Оптико-электрические явления в верхней атмосфер..


Чтобы посмотреть этот PDF файл с форматированием и разметкой, скачайте его и откройте на своем компьютере.
Введение



Грозы и грозовая деятельность интересовали человечество во все времена. С давних пор
люди боялись и поклонялись грозам, связывали с грозами отдельные религии. Примерно в
начале XVII века грозами начинают активно интересоваться учѐные. В нашей стране э
то
были великий Михаил Ломоносов и его напарник по фамилии Рихман. В Англии


знаменитый Бенджамин Франклин. С тех пор было сделано множество открытий и
изобретено большое количество приборов, которые позволяют избежать разрушений при
ударе молнии и изучит
ь мельчайшие подробности возникновения молний. Однако,
пристальные взгляды учѐных до сих пор прикованы к этому удивительному явлению


грозе.
Проводилось множество исследований на темы, связанные с возникновением и
распространением молниевого разряда, а та
кже на темы, связанные с защитой зданий и
сооружений от прямых ударов молнии.


Казалось, что исследований было проведено столько, что о физических процессах удара
молнии и о грозах в целом, мы знаем всѐ или почти всѐ. Однако, в 1989 году с помощью ИСЗ
б
ыло случайно обнаружено явление, которое перевернуло представление о грозах вообще и о
молниях в частности. Как оказалось позднее, грозовые облака


намного более мощные
источники энергии, чем представлялось ранее.


Группа учѐных из Минесотского универс
итета в Миннеаполисе (США) наблюдала за
развитием одиночных штормов (внутримассовых конвективных грозовых ячеек) с помощью
высокочувствительной телевизионной аппаратуры. Сверхчувствительная видеокамера,
направленная на грозовое облако в районе озера Верхне
е, зафиксировала кратковременные
вспышки, продолжительностью около 30 мс, которые распространялись от верхушки облака
на высоту до 65 км. Это явление было названо спрайтом. С тех пор фиксировались и другие
подобные явления


синие джетты, эльфы, гномы, тро
лли. Красные спрайты, синие джетты и
эльфы


это атмосферные оптико
-
электрические явления, наблюдающиеся над облаками в
верхних слоях атмосферы (стратосфере, мезосфере и термосфере) во время грозовой
деятельности у поверхности земли. Эти оптико
-
электрическ
ие явления учѐные назвали
«Мимолѐтными люминесцентными явлениями»

(Transient luminous events


TLEs).


Первые изображения Спрайтов были получены в 1989 году (Франц и др.), в 1990
-
х годах
начались космические исследования (Космическая обсерватория по наб
людению за
молниями


Space Shuttl Observations of lightning, NASA), которые особенно ценны и дают
возможность наблюдать за этими явлениями «сверху». С тех пор было получено множество
видеоматериалов, позволяющих изучать динамику этих вспышек.


Также п
роводились наблюдения с самолѐтов. Необходимо отметить, что именно при
наблюдении Спрайтов с самолѐта в 1995 году были открыты Джеты


похожие по структуре
на спрайты вспышки синеватого цвета. Это явление также ни разу не наблюдалось ранее.


Ниже будет
более подробно рассмотрены различные высокоатмосферные вспышки,
имеющие различные характеристики и свойства, однако одинаковую природу
происхождения.

1.

Разновидности
TLEs


1.1

Красные спрайты

(
Red sprites
)


Красные спрайты



это огромные, но слабосветящиеся вспышки
-
конусы, которые
возникают непосредственно над активной грозовой системой. Их появление напрямую
связано с ударами линейных молний между облаком и землѐй. Спрайты представляют собой
вытянутые пятна красноватого от
тенка, которые могут располагаться как по отдельности, так
и группами.

Средняя высота возникновения спрайта


70
-
80 км над землѐй, т.е. в мезосфере, или
если рассматривать ионосферу, то спрайты появляются в области D и Е.


