авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Развитие механизма восходящих атмосферных разрядов на основе генераций лавин релятивистских электронов

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

им. М.В.ЛОМОНОСОВА

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ

ФИЗИКИ им. Д.В.СКОБЕЛЬЦЫНА

На правах рукописи

Кудрявцев Андрей Юрьевич

РАЗВИТИЕ МЕХАНИЗМА ВОСХОДЯЩИХ

АТМОСФЕРНЫХ РАЗРЯДОВ НА ОСНОВЕ ГЕНЕРАЦИЙ

ЛАВИН РЕЛЯТИВИСТСКИХ ЭЛЕКТРОНОВ

Специальность: 01.04.02 – теоретическая физика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва – 2006

Работа выполнена в Российском федеральном ядерном центре – Всероссийском научно - исследовательском институте экспериментальной физики.

Научный руководитель:

профессор, Бабич Леонид Петрович, доктор физико-математических наук Российский федеральный ядерный центр - ВНИИЭФ

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Зыбин Кирилл Петрович, Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН доктор физико-математических наук Хренов Борис Аркадьевич, НИИЯФ МГУ

Ведущая организация: Институт ядерных исследований Российской Академии наук (Москва)

Защита состоится «16» февраля 2006 года в 15.00 часов на заседании Диссертационного совета К501.001.03 в Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова по адресу: 119992, Москва, Ленинские горы, НИИЯФ МГУ, 19-й корпус, аудитория 2-15.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИИЯФ МГУ.

Автореферат разослан «_12_» января_ 2006 года.

Ученый секретарь Диссертационного совета К501.001. к.ф.-м.н. А.К. Манагадзе

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Инициирование молнии и механизм развития ступенчатого лидера проблемы, нерешенные до настоящего времени, несмотря на продолжительную историю. Генерация проникающих излучений в поле грозовых облаков еще одна нерешенная проблема, связанная с грозовой активностью. Гипотеза о возможности ускорения заряженных частиц до высоких энергий полями грозовых облаков высказана Вильсоном в 1924 г. [1].

Обсуждая в 1926 г. в связи с гипотезой Вильсона "…проблему происхождения проникающего излучения, зарегистрированного в атмосфере Земли…", Эддингтон ввел термин "убегающие электроны" (УЭ), т.е. электроны, ускоряющиеся в плотных газовых средах [2]. Эксперименты по обнаружению проникающей радиации в корреляции с грозовой активностью атмосферы проводятся с начала 30-х годов (см. обзор в [3]). Идея о том, что начальные стадии молний развиваются с участием УЭ, позволяет преодолеть трудность, связанную низкой напряженностью грозового поля.

Третьей интригующей проблемой атмосферного электричества, которая решается в рамках указанной идеи, являются высотные оптические феномены в объемах 1000 км 3 и более: “голубые струи” (Blue Jets), “красные духи” (Red Sprites) [4-6] и др., происхождение которых связывают с гигантскими восходящими атмосферными разрядами (ВАР). В корреляции с грозовой активностью регистрировались необычайно мощные и короткие радио [7] и импульсы [8-10]. В 1992 г. Гуревичем, Милихом и Рюсселем-Дюпре был предложен механизм, способный единообразно объяснить всю совокупность наблюдаемых явлений [11-13]. В его основе лежит идея о развитии лавин релятивистских убегающих электронов (ЛРУЭ), инициируемых космическим излучением. В России и США уделяется большое внимание полевым исследованиям ВАР, разрабатывается механизм ВАР и создаются соответствующие численные модели, позволяющие вести расчеты характеристик излучений ВАР в радио, оптическом и гамма диапазонах.

Актуальность исследований ВАР определяется как интересами фундаментальной физики атмосферного электричества, так и рядом практических задач, которые изложены ниже.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования являются ВАР и сопровождающие их излучения. Предметом исследования являются скорость развития ЛРУЭ, характеристики оптического, гамма и нейтронного излучений ВАР.

Целью работы являлось развитие механизма ВАР, включающее создание информационной и программной основ для расчетов кинетики заряженных частиц, оптического излучения и импульсов проникающих излучений, что предполагало выполнение работ по трем направлениям.

1. Разработка эффективной численной методики расчета характерного временного масштаба усиления ЛРУЭ te. Вычисление te как функции перенапряжения = еЕ/FminР, т.е. отношения электрической силы к минимальному значению усредненной силы трения, действующей на электроны со стороны атомарных частиц Fmin = 218 кВ/(матм.).

2. Создание физической модели ВАР с учетом геомагнитного поля, анализ гамма - импульсов атмосферного происхождения, зарегистрированных с борта орбитальной станции, и усиления потока нейтронов в атмосфере, зарегистрированных в корреляции с ЭМИ молнии.

