Молнии над облаками

Print PDF

Татьяна И. Морозова

Удивительные явления, о которых человечество узнало сравнительно недавно можно лицезреть над грозовыми облаками. Стоит даже назвать их молниями наоборот, так как они направлены от тучи наверх.

Большинство их этих явлений связано с обычно молниевой активностью в системе «облако-земля», однако некоторые оказываются независимыми от привычных нам молний. Хотя надо отдать должное, что эти вопросы все еще не получили окончательных ответов и обсуждаются учеными.

Высотные разряды бывают множества видов: джеты, спрайты, гало, эльфы, зеленые призраки, гномы и феи. По данным им названиям здесь собралась целая сказочная страна данных явлений.

Впервые одно их таких событий зафиксировали ученые из  Университета Миннесоты при тестировании новой чувствительной камера для снимков на большой высоте. Оказалось, что это принципиально новое природное явление, которое позже назвали спрайт, что переводится как «дух, фея, привидение». В 1994 году, спрайт зафиксировали в цвете, снимок сделали с самолета. Летая на самолетах над облаками можно стать наблюдателем такого удивительного, но как оказалось, не редкого явления, которое появляется почти каждую грозу.

Можно проследить несколько событий высотных разрядов в минуту.

Ввиду спорадического характера высотных разрядов, их динамику очень сложно отследить из наблюдений и для подробного изучения таких явлений стоит прибегать к лабораторным экспериментам, моделирующим условия в атмосфере Земли. Без понимания детальных процессов, происходящих при заданных условиях и оценке физических параметров (электрических полей, зарядов, концентраций молний) невозможно понять процессы инициации высотных разрядов.

Джеты

Джеты представляют обычные молниевые разряды, только когда электрическое поле от облака направлено наверх, а не к земле. Для других высотных разрядов, зарождающихся на больших высотах, складываются условия, когда напряженность электрического поля оказывается выше пробойного поля на определенной высоте.

Джеты распространяются от верхнего края грозового облака и могут достигать высот вплоть до 90 км в зависимости от мощности разряда. Джеты, пробивающие до высот 70–90 км называются “гигантскими” и на таких высотах светят красным (подробнее о механизмах свечения будет рассказано ниже). Так называемые “голубые стартеры” обычно развиваются до высот около 25 км. Более мощные джеты – до высот порядка 40 км распространяются со скоростью около 100 км/с – через область максимума концентрации озона в земной атмосфере. Время жизни голубых джетов составляет 200-300 миллисекунд, что гораздо дольше времени жизни красных спрайтов. Джеты гораздо ярче спрайтов и других высотных разрядов.

Наиболее вероятный механизм возникновения голубых джетов – это подъем лидера молнии (ионизованного канала) через неоднородную атмосферу. Нити электрических разрядов, соединяясь между собой, образуют так называемые стримеры и дают начало ступенчатому лидеру молнии.

Похоже на обычный механизм возникновения молний, а именно, пробой на убегающих электронах, впервые рассмотренный советским физиком А.В.Гуревичем. Убегающие электроны – это электроны полностью ионизованной плазмы, ускоряемые внешним электрическим полем за счет постоянного наличия в системе электронов с большими тепловыми скоростями. В итоге электрическая сила eE превосходит силу трения электронов об ионы при больших скоростях и электроны ускоряются. По теории, разработанной Гуревичем, частица космического излучения ионизует молекулу воздуха при столкновении и дает начало образованию большого числа электронов с высокой энергией. Такой широкий атмосферный ливень понижает пробивное напряжение воздуха на порядок и вызывает пробой на убегающих электронах.

Электрическое поле в системе облако-земля ускоряет электроны до скоростей, близких к скорости света, что вызывает ионизацию на пути электронов и далее порождает целую лавину электронов, движущихся к земле. Электронные лавины переходят в стримеры. Такой создаваемый ионизированный канал используется молнией для разряда (см. «Наука и жизнь» № 7, 1993 г.). В случае же высотных молниевых разрядов электроны ускоряются электрическим полем над облаком, которое в свою очередь создается электрическим полем грозового облака, когда лидер молнии передает высокий потенциал грозовой тучи вверх. Обычные молнии чаще бьют даже не между облаком и землей, а между двумя облаками и зарождаются на высотах не выше 16 км.

Спрайты

Спрайты – это молниевые вспышки с разветвленной структурой, немного похожие на медузы, чьи «щупальца» направлены вниз. Они занимают высоты 50‒90 км и достигают ширины 100 км в диаметре. Спрайты появляются через несколько миллисекунд после разряда облако—земля и длятся менее 100 миллисекунд. Оптическая вспышка в мезосфере возникает через несколько миллисекунд (иногда через несколько десятков или даже сотен миллисекунд) после разряда облако—земля. См. А. Евтушенко и др., Моделирование высотных разрядов на большой плазменной установке. Геомагнетизм и аэрономия. Том 60, № 3, 2020, с. 365–374). Один из сценариев развития спрайтов таков, что электроны из грозовой тучи идут не вниз к земле, а вверх, в то время как положительные заряды движутся к земле.

