A NEW THEORY CONFIRMING THE DEVELOPMENT OF LIGHTNING STORMS, JETS, SPRITES AND ELVES

A NEW THEORY CONFIRMING THE DEVELOPMENT OF LIGHTNING STORMS, JETS, SPRITES AND ELVES.

Ryazanov N.

Engineer-electrophysicist, Director of LLC "Imcomtech" Tomsk, Russia.

НОВАЯ ТЕОРИЯ, ПОДТВЕРЖДАЮЩАЯ РАЗВИТИЕ ГРОЗОВЫХ МОЛНИЙ, ДЖЕТОВ, СПРАЙТОВ И ЭЛЬФОВ

Рязанов Н.Д.

Инженер-электрофизик, директор ООО «Имкомтех» г. Томск, Россия. DOI: 10.24412/3453-9875-2022-78-2-13-17

Abstract

In this article, the most probable theories of the formation of thunderbolts are considered. The main reason for the formation of long lightning is substantiated - due to the formation of a high electric field intensity 1012 -1017 V / m at the time of the initial electric discharge of lightning, due to a change in the area of infected cloud areas from hundreds of square meters to several square millimeters, and then the formation of gamma radiation (black lightning).

Аннотация

В данной статье рассмотрены наиболее вероятные теории образования грозовых молний. Обоснована основная причина образования длинных молний – за счет образования высокой напряженности электрического поля 1012 – 1017 В/м в момент начального электрического разряда молнии, образующейся за счет изменения площади зараженных областей облака с сотен квадратных метров до нескольких квадратных миллиметров, а затем образования гамма-излучения (черной молнии).

Keywords: electric spark discharge, igniting pulse, electric field intensity, gamma radiation, black lightning.

Ключевые слова: электрический искровой разряд, поджигающий импульс, напряженность электрического поля, гамма-излучение, черная молния.

Наиболее часто молния возникает в кучеводождевых облаках, тогда они называются грозовыми; иногда молния образуется в слоисто-дождевых облаках, а также при вулканических извержениях, торнадо и пылевых бурях. Наиболее изучен процесс развития молнии в грозовых облаках, при этом молнии могут проходить в самих облаках — внутриоблачные молнии, а могут ударять в землю — наземные молнии. Для возникновения молнии необходимо, чтобы в относительно малом (но не меньше некоторого критического) объёме облака образовалось электрическое поле с напряжённостью, достаточной для начала электрического разряда (~ 1 МВ/м), а в значительной части облака существовало бы поле со средней напряжённостью, достаточной для поддержания начавшегося разряда (~ 0,1—0,2 МВ/м). В молнии электрическая энергия облака превращается в тепловую, световую и звуковую. Процесс развития наземной молнии состоит из нескольких стадий. На первой стадии в зоне, где электрическое поле достигает критического значения 1 с.9, начинается ударная ионизация, создаваемая вначале свободными зарядами, всегда имеющимися в небольшом количестве в воздухе, которые под действием электрического поля приобретают значительные скорости по направлению к земле и, сталкиваясь с молекулами, составляющими воздух, ионизуют их. По более современным представлениям, ионизация атмосферы для прохождения разряда происходит под влиянием высокоэнергетического космического излучения—частиц с энергиями 1012 —1015 эВ, формирующих широкий атмосферный ливень с понижением пробивного напряжения воздуха на порядок от такового при нормальных условиях 2. Запуск молнии происходит от высокоэнергетических частиц, вызывающих пробой на убегающих электронах («спусковым крючком» процесса при этом являются космические лучи). Таким образом, возникают электронные лавины, переходящие в нити электрических разрядов — стримеры, представляющие собой хорошо проводящие каналы, которые, сливаясь, дают начало яркому термоионизованному каналу с высокой проводимостью — ступенчатому лидеру молнии. Движение лидера к земной поверхности происходит ступенями в несколько десятков метров со скоростью ~ 50 000 километров в секунду, после чего его движение приостанавливается на несколько десятков микросекунд, а свечение сильно ослабевает; затем в последующей стадии лидер снова продвигается на несколько десятков метров. Яркое свечение охватывает при этом все пройденные ступени; затем следуют снова остановка и ослабление свечения. Эти процессы повторяются при движении лидера до поверхности земли со средней скоростью 200 000 метров в секунду. По мере продвижения лидера

