«ЭкоГрад» начинает публикацию научных работ разных лет профессора, академика РАЕН Виктора Аполлонова - специалиста по лазерам, номинанта конкурса РАЕН «Международная экологическая премия EcoWorld»-2017 (Академик Виктор Аполлонов, специалист по лазерам, номинант конкурса РАЕН «Международная экологическая премия EcoWorld»-2017 (ФОТО, ВИДЕО)). Список вышедших материалов - см. в разделе каждой публикации «Виктор Аполлонов в «ЭкоГраде», а также следите за обновлениями на нашем сайте!
Виктор Викторович Аполлонов –– генеральный директор ООО «Энергомаштехника», заведующий отделом мощных лазеров Института общей физики им. А. М. Прохорова РАН, доктор физико-математических наук, профессор, лауреат Государственных премий СССР (1982) и РФ (2001), академик АИН и РАЕН, член Президиума РАЕН. Член докторского совета Института, член Американских физического и оптического обществ. Ведущий специалист в области мощных лазерных систем и взаимодействия мощного лазерного излучения с веществом, автор более 1920 докладов, выступлений в средствах массовой информации, научных публикаций, в том числе 18 монографий и 144 авторских свидетельств и патентов. Окончил c отличием МИФИ в 1970 г. За 49 лет научной работы в ФИАН (до 1983 г.) и далее в ИОФ РАН он впервые:
–– получил многозарядные ионы тяжелых элементов при взаимодействии мощного лазерного излучения с твердыми мишенями и исследовал их энергетические характеристики. Идея использования многозарядных ионов в ускорителях была реализована в Дубне, сегодня она претворяется в жизнь в ЦЕРНе;
–– сформулировал и развил физико-технические основы статической и адаптивной охлаждаемой силовой оптики, сформулировал критерии разрушения зеркальных поверхностей в случае непрерывного, импульсного и импульсно-периодического режимов воздействия. Совместно с рядом предприятий оборонного комплекса им созданы мощные лазерные установки МВт-ного уровня;
–– предложил транспортировку носителей заряда с целью динамического профилирования электрического поля в разрядном промежутке и формирования устойчивых разрядов в промежутках до одного метра и в объемах до нескольких кубических метров, создал высокоэффективные импульсные лазерные системы;
–– провел исследования лазерной молниезащиты ценных объектов с помощью высокопроводящего искрового канала, создаваемого лазерным излучением;
–– разработал физико-технические принципы построения мощных полупроводниковых охлаждаемых матриц лазерных диодов и осуществил фазировку мощных лазерных диодов;
–– предложил, осуществил и исследовал высокочастотный импульсно-периодический режим в мощных лазерных системах, получил новый режим работы лазерного двигателя - резонансное сложение светодетонационных ударных волн;
–– предложил способ реализации сверхдлинных проводящих каналов для передачи энергии, а также обосновал использование предложенной технологии для борьбы с космическим мусором;
–– разработал физико-технические принципы и осуществил многократно воспроизводимый лазерный поджиг ракетного двигателя, работающего на экологически безопасном топливе;
–– исследовал физико-технические процессы лазерного устранения нефтяных загрязнений с поверхности воды, показал высокую эффективность разработанных методов для решения проблем экологии;
–– разработал физико-технические принципы построения высокочастотного моно-модульного дискового импульсно –– периодического лазера с параметрами, масштабируемыми до уровня в несколько десятков МВт.
Виктор Аполлонов является организатором международных конференций, членом организационных комитетов ведущих мировых симпозиумов в области мощных лазеров и их применений. Им подготовлено 32 кандидата и доктора физико-математических наук.
Энергетика атмосферы
В последнее время в литературе появились надежные результаты изучения так называемых «джетов» и «спрайтов» - разрядов в гигантском природном конденсаторе «Ионосфера – Земля”. Объем каждого такого разряда составляет около 5-10 тысяч кубических километров и обычно он возникает над поверхностью океана. Есть случаи и надземных разрядов. Величина переносимой на Землю энергии может составлять до нескольких тераджоулей. События сопровождаются излучением волн сверхнизкой частоты. Их изучение представляет значительный интерес со многих точек зрения. Суть наблюдаемых аномальных явлений состоит электромеханическом преобразовании избытков энергии природного электричества в механическую и тепловую энергии циклонов, тайфунов и других природных катаклизмов. Ионосфера может удерживать лишь определенное количество энергии. Иначе, она сбрасывает излишки электричества через атмосферу или трансформирует их в энергию бурь, в том числе и внутри Земли. Путем использования части природного электричества в полезных целях можно управлять погодой планеты. Вызывая искусственные пробои ионосферы можно устраивать сброс управляемых водных осадков в нужных точках земного шара. Можно также пытаться регулировать климат планеты и уменьшать амплитуды магнитных бурь, землетрясений, ураганов.
Энергетика электрических разрядов.
