Тарасов Л.В. - Ветры и грозы в атмосфере Земли (1109048), страница 47

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

Текст из файла (страница 47)

Так как напряженность этого поля направлена вверх, то иарастающая лавина ускоренных электронов будет убегать вниз, к стратосфере, формируя тем самым спрайт. При этом убегаюшие вниз электроны разгоняются до скоростей, близких к скорости света (до скоростей 10з — 1О' м/с). Представленная картина образования спрайта является упрошеи- иой. Детальное рассмотреиие процесса лавинообразного размиоже- З.б.

Высотные грозовые разряды в атмосфере: снрайты и дхсеты 259 ния быстрых электронов в мезосфере с учетом космических частиц, играющих в этом процессе роль своеобразной «затравки», было проведено на основе т.н. теории пробоя на убегающих электронах. Эта теория разработана российским физиком академиком Александром Викторовичем Гуревичем (род. 1930) в 90-х гг, прошлого века. О природе электрических разрядов, названных спрайтами Тропосферные линейные молнии — это искровые электрические разряды. Вряд ли можно полагать, что мезосферные спрайты — тоже искровые разряды. Характерные признаки молниевого разряда: его локальность (канал разряда очень мал — не более нескольких сантиметров), высокая яркость свечения, очень высокая температура в канале разряда (до 30000 К), громкий звук (гром), обусловленный сильным нагреванием и быстрым расширением внезапно нагретого воздуха.

Продолжительность импульса основного тока менее 10-4 с. Совсем иные характеристики имеет электрический разряд, названный спрайтом. Его свечение занимает значительный объем в пространстве, измеряемый тысячами кубических километров (объем группы спрайтов достигает 10 000 кмз) и не отличается яркостью. Спрайт — «холодный» разряд; он не сопровождается быстрым расширением нагретого воздуха, иными словами, не производит грома. Как уже отмечалось, длительность свечения спрайта 0,01 — 0,1 с, что в 100 — 1000 раз больше длительности импульса основного тока при молниевом разряде. Все это указывает на то, что спрайт не является искровым разрядом и, следовательно, его нельзя рассматривать как высотную молнию.

Уже сама форма свечения спрайта говорит о том, что перед нами отнюдь не молния (рис. 3.37). Возможно, в случае со спрайтом мы имеем дело с некоторой формой тлеющего электрического разряда. Мы встречаемся на практике с таким разрядом в газовых лазерах и газоразрядных лампах, используемых для освешения и для декоративных целей. Тлеюший разряд зажигается в сильно разрехсенных газах при давлениях 0,1 — 1 мм рт.

ст. Он не сопровождается нагреванием, является «холодным» разрядом. Он вызывает размытое по пространству газоразрядной трубки стабильное свечение. При тлеющем разряде в 260 Глава 3. Электрачество в атмосфере газе все время поддерживается сильная ионизация, обеспечивающая проводимость газа. Рис. 3.37 Все это можно отнести также и к спрайту. Учтем, что он возникает в области нижней ионосферы, где уже достаточно велика ионизация атмосферного воздуха, а атмосферное давление очень мало. Например, на высоте 70 км оно равно 0,05 мм рт. ст., а на высоте 80 км — 0,01 мм рт. ст. Как возникает расширяющееся кольцо эльфа Как уже отмечалось, над спрайтом на высоте около 100 км возникает эльф — свечение в виде красного кольца в горизонтальной плоскости, которое в течение примерно 1 мс быстро расширяется до диаметра в несколько сотен километров.

Существует следующее объяснение появления эльфов. Мощный разряд восходящей линейной молнии становится свое- образной «передающей антенной», от которой со скоростью света З.б. Лисоятие грозовие разряды в атмосфере: сярайти а дзкети 261 начинает распространяться фронт сферической электромагнитной волны. Последовательные положения фронта показаны окружностями на рис. 3.38.

Там же изображена горизонтальная плоскость Ю на высоте л = 100 км. За время, равное 3. 10-4 с, электромагнитная волна достигает высоты 100 км, где и возбуждает свечение молекул азота в виде красного кольца. Фронт волны продолжает расширяться и, соответственно„расширяется светящееся кольцо в плоскости Ю, как это хорошо видно на рисунке. Рис. 3.38 Почему кольцо эльфа возникает именно на высотах около 100 км? Дело в том, что именно на этих высотах особенно резко возрастает (до 10" м з) концентрация свободных электронов в ионосфере (см.