14

Norwegian Journal of development of the International Science No 78/2022 к земле напряжённость поля на его конце усиливается и под его действием из выступающих на поверхности Земли предметов выбрасывается ответный стример, соединяющийся с лидером. В заключительной стадии по ионизованному лидером каналу следует обратный (снизу вверх), или главный, разряд молнии, характеризующийся токами от десятков до сотен тысяч ампер, яркостью, заметно превышающей яркость лидера, и большой скоростью продвижения, вначале доходящей до ~ 100 000 километров в секунду, а в конце уменьшающейся до ~ 10 000 километров в секунду. Температура канала при главном разряде может превышать 20000—30000 °C. Длина канала молнии может быть от 1 до 10 км, диаметр — несколько сантиметров. После прохождения импульса тока ионизация канала и его свечение ослабевают. Главный разряд разряжает нередко только часть облака. Заряды, расположенные на больших высотах, могут дать начало новому (стреловидному) лидеру, движущемуся непрерывно со скоростью в тысячи километров в секунду. Яркость его свечения близка к яркости ступенчатого лидера. Когда стреловидный лидер доходит до поверхности земли, следует второй главный удар, подобный первому. Обычно молния включает несколько повторных разрядов, но их число может доходить и до нескольких десятков. Длительность многократной молнии может превышать 1 секунду. Смещение канала многократной молнии ветром создаёт так называемую ленточную молнию — светящуюся полосу.

Фотография молнии между облаками и землей. Внутриоблачные молнии включают в себя обычно только лидерные стадии; их длина колеблется от 1 до 150 км. Доля внутриоблачных молний растёт по мере смещения к экватору, меняясь вероятностью от 0,5 в умеренных широтах до 0,9 в экваториальной полосе. На этот процесс может влиять магнитное поле земли. Существует множество типов молний: бьющие из облака в землю, из облака в другое облако, внутри одного облака. Бывают более редкие: бьющие из облака наверх сверхмолнии, шаровые, голубые струи и красные спрайты. В верхней атмосфере наблюдаются особые виды молний: эльфы, джеты и спрайты. Эльфы представляют собой огромные, но слабосветящиеся вспышки-конусы диаметром около 400 км, которые появляются непосредственно из верхней части грозового облака. Высота эльфов может достигать 100 км, длительность вспышек — до 5 мс (в среднем 3 мс). Джеты представляют собой трубки-конусы синего цвета. Высота джетов может достигать 40-70 км (нижняя граница ионосферы), живут джеты относительно дольше эльфов. Спрайты трудно различимы, но они появляются почти в любую грозу на высоте от 55 до 130 километров (высота образования «обычных» молний — не более 16 километров). Это некое подобие молнии, бьющей из облака вверх. Впервые это явление было зафиксировано в 1989 году случайно. Сейчас о физической природе спрайтов известно крайне мало. В начале 1990-х годов российский физик Александр Гуревич предложил объяснение происхождению молнии: по его мнению, перед возникновением молнии запускается процесс пробоя на убегающих электронах (ПУЭ). Он заключается в лавинообразном размножении в атмосфере в присутствии магнитного поля электронов с высокими — до одного мегаэлектронвольта — энергиями. Эти электроны создают канал, который молния использует для разряда. Затравкой пробоя на убегающих электронах являются космические лучи — потоки заряженных частиц из космоса. По теории Гуревича, такие гамма-всплески возникают как следствие столкновения разогнанных до около световой скорости в результате эффекта ПУЭ электронов с каплями воды или градинами в облаке. Слабым местом теории Гуревича является то, что в первоначальных расчетах фигурировали космические лучи достаточно высокой энергии. Такие

