Атмосферные разряды, развивающиеся в режиме лавин релятивистских убегающих электронов

• Автор: Куцык, Игорь Михайлович
• Шифр специальности: 01.04.08
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2008
• Место защиты: Саров
• Количество страниц: 292 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ИСТОРИЯ ПРОБЛЕМЫ

1Л. Обзор экспериментов, приведших к гипотезе о лавине убегающих электронов

1.1.1. Летные измерения усиления проникающих излучений электромагнитной

природы в грозовых облаках

1.1.2. Регистрация рентгеновского излучения со спутников

1.1.3. Наземные измерения проникающих излучений электромагнитной природы,

электронов и нейтронов в корреляции с грозовой активностью

1.1.4 Высотные оптические явления над грозовыми облаками

1.2. Зарождение и развитие теории лавин убегающих электронов

1.3. Теория атмосферных разрядов над грозовыми облаками
1.4. Лабораторные эксперименты по моделированию лавин убегающих электронов
1.5. Заключение к главе
ГЛАВА 2. СКОРОСТЬ РАЗВИТИЯ ЛАВИНЫ РЕЛЯТИВИСТСКИХ УБЕГАЮЩИХ ЭЛЕКТРОНОВ
2.1. Постановка задачи о характерных масштабах усиления лавины релятивистских электронов
2.2. Аналитические оценки
2.3. Кинетическое уравнение
2.4. Программа Монте Карло ЭЛИЗА
2.5. Упрощенная методика Монте Карло
2.6. Скорость развития лавины релятивистских электронов
2.7. Выводы по главе
ГЛАВА 3. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛАВИНЫ РЕЛЯТИВИСТСКИХ УБЕГАЮЩИХ ЭЛЕКТРОНОВ
3.1. Введение к главе
3.2. Исследование динамики формирования лавины релятивистских убегающих электронов
3.3. Энергетическое, угловое и радиальное распределение электронов в лавине релятивистских убегающих элекронов
3.4. Тормозное излучение лавины релятивистских убегающих электронов
3.5. Выводы по главе
ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЛАВИНЫ РЕЛЯТИВИСТСКИХ УБЕГАЮЩИХ ЭЛЕКТРОНОВ ПРИ НОРМАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ
4.1 Введение к главе
4.2 Редакция эксперимента
4.3 Измерения характеристик пучков инжектируемых электронов
4.4 Расчеты методом Монте Карло для интерпретации результатов эксперимента
4.5 Результаты измерений
4.6 Выводы по главе
ГЛАВА 5. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВОСХОДЯЩЕГО АТМОСФЕРНОГО РАЗРЯДА. СОПРОВОЖДАЮЩИХ ОПТИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ И ПРОНИКАЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ
5.1. Постановка задачи о развитии восходящего атмосферного разряда
5.2 Полуторамерная модель восходящих атмосферных разрядов
5.2.1 Самосогласованное электрическое поле
5.2.2. Многогрупповое описание убегающих электронов
5.2.3. Кинетика низкоэнергетичных заряженных частиц
5.2.4 Модель оптического излучения восходящих атмосферных разрядов
5.2.5. Результаты расчетов и их обсуждение

5.3. Двумерная модель восходящего атмосферного разряда в самосогласованном электрическом поле
5.3.1. Основные особенности модели
5.3.2. Система уравнений, описывающих кинетику заряженных частиц в процессе развития релятивистской лавины
5.3.3. Усовершенствованная модель оптического излучения
5.3.4. Результаты численного моделирования флуоресценции над облаками (Blue Jets и Red Sprites)
5.3.5. Длительность Blue Jets
5.4. Влияние магнитного поля
5.5. Выводы по главе
ГЛАВА 6. АНАЛИЗ ИМПУЛЬСОВ ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ АТМОСФЕРНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ НА ОСНОВЕ ГЕНЕРАЦИЙ ЛАВИН РЕЛЯТИВИСТСКИХ УБЕГАЮЩИХ ЭЛЕКТРОНОВ
6.1. Введение к главе
6.2. Генерация у - излучения лавин релятивистских убегающих электронов с учетом геомагнитного поля
6.2.1 Концепция последовательных генераций лавин убегающих релятивистских электронов
6.2.2. Влияние горизонтального магнитного поля (низкие широты)
6.2.3. Заряд, переносимый серией лавин релятивистских электронов
6.2.4 Вычисление характеристик импульсов у - излучения в случае горизонтального геомагнитного поля
6.2.5. Вертикальное геомагнитное поле (умеренные широты)
6.3. Исследование транспорта гамма-квантов в атмосфере
6.4. Генерация жесткого у - излучения и нейтронов восходящим атмосферным разрядом
6.5. Вспышки гамма-квантов при внутриоблачных разрядах
6.6. Выводы по главе
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

