Тарасов Л.В. - Ветры и грозы в атмосфере Земли (1109048), страница 46

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 46)

3.6. ВЫСОТНЫЕ ГРОЗОВЫЕ РАЗРЯДЫ В АТМОСФЕРЕ: СПРАЙТЫ И ДЖЕТЫ Обнаружение высотных разрядов в атмосфере До недавнего времени считалось, что электрические грозовые разряды происходят только в пределах тролосферы, т. е. на высотах не более примерно !5 км. Этими разрядами являются ли- 254 Глава 3. Электричество в атмосфере нейные молнии (нисходящие, восходящие, внутриоблачные и межоблачные), а также загадочные шаровые молнии. Правда, еше в 1956 г.

нобелевский лауреат Чирльэ Вильсон предположил существование электрических разрядов на высотах в несколько десятков километров. Однако ему тогда не поверили. Но вот в июле 1989 г, американский исследователь Дигон Уинклер (1916 — 2001) направил на грозовые облака высокоскоростную видеокамеру и затем стал просматривать полученные снимки кадр за кадром. К большому своему удивлению, он обнаружил на двух кадрах красноватые вспышки высоко над облаками. В сентябре Уинклер во время урагана Хьюго повторил наблюдения и записал на видеокамеру несколько подобных вспышек над грозовыми облаками. Так были открыты спрайты — высотные грозовые разряды, происходящие в мезосфере, т. е.

на высотах от 50 до 90 км (лргйе в переводе с английского означает фея). Опасаясь, что высотные разряды могут ударять в летательные аппараты, Уинклер обратился с предупреждением к своим коллегам из НАСА (Национального управления США по аэронавтике и исследованиям космического пространства). В начале 90-х гг. шатлы зарегистрировали большое число высотных разрядов в мезосфере.

Начались серьезные исследования этих разрядов и их связи с происходящими в тропосфере грозами. Наблюдения велись из космоса (со спутников и космических кораблей), с самолетов, с земной поверхности. Оказалось, что разряды в мезосфере — отнюдь не редкие, а скорее, рядовые явления. Оказалось также, что существуют разные виды высотных разрядов — одни в мезосфере, другие — в стратосфере.

Свечение первых возникает на больших высотах и распространяется вниз, тогда как свечение вторых, возникая на вершинах тропосферных грозовых облаков, распространяется вверх. Поначалу наблюдатели давали этим свечениям разнообразные названия со словом «молния«с «ракетная молния», «молния облако-космос», «ионосферная молния». Однако со временем выяснилось, что понятие «молния» не отражает структуру и динамику свечения высотных разрядов, И появились нейтральные названия: спрайты, эльфы, дхсеты.

Последних называют также синими струями ((ег в переводе с английского означает струя). Почему высотные разряды были обнаружены лишь в конце двадцатого века? Тому есть две причины. Во-первых, эти разряды закрыты от наземного наблюдателя тучами. Во-вторых, заоблачные 3.6. Высотные грозовые разряды е атмосфере: сарматы и длсеты 2бб вспышки являются кратковременными (длятся не более 0,1 с)„не очень яркими и фактически бесшумными.

Чтобы их наблюдать, требуются высокоскоростные и высокочувствительные видеокамеры, а такие приборы появились лишь в конце ХХ в. Недаром ученые дави высотным разрядам обшее название — транзиентные явления (сгвапеШ), что можно перевести на русский язык как мимолетные явления. Общие характеристики транзиентных явлений На рис. 3.34 представлено сборное фотоизображение различных высотных свечений: спрайтов„эльфов, джетов (синих струй) с учетом высот, на которых они образуются. Рис.

3.34 Свечение спрайта обычно возникает на высоте 70 — 90 км в виде размытого пятна, от которого вниз до высоты 40 — 50 км распространяются со скоростью около 1О' м/с постепенно сужаюшиеся и ветвяшиеся каналы. Продолжительность «жизни» спрайта — от десяти до ста миллисекунд (0,01 — 0,1 с). Спрайты имеют красный цвет; он 256 Глава 3.