Появление спрайтов связано с обычной молниевой активностью в тропосфере, когда между землей и грозовым облаком в нем остается некомпенсированный заряд 10-100 Кл. Напряженность этого электрического поля спадает с высотой по степенному закону пропорционально минус третьей степени. Напряженность же пробойного поля, определяемая атмосферным давлением, уменьшается по экспоненте. Но это простая модель поля. В более сложных моделях следует учитывать плазмохимические процессы и изменение ионного состава ионосферы. Об этом мы поговорим в конце статьи.

Мощный молниевый разряд «облако-земля» способен перенести такой заряд, что на высоте 75‒80 км поле некомпенсированного заряда в облаке превышает пробойное поле. Cпрайты наблюдаются достаточно часто — порядка 10⁴ событий в сутки на всём земном шаре.

Наблюдения также показывают, что область свечения спрайта в мезосфере имеет ярко выраженную структуру. Большинство спрайтов имеют сравнительно однородно светящуюся диффузную верхнюю область (на высотах более 80 км) с поперечным размером порядка 30 км и стримерную нижнюю область со светящимися каналами (на высотах до 70-75 км). В нижней части спрайта располагается множество светящихся каналов-стримеров с поперечными размерами от десятков до сотен метров. Между диффузной и стримерной областями располагается переходная зона. 

Поперечные размеры стримеров спрайтов и джетов, а также их сила тока очень близки.

Гало

Гало – это свечение вокруг спрайта. Оно приходится на его верхушку и самые большие высоты – около 75-85 км. Гало имеет красный цвет и представляет собой диффузную светящуюся область на высоте 75‒85 км с горизонтальными размерами около 20‒30 км. В случае гало пробой не всегда развивается, однако ускоренные разрядом электроны успевают набрать энергию, достаточную для возбуждения молекул с появлением свечения в первой положительной полосе азота.

Оценки, основанные на данных наблюдений показывают, что при формировании спрайтов и гало температура электронов на высотах мезосферы увеличивается до 1.5-2 эВ на временах порядка нескольких десятков микросекунд, а электрическое поле достигает значений 100 В/м и более (для сравнения у поверхности земли напряженность электрического поля составляет 130 В/м). Такие оценки удалось сделать по спектрографическим данным и молекулярным полосам поглощения. 

Диффузное излучение – это излучение после того, как оно было рассеяно на молекулах или твёрдых частицах. Диффузная область свечения характеризуется понижением концентрации и распределением вещества по большему объему. Само слово «диффузия» означает «распространение, рассеивание» и представляет собой процесс перемещения частиц вещества из области повышенной концентрации в область пониженной с выравниванием концентрации по занимаемому объему.

Эльфы

На больших высотах, а именно, около 90 км, также наблюдаются эльфы. Они представляют собой овалообразное расходящееся свечение на высоте около 90 км, которое связывается с электромагнитным импульсом от мощных молниевых разрядов. Также как и для гало, пробоя воздуха в случае эльфов не происходит, хотя напряженности электрического поля хватает для возбуждения молекулярного азота.

Складываются условия в атмосфере (а именно, концентрация газов, их состав и давление), при которых возбуждаются уровни определенных молекул, что дает свечение конкретных цветов. Например, азот на больших высотах при малом давлении дает красное свечение, потому что возбуждается соответствующий уровень энергии атома. Плотность атмосферы и давление возрастают на низких высотах и, соответственно, столкновения атомов не дают выжить долгоживучим красным линиям. Красные линии испускания соответствуют меньшим энергиям уровней и наблюдаются у холодных медленных молекул с небольшой начальной энергией. Какой бы большой квант энергии не пришел, система его не поглотит – разность между начальной и конечной энергиями в этом случае может быть только небольшой. Это оказывается возможным лишь на больших высотах в диффузной области. Поэтому там они светят красным – большая длина волны и, соответственно маленькая энергия как раз соответствуют красной области спектра.

Более того, с высотой меняется химический состав атмосферы, поэтому на более низких высотах с увеличением концентрации разных газов и их свечения во всем цветовом диапазоне цвет молний интегрально кажется голубым. Здесь имеется аналогия с голубым цветом неба – Релеевское рассеяние обуславливает в 16 раз более интенсивное рассеяние фиолетового участка спектра, чем красного (по формуле Релея интенсивность излучения пропорциональна длине волны в четвертой степени). В случае неба спектр теплового излучения Солнца имеет такую форму, что интенсивность синего больше, чем фиолетового. Более того, глаз также лучше видит синюю область спектра, чем фиолетовую. Поэтому небо нам представляется сине-голубым.