АББРЕВИАТУРЫ И НАИБОЛЕЕ УПОТРЕБИТЕЛЬНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
ВАР - гигантский восходящий атмосферный разряд.
Вспышка молнии - серия последовательных разрядов молнии.
ИСЗ - искусственный спутник Земли.
КУ - кинетическое уравнение.
ЛРУЭ - лавина релятивистских убегающих электронов.
МК - Монте Карло.
ПУЭ - пробой на убегающих электронах.
УМК - упрощенная методика и программа МК.
УЭ - убегающий электрон, убегающие электроны.
ЭЛИЗА - методика и программа МК, точно моделирующая самосогласованный транспорт электронов, фотонов и позитронов в веществе.
ЭМИ - электромагнитный импульс.
“Blue Jets” - флуоресценция воздуха “голубые струи”.
“Red Sprites” - флуоресценция воздуха “красные духи”.
TGF - “terrestrial gamma ray flash” - гамма-вспышки Земного происхождения.
TNF - “terrestrial neutron flashes” - вспышки нейтронов Земного происхождения.
В - индукция магнитного поля. с » 3 108 м/с - скорость света. е « 1.6-10'19 Кл - заряд электрона.
Е - напряженность электрического поля.
F(s) - сила трения, действующая на электроны со стороны атомарных частиц.
Fmin = 218 кэВ/(м-атм.) - минимальное значение силы трения.

Sprites, достигал 81 кА при токах средних разрядов 30 кА [67]. Большинство Red Sprites развивались над областями с сильными осадками, их центры находились на расстоянии 50 км от ассоциированных с ними разрядов [67].
Голубое свечение Blue Jets, впервые обнаруженное Сентменом с соавторами, распространяется вверх от вершины облака со скоростью (0,98+0,14)-105 м/с до высот 40-50 км [56, 57, 70, 73]. Скорость горизонтального расширения оценивается величиной 1,3-104 м/с. Свечение распространяется как фонтанирующие струи, в целом имеет форму опрокинутого конуса или рожка [57] с углом (15±7,5)° его яркость величиной 500 килорэлей у основания и 7 килорэлей у вершины. Свечение длится 200 мс и затухает сразу по всему объему за время около 200 мс, иногда за 300 - 350 мс. Частота Blue Jets 2,8/мин. Некоторые вспышки следуют сразу за восходящими разрядами обычной молнии длиной несколько км.
Уэскотт с соавторами сообщают о Blue starters, которые отличаются от Blue Jets много меньшей высотой старта. Они стартуют непосредственно с вершины облака (17-18 км), достигая высоты 25,5 км [63, 73]. Отмечено, что Blue Starters не коррелируют с разрядами молнии, но развиваются в тех же областях грозы, что и отрицательные разряды на землю.
Пасько с соавторами сообщают о наблюдении в сентябре 2001 г. в Пуэрто Рико световых вспышек, распространявшихся на высоту до 70 км с вершины облака, находившейся на высоте 16 км [74]. В нижней части ширина светящихся нитей оценивается величиной (1,26±0,26) км. Выше 42 км, которая обычно является предельной верхней для Blue Jets и нижней -для Red Sprites, структура свечения становилась древовидной, т.е. характерной для Red Sprites. До высот 30—40 км свечение распространялось со скоростью (0,5-2,7)405 м/с, а выше скорость превосходила (1,9-2,2)-106 м/с. По мнению авторов, наблюдавшиеся