частицы встречаются намного реже, чем случаются грозы. Норвежские ученые, проводившие исследования процесса формирования молний, пришли к выводу, что выбросы гамма-лучей являются его составной частью. Атмосферные выбросы гамма-лучей во время грозы, называют еще «темными молниями». Они, как выяснили ученые, являются одной из стадий процесса формирования электрических разрядов-молний, который происходит в грозовых облаках. Авторы работы утверждают, что гамма-лучи возникают в результате взаимодействия молекул воздуха с электронами, которые двигаются со скоростью, близкой к скорости света. Темная молния – это поток электронов, двигающихся практически со скоростью света. При взаимодействии с молекулами кислорода, возникают гамма-лучи. Они порождают электроны и позитроны, которые, смешиваясь с воздухом, образуют еще большее количество гамма-лучей. Также они пришли к заключению, что темные молнии напрямую связаны с обычными молниями 3. Исследователи рассматривают такое явление как промежуточную стадию образования грозовых электрических разрядов. Выброс в атмосферу гамма-лучей темных молний приводит к сильнейшему радиоимпульсу, образующему светлую молнию, которую можно наблюдать во время грозы.

Фотография джета. Все эти выводы были сделаны норвежцами, в результате наблюдения за одним из участков атмосферы. Авторы исследования обнаружили взаимосвязь между темной молнией и радиоимпульсом, зафиксированным в один и тот же момент на довольно удаленном расстоянии от эпицентра грозы. Новая концепция предполагает, что электрический разряд сначала приводит к гамма-вспышке, затем электроны притянутые таким разрядом, провоцируют радиоимпульс, а это, в свою очередь, вызывает классический электрический разряд. Благодаря этому открытию профессор Николаи Йостгард и его коллеги из Бергенского университета предложили следующую гипотезу: темные молнии не представляют собой отдельное от светлых молний явление, а являются ничем иным, как промежуточной стадией формирования электрических разрядов в грозовых облаках. То есть, потеряв часть энергии после столкновения с молекулами воздуха и породив тем самым гамма-лучи, быстрые электроны темных молний способствуют возникновению мощного радиоимпульса, который способствует образованию в облаке видимого электрического разряда, то есть знакомой всем нам "светлой" молнии. Таким образом, темная молния способствует появлению обычной молнии. Однако у этого процесса есть и обратная связь, в результате которой "светлая" молния может стать причиной возникновения темной. По мнению норвежских ученых это происходит следующим образом — электрический

16

Norwegian Journal of development of the International Science No 78/2022 разряд в канале молнии сперва страгивает небольшой каскад сверхбыстрых электронов. Он в свою очередь, ведет к гамма-вспышке, которая "разгоняет" некоторое количество находящихся рядом частиц до сверхсветовых скоростей, в результате чего возникает темная молния. А дальше все повторяется — она вызывает последующую серию гаммавспышек, потом возникает радиоимпульс, что приводит к образованию новой "светлой" молнии. И этот процесс может происходить в облаке несколько раз.

Фотография спрайтов.