3. Математическая формулировка физической модели ВАР в самосогласованном электрическом поле, разработка соответствующей компьютерной программы и численное моделирование ВАР: расчеты кинетики заряженных частиц, яркости и спектров оптического излучения.

Научная новизна. Исследования электрического пробоя атмосферы на релятивистских УЭ и механизма ВАР новое направление в физике атмосферного электричества, в развитии которого автор принимал непосредственное участие, начиная с 1996 г. В диссертации получены следующие новые результаты.

1. Разработана методика и на ее основе создана экономичная компьютерная программа, предназначенная для численного моделирования ЛРУЭ.



2. Вычислены надежные величины характерного временного масштаба усиления лавины te в воздухе в зависимости от перенапряжения, согласующиеся с результатами других авторов.

3. На основании новых данных о масштабах усиления лавины в рамках предложенной концепции последовательных генераций лавин релятивистских электронов, инициируемых космическим излучением, развита физическая модель ВАР в скрещенных электрическом поле грозового облака и геомагнитном поле.

4. В рамках развитой модели ВАР выполнен анализ гамма - импульсов атмосферного происхождения, зарегистрированных с борта орбитальной станции, и усиления потока нейтронов в атмосфере, зарегистрированных в корреляции с ЭМИ разрядов молнии, показавший, что эти явления могут быть обусловлены механизмом Гуревича Милиха Рюсселя-Дюпре.

5. Развита математическая модель ВАР в самосогласованном электрическом поле, отличающаяся детальным учетом физических процессов и многогрупповым описанием кинетики убегающих электронов на основании новой зависимости длины усиления релятивистской лавины от перенапряжения и давления. Разработана двумерная компьютерная программа, реализующая модель, и выполнено численное моделирование ВАР, в результате чего получены пространственно - временные распределения заряженных частиц и оптического излучения, согласующиеся с натурными наблюдениями. Показано, что оптические явления на разных высотах обусловлены возбуждением флуоресценции непосредственно УЭ и релаксирующими вторичными электронами (относительно низкие высоты, Blue Jets), фоновыми и вторичными электронами, пришедшими в равновесие с локальным полем (средние высоты, Red Sprites). Впервые объяснена большая длительность свечения Blue Jets, как следствие рекомбинации положительных и отрицательных ионов в распадающейся плазме после прохождения ЛРУЭ. Генерация импульсов жесткого гамма – излучения связывается с Blue Jets.

Достоверность полученных результатов обоснована согласием характеристик ЛРУЭ, вычисленных различными методами, и согласием характеристик ВАР, полученных численным моделированием, с данными натурных наблюдений.

Практическая значимость исследований пробоя воздуха на релятивистских УЭ, как наиболее вероятного механизма ВАР, определяется тем, что необычайно мощные радио - импульсы, сопровождающие ВАР, способны влиять на надежность запуска ракет различного назначения и безопасность движения воздушных судов, а импульсы проникающих излучений – на здоровье экипажей и пассажиров самолетов. Гамма – импульсы и мощные радио - импульсы атмосферного происхождения могут восприниматься системами обнаружения как следствие несанкционированных ядерных взрывов, и по этой причине представляют интерес для контроля за нераспространением ядерного оружия. Методика и программа, предназначенные для расчета диффузных разрядов с участием УЭ, представляют интерес для моделирования объемных разрядов, применяемых в электрофизических установок.

Личный вклад автора заключается в развитии математических моделей, разработке и тестировании компьютер-ных программ, выполнении численного моделирования, анализе промежуточных и окончательных результатов.

На защиту выносятся следующие основные результаты и положения.

1. Гибридная модель ЛРУЭ, основанная на методе Монте-Карло (МК), в которой движение электронов описывается в поле электрической силы и эффективной силы трения, отвечающей за усредненные энергетические потери в неупругих взаимодействи-ях с атомарными частицами, а описание упругого рассеяния на ядрах и редких событий рождения электронов с энергией, превышающей порог убегания, ведется стохастически на основе соответствующих элементарных сечений.





2. Точные значения характерного времени усиления лавины в зависимости от перенапряжения относительно релятивистского минимума силы трения.

3. Результаты теоретического анализа и численного моделирования, показавшие, что импульсы жесткого гамма - излучения атмосферного происхождения, зарегистрированные над грозовыми облаками с борта орбитальной станции, могут быть обусловлены механизмом Гуревича Милиха Рюсселя-Дюпре, и связаны с высотными оптическими явлениями Blue Jets.

4. Результаты теоретического анализа, показавшие, что вероятность реакций ядерного синтеза в канале молнии, который традиционно рассматривается как источник нейтронов в грозовой атмосфере, крайне мала, а генерация нейтронов в грозовых электрических полях есть следствие фотоядерных реакций в гигантских ВАР над грозовыми облаками, обусловленными тормозным излучением релятивистских убегающих электронов.

