ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2015, том 79, № 5, с. 736-738
УДК 551.59
ХАРАКТЕРНОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ ГРОЗОВОЙ АТМОСФЕРЫ ИЗ ДАННЫХ ПО ВАРИАЦИЯМ
КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ © 2015 г. А. С. Лидванский, М. Н. Хаердинов, Н. С. Хаердинов
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт ядерных исследований Российской академии наук, Москва E-mail: khaerdinovns@yandex.ru
Привлекая модель формирования вариаций интенсивности мюонов, восстанавливается характерный высотный ход напряженности электрического поля, в зависимости от его приземного значения. Показано, что в районе установки ограничителем роста приземной напряженности выступает пробой на убегающих электронах на высоте нулевой изотермы.
DOI: 10.7868/S0367676515050300
ВВЕДЕНИЕ
Широко известны баллонные измерения напряженности поля грозовой атмосферы, проведенные Маршалом и др. [1]. В этой работе показана характерная слоистая структура распределения заряда и сделан вывод об ограничении напряженности вертикального поля, пропорционально плотности, пороговым значением Б = 202 кВ • м-1 для уровня моря. В единицах перенапряжения: 8 = Б/БС = 0.94 (БС = 216 кВ • м-1 для уровня моря — критическая напряженность). Вместе с тем в работе [2] сообщалось о случае регистрации поля тем же методом при значении 8 = 1.3 в течение минуты. Возможно, ошибки методического характера вносят искажения в наблюдения. В связи с этим исследования электрического состояния активной фазы грозы, выполненные с помощью анализа вариаций космического излучения, могут быть более корректными в сравнении с прямыми измерениями на баллонах.
АНАЛИЗ
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО МАТЕРИАЛА ПО МНОГОЛЕТНИМ НАБЛЮДЕНИЯМ
На установке "Ковер" БНО ИЯИ РАН исследуются вариации вторичного космического излучения во время гроз в течение ряда лет. В работах [3—5] дается описание установки, методов регистрации и предварительной обработки данных. Анализируются вариации жесткой (в основном мю-оны Е > 100 МэВ) и мягкой (в основном электроны и фотоны 10—30 МэВ) компонент частиц космических лучей. Большое многообразие регистрируемых вариаций во время гроз статистически обработано, изучено и опубликовано в работах [5—7]. Анализ показывает, что вариации подразделяются на два типа: нормальные, коррелирующие с напряженностью
приземного поля и аномальные, связанные с активной фазой грозы. В работах [8, 9] проведено исследование формирования вариаций грозовыми полями, приводится расчет коэффициентов регрессии с приземной напряженностью.
На рис. 1 и 2 представлены экспериментальные распределения вариаций мягкой и жесткой компонент, поправленные на расчет (теоретически ожидаемые зависимости вычтены из эксперимен-
AN/N0, %
10 D, кВ ■ м-
Рис. 1. Распределение вариаций мягкой компоненты в зависимости от измеряемой напряженности приземного поля, поправленное на теоретически вычисленное его влияние. Штриховые линии отмечают значения напряженности Б = ±7 кВ • м-1. Результат получен за период 2000—2003 гг. "Живое" время набора 3.75 суток.
ХАРАКТЕРНОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ ГРОЗОВОЙ АТМОСФЕРЫ
737
тальных данных). На рисунках проявляется область напряженностей от —7 до +7 кВ • м-1, где аномальные возмущения практически не возникают. Но зато максимальные амплитуды возмущений мягкой компоненты статистически группируются при значениях -10 кВ • м-1 и +12 кВ • м-1, т.е. аномальные возмущения мягкой компоненты все же коррелируют с приземной напряженностью, но в малой области. Область эта характеризуется "особыми" значениями приземной напряженности: порог (±7 кВ • м-1) и максимум (-10 кВ • м-1 и +12 кВ • м-1).
Согласно расчету [10], выполненному для ряда аномальных возмущений электрон - фотонной интенсивности, такие возрастания могут быть объяснены генерацией тормозных фотонов лавинами убегающих электронов. При этом высота генерации возможна от 3 км до ионосферы. Так, к примеру, грозовое событие 11.10.2003, приведенное в [11], имеет возмущение рекордно большой амплитуды 30%, которое сопровождалось стабильной приземной напряженностью в районе 6 кВ • м-1, высота генерации фотонов, из [10], 3.1 ± 0.4 км над ур. моря. Событие 11.09.2005 [12] имеет возмущение 10%, также сопровождается стабильной приземной напряженностью в районе 7 кВ • м-1, высота генерации 6.1 ± 0.4 км над ур. моря. Поскольку следствием пробоя на убегающих электронах, является ограничение напряженности поля, естественно связать наблюдаемую стабилизацию приземного поля с проявлением этого процесса. Тогда наличие "особых" значений на распределении вариаций, по-видимому, является усредненным проявлением эффекта пробоя на убегающих электронах в атмосфере.
