БЫСТРЫЕ И ОЧЕНЬ ЭНЕРГИЧНЫЕ. ТРАНЗИЕНТНЫЕ ЭНЕРГИЧНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В АТМОСФЕРЕ И В БЛИЖНЕМ КОСМОСЕ
←
→
Транскрипция содержимого страницы
Если ваш браузер не отображает страницу правильно, пожалуйста, читайте содержимое страницы ниже
Атмосфера Земли
БЫСТРЫЕ И ОЧЕНЬ ЭНЕРГИЧНЫЕ.
ТРАНЗИЕНТНЫЕ ЭНЕРГИЧНЫЕ ЯВЛЕНИЯ
В АТМОСФЕРЕ И В БЛИЖНЕМ КОСМОСЕ*
ПАНАСЮК Михаил Игоревич ,
доктор физико-математических наук
Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д.В. Скобельцына
МГУ им. М.В. Ломоносова
DOI: 10.7868/S0044394821010023
Транзиентными, то есть быстропреходящими, энергичными явлениями в контексте
данной статьи называются земные гамма-всплески (Terrestrial Gamma Flashes – TGF),
некоторые типы так называемых «транзиентных световых явлений» (Transient Luminous
Events – TLE), «быстрые грозовые земные возрастания» (Fast Thunderstorm Ground
Enhancements – FTGE). Они появляются как в нижних слоях атмосферы, так и верхней ее
области, вплоть до мезосферных (около десятков км) высот в виде кратковременных
потоков электронов, позитронов, гамма-квантов и нейтронов, а также всплесков опти-
ческого излучения от ультрафиолетового до инфракрасного. Одна из вероятных моде-
лей их объяснения использует как ключевой элемент генерацию лавин субрелятивистских
и релятивистских электронов, природа которой может быть связана с быстрыми изме-
нениями атмосферных электрических полей во время проявлений грозовых эффектов
(это так называемая модель «снизу-вверх»). Но можно предположить, что электроны
меньших энергий могут высыпаться из радиационных поясов Земли в атмосферу (эта
модель, соответственно, называется «сверху-вниз»). Именно лавины электронов, про-
никающие в атмосферу снизу, вкупе с пучками электронов сверху, могут быть ответ-
ственны за весь комплекс явлений со значительным выделением энергии и в нижней, и в
верхней атмосфере. Не исключено, что все рассматриваемые транзиентные энергичные
явления развиваются на примерно одинаковой временной шкале. Предполагается, что
аналогичным механизмом можно объяснить и появление потоков транзиентных лавин
гамма-квантов в области под грозовыми облаками (феномен FTGE). Ниже излагаем экс-
периментальные аргументы, подтверждающие предложенные модели, и обсуждаем ряд
1нерешенных проблем и направления дальнейших целевых экспериментальных исследо-
ваний в этой области физики экстремальной атмосферы.
* Статья
поступила в редакцию в июне 2020 г., а ее отредактированную версию М.И. Панасюк
прислал 11 октября, менее чем за месяц до ухода из жизни. Публикуем ее в авторской версии,
с незначительными корректорскими изменениями. – Прим. ред.
Фото на заставке: Gemini Observatory / Association of Universities for Research in Astronomy (AURA)
Земля и Вселенная, 1/2021 23
К онец прошлого века принес уди-
вительные открытия в той области
физики атмосферы, которая, казалось
ГАММА-ВСПЛЕСКИ ЗЕМНОГО
ПРОИСХОЖДЕНИЯ И ИХ
бы, к тому времени была детально ис- ГРОЗОВАЯ ПРИРОДА
следована. Американский исследова-
тель Р. Фишман в 1994 г. в эксперимен- Вслед за экспериментом Фишмана изу-
те BATSE (Burst and Transient Source чение TGF продолжалось и другими ис-
Experiment – «Эксперимент по им- следователями. Современные их наб
пульсным и быстрым источникам») на людения (например, на космическом
борту астрофизической космической аппарате Fermi) показывают, что часто-
обсерватории CGRO (Compton Gamma- та таких транзиентов невелика: поряд-
Ray Observatory – Гамма-обсервато- ка 500 TGF за сутки. Однако, вероятно,
рия им. Комптона) с помощью детек- это лишь нижняя граница, так как ма-
тора гамма-излучения, направленно- лоинтенсивные TGF зарегистрировать
го вниз, в атмосферу, обнаружил очень довольно сложно – необходимы прибо-
короткие, длительностью от долей до ры большой чувствительности.
нескольких миллисекунд, всплески Приблизиться к пониманию приро-
гамма-излучения1. ды TGF помогла идея связать эти явле-
Это было открытие: Р. Фишман по- ния с атмосферным электричеством.
казал, что атмосфера нашей планеты Очень скоро после эксперименталь-
может быть источником транзиент- ного обнаружения была выявлена их
ных всплесков гамма-излучения, очень связь с разрядами молний, при кото-
похожих на гамма-вспле- рых усиливаются элект
ски космической природы Р. Фишман показал, рические поля в нижних
(известны под аббревиату- что атмосфера нашей слоях атмосферы.
планеты может
рой GRB, открыты в 1960-х «Генетическая связь»
быть источником
годах). Но если GRB рож- между всплесками и гро-
транзиентных
даются где-то в ходе мощ- всплесков гамма- зовой активностью дейст
ных астрофизических ка- излучения, очень вительно подтверждается
таклизмов на окраинах похожих на гамма- экспериментальными дан-
Вселенной и на самой ран- всплески космической ными: на спутниках TGF
ней фазе ее зарождения, природы (известны регистрируются преиму-
то каково происхождение под аббревиатурой щественно над областями
земных гамма-всплесков? GRB, открыты с проявлениями грозовой
в 1960-х годах).
Эти гамма-вспышки по- активности. Это видно при
лучили название «земные сравнении карт, на кото-
гамма-вспышки» – (Terrestrial Gamma рых обозначены, с одной стороны, мес
Flashes, или TGF). Их максимальная та – наблюдений TGF и, с другой сторо-
энергия оказалась очень большой, до ны, наиболее активные области грозо-
десятков мегаэлектрон-вольт (МэВ) образования. И молнии, и гамма-всплес
и даже выше. Достаточно упомянуть, ки наблюдаются преимущественно над
что электроны с энергией 10 МэВ спо- континентами и на низких и средних
собны преодолеть слой, например, алю- широтах. Была даже обнаружена сезон-
миния в 20 мм, а воздуха – около 400 м. ная зависимость их появления: зимой
они наблюдаются, в основном, над об-
1
Статья была опубликована в журнале
лачным покровом, расположенным
Science в 1994 г.: Fishman et al. Science ниже над землей, чем летом, когда гро-
264 1313 (1994). зовые облака расположены выше.