5. Строгая математическая модель ВАР в самосогласованном электрическом поле, реализующая приближение сплошной среды и отличающаяся многогрупповым описанием электронов высоких энергий, детальным описанием кинетики фоновых и вторичных электронов низких энергий, положительных и отрицательных ионов и излучательной кинетики в оптическом диапазоне.

6. Результаты двумерного моделирования ВАР: пространственно временные распределения заряженных частиц, напряженности электрического поля, яркости и спектров оптического излучения, показавшие, что генерация ЛРУЭ лежит в основе наблюдаемых высотных оптических явлений.

Оптические явления на разных высотах обусловлены возбуждением флуоресценции релаксирующими вторичными электронами, генерируемыми непосредственно релятивистскими электронами лавины (синее свечение на относительно низких высотах, Blue Jets), фоновыми и вторичными электронами, пришедшими в равновесие с локальным полем (красное свечение на больших высотах, Red Sprites). Большая длительность свечения Blue Jets обусловлена излучением рекомбинирующей плазмы ионов после прохождения лавины.

Апробация работы. Результаты диссертации докладывались на следующих конференциях и семинарах:

• XXIII международная конференция по явлениям в ионизованных газах ICPIG-XXIII. Тулуза, Франция, июль, 1997 г.

• Осенний семинар Американского геофизического союза, США, 1997.

• Российско - американский семинар “Пробой на убегающих электронах и его роль в инициировании молнии”. Лос Аламос, США, октябрь, 1998 г.

• Международная конференция по молнии и статическому электричеству ICOLSE 1999. Тулуза, Франция, июнь, 1999 г.

• Российско - американский семинар “Электрический пробой воздуха с убегающими электронами и его участие в инициировании молнии”. Саров, Россия, август, 2002.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 работ, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения и списка литературы из 203 наименований, изложена на страницах, включает 23 рисунка и 10 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ Во введении обосновывается актуальность и практическая целесообразность работы, формулируются цели, перечисляются новые результаты, дана общая характеристика работы по главам.

В первой главе выполнен исторический обзор проблемы, кратко описаны полевые эксперименты по регистрации проникающих излучений и наблюдения высотных оптических явлений над грозовыми облаками, изложен механизм пробоя на релятивистских УЭ и его развитие. Формулируются проблемы, нерешенные к 1996 г., когда автор начал работать над ними, и результаты полученные автором.

Во второй главе исследуется вопрос о скорости развития ЛРУЭ, характеризуемой временем ее усиления в е раз te, для вычисления которого реализованы два подхода: решение кинетического уравнения (КУ) и моделирование методом МК.

В табл. 1 приведены значения te для трех, представляю-щих интерес для физики ВАР, полученные методом КУ, по программе МК ВНИИЭФ ЭЛИЗА, предназначенной для решения задач совместного транспорта в веществе электронов, позитронов и фотонов с учетом всех элементарных процессов, и по разработанной автором упрощенной методике МК (УМК), в которой движение электронов между столкновениями описывается электрической силой и силой трения F(), а стохастически моделируются упругое рассеяние на ядрах и процессы рождения электронов высоких энергий [18, 20, 22 - 24]. Аналогичная программа использовалась в работе [14].

Таблица 1. Характерное время усиления лавины t e (нс). Воздух, Р = 1 атм.

Пересчет на произвольное Р: t e(Р) = t e(1 атм.)/P.

Перенапряжение = Е/(218 кВ/м) 2 5 ЛАНЛ [24] 161 34,4 18, КУ 250 [15] ВНИИЭФ [22 - 24] 197 39,9 21, Lehtinen et al. [14] 174,4 33,2 17, УМК [20] 445 43 МК УМК [22 - 24] 200 35,6 18, [19, 22 - 24] 440 54 27, ЭЛИЗА [16] 189,7 34,3 17, Расхождение результатов УМК [22 - 24] и последних результатов программы ЭЛИЗА [16] не превышает 5 %, что является указанием на достаточность процессов, учитываемых в УМК, которая точнее КУ и, в силу своей экономичности, эффективнее программы ЭЛИЗА. Результаты расчетов te по КУ приближаются к результатам, полученным методом МК.

В третьей главе анализируется природа импульсов - излучения атмосферного происхождения, зарегистрированного с борта орбитальной станции [8] в низких широтах. Анализ выполнен в рамках модели ВАР, основанной на концепции последовательных генераций релятивистских лавин, инициируемых космическим излучением, с учетом точных данных о te и изгибания траекторий УЭ геомагнитным полем [21, 25 - 27].

Таблица 2. эмиссия по четырем энергетическим каналам [8]. Hcl = 18 км, B = 40 мкТл, R = 500 км, площадь детектора Sdet = 0,2 м2, = 1 МэВ, max=51 МэВ.