Электричество в атмосфере обусловлен высвечиванием молекул азота, возбужденных ударами быстрых электронов в разряде. Спрайты довольно часто появляются группами. На приведеииом рисунке можно рассмотреть три спрайта, из которых один является сложным, состоящим из набора нескольких тесно расположенных одиночных спрайтов. Обнаружены круговые структуры спрайтов, похожие иа свечи в торте именинника. Эти «свечи» достигают 30 км в высоту, а их скопление имеет 70 — 80 км в горизонтальном иаправлеиии. Над группой спрайтов иа высоте около 100 км вспыхивает тусклое темно-красное кольцо толщиной 1Π— 20 км. Оио очень быстро расширяется в горизоитальиой плоскости до диаметра 300 — 500 км и угасает.

Это кольцо назвали эльфом. Замечено, что эльф возникает непосредственно перед появлением группы спрайтов. Независимо от спрайтов и сопутствующих им эльфов вспыхивают и распространяются вверх от верхушек высоко расположенных тропосфериых грозовых облаков джеты (сииие струи) светло-синего или голубого цвета.

Оии распространяются со скоростью до 1Ов м/с и достигают высоты 40 — 50 км. Протяженность джета в высоту составляет 20 — 30 км; ои имеет форму узкого перевернутого коиуса, размеры поперечника которого возрастают от нескольких десятков метров в нижней части до нескольких километров в верхней части. Продолжительность существования джета может достигать секунды. Если свечение спрайтов распространяется вниз (от ионосферы к тропосфере), то свечение джетов, напротив, распространяется вверх (от тропосферы к ионосфере). Физика образования спрайтов Как заметил Колин Прайс (геофизик из университета Тель-Авива), «молиия во время грозы может создать поле электрической напряженности в простраистве иад собой, что визуально будет выглядеть как вспышка света странной формы, которая обычно называется спрайтом». Как известно, примерно б0% всех линейных молний в тропосфере — это виутриоблачиые и межоблачные молнии, 35% молний — это нисходящие молнии (оии стартуют в основании грозового облака и ветвятся в направлении сверху вниз), 5% молний — это восходящие молнии (оии «прорастают» от высоких наземных объек- З.б.

Высотние грозоеие разряди е овсиос$ере: снройты и дгиеты 257 тов к облаку и ветвятся в направлении снизу вверх). Можно считать установленным тот факт, что снрайтм возникают нри разряде мощной восходящей молнии. Восходящая линейная молния рождается, когда грозовая туча находится уже на этапе разрушения и вся оказывается заряженной положительно (см.

подразд, «Три вида линейных молний» в разд. 3.4). Пример мошной восходящей молнии представлен на рис. 3.35. Следует ожидать, что над ней на высоте около 80 км как раз и рождается в этот момент группа спрайтов. Рис. 3.35 На рис. 3.3б, а показана ситуация перед тем, как произойдет разряд восходящей молнии.

Положительно заряженная разрушающаяся грозовая туча навела в земле благодаря электрической индукции отрицательные заряды, область расположения которых обведена на рисунке штриховой линией. Вертикальными стрелками показаны линии напряженности электрического поля. Но вот произошел разряд восходящей молнии; в результате из облака переместился на земную поверхность некоторый положительный заряд (до 50 Кл). На рис. 3.36, 6 изображена ситуация непосредственно после разряда молнии.

Здесь кружками условно показаны перенесенные на поверхность положительные заряды; они создают направленное вверх злек- 258 Глава 3. Электричество в атмосфере трическое поле. В этом поле иа высоте 70 — 90 км немедленно возникает процесс лавинообразного размножения быстрых электронов с эиергиями порядка 1 Мэ — начинает рождаться спрайт. Рис.

3.36 Почему спрайты зарождаются иа высотах 70 — 90 км? Дело в том, что в тропосфере и стратосфере очень мала коицептрация свободных электронов, практически их там иет. А мезосфера является иижией областью ионосферы (т. н. областью О), где концентрация свободиых электронов возрастает по мере подъема от 1О' до 1Оз м-' (см. разд. 3.7). Важно также то, что с подъемом в мезосферу сушествеиио уменьшается плотность атмосферного воздуха; поэтому в мезосфере сильно возрастает длина свободного пробега электронов, и появляется возможность их значительного ускорения в поле, созданном положительными зарядами, перешедшими из тучи иа земную поверхиость.

Характеристики

Список файлов книги