Феномены глобальной цепи

Земная атмосфера полна загадок, которые учёным ещё только предстоит разгадать. Благодаря работам Бенджамина Франклина, Михаила Ломоносова и его погибшего от разряда шаровой молнии друга Георга Рихмана каждый школьник знает, что молнии возникают из-за нарастания разности потенциалов между грозовым облаком и землёй или между различными частями самого облака. Но если вы спросите того же школьника, за счёт чего образуется эта разность потенциалов, вряд ли вы получите вразумительный ответ. Механизмы электрических процессов даже в ближайшем к земле слое атмосферы - тропосфере - до сих пор требуют детального изучения.

После появления научных инструментов с совершенно новыми возможностями (в первую очередь - устанавливаемых на искусственных спутниках Земли) в последние два десятилетия активизировались исследования электрических явлений в стратосфере и ионосфере. Здесь учёные опираются на концепцию глобальной электрической цепи (ГЭЦ). Это - токовый контур, замыкающий несколько геосферных оболочек: от земной коры до ионосферы. На глобальную электрическую цепь воздействуют многие факторы - от колебаний уровня естественной радиоактивности в приземном слое атмосферы до вариаций солнечной и геомагнитной возмущённости.

Известно, что поверхность Земли заряжена отрицательно, а атмосферный воздух - положительно, причём суммарный положительный объёмный заряд воздуха между земной поверхностью и высотным уровнем около 10 км примерно эквивалентен заряду Земли. При этом вблизи её поверхности существует вертикальное электрическое поле напряжённостью около 130 В/м. Приземный слой атмосферы обладает электрической проводимостью, обусловленной подвижными положительными и отрицательными ионами, а постоянный вертикальный электрический ток направлен к земной поверхности. Подобное электрическое состояние характерно для хорошей погоды, когда нет облаков, отсутствуют пылевые бури, ветры, туманы.

Но в атмосфере постоянно действуют источники электрического поля - грозы, извержения вулканов, пылевые бури и т. п. Один из главных генераторов - грозы, которых на Земле в каждый момент времени происходит полторы-две тысячи. Грозовая активность непрерывно заряжает ионосферу до нескольких сотен киловольт по отношению к земной поверхности.

Эта разность потенциалов создаёт ток проводимости плотностью в несколько пикоампер на квадратный метр. В областях с хорошей погодой этот ток направлен вниз, а там, где происходят грозы, - вверх. Плотность тока меняется в зависимости от разности потенциалов и электрического сопротивления воздушного столба между ионосферой и Землёй (заметим, что около 70% сопротивления сосредоточено в двухкилометровом приземном слое атмосферы). На электрическое сопротивление столба воздуха сильно влияют погодные условия, оно также подвержено многолетнему изменению вследствие загрязнения атмосферы.

В ночь с 5 на 6 июля 1989 г. профессор физики Университета Миннесоты Джон Уинклер, 73-летний ветеран NASA, направил на грозовые облака высокоскоростную высокочувствительную видеокамеру, а потом, просматривая запись, обнаружил две яркие вспышки, которые, в отличие от молний, шли не вниз, к Земле, а вверх, к ионосфере. Так были открыты спрайты - самые крупные высотные разряды в атмосфере Земли. Они наглядно подтвердили существование ГЭЦ и дали новые возможности для её исследования.

Разряды, зарегистрированные Уинклером, начинались на высоте примерно 14 км и простирались ввысь ещё на 20 км. Механизм, приводящий к их появлению, был неясен, но факт наличия подтвердился спустя два месяца, когда на Миннесоту обрушился ураган «Хьюго». В ночь с 22 на 23 сентября Уинклер снова записал на видеокамеру множество подобных высотных разрядов над грозовыми облаками. Уникальные кадры гигантских вспышек испугали Уинклера не меньше, чем обрадовали. «А что если такой разряд ударит в летательный аппарат?» - задумался учёный и обратился к коллегам из NASA с предупреждением. Те засомневались, но из уважения к Уинклеру взялись просмотреть записи, сделанные во время полётов космических челноков. И не поверили своим глазам: на плёнках обнаружилось больше десятка подобных разрядов.

Спрайты получили своё название в честь мифологических духов воздуха, которые фигурируют в некоторых пьесах Шекспира. С 1989 г. учёные наблюдали высотные разряды много раз и классифицировали их по видам, причём некоторым по аналогии со спрайтами дали названия сказочных существ - эльфов (elves), троллей (trolls), гномов (gnomes) и фей (pixies). Кроме них существуют ещё так называемые голубые джеты (blue jets) и супермолнии (superbolts). Рассмотрим вкратце основных представителей этой «кунсткамеры».

