Механизм возникновения молнии хранит в себе множество тайн. Однако благодаря работам академика Александра Викторовича Гуревича часть из них удалось разрешить, приоткрыв завесу таинственности и объяснив все стройной, но очень тонкой физикой. О том, какие еще загадки кроет в себе механизм грозового разряда, где искать на них ответ, и какие для этого нужны инструменты, агентству «ФИАН-информ» рассказал сам академик Гуревич.
То, что молния есть не что иное, как электрический разряд, было показано еще в середине 17 века в работах Бенджамина Франклина. Однако после создания теории электричества и изучения явлений разряда в газах возникла новая загадка: разряд молнии в атмосфере возникает при электрических полях, интенсивность которых на порядок меньше, чем следует из лабораторных экспериментов по пробою воздушной среды. Эту загадку и разрешил в конце 20-го века Александр Гуревич, сотрудник Физического института им. П.Н. Лебедева РАН. Это решение основано на открытом им эффекте пробоя на убегающих электронах. Именно этот эффект позволяет лавине быстрых электронов ускоряться в значительно меньших электрических полях по сравнению с теми, что требуются для статического пробоя воздушного слоя.
«Суть теории убегающих электронов, - рассказывает Александр Викторович, - заключается в том, что электроны с энергией от 1 кэВ, под действием электрического поля могут ускоряться в газе, ускорение происходит от кэВа до МэВа. То есть быстрые электроны движутся не как обычные, а особым образом ускоряются, но именно при наличии газа. А в 1992 году, когда появились первые работы о наблюдении гамма-излучения в атмосфере, наша группа разработала теорию лавинообразования убегающих электронов, то есть они не просто убегают, а образуют при этом лавину, вот это и называется пробоем на убегающих электронах».
Александр Викторович и его ученики (перечислить всех довольно сложно, они раскиданы по стране и миру, в ФИАНе это Кирилл Зыбин, Владимир Рябов, Алексей Наумов, Александр Чубенко, Галина Митько и др.) не только создали теорию явления, академик Гуревич стал руководителем целого экспериментального направления, в рамках которого в последние годы проводилось подтверждение предсказаний теории. Для того, чтобы убедиться в правильности таких предсказаний, были проведены и лабораторные, и натурные эксперименты. К натурным относятся работы на Тянь-Шаньской высокогорной научной станции ФИАН под Алма-Атой, в горах, где был создан целый комплекс аппаратуры (установка «Гроза») и уже в течение нескольких сезонов проводится одновременная регистрация инициированных космическими лучами широких атмосферных ливней (ШАЛ), а также гамма- и радиоизлучения, возникающих во время разряда молнии.
Гамма-излучение во время грозы наблюдается как в воздушных экспериментах (на самолетах, шарах-зондах, космических аппаратах), так и с помощью наземной аппаратуры. Все эти наблюдения в соответствии с длительностью регистрации событий можно разделить на два класса. Один класс использует короткое время записи длительностью около миллисекунды и меньше – это процессы с временным разрешением в субмикросекундном диапазоне. Второй класс наблюдений использует более длительное время записи - около минуты, это субсекундные процессы. На Тянь-Шаньской станции измерения гамма-излучения производятся в течение всего времени грозового разряда (в среднем это 0,1-1 сек) на высоте от 3340 до 3880 м над уровнем моря.
«Сейчас важно не просто наблюдать во время атмосферного разряда большое количество гамма-излучения, то есть большое количество быстрых электронов, но и отождествлять его с атмосферным разрядом. Не так давно в США наблюдали гамма-излучение продолжительностью порядка 100 мкс перед самой молнией, когда она по идее уже подходит к земле. Мы сейчас наблюдаем 100-600 мс (http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0375960111002933 ) – это на 3 порядка дольше, то есть фактически мы видим гамма-излучение в течение всего атмосферного разряда. Из этого можно сделать вывод, что практически все процессы в атмосферном разряде сопровождаются большим количеством быстрых электронов», - делится результатами Александр Викторович.