24 Земля и Вселенная, 1/2021
а c
80
70 5 мсек
60
50
40
30
20
TGF 10
0
24 475 579,20 24 475 579,40 24 475 579,60
b d
Молнии 1000
J, counts/MeV
100
10
1
10 100 1000 10000
E, keV
Рис. 1. Вверху – земные гамма-всплески (TGFs – Terrestrial Gamma Flashes): а – географическое
распределение по данным на спутнике CGRO; с – типичный временной профиль и энергетический
спектр по данным спутника «Вернов». Внизу – результаты наблюдений разрядов молний
на спутнике TRMM (Tropical Rainfall Measuring Mission) c 1995 по 2002 г. Компиляция из:
(1а) Briggs M.S. et al. Geophys. Res. Lett. 38 L02808 (2011); (1b) https://gpm.nasa.gov/missions/trmm;
(1c; 1d) M. Panasyuk et al., Cosmic Research, 2016, Vol. 54, No. 5, pp. 343–350
Результаты ряда наблюдений де- Вслед за обнаружением TGF появи-
монстрировали, что TGF должны быть лась и первая модель, позволяющая
созданы высоковольтными электри- приблизиться к пониманию их меха-
ческими полями непосредственно пе- низма генерации. Оказалось, что имен-
ред ударом молнии в грозовом облаке, но в районе скопления грозовых обла-
происходящим через миллисекунды ков, благодаря мощным электрическим
после наступления ее первоначальной полям, создаются условия для ускорения
фазы – появления ее лидера2, но до ос- электронов окружающей среды. Более
новной вспышки. Большинство совре- того, было показано (здесь мы ссыла
менных исследователей склоняются емся на первые модели 1990-х годов
к модели генерации TGF как результа- А.В. Гуревича и его коллег3), что этот
та межоблачных и (или) внутриоблач- процесс носит лавинообразный харак-
ных разрядов на высотах в несколько тер. Восходящие потоки электронов
километров. покидают область грозовой активнос
ти, рождая «лавину убегающих элек-
2 тронов», направленную вверх от по-
Лидер молнии – узкий канал ионизи-
рованного воздуха, электрический ток верхности Земли вдоль силовых линий
в котором распространяется сверху вниз,
причем ступенчато. Он может развет-
вляться, формируя своеобразную фрак- 3 Н апример, статьи Gurevich, Milikh,
тальную структуру. См. Bogomolov V.V., Roussel-Dupre Phys. Lett. A 165 463 (1992);
Iyudin A.F., Maximov I.A., Panasyuk M.I., Гуревич А.В., Зыбин К.П. УФН, 171 1177–
and Svertilov S.I. Phys. Rev. D99. 1199 (2001).
Земля и Вселенная, 1/2021 25
агнитного поля. Их энергия – от десят-
м ядерных реакций рождают новые час
ков кэВ до 1 МэВ и более. Возникает про- тицы – электроны, позитроны и нейт
бой воздуха, причем величина порого- роны. Электроны лавины замедляют-
вого значения электрического поля ока- ся в атмосферной среде, рождая фото-
зывается меньше его типичной величи- ны, которые, в свою очередь, в резуль-
ны. Получается, что грозовая активность тате фотоядерных реакций с атомами
«приводит в действие» импульсный воздуха генерируют поля нейтронов, а
ускоритель с очень короткой длительно- также пары электронов и позитронов.
стью пучков электронов. Такую модель Последним предназначена дополни-
можно назвать «моделью снизу-вверх». тельная и важная роль.
Энергичные электроны лавины в ре- Положительно заряженные позитро-
зультате столкновений с атомами возду- ны, в отличие от отрицательных элект
ха могут создавать в атмосфере вспыш- ронов, в электрическом поле должны
ки гамма-квантов – так называемое лететь в противоположном направле-
тормозное излучение. Это и есть TGF. нии, к Земле, и могут вызвать новую
Именно они были обнаружены Фиш- порцию гамма-излучения. Получается
маном в ходе анализа данных со спут- эффект усиления TGF – своеобразная
ника. В свою очередь, TGF посредством положительная обратная связь.
Рис. 2. Модель («снизу-вверх») генерации TGF и транзиентных световых событий TLE
в верхних слоях атмосферы над районами грозовой активности: лавина убегающих
электронов, ускоренная электрическим полем и направленная вверх, создает атмосферный
пробой выше грозовой облачности, вызывая кратковременное флуоресцентное свечение
атмосферы и всплески гамма-излучения – TGF. Последние ответственны за рождение
нейтронов и электрон-позитронных пар (e+, e–). Потоки позитронов, направленные вниз,
генерируют дополнительные потоки гамма-излучения, тем самым увеличивая яркость TGF.
Эти транзиентные энергичные явления в нижней и верхней атмосфере могут быть опасными
для авиалайнеров на типичных высотах в несколько км и для будущих суборбитальных
летательных аппаратов в стратосфере, а также способны нарушать условия
распространения радиоволн
100 е–
Термосфра ЭЛЬВ
Радиоволны
Гало
спрайта
Мезосфера
Спрайты Нейтроны
Высота, км
50
Голубой
ШАЛ/ГКЛ TGF джет
Гигантский
Лавина джет
Стратосфера
убегающих
е–
е+ TGF
Тропосфера
0
26 Земля и Вселенная, 1/2021
Формирование нейтронных полей
в районе появления TGF не представ- 12
30 a
Частота молний, отн. ед.
Потоки ионов, отн. ед.
ляется чем-то удивительным. Чтобы
фотоядерные реакции осуществились, 11
25
необходима пороговая энергия гам-
ма-квантов около 10 МэВ в воздухе. 20 Ионизация 10
Такие гамма-кванты в TGF, очевидно, Молнии
есть. Тем не менее следует упомянуть, 15 9
что обсуждается еще одна возможность
рождения нейтронов – в результате 10 8
ядерного синтеза. 1988 1992 1996 2000
Год
Принимая во внимание всю сово-
купность явлений: лавины электронов,
b
Числа Вольфа,
гамма-излучения и вторичного излу- Солнечная
активность
отн. ед.
чения в виде электронов, позитронов
и нейтронов, стоит задуматься о радиа
ционной опасности таких явлений.
К физической модели генерации
TGF, подразумевающей активную роль
заряженных частиц (электроны лавины), c
1
можно добавить идею о механизме ге-
Поток ГКЛ,
отн. ед.
нерации самих молний. В ряде работ ГКЛ
было показано, что молниевый разряд
может возникать при проникновении 2
в область грозового облака огромного
количества вторичных частиц – широ- 1990 1995 2000
ких атмосферных ливней (ШАЛ), воз-
никающих при взаимодействии галак- Рис. 3. Сверху вниз: а – частота разрядов
тических космических лучей (ГКЛ) с ат- молний, уровень ионизации атмосферы;
мосферой и увеличивающих локальную b – изменение уровня солнечной активности
ионизацию воздуха. Это должно спо- по числам Вольфа; c – поток галактических
космических лучей по наземным
собствовать электрическому пробою
наблюдениям нейтронных мониторов
и появлению электрических разрядов.
в высоких (1) и низких (2) широтах.
Однако есть много скептиков, отвер-
Компиляция из: Stozhkov Y.I., 2003,
гающих такую возможность. Их мне- J. Phys. G: Nucl. Part. Phys. 29 913
ние основано на том, что до сих пор не
было достоверных одновременных на-
блюдений молний и ШАЛ на наземных стороны, частота молний действитель-
установках космических лучей. но коррелирует с изменением иониза-
Тем не менее существуют стати- ции воздуха. В ряде работ отмечалось,
стические наблюдательные данные, что ионизация воздуха и рост частоты
в пользу значительной положитель- молниевых разрядов совпадают с ми-
ной корреляции между изменениями нимумом цикла солнечной активнос
плотности ионизации воздуха и об- ти. Именно в этот период потоки ГКЛ
лачного покрова Земли. Чем плотнее достигают своей максимальной вели-
облака, тем более вероятным стано- чины. Возрастание фоновой иониза-
вится проявление грозовой активно- ции не отвергается в качестве причи-
сти и молниевых разрядов. С другой ны появления стримеров (плазменного
Земля и Вселенная, 1/2021 27
канала) молниевого разряда. Эти фак- физическим характеристикам в опти-
ты позволяют не отвергать, а рассма- ческом диапазоне различают спрайты,
тривать возможность существования эльвы, голубые джеты и др.