Рисунок 1.1
-

Строение типичног
о спрайта


Результаты исследований около 29 отдельных спрайтов позволили выявить
особенности структуры данного явления. Самая яркая область спрайта


голова,
располагается на высотах в среднем 66


74 км и имеет ярко красный цвет (рис. 1.1). Над
головой ча
сто, но не всегда, можно наблюдать тонкие вытянутые образования


волосы,
имеющие тѐмно
-
красный цвет, которые отделены от головы тѐмной полосой и
простираются до высоты около 90 км. Подобная тѐмная полоса прослеживается также ниже
головы спрайта, отделяя
от него усики спрайта


более выраженные волокнистые
образования, наподобие волос, располагающиеся ниже 66 км. Усики имеют тѐмно
-
красный
цвет в верхней части и фиолетовый


в нижней. Вертикальная протяжѐнность спрайтов
составляет в среднем 65 км, а горизон
тальная


несколько десятков км. Таким образом,
спрайты и группы спрайтов могут занимать объѐм атмосферы около 104 км3 и являются
самыми объѐмными оптико
-
электрическими явлениями из данной категории.


В последнее время было выяснено, что спрайты возника
ют не при обычных молниях,
а только при положительной молнии «облако
-
земля». Дело в том, что большинство молний
бьет из той части облака, которая заряжена отрицательно (она в среднем расположена ближе
к земле). Но 10% молний, достигающих земли, стартуют
из области положительного заряда,
а так как основная область расположения положительного заряда больше, чем
отрицательного, то положительные молнии мощнее. Именно такие мощные разряды
порождают спрайты, вспыхивающие в мезосфере примерно через сотую долю се
кунды после
разряда класса «облако


земля».


Возникновение спрайтов, как уже было сказано выше, тесно связано с разрядами
положительных молний. Электромагнитная волна, идущая от грозового облака вверх на
некоторой высоте возбуждает молекулы и атомы азо
та, заставляя их светится в красном и
фиолетовом цвете. Усики спрайта служат ему своего рода проводящим каналом, соединяя
голову спрайта с верхней частью кучево
-
дождевого облака.


Спрайты довольно редко возникают по одиночке. Чаще они появляются парами
или
тройками. Очень большие спрайты при ближайшем рассмотрении представляют собой набор
более маленьких, тесно связанных одиночных спрайтов. Иногда расстояние между
спрайтами, возникающими над отдельной грозой, составляет 50 км.


Электрическая структура типичного спрайта представлена на рисунке 1.2. Как видно
из рисунка, нижняя часть спрайта имеет положительный заряд, а голова и волосы


отрицательный.


Рисунок 1.2
-

Электрическая структура спрайта


Наблюдения, проведѐнные в р
азных странах с помощью быстрых фотометров
(позволяющие фиксировать малые по продолжительности вспышки), показывают, что
длительность вспышки спрайта составляет около 70 мс. Было также выявлено, что спрайты
чаще всего возникают над разрушающимися грозовыми

облаками. Яркость спрайтов
принято оценивать по блеску звѐзд. Практически, яркость высокоатмосферной вспышки
сравнивают с блеском звѐзд, находящихся рядом, т.к. наблюдения спрайтов проводятся в
основном в ночное время суток. Полная оптическая энергия един
ичного спрайта оценивается
в 1
-
4 кДж, что соответствует мощности порядка 0,2


2,5 МВт.


Последние исследования (2007 год) показывают, что спрайты являются, фактически,
группами маленьких (10


100 м) шаров ионизации, которые перемещаются вниз. Их
движ
ение происходит со скоростью около 0,1 от скорости света. К тому же выяснилось, что
спрайтам иногда предшествует
гало (ореол)

-

ещѐ один вид высокоатмосферной вспышки, о
которой речь пойдѐт ниже.