В 1994 году на американском спутнике были зафиксированы мощные вспышки гамма-излучения, идущие от Земли, причем фотоны имели энергию, характерную для ядерных взрывов. Позже было выяснено, что происходит это во время грозы. В 1983 г. в НИИ высоких напряжений при Томском политехническом институте научными сотрудниками Рязановым Н.Д. и Подплетневым В.И., в экспериментах по высоковольтному пробою водных промежутков с независимым синхронным «поджигом», был обнаружен эффект снижения пробивных напряжений. Объяснение этого эффекта было раскрыто только в 2014 г. в работе [4 с. 46-51]. Сущность эффекта заключалась в том, что напряженность электрического поля между высоковольтными электродами, в системе с синхронным неуправляемым «поджигом», изменялась не только из-за роста напряженности в межэлектродном промежутке за счет роста напряжения между электродами, но и за счет роста напряженности электрического поля за счет уменьшения площади электродов в момент образования электрического разряда. Данное заключение сделано на основе экспериментальных исследований по снижению пробивных напряжений при исследованиях очистки и обеззараживания воды высоковольтными импульсными разрядами [5 с. 30-35]. В работе [6 с.47-49] раскрыта сущность явления образования «темной» молнии перед образованием видимой молнии (электрического разряда). Развитие длинных молний происходит следующим образом. Так как структура грозового облака состоит из разноименно заряженных областей, которые постоянно перемещаются внутри облака, наступает момент, когда напряженность между разноименно заряженными областями достигает критической и происходит первичный электрический разряд. При его возникновении электрическое поле части облака, где возник первичный разряд, концентрируется с площади сотен тысяч квадратных метров до нескольких квадратных миллиметров, а напряженность электрического поля в точке разряда достигает 1012 – 1017 В/м и более. Под действием такой напряженности электрического поля возникает первичный канал электрического пробоя, сопровождающийся гамма-вспышкой («черной молнией» и импульсом радиоизлучения) направленный в сторону облака с максимальной концентрацией объемного заряда со скоростью близкой к световой. По сформированной «черной молнии» развивается лидерная стадия электрического разряда и видимая фаза молнии. Эта часть молнии является поджигающим разрядом для формирования следующей «черной молнии» и этот процесс длится до полного разряда грозового облака, при чем, чем мощнее поджигающий разряд 7, тем ниже пробивные градиенты для развития длинной молнии. Данная, экспериментально подтвержденная, концепция полностью подтверждает наблюдения и выводы норвежских ученых. Удары молнии из облака в землю, из облака в облако порождаются самыми мощными «черными молниями» (при этом напряженности электрического поля при этом достигают 1012 – 1017 В/м и более), а следовательно, и самыми мощными рентгеновскими импульсами, которые скорее всего порождают джеты, спрайты и эльфы. Из анализа всех теорий развития грозовых молний приходим к следующему механизму образования молнии:  когда напряженность между разноименно заряженными областями достигает критической, то происходит первичный электрический разряд. При чем, за счет уменьшения радиуса в точке образования разряда, изменение напряженности электрического поля в точке разряда достигает 1012 – 1017 В/м и более.  за счет такого быстрого изменения напряженности электрического поля электроны приобретают световые скорости и формируют канал «черной молнии» (рентгеновского излучения и радиоимпульса), по которому развивается канал видимой молнии, причем этот процесс повторяется многократно до образования длинной молнии, как между облаками, так и между облаком и землей.

 под действием мощного рентгеновского излучения в верхних широтах земной атмосферы образуются такие явления как джеты, спрайты и эльфы.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. В.И. Ермаков, Ю.И. Сторожков. Физика грозовых облаков. ФИАН, Москва, 2004, (Препринт. 39 с.) 2. Гуревич А. В., Зыбин К. П. Пробой на убегающих электронах и электрические разряды во время грозы // УФН, 171, 1177–1199 (2001). 3. Журнал Discovery № 6 (54) июнь 2013 с.8

4. Рязанов Н.Д. Явление снижения электрической прочности диэлектриков. Электронный научный журнал "Исследованиятехнических наук". - 2014. - Выпуск 3(13) Июль-Сентябрь. с. 46-51. 5. Рязанов Н.Д. История создания электроимпульсного озонирования воды высоковольтными импульсами наносекундной длительности. Журнал «Водоочистка, Водоподготовка, Водоснабжение» № 4, 2020 (148), с. 30-35. 6. Рязанов Н.Д. Научное подтверждение существования «темных молний». Электронный журнал "Austria-science" № 20/2018, с.47-49. 7. Рязанов Н.Д. Решена загадка развития грозовой молнии. Norwegian Journal of development of the International Science. № 49, part 2, 2020, p. 6-9.