eknow — обзор технологий

“Молния подожгла здание Киево-Печерской лавры”, “удар молнии вывел из строя энергоподстанцию в Новгородской области”, “Ту-154” упал из-за грозы”, “молния испепелила музей Тютчева в Подмосковье” — список бесчинств стихии нескончаем. Каждый год четыре миллиона молний ударяют в поверхность Земли. За Полярным кругом грозы бывают не чаще одного раза в 10 лет, а в Индонезии — 320 дней в году!

Сила тока во время главного разряда может за несколько микросекунд достигать 200 тысяч ампер, а температура канала, по которому проходит ток, превышает 20 000 градусов! Велико искушение овладеть этой силищей. “Мы ухватим ее, мы будем пробивать молниями горы, варить камни! — восклицал без тени сомнения герой известного романа Даниила Гранина “Иду на грозу”. Более двух столетий ученые бьются над загадками молнии — этого гигантского электрического искрового разряда в атмосфере. Особый интерес вызывает его начальная стадия — электрический пробой.

Чаще всего молния возникает в кучево-дождевых облаках. При их образовании интенсивные восходящие потоки воздуха увлекают вверх и разбрызгивают встречающиеся на пути капли влаги, трение частиц приводит к их электризации. В зоне, где, как предполагали, электрическое поле достигает критического значения, начинается ударная ионизация — ее создают свободные электроны, которые всегда есть в воздухе. Под действием электрического поля они приобретают значительные скорости по направлению к земле и, сталкиваясь с атомами воздуха, ионизуют их. Возникают так называемые стримеры — хорошо проводящие каналы.

Сливаясь, стримеры дают начало лидеру — яркому термоионизованному каналу с высокой проводимостью. Он движется к земле ступенями в несколько десятков метров (именно поэтому движение молнии выглядит как ломаная линия). Пройдя первую, приостанавливается на несколько десятков микросекунд, опять делает рывок. И, когда до поверхности остается метров десять, навстречу ему выбрасывается встречный стример, он соединяется с лидером, в этот момент и возникает главный разряд молнии, который характеризуется токами от десятков до сотен тысяч ампер, чрезвычайной яркостью, скоростью, близкой к скорости света. Длина канала достигает 10 километров, а диаметр — всего 10-20 сантиметров. Ток, как по шнурку, стремительно стекает из облака на землю, канал с грохотом как бы взрывается, вещество, бывшее до пробоя диэлектриком (в нашем случае — атмосфера Земли) мгновенно, за 10-5-10-8 секунд, становится проводником тока — это и есть обычный электрический пробой.

Казалось бы, все ясно: в атмосфере накопилось электричество, при критических значениях оно пробивает канал, по нему стекает ток, который мы видим как молнию. Однако действительность оказалась гораздо сложнее этой общепринятой схемы. Кроме так называемого светлого электрического пробоя, который мы видим невооруженным глазом, есть еще и “темный”, который фиксируют только приборы. Его назвали пробоем на убегающих электронах (ПУЭ).

Появлению новой теории зарождения молнии способствовали эксперименты, которые проводились на самолетах и шарах-зондах. Было отмечено, что величина электрического поля в грозовых облаках всегда оставалась значительно ниже критического поля, необходимого для возникновения обычного пробоя. Это была первая загадка. А в конце 1990-х годов в грозовом облаке впервые зафиксировали резкую вспышку гамма-излучения с энергией фотонов до 100 Кэв. Но обычно такое излучение, создаваемое космическими лучами, в 1000 раз слабее! Что дает такую вспышку гамма-излучения — вторая загадка, не вписывающаяся в общепринятые схемы.

— Эти вопросы мы подробно обсуждали в 1991 году, когда я работал в США по приглашению Национальной лаборатории в Лос-Аламосе, — говорит автор теории ПУЭ, заведующий сектором взаимодействия радиоволн с плазмой Физического института РАН, академик Александр Гуревич (на верхнем снимке). — Но ответа не находилось. На обратном пути мне пришлось полтора часа провести в аэропорту Альбукерке в ожидании вылета. Я просто сидел и думал об этих загадках. И неожиданно мне стал понятен новый физический механизм электрического пробоя — того явления, которое теперь называется пробоем на убегающих электронах. Это совсем другой, не обычный электрический пробой. ПУЭ — новое физическое явление, новое — в глубинном смысле. В его основе лежит классический механизм взаимодействия быстрых частиц с веществом, замечательные особенности которого были открыты Резерфордом еще в начале прошлого столетия.

Что же такое пробой на убегающих электронах? Александр Викторович приводит пример из жизни. Вы бежите через толпу, она вас сдерживает, вы все равно рветесь вперед. При этом сила торможения (с которой вас сдерживают), уменьшается, а ваша — возрастает. В конце концов, вы вырвались из толпы, энергия, которую тратили на преодоление торможения, высвобождается, и вы бежите вперед с возросшей скоростью. То же происходит и с убегающими электронами.

— Убегающие электроны движутся с такой большой скоростью, что проникают внутрь атомов, так что всякая среда представляет для них лишь набор электронов и ядер, — рассказывает А.Гуревич. — Особенность взаимодействия быстрого электрона с медленными в том, что сила торможения быстрого электрона, открытая Резерфордом и теоретически разработанная Бете, падает с ростом его энергии. Освободившись от сил, препятствующих движению, электрон начинает ускоряться электрическим полем. И чем большую скорость приобретают электроны, тем меньшее сопротивление своему движению они испытывают и, следовательно, ускоряются еще больше.