Оптические характеристики спрайтов таковы, что их едва
можно разглядеть
невооружѐнным глазом. Однако сейчас наблюдения за спрайтами ведутся с помощью
приборов и инструментов, позволяющих усиливать полученное изображение. Удаѐтся
рассмотреть, что структура у спрайтов очень сложная, волокнистая, и ни один спрайт

по
своей структуре не похож на другой.


1.2

Эльфы (Elve)


Эльф

представляет собой обширную (до 500 км) расширяющуюся структуру, которая
имеет форму диска (рис. 1.3), продолжительностью около 1 мс и толщиной примерно 10
-
20
км. Всего за 1 мс

диаметр диска может вырасти до 300 и даже 700 км. Обычно эльфы
появляются спустя 300 мкс после особенно мощного положительного грозового разряда
между облаком и землѐй в нижней ионосфере (Е
-
регион) на высотах около 75


105 км и
являются самыми высокими о
птико
-
электрическими явлениями. Стоит отметить, что
огромная скорость расширения кольца эльфа, превышающая скорость света, конечно, не
противоречит фундаментальным физическим законам. Скорость распространения
электромагнитных волн остается постоянной. В да
нном случае речь идет о том, что
сферический электромагнитный импульс, порождаемый разрядом молнии, пересекает почти
горизонтальный слой нижней ионосферы. При этом скорость распространения фронта
пересечения (взаимодействия) может быть больше скорости свет
а.


Данные вспышки наблюдаются прежде всего, в оптическом и ближнем ИК
диапазонах электромагнитного спектра излучения, поэтому их можно наблюдать только в
тѐмное время суток. Впервые данное явление было замечено в 1992 году с борта
американского Шаттла
. Цвет эльфов колеблется от тѐмно
-
оранжевого до пурпурно красного.



Рисунок 1.3


Компьютерное м
оделирование эльфа


Наиболее сильные грозовые разряды с пиковым током более 60 кА порождают
электромагнитный импульс, мощностью около 10 ГВт. Мощность такого
импульса,
достаточна, чтобы проникнуть в нижнюю ионосферу. В ионосфере энергия этого импульса
поглощается свободными электронами, что приводит к их возбуждению. Возбуждѐнные
электроны, сталкиваясь с окружающими молекулами газа (прежде всего азота), ионизи
руют
их, заставляя светиться в красной области спектра. Ионизация происходит очень быстро,
распространяясь радиально от области возбуждения и мы видим расширяющееся светящееся
кольцо


эльф. Таким образом, условия возникновения эльфов аналогичны возникнове
нию
спрайтов. Несмотря на огромные размеры и высокую яркость (превосходящую яркость
полярных сияний), эльфы являются настолько мгновенными, что человеческий глаз не в
состоянии различить их, поэтому они регистрируются только высокочувствительными
фотометра
ми, которые способны делать до 10 тыс. кадров в секунду.


1.3

Гало спрайта (Sprite halo)


Гало спрайта

представляет собой дискообразное распространяющееся свечение,
которое очевидно, является начальной фазой развития спрайта. Диаметр гало составляет
около 50 к
м, а толщина


около 10 км. По своей структуре оно очень напоминает эльфа, но в
отличии от него имеет меньший диаметр и располагается ниже (на высоте около 70


80 км).
Было установлено, что гало появляется над областью возникновения спрайта за 1 мс до нег
о.
Его продолжительность такая же, как и у эльфа


около 1 мс. По
-
видимому, гало возникает в
результате того же самого процесса, что и эльф, но характеризуется слабой ионизацией
окружающего газа.


1.4

Синие джеты (Blue jets)


Синие

(голубые)

джеты



оптико
-
электрические явления, возникающие
непосредственно из вершин кучево
-
дождевых облаков. По внешнему виду джеты довольно
сильно отличаются от вышеперечисленных явлений. Они представляют собой трубки
-
конусы синего цвета (рис. 1.4), которые существую
т гораздо дольше спрайтов (около 150
мс), и как правило, тесно не связаны с ударами линейных или плоских молний в облаке,
однако наблюдаются почти всегда при интенсивном градообразовании. Скорее всего, джеты
являются независимыми структурами в грозовых об
лаках.


