Диссертация (1149454), страница 6
Текст из файла (страница 6)
Позже это былообъяснено тем, что на уровнях выше грозового облака время рекомбинации свободных зарядов28очень мало, так что любое увеличение проводимости, вызванное высотными разрядами, быстроисчезало [355]. Истед [105] обнаружил, что на высотах около 70 км существует аномальносильная ионизация, возникающая одновременно с грозовыми разрядами.В работах [10, 148, 174] авторы сообщают об обнаружении радиолокационныхотражений, которые они объясняют ионизацией, вызванной разрядами, ударяющими вверх навысоту более 20 км.Первые изображения разрядов в ионосферу были получены с помощью чувствительнойвидеокамеры в 1989 году и опубликованы в 1990 году в [66].
В последующие годы былисделаны новые видеозаписи и фотографии этого интересного явления [8, 9, 13, 17, 40, 41, 42, 67,96, 97, 213, 124, 127, 128, 131, 155], в том числе с помощью высокоскоростных камер [43, 69, 70,191] с борта самолета [132, 183, 206] и из космоса [21, 206]. Ввиду редкого появления, наиболееизученным из всех разновидностей TLE к данному моменту является спрайт.Рисунок 1.9. Соответствие наблюдаемого электромагнитного сигнала положительногомолниевого разряда оптическому свечению над грозовым облаком (спрайтом), на основанииизмерения фотометра, магнитной антенны и высокоскоростной видеозаписи [210]Существует несколько теорий относительно появления высотных разрядов: нагрев средынад грозовым облаком потоками электронов [160, 201], квазиэлектростатический обратныйразряд [125, 161]; ускорение электронов в поле грозового облака, так называемые «убегающие»электроны [16, 150, 259].Основные результаты численных расчетов и компьютерного моделирования динамикивысотных разрядов изложены в работах [8, 9, 40, 41, 42, 67, 96, 97, 120, 121, 124, 127, 128, 146,213].В настоящее время наиболее согласованной с наблюдениями и условиями возникновениямолний, и, в частном случае, спрайтов, гипотезой является теория пробоя на «убегающих»29электронах – явление лавинообразного размножения в веществе быстрых электронов,предложенная Гуревичем в 1992 году [259].
Эта модель успешно пояснила необычные условияпоявления разрядов при недостаточной напряженности электрического поля, большой разностивысот. Появление пробоя требует наличия затравочных частиц высоких энергий, которыми вприродных условиях могут являться вторичные электроны космических лучей.Рисунок 1.10. Разновидности высотных разрядов облако-ионосфера. Рисунок из работы[133].Считается, что высотные разряды возникают после положительного разряда «облакоземля» [42]. Теория пробоя на «убегающих» электронах имеет объяснение и для этойособенности. В квазистационарном состоянии поле на высоте возникновения спрайтапрактически отсутствует [84], но после положительного разряда на Землю (положительныемолнии переносят заряд до 300 Кл [355, 357]) баланс нарушается [214]. Таким образом, можетвозникнуть необходимое для пробоя поле.
При этом оно направлено к Земле, и потомупроисходит ускорение электронов по направлению к ионосфере.301.3 Вариации вторичной компоненты космических лучей в электрических полях грозовойатмосферыВ 1925 году Вильсон [219], в качестве попытки объяснить происхождениеионизирующих частиц высоких энергий в атмосфере, высказал гипотезу, согласно которойподобные частицы могут возникать за счет разгона электронов («-particles» [219]) вэлектрическом поле грозового облака («убегающие электроны»). В 1926 году Милликен иКамерон для проверки гипотезы Вильсона (в рамках целенаправленного эксперимента пообъяснению открытого в 1912 г.
Гессом [91] «высотного излучения», хорошо известного внастоящее время как космические лучи) провели измерения скорости ионизации на озереМигуилла в Боливии [149]. Озеро было окружено высокими горами что, по мнению авторов,служило надежной защитой от ионизирующих частиц, которые могли образовываться вгрозовой атмосфере. Результаты измерений показали, что скорость ионизации былааналогичной измеренной на калифорнийском берегу во время грозы. Это дало повод авторамисключить гипотезу Вильсона для объяснения наблюдаемой ионизации.В своих работах Вильсон приходит к выводу о существовании в атмосфере свободныхэлектронов, однако не дает объяснение причинам, по которым они могут появляться. Посовременным представлениям, такие электроны, именуемые в литературе «затравочными»[355], непрерывно образуются в атмосфере космическими лучами [78] наряду с другимиэлементарными частицами разного сорта и энергии (вторичные комические лучи).
