ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2007, том 47, № 5, с. 702-708
УДК 537.5; УДК 531.594.22
МЕХАНИЗМ ГЕНЕРАЦИИ НЕЙТРОНОВ, КОРРЕЛИРОВАННЫХ
С РАЗРЯДАМИ МОЛНИИ
© 2007 г. Л. П. Бабич
Российский федеральный ядерный центр - ВНИИЭФ, г. Саров (Нижегородская обл.) e-mail: kay@sar.ru babich@elph.vniief.ru Поступила в редакцию 05.08.2005 г. После доработки 24.01.2007 г.
Выполнен анализ результатов экспериментов, в которых обнаружено усиление потока нейтронов в атмосфере в корреляции с электромагнитными импульсами грозовых разрядов. Анализируются механизмы ускорения заряженных частиц и ядерные реакции, которые могут отвечать за генерацию нейтронов. Показано, что вероятность реакций ядерного синтеза в канале молнии, который традиционно рассматривается как источник нейтронов в грозовой атмосфере, крайне мала. Генерация нейтронов в грозовых электрических полях связывается с фотоядерными реакциями в гигантских восходящих атмосферных разрядах, обусловленными тормозным излучением релятивистских убегающих электронов.
PACS: 92.60hx
1. ВВЕДЕНИЕ
Ядерные реакции, генерирующие нейтроны, представляют большой интерес для понимания плазменных процессов в грозовой атмосфере. Характеристики потока нейтронов представляли бы особенную ценность, если бы измерялись одновременно с зарядами грозового облака, вариациями напряженности электрического поля, спектрами и интенсивностью оптического и гамма-излучений грозовых разрядов. Хотя вероятность генерации молнией значительных потоков нейтронов невелика, поиск нейтронов, связанных с молнией, давно считается важной задачей ввиду возможности развития новых представлений о механизме молнии [Fleisher et al., 1974]. Если нейтроны генерируются ступенчатым лидером, данные по ним позволили бы продвинуться в понимании механизма этой неясной стадии молнии. Если же ядерные реакции протекают в канале возвратного удара, который в микросекундном масштабе времен считается хорошо изученным, информация о нейтронах позволила бы получить новые данные о локальных значениях температуры или напряженности поля в зависимости от того, какой механизм, термический или ускорительный, отвечает за ядерные реакции. И, наконец, как будет показано ниже, появились новые непредвиденные ранее возможности.
Гипотеза о возможности ускорения заряженных частиц до высоких энергий и протекания ядерных реакций в поле грозовых облаков в плотных слоях атмосферы высказана и обоснована Вильсоном [Wilson, 1924]. Либби и Лукенс выполнили первые оценки выхода нейтронов из каналов молнии на основании скейлинга выхода реакции
2H(2H,n)3He в экспериментах с электрическим взрывом нейлоновых нитей, обогащенных дейтерием [Libby and Lukens, 1973; см. также Babich, 2003]. В предположении термоядерного механизма генерации нейтронов в природном и лабораторных разрядах выход нейтронов оценен величиной 1016 на один разряд молнии. Полагая, что дуговые разряды могут воспроизводить физическое состояние в высокотемпературных областях возвратного удара [Orville et al., 1967], Флейшер и др. выполнили эксперимент с разрядами в атмосфере с повышенной влажностью [Fleisher et al., 1974]. В результате скейлинга полученных результатов оценка Либби и Лукенса была понижена до 4 х 108 тепловых нейтронов и 7 х 1010 нейтронов с энергией 2.45 МэВ [Fleisher et al., 1974].
По-видимому, Флейшер первым попытался прямо зарегистрировать усиление потока нейтронов в грозовой атмосфере [Fleisher, 1975; см. также Babich, 2003]. Поскольку результаты скейлинга, выполненного в рамках гипотезы о термоядерном происхождении предполагаемой эмиссии нейтронов из молнии, оказались обескураживающими, Флейшер обратился к ускорительному механизму на основе реакций 12C(2H,n)13N и 14N(2H,n)15O, на которые обратили внимание авторы статьи [Young et al., 1973]. Результаты эксперимента продолжительностью 219 дней, во время которых зарегистрировано 244 удара молнии, оказались отрицательными [Fleisher, 1975].
Работа [Shah et al., 1985; см. также Babich, 2003] является первым сообщением о статистически значимом усилении потока нейтронов в грозовой атмосфере. В результате проведения трехлетнего высокогорного (Гималаи, 2743 м) эксперимента в
весьма тонкой редакции из 11200 зафиксированных электромагнитных импульсов (ЭМИ) молнии выделены 124 события, в которых монитор нейтронов космических лучей зарегистрировал в корреляции с ЭМИ существенное превышение потока нейтронов над космическим фоном. В статьях [Shyam and Kaushik, 1999; Кужевский, 2004] сообщается о статистически значимых единичных событиях, в которых нейтроны, ассоциируемые с разрядами молнии, зарегистрированы практически на уровне моря в Индии и Москве. Результаты всех трех экспериментов, без какого бы то ни было обоснования, интерпретировались как следствие реакции синтеза 2H(2H,n)3He в канале молнии.
В настоящей работе преследовались две цели: оценить вероятность ядерного синтеза в канале молнии и исследовать возможность генерации нейтронов фотоядерными реакциями в гигантских восходящих атмосферных разрядах (ВАР), развивающихся над грозовыми облаками в объемах до 1000 км3 [Sentman and Wescott, 1995] (см. также цитированную литературу в [Гуревич и Зыбин, 2001]) в результате пробоя стратосферы на релятивистских убегающих электронах, предсказанного Гуревичем, Милихом и Рюсселем-Дю-пре [1992] и разработанного в ряде последующих работ (см. [Roussel-Dupre et al., 1994; Гуревич и Зыбин, 2001; Бабич и др., 2001; 2004а; 20046] и цитированную литературу).
