Предыдущее обсуждение касалось инициирования молнии с помощью заземленного провода. Другой метод инициирования, при котором используется незаземленный провод, имеет гораздо меньшую вероятность успеха, но, в случае успеха, производит нисходящий ступенчатый лидер, распространяющийся из нижнего конца незаземленного провода, хорошо имитируя ступенчатый лидер естественной молнии. Подробнее о методах искусственной инициации молний, а также о других перспективных методах искусственной инициации молний, таких как при помощи лазера, обсуждается в [7].
1.3 Эксперименты и данные
Несмотря на огромное количество загадок, физика молний активно изучается, появляются все новые данные, которые отвечают на одни вопросы и создают другие. Огромное количество экспериментов уже было проведено, и столько же еще предстоит.
В данной главе будут рассмотрены результаты успешных экспериментов, новые методики проведения экспериментов и последние предложенные теории, относящиеся к процессам в грозовых облаках.
Рис. 4: Процессы, связанные с искусственным инициированием молнии с использованием ракеты и провода. Источник: [2]
История
Можно считать, что исследование молний началось с Бенджамина Франклина. В 1746 году он начал свои лабораторные эксперименты с электричеством, что стало возможным благодаря знакомству с механизмом разделения заряда, возникающему при трении разнородных материалов, и изобретения в начале того же года Лейденской банки, конденсатора для хранения электрического заряда. В 1749 году Франклин описал сходство между молнией и лабораторными искрами, а в 1750 году он опубликовал план эксперимента с использованием вертикальных металлических стержней, изолированных от Земли, с целью доказать, что молния - электрическое явление. Впервые этот эксперимент был успешно проведен во Франции в мае 1752 года.
Летом 1752 года Франклин, управляя воздушным змеем, показал, что основной заряд в нижней части грозы был отрицательным. Детали электрических экспериментов Франклина можно найти в [8] и [9].
Дальнейшие 150 лет не было значительного прогресса в понимании физики молнии, пока в конце девятнадцатого века не стали доступны методы исследования при помощи фотографии и спектроскопии. Исследователи в Англии, Германии и Соединенных Штатах использовали фотографические методы с временным разрешением, чтобы идентифицировать отдельные «удары» - момент касания поверхности земли молнией и «процесс лидера», предшествующий первым ударам. Изобретение двойной линзовой камеры в 1900 году [10] в Англии дало толчок к первым достижениям к пониманию основных аспектов феноменологии молнии между облаком и землей [11].
Первые измерения тока молнии были сделаны Поккельсом [12] в Германии. Он проанализировал остаточное магнитное поле, создаваемое в базальтовых породах на Земле близкими токами молнии, и, таким образом, смог оценить значения токов.
Современная эра в исследованиях молнии может быть датирована 1916 годом, когда электрическое поле молнии было впервые измерено дистанционно. Сделано это было в Англии Чарльзом Томсоном Уилсоном в Англии, тем же человеком, который получил Нобелевскую премию за изобретение камеры для отслеживания частиц высоких энергий. Уилсон использовал электрическое поле у поверхности Земли для оценки как структуры зарядов в грозовом облаке, так и для вычисления значений индивидуальных разрядов, участвующих в формировании молнии. Его идеи подхватило множество исследователей, которые внесли большой вклад в наше настоящее понимание молнии [13].
Период с 1970 г. по настоящее время был особенно активным и продуктивным для исследований молний, отчасти благодаря (1) разработке новых методов сбора и анализа данных, включающих высокоскоростную магнитофонную запись до 1990 г. и оцифровку и хранение аналоговых электромагнитных сигналов при помощи компьютеров примерно после 1990 года и (2) мотивации, вызванной ударами молний по самолетам, космическим кораблям и чувствительным наземным установкам. До 1970 года большая часть мотивации для исследований молнии исходила из необходимости создания адекватной защиты распределительных линий и линий электропередачи.
В 1975 для изучения различных аспектов молнии учеными был предложен совершенно новый метод, который используется по сей день - искусственное инициирование молний при помощи ракеты и заземленного провода. Триггерное исследование молнии, обсуждаемое ранее в разделе 1.4 Искусственное инициирование молнии, является основным механизмом исследований современных ученых в настоящее время и использовалось или используется в США, Франции, Бразилии, Японии и Китае.
