Развитие механизма восходящих атмосферных разрядов на основе генераций лавин релятивистских электронов

Кудрявцев, Андрей Юрьевич

Развитие механизма восходящих атмосферных разрядов на основе генераций лавин релятивистских электронов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.02 ВАК РФ

Кудрявцев, Андрей Юрьевич АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

2006 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.02 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Развитие механизма восходящих атмосферных разрядов на основе генераций лавин релятивистских электронов»

Автореферат диссертации на тему "Развитие механизма восходящих атмосферных разрядов на основе генераций лавин релятивистских электронов"

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М.В.ЛОМОНОСОВА

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ им. Д.В.СКОБЕЛЬЦЫНА

На правах рукописи

Кудрявцев Андрей Юрьевич

РАЗВИТИЕ МЕХАНИЗМА ВОСХОДЯЩИХ АТМОСФЕРНЫХ РАЗРЯДОВ НА ОСНОВЕ ГЕНЕРАЦИЙ ЛАВИН РЕЛЯТИВИСТСКИХ ЭЛЕКТРОНОВ

Специальность: 01.04.02 - теоретическая физика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 2006

Работа выполнена в Российском федеральном ядерном центре - Всероссийском научно - исследовательском институте экспериментальной физики.

Научный руководитель: профессор,

доктор физико-математических наук

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

доктор физико-математических наук

Бабич Леонид Петрович, Российский федеральный ядерный центр - ВНИИЭФ

Зыбин Кирилл Петрович, Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН

Хренов Борис Аркадьевич, НИИЯФ МГУ

Ведущая организация: Институт ядерных исследований Российской Академии наук (Москва)

Защита состоится « /У» £^1Сл<МЛ 2006 года в часов на

заседании Диссертационного совета К501.001.03 в Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова по адресу: 119992, Москва, Ленинские горы, НИИЯФ МГУ, 19-й корпус, аудитория 2-15.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИИЯФ МГУ.

Автореферат разослан ЛН^^ЪЛ 2006 года.

Ученый секретарь Диссертационного совета KS01.001.03

к.ф.-м.н. (М^еЗ^-^^ллСл. А.К. Манагадзе

/Vf?

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Инициирование молнии и механизм развития ступенчатого лидера - проблемы, нерешенные до настоящего времени, несмотря на продолжительную историю. Генерация проникающих излучений в поле грозовых облаков - еще одна нерешенная проблема, связанная с грозовой активностью. Гипотеза о возможности ускорения заряженных частиц до высоких энергий полями грозовых облаков высказана Вильсоном в 1924 г. [1]. Обсуждая в 1926 г. в связи с гипотезой Вильсона "...проблему происхождения проникающего излучения, зарегистрированного в атмосфере Земли...", Эддингтон ввел термин "убегающие электроны" (УЭ), т.е. электроны, ускоряющиеся в плотных газовых средах [2]. Эксперименты по обнаружению проникающей радиации в корреляции с грозовой активностью атмосферы проводятся с начала 30-х годов (см. обзор в [3]). Идея о том, что начальные стадии молний развиваются с участием УЭ, позволяет преодолеть трудность, связанную с низкой напряженностью грозового поля.

Третьей интригующей проблемой атмосферного электричества, которая решается в рамках указанной идеи, являются высотные оптические феномены в объемах ~ 1000 км3 и более: "голубые струи" (Blue Jets), "красные духи" (Red Sprites) [4-6] и др., - происхождение которых связывают с гигантскими восходящими атмосферными разрядами (ВАР). В корреляции с грозовой активностью регистрировались необычайно мощные и короткие радио- [7] и у-импульсы [8-10]. В 1992 г. Гуревичем, Милихом и Рюсселем-Дюпре был предложен механизм, способный единообразно объяснить всю совокупность наблюдаемых явлений [11-13]. В его основе лежит идея о развитии лавин релятивистских убегающих электронов (ЛРУЭ), инициируемых космическим излучением. В России и США уделяется большое внимание полевым исследованиям ВАР, разрабатывается механизм ВАР и создаются соответствующие численные модели, позволяющие вести расчеты характеристик излучений ВАР в радио, оптическом и гамма диапазонах. Актуальность исследований ВАР определяется как интересами фундаментальной физики атмосферного электричества, так и рядом практических задач, которые изложены ниже.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования являются ВАР и сопровождающие их излучения. Предметом исследования являются скорость развития ЛРУЭ, характеристики оптического, гамма- и нейтронного излучений ВАР.

Целью работы являлось развитие механизма ВАР, включающее создание информационной и программной основ для расчетов кинетики заряженных частиц, оптического излучения и импульсов проникающих излучений, что предполагало выполнение работ по трем направлениям. 1. Разработка эффективной численной методики расчета характерного временного масштаба усиления ЛРУЭ „/^Вычисление /е как функции

РОС. НАЦИОИллоНА* j 3 БИБЛИОТЕКА I

Cnererfypr | OS Mfc»wt?C/ :

Ч I ¡.m rt

перенапряжения S = eEIFm,„P, т.е. отношения электрической силы к минимальному значению усредненной силы трения, действующей на электроны со стороны атомарных частиц Fmm = 218 кВ/(м атм.).

2. Создание физической модели ВАР с учетом геомагнитного поля, анализ гамма - импульсов атмосферного происхождения, зарегистрированных с борта орбитальной станции, и усиления потока нейтронов в атмосфере, зарегистрированных в корреляции с ЭМИ молнии.

3. Математическая формулировка физической модели ВАР в самосогласованном электрическом поле, разработка соответствующей компьютерной программы и численное моделирование ВАР: расчеты кинетики заряженных частиц, яркости и спектров оптического излучения.

Научная новизна. Исследования электрического пробоя атмосферы на релятивистских УЭ и механизма ВАР - новое направление в физике атмосферного электричества, в развитии которого автор принимал непосредственное участие, начиная с 1996 г. В диссертации получены следующие новые результаты.

1. Разработана методика и на ее основе создана экономичная компьютерная программа, предназначенная для численного моделирования ЛРУЭ.

2. Вычислены надежные величины характерного временного масштаба усиления лавины /е в воздухе в зависимости от перенапряжения, согласующиеся с результатами других авторов.

3. На основании новых данных о масштабах усиления лавины в рамках предложенной концепции последовательных генераций лавин релятивистских электронов, инициируемых космическим излучением, развита физическая модель ВАР в скрещенных электрическом поле грозового облака и геомагнитном поле.

4. В рамках развитой модели ВАР выполнен анализ гамма - импульсов атмосферного происхождения, зарегистрированных с борта орбитальной станции, и усиления потока нейтронов в атмосфере, зарегистрированных в корреляции с ЭМИ разрядов молнии, показавший, что эти явления могут быть обусловлены механизмом Гуревича - Милиха - Рюсселя-Дюпре.

5. Развита математическая модель ВАР в самосогласованном электрическом поле, отличающаяся детальным учетом физических процессов и многогрупповым описанием кинетики убегающих электронов на основании новой зависимости длины усиления релятивистской лавины от перенапряжения и давления. Разработана двумерная компьютерная программа, реализующая модель, и выполнено численное моделирование ВАР, в результате чего получены пространственно - временные распределения заряженных частиц и оптического излучения, согласующиеся с натурными наблюдениями. Показано, что оптические явления на разных высотах обусловлены возбуждением флуоресценции непосредственно УЭ и релаксирующими вторичными электронами (относительно низкие высоты, Blue Jets), фоновыми и вторичными

электронами, пришедшими в равновесие с локальным полем (средние высоты, Red Sprites). Впервые объяснена большая длительность свечения Blue Jets, как следствие рекомбинации положительных и отрицательных ионов в распадающейся плазме после прохождения ЛРУЭ. Генерация импульсов жесткого гамма - излучения связывается с Blue Jets.

Достоверность полученных результатов обоснована согласием характеристик ЛРУЭ, вычисленных различными методами, и согласием характеристик ВАР, полученных численным моделированием, с данными натурных наблюдений.

Практическая значимость исследований пробоя воздуха на релятивистских УЭ, как наиболее вероятного механизма ВАР, определяется тем, что необычайно мощные радио - импульсы, сопровождающие ВАР, способны влиять на надежность запуска ракет различного назначения и безопасность движения воздушных судов, а импульсы проникающих излучений - на здоровье экипажей и пассажиров самолетов. Гамма - импульсы и мощные радио - импульсы атмосферного происхождения могут восприниматься системами обнаружения как следствие несанкционированных ядерных взрывов, и по этой причине представляют интерес для контроля за нераспространением ядерного оружия. Методика и программа, предназначенные для расчета диффузных разрядов с участием УЭ, представляют интерес для моделирования объемных разрядов, применяемых в электрофизических установках.

Личный вклад автора заключается в развитии математических моделей, разработке и тестировании компьютерных программ, выполнении численного моделирования, анализе промежуточных и окончательных результатов.

Апробация работы. Результаты диссертации докладывались на следующих конференциях и семинарах:

• XXIII международная конференция по явлениям в ионизованных газах ICPIG-XXIII. Тулуза, Франция, июль, 1997 г.

• Осенний семинар Американского геофизического союза, США, 1997.

• Российско - американский семинар "Пробой на убегающих электронах и его роль в инициировании молнии". Л ос Аламос, США, октябрь, 1998 г.

• Международная конференция по молнии и статическому электричеству ICOLSE 1999. Тулуза, Франция, июнь, 1999 г.

• Российско - американский семинар "Электрический пробой воздуха с убегающими электронами и его участие в инициировании молнии". Саров, Россия, август, 2002.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 работ, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы из 203 наименований, изложена на 166 страницах, включает 23 рисунка и 10 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обосновывается актуальность и практическая целесообразность работы, формулируются цели, перечисляются новые результаты, дана общая характеристика работы по главам.

В первой главе выполнен исторический обзор проблемы, кратко описаны полевые эксперименты по регистрации проникающих излучений и наблюдения высотных оптических явлений над грозовыми облаками, изложен механизм пробоя на релятивистских УЭ и его развитие. Формулируются проблемы, не решенные к 1996 г., когда автор начал работать над ними, и результаты, полученные автором.

Во второй главе исследуется вопрос о скорости развития ЛРУЭ, характеризуемой временем ее усиления I, в е раз, для вычисления которого реализованы два подхода: решение кинетического уравнения (КУ) и моделирование методом МК.

В табл. 1 приведены значения и для трех 8, представляющих интерес для физики ВАР, полученные методом КУ, по программе МК ВНИИЭФ ЭЛИЗА, предназначенной для решения задач совместного транспорта в веществе электронов, позитронов и фотонов с учетом всех элементарных процессов, и по разработанной автором упрощенной методике МК (УМК), в которой движение электронов между столкновениями описывается электрической силой и силой трения F(z), а стохастически моделируются упругое рассеяние на ядрах и процессы рождения электронов высоких энергий [18, 20, 22 - 24]. Аналогичная программа использовалась в работе [14].

Таблица 1. Характерное время усиления лавины t с (не). Воздух, Р = 1 атм. Пересчет на произвольное Р: t t(P) = / е(1 атм.)/Р.