В 1930 г.Шонланд [178] попытался обнаружить такие электроны, однако пришел к выводу, что такиечастицы должны отклоняться магнитным полем земли вверх и не могут быть зарегистрированыу поверхности. Экспериментально такие «убегающие» электроны были обнаружены позже. Спомощью счетчиков заряженных частиц, Шонланд и Вильджон [179] обнаружили энергичныеэлектроны от грозы, удаленной более чем на 30 км. Электроны регистрировались синхронно совспышкой молниевого разряда.Аналогичные результаты получили Коэнс [29] и Эплтон с Боуэном [5]. По мнениюавторов, эти электроны были выброшены вверх электрическим полем, а затем их траекторииискривились магнитным полем земли. Холлидей [83] , используя камеру Вильсона, запусккоторой производился от электромагнитных сигналов молний, обнаружил, что во время грозы,наблюдаемой в западном направлении, ускоренные электроны попадали в камеру с севера.Наблюдаемый эффект согласовывался с ожидаемой траекторией электронов, выброшенныхгрозовым облаком [178].В работе Шонланда [180] по результатам измерений в Южной Африке показано, чтоинтенсивность заряженной компоненты космических лучей в некоторых областях у31поверхности земли под грозовым облаком понижена, а в других - повышена.
Автор пришел квыводу, что сильное электрическое поле грозового облака может замедлять заряженнуюкомпоненту космических лучей. Следует отметить, что грозовое атмосферное электрическоеполе применялось, в том числе, для ускорения заряженных частиц в ускорителях [257, 333].Впоследствии от этого способа пришлось отказаться ввиду невозможности регулироватьвеличину такого поля. Арабаджи [6, 240] предложил оригинальную гипотезу возникновенияшаровой молнии.
По его мнению, она рождается в области, в которой происходит фокусировкаядерноактивной компоненты космических лучей мощным электрическим полем грозовогооблака. Возникающая при этом реакция дробления ядер ксенона атмосферного воздуха илавинообразное размножение ядерноактивных частиц дает энергию, достаточную дляобразования и поддержания шаровой молнии. Похожая теория рассматривалась в работе [4].Эффекты, проявляющиеся в вариациях вторичного потока (в основном в мюоннойкомпоненте) космических лучей в грозовой атмосфере, в настоящее время регистрируются насовременных детекторах и активно исследуются.Результаты исследования интенсивности мягкой мюонной компоненты космическихлучей с разной пороговой энергией под влиянием вариаций грозовых электрических полей наБаксанской высокогорной (2060 м над уровнем моря) станции приводятся в работах [3, 110].Авторы измерили зависимость интенсивности потока мюонов при трех порогах энергии отнапряженности приземного электрического поля.
Показано, что с увеличением напряженностиполя, независимо от его знака, интенсивность потока мюонов уменьшалась. Обнаруженныеэффекты грозового электрического поля в мюонной компоненте предсказывались ранее вчисленном расчете [2].Экспериментальные данные о значительном понижении интенсивности мюонов спороговой энергией 100 МэВ во время грозы представлены в [229, 300]. Были обнаруженысильныеипродолжительныеизмененияинтенсивностимюоноввкорреляцииснапряженностью и знаком приземного электрического поля.
Согласно гипотезе авторов [111,300], объяснением такого понижения является выход вершины грозового облака за пределыуровня генерации мюонов (15 км) в атмосфере. Таким образом, вдоль траекторий мюоноввозникает протяженная область с большими градиентами напряженности электрического поля,в которых происходит торможение мюонов.
Так как мюон является нестабильной частицей(время жизни 2,2 мкс) [250], увеличивается вероятность его распада, вследствие чегоуменьшается интенсивность потока. Это предположение подтверждает сделанные ранееШонландом [180] выводы о возможном механизме наблюдаемых вариаций заряженнойкомпоненты космических лучей в поле грозового облака.32В работе [229] сообщается о возрастании интенсивности мюонов непосредственно передмолниевым разрядом на 1-3% от фонового уровня. Авторы пришли к выводу, что подобныевозрастания объясняются, вероятно, сложным распределением (вертикальным профилем)электрического поля, а также процессами генерации частиц в грозовом облаке.В эксперименте на высокогорной станции Арагац (3250 м, Армения) [34] измеряласьинтенсивность нейтронного потока, электронов и гамма-квантов во время грозовых явлений.Для регистрации гамма-вспышек и интенсивности электронов применялись сцинтилляционныедетекторы. Нейтроны регистрировались стандартным нейтронным монитором 18-NM-64.Напряженность электрического поля измерялась электростатическим флюксметром BoltekEFM-100.
Обнаружены сильные возрастания (до 250%, 7) скорости счета гамма-квантов всцинтилляционном детекторе (в минутном разрешении данных) в корреляции с вариациямиэлектрического поля. Также авторами обнаружены кратковременные (в среднем менее 50 мкс)всплески гамма-квантов с энергией более 10 Мэв в момент молниевых разрядов. Авторыобъясняют появление вспышек гамма-излучения длительностью менее 50 мкс процессамигенерации в лавинах релятивистских «убегающих» электронов в мощных электрических поляхгрозового облака [78].Непрерывноеисистематическоеизучениеинтенсивностипотоканейтронов,образующихся в атмосфере как вторичные частицы космических лучей, началось с появлениеммировой сети нейтронных мониторов в 1957 году.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