Лишь около 20 лет назад в разреженном воздухе над вершинами грозовых облаков были обнаружены новые светящиеся явления (red sprites, sprite halos, blue starters, blue jets, gigantic jets, и elves), и только около 10 лет назад было обнаружено, что высокоэнергичные процессы (высокоэнергичные электроны, рентгеновские лучи и гамма-лучи, включая земные вспышки гамма-лучей (Terrestrial Gamma Ray Flashes или TGF), наблюдаемые на орбитальных спутниках) порождаются внутри грозовых облаков [6].
Все эти процессы являются предметов интенсивных исследований в настоящее время.
Системы определения положения микроразрядов
Основным ключом к пониманию внутриоблачных процессов является радиоизлучение грозовых облаков. Множество различных явлений, таких как Земные гамма-всплески, пробойные разряды, и т. д., ассоциируют именно с ним. Особый интерес представляет анализ радиоизлучения в диапазоне очень высоких частот (ОВЧ), поскольку его связывают с разного рода микроразрядами в облаке, из которых, возможно, в последствии формируется лидер.
Майкл Сток в 2014 году подробно описал, как воспроизвести картину временного и пространственного развития молнии на небесной сфере, используя радиоизлучение грозовых облаков в ОВЧ диапазоне и метод широкополосной интерферометрии [14]. В данном методе, по результатам расчета временной задержки у ременных рядов с трех антенн, расположенных на взаимно перпендикулярных осях, рассчитываются углы сферических координат источника сигнала. Точное положение источника этим методом не вычисляется, однако результаты позволяют взглянуть внутрь грозовых облаков и увидеть эволюцию молнии во времени.
Рис. 5: Картина временного и пространственного развития молнии на небесной сфере. Источник: [14]
Позже, летом 2017 года, используя все то же радиоизлучение в ОВЧ диапазоне, в университете Дьюк разработали систему позиционирования внутриоблачных разрядов, используя интерферометрию на трех плоских антеннах: [15]. Запись данных производилась в диапазонах от 0.1 до 33 МГц. Подход научной команды из университета Дьюка был полностью аналогичен методу Майкла Стока [14]: рассчитывался временной сдвиг между каналами, находились углы азимута и элевации. Более того, три грозы оказались настолько близко к экспериментальной установке, что впервые удалось получить данные предпробойных внутриоблачных разрядов с большой точностью, на уровне, примерно в 2 раза превышающим уровень шума. Это радиоизлучение в УВЧ диапазоне, характеризуемое углом элевации в 40 градусов и длительностью события около 10 микросекунд, сопровождаемое узким биполярным импульсом НЧ излучения. Самое же интересное, что большинство молний не имели подобный низкочастотный импульс, а радиоизлучение ОВЧ диапазона было длительностью порядка всего 1 миллисекунды и короче. Подобные результаты показали, что утверждение о том, что большинство молний имеют начальный узкий биполярный импульс, верно далеко не во всех случаях.
Рис. 6: Плотность мощности радиоизлучения грозового облака для различных значений начальных параметров, получившаяся в результате моделирования.
E0 - внешнее электрическое поле, Ek - поле пробоя, d - начальное расстояние между пучками плазмы, r1 и r2 - радиус первого и второго сгустка плазмы соответственно. Источник: [17]
В 2018 году группа ученых из обсерватории молний в Гейнсвилле разработали недорогой способ реализации системы определения положения внутриоблачных разрядов [16]. Поскольку данную разработку предполагалось использовать в регионе реки Амазонки в Бразилии, система получилась легкой в установке на любом объекте. Особое внимание уделяется калибровке установки: перевод измеряемых единиц в физически значимые величины осуществляется путем сравнения с данными, полученными с другой хорошо откалиброванной установки, расположенной в той же обсерватории молний в Гейнсвилле. Коэффициент калибровки берут как среднее арифметическое коэффициентов перехода от "единиц измерения устройства" к В/м для 93 импульсов. В итоге, разработанная установка показала хорошо коррелируемый с имеющимися данными результат (при сравнении с другим, более дорогостоящим оборудованием). Подробнее об установке и методах её калибровки: [16].