В случае молниевых разрядов возбужденных атомов излучение не тепловое, а вынужденное. Однако, если учитывать цвета всех систем полос излучающих атомов и Релеевское рассеяние света на атмосферных частицах, то интегрально также свет получится голубым, как и небо. Он мог бы быть белым, если бы излучения в красном диапазоне было больше, чем в синем. Например, азот может светить в красном, фиолетовом и синем, кислород в красном и зеленом цветах. Но бывают отдельные примеры и фиолетовых джетов, когда линии возбуждения молекул имеют максимумы в фиолетовой и синей областях и минимумы в остальных (либо максимум в красной, который примешивается к синей, чье рассеяние интенсивнее, и дает фиолетовый). Итоговое излучение с учетом Релеевского рассеяния смещается в фиолетовую область.

Большая часть звезд светит на всех длинах волн, а лучше других рассеивается свет с меньшей длиной волны, сумма же всех рассеянных цветов чаще дает голубой цвет.

В начале пути джетов и спрайтов происходит филаментирование от облака наверх, так как плотная плазма в этой области образует четкие структуры, которые светятся голубым, потому что смешиваются все цвета. А далее в диффузной области возникает разреженная плазма и красное свечение.

Зелёные призраки

Зеленые призраки (аббревиатура от green emissions from excited oxygen in sprite top – «зеленое свечение от возбужденного кислорода в вершинах спрайтов», ghost по-английски призрак) появляются после вспышки красных спрайтов в течение нескольких секунд как зелёное послесвечение. Они наблюдались с 2014 г.

Хотя природа этих явлений до конца остается неясной, зелёный цвет свечения может быть подсказкой. Он отождествляется с зеленым свечением неба в результате возбуждения атомов кислорода солнечным ветром, космическими лучами, нелинейными плазменно-пылевыми процессами в ионосфере, либо при химических процессах взаимодействия кислорода и других молекул атмосферы. То же самое можно сказать и о зелёных призраках. Мощные спрайты могут вызывать свечение атомов кислорода на высотах около 90 – 100 км, как раз на уровне, где проявляется зеленое свечение неба. Предполагается, что когда верхушки мощных спрайтов ударяются о слой, где происходит свечение атмосферы, на высоте 90 км над поверхностью, атомы кислорода могут на короткое время светиться зелёным цветом. На таких высотах плотность атмосферы достаточно низкая, поэтому возбуждённые атомы кислорода способны некоторое время высвечивать. Но поскольку, энергия спрайтов относительно низкая, то свечение занимает небольшую по объёму область и очень быстро исчезает. Однако время жизни призраков заметно больше, чем породивших их спрайтов и составляет 100 — 200 миллисекунд (Thomas Ashcraft, 2020).

Гномы

С верхушки кучево-грозового облака можно увидеть такое явление, которое назвали «гномом» – короткий молниевый столб, напоминающий зарождающийся джет или палец. Горизонтальные размеры таких явлений составляют всего 150-200 м, вертикальные – порядка 1 км, а время существования – 33-136 миллисекунд. При этом скорость роста по приблизительным оценкам составляла около 10⁴ м/с. Они имеют белый цвет и скорее всего являются зародышами голубых стартёров и голубых джетов, но не получают дальнейшего развития по вертикали. См. Кибальчич И.А., Загадки грозового электричества. Харьков, 2020.

Феи

На куполе грозового облака можно также лицезреть фей или pixies. Это небольшие (около 100 м в ширину) светящиеся пятна, время жизни которых составляет менее 16 миллисекунд. Они, так же, как и гномы возникают не зависимо от разрядов молний в грозовой туче. Оказывается, что при достаточно высокой электроактивности грозового облака можно заметить за одну грозу десятки подобных пятен.

Исследование возмущения состава мезосферы, обусловленного высотными разрядами, кроме фундаментального (поиск дополнительных источников поддержания ионизации нижней ионосферы в ночное время) представляет значительный практический интерес. Так, возмущения ионизации D-слоя влияют на условия распространения волн ОНЧ-диапазона и влиять на корректную работу радиолокационных приборов и устройств радиосвязи [А. А. Евтушенко, Е. А. Мареев. Моделирование возмущений состава мезосферы под действием высотных молниевых разрядов // Известия вузов. Радиофизика. 2011. Т. LIV, № 2, стр. 123-140.]. Поэтому их исследование важно для понимания явлений в ионосфере и для прикладных научно-технических задач.

Об авторе: к.ф.-м.н., научный сотрудник Института космических исследований РАН. Научные интересы: плазменно-пылевые системы; нано- и микромасштабные объекты в природе; нелинейные волны и плазменная турбулентность; пылевая плазма у Луны, Марса, Фобоса и Деймоса, в ионосфере Земли.