Убегающий электрон (а фактически — ускоряющийся), сталкиваясь с электронами атомов, порождает целый каскад медленных свободных электронов. Но среди них появляется и быстрый электрон, который становится убегающим, то есть тоже ускоряется полем. Он порождает новый убегающий электрон, в результате появляется экспоненциально нарастающая лавина убегающих электронов. Вместе с ними растет и огромное число медленных (тепловых) электронов, что приводит к быстрому росту электропроводности среды, то есть к электрическому пробою.

Главную роль в этом пробое играет размножение убегающих электронов. Поэтому его и называют пробоем на убегающих электронах. Критическое поле для ПУЭ в несколько раз ниже критического поля для обычного пробоя. Как раз такое поле и наблюдается в грозовых облаках. К тому же быстрые электроны эффективно генерируют гамма-излучение. Таким образом, свойства ПУЭ позволяют объяснить обе загадки молнии. Кроме того, для возбуждения ПУЭ необходимы так называемые затравочные быстрые электроны. Такие электроны в атмосфере есть — они генерируются космическими лучами. Тем самым устанавливается связь космического излучения с грозовыми процессами.

Предсказание ПУЭ ученый мир воспринял как нить Ариадны, с помощью которой можно разгадать тайну возникновения молнии. Над построением теории ПУЭ начали работу в ФИАН А.Гуревич и К.Зыбин. Объемные численные расчеты провели ученые из Сарова, Лос-Аламоса и университета Лос-Анджелеса. В течение шести лет, в нелегкие для науки 1990-е годы, разрабатывались элементарная и кинетическая теории ПУЭ, определялись условия его возникновения. Вслед за теорией появились и новые важные результаты наблюдений. В частности, с помощью космических аппаратов были открыты мощные вспышки гамма-излучения, рожденного в атмосфере высотными молниями.

Началась подготовка крупного наземного эксперимента.

— В лабораторных условиях провести такой эксперимент невозможно, ведь длина свободного пробега убегающего электрона минимум 50 метров — расстояние, необходимое для того, чтобы можно было зафиксировать явление ПУЭ, а для каскада электронов установка должна быть уже километровой, — рассказывает заместитель руководителя отделения ядерной физики и астрофизики ФИАН Владимир Рябов. — Решили проводить эксперимент в природных условиях, наблюдая за грозами. Выбор пал на Тянь-Шанскую высокогорную научную станцию космических лучей (ТШВНС) в горах Заилийского Алатау близ Алма-Аты. (Эту станцию правительство Казахстана на 49 лет передало в аренду ФИАН). Для исследования физики грозового разряда там уникальные природные условия — грозы гремят с мая по ноябрь, а горизонтально расположенный пик Турист высотой около 4 тысяч метров позволяет разместить детекторы в несколько ярусов и как раз на таком расстоянии, которое дает возможность наблюдать весь пробег и электрона, и каскада электронов.

В 2002 году начались эксперименты по проверке теории ПУЭ. В настоящее время на различных установках ТШВНС ведется непрерывный мониторинг широких атмосферных ливней (ШАЛ), регистрируются радио- и гамма-излучения в широком диапазоне частот. В грозовой период все детекторы работают непрерывно в автоматическом режиме, чтобы не пропустить ни одного события.

По предположению академика Гуревича, спусковым крючком для пробоя на убегающих электронах могут служить высокоэнергичные космические частицы, достигающие Земли, — они регистрируются в широких атмосферных ливнях. Поэтому физики задействовали и то оборудование, которое в советские времена использовалось для исследования ­ШАЛов. Во время гроз детекторы оказываются непосредственно в эпицентре события. Старший научный сотрудник лаборатории космических лучей Александр Чубенко проработал на станции уже несколько сезонов и знает о работе в экстремальных условиях не понаслышке.

— Оборудование находится в экспериментальных домиках (на нижнем снимке — С.К.) — их больше 50 на разных высотах, — рассказывает он. — Детекторы объединены в единую сеть. Когда параметры атмосферы достигают критических значений, система должна сработать строго синхронно, чтобы потом все сигналы можно было связать в единое событие и скоррелировать показатели. В отдельном домике находится компьютер, куда стекается вся информация о событии. На самом гребне стоят пять детекторных пунктов, последний оборудовали на высоте 4 тысячи метров год назад.

Однажды гроза застала нас, когда мы тянули кабель на самый пик. Кто побывал в подобной переделке — знает, что это такое. Когда молнии бьют вокруг, хочется зарыться в землю. Жуткое состояние! Зато ни у кого в мире нет таких данных, ведь мы находимся буквально внутри грозы. Правда, приходится часто чинить кабельную систему: молнии прожигают в ней дырки. Несмотря на такие ЧП, нам удалось полностью зафиксировать уже 10 событий. При анализе мы увидели те самые всплески гамма-излучения, которые свидетельствуют, что во время прохождения ШАЛа появились пробои на убегающих электронах.

Комплексная установка “Гроза” на ТШВНС уникальна, она позволяет исследовать все виды излучения во время грозы, имеет большой технический потенциал и постоянно модернизируется. Ученые полагают, что нужно еще примерно пять благополучных грозовых сезонов, чтобы экспериментально подтвердить теорию Гуревича.