Об особенностях грозового разряда

Механизм возникновения молнии хранит в себе множество тайн. Однако благодаря работам академика Александра Викторовича Гуревича часть из них удалось разрешить, приоткрыв завесу таинственности и объяснив все стройной, но очень тонкой физикой. О новых исследованиях механизма грозового разряда рассказал сам академик Гуревич.

То, что молния есть не что иное, как электрический разряд, еще в середине XVII века доказал в своих работах Бенджамин Франклин. Однако после создания теории электричества и изучения явлений разряда в газах возникла новая загадка: разряд молнии в атмосфере возникает при электрических полях, интенсивность которых на порядок меньше, чем следует из лабораторных экспериментов по пробою воздушной среды. Эту загадку и разрешил в конце ХХ века Александр Гуревич, сотрудник Физического института им. П.Н. Лебедева РАН.

Решение основано на открытом Гуревичем эффекте пробоя на убегающих электронах. Именно этот эффект позволяет лавине быстрых электронов ускоряться в значительно меньших электрических полях по сравнению с теми, что требуются для статического пробоя воздушного слоя.

«Суть теории убегающих электронов, – рассказывает Александр Викторович, – заключается в том, что электроны с энергией от 1 кэВ, под действием электрического поля могут ускоряться в газе (ускорение происходит от кэВа до МэВа). То есть быстрые электроны движутся не как обычные, а особым образом ускоряются, но именно при наличии газа. В 1992 году, когда появились первые работы о наблюдении гамма-излучения в атмосфере, наша группа разработала теорию лавинообразования убегающих электронов: они не просто убегают, а образуют при этом лавину, вот это и называется пробоем на убегающих электронах».

Александр Викторович и его ученики создали теорию явления, а он сам стал руководителем целого экспериментального направления, в рамках которого в последние годы проводилось подтверждение предсказаний теории. Чтобы убедиться в правильности предсказаний, проводились лабораторные и натурные эксперименты (работы на Тянь-Шаньской высокогорной научной станции ФИАН под Алма-Атой, в горах, где был создан целый комплекс аппаратуры, например установка «Гроза»). В течение уже нескольких сезонов регистрируются инициированные космическими лучами широкие атмосферные ливни (ШАЛ), а также гамма- и радиоизлучения, возникающих во время разряда молнии. Гамма-излучение во время грозы наблюдается в воздушных экспериментах (на самолетах, шарах-зондах, космических аппаратах) и с помощью наземной аппаратуры. Все эти наблюдения в соответствии с длительностью регистрации событий можно разделить на два класса. Один класс использует короткое время записи длительностью около миллисекунды и меньше – это процессы с временным разрешением в субмикросекундном диапазоне. Второй класс наблюдений использует более длительное время записи – около минуты (субсекундные процессы). На Тянь-Шаньской станции измерения гамма-излучения производятся в течение всего времени грозового разряда (в среднем это 0,1-1 сек) на высоте от 3340 до 3880 м над уровнем моря.

«Сейчас важно не просто наблюдать во время атмосферного разряда большое количество гамма-излучения (большое количество быстрых электронов), но и отождествлять его с атмосферным разрядом. Не так давно в США наблюдали гамма-излучение продолжительностью порядка 100 мкс перед самой молнией, когда она по идее уже подходит к земле. Мы сейчас наблюдаем 100-600 мс – это на 3 порядка дольше, фактически мы видим гамма-излучение в течение всего атмосферного разряда. Из этого можно сделать вывод, что практически все процессы в атмосферном разряде сопровождаются большим количеством быстрых электронов», – делится результатами академик.

Сегодня Александр Гуревич, пожалуй, единственный ученый в мире, который наиболее полно синтезирует знания о природе грозового разряда. Создав теорию этого эффекта и запустив целую серию экспериментальных исследований разрядов в атмосфере (в том числе спутниковых: на конец 2011 г. запланирован запуск специального спутника «Чибис», который будет собирать данные о грозовых явлениях «сверху»), академик Гуревич сейчас работает над комплексной моделью явления. Свою задачу он видит в том, чтобы согласовать данные тянь-шаньских экспериментов с данными экспериментов лабораторных и учесть все возможные факторы. Например, экспериментальные данные, полученные в разные времена года, отличаются, и надо понять, почему так происходит.

Во время грозы в облаке, заряженном отрицательными ионами, образуется электрический заряд примерно 10 Кулон на км² (1019 отрицательных ионов дает 1 Кл). Например, если облако протяженностью 5 км, значит, разряд будет 300 Кл. Такое электрическое поле в определенных условиях должно индуцировать достаточную проводимость в этом облаке, иначе просто невозможно этот заряд передать. Возникает «тоненький шнур» диаметром всего несколько миллиметров, прогретый до температуры 3500^оС, достаточной для проводимости. Однако электрический заряд настолько велик, что он не может поместиться в столь тонком шнуре, и разряд, возникающий «по следу» этого шнура, происходит в канале диаметром примерно 5 м. Движение этого заряда от облака к облаку или от облака к земле происходит в несколько стадий, как бы ступенчато: тот заряд, который сидел в облаке на каплях, переносится на ионы воздуха, а впереди движется тонкий шнур-лидер. И когда он дойдет до другого облака или до Земли, выходит встречный лидер, они встречаются, и происходит вспышка. Вся накопленная энергия примерно за 50 микросекунд переходит в излучение. Мы видим вспышку молнии, температура в таком канале достигает примерно 20 тыс. градусов. Процесс продвижения лидера длится, условно, минута – километр, с такой скоростью он ползет примерно 10 секунд от облака до Земли. Сам же разряд происходит за 50 мкс, а скорость молнии составляет 108 м/с.

«Лидер – это такая штука, которая переносит заряд и распределяет его в пространстве между, допустим, одним и вторым облаком, а после этого происходит сжигание уже самого разряда. В процессе движения лидера, как я считаю, и возникает это сильное электрическое поле, в котором могут ускориться и размножиться электроны, необходимые для продолжения движения лидера. Это ускорение электронов сопровождается излучением в самых разных спектральных диапазонах, от радио- до гамма, – объясняет Гуревич. Новые данные об этих излучениях, особенно, о возникающих в атмосфере гамма-всплесках ставят все более детальные задания экспериментаторам: «Мы хотим зарегистрировать одновременно источник гамма-излучения и радиоизлучение, причем и прямой радиосигнал, и отраженный от Земли, тогда мы сможем однозначно определить их источник, т.е. зарегистрировать сигналы не только от самого заряда молнии, но и от лидера. Помимо этого хотелось бы определить, когда достигается максимальное поле и в каком месте. Также важно, чтобы одновременно измерялись еще ультрафиолет и низкочастотное излучение, они также должны дать необходимые детали будущей модели, которая еще никому не известна».

Опираясь на фундаментальные закономерности, ученые строят модель значительного природного явления, которая будет иметь весьма важные практические приложения.