механизма генерации молний с учас Спектральные измерения TLE в раз-
тием ШАЛ ГКЛ. ных диапазонах могут быть использо-
Основываясь на имеющихся экспе- ваны для того, чтобы отличить их от
риментальных данных по TGF и пред- молниевых разрядов. В спектральном
лагаемой для их объяснения модели, составе TLE – преимущественно ли-
в основе которой – лавина убегающих нии излучения вибрационных перехо-
электронов, получается довольно при- дов молекулярного атмосферного азота
влекательная глобальная картина, свя- в красной и инфракрасной частях спек-
зывающая воедино процессы, проис- тра видимого излучения.
ходящие в космическом пространстве TLE типа «спрайтов» обычно появ-
и вблизи поверхности Земли. ляются на высотах мезосферы и имеют
Однако открытием TGF – мощных сложную структуру с пространствен-
транзиентных явлений в атмосфере ным горизонтальным масштабом в де-
Земли, давшим, по сути, начало физи- сятки километров. Обычно спрайты
ке экстремальной атмосферы, развитие возникают одновременно с ореолами:
этого направления не ограничилось. своеобразным диффузным свечением
над спрайтом. Длительность таких оп-
тических вспышек – от десятков до со-
СВЕТОВЫЕ СПОЛОХИ тен миллисекунд, они происходят на
высотах от десятков до 100 км и, воз-
В 1990 г., немного раньше открытия можно, несколько выше. Важной осо-
TGF, с помощью скоростных и высоко- бенностью спрайтов является одно-
чувствительных телевизионных камер временное развитие нескольких лавин:
было обнаружено еще одно интересное вначале – нисходящие разряды, сосед-
явление в высотной атмосфере – чрез- ствующие с основным разрядом. Раз-
вычайно быстрые, длительностью по- ница цветов у спрайта объясняется раз-
рядка 30 миллисекунд, вспышки све- личным давлением и составом атмо
та, похожие на струи или фонтаны, над сферы на разных высотах. На высоте
грозовыми облаками на высоте 14 км и около 70 км красное свечение дает азот.
простирающиеся вверх, как минимум Чем ближе к земле, тем больше давле-
до 20 км. ние и количество кислорода, и цвета
Авторы этих наблюдений4 уже тогда меняются соответственно на синий, го-
отметили их возможную связь с усиле- лубой и белый. Так называемые «синие
нием грозовой активности. Затем нача- струи» и «синие стартеры» – это самые
лись спутниковые наблюдения. Изме- низковысотные TLE, которые распро-
рения из космоса оказались более ин- страняются вверх от вершин облаков
формативными для изучения глобаль- до высот около 40 км.
ных свойств этих явлений. В эксперименте на спутнике «Вер-
Теперь мы знаем, что TLE (сокра- нов» (2014 г.) было показано, что сла-
щение от Transient Luminous Events) – бые по своей светимости TLE встреча-
«транзиентные световые явления» – это ются на более обширной «территории»
общее название различных феноменов, по сравнению с более мощными. Реги-
разнообразных по своей природе. По страция последних схожа с картиной
пространственного распределения TGF.
4 Frantz et al., Science, 249, 48–51 (1990). Это наводит на мысль об их е диной
28 Земля и Вселенная, 1/2021
природе, связанной с гро-
180 90 0 90 180
зовой активностью в ниж- 90
60 60
них слоях атмосферы.
Широта
30 30
Однако если это так,
0 0
то опираясь на модель
–30 30
«снизу-вверх» – модель ла-
–60 60
вины убегающих электро-
–90
нов, следует предположить,
События 100
что поток релятивистских
80
электронов может участво-
События
60
вать в генерации и ультра-
фиолетового излучения, 40
наряду с гамма-эмиссией. 20
Этому есть теоретиче- 0
–180 –120 –60 0 60 120 180
ские и экспериментальные Долгота
подтверждения. В штате 180 90 0 90 180
Юта (США) с уществует
ускоритель электронов с 60
энергией 40 МэВ, кото-
30
рый используется для ка-
либровки флуоресцентных 0
детекторов космических
–30
лучей предельно высоких 1400
1200
1000
энергий на установке по их –60 c < 3 Дж 800
600 d
изучению Telescope Array, 400
Широта
200
расположенной там же. 180 90 0 0 15 45 75 105 180
Его импульсный пучок ре-
лятивистских электронов, 60
взаимодействуя с атомами 30
воздуха, генерирует столб
0
флуоресцентого света.
Численные модели флуо –30
300
ресцентных излучений a 250
–60 200 b
для электронно-фотонной > 3 Дж 150
100
компоненты ШАЛ косми- Долгота
50
0 15 45 75 105
ческих лучей были впер-
вые представлены еще Рис. 4. Вверху – распределение TLE на карте. Внизу – TLE
в середине 1960-х годов. различной природы:
Количество испускаемых a, b – длительные, наблюдающиеся только в ультрафиолете
флуоресцентных фотонов по данным эксперимента на спутнике «Вернов» и
пропорционально энер- c, d – более короткие, зарегистрированные в более широком
гии, теряемой электрона- спектральном диапазоне, вплоть до инфракрасного. Первые,
ми в атмосфере. Именно в отличие от вторых, наблюдаются в основном над сушей,
поэтому гипотеза о связи над районами преимущественного грозообразования.
лавины убегающих элек- Компиляция из: Garipov G.K., Khrenov B.A., Klimov P.A. et al., 2013.
тронов с генерацией опти- J. Geophys. Res. 118 (2), 370–379; Extreme Events in Geospace.
ческого излучения не ли- Garipov G. et al., Elsevier, 2018. 625 p.
шена оснований. Лавины
Земля и Вселенная, 1/2021 29
энергичных электронов могут создать Обратимся вновь к спрайтам, а имен-
светящиеся в ультрафиолете транзиен- но к их динамике. В ряде работ отмеча-
ты над грозовыми облаками – TLE. Тог- лось, что начальный этап их развития
да встает вопрос: какие именно типы начинается в нижних слоях мезосферы
TLE могут рождаться в рамках такой (см. кадры 1–3 на рис. 5) в течение ко-
модели? роткого времени < 2 мс. Лишь на втором
Если предполагаемые импульсные этапе начинают развиваться его струк-
лавины убегающих электронов дейст туры (стримеры), направленные вниз.
вительно существуют, то, вероятно, Последовательность такой динамики
они должны генерировать TLE пре развития спрайта потребовала и моди-
имущественно в нижних слоях атмос- фикации стандартной модели лавины
феры, в районе над грозовыми обла- убегающих электронов, предполагаю-
ками, где плотность воздуха больше, щей существование двух стадий. Пер-
чем на больших высотах. Поэтому та- вая, мощная, связана с сильноточным
кой механизм скорее ответственен разрядом на высотах в десятки км. Она
за генерацию струй – джетов, нежели вызывает пространное диффузное све-
спрайтов и эльвов (название последних чение, и затем появляются спорадиче-
от английской аббревиатуры ELVES – ские пробои около вершин грозовых
Emission of Light and Very Low Frequency облаков на относительно малой высо-
perturbations due to Electromagnetic те и простирающиеся вверх, вплоть до
Pulse Sources, «световая эмиссия и очень таких значительных высот, как 90 км.