Перенапряжение 5 = £/(218 кВ/м) 2 5 8

КУ ЛАНЛ [24] 161 34,4 18,9

ВНИИЭФ [15] -250 44 ~21

[22 - 24] 197 39,9 21,2

МК Lehtinen et al. [141 174,4 33,2 17,3

УМК [20] 445 43 22

УМК [22 - 241 200 35,6 18,6

ЭЛИЗА [19,22 - 24] 440 54 27,5

П61 189,7 34,3 17,8

Расхождение результатов УМК [22 - 24] и последних результатов программы ЭЛИЗА [16] не превышает 5 %, что является указанием на

достаточность процессов, учитываемых в УМК, которая точнее КУ и в силу своей экономичности эффективнее программы ЭЛИЗА. Результаты расчетов 1С по КУ приближаются к результатам, полученным методом МК.

В третьей главе анализируется природа импульсов у - излучения атмосферного происхождения, зарегистрированного с борта орбитальной станции [8] в низких широтах. Анализ выполнен в рамках модели ВАР, основанной на концепции последовательных генераций релятивистских лавин, инициируемых космическим излучением, с учетом точных данных о и изгибания траекторий УЭ геомагнитным полем [21, 25 - 27].

Таблица 2. у - эмиссия по четырем энергетическим каналам [8]. Яс | = 18 км, В- 40 мкТл, Л = 500 км, площадь детектора = 0,2 м2, е0= 1 МэВ, Етзх=51 МэВ._____

Номер канала Ъч | Ичг ^г(Яо) ЩЯ) <й\»(/?) /да

кэВ кэВ ю'4 кэВ 1/(0,1 мс)

5 = 2 (2с1 = 75 Кл), Но = 25,5 км

1 20 50 114 2 26

2 50 100 76 7 73

3 100 300 104 26 197

4 300 Егпах 160 235 2901

Итого 20 454 270 2546 -9-27

5 = 3 (й, - 75 Кл), Н0 = 28,4 км

1 20 50 102 8.2 44

2 50 100 68 27 76

3 100 300 92 68 188

4 300 Етах 143 328 2482

Итого 20 ^тах 405 431.2 1924 -34-43

5 = 4 (0С| = 75 Кл), Н0 = 30,5 км

1 20 50 261 56 37

2 50 100 174 137 75

3 100 300 237 300 184

4 300 ^тах 366 1073 2273

Итого 20 ^тах 1037 1566 1600 -52-157

Эксперимент [8] -50-800 -15-30

Модель предполагает иерархию времен /е « (Н0-Нс{)/с « Д^ш* ~ А'т, где (#о-ЯС|)/с - продолжительность одной генерации УЭ между вершиной облака, расположенной на высоте Ис1, и высотой изгиба Я0, Д^.кь - локальная продолжительность ВАР, ограниченная экранировкой поля плазмой и близкая к длительности у-импульсов Д/у к 1-3 мс [8]. Использованы энергетические и угловые распределения УЭ в интервале энергий [е0, етах], полученные численным моделированием. Результаты приведены в табл. 2, где /УГ(Я0) - число

фотонов, эмитируемых источником, /?), <Лу>(Л) и N (К)»- число фотонов, их средняя энергия и скорость счета на высоте орбиты станции /?.

Интегральные величины ЩИ) и //ДЛ) для 5 = 2 и 5 = 3 хорошо согласуются с результатами измерений [8]. Согласие результатов расчетов для меньших 5 с экспериментом свидетельствует о достоверности самой модели и принятых значений основных величин, поскольку меньшие £>с| чаще встречаются в природе.

Рассчитанный спектр у - излучения оказался несколько жестче, чем в сообщении [8], что связано с принятыми приближениями. Так, максимальная энергия 8тах = 51 МэВ в установившемся распределении УЭ по энергиям соответствует бесконечному пространству. Фактическое распределение УЭ ограничено падением потенциала между вершиной облака и высотой изгиба. С другой стороны, энергия фотонов ~ 1 МэВ, приведенная в [8], является только оценкой.

Согласие свидетельствует в пользу механизма Гуревича - Милиха -Рюсселя-Дюпре [11-13], в рамках которого в работах других авторов также анализировались у-импульсы земного происхождения, но с использованием завышенной скорости развития ЛРУЭ. Непротиворечивость наших вычислений и натурных наблюдений [8] достигнута по двум причинам: учтена сила Лоренца и ВАР рассматривался как процесс, включающий много генераций лавин, обеспечиваюших интенсивный поток УЭ.

В случае вертикального распространения ВАР, способного проникать на большие высоты, что реально для высоких широт, масштабы усиления ЛРУЭ сказываются на конечном результате через прекращение лавинного усиления на больших высотах.

В четвертой главе решается задача о развитии ВАР в самосогласованном электрическом поле в приближении сплошной среды [28]. Разработана Ю программа и выполнено моделирование ВАР. За основу взята система уравнений в приближении сплошной среды, использованная в работах других авторов, но система была существенно модифицирована, что сделало ее более адекватной природным процессам.

• Принят многогрупповой подход для описания УЭ, позволяющий повысить точность расчетов, естественно "сшить" область УЭ с областью дрейфующих электронов низких энергий и получить распределение УЭ по энергиям.

• Ранее в 1.5 Э - модели описание УЭ было реализовано в рамках концепции трубок тока. Здесь моделирование ВАР ведется в полностью 2Э - геометрии в рамках последовательно гидродинамического подхода.

• В отличие от предыдущих работ, где использована сильно завышенная скорость развития ЛРУЭ, благодаря использованию точных данных о времени усиления ЛРУЭ излагаемая модель более адекватна природному процессу.

• Той же цели служит учет движения положительных и отрицательных ионов, который не был включен в уравнения всех предыдущих работ, а также более адекватные модели включения поля над грозовым облаком.

Система многогрупповых уравнений для УЭ. Популяция УЭ разбивается на N энергетических групп [£"„ч,£"„] в диапазоне £"тах], где £1Ь - порог

убегания (второй корень уравнения еЕ=Г(г) [3]). Уравнения неразрывности, движения и энергии для п-й группы УЭ (л е [1, /V]) записываются следующим образом:

д1

д(щ)\

ту

пт

ч , Ч»)

пт

с гг(") )л

= -еЕ>-Г —¿Г> (2)

I пт I

д(

Операторы и отвечающие за отток электронов из группы я в

группу я - 1 или я + 1 и за приток электронов в группу я из соседних групп, имеют следующий вид:

>)=.(„,) {а(:;'\ ¿о, !<«<*-! аг " [

Приняты обозначения: я^- концентрация, - направленная скорость и - скорость УЭ, - внешний источник УЭ я-й группы (практически

Я^} = 8т„ ■ 8М), - сила трения, действующая на электроны группы я. В уравнении движения (2) ¡ = г,г в цилиндрических координатах. Множитель Лоренца у одинаков для всех групп.

Для скорости наработки УЭ я-й группы принята следующая аппроксимация

= -Р(^м.)/с(е(3), (5)

Кинетика вторичных электронов низких энергий, генерируемых ВАР, фоновых электронов, положительных и отрицательных ионов описывается

локальными уравнениями баланса в дрейфовом приближении с учетом процессов размножения в ударной ионизации, рекомбинации и прилипания.

Вторичные (.у) и фоновые (Ь) электроны низких энергий:

Эп (6)

+ V(и, • и,) = у,и, - Ье<и, л, - щ, + Я,пт„ + 4,1,

от

дп (7)

—Ь- + У(пь ■Ub) = vlnь-b„nь■n,-щl,+Sl,. от

Положительные и отрицательные ионы:

+ V (л+ • ) = v, (л, + ) + + ^ + 5 - ^ (8)

К. (", + п„)п+ —Ь_.пп, + (/?„„ + Л,)и„„

дп , ч , _ (9)

—- + ■ и ) = ф, + )~ + 5..

от

Приняты обозначения: V, - частота ионизации молекул электронами, о,, иь, и+ и П_ - скорости дрейфа вторичных электронов, фоновых электронов, положительных и отрицательных ионов, Ье+ и ¿>_+ коэффициенты рекомбинации электронов с положительными ионами и положительных и отрицательных ионов, г| - коэффициент прилипания электронов к молекулам кислорода, 5ь, 5. и 5ШП - источники фоновых электронов, отрицательных ионов и УЭ. Скорость генерации низкоэнергетичных электронов в соударениях УЭ с молекулами ДДг) = /гт1„(0)/'(г)с/Де1ОП = 2.18-10"/"(атм.) выражена через

цену одной электрон - ионной пары Де101)«32эВ. 5'ь и 5. получены на основании литературных данных о концентрации фоновых электронов, а 5гап -на основании данных о потоке высокоэнергетичных электронов в широких атмосферных ливнях. Для У1, скоростей дрейфа, коэффициентов прилипания и рекомбинации и использованы литературные данные. При формулировке начальных условий использованы литературные данные о проводимости атмосферы а и подвижности положительных и отрицательных // ионов. Начальные условия выглядят следующим образом:

„<:>(,=о)=о, оо)

и(/ = 0) = 0, (11)

иь (' = 0) =

^4+{г[км]-«0)/б.7 - для ночной атмосферы, (12)

106+и»']-60)/10

- для дневной атмосферы, иД/ = 0) = и_(; = 0) + и,(/ = 0), (13)

И.(/=0) = <7(г)/в-(^(2) + //.(2)). (И)

Для вычисления самосогласованного электрического поля реализован экономичный подход, в котором напряженность вычислялась в квазиэлектростатическом приближении из уравнения непрерывности полного тока

Э/ д( д( £й д(

где Е0 - диэлектрическая проницаемость вакуума; Ёш и £сх1 (г, г, -напряженности поля зарядов и поля, создаваемого зарядами грозового облака; 7 - плотность тока проводимости.

Модель электрического поля облака Согласно общепринятому механизму поле над грозовым облаком вначале экранировано поляризованной плазмой между вершиной облака и ионосферой. По мере того как положительный заряд облака уносится молнией, над облаком появляется поле, равное в силу принципа суперпозиции полю зарядов облака в отсутствие экранировки ВАР развивается в поле поляризационных зарядов, которое моделируется полем равномерно заряженного тонкого диска. Учитываются отражения относительно поверхности земли (высота г - 0 км) и нижнего уровня электросферы (г = 60 км). Радиус диска вычисляется по формуле:

я ,л 7(0/2*,</„1!с1,; (16)

= 1 г------

где мгновенное значение заряда диска, - его

максимальная величина.

