранней является работа Мэки [1]. В 1933 г. он запустил во время грозы несколько воздушных шаров с фотографическими пластинками. Ему не удалось обнаружить следов проникающей радиации. В своей работе Мэки упоминает об аналогичной более ранней безрезультатной попытке Уормелла 1931 г. зарегистрировать излучение непосредственно в грозовых облаках, запуская на воздушных шарах запаянные кассеты с фотографическими пластинками.
Первые измерения с борта самолета были выполнены в 1980 г. группой Паркса [2,3]. Основными элементами применявшегося рентгеновского спектрометра были сцинтиллирующий кристалл Nal(Tl) и фотоэлектронный умножитель. В первой серии экспериментов [2] измерения велись по шести энергетическим каналам от 3 кэВ до 12 кэВ и выше. Усиление от За до 8а относительно средней фоновой скорости счета было зарегистрировано на высоте 4600 м, во время прохождения самолетом облака, находившегося в активной фазе. Наиболее заметно реагировал энергетический канал > 12 кэВ. Максимальное отклонение 8а было записано одновременно с сильным возвратным ударом по самолету. Импульс состоял из цуга импульсов длительностью порядка нескольких секунд. Во время полета на высоте 10 км зафиксированы множественные отклонения над средним значением фоновой скорости счета. Несколько сильно выраженных всплесков проникающей радиации коррелировали с ударами молнии по самолету. Паркс с соавторами попытались объяснить наблюдаемые явления появлением энергетичных электронов, в результате появления двойных слоев, связанных со структурой разрядов молнии [2]. В работе [2] надежно установлено существование некоторого механизма,
20
ответственного за генерацию в грозовых облаках коротких импульсов проникающего излучения, возвышающихся над постоянным фоном, в энергетическом интервале от 3 кэВ до более чем 12 кэВ.
Измерения МакКарти и Паркса [3] отличались использованием пассивного спектрометра без сцинтиллятора. Измерительный комплекс работал в диапазоне от 5 до 110 кэВ. Пассивный спектрометр постоянно записывал только тепловой шум фотоэлектронного умножителя, а активный спектрометр время от времени регистрировал кратковременные усиления скорости счета над фоном по всем каналам при полете внутри грозового облака на высоте примерно 3000 м. Поэтому каждое усиление интерпретировалось как всплески радиации, генерируемой в грозовых облаках. В целом наблюдалось более 20 событий с повышенным рентгеновским потоком. Чаще всего скорость счета увеличивалась над фоном в десятки раз, но иногда - до 3 порядков. Авторы отмечают связь периодов усиленной скорости счета и молниевой активности, но указывают на “отсутствие однозначного соотношения между наблюдениями повышенного потока радиации и разрядами молнии”. В результате проведенных экспериментов группой Паркса получены надежные свидетельства в пользу существования в грозовых облаках обширных областей, способных генерировать импульсы электронов высоких энергий с длительностью порядка секунд, которые затухали согласованно с началом разрядов молнии [2, 3].
Следующая серия исследований выполнена в 1995 г. с использованием воздушных шаров [4-6]. Ик использовал спектрометр на основе №1 с тремя энергетическими каналами в интервалах 30 - 60, 60 -90 и 90 - 120 кэВ, предназначенный для баллонных измерений рентгеновского излучения в условиях грозовых облаков. Измерения проникающего излучения велись в крупномасштабных системах слоистых грозовых облаков согласованно с измерениями напряженности электрического ноля [5, 6]. В целом результаты эксперимента подтвердили
21
результаты, полученные группой Паркса. Во время измерений в мае 1995 г. зарегистрировано увеличение интенсивности излучения на два порядка относительно фона. Событие длилось приблизительно 1 мин., причем с началом вспышки молнии, уменьшавшей напряженность поля, интенсивность возвращалась до фонового уровня [5]. Высота подъема шара составляла 5 км. Характерный размер области, в которой измеренная напряженность поля могла обеспечить ускорение электронов, оказался недостаточным для генерации зарегистрированного усиления проникающего излучения в облаке. В июне 1995 г. на высоте 15 км были зарегистрированы три импульса рентгеновского излучения с интенсивностью от 10 до 100 раз превышавшей фоновую величину [6]. Электрическое поле во время импульсов оставалось практически неизменным с направленной вниз напряженностью поля, равной 500 В/м. Измерения, выполненные в июне 1998 г. [7J, продемонстрировали, что усиление проникающего излучения не ограничено областями, где сосредоточен заряд больших грозовых комплексов - “наковальней” (“anvil” [7]). На высоте 14 км зарегистрировано более чем трехкратное увеличение рентгеновского излучения над локальным фоном, хотя ближайшая крупномасштабная система облаков, находилась на расстоянии 75 км от места запуска баллона.
1.1.2. Регистрации рентгеновского излучения со спутников.