& Номер h1 h2 N(H0) N(R) h(R) N ( R ) канала КэВ кэВ 1014 кэВ 1/(0.1 мс) = 2 (Qcl = 75 Кл), H0 = 25.5 км 1 20 50 114 2 2 50 100 76 7 3 100 300 104 26 max 4 300 235 max 454 9- Итого 20 270 = 3 (Qcl = 75 Кл), H0 = 28.4 км 1 20 50 102 8.2 2 50 100 68 27 3 100 300 92 68 max 4 300 328 max 405 34- Итого 20 431.2 = 4 (Qcl = 75 Кл), H0 = 30.5 км 1 20 50 261 56 2 50 100 174 137 3 100 300 237 300 max 4 300 366 1073 max 1037 52- Итого 20 1566 50800 Эксперимент [8] Модель предполагает иерархию времен te (H0-Hcl)/c tdisch t, где (H0 Hcl)/c – продолжительность одной генерации УЭ между вершиной облака, расположенной на высоте Hcl, и высотой изгиба H0, tdisch – локальная продолжительность ВАР, ограниченная экранировкой поля плазмой и близкая к длительности импульсов t 13 мс [8]. Использованы энергетические и угловые распределения УЭ в интервале энергий [0, max], полученные числен ным моделированием. Результаты приведены в табл. 2, где N(H0) число фотонов, эмитируемых источником, N(R), h(R) и N ( R ) N(R)/t число & фотонов, их средняя энергия и скорость счета на высоте орбиты станции R.

& Интегральные величины N(R) и N ( R) для = 2 и = 3 хорошо согласуются с результатами измерений [8]. Согласие результатов расчетов для меньших с экспериментом свидетельствует о достоверности самой модели и принятых значений основных величин, поскольку меньшие Qcl чаще встречаются в природе.

Рассчитанный спектр излучения оказался несколько жестче, чем в сообщении [8], что связано с принятыми приближениями. Так, максимальная энергия max = 51 МэВ в установившемся распределении УЭ по энергиям соответствует бесконечному пространству. Фактическое распределение УЭ ограничено падением потенциала между вершиной облака и высотой изгиба. С другой стороны, энергия фотонов 1 МэВ, приведенная в [8], является только оценкой.

Согласие свидетельствует в пользу механизма Гуревича – Милиха – Рюсселя-Дюпре [11-13], в рамках которого в работах других авторов также анализировались импульсы земного происхождения, но с использованием завышенной скорости развития ЛРУЭ. Непротиворечивость наших вычислений и натурных наблюдений [8] достигнута по двум причинам: учтена сила Лоренца и ВАР рассматривался как процесс, включающий много генераций лавин, обеспечивающих интенсивный поток УЭ.

В случае вертикального распространения ВАР, способного проникать на большие высоты, что реально для высоких широт, масштабы усиления ЛРУЭ сказываются на конечном результате через прекращение лавинного усиления на больших высотах.

В четвертой главе решается задача о развитии ВАР в самосогласованном электрическом поле в приближении сплошной среды [28].

Разработана 2D программа и выполнено моделирование ВАР. За основу взята система уравнений в приближении сплошной среды, использованная в работах других авторов, но система была существенно модифицирована, что сделало ее более адекватной природным процессам.

• Принят многогрупповой подход для описания УЭ, позволяющий повысить точность расчетов, естественно “сшить” область УЭ с областью дрейфующих электронов низких энергий и получить распределение УЭ по энергиям.

• Ранее в 1.5 D модели описание УЭ было реализовано в рамках концепции трубок тока. Здесь моделирование ВАР ведется в полностью 2D геометрии в рамках последовательно гидродинамического подхода.

• В отличие от предыдущих работ, где использована сильно завышенная скорость развития ЛРУЭ, благодаря использованию точных данных о времени усиления ЛРУЭ излагаемая модель более адекватна природному процессу.

• Той же цели служит учет движения положительных и отрицательных ионов, который не был включен в уравнения всех предыдущих работ, а также более адекватные модели включения поля над грозовым облаком.

Система многогрупповых уравнений для УЭ. Популяция УЭ разбивается на N энергетических групп [ n1, n ] в диапазоне [ th, max ], где th - порог убегания (второй корень уравнения eE=F() [3]). Уравнения неразрывности, движения и энергии для n-й группы УЭ (n [1, N ]) записываются следующим образом:

nrun) ( (1) n ( ) N + nrun wrun = n1 Rrun nrun + S run n1 Arun) + Arun ), (n) (n) (i ) (n ( neib t i =n ( wi )( n ) ( n) ( n ) ( wi ) run, ( ) ( n) ( n + ( wi )run wrun) m = e Ei F run (2) run) (n t run) ( (3) n ( ) = e E wrun) F ( ) run), (n n (n t Операторы Arun и Arun ), отвечающие за отток электронов из группы n в (n ) (neib группу n – 1 или n + 1 и за приток электронов в группу n из соседних групп, имеют следующий вид:

( n+1) ( n+1) run) (n nrun) (n ( neib ) Arun, Arun 0, 1 n N ( n), Arun = = (4).