Флуоресиениия молекул. возбуждаемая ВАР рассчитана в квазистатическом приближении с учетом столкновительного тушения. Вычислялись наблюдаемые величины: пространственно - временное распределение яркости и цвета флуоресценции, обусловленной излучением в четыре полосы, возбуждаемые в воздухе: первая положительная система азота 1Р в красном и инфракрасном диапазонах (переходы В3П8-»А31* молекулы

N2, Х = 570^1040 нм); система Мейнеля М (переходы А1 П->Х21. иона Т^, \ = 500-2000 нм); вторая положительная 2Р и первая отрицательная система Ш в ультрафиолетовой и синей части спектра (переходы С3ПЦ —> В3П8 N2 и В2Еи —» Х2£* N^2, Я. = 290-530 нм). Люминофор телекамеры, использованной

авторами [4 - 6], чувствителен к длинам волн 400-500 нм и 600 - 700 нм. Расчет флуоресценции выполнялся по методике, существенно уточненной по сравнению с предыдущими работами. Для каждой системы линий получена матрица, элементы которой суть относительная доля излучения суммарного излучения в данной системе, приходящаяся на данный колебательный переход. Рассчитаны эффективности флуоресценции, подобраны соответствующие коэффициенты тушения. Зависимости от времени яркости флуоресценции, возбуждаемой релаксирующими вторичными электронами, нарабатываемыми непосредственно в процессе развития релятивистских лавин, Уау(/), и флуоресценции, возбуждаемой вторичными и фоновыми электронами, равновесными полю, У5(/)+7ь(г), вычислялись отдельно. Чтобы иметь возможность сравнивать результаты моделирования с данными натурных наблюдений, выполнялось усреднение по длительности кадра камеры [4 - 6]: <лу> и </,+л>.

Результаты моделирования. Исследовано несколько конфигураций, генерирующих поле над грозовым облаком, отличающихся зарядом диска £>тах и его высотой Н. Моделировался случай разряда молнии на землю, длительностью /¿Ись = 1 мс. Расчеты выполнены для двух вариантов включения поля поляризационных зарядов разрядом молнии.

• В первом варианте радиус диска изменялся согласно формуле (16), так что плотность заряда оставалась постоянной.

• Во втором варианте радиус диска полагался постоянным, а плотность заряда менялась согласно а = ц(/)/я/?^18к.

Ниже приведены результаты для конфигурации £)тах = 130 Кл и Н = 14 км. В согласии с наблюдательными данными получены две четко выраженные светящиеся области: на высотах 15-20 км и высотах 60-80 км.

На рис. 1 приведены распределения по высоте вдоль оси симметрии разряда яркости флуоресценции. Видно, что на больших высотах способ включения практически не влияет на распределение яркости и ее величину. Вблизи облака излучающая область и величина яркости существенно больше в случае постоянного радиуса диска.

0> с; е>

О- з

б -I 4

постоянный радиус переменный радиус

I I I г I

г, км

Рис. 1. Распределение по высоте яркости на оси разряда для двух вариантов

включения поля

На рис. 2 показан вклад компонент <^ау> и в суммарную яркость

флуоресценции. Нижний максимум свечения обусловлен в основном компонентой <Уау> и частично - <Jse+Jьr>, а верхний - (рис. 3).

Рис. 2. Вклад компонент <^ау> и </„+(*> в суммарную яркость флуоресценции.

Переменный Ла„к

Рис. 3. Вклад фоновых и вторичных электронов в верхний максимум свечения.

Переменный ДЛ5к

Эволюция во времени распределения яркости вдоль оси разряда по высоте для переменного Riak иллюстрируется на рис. 4. В случае i?disk = const процесс развивается аналогично.

Z, км

Рис. 4. Распределение яркости флуоресценции по высоте. Переменный R^,sk

Свечение в верхней части разряда начинается у границы ионосферы и распространяется вниз Мгновенная амплитуда яркости, смещаясь вниз, почти не меняется во время разряда молнии. После прекращения тока молнии яркость резко уменьшается. Положение максимума яркости в нижней части свечения практически не меняется. Амплитуда яркости нарастает во время разряда молнии и резко падает после его прекращения.

Зависимости яркости от времени для переменного радиуса диска приведены на рис. 5 на высотах, где находятся максимумы яркости. Длительность флуоресценции на полувысоте равна 0.3 мс для нижнего максимума и 0.2 мс - для верхнего. Общая длительность флуоресценции на всех высотах ~ I мс близка к длительности молнии.

t, мс

Рис. 5. Зависимости от времени яркости свечения на высотах, соответствующих максимумам яркости. Переменный /îd,sk

Естественно полагать, что флуоресценция нижней области отвечает Blue Jets, а верхней - Red Sprites. Флуоресценция нижней области обусловлена переходами системы 2Р молекул азота, а верхней - переходами систем 1Р и 1N Это определяет цвет свечения: голубой - в нижней части и красный - в верхней. Синий цвет флуоресценции нижней области (Blue Jet) объясняется тем, что константа тушения состояния С3Пи, ответственного за синее свечение, намного меньше, чем состояния В3ПЕ, ответственного за красное свечение. Красный цвет флуоресценции верхней области (Red Sprite) объясняется тем, что на больших высотах тушение мало, а эффективность флуоресценции вследствие возбуждения В3П8 намного больше, чем за счет возбуждения других состояний, и, кроме того, высвечивание синего фотона в результате переходов С3Пи —» В3Пв сопровождается высвечиванием красного.

Как и в предыдущих публикациях по моделированию ВАР, длительность флуоресценции нижней области оказывается много меньше длительности Blue Jets, равной ~ 100 мс [5, 6]. Причиной является экранировка внешнего поля поляризующейся плазмой положительных и отрицательных ионов, создаваемой б процессе развития ЛРУЭ. Для объяснения большой длительности Blue Jets привлечен механизм, доминирующий в распадающейся плазме после завершения генераций ЛРУЭ. В результате рекомбинации положительных и отрицательных ионов энергия аккумулируется в возбужденных состояниях молекул азота, а затем излучается по различным каналам, в том числе идет в излучение в полосах 1Р и 2Р. На основании пространственно - временных распределений положительных и отрицательных ионов выполнены расчеты яркости флуоресценции рекомбинационного излучения (рис. б), амплитуда которой оказалась близкой к результатам наблюдений. Для высоты 20 км характерное время рекомбинации равно 100 мс, что согласуется с длительностью Blue Jets.

Z, KM

Рис. 6. Усредненная яркость рекомбинационного излучения. Постоянный

Число и спектр гамма - квантов, генерируемых ВАР и достигающих высот орбитальной станции [8], рассчитанные на основании распределений концентрации УЭ в пространстве и времени, согласуются с числом квантов, зарегистрированным с борта станции, и распределением квантов по энергетическим каналам детектора. Показано, что вспышки атмосферного гамма - излучения связаны с оптическими явлениями Blue Jets. Для одной из конфигураций вычислен выход фотоядерных нейтронов из объема ВАР, составивший величину ~ 1013, вполне наблюдаемую на больших высотах.

В заключении приведены основные результаты и положения, выносимые на защиту.

1. Гибридная модель ЛРУЭ, основанная на методе Монте-Карло (МК), в которой движение электронов описывается в поле электрической силы и эффективной силы трения, отвечающей за усредненные энергетические потери в неупругих взаимодействиях с атомарными частицами, а описание упругого рассеяния на ядрах и редких событий рождения электронов с энергией, превышающей порог убегания, ведется стохастически на основе соответствующих элементарных сечений.

2. Точные значения характерного времени усиления лавины в зависимости от перенапряжения относительно релятивистского минимума силы трения.

3. Результаты теоретического анализа и численного моделирования, показавшие, что импульсы жесткого гамма - излучения атмосферного происхождения, зарегистрированные над грозовыми облаками с борта орбитальной станции, могут быть обусловлены механизмом Гуревича -Милиха - Рюсселя-Дюпре и связаны с высотными оптическими явлениями Blue Jets.

4. Результаты теоретического анализа, показавшие, что вероятность реакций ядерного синтеза в канале молнии, который традиционно рассматривается как источник нейтронов в грозовой атмосфере, крайне мала, а генерация нейтронов в грозовых электрических полях есть следствие фотоядерных реакций в гигантских ВАР над грозовыми облаками, обусловленными тормозным излучением релятивистских убегающих электронов.

5. Строгая математическая модель ВАР в самосогласованном электрическом поле, реализующая приближение сплошной среды и отличающаяся многогрупповым описанием электронов высоких энергий, детальным описанием кинетики фоновых и вторичных электронов низких энергий, положительных и отрицательных ионов и излучательной кинетики в оптическом диапазоне.

6. Результаты двумерного моделирования ВАР: пространственно -временные распределения заряженных частиц, напряженности электрического поля, яркости и спектров оптического излучения, показавшие, что генерация ЛРУЭ лежит в основе наблюдаемых высотных оптических явлений. Оптические явления на разных высотах обусловлены возбуждением флуоресценции релаксирующими вторичными электронами, генерируемыми непосредственно релятивистскими электронами лавины (синее свечение на относительно низких высотах, Blue Jets), фоновыми и вторичными электронами, пришедшими в равновесие с локальным полем (красное свечение на больших высотах, Red Sprites). Большая длительность свечения Blue Jets обусловлена излучением рекомбинирующей плазмы ионов после прохождения лавины.

Список цитированной литературы

1. Wilson C.T.R. The acceleration of (3-particIes in Strong Electric Fields such as those of Thunderclouds. // Proc. Cambridge Phil. Soc. V.22. P. 534. 1924.

2. Eddington A.S. The origin of stellar energy // Supplement to Nature. No 2948 P. 25. 1926.

3. Babich L.P. Highenergy phenomena in electric discharges in dense gases: theory, experiment and natural phenomena. ISTC Science and Technology Series, V.2, ISSN 1234-5678. Futurepast Inc. Arlington, Virginia, USA. 2003.

4. Sentman D.D., Wescott E.M., Osborn D.L., Hampton D.L. and Heavner M.J. Preliminary Results from the Sprite 94 Aircraft Campaign. 1. Red Sprites. // Geophys. Res. Lett. V. 22. P. 1205. 1995.

5. Wescott E.M., Sentmen D.D., Osborn D.L., Hampton D.L., and Heavner M.J. Preliminary Results from the Sprite 94 Aircraft Campaign 2. Blue Jets. // Geophys. Res. Lett. V. 22. P. 1209. 1995.

6. Sentman D.D. and Wescott E.M. Red sprites and blue jets: Thunderstorm -exited optical emissions in the stratosphere, mesosphere, and ionosphere. // Phys. Plasmas. V. 2. P. 2514. 1995.

7. Massey R.S., Holden D.N. Phenomenology of Transionospheric Pulse Pairs // Radio Sci. V. 30. P. 1645. 1995.

8. Fishman G.J., Bhat P.N., Mallozzi R., Horack J.M., Koshut Т., Kouveliotou C., Pendleton G.N., Meegan C.A., Wilson R.B., Paciesas W.S., Goodman S.J., Christian H.J. Discovery of Intense Gamma - Ray Flashes of Atmospheric Origin. // Science. V. 264. P 1313. 1994.

9. Eack K.B., Beasley W.B., Rust W.D., Marshall T.C. and Stolzenburg M. X-ray pulses observed above a mesoscale convective system. // Geophys. Res. Lett. V. 23. P. 2915. 1996.

10. Eack K.B., Beasley W.B., Suszcynsky D.M., Roussel-Dupre R. and SymbalistyE. Gamma-ray emissions observed in a thunderstorm anvil. // Geophys. Res. Lett. V.27. P. 185. 2000.