низкочастотные возмущения, по- Но не исключается модель появления
рожденные источниками электромаг- стримеров, направленных вниз. Имен-
нитного импульса»), возникающих на но вторую стадию процесса связывают
гораздо больших высотах. Тем не ме- с молниевым разрядом, замыкающим
нее исключать возможность «участия» электрический потенциал между обла-
лавин убегающих электронов в генера- ком и землей. Можно отметить, что та-
ции транзиентов и на больших высотах, кая картина двухстадийного развития
по-видимому, нельзя. Согласно выше спрайта наводит на мысль, что наблю-
упомянутой модели, они могут служить даемые нами мощные и сложные по
триггером возникновения электриче- своей структуре TLE над сушей, в боль-
ского пробоя на больших высотах. Как шинстве наблюдаемых событий и яв-
следствие такого пробоя также можно ляются именно этим классом световых
ожидать и генерацию вспышек в опти- транзиентов. В пользу такой интерпре-
ческом диапазоне. тации свидетельствуют и наблюдения
Рис. 5. Динамика развития спрайта в миллисекундном диапазонe.
Источник: Cummer S.A., Jaugey N., Li J., Lyons W.A. et al., 2006. Geophys. Res. Lett. 33, L04104
80 km
70 km
60 km
50 km
t = 1,66 ms t = 2,06 ms t = 2,26 ms t = 2,46 ms t = 2,66 ms t = 3,06 ms 40 km
30 Земля и Вселенная, 1/2021
множественных разрядов молний с пе- кольцо этого гигантского атмосферно-
риодом в десятки – сотни миллисекунд, го явления, расширяясь, распространя-
часто наблюдающихся в районах грозо- ется со световой скоростью на боль-
вой активности. шие расстояния. Это очень напомина-
Принципиально другие, на наш ет взрывной процесс с «эпицентром»
взгляд, по своей физической приро- в точке зарождения эльва. Интересно,
де – эльвы – своеобразные кольцевые что иногда наблюдается парное рожде-
структуры красноватого цвета (что ука- ние световых колец. После их перво-
зывает на высвечивание кислорода), го наблюдения с борта американско-
наблюдающиеся в нижней ионосфере го шаттла Discovery в 1989 г. появи-
(высоты около 80–100 км) в течение лась идея объяснения их генерации
< 1 мс, принципиально отличны от дру- электромагнитным импульсом (ЭМИ),
гих световых транзиентов. Возникнув, связанным с разрядом молнии. ЭМИ,
они быстро расширяются и достигают распространяясь вверх, разогрева-
огромного горизонтального размера – ет свободные электроны на мезосфер-
до 500 км. ных высотах. Последние, в результа-
На спутнике «Ломоносов» нам уда- те столкновений с молекулами возду-
лось исследовать динамику этих явле- ха (в основном – азота), возбуждают их.
ний с помощью быстрого ультрафио- Затем, в процессе их релаксации, про-
летового телескопа ТУС на его борту, исходит эмиссия флуоресцентного све-
смотрящего вниз, на Землю. Светящееся та в УФ-диапазоне.
На спутнике «Ломоносов» (2016–2018) для регистрации УФ-транзиентов был уста-
новлен телескоп ТУС («Трековая УСтановка» с диаметром зеркала около 1,5 м).
Фотоприемник телескопа состоял из 256 фотоумножителей – пикселей и быстрой
считывающей электроники, обеспечивающей измерения полезных сигналов в раз-
личных временных диапазонах. Это позволило исследовать световые явления
в атмосфере различной природы: вспышки УФ-света, возникающие от взаимо-
действия космических лучей с атмосферой, события типа TLE, полярные сияния,
антропогенные свечения и даже следы от метеоров. Разнообразие транзиентных
световых событий, регистрируемых телескопом TУС в УФ-диапазоне длин волн,
значительно улучшило наши знания об атмосферных явлениях, полученных в бо-
лее ранних космических экспериментах МГУ на спутниках «Татьяна», «Татьяна-2»
и «Вернов». ТУС – наиболее чувствительный прибор из применявшихся до сих пор
в космосе для изучения световых транзиентов. Так, например, оценка полного
числа УФ-фотонов, испускаемых эльвами, оказалась > 1018, что на четыре порядка
меньше, чем было измерено с помощью прибора в эксперименте ISUAL (> 1022)
на спутнике FORMOSAT-2.
Итак, «лавина убегающих электро- Прямых наблюдений восходящих по-
нов» может быть триггером к развитию токов электронов на высотах выше об-
таких процессов, как некоторые классы лачного покрова нет. Впрочем, это –
TLE и TGF. Однако встает вопрос: есть следствие трудностей осуществле-
ли прямые наблюдения таких лавин ния экспериментов на таких высотах.
как подтверждение данной модели? Вообще, область атмосферы от 10 до
Ответ на этот вопрос неоднозначен. 100 км по-прежнему остается мало-
Земля и Вселенная, 1/2021 31
Внешняя ЭЛЬВ (ELVE)
«световая волна»
эльва
16 1000 16 1000 16 1000
14 14 14
800 800 800
12 12 12
10 600 10 600 10 600
8 8 8
6 400 6 400 6 400 Изображение
4 4 4
2
200
2
200
2
200 световой волны
1 3 5 7 9 11 13 15 1 3 5 7 9 11 13 15 1 3 5 7 9 11 13 15
на фотоприемнике
ТУС («Ломоносов»)
136 µs 168 µs 200 µs
Рис. 6. Вверху – событие TLE типа эльв (ELVE) в представлении художника.
Внизу – динамическое отображение его фронта в фотоприемнике ультрафиолетового
телескопа ТУС на борту спутника «Ломоносов». Движущийся световой внешний фронт эльва
распространяется со световой скоростью на расстояния в десятки-сотни км.
Компиляция из: Klimov P. et al., Remote Sens. 2019, 11, 2449
изученной – единственной платфор- грозовой активности. Это подтвержда-
мой для экспериментов здесь остаются ет их возможную «генетическую» связь
аэростаты. Именно поэтому модель ла- с проявлениями атмосферного элек-
вин убегающих электронов продолжает тричества в нижних слоях атмосферы,
оставаться рабочей гипотезой. но, конечно, не обязательно между со-
Тем не менее есть косвенные экспе- бой. Тем не менее и ее, как рабочую ги-
риментальные данные – наблюдения потезу, отвергать нельзя.
вторичных излучений в виде электрон- Можно ли рассмотреть альтернатив-
но-позитронных пар, которые должны ный вариант – модель «сверху – вниз»?
быть следствием развития электрон- Иными словами, «запустить» пучок
ных лавин, а также нейтронов, рожда- электронов из космоса в атмосферу?
