научная статья по теме КОМПЛЕКСНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГИЧНЫХ ПРОЦЕССОВ В ГРОЗОВЫХ ОБЛАКАХ Физика

Текст научной статьи на тему «КОМПЛЕКСНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГИЧНЫХ ПРОЦЕССОВ В ГРОЗОВЫХ ОБЛАКАХ»

ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2015, том 79, № 5, с. 730-732

УДК 551.59

КОМПЛЕКСНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГИЧНЫХ ПРОЦЕССОВ

В ГРОЗОВЫХ ОБЛАКАХ

© 2015 г. К. Х. Канониди1, А. Н. Куреня2, А. С. Лидванский2, М. Н. Хаердинов2, Н. С. Хаердинов2

E-mail: khaerdinovns@yandex.ru

В ходе эксперимента по изучению вариаций космических лучей во время гроз в Баксанской нейтринной обсерватории получены свидетельства существования в грозовой атмосфере крупномасштабного электрического разряда нового типа — медленно протекающего пробоя на убегающих электронах в припороговом режиме. Обнаружено непрерывное свечение области стратосферы над грозовыми облаками, коррелирующее с аномальными возмущениями вторичных частиц космических лучей, регистрируемыми на земле.

Б01: 10.7868/80367676515050257

ВВЕДЕНИЕ

На установке "Ковер" БНО ИЯИ РАН вариации вторичных частиц космических лучей во время гроз активно изучаются с 1998 года. Регистрируемая интенсивность разделяется на мягкую компоненту (в основном электроны и фотоны, 10—30 МэВ) и жесткую (в основном мюоны, Е > 100 МэВ). В процессе исследования было установлено, что активный период грозы часто сопровождается аномальным возмущением интенсивности мюонов, отвечающим установлению в этот момент в стратосфере разности потенциалов ~100 МВ [1]. Часто положительные возмущения мюонной интенсивности, отвечающие образованию большого положительного заряда в верхней части грозового облака сопровождаются регистрацией аномальных возмущений и в электронно-фотонной компоненте. Эти возмущения можно объяснить генерацией тормозных фотонов лавинами убегающих электронов ускоренных в стратосфере. Оценка характерной интенсивности убегающих электронов при этом ~107 м-2 • с-1 [2]. Процесс генерации частиц в электрическом поле прекращается по мере утечки заряда с верхней части грозового облака в ионосферу, что и фиксируется по вариациям мюонов.

Таким образом, вариации вторичных частиц космических лучей во время гроз могут объяснять-

1 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова Российской академии наук, Москва, Троицк.

2 Федеральное государственное бюджетное учреждение нау-

ки Институт ядерных исследований Российской академии

наук, Москва.

ся существованием крупномасштабного медленно протекающего высотного разряда нового типа, приводящего к электрическому пробою стратосферы. Изучению этого нового атмосферного явления посвящена настоящая работа. Это аналог коронного разряда, базирующийся на релятивистских частицах. Проявление его в природе, помимо специфических эффектов, как, например, генерация энергичных фотонов, должно сопровождаться и эффектами обычного коронного разряда, а именно электромагнитного и оптического излучения. Отсюда постановка задачи — экспериментальное исследование свойств медленно текущего пробоя на убегающих электронах, анализ оптических и магнитных эффектов в атмосфере во время гроз, и определение их связи с вариациями космических лучей. Метод решения для грозовых моментов, сопровождаемых регистрацией возмущений космических лучей, отвечающих пробою стратосферы, - прямым наблюдением определить амплитуду свечения области разряда и сравнить динамику вариаций измеряемых параметров.

ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА И РЕЗУЛЬТАТЫ

Установка "Ковер" БНО ИЯИ РАН расположена на Северном Кавказе в низине горного ущелья на высоте 1.7 км над уровнем моря. На установке ведется непрерывная регистрация вторичных частиц космических лучей, измеряются атмосферное давление, температура, приземная напряженность электрического поля, электрический ток дождя, отмечаются молниевые разряды. Молниеотметчиком, в относительных единицах, регистрируется амплитуда электромагнитной на-

КОМПЛЕКСНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГИЧНЫХ ПРОЦЕССОВ

731

водки от молниевого разряда. Детальное описание экспериментальной части и методов предварительного анализа информации приведены в [3, 4]. Область неба над установкой просматривается двумя удаленными 1Р-камерами (С8-265-1Р). Видеоматериал хранится на жестких дисках.

Расстояние до одной камеры 1 км, до другой — 75 км. Угловой обзор удаленной камеры (75 км, село Хасанья) 60° х 45°. Нижний край снимка соответствует углу 3° с горизонтом. Ближняя камера расположена на противоположном от установки склоне горы на удалении 1 км в поселке Нейтрино и предназначена для наблюдения тропосферы над ближними вершинами гор. Угловой обзор этой камеры 66° х 50°. Нижний край снимка соответствует углу 10° с горизонтом. В ночное время наблюдение велось с максимальной чувствительностью, без цветового разрешения. Время экспозиции 0.4 с.