11. Gurevich A V., Milikh G.M., and Roussel-Dupre R.A. Runaway electron mechanism of air breakdown and preconditioning during a thunderstorm // Phys. Lett. A. V. 165. P. 463-468. 1992.

12. Roussel - Dupre R.A., Gurevich A.V., Tunnell Т., Milikh G.M. Kinetic theory of runaway air breakdown. // Phys. Rev. E. V. 49. P. 2257. 1994.

13 Гуревич А.В., Зыбин К.П. Пробой на убегающих электронах и электрические разряды во время грозы. // УФН. Т. 171. С. 1177. 2001.

14 Lehtinen N.G., Bell T.F., Inan U.S Monte Carlo simulation of runaway MeV electron breakdown with application to red sprites and terrestrial gamma ray flashes. // J. Geophys. Res. V. 104. P. 24,699. 1999.

15. Соловьев А.А., Терехин А.В., Терехин В.А., Тихончук В Т. О спектрально - угловых распределениях убегающих электронов. // Труды шестой Всероссийской конференции "Малые примеси в атмосфере. Атмосферное электричество". Нижний Новгород. Май 2000.

16. Бабич Л.П. Донской Е.Н., Илькаев Р.И., Куцык И.М., Рюссель-Дюпре Р.А. Фундаментальные характеристики лавины релятивистских убегающих электронов в воздухе. // Физика плазмы. Т. 30. С. 666. 2004.

Работы, опубликованные автором по теме диссертации:

1. Babich L.P., Kudrvavtsev A.Yu., Kutsyk I.M. The Effect of Runaway Electron Avalanches on X-ray Modulation Inside Thunderstorm. In: Proceedings of XXIII International Conference on Phenomena in Ionized Gases, Toulouse, France, 1997. Contributed papers. V. IV. P. IV-2 - IV-3. 1997.

2. Babich L.P., Kudrvavtsev A.Yu.. Kutsyk I.M., Mozgovoi A.L. The Effect of Geomagnetic Field on the Development of the Upward Directed Discharge. In: Proceedings of XXIII International Conference on Phenomena in Ionized Gases, Toulouse, France, 1997. Contributed papers. P. IV-6. 1997.

3. Symbalisty E.M.D., Roussel - Dupre R.A., Babich L.P., Donskoy E.N., Kudrvavtsev A.Yu.. Kutsyk I.M. Re-evaluation of electron avalanche rates for runaway and upper atmospheric discharge phenomena. // Eos Transaction of American Geophysical Union (AGU). V. 78. P. 4760. 1997.

4. Babich L.P., Donskoy E.N., Kutsyk I.M., Kudrvavtsev A.Yu. New data on space and time scales of relativistic runaway electron avalanche for thunderstorm environment: Monte Carlo calculations. // Phys. Lett. A V. 245. P. 460. 1998.

5. Babich L.P., Kutsyk I.M., Kudrvavtsev A.Yu. Calculation of X-ray emission of gigantic upward atmospheric discharges governed by relativistic runaway electrons. In: Proceedings of International Conference on Lightning and Static Electricity, Toulouse (France), 22 -24 June 1999, ICOLSE 1999-01-2405.

6. Бабич Л.П., Донской Е.Н. Илькаев Р.И., Кудрявцев А.Ю.. Куцык И.М., Шамраев Б.Н. Скорость развития лавины релятивистских убегающих электронов для нормальных условий. // ДАН. Т. 379. С. 606. 2001.

7. Бабич Л.П., Донской Е.Н., Кудрявцев А.Ю.. Куцык И.М., Шамраев Б.Н. Скорость развития лавины релятивистских убегающих электронов для нормальных условий. // Труды РФЯЦ - ВНИИЭФ. Вып. 1. С. 432. 2001.

8. Babich L.P., Donskoy E.N., Kutsyk I.M., Kudrvavtsev A.Yu., Roussel-Dupre R.A., Shamraev B.N., Symlalisty E.M.D. Comparison of Relativistic Runaway Electron Avalanche Rates Obtained from Monte Carlo Simulations and from Kinetic Equation Solution. // IEEE Transactions on Plasma Science. V. 29. No 3. P. 430. 2001.

9. Бабич Л.П., Илькаев Р.И., Кудрявцев А.Ю.. Куцык И.М., Рюссель -Дюпре P.A. Анализ гамма - импульсов атмосферного происхождения, зарегистрированных орбитальной станцией. //ДАН. Т. 381. С. 247. 2001.

10. Бабич Л.П., Илькаев Р.И., Кудрявцев А.Ю.. Куцык И.М. Анализ гамма -импульсов атмосферного происхождения, зарегистрированных орбитальной станцией. // Труды РФЯЦ - ВНИИЭФ // Вып. 4. С. 164. 2003.

11. Бабич Л.П., Илькаев Р.И., Кудрявцев А.Ю.. Куцык И.М., Рюссель -Дюпре P.A., Цымбалистый Ю.М.Д. Анализ гамма - импульсов атмосферного происхождения на основе механизма генераций лавин релятивистских электронов. // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 44. № 2. С. 266. 2004.

12. Кудрявцев А.Ю., Кудрявцева М.Л., Куцык И.М. Расчет гигантского восходящего атмосферного разряда и кинетики оптического излучения // Препринт ВНИИЭФ-98-2005.

Подписано в печать 17.10.2005. Формат 60x84/16 Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,4. Уч. - изд. л. 1, 4 Тираж 100 экз. Зак. тип. П.Д. 00568 от 22.05.2000

Отпечатано в ИПК ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ" 607188, г.Саров Нижегородской обл.

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Кудрявцев, Андрей Юрьевич

ВВЕДЕНИЕ

1. ИСТОРИЯ ПРОБЛЕМЫ 15 1.1 Гипотеза Вильсона

1.2. Измерения усиления проникающего излучения в атмосфере в корреляции с грозовой активностью

1.2.1. Наземные измерения проникающих излучений электромагнитной природы

1.2.2. Летные измерения усиления проникающих излучений электромагнитной природы в грозовых облаках

1.2.3. Усиление потока нейтронов в грозовой атмосфере

1.3. Высотные оптические явления над грозовыми облаками

1.4. Механизм генерации проникающих излучений грозовыми полями и природа высотных оптических явлений над грозовыми облаками. Теория и численное моделирование

Введение диссертация по физике, на тему "Развитие механизма восходящих атмосферных разрядов на основе генераций лавин релятивистских электронов"

Механизмы инициирования молнии и развития ступенчатого лидера - проблема, нерешенная до настоящего времени, хотя имеет столь же продолжительную историю, как и исследования в области электричества. Генерация проникающих излучений в поле грозовых облаков вообще и в молнии в частности - еще одна интригующая проблема, связанная с грозовой активностью, нерешенная до сих пор, несмотря на почти вековую историю. Гипотеза о возможности ускорения заряженных частиц до высоких энергий электрическими полями грозовых облаков высказана и обоснована Вильсоном в 1924 г. Для электронов, ускоряющихся в плотных средах принят термин "убегающие электроны" (УЭ), который ввел Эддингтон в 1926 г., обсуждая в связи с гипотезой Вильсона ".проблему происхождения проникающего излучения, зарегистрированного в атмосфере Земли.". Эксперименты по обнаружению проникающей радиации в корреляции с грозовой активностью атмосферы проводятся с начала 30-х годов. В некоторых из них статистически достоверно показано, что разряды молнии коррелируют с генерацией проникающих излучений. Идея о том, что начальные стадии "обычных" молний развиваются с участием убегающих электронов, кажется многообещающей, поскольку позволяет преодолеть основную трудность, связанную с тем, что напряженность грозового электрического поля на порядок ниже лабораторного порога пробоя. Возможно, обе проблемы тесно связаны друг с другом.

Кроме "обычных" контрагированных молний, имеются сообщения о менее известном типе атмосферных разрядов, представляющих третью интригующую проблему атмосферного электричества, которая решается в рамках указанной идеи. Над крупномасштабными системами грозовых облаков со спутников, самолетов и земной поверхности неоднократно наблюдались высотные оптические явления: "голубые струи" (Blue Jets), "красные духи" (Red Sprites) и др., - происхождение которых связывают с гигантскими восходящими атмосферными разрядами (ВАР). В отличие от контрагированной молнии ВАР развиваются как диффузионное свечение в объемах ~ 1 ООО км3 и более. В корреляции с грозовой активностью с орбитальных станций и самолетов регистрировались необычайно мощные и короткие радио и у-импульсы. Обнаружено, что грозовая активность приводит к усилению проникающей радиации электромагнитной природы в атмосфере на три порядка. Для интерпретации этих явлений в 1992 г. Гуревичем, Милихом и Рюсселем-Дюпре был предложен механизм, который представляется единственным, способным единообразно объяснить всю совокупность наблюдаемых электромагнитных явлений. Согласно этому механизму ВАР развиваются в довольно слабом электрическом поле над грозовыми облаками, недостаточном для обычного пробоя воздуха, благодаря усилению потока релятивистских электронов. В основе механизма лежит идея о развитии лавин релятивистских убегающих электронов (ЛРУЭ) с энергетическим спектром в районе минимума энергетических потерь (~1 МэВ), так что электрон оказывается убегающим в слабом поле грозы, а источником первичных высокоэнергетичных электронов является космическое излучение. Характерными масштабами такой лавины является длина /е и время tc = с/е ее усиления в е раз. В США в последнее десятилетие 20-го века уделялось и сейчас продолжает уделяться большое внимание полевым наблюдениям ВАР и измерениям их излучений. Одновременно в России и США разрабатывается механизм ВАР на основе развития ЛРУЭ и создаются соответствующие численные модели, в том числе, позволяющие вести расчеты масштабов te и /е и характеристик излучений ВАР в радио, оптическом и гамма диапазонах.

Актуальность исследований атмосферных разрядов с участием ЛРУЭ определяется как интересами развития фундаментальной физики атмосферного электричества, так и рядом практических задач, описанных ниже.

Целью работы являлось развитие механизма гигантских ♦ восходящих атмосферных разрядов, включающее создание информационной и программной основ для расчетов кинетики заряженных частиц, оптического излучения и импульсов проникающих излучений, что предполагало выполнение работы по следующим трем крупномасштабным направлениям.

1. Разработка эффективной численной методики расчета характерного временного масштаба усиления ЛРУЭ te. Вычисление te как функции перенапряжения 8 = eE/Fm\nP, т.е. отношения электрической силы к минимальному значению усредненной силы трения, действующей на электроны со стороны атомарных частиц Fmjn = 218 кВ/(м-атм.).

2. Создание физической модели ВАР с учетом эффектов геомагнитного поля и численный анализ гамма - импульсов атмосферного происхождения, зарегистрированных с борта орбитальной станции и усиления потока нейтронов в атмосфере, зарегистрированных в корреляции с ЭМИ разрядов молнии.

Научная новизна.

Исследования электрического пробоя атмосферы на релятивистских УЭ и механизма восходящих атмосферных разрядов (ВАР) - новое направление в физике атмосферного электричества, в развитии которого автор диссертации принимал непосредственное участие, начиная с 1996 г., £ т.е. через три года после опубликования пионерской работы Гуревича,

Милиха и Рюсселя-Дюпре.