Arun t n n1 ( n1) ( n1) Arun, Arun 0, 2 n N () n Приняты обозначения: nrun – концентрация, wrun) – направленная скорость и (n run) (n – скорость УЭ, Srun) – внешний источник УЭ n-ой группы (практически (n ( n) S run) = S run n1 ), F (n – сила трения, действующая на электроны группы n. В уравнении движения (2) i = r, z в цилиндрических координатах. Множитель Лоренца одинаков для всех групп.

Для скорости наработки УЭ n-ой группы принята следующая аппроксимация Rrun ( P, run, ) = run P ( атм.) сte ( ), (5) Кинетика вторичных электронов низких энергий, генерируемых ВАР, фоновых электронов, положительных и отрицательных ионов описывается локальными уравнениями баланса в дрейфовом приближении с учетом процессов размножения в ударной ионизации, рекомбинации и прилипания.

Вторичные (s) и фоновые (b) электроны низких энергий:

ns (6) + ( ns s ) = vi ns be+ ns n+ ns + Rs nrun + Ar(un, 1) t nb (7) + ( nb b ) = vi nb be+ nb n+ nb + Sb.

t Положительные и отрицательные ионы:

n+ (8) + ( n+ + ) = vi ( ns + nb ) + S run + Sb + S t, be+ ( ns + nb ) n+ b+ n n+ + ( Rrun + Rs ) nrun n (9) + ( n ) = ( ns + nb ) b+ n n+ + S.

t Приняты обозначения: i частота ионизации молекул электронами, s, b, + и скорости дрейфа вторичных электронов, фоновых электронов, положительных и отрицательных ионов, be + и b+ коэффициенты рекомбинации электронов с положительными ионами и положительных и отрицательных ионов, коэффициент прилипания электронов к молекулам кислорода, Sb, S- и Srun – источники фоновых электронов, отрицательных ионов и УЭ. Скорость генерации низкоэнергетичных электронов в соударениях УЭ с молекулами Rs ( z ) = Fmin (0) P ( z ) c ion = 2.18 1012 P ( атм.) выражена через цену одной электрон - ионной пары ion 32 эВ. Sb и S- получены на основании литературных данных о концентрации фоновых электронов, а Srun – на основании данных о потоке высокоэнергетичных электронов в широких атмосферных ливнях. Для i, скоростей дрейфа, коэффициентов прилипания и рекомбинации и использованы литературные данные. При формулировке начальных условий использованы литературные данные о проводимости атмосферы и подвижности положительных + и отрицательных ионов.

Начальные условия выглядят следующим образом:

nrun) ( t = 0 ) = 0, ( (10) n ns ( t = 0 ) = 0, (11) 104+( z км 60) 6.7 для ночной атмосферы, (12) nb ( t = 0 ) = 10 ( ) 6+ z км 60 для дневной атмосферы, n+ ( t = 0 ) = n ( t = 0 ) + nb ( t = 0 ), (13) n ( t = 0 ) = ( z ) / e ( + ( z ) + ( z ) ). (14) Для вычисления самосогласованного электрического поля реализован экономичный подход, в котором напряженность вычислялась в квазиэлектростатическом приближении из уравнения непрерывности полного тока (15) E Eint Eext j E = + = + ext, t t t t где 0 диэлектрическая проницаемость вакуума;

Ei nt и Eext ( z, r, t ) напряженности поля зарядов и поля, создаваемого зарядами грозового облака;

r j плотность тока проводимости.

Модель электрического поля облака. Согласно общепринятому механизму поле над грозовым облаком вначале экранировано поляризованной плазмой между вершиной облака и ионосферой. По мере того как положительный заряд облака уносится молнией, над облаком появляется поле, равное в силу принципа суперпозиции полю зарядов облака в отсутствие экранировки. ВАР развивается в поле поляризационных зарядов, которое моделируется полем равномерно заряженного тонкого диска. Учитываются отражения относительно поверхности земли (высота z = 0 км) и нижнего уровня электоросферы (z = км). Радиус диска вычисляется по формуле:

(16) q(t ) 2 0 Emax, t tdisch ;

Rdisk (t ) = Qmax 2 0 Emax, t tdisch, где q ( t ) = Qmax t tdisch – мгновенное значение заряда диска, Qmax – его максимальная величина.

Флуоресценция молекул, возбуждаемая ВАР рассчитана в квазистатическом приближении с учетом столкновительного тушения.