ющихся в результате ядерных реакций
с участием гамма-квантов. Эти наблю-
дательные факты могут быть косвен-
ЭЛЕКТРОННЫЕ ТРАНЗИЕНТЫ
ным, но довольно сильным аргументом И МОДЕЛЬ «СВЕРХУ-ВНИЗ»
в пользу существования лавин реляти- ГЕНЕРАЦИИ TLE
вистских электронов, генерируемых
в сильных электрических полях в рай- В рамках такой модели следует пред-
онах грозовой активности. положить существование нисходя-
При этом видно, что качественно щих транзиентных пучков электронов
географические распределения TGF в окружающем нас околоземном кос-
и мощных TLE схожи: большая их часть мическом пространстве, в направлении
регистрируется именно над районами к поверхности Земли. В пользу такого
32 Земля и Вселенная, 1/2021варианта свидетельствуют хорошо из- Чтобы попытаться ответить на этот
вестные полярные сияния, создавае- вопрос, напомним еще об одном клас-
мые потоками электронов энергией се энергичных транзиентов в около-
несколько кэВ, которые вторгаются из земном космическом пространстве,
магнитосферы в плотные слои атмос- детальное исследование которых так-
феры и вызывают свечения, в том чис- же началось в 1990-х годах и интен-
ле и в УФ-диапазоне. сивно продолжается до сих пор. Речь
Но можно заметить, что основная идет о высыпающихся из радиацион-
доля TLE регистрируется совсем в дру- ных поясов энергичных электронах
гом месте – на средних широтах и бли- (Transient Electron Precipitation или
же к экватору. Кроме этого, сама тополо- TEP). Такие ТЕР радиационных поясов
гия магнитного поля Земли в аврораль- Земли наблюдаются не только в ав-
ных и полярных широтах способству- роральных широтах, но и на средних
ет формированию потоков электронов, и низких.
направленных вниз. Откуда могут поя- Возникает вопрос, какова природа
виться потоки электронов «сверху» на микровсплесков и какое воздействие
средних и низких широтах? на атмосферу они могут оказать?
Ларморовское
вращение частицы
Точка отражения
Дрейф А Магнитная
Дрейф электронов силовая линия,
протонов L-оболочка
Кинематика движения захваченных частиц в магнитном поле связана с тремя основ-
ными видами их движения: ларморовское – вращательное вокруг силовой линии;
колебательное – вдоль нее между точками отражения и азимутальное – вокруг
Земли. Для описания такого движения удобно пользоваться понятием дрейфовой
оболочки – так называемой дрейфовой «L -оболочки», по сути, расстоянием в радиу-
сах Земли до магнитной силовой линии, по которой дрейфует заряженная частица.
Основной механизм, который может ного взаимодействия могут передавать
привести к высыпанию частиц из радиа- часть своей энергии частицы, изменяя
ционных поясов, известен давно, по направление ее преимущественного
сути, сразу после их открытия в конце движения – дрейфа в магнитном поле
1950-х годов. Это взаимодействия «вол- Земли.
на-частица». Электромагнитные волны, Для большей части электронов ра-
частота которых близка к частоте лар- диационных поясов эти частоты соот-
моровского вращения частицы в маг- ветствуют диапазону очень низкочас-
нитном поле, в результате резонанс- тотных волн (ОНЧ) в килогерцовом
Земля и Вселенная, 1/2021 33Природное воздействие на электроны
Волны типа «вистлер» Ионно-циклотронные волны
a b
Расстояние
от Земли
Время
Высыпающиеся электроны
c
Наземный
НЧ-радиопередатчик
Техногенное воздействие на электроны
Рис. 7. Процессы, обусловленные взаимодействием типа «волна-частица» природного
происхождения (а, b) и техногенного происхождения (c). Оба эти механизма приводят
к высыпанию частиц из радиационных поясов в атмосферу
диапазоне. Оказывается, что именно активности, которые «истощают» за
в этом диапазоне частот находятся так хваченные в магнитном поле потоки
называемые «свистящие атмосфери- частиц. Это явление наводит на мысль
ки», или вистлеры, – волны, генерируе о том, не могут ли пучки высыпающих-
мые во время молниевых разрядов ся электронов на средних широтах вы-
в районах грозовой активности. У них зывать в верхней атмосфере явления
широкий частотный спектр с макси- типа TLE? На первый взгляд, это соот-
мумом в районе 1–10 кГц. Эти волны ветствует действительности: вистлеры
распространяются преимуществен- распространяются в виде коротких им-
но вдоль магнитных силовых линий пульсов, длительность которых долж-
и, «встречая» на своем пути захвачен- на соответствовать времени развития
ные электроны, «заставляют» их поки- разрядного процесса в грозовом обла-
нуть область устойчивого захвата – на- ке, формируя тем самым сопоставимые
править их движение в верхние слои по длительности пучки высыпающихся
атмосферы. частиц и вспышек света.
Рис. 7а иллюстрирует механизм вза- Высыпания частиц типа ТЕР с энер-
имодействия вистлеров с электрона- гией в десятки – сотни кэВ также мо-
ми радиационных поясов. Считается, гут приводить к увеличению проводи-
что зазор между внешним и внутрен- мости D-слоя ионосферы над грозо-
ним радиационным поясом электро- вой областью или в сопряженной точке
нов на 2 < L < 3 – следствие именно та- и, как следствие, к изменению порога
кого механизма взаимодействия час локального электрического пробоя ат-
тиц с волнами. Именно здесь, на сред- мосферы.
них широтах, происходит интенсивная В 1995 г. был осуществлен экспери-
генерация вистлеров во время грозовой мент EuroSprite по генерации и
мпульсов
34 Земля и Вселенная, 1/2021Спутник
B
TEP
TEP
Вестлер
TLE TLE
100 км
Молния
Рис. 8. Возможный механизм высыпания транзиентных потоков электронов (ТЕР)
при взаимодействии с низкочастотными пакетами электромагнитных волн типа «вистлер»
и, как следствие, генерация флуоресцентного света (TLE) при взаимодействии частиц
с атмосферой
ОНЧ-волн в диапазоне 3–30 кГц – по ной широтной области околоземного
сути, имитации воздействия вистлера пространства на малых высотах: от ав-
на атмосферу. Оказалось, что в широ- роральной области и внешнего радиа-
кой пространственной области на вы- ционного пояса и до экваториальных
соте около 100 км происходит измене- областей, где существование стабиль-
ние проводимости D-слоя ионосферы но захваченных частиц исключено.
и генерируются оптические вспышки Можно предположить, что часть ре-
типа спрайтов. гистрируемых на спутнике электронов
В подтверждение этой модели при- (на высоте 600 км) могла появиться
ведем более подробные данные о пото- и за счет инжекции восходящих лавин
ках электронов как в области внутрен- убегающих электронов. Однако такой
него радиационного пояса, так и под механизм представляется малоэффек-
поясами, полученными на спутнике тивным в силу энергетических потерь
«Вернов». Этот спутник летал на орби- электронов в процессе их транспорта
те высотой около 600 км, и поэтому на из нижних слоев атмосферы до высот
столь малых высотах он мог регистри- орбиты спутника в несколько сот км.
ровать высыпающиеся и квазизахва- Действительно, в наших эксперимен-
ченные (т.е. совершающие не более од- тах на спутниках «Татьяна» и «Вернов»
ного оборота вокруг Земли) частицы – нам не удалось обнаружить такие спо-
кратковременные всплески электронов радические потоки электронов.
длительностью с энергией более 50 кэВ. Остается возможность появления
Полная картина пространственно- электронов как вторичных, возникаю-
го распределения частоты наблюдений щих в процессе комптоновского рассея-
таких всплесков показана на рис. 9. ния и генерации, электрон-позитронных
Они наблюдаются в довольно обшир- пар при взаимодействии г амма-квантов
Земля и Вселенная, 1/2021 3540
«Вернов», 2014 г.
35
Низкие высоты
Частота всплесков, отн. ед.
30 под радиационными
поясами
25 Авроральная
Внутренний Внешний
Область радиационный область
20 радиационный пояс
зазора пояс
15
10
5
0
1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2 2,2 2,4 2,6 2,8 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8
L-оболочка (радиусы Земли)
Рис. 9. Глобальное распределение и частота появления всплесков, высыпающихся
и квазизахваченных электронов на разных L-оболочках на малых высотах (около 600 км)
TGF с атомами атмосферы на высотах широтах за счет их рассеяния на элек-
около 40 км (рис. 2). Действительно, тромагнитных волнах типа грозовых
такие вторичные частицы наблюда- вистлеров представляется более пред-
лись в эксперименте BATSE на спутни- почтительной.