В физике, как и во всякой науке, люди занимаются как тщательным анализом данных, «очищая» их от «посторонних» примесей и выделяя «чистый» эффект, так и, напротив, синтезом самых разных эффектов, описывающих природные процессы. В настоящее время Александр Гуревич, пожалуй, единственный человек в мире, который в наиболее полной мере синтезирует знания о природе грозового разряда. Выдвинув идею пробоя на убегающих электронах, создав теорию этого эффекта, и запустив целую серию экспериментальных исследований разрядов в атмосфере (в том числе спутниковых, на конец 2011 года запланирован запуск специального спутника – «Чибис», который будет собирать данные о грозовых явлениях «сверху»), сейчас академик Гуревич работает над комплексной моделью явления. Свою задачу он видит в том, чтобы согласовать данные тянь-шаньских экспериментов с данными экспериментов лабораторных и учесть все возможные факторы. Например, экспериментальные данные, полученные в разные времена года, отличаются, и надо понять, какие факторы несут ответственность за это отличие. Таких вопросов возникает очень много. Попытка максимально широкого охвата большого количества процессов, концентрирующихся в одном явлении, делают рассказ Александра Викторовича очень интересным:
«Грозовой разряд происходит так: у вас есть облако, оно заряжено отрицательными ионами, их много, 1019 штук дает 1 Кулон электрического заряда. И вот в облаке примерно 10 Кулон на км2. Тогда поле создается примерно то, которое мы и видим в эксперименте. Например, если облако протяженностью 5 км, значит, разряд будет 300 Кулон. Это электрическое поле в определенных условиях должно индуцировать достаточную проводимость в этом облаке, иначе вы просто не сможете этот заряд передать. Возникает такой тоненький шнур диаметром всего несколько миллиметров, прогретый до температуры 3500 градусов, достаточной для проводимости. А иначе излучение будет такое сильное, что вы не сможете подать в него энергию.
Однако электрический заряд настолько велик, что он не может поместиться в столь тонком шнуре, и разряд, который возникает «по следу» этого шнура, происходит в канале диаметром примерно 5 метров. Движение этого заряда от облака к облаку или от облака к земле происходит в несколько стадий, как бы ступенчато, тот заряд, который сидел в облаке на каплях, переносится на ионы воздуха, а впереди движется тонкий шнур-лидер. И когда он дойдет до другого облака или до Земли, выходит встречный лидер, они встречаются, и происходит вспышка. Вся накопленная энергия примерно за 50 микросекунд переходит в излучение. Мы видим вспышку молнии, температура достигает примерно 20 тысяч градусов в таком канале. Процесс продвижения лидера длится, условно, минута километр, с такой скоростью эта штука ползет примерно 10 секунд от облака до Земли. А сам разряд происходит за 50 микросекунд, скорость молнии получается 108 м/с.
Лидер - это такая штука, которая переносит заряд и распределяет его в пространстве между, допустим, одним и вторым облаком, а после этого происходит сжигание уже самого разряда. В процессе движения лидера, как я считаю, и возникает это сильное электрическое поле, в котором могут ускориться и размножиться электроны, необходимые для продолжения движения лидера. Это ускорение электронов сопровождается излучением в самых разных спектральных диапазонах, от радио- до гамма-.»
Сбор данных об этих излучениях, особенно о возникающих в атмосфере гамма-всплесках, и позволил получить тот материал, над которым в настоящее время работает Александр Гуревич. Построение развитой модели грозового разряда позволяет ставить все более изощренные и детальные задания экспериментаторам:
«Мы хотим зарегистрировать одновременно источник гамма-излучения и радиоизлучение, причем не только прямой радиосигнал, но и отраженный от Земли, тогда мы сможем однозначно определить их источник, то есть хотим зарегистрировать сигналы не только от самого заряда молнии, но и от лидера. Помимо этого хотелось бы определить, когда достигается максимальное поле и в каком месте. Также важно, чтобы одновременно измерялись еще ультрафиолет и низкочастотное излучение, они также должны дать необходимые детали будущей модели, которая еще никому не известна».
На наших глазах происходит синтез нового знания о весьма существенном природном явлении. Опора на фундаментальные закономерности позволяет строить адекватную модель, которая будет иметь весьма важные практические приложения. Чем мощнее школа, тем более широкие обобщения могут позволить себе ее участники. Александр Викторович считает себя учеником Виталия Лазаревича Гинзбурга, хотя опубликованная совместная работа у них всего одна.
«Совсем недавно еще, за пару лет до смерти, Гинзбург мне звонит: «Алик, могу ли я Вас называть своим учеником?» Я говорю: «Можете, конечно, Виталий Лазаревич, я и есть Ваш ученик». Или вот другой разговор, он позвонил: «Вы знаете, Алик, я к Вам со временем отношусь все лучше и лучше». Я ему: «Виталий Лазаревич, я к вам тоже», - смеется Александр Викторович. - У него действительно это было искренне...».
АНИ «ФИАН-информ»