разд. 3.7). А ведь именно столкновения быстрых электронов с молекулами азота приводят к возбуждению и последующему высвечиванию последних. Надо полагать„что электрическое поле электромагнитного импульса, распространяющегося от молнии, способствует ускорению свободных электронов. Глобальная атмосферная электрическая цепь и спрайты В пункте «Генераторы земного электричества» в разд. 3.4 отмечалось, что через атмосферу текут электрические токи от ионосферы к земной поверхности и от земной поверхности к ионосфере. В тех областях Земли, где в данное время стоит хорошая погода, электрическая напряженность атмосферного поля направлена вниз 262 Глава 3.

Электричество в атмосфере (от ионосферы к Земле) и в этом направлении течет ток положительных зарядов. В областях же с нарушенной погодой (там, где гремят грозы) напряженность атмосферного поля направлена вверх в ионосферу, и туда же направлен ток положительных зарядов. Таким образом, можно говорить о существовании в атмосфере глобальной электрической цепи.

В этой цепи положительный ток течет: 1) от заряженных положительно вершин грозовых облаков в ионосферу; 2) по ионосфере; 3) из ионосферы над областями хорошей погоды к поверхности Земли; 4) вдоль земной поверхности к областям, где происходит гроза; 5) по каналам нисходящих молний к отрицательно заряженным основаниям грозовых облаков. Роль мощного электрического генератора играют грозовые облака, заряженные вверху положительно, а внизу отрицательно.

Как мы уже отмечали в разд. 3.4, такая модель глобальной атмосферной электрической цепи была предложена в 1925 г. Чарльзом Вильсоном. Обший (в расчете на весь земной шар) ток, текущий по глобальной цепи, составляет примерно 1500 А. Понятно, что если положительный ток в области грозовой деятельности течет от земной поверхности к ионосфере, то отрицательные заряды, наоборот, стекают там от ионосферы к Земле.

Именно в этом направлении (направлении сверху вниз) как раз и развиваются нисходящие линейные молнии; они, напомним, ветвятся в направлении сверху вниз. В этом же направлении развиваются в мезосфере спрайты. Они вносят свой вклад в глобальную электрическую цепь и тем самым подтверждают ее суьцествование. На рис. 3.39 схематически показана глобальная атмосферная электрическая цепь с учетом не только нисходяших молний в тропосфере, но также и спрайтов в мезосфере. Вертикальными тонкими стрелками даны здесь линии напряженности электрического поля, а толстыми белыми стрелками условно представлен положительный ток на различных участках глобальной цепи.

Конечно, такая схема условна, так как предполагает, что все области хорошей погоды сосредоточены на одной части земной поверхности, а все области с грозовой деятельностью — на другой части. В действительности же З.б. Высотные грозоаые разряды а атмосфере: спрайты и дясеты 263 существует великое множество областей хорошей погоды и нарушенной погоды, причем расположение этих областей изменяется во времени. Подсчитано, что в каждый момент над Землей гремит в общей сложности до 1500 гроз, и от каждой грозы устремляется вверх к ионосфере ток положительных зарядов.

Сумма этих токов и формирует один из участков глобальной цепи. д ны 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 Зона Зона нарупынной погоды яороптй погоды Рис. З.Зй Загадки джетов Наиболее загадочными высотными разрядами являются обнаруженные в 1995 г. джеты. Они возникают на вершинах грозовых туч, проникающих в нижнюю стратосферу (на высотах 14 — 18 км), и распространяются вверх до высот 40 — 50 км. Природа джетов до сих пор не выяснена. Высказываются предположения, что джет — это стримерная корона, подобная той, которая формируется перед ступенчатым лидером линейной молнии, только сильно увеличенная из-за уменьшения плотности воздуха с высотой.

В этом случае джет надо уподобить молнии (искровому разряду), которая бьет вверх из тучи с отрицательно заряженной вершиной. При этом становится понятным, почему не замечено связи джетов с разрядами молний в 264 Глава 3. Электричество в атмосфере тропосфере. Ведь в таком случае джет сам есть молния и притом молния восходяшая.

Только развивается она не от земного объекта, а от вершины тучи. В июне 2010 г. на Украине была случайно сфотографирована необычная молния (рис. 3.40). Мы видим на фотографии ветвяшуюся в направлении снизу вверх молнию, которая (что и удивительно) «прорастает» от вершины грозовой тучи. Нельзя, однако, с уверенностью утверждать, что перед нами джет. Вполне возможно, что мы встретились с необычным случаем межоблачной линейной молнии.

Характеристики

Список файлов книги