Молния – это электрический искровой разряд, проявляющийся, обычно, яркой вспышкой света и сопровождающим её громом. Электрическая природа молнии была раскрыта в исследованиях американского физика Бенджамина Франклина, по идее которого был проведён опыт по извлечению электричества из грозового облака. Этой проблемой также занимались русские ученые, в частности Михаил Ломоносов и Георг Рихман. Молнии были зафиксированы кроме Земли на Венере, Юпитере, Сатурне и Уране. Средняя длина молнии 2-5 км, некоторые разряды простираются в атмосфере на расстояние до 150 км.
Остановимся более подробно на процессе возникновения молнии. Наиболее часто молния возникает в кучево - дождевых облаках, тогда они называются грозовыми. Иногда молния образуются в слоисто - дождевых облаках, а также при вулканических извержениях, торнадо и пылевых бурях. Обычно наблюдаются линейные молнии, которые относятся к так называемым безэлектродным разрядам, так как они начинаются и кончаются в скоплениях заряженных частиц. Это определяет их некоторые до сих пор невполне объяснённые свойства, отличающие молнии от разрядов между электродами. Так, молнии не бывают короче нескольких сотен метров; они возникают в электрических полях значительно более слабых, чем поля при межэлектродных разрядах; сбор зарядов, переносимых молнией, происходит за тысячные доли секунды с мириадов мелких, хорошо изолированных друг от друга частиц, расположенных в объёме несколько км3. Наиболее изучен процесс развития молнии в грозовых облаках, при этом молнии могут проходить в самих облаках — внутриоблачные молнии, а могут ударять в землю — наземные молнии. Для возникновения молнии необходимо, чтобы в относительно малом, но не меньше некоторого критического, объёме облака образовалось электрическое поле с напряжённостью, достаточной для начала электрического разряда ~ 1 МВ/м, а в значительной части облака существовало бы поле со средней напряжённостью, достаточной для поддержания начавшегося разряда ~ 0,1-0,2 МВ/м. В молнии электрическая энергия облака превращается в тепловую и световую.
Процесс развития наземной молнии состоит из несколько стадий. На первой стадии в зоне, где электрическое поле достигает критического значения, начинается ударная ионизация, создаваемая вначале свободными электронами, всегда имеющимися в небольшом количестве в воздухе, которые под действием электрического поля приобретают значительные скорости по направлению к земле и, сталкиваясь с молекулами, составляющими воздух, ионизуют их. Таким образом, возникают электронные лавины, переходящие в нити электрических разрядов — стримеры, представляющие собой хорошо проводящие каналы, которые, сливаясь, дают начало яркому термоионизованному каналу с высокой проводимостью — ступенчатому лидеру молнии. Движение лидера к земной поверхности происходит ступенями в несколько десятков метров со скоростью ~ 50 000 000 метров в секунду, после чего его движение приостанавливается на несколько десятков микросекунд, а свечение сильно ослабевает; затем в последующей стадии лидер снова продвигается на несколько десятков метров. Яркое свечение охватывает при этом все пройденные ступени; затем следуют снова остановка и ослабление свечения. Эти процессы повторяются при движении лидера до поверхности земли со средней скоростью 200 000 метров в секунду. По мере продвижения лидера к земле напряжённость поля на его конце усиливается и под его действием из выступающих на поверхности Земли предметов выбрасывается ответный стример, соединяющийся с лидером. Эта особенность молнии используется для создания молниеотвода. В заключительной стадии по ионизованному лидером каналу следует обратный (снизу вверх), или главный, разряд молнии, характеризующийся токами от десятков до сотен тысяч ампер, яркостью, заметно превышающей яркость лидера, и большой скоростью продвижения, вначале доходящей до ~ 100 000 000 метров в секунду, а в конце уменьшающейся до ~ 10 000 000 метров в секунду. температура канала при главном разряде может превышать 25000°C. Длина канала молнии может быть от 1 до 10 км, диаметр — несколько сантиметров.
После прохождения импульса тока ионизация канала и его свечение ослабевают. В финальной стадии ток молнии может длиться сотые и даже десятые доли сек, достигая сотен и тысяч ампер. Такие молнии называют затяжными, они наиболее часто вызывают пожары. Главный разряд разряжает нередко только часть облака. Заряды, расположенные на больших высотах, могут дать начало новому стреловидному лидеру, движущемуся непрерывно со скоростью в тысячи километров в секунду. Яркость его свечения близка к яркости ступенчатого лидера. Когда стреловидный лидер доходит до поверхности земли, следует второй главный удар, подобный первому. Обычно молния включает несколько повторных разрядов, но их число может доходить и до нескольких десятков. Длительность многократной молнии может превышать 1 сек. Смещение канала многократной молнии ветром создаёт так называемую ленточную молнию — светящуюся полосу. При попадании молнии непосредственно в грунт возможно образование своеобразного минерала фульгурита, представляющего собой, в основном, спёкшийся кварцевый песок. Внутриоблачные молнии включают в себя обычно только лидерные стадии; их длина колеблется от 1 до 150 км. Доля внутриоблачных молний растет по мере смещения к экватору, меняясь от 0,5 в умеренных широтах до 0,9 в экваториальной полосе. Прохождение молнии сопровождается изменениями электрических и магнитных полей и радиоизлучением, так называемыми атмосфериками. Вероятность поражения молнией наземного объекта растет по мере увеличения его высоты и с увеличением электропроводности почвы на поверхности или на некоторой глубине. На этих факторах основано действие громоотвода. Если в облаке существует электрическое поле, достаточное для поддержания разряда, но недостаточное для его возникновения, роль инициатора молнии может выполнить длинный металлический трос ,продукты сгорания двигателя самолёта или ракеты. Именно таким образом иногда «провоцируются» молнии в слоисто - дождевых и мощных кучевых облаках.