Рисунок 1.4
-

Фото голубого джета

Из вершины облака джет «выстреливает» со скоростью около 100


120 км/с,
постепенно разветвляясь и исчезая на высоте около 40


50 км. Общая протяженность джета
достигает 20
-
25 км, а его поперечные размеры нарас
тают от нескольких десятков метров в
нижней части до нескольких километров в верхней. Цвет джета меняется от ярко
-
белого у
его основания до тѐмно
-
синего у его вершины. Синий цвет данного явления также связан с
ионизацией молекул азота, и их свечения не в к
расно
-
фиолетовой полосе, как в случае
эльфов и спрайтов, а в фиолетово
-
голубой за счѐт более высокого давления на данной
высоте.


Интенсивность свечения джетов меняется от 800 кR у его основания, постепенно
уменьшаясь до 10 кR на высоте 50 км. Полная эн
ергия синих джетов во всех диапазонах
длин волн составляет около 30 МДж. Наблюдения показывают, что джеты никак не связаны
с магнитными полями грозового облака.


Впервые синие джеты наблюдались 21 октября 1989 года на чѐрно
-
белом видео
грозы над Австрал
ией. Синие джеты встречаются намного реже, чем спрайты. На
протяжении 18 лет (с 1989 по 2007 гг.) было получено всего около 100 изображений данного
явления.


1.5

Гигантские джеты (Gigantic jets)


Это явление впервые было зарегистрировано в 2001 году во время г
розы над
Оклахомой (США). Оно было описано как «гибрид синего джета и спрайта». Его верхняя
часть напоминала спрайт, в то время как нижняя была подобна джету (рис. 1.5). Учитывая
этот факт, а также то, что данное явление распространялось до высоты 70 км, о
но получило
название
гигантский джет
.


Рисунок 1.5
-

Фотоснимок гигантского джета


Летом 2002 года во время грозы над Южно
-
китайским морем учѐным Тайваня удалось
сделать снимки пяти гигантских джетов
, которые «связывали» вершину грозового облака с
ионосферой, т.е. их высота составляла около 90 км, что намного превосходит высоту
распространения синих джетов. Их продолжительность составила 200


400 мс (что намного
длительнее других явлений подобной при
роды). До этого случая уже высказывались
предположения, что некоторые синие джеты могут устраивать «пробой» между облачностью
и ионосферой, где наблюдается разность потенциалов около 300 тыс. вольт. И в 2002 году
эта теория была подтверждена.


В зависим
ости от формы верхней части, гигантские джеты классифицируются как
«древовидные джеты» (tree jets) и «морковообразные джеты» (carrot jets). В ширину
гигантские джеты достигают 40 км, а занимаемый ими объѐм атмосферы может составлять
около 3∙105 км3.


Та
кой размер этих явлений свидетельствует о том, что при их возникновении
задействуется очень мощный электрический заряд и сила тока. Установлено, что гигантские
джеты распространяются быстрее и дальше, чем наземные молнии, поскольку разреженный
воздух в вер
хних слоях атмосферы имеет меньшее сопротивление. По сообщению ученых,
длина зарегистрированного канала джета, наблюдавшегося 21 июля 2008 года над
тропическим штормом «Кристобаль», составила около 75 км, а величина перенесенного за 1
секунду по этому кана
лу заряда


приблизительно 144 Кл.


Принято выделять три стадии развития гигантских джетов: начальная, полного
развития и гаснущего следа. В начальной стадии возникновения и роста скорости
распространения джета по вертикали составляют около 1000
-
1200 к
м/с. Эти скорости
соизмеримы со скоростями распространения ступенчатых лидеров обычных молний.
Начальная стадия для обоих джетов продолжается менее 34 мс. Форма и эволюция джетов на
этой стадии похожи на типичный голубой джет. Стадия полного развития как п
равило
длится от 15 до 170 мс. На этой стадии гигантский джет представляет собой гибрид спрайта
(верхняя часть) и голубого джета (нижняя часть). На последнем этапе эволюции яркость и
структура джета резко спадает на нет до полного исчезновения.