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ И МЕТОД РЕШЕНИЯ
Нужно определить высотное распределение напряженности поля в зависимости от приземного напряжения и установить соответствие "особым" значениям. В работе [9] описана модель формирования вариаций интенсивности мюонов грозовыми полями и выделен ряд параметров определяющих их. Это средняя напряженность приземного поля до высоты нижнего заряженного слоя, значение этой высоты (Рд), пространственная дисперсия реального поля под локальным зарядом (ст]) и разность потенциалов между эффективным уровнем генерации мюонов (11.5 км) и уровнем наблюдения на земле (1.7 км) (Ф) (значение с обратным знаком отвечает разности потенциалов в стратосфере). Именно возникновение разности потенциалов порядка ±100 МВ - это причина появления аномальных отклонений в распределении мюонов. Измеряемое на земле значение поля связано корреляционным образом с его средними пространственными характеристиками в атмосфе-
ДЛТ/А/о, %
0.5
-0.5
IV
------
I
.1
" п..............
-20 -15 -10 -5
0
5
10 Б, кВ ■ м-1
Рис. 2. Распределение вариаций жесткой компоненты в зависимости от измеряемой напряженности приземного поля, поправленное на теоретически вычисленное его влияние. Штриховые линии отмечают значения напряженности Б = ±7 кВ • м-1. Результат получен за период 2000-2003 гг. "Живое" время набора 11.81 суток.
ре. Протяженность "радиуса корреляции" ограничивается высотой нижнего слоя заряда.
Коэффициенты связи мало изменяются во времени, поскольку определяются геометрией и свойствами окружающей среды и подстилающей поверхности. Это обстоятельство позволило определить их усредненное по реализациям значение ([9], табл. 2) из калибровки рассчитанных для мюонов коэффициентов квадратичной регрессии с приземным полем на экспериментальный результат. Эти параметры таковы: 1) кв - коэффициент пропорциональности измеряемого значения приземной напряженности (в) со средним значением напряженности от уровня установки до высоты нижнего заряженного слоя фд); 2) тст - отношение пространственной дисперсии
ст] к квадрату среднего поля (р]); 3) к - высота нижнего зарядового слоя; 4) цв - зарядовое отношение мюонов в области энергий 0.1-1 ГэВ на высоте установки. Эти параметры накладывают ограничения на возможные модели распределения поля по высоте. Подбирая в качестве высотного профиля напряженности наиболее простую монотонно растущую с высотой, до нижнего зарядового слоя, функцию, удовлетворяющую им, получаем не противоречащее наблюдаемым вариациям, усредненное по реализациям высотное распределение поля над установкой, в зависимости от приземной напряженности. При этом зна-
0
ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ том 79 № 5 2015
738
ЛИДВАНСКИЙ и др.
чение поля выше уровня нижнего зарядового слоя задается как среднее, формирующее заданную суммарную разность потенциалов. Такую точность восстановления профиля по вариациям мюонов формирует сам метод, поскольку с высотой падает влияние поля на интенсивность регистрируемых мюонов. Но в нижней области поля, зависящей от геометрии и качества подстилающей поверхности, оценки максимально точны.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Профиль с гиперболической зависимостью от высоты и постоянной напряженностью на протяжении последнего участка толщиной АИ, удовлетворяющий нашим требованиям
в (г) =-- z > Н + АН
г + а - Н -АН ,
р (г) = р (Н) Н + АН > г > Н
z0
р(г) = |р(х)±с, Н > г > г
Н
£ (г) = 0, г > г
где в — нормированная на плотность напряженность поля, а I - верхняя граница грозового облака. Высота г выражена в г • см-2. Для нашей установки = 840 г • см-2. Полученные значения параметров: к = 688 (619-757) г • см-2 (соответствует высоте 3.3 ± 0.8 км), Ак = 5.4 (0.6-10.3) г • см-2, а =3.3 (1.3-5.3) г • см-2, рк/рг0 = 42.4 (32-98). Значения перенапряжения для высоты к, соответствующие "особым" точкам: 5 -1 = 1.71,
7 кв ■ м
5,„ -1 = 2.44, 8 -1 = 2.93. Статистические
10 кв ■ м 12 кв ■ м
ошибки: сверху +131% и снизу -24%. При этих напряженностях должен идти пробой на убегающих электронах в припороговом режиме. Однако толщина поля Ак мала для эффективной генерации новых частиц. Так что аномальные возмущения распределения электронно-фотонной компоненты по напряженности приземного поля связаны с аномальными возмущениями в мю-онной интенсивности, отмечающими возникновение условий для пробоя стратосферы.
Вместе с тем, как следует из распределений, на момент начала формирования разности потенциалов в стратосфере значение поля в районе нижнего заряда находится в припороговом значении 5, -1 = 1.71, что, по-видимому, отвечает его
7 кв ■ м
равновесному состоянию. Если учесть слоистую структуру распределения поля в грозовом облаке, то ситуация, аналогичная нижнему слою, может реализоваться и для расположенных выше слоев, и их напряженность может быть так же близка к пороговому значению. Дальнейший рост напряженности возможен лишь с нарушением равнове-
сия, что может происходить при относительно быстром появлении заряда в атмосфере (или разряде), с последующим глобальным перераспределением поля. Но при этом в распределении мюо-нов наблюдаются аномальные возмущения, отвечающие возникновению условий для пробоя стратосферы. Следовательно, эти условия и реализуются. В таком случае аномальные возмущения электронно-фотонной компоненты формируются из частиц генерированных одновременно во всех слоях атмосферы с напряженностью выше пороговой от стратосферы и ниже. Глобальная причина этого эффекта - пробой страт
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.