Вычислялись наблюдаемые величины: пространственно – временное распределение яркости и цвета флуоресценции, обусловленной излучением в четыре полосы, возбуждаемые в воздухе: первая положительная система азота 1Р в красном и инфракрасном диапазонах (переходы B3 g A 3 u молекулы + N2, = 5701040 нм);

система Мейнеля М (переходы A2 X 2 иона N+2, = 5002000 нм);

вторая положительная 2Р и первая отрицательная система 1N в ультрафиолетовой и синей части спектра (переходы C3 u B3 g N2 и B2 u X 2 g N+2, = 290530 нм). Люминофор телекамеры, использованной + авторами [4 - 6], чувствителен к длинам волн 400500 нм и 600 700 нм. Расчет флуоресценции выполнялся по методике, существенно уточенной по сравнению с предыдущими работами. Для каждой системы линий получена матрица, элементы которой суть относительная доля излучения суммарного излучения в данной системе, приходящаяся на данный колебательный переход.

Рассчитаны эффективности флуоресценции, подобраны соответствующие коэффициенты тушения. Зависимости от времени яркости флуоресценции, возбуждаемой релаксирующими вторичными электронами, нарабатываемыми непосредственно в процессе развития релятивистских лавин, Jav(t), и флуоресценции, возбуждаемой вторичными и фоновыми электронами, равновесными полю, Js(t)+Jb(t), вычислялись отдельно. Чтобы иметь возможность сравнивать результаты моделирования с данными натурных наблюдений, выполнялось усреднение по длительности кадра камеры [4 - 6]:

Jav и Js+Jb.

Результаты моделирования. Исследовано несколько конфигураций, генерирующих поле над грозовым облаком, отличающихся зарядом диска Qmax и его высотой H. Моделировался случай разряда молнии на землю, длительностью tdisch = 1 мс. Расчеты выполнены для двух вариантов включения поля поляризационных зарядов разрядом молнии.

• В первом варианте радиус диска Rdisk изменялся согласно формуле (16), так что плотность заряда оставалась постоянной.

• Во втором варианте радиус диска полагался постоянным, а плотность заряда менялась согласно = q (t ) / Rdisk.

Ниже приведены результаты для конфигурации Qmax = 130 Кл и H = км. В согласии с наблюдательными данными получены две четко выраженные светящиеся области: на высотах 15-20 км и высотах 60-80 км.

На рис. 1 приведены распределения по высоте вдоль оси симметрии разряда яркости флуоресценции. Видно, что на больших высотах способ включения практически не влияет на распределение яркости и ее величину.

Вблизи облака излучающая область и величина яркости существенно больше в случае постоянного радиуса диска.

Рис. 1. Распределение по высоте яркости на оси разряда для двух вариантов включения поля.

На рис. 2 показан вклад компонент Jav и Js+Jb в суммарную яркость флуоресценции. Нижний максимум свечения обусловлен в основном компонентой Jav и частично Jse+Jbe, а верхний Jse+Jbe (рис. 3).

Рис. 2. Вклад компонент Jav и Jse+be в суммарную яркость флуоресценции.

Переменный Rdisk.

Рис. 3. Вклад фоновых и вторичных электронов в верхний максимум свечения.

Переменный Rdisk.

Эволюция во времени распределения яркости вдоль оси разряда по высоте для переменного Rdisk иллюстрируется на рис. 4. В случае Rdisk = const процесс развивается аналогично.

Рис. 4. Распределение яркости флуоресценции по высоте. Переменный Rdisk.

Свечение в верхней части разряда начинается у границы ионосферы и распространяется вниз. Мгновенная амплитуда яркости, смещаясь вниз, почти не меняется во время разряда молнии. После прекращения тока молнии яркость резко уменьшается. Положение максимума яркости в нижней части свечения практически не меняется. Амплитуда яркости нарастает во время разряда молнии и резко падает после его прекращения.

Зависимости яркости от времени для переменного радиуса диска приведены на рис. 5 на высотах, где находятся максимумы яркости.

Длительность флуоресценции на полувысоте равна 0.3 мс для нижнего максимума и 0.2 мс для верхнего. Общая длительность флуоресценции на всех высотах ~ 1 мс близка к длительности молнии.

Рис. 5. Зависимости от времени яркости свечения на высотах, соответствующих максимумам яркости. Переменный Rdisk.

Естественно полагать, что флуоресценция нижней области отвечает Blue Jets, а верхней – Red Sprites. Флуоресценция нижней области обусловлена переходами системы 2P молекул азота, а верхней – переходами систем 1P и 1N.

Это определяет цвет свечения: голубой в нижней части и красный в верхней. Синий цвет флуоресценции нижней области (Blue Jet) объясняется тем, что константа тушения состояния C3u, ответственного за синее свечение, намного меньше, чем состояния B3g, ответственного за красное свечение.

Красный цвет флуоресценции верхней области (Red Sprite) объясняется тем, что на больших высотах тушение мало, а эффективность флуоресценции вследствие возбуждения B3g намного больше, чем за счет возбуждения других состояний, и, кроме того, высвечивание синего фотона в результате переходов C3 u B3 g сопровождается высвечиванием красного.