Для иллюстрации огромной энергетики молний и значительной частоты их повторения на земном шаре приведем статью из британской прессы о "Маяке Маракаибо" (Венесуэла)
Каждый день в мире происходит более трех миллионов разрядов молний т.е. более тысячи каждую секунду. Наибольшая частота разрядов имеет место в тропической и субтропической зонах земного шара, перечень этих рекордных мест следующий: Эль Багре в Колумбии (270 дней в году с молниями); Тороро в Уганде (274 дня); Богор на Яве в Индонезии (283 дня).Совершенно экстраординарный световой шторм имеет место в Венесуэле в устье реки Кататумбо, впадающей в озеро Маракаибо. Это зрелище можно видеть ночью в течение десяти часов сто восемьдесят дней в году. Световое шоу происходит исключительно в полной тишине благодаря межоблачным разрядам на большой (до 10км) высоте. Небо освещается за счет ярких вспышек около 280 раз в час, что составляет более одного миллиона электрических разрядов в год с величинами токов от 100000 до 400000 амперов каждый. Эти разряды видны из океана за многие десятки километров и в течение многих веков использовались мореплавателями в качестве естественного природного маяка, получившего название "Маяк Маракаибо". Перемешивание холодного ветра с Анд с горячим и влажным воздухом, поднимающимся с болотистой поверхности земли в окрестностях Маракаибо и является главным фактором, создающим это уникальное явление. Поднимающийся с поверхности болот воздух в основном состоит из метана, возникающего за счет гниения растений. Каждая вспышка молнии могла бы осветить все лампочки Южной Америки. Сейчас все зависит от человечества которое должно найти способ приручения этой огромной энергии.
Молнии в природном конденсаторе "Земля-Облако"
Почему гремит гром и сверкает молния? В облаках накапливаются электрические заряды, что приводит к пробою воздуха, который сопровождается вспышкой света и образованием ударной звуковой волны. Иными словами, гром и молния - проявления атмосферного электричества. Фундаментальная связь грозовых явлений с электричеством за два с половиной века была надежно подтверждена многочисленными исследованиями геофизиков, метеорологов, специалистов по грозопеленгации и грозозащите. Однако, качественный скачок в совершенствовании методов наблюдений в последние два десятилетия привел к неожиданным открытиям в изучении грозовых облаков, молний, орбитального масштаба атмосферной электрической цепи. Похоже, что переживаемый сейчас всплеск интереса к проблемам атмосферного электричества заставит взглянуть по-иному на механизмы формирования электрического поля и его роль в динамике атмосферы и ионосферы Земли.
Сердце атмосферной электрической машины - грозовое облако, точнее, совокупность одновременно "работающих" тысяч гроз, распределенных в нижней части атмосферы - тропосфере. Грозовое облако живет не так уж долго - от часа до нескольких часов. Но на смену одним грозам приходят другие, формирующиеся в тропосфере по соседству. Современные спутниковые измерения, а также наземные системы регистрации молний дают исследователям достаточно надежные карты распределения частоты молниевых вспышек по поверхности Земли. Частота вспышек над поверхностью океана в среднем на порядок ниже, чем над континентами в тропиках. Одна из причин такой асимметрии - в интенсивной конвекции в континентальных областях, где суша эффективно прогревается солнечным излучением. Быстрый подъем прогретого насыщенного влагой воздуха способствует образованию мощных конвективных облаков вертикального развития, в верхней части которых температура ниже ~ 40°C. В результате формируются частицы льда, снежной крупы, града, взаимодействие которых на фоне быстрого восходящего потока и приводит к разделению зарядов. Над океанами высота облаков в среднем ниже, чем над континентами, и процессы электризации менее эффективны. В последнее время обсуждается и другой фактор - различие в концентрациях аэрозолей над океаном и континентами. Так как аэрозоли служат ядрами конденсации, необходимыми для образования частиц в переохлажденном воздухе, их обилие над сушей повышает вероятность сильной электризации облака.
Количественный анализ этого фактора требует детальных экспериментов. Примерно 78% всех молний регистрируется между 30° ю.ш. и 30°с.ш. Максимальная величина средней плотности числа вспышек на единицу поверхности Земли превышает 80 1/км2 *год и наблюдается в Африке (Руанда). Весь бассейн реки Конго площадью около 3 млн км2 регулярно демонстрирует наибольшую молниевую активность, хотя и другие экваториальные очаги изобилуют грозами. Оказалось, что существенный вклад в глобальную грозовую активность дают грозовые очаги субтропиков и средних широт. Некоторые из них, например в Северной Аргентине и Парагвае, лидируют по темпу молниевых вспышек. Изучение региональных особенностей статистики требует дальнейшего совершенствования спутниковых и наземных средств картирования гроз. эти исследования интенсивно ведутся в связи с осознанием молниевой активности как важного фактора климата планеты, чутко реагирующего на изменения температуры, влажности, радиационного режима и состава атмосферы. Прогресс в исследованиях атмосферного электричества связан прежде всего с изучением механизмов генерации и диссипации электрической энергии в атмосфере. Узловая проблема здесь - так называемое электрическое динамо: генерация квазистационарного электрического поля и пространственного заряда в движущейся слабопроводящей среде.