ке CGRO, RHESSI и Fermi. Эти вторич- Электромагнитные волны внутри ра-
ные энергичные электроны и позитро- диационных поясов могут появиться не
ны могли быть инжектированы вдоль только вследствие грозовой активнос
магнитного поля во внутреннюю маг- ти. Человек в этом плане также вно-
нитосферу как результат развития TGF. сит свою лепту. В прошлом веке начала
Они обнаруживаются на низкой около- развиваться дальняя радиосвязь в ки-
земной орбите: либо непосредственно логерцовом диапазоне. На земле были
над местом генерации TGF или в со- сооружены мощные радиопередатчи-
пряженной точке на расстоянии не- ки, работа которых, как оказалось, на-
скольких тысяч километров. Более прямую оказывает воздействие на час
того, был отмечен их дрейф в магнит- тицы, захваченные магнитным полем.
ном поле после выхода в космическое По аналогии с воздействием грозовых
пространство из атмосферы. Однако, вистлеров, наземные радиопередатчи-
насколько это явление может быть ти- ки «заставляют» электроны покидать
пичным и масштабным, предстоит еще область устойчивого захвата и втор-
выяснить. Нельзя исключить и альтер- гаться в атмосферу (рис. 7с). Это еще
нативный вариант объяснения их при- один из возможных механизмов появ-
роды за счет и высыпания электронов ления электронных транзиентов на ма-
и позитронов из радиационных поя- лых высотах.
сов. Поэтому гипотеза о происхожде- Очевидное «присутствие» транзиент-
нии таких электронных транзиентов ных потоков высыпающихся электро-
на малых высотах в средних и низких нов в широкой области п ространства
36 Земля и Вселенная, 1/2021(рис. 9) хорошо согласуется с простран- Чтобы детально исследовать воз-
ственной картиной слабых TLE, и по можные механизмы генерации ТЕР,
этому они могут быть рассмотрены мы недавно осуществили специальный
в качестве частиц, вызывающих флуо- эксперимент. Два спутника: «Ломоно-
ресцентные свечения в атмосфере, что сов» на низкой высоте и «Электро‑2»
и наблюдается в эксперименте (рис. 3с). на геостационарной орбите – одновре-
Обратимся вновь к данным на рис. 9. менно регистрировали потоки высы-
Определенная доля ТЕР регистрирует- пающихся электронов в одной и той же
ся и в районе внешней границы радиа магнитной силовой трубке. Одновре-
ционных поясов и в авроральной обла- менно с измерениями на спутниках ев-
сти. На этих широтах, очевидно, ника- ропейские коллеги осуществили запуск
кой грозовой активности нет. Какова аэростата на высоту около 40 км из Ки-
же может быть природа этих электрон- руны (Швеция) с измерительной аппа-
ных высыпаний? ратурой, также позволяющей регистри-
Опять-таки, во всем могут быть «ви- ровать энергичные электроны (рис. 10).
новаты» волны. Но в этой области они Мы заметили одновременное появле-
не связаны с атмосферным электричест ние всплесков электронов и на спутни-
вом – грозы на севере и на юге в авро- ках, и на аэростате, что подтверждает
ральной зоне, как правило, не наблю- картину их высыпания вдоль магнит-
даются. Сразу следует отметить, что до ной силовой трубки в атмосферу.
конца механизм генерации ТЕР на вы- Оказалось, что во время наблюдения
соких широтах неясен, но представле- ТЕР фиксировалась интересная динами-
ния о нем есть. ка различных плазменных о бразований
Рис. 10. Эксперимент по синхронным измерениям процесса высыпания энергичных электронов
из радиационных поясов: спутник «Электро‑2» на геостационарной орбите (36 000 км)
регистрировал изменения параметров плазмы, спутник «Ломоносов» на низкой орбите
(600 км) – потоки электронов, а на аэростате, запущенном из Кируны, Швеция – тормозное
излучение высыпающихся электронов (эксперимент BARREL)
«Электро-2»
36 000 км В
Высыпающиеся
энергичные
Электроны
(ТЕР)
«Ломоносов»
600 км
BARREL
(высота 30 км) Кируна
Земля и Вселенная, 1/2021 37повышенной концентра-
5000 ции холодной плазмы
X-ray (BARREL) с ночной стороны магни-
1000 тосферы во время неболь-
500
шого геомагнитного воз-
100 мущения (рис. 11).
50
Именно этот эффект мо-
20:00 00:00 жет быть ответственным за
генерацию так называемых
108 ионно-циклотронных волн,
которые и рассеивают элек-
Иньенсивность, отн. ед.
троны радиационных поя-
107 сов (рис. 7b). Так могли поя-
виться ТЕР на высоких ши-
ротах. Вторгаясь в атмосфе-
ру, они инициируют, в свою
106
очередь, транзиентные све-
Плазма («Электро-2») чения в т. ч. и в УФ-диапазо-
Ионы: 40 эВ-11 кэВ не, известные как дискрет-
105 ные полярные сияния –
очень короткие пульсации
(до мсек) на фоне квазиста-
1000 ционарного свечения. Та-
Энергичные
Электроны: кие дискретные авроры на-
10–300 кэВ блюдаются и наземными
100 («Ломоносов») быстрыми фотометрами,
и приборами на спутниках.
Полярные сияния – ре-
10
зультат воздействия на ат-
мосферу в основном элек-
тронов с энергией около
1
10 кэВ. Именно они ответ-
ственны за возбуждение
0,1 молекул и атомов воздуха
1 3 10 L на высотах порядка 100 км
и несколько ниже. Проводя
Рис. 11. Результаты синхронных измерений аналогию со средне- и низ-
в рентгеновском диапазоне (тормозное коширотными TLE, можно предполо-
излучение электронов) на аэростатах над жить, что и последние инициируются
Кируной, Швеция (эксперимент BARRELL), электронами таких же энергий. В этом
плазмы на геостационарной орбите их отличие от более мощных TLE, ко-
(эксперимент на спутнике «Электро‑2») торые связаны с грозовым электриче-
и измерения энергичных электронов ством над континентами и обусловле-
на спутнике «Ломоносов»
ны существованием лавин электронов
значительно больших энергий.
в этой области пространства: взаи- Подразумевая возможность альтер-
модействие горячей плазмы из плаз- нативной реализации моделей гене-
менного слоя, набегающей на область рации «снизу-вверх» и «сверху-вниз»,
38 Земля и Вселенная, 1/2021a b
530 1580
520 1560
510 1540
ADC code
ADC code
500 1520
490 1500
1480
480 1460
470 1440
460 1420
450 1400
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6
Time, c Time, c
c ISS d
16 100
15 90
14
13 80
0,00
12 70
11
10 60
Channel
0,00
9 50
8 30
90
7 40
0,00 –60
6
5 30 –30
60
4 20 0
30
3
2 10 –30
1
1 2 3 4 5 6 7 8 910111213141516
Рис. 12. Пример регистрации дискретного полярного сияния. а, b – Временные профили
потока УФ-излучения во время пролета спутника «Ломоносов» над овалом полярного сияния;
с – пиксельная карта события в том же пролете; d – плотность потока низкоэнергичных
электронов, вызывающих полярное сияние. Источник: Klimov P. et al., Remote Sens. 2019, 11, 2449
ельзя исключить и их совместное воз-
н убегающих электронов, а ТЕР «сверху» –
действие на атмосферу на высотах ме- высыпания электронов из радиацион-
зосферы в несколько десятков км. ных поясов под воздействием электро-
В этом случае можно говорить о синер- магнитных низкочастотных волн.