При обработке видеоматериала анализировалось поведение среднего значения распределения яркости пикселей по номерам оттенков серого цвета (256 каналов) в области свечения на снимке. В лабораторных условиях использован калибровочный источник света на базе светодиодов и было установлено соответствие единицы градации яркости пикселей и освещенности камеры. При источнике свечения зеленым цветом и времени экспозиции камеры 0.7 с один канал яркости соответствует в фотометрических единицах 10-7 лк световой освещенности, или 2 • 10-10 Вт • м2 энергетической облученности. Эффективность регистрации камерой различных цветов оптического диапазона меняется в пределах одного порядка. Чувствительность регистрации свечения камерами зависит от размера исследуемой области на снимке, определяется статистикой произведенных свечением в соответствующей области матрицы фотоэлектронов. Паспортная чувствительность камер 0.01 лк, отвечает способности выделить свечение источника размером 1 пиксель за время максимальной экспозиции 0.7 секунд. Матрица камер содержит 1600 х 1200 пикселей. Отсюда чувствительность регистрации свечения по области всего снимка в течении экспозиции 0.4 секунды 10-8 лк. Данные по вариациям геомагнитного поля регистрируются магнитно-вариационной станцией, расположенной в подземном горизонтальном тоннеле в удалении 4.5 км от установки "Ковер". Погрешность измерения 0.1 нТ Глубокое залегание датчика от поверхности земли (~2 км) обеспечивает защиту от влияния токов по земле во время гроз.

Для исследования взаимного влияния геомагнитного поля и грозовой активности привлечены данные геомагнитного поля, измеренные в Москве (ИЗМИРАН). Под действием грозового электриче-

Р,

626

мм рт. ст. 624

£

10

АЖ „

N 2

%

0

АЖ

N 0

% —1 0

Г-:-';;" ■■ ■ '

_|_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_1_

1 2 г

I*- А уум

1 И

_|_1_1_1_1_I_1_1_1_1_1_I_1_1_1_1_!_1_I_I_I_I_I_I_I_

нА-10

м2 -20 1

(п)

0 1.0

Е,

к 0.9 Е* 0.8 30

АН нТл 0

АБ 0 нТл-5

............ I I I I

_|_I_I_I_I_I_I.

■ -......Ш

_I_I_I_I_I_I_1_

■ ■ ■ ■ ■

I (чУ

' ■_I_I_■ _1—1_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I.

30 0

0

-30

2

Т, ч

Рис. 1. Грозовое событие 31.08.2013 г. На графиках время приведено местное истинное, опережающее мировое на 3 часа. На пяти верхних панелях приведены данные усредненные по 15 секунд. Сверху вниз: а — атмосферное давление, б — данные молниеотмет-чика (относительные единицы пропорциональные амплитуде электромагнитного сигнала от молнии); в — вариации интенсивности мягкой компоненты; г — вариации интенсивности жесткой компоненты; д — электрический ток дождя; е — ближняя камера, средняя яркость пикселей по всему снимку (относительные единицы: 1 ~ 10—7лк освещенности); до момента 3 ч 41 м 24 с приводится 1 измерение за каждые 30 с, далее данные посекундные, усредненные по 4 кадрам (4 секунды); ж — дальняя камера, отношение яркости области тропосферы к средней яркости по всему снимку, приведены секундные значения; з — вариации Н-компоненты индукции геомагнитного поля, секундные значения; толстая линия — данные БНО, шкала слева; тонкая — данные Москвы (ИЗМИРАН), шкала справа; и — вариации Б-компоненты индукции геомагнитного поля, секундные значения; толстая линия — данные БНО, шкала слева; тонкая — данные Москвы (ИЗМИРАН), шкала справа.

а

б

с

д

732

КАНОНИДИ и др.

Рис. 2. Грозовое событие 31.08.2013 г. Снимок, сделанный удаленной камерой в момент 4 ч 41 м (местного истинного времени), соответствующий максимальному свечению локального участка атмосферы над установкой. Яркость снимка усилена в 8 раз. Вверху снимка декретное время. Вверху справа козырек крыши дома.

ского поля ток ионов, массово образуемых в активный период, должен порождать "локальное" магнитное поле, измеряемое в БНО как возмущение на фоне "глобального" геомагнитного. Разность вариаций магнитного поля, измеренных в разных пунктах, дает представление о "локальном" возмущении магнитного поля, вызванным грозой.

На рис. 1 демонстрируется поведение различных параметров, измеряемых в комплексном эксперименте, характеризующих грозовой процесс события 31.08.2013. Около 5 ч утра отмечаются значительные вариации вторичных частиц космических лучей. По данным, полученным ближней камерой, можно предположить существование корреляции освещенности камеры в период грозы, на уровне ~ 10—7 лк, с дождем и вариациями мягкой компоненты. В период позже 5 ч начинается утренняя засветка. В удаленном пункте, в Хасанье, для выделения динамики свечения области атмосферы над установкой в предутренний период анализировалось отношение средней яркости области снимка, соответствующее тропосфере над ней (3°—11° над горизонтом и ±15° по азимуту), к средней яркости по всему снимку. На рис. 1, панель ж, приведен график этого отношения. Из него следует, что центральная часть неба, просматриваемая камерой в удаленном пункте, соответствующая области атмосферы над установкой, в период с 4.5—5 ч испытала рост и спад свечения с

максимумом в 4 ч 41 мин. Именно в этот период и с максимумом в это время установка регистрировала избыток гамма — квантов над фоном. Характерная амплитуда возмущения освещенности камеры в удаленном пункте этим локальным источником в момент максимума ~5 • 10—7 лк (10—9 Вт • м2). Снимок этого момента с усиленной яркостью в 8 раз приведен на рис. 2. Видна подсветка облаков источником в стратосфере, на высоте выше 14 км над ур. моря, порядка 25 км в поперечнике.

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.

Показать целиком