Спрайты

Спрайт представляет собой очень кратковременное (десятые и даже сотые доли секунды) яркое сияние в средних слоях атмосферы. Чаще всего спрайты начинаются в мезосфере, на высоте порядка 70 км, и распространяются вверх почти до границы ионосферы (90-100 км), а иногда и вниз, в стратосферу (до уровня 20-30 км). Вспышки обычно имеют красный цвет, за исключением направленных вниз «отростков» голубоватого оттенка. Предполагается, что он обусловлен свечением молекул азота под действием потока электронов. Размеры спрайтов впечатляют: они способны простираться на 70 км в высоту и иметь поперечник в десятки километров. Нередко можно наблюдать кластеры из отдельных спрайтов, разворачивающиеся по небу на 80 км и более. Охватываемый спрайтами объём атмосферы иногда достигает тысяч кубических километров.

Непосредственный инициатор спрайта - обычная мощная молния «облако - земля», переносящая значительный электрический заряд на землю. В результате происходит мгновенное увеличение напряжённости электрического поля в средних слоях атмосферы, которое вызывает пробой слоя воздуха между ионосферой и тропосферой. Только небольшой процент молний «облако - земля» (меньше 10%) вызывает появление спрайтов, и происходит это далеко не при любой грозе. При этом большинство спрайтов слишком скоротечны, чтобы их можно было наблюдать невооружённым глазом. Но иногда, при благоприятных условиях, можно видеть наиболее яркие спрайты.

Эльфы

Эльфы были предсказаны теоретиками Стэнфордского университета в начале 1990-х, а через несколько лет их существование было подтверждено наблюдателями с космических челноков и с земли (японский Университет Тохоку). Эльф возникает в результате особенно мощного электромагнитного импульса, который сопровождает некоторые разряды молний. В процессе переноса энергии в сторону ионосферы газы начинают светиться. При этом эльф, будучи не менее ярким, чем спрайт, длится лишь тысячные доли секунды, а потому его практически невозможно наблюдать невооружённым глазом. Эльфы также имеют красный цвет и выглядят как гигантские расплывающиеся «бублики». Они формируются на высотах 100-110 км и способны увеличиваться в диаметре до сотен километров.

Голубые джеты

Голубой джет был заснят (тоже практически случайно) в 1994 г. высокочувствительными камерами учёных-исследователей из Университета Аляски в Фэрбенксе с борта летающей научной лаборатории NASA.

Джеты выглядят как объекты, мчащиеся вверх от верхней границы облаков со скоростью 80-150 км/с. Перед исчезновением они достигают высоты 40 км. Голубые джеты обычно существуют меньше четверти секунды, причём движение наиболее ярких из них может быть замечено невооружённым глазом. Хотя голубые джеты, как и спрайты, формируются при грозах с высокой частотой молниевых разрядов, их образование не связано непосредственно с конкретным разрядом «облако - земля». Они возникают на наиболее высотных участках мощных грозовых фронтов - таких, которые приводят к образованию торнадо и сильных штормов.

Супермолнии

Хотя прежде научное сообщество относилось скептически к «восходящих молниям», сейчас оно склоняется к тому, что такие явления всё-таки существуют.

Обычные вспышки молний иногда «выпрыгивают» вверх из породившего их облака, но на короткое расстояние (не более километра). Однако появляется всё больше сообщений о сияющих белых каналах, простирающихся на километры над верхней границей грозовых облаков. Они напоминают обычные молниевые каналы, но существуют значительно дольше (до одной-двух секунд) и не мерцают. Они как бы вырастают вверх из облака и исчезают целиком по достижении максимальной высоты.

Сфера сюрпризов

Исследователи атмосферы нередко полушутливо называют её средние слои «игноросферой». Длительное время учёные практически игнорировали эту интереснейшую область - просто потому, что получить информацию о ней очень трудно. Она находится, с одной стороны, слишком высоко для метеозондов и самолётов, а с другой - слишком низко для спутников. Исследовательские ракеты позволяют получать некоторые данные, но в течение лишь нескольких минут, а запуск каждой ракеты - далеко не дешёвое мероприятие. Инструменты удалённого наблюдения, такие как видеокамеры и радары, не могут заменить исследований «на месте». После открытия спрайтов, эльфов, голубых джетов и других «энергетических существ» можно предположить, что в «игноросфере» происходят явления, о которых мы пока ещё очень мало знаем.

* * *

В заключение отметим, что российские учёные тоже активно занимаются исследованиями явлений, связанных с ГЭЦ. С 2013 по 2019 гг. прошли четыре всероссийские научные конференции на тему «Глобальная электрическая цепь».