Уже в самой простой формулировке проблемы динамо проявляется ее важная особенность - очень широкий интервал пространственно-временных масштабов. Чтобы на масштабе в несколько километров возникло электрическое поле, сравнимое по величине с пробойным ~30 кВ/см для сухого воздуха в нормальных условиях, нужно, чтобы беспорядочный обмен зарядами при столкновениях облачных твердых или жидких частиц привел к согласованному эффекту сложения микротоков в макроскопический ток весьма большой величины (несколько ампер), достаточный для быстрого (десятки секунд) процесса разделения зарядов. Из опыта видно, что в зрелой грозовой ячейке молниевые разряды происходят с завидной регулярностью - каждые 15-20 с, т.е. действующий в облаке механизм зарядки очень эффективен, хотя средняя плотность электрического заряда редко превышает несколько нКл/м3. Как показали измерения электрического поля на поверхности земли, а также внутри облачной среды (на баллонах, самолетах и ракетах), в типичном грозовом облаке основной отрицательный заряд - в среднем несколько десятков кулон - занимает интервал высот, соответствующий температурам от -10 до -25°C. Основной положительный заряд составляет также несколько десятков кулон, но располагается выше основного отрицательного, поэтому большая часть молниевых разрядов облако-земля отдает земле отрицательный заряд. В нижней части облака часто обнаруживается меньший по величине положительный заряд ~10 Кл.
Для объяснения описанной выше трипольной структуры поля и заряда в грозовом облаке рассматривается множество механизмов разделения зарядов. Они зависят от таких факторов, как температура, фазовый состав среды, спектр размеров облачных частиц. Очень важна зависимость величины передаваемого за одно соударение заряда от электрического поля. По этому параметру принято подразделять все механизмы на индукционные и безындукционные. Для первого класса механизмов заряд q зависит от величины и направления внешнего электрического поля и связан с поляризацией взаимодействующих частиц. Безындукционный обмен зарядами между сталкивающимися частицами в явном виде от напряженности поля не зависит. Несмотря на обилие различных микрофизических механизмов электризации, сейчас многие авторы считают главным безындукционный обмен зарядами при столкновениях мелких с размерами от единиц до десятков микрометров кристаллов льда и частиц снежной крупы с размерами порядка нескольких миллиметров. В экспериментах было установлено наличие характерного значения температуры, при которой меняется знак заряда q, - точки реверса, лежащей обычно между -15 и -20°C. Именно эта особенность сделала данный механизм столь популярным, так как с учетом типичного профиля температуры в облаке она объясняет трипольную структуру распределения плотности заряда.
Недавние эксперименты показали, однако, что многие грозовые облака обладают еще более сложной структурой пространственного заряда. Особенно интересны мезомасштабные, т. е. с горизонтальными масштабами от десятков до сотен километров, конвективные системы, служащие важным источником грозовой активности. Их характерная черта - наличие единой электрической структуры, включающей область интенсивной конвекции и протяженную, иногда до нескольких сотен километров стратифицированную область. В области стратификации восходящие потоки достаточно слабые, но электрическое поле имеет устойчивую многослойную структуру. Вблизи нулевой изотермы здесь формируются достаточно узкие, толщиной в несколько сотен метров, и стабильные слои пространственного заряда, во многом ответственные за высокую молниевую активность мезомасштабных конвективных систем. Вопрос о механизме и закономерностях образования слоя положительного заряда в окрестности нулевой изотермы остается дискуссионным. Другими примерами работы электрического динамо служат электризация и разрядные явления при пылевых и снежных бурях, при вулканических извержениях, ядерных взрывах в атмосфере, в технологических процессах, связанных с перемешиванием аэрозольных потоков, например в мукомольной и цементной промышленностях. Наличие мощных конвективных и турбулентных потоков в грозовых облаках, а также приведенные выше случаи электризации указывают, что взаимодействие крупных заряженных частиц с размерами 0,1-1 мм с частицами микрометрового размера в движущейся проводящей газовой среде играет важную роль для электрического динамо. Многофазный и многопотоковый характер среды приводит в конечном итоге к эффективной трансформации механической энергии в электрическую. В среде, состоящей из встречных потоков слабоионизованного воздуха – это восходящий поток и водяных капель - нисходящий поток, моделирующей нижнюю часть развитых облаков, были исследованы спектры электрогазодинамической турбулентности. Методику измерения таких спектров можно использовать для диагностики компактных областей сильного поля (>50 В/см) в грозовых облаках, что необходимо при изучении проблемы инициации молнии.