Эксперименты по регистрации проникающего излучения с помощью детекторов, размещенных на ИСЗ, представляют большой интерес, так как дают возможность изучать грозовые явления в другом масштабе и в корреляции с наземными наблюдениями. В ходе выполнения эксперимента BATSE (Burst and Transient Source Experiment) на базе CGRO (Compton Gamma ray Observatory) в 1993 г. Фишманом с соавторами [8] были зарегистрированы вспышки необычайно жесткого у - излучения крайне
22
малой длительности - TGF (terrestrial gamma ray flash) . Обнаруженные у-импульсы отличаются очень крутыми фронтами: временем нарастания порядка 0,1 мс и более продолжительным временем затухания ~ 2 мс. В некоторых событиях регистрировались цуги импульсов с разновременностью импульсов, составляющих цуг длительностью I - 4 мс. Длительность отдельных у-импульсов находится в интервале Ац « 1-3 мс. Скорость генерации и энергия фотонов оцениваются авторами сообщения соответственно величинами d/V/d/ « 10 ООО у/с и By« 1 МэВ. Корреляция этих событий с электрической активностью в крупномасштабной системе грозовых облаков, над которой проходила обсерватория, позволила впоследствии связать их происхождение с предположительным источником - ВАР. Анализируя результаты измерений свистящих атмосфериков на станции Палмер в Антарктике, Инан с соавторами обнаружили корреляцию положительной молнии с облака на землю с одним из у-импульсов, причем, то обстоятельство, что атмосферик появился на 1,4 мс раньше пика у-импульса, интерпретируется как аргумент в пользу процесса убегания электронов в квазистатическом поле, следующим сразу после разряда [9]. Особенностью многих атмосфериков, генерируемых положительными разрядами с облака на землю в окрестности у-импульсов, отличались длинными “хвостами”, характерными для атмосфериков, ассоциируемых с оптическими феноменами Red Sprites, что, по мнению авторов [9], явилось первым свидетельством того, что "... Red Sprites и у-вспышки атмосферного происхождения могут быть разными проявлениями одного физического процесса, скорее всего, включающего убегание электронов высоких энергий”.
Следующая серия спутниковых измерений проникающего электромагнитного излучения выполнена в 1997 г. [10]. Немиров, Боннел и Норрис, проанализировали большое число атмосферных гамма-вспышек,
23
зарегистрированных BATSE, и пришли к следующим выводам. Минимальный характерный масштаб времени изменения вспышек лежит в интервале 25-250 мкс при типичном значении 50 мкс. Излучение атмосферных гамма-вспышек гораздо жестче излучения космических вспышек гамма-излучения. Атмосферные гамма-вспышки имеют разные спектры, причем излучение во вспышке становится мягче со временем. В диапазоне энергий 25-500 кэВ спектр фотонов атмосферных гамма-вспышек аппроксимируется степенным законом, а не спектральной кривой черного тела; причем минимальный масштаб времени изменения вспышек коррелирует с показателем степени в спектре. Отмечается, что спектр быстро меняющихся вспышек мягче.
Следующий космический эксперимент начался в 2002 г. с запуском спутника NASA, на борту которого был размещен детектор RlffiSSI (Reuven Ramaly High Energy Solar Spectroscopic Imager). Площадь поверхности детектора составляла 250 см2. Высота орбиты спутника 600 км; он проходит над большинством зон повышенной грозовой активности на поверхности Земли. Спектр фотонов, регистрируемых RHESSI ( от 20 кэВ до 20 Мэв) значительно шире аналогичной величины для BATSE. В статье Смита с соавторами [11] приведены первые результаты, полученные из обработки экспериментальных данных. За 6 месяцев работы детектора было зафиксировано 86 TGF-событий, длительностью от
0.2 до 3.5 мс. Количество зарегистрированных фотонов варьировалось от 17 до 101. Благодаря широкому энергетическому диапазону и хорошему разрешению высокоэнергетичной части спектра, стало возможным детальное исследование спектра TGF. Измерено энергетическое распределение фотонов. Представлена зависимость частоты вспышек от средней энергии фотонов в вспышке. Диапазон изменения средней энергии составил 0.25-4.5 МэВ; наиболее часто регистрируются вспышки со средней энергией 1-3 МэВ. По частоте регистрации вспышек выполнена оценка их появления на наблюдаемой территории: - 50 событий в день,
24
что составляет лишь - 0.1% от частоты регистрации вспышек молний -44 1/с. Представляет интерес распределение энергий фотонов по времени относительно максимума вспышки. В начале вспышки преобладают фотоны высоких энергий.
