В Институте сильноточной электроники СО РАН (Томск) в смоделированных на лабораторной установке условиях для изучения свойств красных спрайтов зафиксировали пучок убегающих электронов, процесс генерации которых длится лишь миллиардную долю секунды. Результат важен для понимания процесса образования красных спрайтов — особого вида молнии, возникающих в верхних слоях атмосферы планеты в сильную грозу на высоте около 50—100 километров, а также для обеспечения стабильной связи и безопасности высотных летательных аппаратов.
«Нашим научным коллективом накоплен значительный опыт исследования убегающих электронов, мы стали вторыми в мире, кому в 2003 году удалось их зарегистрировать при атмосферном давлении воздуха. Благодаря пониманию специфики условий их образования и достижениям в области разработки научного экспериментального оборудования стало возможным смоделировать в лабораторных условиях возникновение красных спрайтов и зафиксировать убегающие электроны. Это очень важно, так как их изучение в природе весьма затруднительно из-за больших высот», — рассказал руководитель проекта главный научный сотрудник лаборатории оптических излучений ИСЭ СО РАН профессор, доктор физико-математических наук Виктор Федотович Тарасенко.
Убегающие электроны — это электроны, ускоряемые внешним электрическим полем, которые при движении в газе набирают энергию между столкновениями большую, чем теряют в столкновениях. Это происходит потому, что при энергиях электронов более единиц килоэлектронвольт потери их энергии при столкновениях с частицами газа монотонно убывают с увеличением скорости электронов. Соответственно, энергия электронов начинает быстро возрастать, и они разгоняются до больших энергий.
Чтобы поймать убегающие электроны в ходе эксперимента, исследователи создали специальную установку, позволяющую генерировать пучки этих частиц из плазмы без применения металлических электродов. Таким образом были максимально точно воспроизведены условия образования красных спрайтов, которые начинаются и заканчиваются в атмосфере, а значит, не имеют контакта с земной поверхностью. Установка состоит из генератора высокоточных импульсов, формирующего в кварцевой трубке, заполненной воздухом низкого давления, плазму емкостного разряда. При этом электроды располагались на внешней поверхности трубки и не имели контакта с плазмой, от которой инициировались стримеры, образующие плазменные диффузные струи — аналоги красных столбчатых спрайтов. Для регистрации пучка убегающих электронов на правом торце кварцевой трубки был установлен коллектор с субнаносекундным временным разрешением.
Полученные результаты важны для понимания природы стримерного пробоя в красных столбчатых спрайтах — процесса, при котором в верхних слоях атмосферы Земли возникают состоящие из нескольких струй разряды, распространяющиеся как вниз, к поверхности Земли (положительный стример), так и вверх (отрицательный стример).
«После прохождения фронтом плазмы положительного стримера загорается яркая область, называемая глоу, имеющая в верхней части высокое электрическое поле. Появляющиеся на этом этапе убегающие электроны влияют на формирование направленного вверх отрицательного стримера», — подчеркнул Виктор Тарасенко.
В ходе работы ученые исследовали всю совокупность параметров плазмы (спектры излучения, скорость распространения стримера и так далее), необходимых для возникновения красных спрайтов. Полученные данные по распространению стримеров совпали с расчетами теоретиков, участвующих в реализации проекта, а также с результатами атмосферных исследований. Сейчас в лаборатории продолжаются работы по моделированию красных спрайтов, для этого используются разные варианты длины и диаметра кварцевых трубок. Кроме этого, ученые из ИСЭ СО РАН участвуют в гранте, реализуемом их коллегами из Полярного геофизического института в Мурманске — он направлен на изучение атмосферных явлений, в том числе северного сияния.
Исследования выполняются при поддержке РНФ (проект № 24-29-00166).
Пресс-служба ТНЦ СО РАН