Проблема инициации молниевого разряда остается одной из наиболее острых и объединяет целый комплекс вопросов. Кратко остановимся на двух из них. Во-первых, как показали измерения на баллонах, ракетах и самолетах, максимальная напряженность электрического поля в грозовых облаках не превышает обычно 2 кВ/см, что существенно ниже порога пробоя сухого воздуха на рассматриваемых высотах, составляющего величину порядка 10 кВ/см. В грозовом облаке, однако, разряд развивается во влажном воздухе, содержащем частицы различного размера. Естественно предположить, что пороговое поле достигается в компактной пространственной области, например, на масштабе менее 10 м или вообще на микромасштабах из-за усиления поля на частицах, и на довольно короткое время, так что обычные датчики поля не обеспечивают требуемого пространственно - временного разрешения при регистрации. Альтернативным объяснением инициации искры в достаточно слабом поле может служить развитие лавины быстрых, так называемых убегающих электронов с энергией порядка 1 МэВ. Такие электроны могут ускоряться в поле облака благодаря падению силы торможения с ростом энергии частицы. Порог развития лавины почти на порядок ниже обычного порога пробоя сухого воздуха, поэтому при наличии затравочных частиц высокой энергии, которые поставляются космическими лучами, развитие лавины в облаке может породить локализованную область высокой проводимости, способную инициировать искру. Во-вторых, классическая теория газового разряда не позволяет объяснить быстрый переход облачной среды в проводящее состояние на предварительной стадии молнии. Недавно был предложен и исследован новый сценарий этой стадии, связанный с достижением облаком режима самоорганизованной критичности . В модели электрических ячеек с характерным размером ~ 1-30 м и со случайно растущим в пространстве и времени потенциалом отдельный мелкомасштабный пробой между парой ячеек способен вызвать цепную реакцию внутриоблачных микроразрядов - разыгрывается стохастический процесс "металлизации" внутриоблачной среды. Данная модель хорошо описывает экспериментально наблюдаемые особенности предварительной стадии грозового разряда, в том числе динамику микроразрядов и характеристики радиоизлучения. В рамках трехмерной модели динамика таких разрядов ведет к быстрому переходу облачной среды в состояние, напоминающее обьемную паутину из динамичных проводящих нитей, на фоне которых и формируется видимый глазом лидерный канал молнии - проводящий плазменный канал, по которому переносится основной электрический заряд. Изучение грозовых явлений включает и эксперименты по искусственной инициации молний - триггерная молния . Чтобы вызвать разряд в атмосфере под грозовым облаком, сегодня используют ракету, которая оставляет после себя в режиме недостатка окислителя значительное количество проводящей электричество сажи. Как оказалось, инициация происходит при достаточно высокой напряженности поля на поверхности земли под облаком - не менее 5-10 кВ/м.
Впервые классическая схема инициирования разрядов с тянущимся за ракетой проводом была реализована в 1960 г. с борта исследовательского судна. С тех пор проведено около тысячи успешных экспериментов; благодаря им была детально исследована физика восходящего и стреловидного лидеров, возвратного удара, механизма внезапного усиления светимости молниевого канала из-за резкого усиления тока. Сегодня открываются новые возможности для управления молниевыми разрядами, в том числе с помощью лазеров. Так, мощные лазеры способны организовать протяженные плазменные каналы в воздухе, которые могли бы инициировать и направлять молниевые разряды подобно металлической проволоке в триггерной молнии и проводящим каналам из продуктов сгорания специальных геодезических ракет. На возможность ускорения электронов до релятивистских энергий в поле грозового облака указал еще Чарлз Вильсон в 1925 году. В наши дни эта гипотеза подтвердилась: о генерации релятивистских частиц и квантов высокочастотного излучения в атмосфере, коррелирующих с грозовой активностью, свидетельствует целый ряд экспериментов. Так, измерения на баллонах выявили аномальный рост интенсивности рентгеновского и гамма-излучения более чем на два-три порядка в течение примерно минуты с максимумом спектра в области 50-60 кэВ. Наземные наблюдения тоже обнаружили интенсивные вспышки рентгеновского излучения с энергией квантов в несколько сотен кэВ, появление которых совпадало с формированием лидера молниевой вспышки и стреловидного лидера триггерной молнии. Наконец, за последние несколько лет были опубликованы результаты наблюдений со спутников всплесков гамма-квантов МэВ-ного уровня, рентгеновского и ультрафиолетового излучения атмосферного происхождения. Для объяснения этих явлений в ряде работ привлекаются упомянутые выше новые для атмосферной электродинамики явления,а именно: генерация убегающих электронов и пробой на убегающих электронах.