В диссертации получены следующие новые научные результаты.

1. Разработана методика и на ее основе создана экономичная компьютерная программа, предназначенная для численного моделирования лавины релятивистских убегающих электронов.

2. Вычислены надежные величины характерного временного масштаба усиления лавины te в воздухе в зависимости от перенапряжения, согласующиеся с результатами других авторов.

Достоверность полученных результатов обоснована согласием характеристик релятивисткой лавины, вычисленных различными методами, и согласием характеристик ВАР, полученных численным моделированием, с данными натурных наблюдений.

Практическая необходимость исследований пробоя воздуха на релятивистских убегающих электронах, как наиболее вероятного механизма ВАР, определяется, прежде всего, тем, что необычайно мощные радио импульсы, сопровождающие ВАР, способны влиять на деятельность человека, сказываясь на надежности запуска ракет различного назначения и безопасности движения воздушных судов, а импульсы проникающих излучений - на здоровье экипажей самолетов и пассажиров. Необычные гамма - импульсы атмосферного происхождения могут восприниматься системами слежения как следствие несанкционированных ядерных взрывов, и по этой причине представляют интерес для контроля за нераспространением ядерного оружия.

Изучение механизма диффузных разрядов с участием ЛРУЭ представляется актуальным также в связи с потребностью в объемных разрядах для инициирования и накачки газовых лазеров и мощных малоиндуктивных коммутаторов электромагнитной энергии, необходимость в которых диктуется задачами развития электрофизических установок.

СТРУКТУРА ДИССЕРТАЦИИ

Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения и списка литературы.

Заключение диссертации по теме "Теоретическая физика"

Основные результаты диссертации опубликованы в 12 печатных работах и докладывались на следующих международных конференциях и семинарах:

• XXIII международная конференция по явлениям в ионизованных газах ICPIG-XXIII. Тулуза, Франция, июль, 1997 г. [XXIII International conference on phenomena in ionized gases ICPIG-XXIII. Toulouse, France, July, 1997].

• Осенний семинар Американского геофизического союза, США, 1997. [Autumn meeting of American geophysical union. USA, 1997].

Российско - американский семинар "Пробой на убегающих электронах и его роль в инициировании молнии". Лос-Аламос, США, октябрь, 1998 г. [Russian - American seminar "Runaway electron breakdown and implication for lightning initiation ". Los Alamos, USA, October, 1998].

Международная конференция по молнии и статическому электричеству ICOLSE 1999. Тулуза, Франция, июнь, 1999 г. [International conference on lightning and static electricity ICOLSE 1999. Toulouse, France, June, 1999].

Российско - американский семинар "Электрический пробой воздуха с убегающими электронами и его участие в инициировании молнии". Саров, Россия, август, 2002. [Russian - American seminar "Runaway electron breakdown and implication for lightning initiation". Sarov, Russia, August, 2002].

БЛАГОДАРНОСТИ

Автор искренне благодарен научному руководителю диссертационной работы профессору Л.П. Бабичу. Успехом своей работы автор в сильной степени обязан, прежде всего, к.ф.-м.н. И.М. Куцыку, а также к.ф.-м.н. Е.Н. Донскому, М.Л. Кудрявцевой, доктору Р.А. Рюсселю-Дюпре (R.A. Roussel-Dupre), доктору Е.М. Цымбалистому (Е.М. Symbalisty) и Б.Н. Шамраеву, в сотрудничестве с которыми выполнялись исследования. Автор глубоко благодарен директору РФНЦ -ВНИИЭФ академику Р.И. Илькаеву и академику А.В. Гуревичу за поддержку и внимание к исследованиям по физике гигантских восходящих атмосферных разрядов. Автор благодарен участникам семинаров д.ф.-м.н. В.П. Незнамова (ВНИИЭФ) и особенно - профессора Н.Н. Калмыкова (НИИЯФ МГУ) за доброжелательную дискуссию и ценные замечания.

Автор считает своей приятной обязанностью выразить благодарность г-же С. Восс (S. Voss) и доктору С. Гитомеру (S. Gitomer) за их неоценимый вклад в установление сотрудничества между РФНЦ -ВНИИЭФ, ЛАНЛ и ФИРАН по физике атмосферного электричества.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На защиту выносятся следующие основные результаты и положения.

1. Гибридная модель лавины релятивистских убегающих электронов, основанная на методе Монте-Карло, в которой движение электронов описывается в поле электрической силы и эффективной силы трения, отвечающей за усредненные энергетические потери в неупругих взаимодействиях с атомарными частицами, а описание упругого рассеяния на ядрах и редких событий рождения электронов с энергией, превышающей порог убегания, ведется стохастически на основе соответствующих элементарных сечений.

3. Результаты теоретического анализа и численного моделирования, ** показавшие, что импульсы жесткого гамма - излучения атмосферного происхождения, зарегистрированные над грозовыми облаками с борта орбитальной станции, могут быть обусловлены механизмом Гуревича -Милиха - Рюсселя-Дюпре, и связаны с высотными оптическими явлениями Blue Jets.

4. Результаты теоретического анализа, показавшие, что вероятность реакций ядерного синтеза в канале молнии, который традиционно рассматривается как источник нейтронов в грозовой атмосфере, крайне мала, а генерация нейтронов в грозовых электрических полях есть следствие фотоядерных реакций в гигантских восходящих атмосферных разрядах над грозовыми облаками, обусловленными тормозным излучением релятивистских убегающих электронов.

5. Строгая математическая модель гигантского восходящего атмосферного разряда в самосогласованном электрическом поле, реализующая приближение сплошной среды и отличающаяся многогрупповым 0 описанием электронов высоких энергий, детальным описанием кинетики фоновых и вторичных электронов низких энергий, положительных и отрицательных ионов и излучательной кинетики в оптическом диапазоне.

6. Результаты двумерного моделирования восходящего атмосферного разряда: пространственно-временные распределения заряженных частиц, напряженности электрического поля, яркости и спектров оптического излучения, показавшие, что генерация лавин релятивистских убегающих электронов лежит в основе наблюдаемых высотных оптических явлений. Оптические явления на разных высотах обусловлены возбуждением флуоресценции релаксирующими вторичными электронами, генерируемыми непосредственно релятивистскими электронами лавины (синее свечение на относительно ^ низких высотах, Blue Jets), фоновыми и вторичными электронами, пришедшими в равновесие с локальным полем (красное свечение на больших высотах, Red Sprites). Большая длительность свечения Blue Jets обусловлена излучением рекомбинирующей плазмы ионов после прохождения лавины.

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Кудрявцев, Андрей Юрьевич, Москва

1. Dreicer Н. Electron and Ion Runaway in Fully Ionized Gas I. // Phys. Rev.115,238-249. 1959.

2. Dreicer H. Electron and Ion Runaway in Fully Ionized Gas II. Phys. Rev. 117. 329-342. 1960.

3. Wilson C.T.R. The acceleration of P-particles in Strong Electric Fields such as those of Thunderclouds. // Proc. Cambridge Phil. Soc. V.22. P. 534-538. 1924.

4. Schonland B. F. J. Thunder storms and Penetrating Radiation. // Proc. Roy. Soc. London, A. V. 130, P. 37 - 63. 1930.

5. Schonland B. F. J. and Viljoen J. P. On a Penetrating Radiation from Thunderclouds. // Proc. Roy. Soc. London, A. V. V. 410. P. 314 333. 1933.

6. Appleton E.V. and Bowen K.G. Sources of Atmospheric and Penetrating Radiation. //Nature. V. 132. P. 965. 1933.

7. Halliday E.C. Thunderstorms and the penetrating radiation. // Proceed. Cambridge Phil. Soc. V. 30. P. 206 215. 1934.

8. Clay J., Jongen H.F., and Aarts A.J. High energy electrons produced in thunderstorm. //Physica. V. 18. P. 801. 1952.

9. Hill R.D. Investigation of Electron Runaway in Lightning. // J. Geophys. Res. V. 68. P. 6261 6266. 1963.

10. Shaw E.G. Background Cosmic Count Increase Associated with Thunderstorms. //J. Geophys. Res. 1967. V. 72. P. 4623- 4626.

11. Frankel S., Highland V., Sloan Т., van Dyck O., and Wales W. Observation of X-rays from Spark Discharges in a Spark chamber. // Nucl. Instr. and Meth. V. 44. P. 345 348. 1966.

12. Станкевич Ю.Л., Калинин В.Г. быстрые электроны и рентгеновское излучение в начальной стадии развития импульсного искровогоразряда в воздухе. // ДАН СССР. Т. 39. С. 72-73. 1967. Sov. Phys.

13. Dokl. V. 12. P. 1042. 1967.

14. Noggle R.C., Krider E.P., and Wayland J.R. A Search for X-Rays from Helium and Air Discharges at Atmospheric Pressure. // J. Appl. Phys. V. 39. P. 4746-4748. 1968.

15. Тарасова Jl.B., Худякова Л.В. Рентгеновское излучение при импульсных разрядах в воздухе. // ЖТФ Т. 39, СС. 1530 1533. 1969. Sov. Tech. Phys. V. 14. P. 114. 1969..

16. Бабич Л.П., Лойко Т.В., Цукерман В. А. Высоковольтный наносекундный разряд в плотных при больших перенапряжениях, развивающийся в режиме убегания электронов. УФН. Т. 160. 49. 1990. Sov. Phys. Usp. V. 33. P. 521. 1990.

17. Babich L.P. Highenergy phenomena in electric discharges in dense gases: theory, experiment and natural phenomena. ISTC Science and Technology Series, V.2, ISSN 1234-5678. Futurepast Inc. Arlington, Virginia, USA. 2003.

18. Whitmire D. P. Search for High Energy Radiation near Lightning Strokes. // Lett. Nuovo Cim. V. 26. P. 497 - 501. 1979.

19. Susczynsky D.M., Roussel-Dupre R.A., and Shaw G. Ground base search for x-rays generated by thunderstorms and lightning. // J. Geophys. Res. V. 101. P. 23505 - 23516. 2001.

20. Moore С.В., Eack К.В., Aulich G.D., and Rison W. Energetic radiation associated with lightning stepped leaders. // Geophys. Res. Lett. V. 0. P. 0-0. 2001.

21. Chubenko A.P., Antonova V.P., Kryukov S.P., Piskal V.V., Ptitsyn M.O., Shepetov A.L., Vildanova L.I., Zybin K.P., Gurevich A.V. Intensive X-ray emission bursts during thunderstorms. // Phys. Lett. A. V. 275. P. 90100. 2000.

22. Алексеенко B.B., Лидванский A.C., Петков В.Б., Хаердинов Н.С. О разных типах возрастания интенсивности космических лучей перед разрядами молнии. // Известия Академии наук. Т. 66. С. 1581 -1384. 2002.

23. Mackey W.A. An attempt to detect radiation in thunder clouds. // Proc. Cambridge Phil. Soc. V. 30. P. 70 -73. 1934.

24. Parks G. E., Mauk В. H., Spiger R., and Chin J. X-ray enhancements detected during thunderstorm and lightning activities. // Geophys. Res. Lett. 1981. V. 8. P. 1176- 1179.