Компьютерное моделирование
В радиоизлучении громовых облаков особый интерес представляет интервал частот в ОВЧ диапазоне, поскольку его связывают с процессами пробоя молнии. Но несмотря на то, что излучение в ОВЧ и УВЧ связывают с процессами развития стримеров в облаке, до конца не понятно, как стримеры генерируют излучение на таких частотах. Они способны излучать в ВЧ и ОВЧ диапазонах, но не в УВЧ.
В 2019 году исследователи из университетов Нью-Гэмпшира в Дареме и Обернского университета в Алабаме опубликовали [17] результаты компьютерного моделирования процессов распространения стримеров. В их работе также предложен механизм, объясняющий наличие УВЧ компоненты в спектре радиоизлучения громового облака. Предполагается, что подобное излучение является следствием процессов столкновения стримеров при развитии молнии. Действительно, в результате компьютерного моделирования, было найдено время нарастания и коллапса суммарного электрического поля в регионе моделирования, и это время порядка десятка пикосекунд, что позволяет связать столкновение стримеров с радиоизлучением в УВЧ диапазоне. Моделирование процесса столкновения стримеров представлен на Рис. 7.
Рис. 7: Результаты компьютерного моделирования процесса столкновения стримеров. (a) Распределение электронной плотности до столкновения, показывающее, что было инициировано два распространяющихся стримера. (b) Распределение электронной плотности в момент столкновения: электронная плотность сильно возрастает в области столкновения. (c) Распределение электронной плотности после столкновения: два слившихся стримера можно рассматривать как один распространяющийся стример. (d) Максимальное электрическое поле как функция от времени: электрическое поле повышается до слияния и резко уменьшается после. Характерное время колебания поля порядка 10 пикосекунд. Источник: [17]
Изменяя различные параметры, такие как значение напряженности внешнего электрического поля, начальное расстояние между стримерами и размерами начальных сгустков плазмы, получают зависимость интенсивности излучения в УВЧ диапазоне от значений начальных параметров. В результате, зная вклад в радиоизлучение в УВЧ диапазоне от одного столкновения стримеров, а также имея данные о суммарном излучении облака, возможно рассчитать количество стримеров в громовом облаке. В итоге можно предположить о разбросе значений разности потенциалов в облаке. Получившиеся в результате моделирования плотности мощностей представлены на Рис. 6.
Рис. 8: Местоположения (1) станции Ферми во времена Земных вспышек гамма-излучения (Terrestrial Gamma-ray Flashes или TGF); (2) национальной Сети Обнаружения Молний (National Lightning Detection Network или NLDN); (3) центров картирования молний (Lightning Mapping Array или LMA) и трех низкочастотных (LF) датчиков.
Серый круг обозначает расстояние в 200 км от центров LMA, а пунктирная линия на широте 25,6 ° северной широты указывает на наклон орбиты Ферми.
Треугольники отмечают местоположения космических центров Кеннеди во Флориде (KSC) и Хьюстона в Техасе (HSTN). Местоположения молнии по данным NLDN, связанные с TGF, отмечены крестиками, а положение станции Ферми во времена обнаружения TGF показаны кружками того же цвета, что и события NLDN. Числа в скобках - расстояния от LMA или Ферми до каждого местоположения NLDN.
Три пурпурных крестика отмечают три положения низкочастотных датчиков.
Источник: [18]
Измерения Земных гамма-всплесков
Земные гамма-всплески - одно из явлений, в результате которого рождаются самые высокоэнергичные (больше МэВ) фотоны на Земле. Считается, что эти всплески происходят во время формирования внутреоблачного восходящего отрицательно заряженного лидера. Более того, отличительной чертой этого излучения является соответствующее ему низкочастотное радиоизлучение, которое формируется одновременно с гамма-всплесками Земного происхождения, что означает обильное движение тока и заряда внутри облаков во время этих процессов. Поэтому их дальнейшее изучение крайне важно для понимания физических механизмов некоторых явлений, таких, как генерация стримерной зоны при распространении лидера.
В 2018 году провели [18] одновременное измерение радиоизлучения и Земных гамма-импульсов, причем измерения проводились сразу на нескольких станциях:
1) Отсчеты фотонов на орбитальной станции Ферми;