Получены доказательства реализации пробоя на убегающих электронах в грозовой атмосфере

08.04.2010

Исследованием электрического пробоя (или искрового разряда) ученые занимаются уже более двух столетий. Он представляет собой индуцирование электрического разряда в веществе, подробно изучен и нашел широкое применение в технике. Пробой на убегающих электронах (ПУЭ) - это новое физическое явление. В его основе лежит классический механизм взаимодействия быстрых частиц с веществом. Убегающие электроны движутся с такой высокой скоростью, при которой их столкновения с ионами не играют большой роли. Причем, чем выше скорость, тем слабее рассеяние электронов. Освободившись от сил, препятствующих движению, электрон начинает ускоряться электрическим полем. И чем большую 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, поэтому после того, как электрон ионизовал, он не выходит из игры, а продолжает двигаться и ионизовать дальше. Поэтому космические электроны - очень хороший источник затравки для пробоя в верхних слоях атмосферы, который мы видим как молнию.

Теория пробоя на убегающих электронах разрабатывалась сотрудниками Физического института им. П.Н. Лебедева РАН(ФИАН) под руководством академика Александра Гуревича с начала 90х годов, в 2000-х - были определены условия его возникновения в верхних слоях атмосферы. Для подтверждения теории было решено провести серию экспериментов на Тянь-Шанской высокогорной научной станции ФИАН, расположенной вблизи г. Алма-Аты. О том, почему в качестве места проведения экспериментов была выбрана именно эта станция, рассказывает один из членов исследовательской группы Александра Гуревича, доктор физ.-мат. наук Владимир Рябов: "На Тянь-Шанской станции уникальные природные условия для исследования физики грозового разряда - грозы гремят с мая по ноябрь, а на склонах горных вершин имеется возможность разместить детекторы в несколько ярусов и как раз на расстояниях порядка сотен метров, что позволяет наблюдать пробег убегающего электрона и электронный ливень".

Для комплексного изучения грозового разряда на специально спроектированном для этих исследований комплексе "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. 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", - делится экспериментальными результатами Владимир Рябов.

Работы ведутся практически непрерывно. В тот период, когда проводить эксперименты не позволяют погодные условия, осуществляется обработка данных детекторного комплекса, так, в настоящий момент завершена обработка данных за сезон 2009 года (период с мая по октябрь), что позволило существенно продвинуться в понимании явления. Также создано значительное количество новых детекторов радио- и гамма-излучения в широком диапазоне частот - как только со склонов гор сойдет снег, за счет этих детекторов будет существенно расширен территориальный охват комплекса "Гроза", что позволит получить еще больший объем информации о происходящих в верхних слоях атмосферы явлениях.

Группа академика А.В. Гуревича - одна из самых продуктивных в современной физике. Спектр 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. Также среди предложений Александра Викторовича - метод "штопки" озоновых дыр в атмосфере, который вполне могли бы применить правительства стран, особенно страдающих от излишнего ультрафиолетового излучения, например, Австралия (популярное изложение метода). В настоящее время в мире найдется не много людей, столь же глубоко понимающих физические механизмы процессов в верхних слоях земной атмосферы.

По материалам АНИ "ФИАН-информ" (www.fian-inform.ru)