Исследо
ватели также обнаружили, что некоторые гигантские джеты являются
источниками низкочастотного радиоизлучения (СНЧ), которое распространяется на тысячи
км вокруг вспышки.


1.6

Синие стартѐры (Blue starters)


Данный подвид оптико
-
электрических явлений встречается гораздо реже остальных и
представляет собой низко
-
высотные вспышки, которые впервые наблюдались в 1995 году.
По своей структуре данное явление напоминает синие джеты, однако намного ярче и короче
их (д
лина не превышает 30 км). Скорость распространения стартѐров колеблется от 27 до 153
км/с.


Одни ученые полагают, что это просто разряд молнии, направленный вверх, в
область, где давление быстро падает, и потому стартеры расширяются гораздо сильнее
обыч
ных молний. Другие считают их недоразвитыми джетами.


Рисунок 1.6
-

фото синего стартѐра, сделанное 4 августа 2010 г
.


Ещѐ выяснилось, что синие стартѐры, так же как и синие джеты, возникают над
областями грозового облака, где наблюдается интенсивное град
ообразование, мощные
восходящие токи и интенсивные молнии (до нескольких в секунду). Тем не менее,
непосредственная связь между моментом возникновения стартѐра и молнией не была
обнаружена. Отмечается, что частота молниевых разрядов в облаке после появлен
ия стартера
на короткое время существенно уменьшается.


1.7

Тролли (Trolls)


Тролли

возникают после особенно сильного спрайта в районе его усиков неподалѐку от
верхней части кучево
-
дождевого облака. Скоростная запись показала, что они имеют вид
красных пятен с

бледно
-
красными хвостиками. Эти пятна развиваются вверх со скоростью
150 км/с, достигая высоты примерно 50 км, а хвостики спускаются вниз до 30
-
ти
километровой высоты, где и исчезают.


Высокоскоростная запись показала развитие этого процесса во времени
. Само
явление состоит из серии. Всѐ начинается с красного свечения (первый тролль), которое
формируется в усике спрайта. Вслед за первым сразу начинает формироваться другой
тролль, но уже выше предыдущего; третий тролль формируется ещѐ выше и т.д. Весь эт
от
процесс происходит за несколько мс. Таким образом, на видео можно увидеть быстро
восходящее пятно. Учѐные называют это явление также «тлеющими угольками» и
«пальцами».


1.8

Гномы (Gnomes)


В 2003 году поступило сообщение об обнаружении ярких светящихся
объектов на
поверхности купола грозового облака. Эти свечения назвали гномами (gnomes). В течение 20
минут регистрации на видеоснимках было выделено несколько десятков гномов.
Горизонтальные размеры их не превышали 200 м. Время существования индивидуальног
о
гнома, как правило, было меньше 33 мс. Иногда гномы прослеживались на нескольких
последовательных кадрах (до 3
-
4). Тогда можно было заметить, что они распространялись
вверх не более чем на 1 км над вершиной облака. При этом скорость роста по
приблизитель
ным оценкам составляла около 104 м/с. В этом смысле гномы напоминали
голубые стартеры. Гномы, так же как голубые джеты и стартѐры, не связаны напрямую с
ударами молний.


1.9

Феи (Pixy)


Феи



это очень маленькие точки света, которые возникают на поверхности на
ковальни
кучево
-
дождевого облака или конвективного купола. Эти белые мини
-
вспышки имеют ещѐ
меньший размер, чем гномы


всего около 100 м в ширину и существуют менее 16 мс. Они,
так же как и гномы, не связаны с разрядами молний и возникают не зависимо от н
их. Были
впервые обнаружены в 2003 году.