Важным дополнением результатов спутниковых наблюдений ТОР стала работа Куммера с соавторами [12], в которой сообщается о наблюдении и анализе радиоизлучения в диапазоне 30 кГц радиоизлучения от разрядов молний. Разряды ассоциировались с 26 ТОР, зарегистрированными над Америкой и Карибским морем. Из них 13 событий оказались в диапазоне -3/+1 мс от разрядов молний положительной полярности, расположенных вдоль направления движения спутника, что свидетельствует об их связи этими разрядами. Все эти разряды находились не далее 300 км от проекции спутника на Землю. Изменение дииольного момента в результате разряда молнии оказалось в среднем ~ 49 Югкм при максимуме 105 Клкм. Эта величина, по оценкам авторов, примерно на 2 порядка меньше порога пробоя на УЭ для высот 30-50 км.
1.1.3. Наземные измерения проникающих излучений электромагнитной природы, электронов и нейтронов в корреляции с грозовой активностью.
Первый эксперимент с целью проверки гипотезы Вильсона об ускорении электронов грозовых электрических полях и генерации проникающего излучения был проведен Шонлэндом [13] в Южной Африке в 1929-1930 гг. на высоте 1780 м над уровнем моря. Он зарегистрировал снижение интенсивности проникающег о излучения, интерпретированное как эффект экранирования электрическим полем грозы. Эффект проявлялся в тех случаях, когда активные грозовые облака находились непосредственно над местом измерений. Шонлэнд пришел к выводу, что
25
первичная проникающая радиация представляет собой скорее положительно заряженные частицы или у-кванты, нежели электроны.
Летом 1931-1932 гг. Шонлэнд совместно с Вильжоеном продолжил попытки зарегистрировать проникающее излучение грозового происхождения [14]. Основная идея исследования сводилась к необходимости изучения временных соотношений между вспышками молнии и отдельными импульсами счетчика. Активная гроза, удачно расположенная относительно счегчика, приводила к превышению счета на 1% над фоном при ясной погоде вследствие импульсов, совпадавших со вспышкой молнии, и вплоть до 5% вследствие импульсов, опережавших вспышку. Таким образом, Шонлэнд и Вильжоен получили первые экспериментальные свидетельства усиления проникающих излучений грозой.
Следуя идее Шонлэнда и Вильжоена изучать совпадения, а не превышение скорости счета над фоном при ясной погоде, Эпплтон и Боуин обнаружили, что в течение двух секунд после прихода проникающего излучения от грозы наблюдалось увеличение частоты появления свистящих атмосфериков, в два раза превосходившее возможную ошибку [15]. Результаты Эпплтона и Боуина мо1ут быть истолкованы в пользу теории Вильсона об убегающих электронах, испускаемых грозовыми облаками вверх и затем заворачиваемых магнитным полем к поверхности Земли.
Холлидэй [16] использовал пузырьковую камеру, которая включалась случайным образом, с целью обнаружения проникающего излучения от гроз. Он пришел к выводу, что единственным механизмом, удовлетворяющим комбинации наблюдений эффективности 1роз, проходивших к западу от места наблюдений, и доминирования прихода частиц с северного направления под большими углами к линиям магнитного поля Земли, является гипотеза Вильсона. Согласно ей
26
электроны ускоряются грозами вверх с последующим отклонением магнитным полем [17].
Клэй, Йонген и Аартс сообщают о событии 1952 г., когда во время грозы над Амстердамом оказались включенными ионизационные камеры, регистрирующие космические лучи [18]. Одна из камер зарегистрировала в течение 2,5 часов усиление ионизации над фоном; максимальное увеличение до 4% было зафиксировано в течение 13 минут. Другая камера, покрытая железной плитой толщиной 12 см, зарегистрировала усиление 4,5%. Следуя авторам предыдущих экспериментов, Клэй и др. предположили, что регистрировались электроны. По их оценке некоторая часть частиц обладала энергиями, превышавшими 9*109 эВ, что очень близко к величине 5* 109 эВ, полученной в оценках Вильсона [17]. Кроме того, Клэй и др. рассмотрели гипотезу о потоке мезонов, проникающих вниз сквозь атмосферу. В зависимости от структуры электрического поля возможны усиление или ослабление потока мезонов и соответствующее изменение распределения его энергии по поверхности Земли. В рамках этого подхода находят естественное объяснение некоторые эксперименты, такие как первый эксперимент Шонлэнда [13] или собственный эксперимент Клэя в Бандунге, где грозовая активность привела к ослаблению, а не усилению ионизации.
В 1961-1962 гг. Хилл выполнил серию измерений с целью исследовать “...убегание электронов в молнии”. Он разместил запечатанные кассеты с ядерными эмульсиями на громоотводах башни [19]. Нечувствительность к электромагнитным возмущениям - важное достоинство принятого метода регистрации. В целом, результат своей попытки Хилл считал отрицательным.
Шо [20] первым исследовал величину усиления в корреляции не только с конкретной грозой, но с конкретным периодом электромагнитной активности. Эксперимент Шо выполнялся на высоте 2800 м над уровнем моря. Шо наблюдалось 5-10% усиление счета фотонов над фоном в 12
27