25. McCarthy M.P. and Parks G.K. Further Observations of X-ray inside Thunderstorms. // Geophys. Res. Lett. V. 12. P. 393-396. 1985.

26. Inan U.S., Reising S.C., Fishman G.J., Horack J.M. On Association of Terrestrial Gamma-ray Bursts with Lightning Discharges and Sprites. // Geophys. Res. Lett. V. 23. P. 1017. 1996.

27. Eack K.B. Balloon-borne X-ray spectrometer for detection of X rays produced by thunderstorms. // Geophys. Res. Lett. V. 23. P. 2915-2918. 1996.

28. Eack K.B., Beasley W.H., Rust D.W., Marshall T.C. and Stolzenberg M. Initial results from simultaneous observation of x rays and electric fields in a thunderstorm. // J. Geophys. Res. V. 101. P. 29637. 1996.

29. Eack K.B., Beasley W.B., Rust W.D., Marshall T.C. and Stolzenburg M. X- ray pulses observed above a mesoscale convective system. // Geophys. Res. Lett. V. 23. P. 2915-2918. 1996.

30. Eack K.B., Beasley W.B., Suszcynsky D.M., Roussel-Dupre R. and Symbalisty E. Gamma-ray emissions observed in a thunderstorm anvil. // Geophys. Res. Lett. V.27. P. 185-188. 2000.

31. Nemiroff R.J., Bonnell J.T., and Norris J.P. Temporal and spectral characteristics of terrestrial gamma flashes. // J. Geophys. Res. V.102. P. 9659-9665. 1997.

32. Fleisher R. L., Palmer J. A., and Crouch K. Are Neutrons Generated by Lightning. // J. Geophys. Res. V. 79. P. 5013 5017. 1974.

33. Libby L. M., Lukens H. R. Production of Radiocarbon in Tree Rings by Lightning Bolts. // J. Geophys. Res. V. 78, 5902 5903. 1973.

34. Fleisher R.L. Search for Neutron Generation by Lightning. // J. Geophys. Res. V. 80. P. 5005 5009. 1975.

35. Shah G.N., Razdan H., Bhat G.L., Ali G.M. Neutron generation in lightning bolts. //Nature. V. 313. P. 773 775. 1985.

36. Boys C.V. Progressive lightning. // Nature. V. 118. 749 750. 1926.

37. Vaughan O.H., Jr., Vonnegut B. Recent Observations of Lightning Discharges from the Top of a Thundercloud into the Clear Air Above // J. Geophys. Res. V. 94. P. 13,179 13,182. 1989.

38. Franz R.C., Nemzek R.J., and Winckler J.R. Television image of a large upward electrical discharge above a thunderstorm system. // Science. V. 249. P. 48-51. 1990.

39. Boeck W.L., Vaughan О.Н., Jr, and Blakeslee R.J. Low light level television image of terrestrial lightning as viewed from space. // Eos Trans. AGU. V. 72. P. 171. 1990.

40. Vaughan O.H., Jr., Blakeslee R.J., Boeck W.L., Vonnegut В., Brook M., and McKune J., Jr., A cloud-to-space lightning as recorded by the Space Shuttle payload-bay T-V camera. // Mon. Weather Rev. V. 120. P. 14591461. 1992.

41. Winckler J.R., Franz R.C., and Nemzek R.J. Fast low-level light pulses from the night sky observed with the SKYFLASH program. // J. Geophys. Res. V. 98. P. 8775-8783. 1993.

42. Sentman D.D. and Wescott E.M. Observations of Upper Atmospheric Optical Flashes Recorded from an Aircraft // Geophys. Res. Lett. V. 20. P. 2857- 2860. 1993.

43. Lyons W.A. Low-light video observations of frequent luminous structures in the stratosphere above thunderstorms. // Mon. Weather Rev., 122, 1940-1946, 1994.

44. Lyons W.A. Characteristics of luminous structures in the stratosphere above thunderstorms as imaged by low-light video. // Geophys. Res. Lett. V. 21. P. 875-878. 1994.

45. Sentman D.D., Wescott E.M., Osborn D.L., Hampton D.L. and Heavner M.J. Preliminary Results from the Sprite 94 Aircraft Campaign. 1. Red Sprites. // Geophys. Res. Lett. V. 22. P. 1205-1208. 1995.

46. Wescott E.M., Sentman D.D., Osborn D.L., Hampton D.L., and Heavner M.J. Preliminary Results from the Sprite 94 Aircraft Campaign; 2. Blue Jets. // Geophys. Res. Lett. V. 22. P. 1209-1212. 1995.

47. Sentman D.D. and Wescott E.M. Red Sprites and Blue Jets: Thunderstorm exited optical emissions in the stratosphere, mesosphere, and ionosphere. //Phys. Plasmas. V. 2. P. 2514-2522. 1995.

48. Boccippio D.J., Williams E.R., Heckman S.J., Lyons W.A., Baker I.T., and Boldi R. // Sprites, ELF transients and Positive Ground Strokes. // Science. V. 269. P. 1088 1091. 1995.

49. Boeck W.L., Vaughan O.H., Jr., Blakeslee R.J., Vonnegut В., Brook M., and McKune J., Jr. Observations of lightning in the stratosphere. // J. Geophys. Res. V. 100. P. 1465-1474. 1995.

50. Mende S.B., Rairden R.L., Swenson G.R., and Lyons W.A. Sprite Spectra; N2 1 PG band identification. // Geophys. Res. Lett. V. 22. P. 2633-2636. 1995.

51. Inan U.S., Bell T.F., Pasko V.P., Sentman D.D., Wescott E.M., Lyons W.A. VLF signatures of ionospheric disturbances associated with Sprites. // Geophys. Res. Lett. V. 22. P. 3461 3464. 1995.

52. Rairden R.L., Mende S.B. Time resolved sprite imagery. // Geophys. Res. Lett. V. 22. P. 3465-3468. 1995

53. Wescott E.M., Sentman D.D., Heavner M.J., Hampton D.L., Osborne D.L., and Vaughan O.H., Jr. Blue starters: Brief upward discharges from intense Arkansas thunderstorm. // Geophys. Res. Lett. V. 23. P. 2153 -2156. 1996.

54. Green B.D., Fraser M.E., Rawlins W.T., Jeong L., Blumberg W.A.M., Mende S.B., Swenson G.R., Hampton D.L., Wescott E.M., Sentman D.D. Molecular excitation in Sprites. // Geophys. Res. Lett. V. 23. P. 2161 -2164. 1996.

55. Reising S.C., Inan U.S., Bell T.F., Lyons W.A. Evidence for continuing current in sprite producing cloud-to ground lightning. // Geophys. Res. Lett. V. 23. P. 3639-3642. 1996.

56. Winckler J.R., Lyons W.A., Nelson Т.Е. and Nemzek R.J. New High-resolution Ground-Based Studies of Sprites. // J. Geophys. Res. V. 101. P. 6997-7004. 1996.

57. Lyons W.A. Sprite Observations above the U.S. High Plains in Relation to their Parent Thunderstorm Systems. // J. Geophys. Res. V. 101. P. 29,641-29,652. 1996.

58. Hampton D.L., Heavner M.J., Wescott E.M., Sentman D.D. Optical Spectral Characteristics of Sprites. // Geophys. Res. Lett. V. 23. P. 89. 1996.

59. Susczynsky D.M., Roussel-Dupre R.A., Lyons W.A., and Armstrong R.A. Blue light imaginary and photometry of Sprites. // J. of Atmospheric and Solar - Terrestrial Phys. V. 60. P. 801 - 809. 1998.

60. Stanley M., Krehbiel P., Brook M., Moore C., and Rison W. High-speed video of initial sprite development. // Geophys. Res. Lett. V. 26. P. 32013204. 1999.

61. Barrington-Leigh C.P. Inan U.S., Stenley M. Cummer S.A. Sprites directly triggered by negative lightning discharges. // Geophys. Res. Lett. V. 26. P. 3605 -3607. 1999.

62. Wescott E.M. et al. New evidence for brightness and ionization of blue starters and blue Jets. // J. Geophys. Res. V. 106. P. 21549 21554. 2001.

63. Pasko V.P. Stenley M., Mathews J.D., Inan U.S., Wood T.G. Electrical discharge from a thundercloud top to the lower ionosphere. // Nature. V. 416. P. 152- 154. 2002.

64. Gerken E.A., Inan U.S., Barrington-Leigh C.P. Telescopic imaging of Sprites. // Geophys. Res. Lett. V. 27. P. 3201- 3204. 2000.

65. Holden D.S., Munson C.P., Devenport J.C. //.Satellite observations of transionospheric pulse pairs. // Geophys. Res. Lett. V. 22(8). P. 889 892. 1995.

66. Massey R.S., Holden D.N. Phenomenology of Transionospheric Pulse Pairs. //Radio Sci. V. 30(5). P. 1645 -1659. 1995.

67. Massey R.S., Holden D.N., Shao X.-M. Phenomenology of Transionospheric Pulse Pairs: Further observations. // Radio Sci. V. 33(6). P. 1755 -1761. 1998.

68. Roussel Dupre R.A., Blanc E. HF echoes from ionization potentially produced by high-altitude discharges. // J. Geophys. Res. V. 102. P. 4613 -4622. 1997.

69. Fullekrug M., Reising S.C. Excitation of Earth ionosphere cavity resonances by sprite-associated lightning flashes. // Geophys. Res. Lett. V. 25. P. 4145 -4148. 1998.

70. Jacobson A.R., Knox S.O., Franz R., and Enemark D.C. FORTE observations of lightning radio-frequency signatures: capabilities and basic results. // Radio Science. V. 34. P. 337 354. 1999.

71. Гуревич A.B. К теории эффекта убегающих электронов. // ЖЭТФ. Т. 39. С. 1296-1301. 1960.

72. Бабич Л.П., Станкевич Ю.Л. Критерий перехода от стримерного механизма газового разряда к непрерывному ускорению электронов. //ЖТФ. Т. 42. С. 1669- 1673. 1972.

73. D'Angelo N. On X-rays from thunderclouds. // Annales Geophysicae. V. 5B.P. 119-122. 1987.

74. McCarthy M. and Parks G. K. On the Modulation of X Ray Fluxes in Thuderstorms. // J. Geophys. Res. V. 97. P. 5857 - 5864. 1992.

75. Gurevich A.V., Milikh G.M., and Roussel-Dupre R.A. Runaway electron mechanism of air breakdown and preconditioning during a thunderstorm // Phys. Lett. A. V. 165. P. 463-468. 1992.

76. Roussel-Dupre R.A., Gurevich A.V., Tunnel Т., and Milikh G.M. Kinetic theory of runaway air breakdown and the implications for lightning initiation. Los Alamos Nat. Lab. Report. Los Alamos, NM. LA 12601 -MS. 1993.

77. Roussel-Dupre R.A., Gurevich A.V., Tunnell Т., Milikh G.M. Kinetic theory of runaway air breakdown. // Phys. Rev. E. V. 49. P. 2257-2271.1994.