Энергичные кванты могут возникать в результате тормозного излучения быстрых электронов, взаимодействующих с молекулами воздуха. Модели описывают различные ситуации, включая развитие лавины быстрых электронов при наличии широкого атмосферного ливня космических лучей и пробой на убегающих электронах в сильном поле ступенчатого лидера молнии. Следует отметить, что рост числа быстрых электронов в поле грозового облака при наличии широкого атмосферного ливня сопровождается рождением большого количества вторичных частиц, и это приводит к генерации импульсов тока и радиоизлучения. Если энергия первичной частицы достаточно велика (1017-1019 эВ), короткий (несколько микросекунд) импульс радиоизлучения может иметь огромную энергию (до 1 Мэв), что объясняет появление так называемых узких биполярных импульсов, наблюдаемых иногда при наземных и спутниковых радиоизмерениях и коррелирующих с грозовой активностью. Формирование столь интенсивных импульсов тока представляет интерес как для понимания механизма генерации молнии, так и для изучения космических лучей сверхвысоких энергий. Интересно, что наличие ячеистой структуры электрического поля в грозовом облаке с амплитудой, превышающей порог "убегания", оказывается существенным для процесса ускорения электронов до релятивистских энергий. Случайно ориентированные электрические ячейки наряду с ускорением резко увеличивают время жизни релятивистских электронов в облаке благодаря диффузионному характеру их траекторий. Это позволяет объяснить значительную продолжительность всплесков рентгеновского и гамма-излучений и характер их взаимосвязи с молниевыми вспышками. Роль космических лучей для атмосферного электричества должны прояснить эксперименты по исследованию их корреляции с изучаемыми грозовыми явлениями.
Молнии в природном конденсаторе "Облако-Ионосфера"
Мощный импульс к изучению атмосферного электричества в самом конце XX века дали наблюдения разрядных явлений в средней атмосфере, коррелирующих с грозовой активностью, - спрайтов, Каждый день где область свечения простирается до 85-90 км над землей, а длительность вспышки составляет от единиц до десятков миллисекунд, эльфов, простирающихся до высот - 70-90 км с продолжительностью менее 100 мкс и джетов - разрядов, стартующих в верхней части облака и распространяющихся порою до мезосферных высот со скоростью около 100 км/с. Регистрация высотных разрядов и диагностика их характеристик осложнены из-за малого времени жизни и спорадической природы грозовых разрядов. Отчасти поэтому до сих пор физические модели спрайтов, эльфов и джетов остаются предметом дискуссий. Пожалуй, наибольшая информация к настоящему времени накоплена о спрайтах. Джеты – это следующий и, как следует из физических рассмотрений, наиболее интересный этап работы.
Фотография спрайтов
Фотография джета
Оптическая вспышка спрайта в мезосфере возникает через несколько миллисекунд после разряда "облако – земля", иногда на удалении несколько десятков километров по горизонтали от канала молнии. Разряд зажигается на достаточно большой высоте, поскольку порог пробоя воздуха падает с высотой экспоненциально, тогда как амплитуда возмущений электрического поля, возникающих в момент мощных молниевых вспышек конденсатора "Облако-Земля", уменьшается с высотой гораздо медленнее - по степенному закону, и на высотах примерно 75 км в атмосфере превышает порог пробоя. За последнее десятилетие изучение высотных разрядов в атмосфере превратилось в обширное, интенсивно развивающееся направление геофизической электродинамики . И хотя этап накопления данных, характеризующих морфологию этих явлений, отнюдь не завершен, уже можно перейти к исследованию более тонких особенностей структуры и динамики высотных разрядов и их роли в орбитальной электрической цепи и балансе малых составляющих атмосферы. Эксперименты и теоретические расчеты показывают, что эти разряды должны рассматриваться как часть динамического процесса, включающего формирование структуры поля и заряда в облаке и молниевый разряд на землю. Широко обсуждаются различные подходы к моделированию, в том числе с привлечением механизма убегающих электронов. В частности, была разработана модель генерации электрического поля в средней атмосфере, которая учитывает особенности распределения заряда и его динамики в орбитального масштаба конвективных системах, служащих основными источниками положительных разрядов на землю. Развита модель, позволяющая описывать тонкую структуру и динамику спрайтов: спрайт представляется как сеть микроразрядов – стримеров - и развивается как самоподдерживающийся процесс во внешнем поле.
Наряду с упоминавшимся выше процессом металлизации грозового облака, мы имеем здесь еще один пример самоорганизации, когда динамика высотного разряда обусловлена достижением порога так называемого направленного протекания, которое характеризует формирование разветвленных проводящих каналов, перекрывающих всю длину спрайта. Ближайшие перспективы в изучении высотных разрядов в атмосфере связаны с проведением координированных наземных и космических экспериментов, а также с разработкой новых методов диагностики параметров высотных разрядов, в том числе с использованием возможностей радиоволновой и лазерной диагностик. Электрическое поле атмосферы очень изменчиво. Напряженность вертикальной компоненты поля, которая обычно много больше горизонтальной достигает нескольких кВ/м при осадках, поземках и грозовой облачности. Поэтому вводится понятие условий хорошей погоды, соответствующих скорости ветра не более 6 м/с в отсутствие всякого рода осадков, инея, тумана, нижней облачности. Но даже в этих условиях вблизи поверхности Земли существует электрическое поле напряженностью около 150 В/м, вдоль которого в слабо проводящем воздухе течет электрический ток с плотностью несколько пА/м2. Это поле меняется во времени и пространстве, причем колебания относительно среднего значения могут составлять от единиц до десятков процентов.
