Ученые смоделировали возникновение убегающих электронов в атмосфере на высотах 50–90 километров

Ученые впервые экспериментально зарегистрировали убегающие электроны — сверхбыстрые заряженные частицы — в лабораторной модели атмосферных разрядов, называемых красными спрайтами. В природе такие разряды похожи на гигантские светящиеся столбы высотой до пятидесяти километров, которые можно увидеть с Земли во время мощных гроз, — это кратковременные красные вспышки в виде струй, распространяющиеся как к грозовым облакам, так и от первичных струй вверх. Ранее убегающие электроны регистрировались только в обычных молниях (на высотах до 10–15 километров) и никогда в красных спрайтах (на высотах 50–90 километров). Новое исследование раскрывает механизм их формирования и поможет предсказывать воздействие отрицательно заряженных частиц на спутники и радиосвязь. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале «Письма в журнал технической физики».

Во время гроз, помимо молний, в высоких слоях атмосферы — порядка 20–90 километров — возникают разряды в форме ветвящихся столбов (красные спрайты), голубые струи (синие джеты), стартующие вверх с границы грозовых облаков, а также эльфы — расширяющиеся кольца на высоте около 100 километров. Обычные молнии «рождаются» на высотах до 10–15 километров в результате разрядов между облаками или между облаком и Землей. Когда особенно сильная положительно заряженная молния бьет из облака в землю, при обратном ударе тока она порождает высокое электрическое поле, которое приводит к образованию красных спрайтов, обычно состоящих из нескольких параллельных «столбов». Такие разряды существуют всего доли секунды и видны только в ночное время над грозовыми облаками при абсолютно ясном небе над ними. Красные спрайты можно наблюдать с самолетов, спутников и Международной космической станции, а также из наземных лабораторий, удаленных от места грозовой активности на несколько сотен километров. Поэтому исследовать их довольно сложно, и помогают в этом лабораторные плазменные установки.

Ученые из Института сильноточной электроники СО РАН (Томск) создали экспериментальную установку, воспроизводящую условия мезосферы — слоев атмосферы на высоте 50–90 километров. Конструкция представляла собой кварцевую трубку, заполненную разреженным воздухом. В нем с помощью кольцевых электродов — элементов, расположенных на внешней поверхности трубки, — и генератора периодических импульсов высокого напряжения создавалась плотная плазма емкостного разряда.

При достижении пороговой напряженности электрического поля внутри трубки между электродами возникали плазменные диффузные струи — миниатюрные аналоги красных спрайтов, — длина которых на созданной установке могла достигать двух метров. Такие струи, а также плотная плазма, от которой они стартовали, не контактировали с металлическими электродами — именно это приблизило лабораторный эксперимент к природным условиям возникновения спрайтов. При проведении исследований авторы отслеживали характеристики свечения плазмы спектрометром, а также сверхскоростными камерами и фотоприемниками. Кроме того, на торце трубки исследователи установили коллектор с субнаносекундным временным разрешением, который зарегистрировал убегающие электроны, генерируемые на границе плотной плазмы и плазменных диффузных струй. Убегающие электроны — это высокоэнергетические частицы, которые между столкновениями с молекулами и атомами газа при движении в электрическом поле набирают энергию большую, чем теряют в столкновениях. Именно из-за этого свойства они становятся убегающими.

На созданной установке убегающие электроны набирали основную энергию на границе плотной плазмы у электродов и опережали фронт плазменной струи, распространяющейся по трубке. Подобная ситуация, по-видимому, возникает и в красных спрайтах, в которых на верхней границе первичных «столбов» формируются направленные вверх отрицательные стримеры — холодные плазменные каналы.

Обнаружение убегающих электронов в аналогах красных спрайтов поможет лучше понять механизм формирования разрядов в высоких слоях атмосферы, поскольку убегающие электроны способны запускать каскады вторичных частиц, усиливая свечение разрядов, а при столкновении с молекулами воздуха генерировать рентгеновское излучение, которое представляет опасность для космических аппаратов. Так, хотя спрайты формируются на высотах 50–90 километров, рентгеновское излучение от убегающих электронов может распространяться вертикально вверх, достигая орбит низкоорбитальных спутников (от 200 километров). Кроме того, связанные с грозами электромагнитные импульсы и ионосферные возмущения способны создавать помехи для систем спутниковой связи даже на больших высотах.

«Полученные результаты убедительно свидетельствуют, что спрайты в верхних слоях атмосферы могут работать как природные ускорители частиц, а разработанная экспериментальная установка теперь позволяет изучать эти процессы в контролируемых лабораторных условиях. Это открывает новые возможности для моделирования воздействия высотных разрядов на радиосвязь и спутниковое оборудование. В дальнейшем мы планируем изучить возможность генерации убегающих электронов при формировании голубых струй, которые стартуют с границы грозовых облаков вверх, а также в красных спрайтах не столбчатой формы, состоящих, в том числе, из стримеров, распространяющихся под большими углами к первичному “столбу”», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Виктор Тарасенко, профессор, доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник лаборатории оптических излучений Института сильноточной электроники СО РАН.