78. Gurevich A.V., Milikh G.M. and Roussel-Dupre R. Non uniform Runaway Air Breakdown. // Phys. Lett. A. V. 187. P. 197. 1994.

79. Roussel Dupre R.A., Symbalisty E., Taranenko Y., Yukhimuk V. Simulations of high - altitude discharges initiated by runaway breakdown. // J. of Atmospheric and Solar - Terrestrial Phys. V. 60. P. 917-940. 1994.

80. Chang В., Price C. Can gamma radiation be produced in the electrical environment above thunderstorms? // Geophys. Res. Lett. V. 22. P. 11171120. 1995.

81. Picard R.H., Inan U.S., Pasko V.P., Winick J.R., and Wintersteiner P.P. Infrared glow above thunderstorms? // Geophys. Res. Lett. V. 22. P. 3461 -3464. 1995.

82. Pasco V.P., Inan U.S., Taranenko Y.N. and Bell T.F. Heating, Ionization and Upward Discharges in the Mesosphere due to Intense Quasi-electrostatic Thundercloud Fields. // Geophys. Res. Lett. V. 22. P. 365.1995.

83. Roussel-Dupre R.A. and Gurevich A.V. On Runaway Breakdown and Upward Propagating Discharges. // J. Geophys. Res. V. 101. N A2. P. 2297. 1996.

84. Gurevich A.V., Valdivia J.A., Milikh G.M., and Papadopulos K. Runaway electrons in the atmosphere in the presence of a magnetic field. //Radio Science. V. 31. P. 1541 1554. 1996.

85. Lehtinen N.G., Walt M., Inan U.S., Bell T.F. and Pasko V.P. y-ray produced by a relativistic beam of runaway electrons accelerated byquasi-electrostatic thundercloud fields. // Geophys. Res. Lett. V. 23. P. 2645-2648. 1996.

86. Taranenko Yu.N., Roussel-Dupre R.A. High altitude discharges and gamma-ray flashes: a manifestation of runaway air breakdown. // Geophys. Res. Lett. V. 23. P. 571-574. 1996.

87. Cummer S.A. and Inan U.S. Measurement of charge transfer in sprite-producing lightning using ELF radio atmosperics. // Geophys. Res. Lett. V. 24. P. 1731-1734. 1997.

88. Papadopoulos K., Valdivia J.A. Comment on "High altitude discharges and gamma-ray flashes: a manifestation of runaway air breakdown" by Yuri Taranenko and Robert Roussel-Dupre R.A. // Geophys. Res. Lett. V. 24. P. 2643-2644. 1997.

89. Taranenko Yu.N., Roussel-Dupre R.A. Reply. // Geophys. Res. Lett. V. 24. P. 2645-2646. 1996.

90. Gurevich A.V., Milikh G.M., and Valdivia J.A. Model of X- ray emission and fast preconditioning during thunderstorm. // Phys. Lett. A. V. 231. P. 402-408. 1997.

91. Lehtinen, N.G., Bell T.F., Pasko V.P. and Inan U.S. A two-dimensional model of runaway electron beams driven by quasi-electrostatic thundercloud fields. // Geophys. Res. Lett. V. 24. P. 2639. 1997.

92. Pasko V.P., Inan U.S., T.F. Bell, Taranenko Y.N. Sprites produced by quasi-electrostatic heating and ionization in the lower ionosphere. // Journal of Geophysical Research. V. 102. P. 4529-4561. 1997.

93. Babich L.P., Kutsyk I.M. Evaluation of runaway electron avalanching. In: Proceedings of XXIII International Conference on Phenomena in1.nized Gases, 17 22 July 1997. Toulouse, France. Contributed papers. V.1.. 1-8-1-9. 1997.

94. Babich L.P., Kutsyk I.M., Kudryavtsev A.Yu., Donskoy E.N. New data on space and time scales of relativistic runaway electron avalanche for thunderstorm environment: Monte Carlo calculations. // Physics Letters A. V. 245, P. 460-470, 1998.

95. Babich L.P., Kudryavtsev A.Yu., Kutsyk I.M., Donskoy E.N. Monte

96. Carlo calculations of time and space scales of relativistic runaway electron avalanche for thunderstorm environment. // Joint USA-Russia Workshop on Runaway Breakdown and the Implications for Lightning Initiation. Los Alamos. October 1998. Unpublished.

97. Breakdown and the Implications for Lightning Initiation. Los Alamos.

98. October 1998. Unpublished.

99. Symbalisty E.M.D., Roussel-Dupre R.A., and Yukhimuk V. Finite Volume Solution of the Relativistic Boltzmann Equation for Electron Avalanche Studies. // IEEE Transactions on Plasma Science. V. 26. N 5. P. 1575-1582. 1998.

100. Yukhimuk V., Roussel-Dupre R.A., Symbalisty E.M.D., Taranenko Y.J. Optical characteristics of Red Sprites produced by runaway air breakdown. //J. Geophys. Res. V. 103. P. 11,473-11,482. 1998.

101. Yukhimuk V., Roussel-Dupre R.A., Symbalisty E.M.D., Taranenko Y.J. Optical characteristics of Blue Jets produced by runaway air breakdown, simulation results. // Geophys. Res. Lett. V. 25. P. 3289 3292. 1998.

102. Yukhimuk V., Roussel-Dupre R.A., Symbalisty E.M.D. and Taranenko Y. Optical Characteristics of Blue Jets Produced by Runaway Air Breakdown, Simulation Results. // Geophys. Res. Lett. V. 25. P. 32893292. 1998.

103. Kutsyk I.M., Babich L.P. Spatial structure of optical emissions in the model of gigantic upward atmospheric discharges with participation of runaway electrons. // Phys. Lett. A. V. 253. P. 75-82. 1999.

104. Milikh G., Valdivia J.A. Model of Gamma Ray Flashes due to Fractal Lightning. // Geophys. Res. Lett. V. 26. P. 525 528. 1999.

105. Lehtinen N.G., Bell T.F., Inan U.S. Monte Carlo simulation of runaway MeV electron breakdown with application to red Sprites and terrestrial gamma ray flashes. // J. Geophys. Res. V. 104. P. 24,699. 1999.

106. Solovyev A.A., Terekhin V.A., Tikhonchuk V.T., Altgilbers L.L. Electron kinetic effects in atmosphere breakdown by an intense electromagnetic pulse. // Phys. Rev. E. V. 60. P. 7360. 1999.

107. Gurevich, A.V., Carlson H.C., Medvedev Yu.V., and Zybin K.P. Generation of electron positron pairs in runaway breakdown. // Phys. Lett. A. V. 275 P. 101-108. 2000.

108. Kaw P.K., Milikh G.M., Sharma A.S., Guzdar P.N., Papadopulos K. Gamma ray flashes by plasma effects in the middle atmosphere. // Physics of Plasma. V. 8. P. 4954 4959. 2001.

109. Бабич Л.П., Илькаев Р.И., Кудрявцев А.Ю., Куцык И.М., Рюссель-Дюпре Р.А. Анализ гамма импульсов атмосферного происхождения, зарегистрированных орбитальной станцией. // ДАН. Т. 381. С. 247-250. 2001.

110. Бабич Л.П., Донской Е.Н., Кудрявцев А.Ю., Куцык И.М., Шамраев Б.Н. Скорость развития лавины релятивистских убегающих электронов для нормальных условий. // Труды Российского федерального ядерного центра ВНИИЭФ. Вып. 1. С. 432-439. 2001.

111. Бабич Л.П., Куцык И.М., Бахов К.И. Самосогласованный расчет атмосферного разряда, развивающегося в режиме лавины релятивистских убегающих электронов. // Труды Российского федерального ядерного центра ВНИИЭФ. Вып. 1. С. 440-455. 2001.

112. Бабич Л.П., Донской Е.Н., Илькаев Р.И., Кудрявцев А.Ю., Куцык И.М., Шамраев Б.Н. Скорость развития лавины релятивистских убегающих электронов для нормальных условий. // ДАН. Т. 379. С. 606-608.2001.

113. Гуревич A.B., Зыбин К.П. Пробой на убегающих электронах и электрические разряды во время грозы. // УФН. Т. 171. С. 1177 -1199. 2001.

114. Бабич Л.П., Илькаев Р.И., Куцык И.М., Бахов К.И., Рюссель-Дюпре Р.А. Расчет высотных оптических явлений над облаками на основе механизма с участием лавины релятивистских электронов. // ДАН. Т. 388. С. 383-386. 2003.

115. Dwyer J.R. A fundamental limit on electric fields in air. // Geophys. Res. Lett. V. 30. P. 2055-2059. 2003.

116. Roussel-Dupre R.A., Symbalisty E.M.D., Gurevich, A.V, Zybin K.P., Babich L.P., Kutsyk I.M. Lightning Initiation by Runaway Air Breakdown. In: Proceedings of the fall meeting of the American Geophysical Union. USA. 2003.

117. Бабич Л.П., Илькаев Р.И., Кудрявцев А.Ю., Куцык И.М., Рюссель-Дюпре Р.А. Анализ гамма импульсов атмосферного происхождения, зарегистрированных орбитальной станцией. // Труды Российского федерального ядерного центра - ВНИИЭФ. Вып. 4. С. 164-171.2003.

118. Бабич Л.П. Оператор столкновений релятивистских электронов в холодном газе атомарных частиц. // ЖЭТФ. Т. 125. С. 808-820. 2004.

119. Бабич Л.П., Донской Е.Н., Куцык И.М., Рюссель-Дюпре Р.А. Характеристики лавины релятивистских электронов в воздухе. // ДАН. Т. 394. С. 320-323. 2004.

120. Бабич Л.П. Донской Е.Н., Илькаев Р.И., Куцык И.М., Рюссель-Дюпре Р.А. Фундаментальные характеристики лавины релятивистских убегающих электронов в воздухе. // Физика плазмы. Т. 30. С. 666-674. 2004.

121. Бабич Л.П., Илькаев Р.И., Куцык И.М., Бахов К.И., Рюссель-Дюпре Р.А. Самосогласованный расчет восходящего атмосферного разряда, развивающегося в режиме лавин релятивистских убегающих электронов. // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 44. С. 254-265. 2004.

122. Бабич Л.П., Донской Е.Н., Куцык. И.М., Рюссель-Дюпре Р.А. Тормозное излучение лавины убегающих электронов в атмосфере. // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 44. С. 697-703. 2004.

123. Babich L.P., Donskoy E.N., Kutsyk I.M., and Roussel Dupre R.A. The Feedback Mechanism of Runaway Air Breakdown. // Geophys. Res. Lett. V. 30. P. 3000. 2005.

124. Liu N, Pasko V.P. Effects of photoionization on propagation and branching of positive and negative streamers in Sprites/ // J. Geophys. Res. V. 109. A04301, doi: 10.1029/2003JA011164, 2001.

125. Gurevich, A.V, Sergeichev K.F., Sychev I.A., Roussel-Dupre R.A., Zybin K.P. First observations of runaway breakdown phenomenon in laboratory experiments. //Physics Lett. A. V. 260. P. 269-278. 1999.

