[gog]

Получены доказательства реализации пробоя на убегающих электронах в грозовой атмосфере

01 апреля 2010 года, 12:39 | Текст: Дмитрий Целиков | Послушать эту новость

В начале 2000-х ученые из Физического института им. П. Н. Лебедева (ФИАН) под руководством академика Александра Гуревича теоретически показали, что одним из основных движущих механизмов грозового разряда является пробой на убегающих электронах. Результаты последних опытов на Тянь-Шаньской высокогорной научной станции ФИАН позволяют говорить о хорошем соответствии теоретических предсказаний и экспериментальной реальности.
Исследования электрического пробоя (или искрового разряда, представляющего собой индуцирование электрического разряда в веществе) ведутся более двух столетий. Пробой на убегающих электронах (ПУЭ) — это новое физическое явление. В его основе лежит классический механизм взаимодействия быстрых частиц с веществом. Убегающие электроны движутся со столь высокой скоростью, при которой их столкновения с ионами не играют большой роли; и чем выше скорость, тем слабее рассеяние электронов. Освободившись от сил, препятствующих движению, электрон начинает ускоряться электрическим полем. Чем бόльшую скорость приобретают электроны, тем меньшее сопротивление своему движению они испытывают и, следовательно, ускоряются еще больше. Благодаря столкновениям убегающий электрон вызывает целый каскад вторичных убегающих электронов, которые также ускоряются полем. В результате появляется экспоненциально нарастающая лавина убегающих электронов, вместе с которыми растет и число медленных (тепловых) электронов, что приводит к быстрому росту электропроводности среды и последующему пробою.
Самой большой энергией обладают электроны космических лучей. Их столкновения редки, но запас их энергии намного выше энергии ионизации; после того как электрон ионизовал, он не выходит из игры, а продолжает двигаться и ионизовать дальше. Поэтому космические электроны — очень хороший источник для инициирования (затравки) пробоя в верхних слоях атмосферы, который мы видим как молнию.

Теория ПУЭ разрабатывалась сотрудниками ФИАНа под руководством академика Гуревича с начала 90-х годов, а в 2000-х были определены условия возникновения пробоя в верхних слоях атмосферы. Чтобы подтвердить их, ученые начали серию экспериментов на Тянь-Шаньской высокогорной научной станции, расположенной неподалеку от Алма-Аты (Казахстан). О том, почему было выбрано именно это место, рассказывает один из членов исследовательской группы Александра Гуревича, доктор физ.-мат. наук Владимир Рябов: «Здесь уникальные природные условия для исследования физики грозового разряда: грозы гремят с мая по ноябрь, а на горных склонах можно разместить детекторы в несколько ярусов, причем на расстояниях порядка сотен метров, что позволяет наблюдать пробег убегающего электрона и электронный ливень».
Для комплексного изучения грозового разряда на специально спроектированной для этих исследований установке «Гроза» проводится одновременная регистрация инициированных космическими лучами широких атмосферных ливней (ШАЛ) и гамма- и радиоизлучения.
«Интегральный спектр регистрируемых кратковременных вспышек гамма-излучения полностью согласуется со спектром, предсказываемым теорией ПУЭ, — объясняет Владимир Рябов. — Эти короткие импульсы гамма излучения наблюдались одновременно с инициацией источника затравки широких атмосферных ливней. В тот же момент регистрировалось резкое падение фона гамма-излучения, означающее, что произошел электрический разряд облака, вызванный совместным действием ПУЭ и ШАЛ. Однако говорить о безоговорочном экспериментальном подтверждении того, что причиной грозового разряда является именно пробой на убегающих электронах, пока нельзя, нужны дальнейшие исследования. Дело осложняется тем, что явление ПУЭ очень чувствительно к затравочному триггеру, который приносят космические лучи, и наблюдать его не так просто».
На сегодня исследователи завершили обработку данных за сезон 2009 года (май–октябрь), что позволило существенно продвинуться в понимании явления. Создано также значительное количество новых детекторов радио- и гамма-излучения в широком диапазоне частот, и как только со склонов сойдет снег, с их помощью будет существенно расширен территориальный охват комплекса «Гроза», что позволит получить еще больший объем информации о явлениях, происходящих в верхних слоях атмосферы.
Группа академика А. В. Гуревича — одна из самых продуктивных в современной отечественной физике. Спектр ее достижений настолько широк, что ими вполне можно заполнить отчеты приличного института. Например, широкое распространение получил метод исследования ионосферной плазмы путем воздействия на нее мощных радиоволн. Среди предложений Александра Викторовича есть также метод «штопки» озоновых дыр в атмосфере, который вполне могли бы использовать государства, страдающие от излишнего ультрафиолетового излучения, — к примеру, Австралия (популярное изложение метода)...

Подготовлено по материалам Физического института им. П. Н. Лебедева РАН.