Измерения электрического поля, тока и проводимости в условиях хорошей погоды служат мощным средством изучения электрического состояния атмосферы. Однако использовать его можно, только научившись разделять глобальные т.е. планетарного масштаба, орбитальные - с масштабом порядка высоты нейтральной атмосферы 100 км и локальные возмущения электрических параметров. Последние, в свою очередь, напрямую связаны как с изменениями ионно-аэрозольного состава, так и с динамикой среды. В исследованиях было установлено, что пограничный слой атмосферы характеризуется наличием аэроэлектрических структур, проявляющихся в короткопериодных с периодами от единиц до нескольких сотен секунд пульсациях электрического поля со степенными спектрами. Особый интерес представляет электродинамика тумана. Натурные наблюдения показали, что в условиях тумана в диапазоне частот 10-2-1 Гц также реализуются степенные спектры пульсаций поля, но интенсивность пульсаций увеличивается более чем на порядок по сравнению с условиями хорошей погоды, что объясняется диффузионной зарядкой капель в приземном слое. Результаты структурно-временного анализа позволили выделить два вида электрического состояния тумана, первый из которых характеризуется формированием интенсивных аэроэлектрических структур, а второй - хаотическими структурно-временными вариациями поля и тока.
Орбитальная электрическая цепь
Электричество хорошей погоды неразрывно связано с грозовым электричеством и составляет часть распределенного токового контура - орбитальной электрической цепи (ОЭЦ) атмосферы. Физической причиной формирования ОЭЦ в атмосфере служит резкий рост проводимости воздуха с высотой. Вблизи поверхности Земли проводимость воздуха очень мала и составляет (2-3)·10-14 См/м, что соответствует концентрации легких ионов около 103 см-3. С ростом высоты благодаря увеличению уровня ионизации, определяемого до 40 км галактическими космическими лучами, а выше - ультрафиолетовым и рентгеновским излучением Солнца, проводимость растет почти экспоненциально с характерным масштабом 6 км. Уже на высоте нижней границы ионосферы (около 80 км) она увеличивается более чем на 10 порядков по сравнению с тропосферой. Проводимость земли в поверхностном слое, и тем более воды в океане тоже превышает проводимость пограничного слоя атмосферы на 10-12 порядков. Таким образом, постоянно функционирующие грозовые генераторы оказываются сосредоточенными в достаточно узком слабо проводящем слое между земной поверхностью и ионосферой. Часто при упрощенном описании ОЭЦ земная поверхность и нижняя граница ионосферы (70–80 км) рассматриваются как обкладки еще одного гигантского сферического конденсатора орбитального масштаба, который разряжается в областях хорошей погоды и заряжается в областях грозовой активности. При этом квазистационарные токи зарядки не замыкаются полностью на землю вблизи грозовых облаков, а частично затягиваются в вышележащую область высокой проводимости и растекаются по ионосфере. Считается, что именно квазистационарные токи в первую очередь несут ответственность за поддержание разности потенциалов ~ 350 кВ между ионосферой и землей. Так как верхняя часть большинства грозовых облаков имеет положительный заряд, потенциал ионосферы также оказывается положительным, и в областях хорошей погоды электрическое поле направлено вниз, обусловливая тем самым токи проводимости, замыкающие ОЭЦ. Если бы действие генераторов прекратилось, разность потенциалов между поверхностью Земли и ионосферой исчезла бы за время не более 10 мин.
Наряду с грозовыми генераторами, потенциально важным источником атмосферного электричества может служить орбитальный электрический генератор, обусловленный немонолитным характером вращения плазменной оболочки планеты. Чтобы понять в деталях механизм работы ОЭЦ и ее роль в системе солнечно - земных связей, разобраться в пространственно-временной динамике, необходимы комплексные эксперименты, включающие высокоточные измерения электрического поля и тока на орбитальных масштабах и измерения интегральной активности грозовых генераторов. Для понимания работы ОЭЦ нужны адекватные модели грозовых генераторов, дающие возможность рассчитывать квазистационарные и импульсные токи, а также вклад генераторов в полную энергетику ОЭЦ. Результаты расчетов показывают, что вклад мезомасштабных конвективных систем в ОЭЦ может существенно превосходить вклад одиночных гроз. Несмотря на значительное возмущение электрического потенциала в области конвекции, достигающее сотен мегавольт, основной вклад в полный вертикальный ток и структура полей и токов в окрестности мезомасштабных конвективных систем определяются областью стратификации. С учетом последних экспериментальных данных и основанных на них теоретических оценок было создано новое описание ОЭЦ как открытой диссипативной системы, поддерживаемой в состоянии динамического равновесия поступающим в нее потоком энергии, в первую очередь энергии излучения Солнца. Установлено, что электрическая энергия генерируется преимущественно в областях пониженного атмосферного давления и в зонах холодных фронтов и составляет в среднем 5·1013 Дж, что на два порядка выше энергии, сосредоточенной в орбитальном сферическом конденсаторе земля-ионосфера. Средняя скорость диссипации электрической энергии 4·1011 Вт превышает скорость рассеяния энергии в тектонических и магматических процессах и характеризует ОЭЦ как весьма динамичную систему с очень малым временем обновления электрической энергии. Процесс трансформации энергии в атмосфере сопровождается генерацией диссипативных структур различных масштабов, в частности конвективных систем и аэроэлектрических структур, что наглядно можно представить себе в виде глобальных процессов накопления электрической энергии и ее диссипации в атмосфере. Исходя из выше сказанного, в ближайшее время изучение энергетики атмосферы, структуры и динамики ОЭЦ будет оставаться одной из наиболее актуальных проблем атмосферного электричества.