2. ВЫХОД РЕАКЦИИ 2H(2H,n)3He В КАНАЛЕ МОЛНИИ
Ожидаемый выход нейтронов в реакциях ядерного синтеза 2H(2H,n)3He можно оценить по формуле
Nn ® NDSchIch"ionkfusAt, (1)
где Nd = NlP[H2O]2[D2] - концентрация ядер дейтерия; Nl = 2.69 x 1025 м-3 атм-1 - концентрация молекул воздуха, приведенная к 1 атм (число Лошмидта); Р (атм) - давление; [Н2О] и [D2] - относительные концентрации паров воды в грозовой атмосфере и молекул дейтерия в природной воде; Sch - площадь поперечного сечения и lch -длина канала молнии; At - время существования областей с сильным полем (vionAt < lch); nion - концентрация и vion - скорость ионов дейтерия; kfus -средняя скорость реакций синтеза.
Высказывалось мнение, что сильные электрические токи разрядов молнии (10-100 кА) гарантируют ускорение ядер дейтерия до энергий, достаточных для их синтеза в атмосфере Земли (например, [Кужевский, 2004]). Но ни сильные токи, ни гигантские напряжения (до 100 МВ) не обязательно обеспечивают ускорение дейтронов до необходимых энергий. Для этого необходимы сильные электрические поля, способные компенсировать
диссипативные процессы в плотной атмосфере. Ускорение заряженных частиц определяется не напряжением, а величиной приведенной напряженности поля Е/(ЫЬР), которая, как показано ниже, явно недостаточна для ускорения дейтронов в тропосфере до энергий, нужных для синтеза.
Из элементарного кинетического уравнения еЕд//Э£;оп = -ЫьР{с^/, в столкновительном члене которого учитывается только перезарядка, как наиболее эффективный процесс взаимодействия ионов дейтерия с молекулами воздуха, получается функция распределения дейтронов по энерги-
ям £;,
/(£ion, T) = T exp (-elon/T),
(2)
имеющая почти максвелловский вид с температурой" Т = вЕ/Ыро), где {о) - усредненное сечение перезарядки. Поскольку согласно формуле Гамова для сечения реакции 2Н(2Н,п)3Не [Табл., 1976] скорость реакции с^оп)^ ~ (е^пГ^ехр^ош^ТёОП) более слабая, чем (2), функция е1оп, то усредненная по распределению (2) скорость реакций синтеза в формуле (1) оценивается как
kfus J VîonCfus(eion)/(eion, T)d^-i,
^fus
- < VionCfus(£ion)> eXP (-efus/T) ,
(3)
где еи8 - минимальная энергия дейтронов, при которой эффективность синтеза достаточна в рамках рассматриваемой проблемы. После подстановки (3) в (1), получается формула для оценки выхода нейтронов из канала молнии в реакции 2Н(2Н,п)3Не
Nn - NlP[H2O]2[D2]Schlchn1onAt x
X < vionGfus(£ion)> exP (-£fus/T) ,
(4)
где T оценивается величиной 1.67 эВ для максимальной зарегистрированной напряженности грозового поля E ~ 1 МВ/м [Базелян и Райзер, 2001] (согласно новым измерениям Е < 100 кВ/м [Eack et al., 1996]), NLP ~ 1025 м-3 (соответствует высоте 7 км) и (at) = 6 х 10-20 м2 (принято равным at при энергии £;оп = 50 эВ [Smith and Kevan, 1971]). При более высоких энергиях at меняется чрезвычайно слабо, так что ионы дейтерия не могут избежать столкновений с перезарядкой и попасть в область энергий, где ядерный синтез эффективен. В возвратном ударе молнии измерена температура T ~ 3 эВ [Or-ville, 1968; Базелян и Райзер, 2001].
Даже для T ~ 10 эВ при efus = 1.7-6.6 кэВ, когда сечение реакции 2H(2H,n)3He крайне мало (Ofus = 10-36-10-32 м2 [Bystritsky et al., 2003]), модуль показателя экспоненты в (4) равен 170-660, т.е. столь велик, что Nn < 1 для разумных значений
геофизических величин. Так, для lch = 1-10 км, Sch ~ 1-10 см2 [Базелян и Райзер, 2001], [H2O] ~ ~ 1.65% (по толщине слоя "осажденной воды" [Бовшеверов, 1988]), [D2] = 0.015% [Бовшеверов, 1988], At ~ 50 мкс (типичная длительность возвратного удара [Базелян и Райзер, 2001; Shah et al., 1985]), Gfus(6.6 кэВ) = 10-32 м2 и vion ~ 106 м/с (соответствует eion ~ 6.6 кэВ) множитель перед экспо-нентой гораздо меньше 1010 даже при полной ионизации всех атомов дейтерия в канале, когда nion = NLP[H2O]2[D2], что абсолютно нереально. Следовательно, Nn < 10-64. Варьирование в широких пределах величин, входящих в формулу (4) и учет вклада в синтез быстрых атомов дейтерия, возникающих в процессе перезарядки и подверженных сильному торможению в плотной атмосфере, не меняет характер оценки.
Чтобы окончательно показать невозможность реакций 2H(2H,n)3He, укажем, что даже для E = = 3 МВ/м, т.е. пробивной напряженности однородного поля при P = 1 атм, модуль показателя экспоненты в том же интервале £fus оказывается равным 60-220. Эта оценка демонстрирует невозможность реакций 2H(2H,n)3He в гипотетических двойных слоях в канале возвратного удара [Shyam and Kaushik, 1999], поскольку 3 МВ/м является предельной величиной в относительно медленных процессах генерации грозового поля.
Мыслимым механизмом, способ
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.