гии их воздействия на область, где ге-
нерируются TLE типа спрайтов, эльвов
и джетов. Лавины убегающих электро- ТРАНЗИЕНТЫ ПОД ОБЛАКАМИ
нов и TEP могут способствовать разви-
тию электрического пробоя на высотах В рамках такой «симбиозной» моде-
в десятки км и, как следствие, вызвать ли генерации энергичных транзиен-
свечения азота и кислорода. Нельзя ис- тов в гамма- и оптическом диапазонах
ключить и прямого воздействия ТЕР на на атмосферных высотах в десятки км,
атомы атмосферы посредством, скажем, можно попытаться объяснить и появ-
ударной ионизации. В основе такого со- ление гамма-излучения и на высотах
вместного действия двух механизмов ниже облачного покрова во время уси-
лежат процессы в нижней атмосфере, ления грозовой активности.
связанные с генерацией атмосферного Эмиссия гамма-излучения с энергия
электричества и молниевого разряда. Но ми до 50 МэВ во время гроз была заре-
пучки электронов «снизу» – это лавины гистрирована в ряде экспериментов
Земля и Вселенная, 1/2021 39Высыпающиеся
TLE электроны (TEP)
100 км
е–
Область
электрического
пробоя Вистлеры
(ОНЧ-волны)
е– В
50 км
TGF
Межоблачные
молниевые
разряды
FTGE
5 км
Молниевые разряды
е– TLE облако–Земля
Рис. 13. Возможный сценарий развития транзиентных электромагнитных явлений
в оптическом (события типа TLE) и гамма-диапазонах (события типа TGF и FTGE), в которых
лавины электронов, генерируемые в районах грозовой активности, а также пучки электронов,
высыпающихся из радиационных поясов, играют ключевую роль
на поверхности Земли и в горах. Дли- гает, как указывалось, десятки минут
тельность таких событий достигает и даже часы. Возрастания интенсивно-
нескольких часов, и они затухают по- сти потоков TGE прерываются и дости-
сле окончания грозы. Гамма-излуче- гают фонового уровня в момент мол-
ние, наблюдающееся на высотах гор ниевого разряда. Более того, было до-
во время усиления грозовых электри- казано, что низкоэнергичная часть
ческих полей, получило название TGE (< 3 МэВ) т. н. TGE обусловлена эмана-
(сокращение от Thunderstorm Ground цией радона (Rn222) из горных пород,
Enhancements, «грозовые наземные продукты распада которого, распро-
возрастания») или гамма-свечения5. страняясь вместе с аэрозольными час
Их происхождение может быть связано тицами или выпадая в виде осадков
с фоновыми электронами от ШАЛ кос- с дождевой водой, создают поля гам-
мических лучей, ускоренных электри- ма-излучения с характерными для про-
ческим полем, но потоками, направ- дуктов распада радона моноэнергети-
ленными вниз, к поверхности Земли. ческими структурами без формирова-
Однако такие явления не могут быть ния самой лавины электронов – ключе-
отнесены к транзиентным процессам, вого агента энергичных транзиентов6.
которые рассматриваются в данной Для предмета этой статьи интерес-
статье, генетически связанным с са- но появление действительно транзи-
мим молниевым разрядом. В отличие ентных всплесков гамма-излучения на
от последних, их длительность дости-
6 Bogomolov V.V., Iyudin A.F., Maximov I.A.,
5 hilingarian A.A. et al. Phys. Rev.
C Panasyuk M.I., and Svertilov S.I. Phys. Rev.
D82043009 (2010). D99.
40 Земля и Вселенная, 1/202135 TGE ( 100 эВ. Могут ли назвать «быстрыми приземными воз- FTGE быть связаны с оптическим из- растаниями» (Fast Terrestrial Ground лучением? В пользу этого предположе- Enhancement, FTGE). В рамках рассма- ния свидетельствуют результаты друго- триваемой модели с участием лавин го эксперимента, проведенного в горах электронов FTGE это – те же TGF, гене- Тянь-Шаня6. С помощью быстрых, ра- рируемые на больших высотах, но на- ботающих вплоть до м икросекундного правленные вниз. диапазона, детекторов электрических Земля и Вселенная, 1/2021 41
полей, гамма-излучения, а также уль-
трафиолета и инфракрасного света УГРОЗА ТРАНЗИЕНТОВ?
были действительно зарегистрирова-
ны оптические вспышки практичес Представляют ли описанные выше
ки одновременно со всплесками гам- энергичные транзиентные явления
ма-квантов (FTGE) и сильных вариаций в атмосфере Земли какую-либо опас-
электрических полей. Эти результаты ность для летательных аппаратов?
не противоречат модели «лавины убе- Если рассматривать TLE только в пла-
гающих электронов» как инициатора не высвобождения световой энергии,
комплекса транзиентных энергичных то, несмотря на их огромную энергети-
явлений во время грозовой активности. ку (энергия излучения в импульсе для
Дальнейшие эксперименты с быс них может достигать сотен мегаджоу
трыми гамма- и электронными детек- лей), существенной опасности пред-
торами и с большей чувствительнос ставлять они не могут, т. к. ультрафио
тью, чем используемые в настоящее лет поглощается в достаточно тонком
время, могут подтвердить эти резуль- слое материала. Тем не менее для от-
таты и предоставить больше экспери- крытых сенсоров на борту космических
ментальных аргументов в пользу об- аппаратов воздействие ультрафиолета
суждаемой модели. В этом случае кар- может стать губительным.
тина транзиентных явлений в нижней Другое дело – транзиентные лавины
и верхней атмосфере типа ТGF, TLE убегающих электронов, которые созда-
и FTGE найдет объяснение в рамках ют радиационные поля нейтронов, гам-
единой модельной концепции. ма-квантов, электронов и позитронов.
Рис. 15. Регистрация транзиентных всплесков ультрафиолетового (240–380 нм)
и инфракрасного (610–800 нм) излучений во время быстрых вариаций электрических
полей (слева) и аналогичное оптическое событие (справа), связанное с генерацией гамма-
излучения (FTGE). Измерения на высокогорной станции ФИАН на Тянь-Шане во время грозовой
активности. Адаптировано из статьи: Gurevich A., Garipov G., Almenova A. et al., Atmospheric
Research, 211, 73–84 (2018)
20 июля 2016 г. 26 июля 2016 г.
300 Инфракрасное
50 Электрическое поле 150
k, кВ/м
300 Ультрафиолетовое
0 150
Иньенсивность, произв. ед.
12 гамма>80 кэВ
–50 6
800 Инфракрасное 8 гамма>330 кэВ
Иньенсивность, произв. ед.