1.10 Красные дуги


В январе 2003 года экипаж шаттла Columbia во время полѐта над Африкой, снимал на
видео мощную грозу. Тогда астронавты зафиксировали огромную светящуюся дугу, длиной
в несколько сотен миль, протян
увшуюся параллельно поверхности земли. Дуга заметно
отличалась от эльфов и спрайтов, она представляла собой красную веткообразную
структуру, как предположили астронавты, азотного происхождения.


2.
Как увидеть спрайты, джеты и подобные явления?


Спрайты и
джеты, как правило, возникают в низких и средних широтах над мощными
грозовыми облаками, проникающими в нижнюю стратосферу. Максимум суточного хода
грозовой активности наблюдается, как известно, в послеполуденные часы. По
-
видимому, в
это же время наиболее
часто должны происходить разряды в виде спрайтов и джетов.
Однако в светлое время суток их обнаружение даже с помощью высокочувствительной
аппаратуры оказывается практически невозможным. Поэтому наблюдения этих явлений
проводятся в ночное время. При благоп
риятных условиях их можно наблюдать
невооруженным глазом. Чтобы увидеть спрайт или гигантский джет, требуется визуальная
доступность пространства над грозовым облаком, не перекрытого облачностью нижних
слоев атмосферы. Наблюдения следует проводить на фоне
темного звездного неба. Спрайты
и гигантские джеты можно наблюдать, находясь на расстоянии 200
-
300 км от грозы. Угол
места составляет 10
-
20°. Наблюдения желательно проводить с возвышенного места при
открытом горизонте. В направлении на облако не должно быт
ь подсветки от технических
сооружений или населенных пунктов. Следует также исключить возможность попадания в
поле зрения ярких молний грозового облака, экранируя их, например, листом черной бумаги.
Непосредственно перед наблюдением глаза следует адаптиров
ать к темноте. Если
наблюдатель различает на небе Млечный Путь, значит его глаза достаточно адаптированы.
Характерные формы спрайтов и гигантских джетов позволяют легко отличить их от
метеоров и комет.


Что касается голубых джетов и стартеров, то их св
ечение при прохождении больших
слоев атмосферы сильно рассеивается, благодаря чему обнаружение их с большого
расстояния становится затруднительным. При подходящих условиях голубые джеты можно
наблюдать на меньших расстояниях от грозы. Обычно наблюдения дже
тов ведутся с бортов
самолетов или космических станций.


Выводы



На сегодняшний день ведутся интенсивные исследования и предпринимаются
значительные усилия для того, что бы понять, насколько TLEs

определяют свойства
электромагнитного поля атмосферы и Земли в целом. На данный момент ведущими
мировыми центрами, исследующими явления подобного родя, являются:
«Национальный
Геофизический институт на Аляске»
, а так же
«Лаборатория низкочастотного
иссле
дования магнитосферы и верхней атмосферы»

(Lab Very Low Frequency (VLF))


Стенфордского университета, США.


Сейчас именно визуальные наблюдения высокоатмосферных вспышек, полученные
со спутников и самолѐтов, являются основным источником информации, ко
торая затем
обрабатывается и анализируется. Постоянно разрабатываются новые методы наблюдения
данных явлений, позволяющих следить за ними в радиодиапазоне и измерять их спектры.
Найдены методы, позволяющие установить и плотность тока в наблюдаемых разряда
х.
Интересны исследования, посвящѐнные изучениям электрохимических эффектов, которые,
возможно, оказывают джеты и спрайты на верхние слои атмосферы.


Пока неясен масштаб влияния данных вспышек на атмосферу Земли. Является ли
эффект их воздействия глобал
ьным или локальным? Также непонятен механизм и принцип
возникновения TLEs. На все эти и многие другие вопросы предстоит найти ответы в
ближайшее время.




© Кибальчич И.А.


Приложенные файлы

  • pdf 15818386
    Размер файла: 369 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий