Электрические разряды в атмосфере

Электрические разряды в атмосфере

В атмосфере Земли возникают различные акустические, оптические и электрические явления. Атмосферное электричество это совокупность электрических явлений в атмосфере, а также раздел физики атмосферы, изучающий эти явления. Однозначной картины того, чем является атмосферное электричество, до настоящего времени нет. Существующие модели объясняют часть явлений, обладая своими плюсами и минусами каждая.

Изучаются существующее в атмосфере электрическое поле, ионизация атмосферы и ее электрическая проводимость, атмосферные электрические токи, объемные заряды, заряды облаков и осадков, грозовые разряды и другое. К атмосферному электричеству относятся тропосферные и стратосферные процессы. Тропосфера (нижний слой атмосферы) простирается до высоты 8-18 км, в зависимости от географической широты местности; выше, до высот порядка 50 км, простирается стратосфера, еще выше лежит ионосфера.

История изучения

Атмосферное электричество было доказано одним из отцов-основателей Соединенных Штатов Бенджамином Франклином, соавтором Декларации независимости и Конституции страны, чей портрет украшает 100-долларовую купюру. Будучи ученым-самоучкой, Франклин интересовался множеством физических проблем, в т.ч. и исследованиями электричества. Франклин изобрел плоский конденсатор и молниеотвод, что внесло вклад в изучение и объяснение процессов в атмосфере.

К заслугам Франклина следует отнести то, что он в 1752 году показал, что атмосферное электричество, получаемое посредством запуска воздушных змеев, способно заряжать лейденскую банку (цилиндрический конденсатор с металлическими обкладками и стеклянным диэлектриком) не хуже «земного» электричества, добываемого трением. Им же была установлена электрическая природа молнии. Для доказательства того что в воздухе присутствует атмосферное электричество Франклин использовал бумажный змей с проволокой на нем. Эти заслуги были высоко оценены его российским коллегой М.В. Ломоносовым.

В России 18 века заметный вклад в изучение атмосферных электрических явлений был внесен академиками М.В. Ломоносовым и Г.В. Рихманом. В 1745 году Рихман разработал «Электрический указатель», представлявший собой электроскоп с разделенной на градусы шкалой. Этим указателем Ломоносов с Рихманом воспользовались при создании «громовой машины» — установки для изучения интенсивности атмосферных электрических разрядов. «Громовая машина», в отличие от «электрического змея» Франклина, непрерывно фиксировала изменения атмосферного электричества, вне зависимости от погоды, и позволила ученым установить, что в атмосфере электричество разлито и в отсутствие грозы. Также им удалось доказать, что молния является электрическим разрядом в атмосфере. Особо зрелищной явилась пальба при стечении народа из батареи пушек в небо, с целью показать, что «гром не показывает электрической силы», поскольку при этом «электрический указатель ничего не показывал».

В 1753 году Рихман, во время очередного эксперимента, был убит шаровой молнией, вышедшей из «электрического указателя» во время грозы. В том же году Ломоносов выступил с докладом о разработанной им материалистической теории «Атмосферное электричество», соответствующей в принципиальных основах современным представлениям.

Ломоносов полагал, что причиной атмосферного электричества является трение пылинок воздуха о капельки воды, все это на фоне восходящих и нисходящих потоков воздуха. Северные сияния также имеют, по мнению Ломоносова, электрическую природу, он проводил опыты по воспроизведению северных сияний на моделях. Также Ломоносов рекомендовал повсеместную установку громоотводов.

Интересен опыт, произведенный в 1868 году американским дантистом Малоном Лумисом. Лумис в присутствии членов Конгресса США устанавливал беспроводную связь между двумя пунктами посредством поднятых над землей на высоту 190 м двух электропроводов, служащими передающей и приемной антенной. На расстояние 30 км при замыкании передающей антенны ключом на землю передавался сигнал, регистрируемый включенным в цепь приемной антенны гальванометром. Поскольку в цепь антенны никакие источники электропитания не подключались, придется признать, что без атмосферного электричества и здесь не обошлось.

В дальнейшем Лумис вместо воздушных змеев соорудил высокие металлизированные деревянные мачты. Особого интереса к его опытам современники не проявляли – в это время А.С. Попов еще учился в школе, а Г. Маркони еще не успел родиться. Будущее радиосвязи было связано с мощными источниками электропитания на передающей стороне с преобразованием их энергии в энергию электромагнитных волн.

По завершению 19 века наблюдается уменьшение интереса к изучению гроз и молний. Больше внимания ученые уделяляли изучению электрического поля при хорошей погоде.

Исходя из того, что человечество на Земле живет между обкладками заряженного конденсатора, неоднократно возникала мысль воспользоваться этой бесплатной энергией. Одним из первых такие мысли высказывал ученый сербского происхождения Никола Тесла, и даже проводил практические опыты в этом направлении – построил 47-метровую вышку для получения «атмосферного электричества».

Модели

Самой распространенной моделью, предоставляющей хорошую аналогию атмосферным процессам, и теоретические возможности их рассмотрения, является конденсаторная модель.

В этой модели Земля с окружающей атмосферой представлена огромным сферическим конденсатором, и, как и любой конденсатор, способна сохранять электрическую энергию. Обкладками этого конденсатора служат поверхность земли и ионосфера. Диэлектриком конденсатора служит воздух, обладающий низкой электропроводимостью. Обкладки этого «конденсатора» разнополярно заряжены – отрицательно поверхность Земли и положительно ионосфера, и между ними формируется электрическое поле.

Однако, в отличие от идеального конденсатора, где поле между обкладками однородное, поле «земного» конденсатора неоднородно, его напряженность максимальна у поверхности земли и уменьшается с высотой. Неравномерность атмосферного электрического поля объясняется электрическими явлениями в облаках, создающими объемные заряды в слоях атмосферы и обусловливающими большую напряженность электрического поля у поверхности Земли. Если у земной поверхности напряженность составляет 130 В/м, то уже на километровой высоте она падает до 40 В/м, а на высоте 12 км составляет всего 2,5 В/м. Атмосферное электричество и его конденсаторная модель называется теорией Вильсона, по имени шотландского физика. По теории Ч. Вильсона, обкладки земного конденсатора заряжаются грозовыми облаками, обладающими зарядом в 10-20 Кл, иногда доходящими до 300 Кл.

Имеется также гипотеза советского ученого Я.И. Френкеля, в которой электрическое поле формируется путем взаимодействия и поляризации поверхности Земли и облаков, ионосфере при этом особая роль в создании электрического поля не отводит

Следствия конденсаторной модели

Из конденсаторной модели вытекает наличие токов утечки, в обычном конденсаторе снижающих его эффективность как хранителя электрического заряда, и в итоге приводящих к разряду конденсатора. Аналогом токов утечки конденсатора в «земном» конденсаторе являются конвективные токи грозовых и ураганных областей, достигающие десятков тысяч ампер. Но, в отличие от физического конденсатора, разность потенциалов между ионосферой и земной поверхностью не изменяется, т.е. земной конденсатор не разряжается, а напряженность электрического поля в атмосфере не спадает. Подобное возможно только, если дополнительный генератор будет постоянно подпитывать зарядами обкладки конденсатора. Источником энергии, подпитывающим конденсатор, является магнитное поле земли. Вращение Земли в потоке исходящего от Солнца излучения приводит к выработке электрического напряжения, создающего разность потенциалов между ионосферой и земной поверхностью.

Из конденсаторной модели вытекают следующие характеристики системы: общий заряд Земли 6·10 5 Кл, разность потенциалов между обкладками 300 кВ, полное сопротивление атмосферы 230 Ом. Земной конденсатор постоянно разряжается суммарными токами порядка сотен ампер, и в отсутствие источников постоянного подзаряда конденсатора он бы разрядился полностью примерно за 10 минут. Природа подзаряда конденсатора окончательно не выяснена, но известно, что в областях с грозовыми облаками текут токи заряда, а в свободных от облаков областях текут токи разряда.

Атмосферные явления

Гроза и молнии

Гроза сопровождается искровыми разрядами – молниями, сопровождающимися световыми вспышками и громом. С точки зрения конденсаторной модели все это – паразитные явления. Для наземных объектов (и летящих самолетов) молнии представляют огромную опасность, вследствие своего электрического, теплового и ударного воздействия.

Атмосферное электричество как молнии бывают не только на земле, но и на других планетах Солнечной системы. Сила тока линейной земной молнии доходит до полумиллиона ампер при напряжении до миллиарда вольт и типичном значении в десятки миллионов вольт. Длительность молний достигает нескольких секунд, а длина доходит до сотен километров, при том, что молний короче нескольких сотен метров тоже не бывает.

В верхних слоях атмосферы за последние десятилетия открыты и совершенно особые виды молний – эльфы, спрайты и джеты.

Читайте также:  Маркировка щеток для электродвигателей
Зарницы

Зарницы – вспышки света на горизонте при удаленной грозе. Вследствие удаленности раскаты грома не слышны, но видны вспышки молний. Иногда зарницы видны при совершенно ясном небе. Появляются они обычно в жаркое время года.

Огни Святого Эльма

Помимо молний (искрового разряда) в атмосфере наблюдается и коронный разряд, называемый огнями Святого Эльма. Коронный разряд возникает в газе в резко неоднородном электрическом поле вблизи электродов с большой кривизной поверхности (острие, провода). К появлению огней Святого Эльма ведет повышение напряженности электрического поля в окружающей среде, во время грозы или ее приближении, метели, шторма и пр.

В зонах вблизи острия нейтральные частицы газа ионизируются и возбуждаются в результате соударения с электронами, в результате вокруг электродов возникает «корона» – светящийся ореол. В атмосфере коронный разряд выглядит как наблюдающиеся в темноте светящиеся кисти на острых концах высоких предметов (башен, корабельных мачт).

Шаровые молнии

Шаровая молния – это газовый разряд сферической формы, выглядит как плавающее в воздухе светящееся образование, перемещающееся по непредсказуемой траектории. Очевидцы свидетельствуют, что шаровая молния появляется в грозовую погоду, иногда наряду с обычными молниями. При этом она выходит из проводника или даже предмета (столба, дерева). Попытки сфотографировать шаровую молнию или произвести видеосъемку обычно оказывались неудачными ввиду низкого качества отснятого материала.

Шаровая молния – настолько редкое и уникальное природное явление, что до сих пор не существует признанного всеми теоретического обоснования этого феномена, а до 2012 года даже не существовало подтверждения их реальности. Есть и теории, считающие наблюдения шаровой молнии следствием расстройств психики. Получить устойчивую шаровую молнию в лабораторных условиях также еще не удалось.

Гроза – электрическое атмосферное явление, при котором в мощных кучево-

дождевых облаках или между облаками и земной поверхностью возникают

многократные электрические разряды (молнии), сопровождающиеся громом. Грозам

обычно сопутствуют шквалистые ветры, ливневые осадки, нередко с градом.

Электрические явления в атмосфере: ионизация воздуха, электрическое поле

атмосферы, электрические заряды облаков и осадков, электрические токи вызывают

разряды в атмосфере. Такие разряды называют атмосферным

Одной из проблем безопасности полетов самолетов являются атмосферные

электрические разряды, с которыми приходится сталкиваться экипажам воздушных

судов, оборудованных системой дистанционного управления.

Пилоты, знакомящиеся с самолетом, оборудованным системой дистанционного

управления, обычно задают законные вопросы о том, какой эффект оказывают

молнии на системы этого технически усовершенствованного самолета.

В основном молнии имеют прямой и косвенный эффект на самолет.

1. Прямой эффект вызывает физические повреждения структуры самолета. Они

вызваны высокой энергией, содержащейся в разряде молнии за одну секунду.

Структура самолета, созданная для представления Faraday Cage, полностью

прошита, а многие части сделаны из графитового волокнистого укрепленного

пластика (CFRP), и с помощью специальных технологий достигнута их электрическая

2. Косвенный эффект молнии отражается на легком нарушении или сильном

повреждении системы авионики. Это повреждение связано с электромагнитными

полями, возникающими из циркуляции высоковольтного тока в структуре самолета.

Например, от удара молнии напряжение может попасть на сигналы, которые не

защищены от молнии, из-за чего общий сигнальный уровень поднимется в 500 раз.

Ток, который возникнет в этом случае, может быть в 300 тыс. раз выше

нормального состояния. Избыток входящей энергии, который встроенные фильтры

должны нейтрализовать, может быть равен 500 кВт, в то время как потребление

энергии всем оборудованием при нормальных обстоятельствах намного меньше 100

Еще одним источником электрического разряда является такое явление, как

шаровая молния (ШМ), практически неослабевающий интерес к которой обусловлен

по-видимому тем, что до сих пор не существует какой-то одной общепринятой

модели их внутреннего строения. Время жизни наблюдаемых ШМ достигает десятков

секунд и учитывая их внезапное появление слишком мало для детального

исследования. Отсюда основным источником информации об ШМ становятся

последствия их взаимодействия с окружающими предметами. Некоторые примеры из

повреждения предметов после контакта с ШМ позволяют сделать оценки внутренней

энергии, содержащейся в ШМ. Как следует из опыта контактов с ШМ, они обычно

образуются вблизи источников сильных электромагнитных разрядов – при ударе

молнии, при замыкании-размыкании высоковольтного или сильноточного

электрооборудования, при высокочастотных импульсах мощных генераторов.

Молнии не контролируются природой. Они проводят свою энергию через крошечное

острие. Концентрация этой энергии — источник физических повреждений. Задача

всех защитных технологий – рассеять эту энергию. Заклепанная поверхность

самолета не может полностью предохранить повреждение. Необходимо удалить

статические заряды, возникшие от воздушного трения, и создать защиту от

высокоинтенсивных радиационных полей.

3. Электрический разряд в газах (газовый разряд)

Особенность газов состоит в том, что электрический разряд в газах сам создает

в них носители заряда – свободные электроны и ионы и обусловливает их

концентрацию и распределение в объеме газа. В зависимости от давления, рода

газа, процессов на электродах, плотности разрядного тока и др. возникают

различные типы разрядов: тихий, тлеющий, дуговой, искровой, коронный,

кистевой. По способу подведения энергии различают: разряд на постоянном токе,

переменном токе низкой частоты, высокочастотный разряд и импульсный разряд.

Для примера рассмотрим одну из форм самостоятельного разряда в газах – так

называемый тлеющий разряд. Для получения этого типа разряда удобно

использовать стеклянную трубку длиной около полуметра, содержащую два

Присоединим электроды к источнику постоянного тока с напряжением несколько

тысяч вольт (годится электрическая машина) и будем постепенно откачивать из

трубки воздух. При атмосферном давлении газ внутри трубки остается темным,

так как приложенное напряжение в несколько тысяч вольт недостаточно для того,

чтобы пробить длинный газовый промежуток. Однако когда давление газа

достаточно понизится, в трубке вспыхивает светящийся разряд. Он имеет вид

тонкого шнура (в воздухе – малинового цвета, в других газах других цветов),

соединяющего оба электрода. В этом состоянии газовый столб хорошо проводит

Различают следующие две главные части разряда: 1) несветящуюся часть,

прилегающую к катоду, получившую название темного катодного пространства;

2) светящийся столб газа, заполняющий всю остальную часть трубки, вплоть до

самого анода. Эта часть разряда носит название положительного столба.

При подходящем давлении положительный столб может распадаться на отдельные слои,

разделенные темными промежутками, так называемые страты.

Описанная форма разряда называется тлеющим разрядом. При тлеющем разряде

газ хорошо проводит электричество, а значит, в газе все время поддерживается

сильная ионизация. Причинами ионизации газа в тлеющем разряде являются

ударная ионизация и выбивание электронов с катода положительными ионами.

Катодное падение потенциала зависит от материала катода и от рода газа.

В настоящее время трубки с тлеющим разрядом находят практическое применение как

источник света – газосветные лампы. Для целей освещения с успехом

применяются газосветные лампы, в которых разряд происходит в парах ртути,

причем вредное для зрения ультрафиолетовое излучение поглощается слоем

фосфоресцирующего вещества, покрывающего изнутри стенки лампы. Фосфоресцирующее

вещество начинает светиться видимым светом, который добавляется к собственному

свечению паров ртути, давая в результате свет, близкий по характеру к дневному

свету (газосветные лампы дневного света). Такие лампы не только дают очень

приятное «естественное» освещение, но и значительно (в 3-4 раза) экономичнее

Газосветные лампы применяются также для декоративных целей. В этих случаях им

придают очертания букв, различных фигур и т. д. и наполняют газом с красивым

цветом свечения (неоном, дающим оранжево-красное свечение, или аргоном с

Дуговой разряд. Если после зажигания искрового разряда постепенно

уменьшат сопротивление цепи, то сила тока в искре будет увеличиваться. Когда

сопротивление цепи станет достаточно малым, возникает новая форма газового

разряда, называемая дуговым разрядом.

Дуговой разряд возникает во всех случаях, когда вследствие разогревания

катода основной причиной ионизации газа становится термоэлектронная эмиссия.

Например, в тлеющем разряде положительные ионы, бомбардирующие катод, не

только вызывают вторичную эмиссию электронов, но и нагревают катод. Поэтому,

если увеличивать силу тока в тлеющем разряде, то температура катода

увеличивается, и когда она достигает такой величины, что начинается заметная

термоэлектронная эмиссия, тлеющий разряд переходит в дуговой. При этом

исчезает и катодное падение потенциала.

Электрическая дуга является мощным источником света и широко применяется в

проекционных, прожекторных и других установках. Расходуемая ею удельная

мощность меньше, чем у ламп накаливания.

Дата добавления: 2015-04-12 ; просмотров: 21 | Нарушение авторских прав

Б.А. Хренов и Г.К. Гарипов

Настоящий обзор подготовлен для книги НИИЯФ МГУ "Модель космоса",Изд. КДУ, Москва, ред. М.И. Панасюк и Л.С. Новиков, т.1, 2007

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.

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/cм 2 (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 аргон- около 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 >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.

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 (Lehtinen, 2000; Кудрявцев, 2005) и в работах (Бабич и др., 2001-2004). 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 (Milikhet 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 (Lehtinen, 2000) 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.

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 во- многом 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 (Cummer, 1997) 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 работах (Cummer, 1997; Milikh, 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.

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.

Еще одна взаимосвязь между разрядами в атмосфере и структурой магнитосферы обсуждается в литературе. Радио всплески (атмосферики) от разрядов с длиной волны, порядка расстояния между радиационными поясами, возможно ответственны за выбрасывание частиц из промежутка между поясами, и, таким образом, создают достаточно большие зоны, свободные от радиации (Milikh, 2005; Green, 2005). В этих зонах работа космических аппаратов более надежна и этим можно воспользоваться в практике планирования трасс космических полетов.

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.

5. ЛИТЕРАТУРА

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.

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.

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.

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.

Гуревич А.В. К теории эффекта убегающих электронов. ЖЭТФ, 39, 1296-1301, 1960.

Гуревич А.В., Зыбин К.П. Пробой на убегающих электронах и электрические разряды во время грозы. УФН, т. 171. с. 1177 — 1199, 2001.

Кудрявцев А. Ю., Развитие механизма восходящих атмосферных разрядов на основе генерации лавин релятивистских электронов. Кандидатская диссертация, Саров, 2005.

Cummer S.A. Lightning and Ionospheric Remote Sensing Using VLF-ELF Radio Atmospherics. PhD Thesis, Stanford Universty, 1997.

Cummer S.A., N.C. Jaugey et al, Submillisecond Video and Electromagnetic Observations of Sprite Development and Structure, AE11A-05, 2005.

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, 1313-1316, 1994.

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.

Green J. www.newscientist.com/article.ns?id=dn7122 — 39k — 22 дек 2005.

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.

Horne R. www.physorg.com/news6290.html

Lehtinen N., Relativistic Runaway Electrons above Thunderstorms. PhD Thesis, Stanford University, 2000.

Читайте также:

  1. Атмосферные газы
  2. Разряды местоимений по значению
  3. Разряды наречий по значению
  4. Разряды предлогов по значению и по сочетанию с падежными формами
  5. Разряды союзов по синтаксической функции и значению
  6. Разряды числительных
Ссылка на основную публикацию
Экран под ванну мдф 170
Выбирая ванну 170 см шириной — Вы найдете множество вариантов экранов из МДФ под нее, а также других элементов сантехники,...
Штукатурка старых стен своими руками видео
Отделка кирпичной кладки дома или квартиры штукатуркой самый распространенный вариант. При должном уходе прослужит штукатурка не менее 20 лет. Но...
Штукатурка стен по маякам расценка в смете
Вернемся еще раз к сборнику ТЕР(ФЕР)15 "Отделочные работы": Например, нам необходимо выполнить штукатурку стены толщиной 50 мм каким-то раствором. (для...
Экструдер для полиэтиленовых труб
Компания «Европолимер-Рециклинг» предлагает купить оборудование для производства полипропиленовой, полиэтиленовой трубы разных типов – профильной, круглой и т. д. Мы спроектируем,...
Adblock detector