Как и в предыдущих публикациях по моделированию ВАР, длительность флуоресценции нижней области оказывается много меньше длительности Blue Jets, равной ~ 100 мс [5, 6]. Причиной является экранировка внешнего поля поляризующейся плазмой положительных и отрицательных ионов, создаваемой в процессе развития ЛРУЭ. Для объяснения большой длительности Blue Jets привлечен механизм, доминирующий в распадающейся плазме после завершения генераций ЛРУЭ. В результате рекомбинации положительных и отрицательных ионов энергия аккумулируется в возбужденных состояниях молекул азота, а затем излучается по различным каналам, в том числе идет в излучение в полосах 1P и 2P. На основании пространственно - временных распределений положительных и отрицательных ионов выполнены расчеты яркости флуоресценции рекомбинационного излучения (рис. 6), амплитуда которой оказалась близкой к результатам наблюдений. Для высоты 20 км характерное время рекомбинации равно 100 мс, что согласуется с длительностью Blue Jets.

Рис. 6. Усредненная яркость рекомбинационного излучения. Постоянный Rdisk.

Число и спектр гамма – квантов, генерируемых ВАР и достигающих высот орбитальной станции [8], рассчитанные на основании распределений концентрации УЭ в пространстве и времени, согласуются с числом квантов, зарегистрированным с борта станции, и распределением квантов по энергетическим каналам детектора. Показано, что вспышки атмосферного гамма – излучения связаны с оптическими явлениями Blue Jets. Для одной из конфигураций вычислен выход фотоядерных нейтронов из объема ВАР, составивший величину 1013, вполне наблюдаемую на больших высотах.

В заключении приведены положения, выносимые на защиту, указаны мероприятия, где результаты диссертации были апробированы.

Список цитированной литературы 1. Wilson C.T.R. The acceleration of -particles in Strong Electric Fields such as those of Thunderclouds. // Proc. Cambridge Phil. Soc. V.22. P. 534. 1924.

2. Eddington A.S. The origin of stellar energy // Supplement to Nature. No P. 25. 1926.

3. Babich L.P. Highenergy phenomena in electric discharges in dense gases:

theory, experiment and natural phenomena. ISTC Science and Technology Series, V.2, ISSN 1234-5678. Futurepast Inc. Arlington, Virginia, USA. 2003.

4. Sentman D.D., Wescott E.M., Osborn D.L., Hampton D.L. and Heavner M.J.

Preliminary Results from the Sprite 94 Aircraft Campaign. 1. Red Sprites. // Geophys. Res. Lett. V. 22. P. 1205. 1995.

5. Wescott E.M., Sentmen D.D., Osborn D.L., Hampton D.L., and Heavner M.J.

Preliminary Results from the Sprite 94 Aircraft Campaign. 2. Blue Jets. // Geophys. Res. Lett. V. 22. P. 1209. 1995.

6. Sentman D.D. and Wescott E.M. Red sprites and blue jets: Thunderstorm exited optical emissions in the stratosphere, mesosphere, and ionosphere. // Phys. Plasmas. V. 2. P. 2514. 1995.

7. Massey R.S., Holden D.N. Phenomenology of Transionospheric Pulse Pairs // Radio Sci. V. 30. P. 1645. 1995.

8. Fishman G.J., Bhat P.N., Mallozzi R., Horack J.M., Koshut T., Kouveliotou C., Pendleton G.N., Meegan C.A., Wilson R.B., Paciesas W.S., Goodman S.J., Christian H.J. Discovery of Intense Gamma – Ray Flashes of Atmospheric Origin. // Science. V. 264. P 1313. 1994.

9. Eack K.B., Beasley W.B., Rust W.D., Marshall T.C. and Stolzenburg M. X ray pulses observed above a mesoscale convective system. // Geophys. Res.

Lett. V. 23. P. 2915. 1996.

10. Eack K.B., Beasley W.B., Suszcynsky D.M., Roussel-Dupre R. and Symbalisty E. Gamma-ray emissions observed in a thunderstorm anvil. // Geophys. Res. Lett. V.27. P. 185. 2000.

11. Gurevich A.V., Milikh G.M., and Roussel-Dupre R.A. Runaway electron mechanism of air breakdown and preconditioning during a thunderstorm // Phys. Lett. A. V. 165. P. 463-468. 1992.

12. Roussel - Dupr R.A., Gurevich A.V., Tunnell T., Milikh G.M. Kinetic theory of runaway air breakdown. // Phys. Rev. E. V. 49. P. 2257. 1994.

13. Гуревич А.В., Зыбин К.П. Пробой на убегающих электронах и электрические разряды во время грозы. // УФН. Т. 171. С. 1177. 2001.

14. Lehtinen N.G., Bell T.F., Inan U.S. Monte Carlo simulation of runaway MeV electron breakdown with application to red sprites and terrestrial gamma ray flashes. // J. Geophys. Res. V. 104. P. 24,699. 1999.