излучение 4
8 гамма>950 кэВ
400 4
6 гамма>1900 кэВ
0 3
800 Ультрафиолетовое 4 гамма>2400 кэВ
излучение 2
4 гамма>3200 кэВ
400 2
4 гамма>3800 кэВ
0 2
Время, ч –30 –20 –10 0 10 20 30
Время от начала, X 0,001 с
42 Земля и Вселенная, 1/2021Оценки радиационных доз, которые окружающей плазмы, в первую очередь,
были сделаны на основе модельных со- за счет воздействия на среду либо лави-
ображений, дают значения, которые ны убегающих электронов, либо пучков,
считаются безопасными для организма высыпающихся из радиационного поя-
человека. Но такие расчеты носят весь- са. Эти факторы должны, к тому же, из-
ма приблизительный характер. Необхо- менить проводимость мезосферы на вы-
димы прямые измерения вблизи «эпи- сотах в десятки километров, что не мо-
центра» события типа TLE или TGF. жет не отразиться и на распространении
Прямые измерения были проведены радиоволн, а значит, возможны пробле-
американским исследователем Дж. Дай- мы для телекоммуникаций.
ером (J. Dwyer) на самолете вблизи гро- На таких высотах самолеты пока не
зового облака. Они дали относительно летают. Но мы уже видим единичные
небольшие, неопасные величины доз запуски стратосферных летательных
радиации. Но какие дозы могут быть на- аппаратов, и можно быть уверенными,
верху, значительно выше грозовых об- что число их будет расти. Поэтому этот
лаков, где развиваются активные про- фактор природных потенциальных
цессы, связанные с электромагнитными угроз сбрасывать со счета не следует.
транзиентами, пока непонятно. Транзиентные электромагнитные
Есть еще один, потенциально опас- процессы в атмосфере должны влиять
ный фактор – он связан с электромаг- на ее химический состав. Потоки элек-
нитным излучением, сопровождающим тронов, сопровождающие такие яв-
такие явления как TLE или TGF. В районе ления как TLE, TGF и FTGF, могут вы-
их генерации должны возникать мощ- звать диссоциацию молекул азота и по-
ные флуктуации электрических полей, явление его оксидов – NO, NO2, наря-
обусловленные изменением параметров ду с космическими лучами. О ксиды
Рис. 16. Необычное мощное транзиентное световое явление, наблюдавшееся на спутнике
«Ломоносов» над Средиземным морем в безоблачную погоду (горизонтальный размер
около 80 км, длительность до 150 мксек). Слева – его изображение в фотодетекторе
ультрафиолетового телескопа ТУС; справа – временные профили яркости свечения
в разных пикселях. Источник: P. Klimov et al., Remote Sens. 2019, 11, 2449
2016-06-27 18:15:51Z. TLE. Max = 32736. Frame 001
32768
16
28672
14
24576
1200 [10,4]
[10,5]
12 [10,6]
800 [10,7]
ADC code
20480
10
PMTs
600
16384
8
400
12288
6 200 150 мксек
8192
4
4096 0 20 60 100 140 180
2 Time, c
0
2 4 6 8 10 12 14 16
80 км
Земля и Вселенная, 1/2021 43Рис. 17. Атмосферное
электричество как
результат взаимодействия
восходящих и нисходящих
потоков воздуха по
М.В. Ломоносову
ний, а также более слабых
по своей энергетике TLE
и, как это подчеркивалось
выше, не связанных с гро-
зовым электричеством.
Эта модель основана на
предположении существо-
вания заряженных облас
тей в мезосфере разме-
зота ответственны за образование
а ром в 10–15 км на высотах 60–70 км
озона (О3). Этот процесс может иметь при определенных метеорологических
компенсирующий эффект на естествен- условиях. Эти области отличаются от
ную убыль озона в результате воздей- обычных грозовых облаков меньшей
ствия на него солнечного ультрафио плотностью пространственного заря-
лета или антропогенных источников. да и меньшим порогом пробоя возду-
Транзиенты также могут привести ха. Модель предсказывает генерацию
к изменениям концентрации парнико- «мезосферных разрядов» длительно-
вых газов. стью в несколько миллисекунд и мощ-
ностью до нескольких мегаджоулей. Ве-
роятно, можно предположить, что вы-
ВМЕСТО ЗАКЛЮЧЕНИЯ сыпания электронов типа ТЕР (в рам-
ках данной модели) могут играть роль
Возможные сценарии генерации све- дополнительного фактора, уменьшаю-
товых транзиентов, описанные выше, щего величину электрического пробоя
в настоящее время не исчерпывают воздуха за счет его ионизации.
новые экспериментальные данные по Еще одна проблема имеет фунда-
их наблюдениям. Свидетельством это- ментальный характер и может быть ре-
му являются необычные события TLE, шена в ходе дальнейших эксперимен-
наблюдавшиеся на спутнике «Ломоно- тов. Могут ли явления типа TLE быть
сов» заведомо вдали от областей гро- связаны единым физическим процес-
зовой активности. Их мощность была сом с TGF? Это вопрос для будущих
чрезвычайно велика, и пока не удалось исследований. До сих пор экспери-
связать их появление с определенным ментаторы не получили объективных
геофизическим или антропогенным доказательств такой связи. Впрочем,
явлением. следует упомянуть недавно опублико-
Недавно появилась модель7, кото- ванный результат, полученный с помо-
рая, возможно, приблизит нас к вы- щью прибора ASIM (Atmosphere-Space
яснению природы подобных явле- Interactions Monitor) на Международ-
ной космической станции. Авторы
7Surkov V.V. Journal of Atmospheric and показали, что TGF возникает в тече-
Solar–Terrestrial Physics, 210 (2020). ние первоначальной фазы межоблач-
44 Земля и Вселенная, 1/2021ного разряда молнии, а TLE типа че и быстрее поднимается вверх. Если
ELVE возникает через 10 мксек после электрическая сила простирается до са-
гамма-всплеска. Однако это результат мой земли, то даже при наличии грозо-
пока единичного синхронного наблю- вой тучи молнии и грома нет; если же
дения этих явлений, и он относится электричество до земли не доходит, то
только к событиям типа ELVE. Необхо- облако передает его земле круто – мол-
димы более детальные исследования. нией и громом». Трансформация меха-
Остается много вопросов и в области нических движений атмосферных масс
теоретических моделей. Именно поэ- в электрическую энергию не подверга-
тому исследования и световых и гам- ется сегодня сомнению.
ма-транзиентов активно развиваются. Практически одновременно с Ломо-
Пока невозможно дать окончательный носовым американский ученый Бен-
ответ в пользу той или иной модели. джамин Франклин в 1752 г. сделал вы-
Мы находимся на стадии интенсивно- вод о природе молнии как разряда
го исследования этих необычных явле- между облаком и землей.
ний в атмосфере нашей планеты. И ко- Уместно вспомнить ранние работы
нечный ответ м ожет отличаться от рас- Нобелевского лауреата Чарльза Виль-
суждений, приведенных выше. сона, который в начале XX в. выдвинул
Что касается самих электрических идею о связи остаточного тока в элек-
полей в атмосфере, то наш великий со- троскопе с ускоренными в электриче-
отечественник Михайло Ломоносов еще ских полях грозовых облаков электро-
в 1753 г. описал механизм их появления нами (чем не «лавина убегающих элек-
в своей речи «Слово о явлениях воздуш- тронов», положенная в основу ряда
ных, от электрической силы происходя- современных моделей!). И хотя эта ин-
щих»: «…восходящие и нисходящие по- терпретация не была применена к обна-
токи, вследствие трения частиц паров руженному им явлению, сама идея че-
друг о друга, могут дать электричество. рез много лет получила свое развития
Грозы бывают чаще в 3–4 часа дня, так в транзиентах типа TGF и TLE, открытых
как именно в это время приземная часть в конце XX века! Таков извилистый путь
атмосферы сильнее всего нагрета и лег- науки.Вы также можете почитать