126. Сергейчев К.Ф., Сычев И.А. Пробой воздуха убегающими электронами при электронно циклотронном резонансе — экспериментальная модель механизма образования гигантских высотных разрядов. // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 42. С. 550-559. 2002.

127. Townsend J.S. Motion of electrons in gases. Oxford: Oxford University Press, 1925.

128. Бабич JI.П., Донской Е.Н., Зеленский К.Ф., Илькаев Р.И., Куцык И.М., Лойко Т.В., Рюссель-Дюпре Р.А. Наблюдение начальной стадии лавины релятивистских убегающих электронов при нормальных условиях. // ДАН. Т. 382. С. 31-33. 2002.

129. Meek J.M. and Craggs J. D. Electrical Breakdown of Gases (Oxford Univ. Press. London. 1953). Мик Д., Крэгс Д. Электрический пробой в газах (перевод с англ. под ред. В. С. Комелькова. М. ИЛ. 1960).

130. Raether H. Electron avalanches and breakdown in gases (London. Butterworths. 1964). Ретер Г. Электронные лавины и пробой в газах (перевод с нем. под ред. B.C. Комелькова. М. Мир. 1968).

131. Лозанский Э.Д., Фирсов О.Б. Теория искры (М.: Атомиздат. 1975).

132. Королев Ю. Д., Месяц Г. А. Физика импульсного пробоя газов (М.: Наука, 1991).

133. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. М.: Наука. 1992. Raizer Yu.P. Gas Discharge Physics. Berlin. Springer. 1991.

134. Донской E.H. Методика и программа ЭЛИЗА решения методом Монте-Карло задач совместного переноса гамма-излучения, электронов и позитронов // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Математическое моделирование физических процессов. 1993. Вып. 1.С. 3-6.

135. Ахиезер А.И., Берестецкий В.Б. Квантовая электродинамика. Физматгиз. Москва. 1959.ц

136. В.Б. Берестецкий, Е.М. Лифшиц, Л.П. Питаевский, Квантовая электродинамика. Теоретическая физика, том IV. Москва. Наука. (1989).

137. Rathkopf J. A., Scofield J. H. Tables and Graphs of Photon-Interaction

138. Cross Sections from 10 eV to 100 GeV Derived from the LLNL Evaluated Photon Data Library (EPDL). Lawrence Livermore National Laboratory. Report UCRL-50400. V. 6. Rev. 4. October. 1989.

139. Perkins S. T. et al. Tables and Graphs of Atomic Subshell and Relaxation Data Derived from the LLNL Evaluated Atomic Data Library (EADL). Lawrence Livermore National Laboratory. Report UCRL-50400. V. 30. 1991.

140. Koch H.W., Motz J.W. Bremsstrahlung Cross Section Formulas and Related Data // Rev. Mod. Phys. 1959. V. 31. No. 4. P. 920-955.

141. Kissel L., Quarles C.A., Pratt R.H. Shape Functions for Atomic-Field Bremsstrahlung from Electrons of Kinetic Energy 1 500 keV on Selected Neutral Atoms 1<Z<92 // Atomic Data and Nuclear Data Tables. 1983. V. 28. No. 3. P. 381-460.

142. Seltzer S.M., Berger M.J. Bremsstrahlung Energy Spectra from Electrons with Kinetic Energy 1 keV 10 GeV on Screened Nuclei and Orbital Electrons of Neutral Atoms with Z=l-100 // Atomic Data and Nuclear Data Tables. 1986. V. 35. No. 3. P. 345-418.

143. Berger K. Blitzstrom-Parameter von Aufwartsblitzen // Bull. Schweiz. Eelektrotech. 1978. V. 69. P. 353.

144. Brook M, Nakano M., Krehbeil P., Takeuti T. The electrical structure of the Hokuriku winter thunderstorms. // J. Geophys. Res. 1982. V. 87. P. 1207.

145. Uman M.A. The Lightning Discharge. Academic. San Diego. California. 1987.

146. Krehbiel P.R. The electrical structure of thunderstorms. In: Studies in Geophysics. The Earth's electrical environment. National Academy Press. Washington. D.C. 1986.

147. Hubbell J.H. Photon cross sections, attenuation coefficients and energy absorption coefficients from 10 keV to 100 GeV. // NSRDS NBS, 29, US Government Printing Office, Washington. D.C. 20402. 1969.

148. Huxley L.G., Crompton R.W. The diffusion and drift of electrons in gases. A Wiley Interscience Publication. 1974.

149. Александров Н.Л., Высикайло Ф.И., Исламов P.C. и др. Расчетная модель разряда в смеси N2: 02 = 4 : 1 // ТВТ. Т. 19. С. 485-490. 1981.

150. McDaniel E.W., Collision phenomena in ionized gases. John Wiley and Sons, New York, London, Sidney. 1964.

151. Shyam A.N. and Kaushik T.C. Observation of neutron bursts associated with atmospheric lightning discharge. // J. Geophys. Res. V. 104. P. 6867 -6869. 1999.

152. Кужевский Б.М. Генерация нейтронов в молниях. // Вестник Московского университета. Серия 3. Физика. Астрономия. № 5. С. 14 -16. 2004.

153. Кикоин И.К. Под редакцией. Таблицы физических величин. М.: Атомиздат. 1976.

154. Базелян, Е.М., Райзер Ю.П. Физика молнии и молниезащиты. 319 С. М.: Физматлит. 2001.

155. Smith D.L. and Kevan L. Total Charge-Transfer Cross Sections in Molecular Systems. // J. of American Chemical Society. V. 93. P. 2113 -2117. 1971.

156. Orville R.E. A High-Speed Time-Resolved Spectroscopic Study of the Lightning Return Stroke: Part III. A Time-Dependent Model. // J. Atmos. Sc., 25, 852-856. 1968.

157. Бовшеверов М.В. Атмосфера Земли. // Физическая энциклопедия. Под редакцией A.M. Прохорова. Т. 1. М.: Советская энциклопедия. 1988.

158. Валлис Г., Зауэр К., Росинский С.Е., Рухадзе А.А. Рухлин В.Г. Инжекция сильноточных электронных пучков в плазму и газ. // УФН. Т. 113. С. 435-462. 1981.

159. Плютто А.А. Ускорение положительных ионов в расширяющейся плазме вакуумных искр. // ЖЭТФ. Т. 39. С. 1589 1592. 1960.

160. Плютто А.А, Капин А.Т. Энергетические и временные характеристики пучков при ускорении ионов электронами. // ЖТФ. Т. 45. С. 2533-2543. 1975.

161. Graybill S.F. and Uglum J. R. Observation of energetic ions from a beam generated plasma. // J. Appl. Phys. V. 236. P. 236 - 240. 1970.

162. Rander J., Ecker В., Yonas G., and Drickey D.J. Charged particle acceleration by intense electron streams. // Phys. Rev. Lett. V. 24. P. 283 -286. 1970.

163. Rander J. Particle acceleration and intense electron beam front velocities. // Phys. Rev. Lett. V. 25. P. 893 897. 1970.

164. Dietrich S. S. and Berman B.L. Atlas of photoneutron cross sections obtained with monoenergetic photons. // Atomic Data and Nuclear Tables. V. 38. P. 199-338. 1988.

165. Абагян Л.П., Базазянц Н.О., Николаев М.Н., Цибуля A.M. Групповые константы для расчета реакторов и защиты. М.: Энергоиздат. 1981.

166. Власов Н.А. Нейтроны. Наука. Москва. 1971.

167. Гречухин Д.П. Гамма излучение. // Физическая энциклопедия. Под редакцией A.M. Прохорова. Т. 1. М.: Советская энциклопедия. 1988.

168. Daniel R.R., Stephens S.A. Cosmic-Ray-Produced Electrons and Gamma Rays in the Atmosphere // Reviews of Geophysics and Space Physics. V. 12. P. 233-258. 1974.

169. Александров Н.Л., Высикайло Ф.И., Исламов P.С. и др. Функция распределения электронов в смеси N2 : 02 = 4:1 // ТВТ. Т. 19. С. 22-27. 1981.

170. Голубев А.И., Ивановский А.В., Соловьев А.А., Терехин В.А., Шморин И.Т. Одномерная модель для описания быстрых волн пробоя в длинных разрядных трубках. // ВАНТ. Серия Теоретическая и прикладная физика. Вып. 2. С. 17-27. 1985.

171. Taranenko Yu.N., Inan U.S., Bell T.F. The interaction with the lower ionosphere of electromagnetic pulses from lightning: excitation of optical emissions. // Geophys. Res. Lett. V. 20. P. 2675-2678. 1993.

172. Мучник B.M. Физика грозы. Ленинград. Гидрометеоиздат. 1974.

173. Davidson G. and Neil R. Optical Radiation from Nitrogen and Air at High Pressure Excited by energetic Electrons. // J. Chem. Phys. V. 41. P. 39463955. 1964.

174. Hartman P.L. New measurement of the fluorescence efficiency of air under electron bombardment. // Planet. Space Sci. V. 16. P. 1315-1340. 1968.

175. Капители M., Гордиец Б.Ф. Кинетика свободных электронов в низкотемпературной плазме атмосферных газов. // Препринт ФИАН № 108(ч. 2). 1991.

176. Гордиец Б.Ф., Коновалов В.П. // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 31. С. 649. 1991.

177. Кудрявцев А.Ю., Кудрявцева M.JL, Куцык И.М. Расчет гигантского восходящего атмосферного разряда и кинетики оптического излучения // Препринт ВНИИЭФ-98-2005.

178. Piper L.G., Holtzclaw K.W., Green B.D. and Blumberg W.A.M. Experimental determination of the Einstein coefficients for the N2 (B-A) transition//J. Chem. Phys. V. 90. P. 5337-5345. 1989.

179. Nicholls R.W. Franck-Condon factors to high vibrational quantum numbers I: N2 and N2+ // J. Research of National Bureau of Standards A. Physics and Chemistry. V. 65A. P. 451-460. 1966.

180. Benesch W., Vanderslice G.T., Tilford S.G. and Wilkinson P.G. Franck-Condon factors for observed transitions in N2 above 6 eV // Astrophys. J. V. 143. P. 236-252. 1966.

181. Бабич Л.П., Куцык И.М., Донской E.H., Шамраев Б.Н. Численноемоделирование движения высокоэнергетических электронов в воздухе в электрическом поле. // Отчет РФЯЦ ВНИИЭФ. Инв. № 4/9299, №8/14022. 4.06.1999.

182. Терехин А.В. Численные исследования некоторых моделей кинетики электронов в газах во внешнем однородном электрическом поле. // Дипломная работа. СарФТИ. Саров. 1999.

183. Соловьев А.А., Терехин А.В. О лавинной ионизации воздуха поддействием убегающих электронов. // Труды V Нижегородской сессии молодых ученых. 2000.

184. Соловьев А.А., Терехин А.В., Терехин В.А., Тихончук В.Т. Оспектрально- угловых распределениях убегающих электронов. // Труды шестой Всероссийской конференции "Малые примеси в атмосфере. Атмосферное электричество". Нижний Новгород. Май 2000.