15. Соловьев А.А., Терехин А.В., Терехин В.А., Тихончук В.Т. О спектрально - угловых распределениях убегающих электронов. // Труды шестой Всероссийской конференции “Малые примеси в атмосфере. Атмосферное электричество”. Нижний Новгород. Май 2000.

16. Бабич Л.П. Донской Е.Н., Илькаев Р.И., Куцык И.М., Рюссель Дюпре Р.А. Фундаментальные характеристики лавины релятивистских убегающих электронов в воздухе. // Физика плазмы. Т. 30. С. 666. 2004.

Работы, опубликованные автором по теме диссертации:

1. Babich L.P., Kudryavtsev A.Yu., Kutsyk I.M. The Effect of Runaway Electron Avalanches on X-ray Modulation Inside Thunderstorm. In: Proceedings of XXIII International Conference on Phenomena in Ionized Gases, Toulouse, France, 1997. Contributed papers. V. IV. P. IV-2 - IV-3. 1997.

2. Babich L.P., Kudryavtsev A.Yu., Kutsyk I.M., Mozgovoi A.L. The Effect of Geomagnetic Field on the Development of the Upward Directed Discharge. In:

Proceedings of XXIII International Conference on Phenomena in Ionized Gases, Toulouse, France, 1997. Contributed papers. Р. IV-6. 1997.

3. Symbalisty E.M.D., Roussel - Dupr R.A., Babich L.P., Donskoy E.N., Kudryavtsev A.Yu., Kutsyk I.M. Re-evaluation of electron avalanche rates for runaway and upper atmospheric discharge phenomena. // Eos Transaction of American Geophysical Union (AGU). V. 78. P. 4760. 1997.

4. Babich L.P., Donskoy E.N., Kutsyk I.M., Kudryavtsev A.Yu. New data on space and time scales of relativistic runaway electron avalanche for thunderstorm environment: Monte Carlo calculations. // Phys. Lett. A. V. 245.

P. 460. 1998.

5. Babich L.P., Kutsyk I.M., Kudryavtsev A.Yu. Calculation of X-ray emission of gigantic upward atmospheric discharges governed by relativistic runaway electrons. In: Proceedings of International Conference on Lightning and Static Electricity, Toulouse (France), 22 –24 June 1999, ICOLSE 1999-01-2405.

6. Бабич Л.П., Донской Е.Н. Илькаев Р.И., Кудрявцев А.Ю., Куцык И.М., Шамраев Б.Н. Скорость развития лавины релятивистских убегающих электронов для нормальных условий. // ДАН. Т. 379. С. 606. 2001.

7. Бабич Л.П., Донской Е.Н., Кудрявцев А.Ю., Куцык И.М., Шамраев Б.Н.

Скорость развития лавины релятивистских убегающих электронов для нормальных условий. // Труды РФЯЦ – ВНИИЭФ. Вып. 1. С. 432. 2001.

8. Babich L.P., Donskoy E.N., Kutsyk I.M., Kudryavtsev A.Yu., Roussel-Dupre R.A., Shamraev B.N., Symlalisty E.M.D. Comparison of Relativistic Runaway Electron Avalanche Rates Obtained from Monte Carlo Simulations and from Kinetic Equation Solution. // IEEE Transactions on Plasma Science. V. 29. No 3. P. 430. 2001.

9. Бабич Л.П., Илькаев Р.И., Кудрявцев А.Ю., Куцык И.М., Рюссель Дюпре Р.А. Анализ гамма – импульсов атмосферного происхождения, зарегистрированных орбитальной станцией. // ДАН. Т. 381. С. 247. 2001.

10. Бабич Л.П., Илькаев Р.И., Кудрявцев А.Ю., Куцык И.М. Анализ гамма – импульсов атмосферного происхождения, зарегистрированных орбитальной станцией. // Труды РФЯЦ – ВНИИЭФ // Вып. 4. С. 164. 2003.

11. Бабич Л.П., Илькаев Р.И., Кудрявцев А.Ю., Куцык И.М., Рюссель Дюпре Р.А., Цымбалистый Ю.М.Д. Анализ гамма – импульсов атмосферного происхождения на основе механизма генераций лавин релятивистских электронов. // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 44. № 2. С.

266. 2004.

12. Кудрявцев А.Ю., Кудрявцева М.Л., Куцык И.М. Расчет гигантского восходящего атмосферного разряда и кинетики оптического излучения // Препринт ВНИИЭФ-98-2005.

Подписано в печать 17.10.2005. Формат 6084/ Печать офсетная. Усл. печ. л. 1, 4. Уч. – изд. л. 1, Тираж 100 экз. Зак. тип.

П.Д. 00568 от 22.05. Отпечатано в ИПК ФГУП “РФЯЦ-ВНИИЭФ” 607188, г.Саров Нижегородской обл.



 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.