Заключение
Подводя итоги, нужно сказать несколько слов о взаимосвязи атмосферного электричества с формированием состава атмосферы и климата планеты. Первые подтверждения гипотезы о том, что молнии играют значительную роль в глобальном круговороте азота, появились в середине 70-х годов XX в. после детальных измерений содержания оксидов азота NOx. Последние влияют на концентрацию, распределение озона и гидроксильных радикалов в атмосфере и тем самым - на баланс солнечной радиации и климат. Один из новых и совершенно не изученных вопросов – это возможное влияние спрайтов и джетов на состав средней атмосферы. Однако, учет электродинамических явлений в моделях климата необходим не только в связи с действием грозовых разрядов как источника оксидов азота в атмосфере. Не менее важен и вопрос о грозовых разрядах, как источниках пожароопасности. Очень большое значение имеет полярность разрядов конденсаторного типа системы "облако – земля" с точки зрения величины энерговыделения на стадии непрерывного тока молнии, а также возможные варианты разделения зарядов облака при наличии избыточной концентрации частиц дыма и пыли.
Наконец, еще одной важной задачей является оценка влияния динамики заряженных аэрозолей на интенсивность осадков и радиационный баланс атмосферы. Суть многих аномальных явлений состоит в электромеханическом преобразовании избытков энергии природного электричества в механическую и тепловую энергии циклонов и других глобальных проявлений. Ионосфера может удерживать определенное количество энергии. Иначе, она сбрасывает излишки электричества через атмосферу или трансформирует их в энергию бурь, циклонов. Электрический подземный пробой может выступать в роли спускового крючка, ведущего к высвобождению огромной накопленной ранее энергии. За счет использования малой доли энергии природного электричества в полезных целях можно управлять погодой планеты. Можно искусственно вызывать пробои ионосферы и сброс управляемых осадков в нужных точках земного шара. Можно пытаться регулировать климат планеты и уменьшать амплитуду магнитных бурь, землетрясений, ураганов. Для управления природными явлениями необходимо стабилизировать величину восполняемых от Солнца запасов энергии в ионосфере. Это может быть достигнуто путем контролируемой передачи энергии из ионосферы на Землю с помощью сверхдлинных проводящих каналов, которые можно получать с помощью мощных лазеров и технологии “Импульсара”.
Контроль влияния спрайтов и джетов на процессы в атмосфере важен со многих точек зрения. Молнии несомненно играют важную роль в глобальном круговороте азота, увеличивая содержание оксидов азота. Последние через концентрацию озона и гидроксильных радикалов влияют на баланс солнечной радиации. Необходимо детальное исследование динамики заряженных аэрозолей и их влияния на интенсивность осадков и радиационный баланс атмосферы. Количество атмоcферного электричества тесно связано с важными составляющими природного комплекса планеты, в части выведения из строя систем электронного обеспечения, воздействия на космонавтику и авиацию, их энергообеспечения, совершенствования методов сверхдальнего обнаружения опасных для жизнедеятельности объектов, решения проблемы электромагнитного воздействия на экосистемы и различные устройства, определения роли ОЭЦ в системе земных связей и управления климатической обстановкой на Земле. Далеко не все проблемы атмоcферного электричества хорошо поняты. Уже из краткого обзора ясно, почему в последнее время интерес к этим проблемам резко возрос. Очевидно, что данная область исследований чрезвычайно насыщена интересной физикой и предполагает дальнейшее развитие инструментария и новых технологий. Активная работа, а работы в этой области знания хватит для многих, не только поможет разобраться со старыми загадками энергетики атмосферы, но и вне всякого сомнения принесет множество новых.
Послесловие
Многие годы предпринимались попытки создания проводящих каналов большой длины для изучения верхних слоев атмосферы и решения специальных задач. В этой связи представляет большой интерес программа «Импульсар», которая в сочетании с высоковольтным высокочастотным источником Николы Теслы может быть полезной в решении перечисленных выше задач, в значительной степени пересекающихся с задачами, решаемыми американской программой HAARP.
Москва, июнь 2009 г.
Виктор Аполлонов в «ЭкоГраде»
Борьба с космическим мусором с помощью лазеров
Многозарядные ионы и их эффективные применения
Лазер на службе в ледокольном флоте
Силовая оптика и ее новые проявления
Лазерное лечение острых форм туберкулеза
Какой режим работы лазера является максимально эффективным?
Дисковые лазеры: преимущества и перспективы
