Актуальность темы. Высокоэнергетичные явления в газовом разряде издавна привлекали внимание исследователей, но долгое время рассмотрение ограничивалось масштабами лабораторных процессов в импульсных высоковольтных разрядах и единичных экспериментов в грозовых полях (см. [1] приведенные там ссылки). Исследование природных явлений, связанных с грозами, стимулировало поиск механизмов, ответственных за совокупность наблюдаемых феноменов, таких как генерация проникающих излучений в поле грозовых облаков и разрядами молнии, объемные разряды, развивающиеся над грозовыми облаками, механизм инициирования молнии и развития ступенчатого лидера.

Генерация проникающих излучений в области грозового фронта интригующая проблема, связанная с грозовой активностью, нерешенная до сих пор, несмотря на почти вековую историю. Гипотезу о возможности ускорения заряженных частиц до высоких энергий полями грозовых облаков впервые высказал Вильсон в 1924 г. [2], а Эддингтон, обсуждая эту идею, ввел термин "убегающие электроны" (УЭ) [3], т.е. электроны, ускоряющиеся в плотных газовых средах. Эксперименты по обнаружению проникающей радиации в корреляции с грозовой активностью атмосферы проводятся с начала 30-х годов (см. обзор в [1]). Обнаружено, что грозовая активность приводит к усилению проникающей радиации электромагнитной природы в атмосфере на три порядка. Наблюдалось гамма-излучение из канала молний [4]. В наземных экспериментах зарегистрировано существенное превышение потока нейтронов в грозовой атмосфере над космическим фоном [5]. Кроме "обычных" контрагированных молний, имеются сообщения о менее известном типе атмосферных разрядов. Над крупномасштабными системами грозовых облаков с искусственных спутников Земли (ИСЗ), самолетов и земной поверхности неоднократно наблюдались высотные оптические явления: “голубые струи" (Blue Jets), “красные духи” (Red Sprites), “эльфы” (Elves) и др. [6-8], происхождение которых связывают с гигантскими восходящими атмосферными разрядами (ВАР). В отличие от контрагированной молнии, ВАР развиваются как диффузное свечение в объемах 1000 км ³ и более. В корреляции с грозовой активностью с орбитальных станций и самолетов регистрировались необычайно мощные и короткие радио [9] и -импульсы [10-13].

Несмотря на интерес исследователей к высокоэнергетическим явлениям в грозовой атмосфере, остается много нерешенных вопросов. Непредсказуемость явлений, сложность организации наблюдений, связанная с огромными масштабами, удаленностью и невоспроизводимостью объектов исследования - причины их недостаточной изученности. В этих условиях для интерпретации результатов наблюдений и планирования новых экспериментов крайне актуальной становится развитие теории и разработка численных моделей.

Гипотеза Вильсона сама по себе не приводит к наблюдаемым явлениям ввиду малой скорости генерации высокоэнергетичных электронов космическим излучением. Следующим важным шагом в развитии теории стала гипотеза образования лавины релятивистских убегающих электронов (ЛРУЭ), предложенная Гуревичем, Милихом и Рюсселем-Дюпре в 1992 г. [14-16]. Суть ее в том, что в электрическом поле электроны высоких энергий в столкновениях с молекулами воздуха рождают вторичные электроны с энергией, достаточной для перехода в режим убегания, и развивается лавина. Космическое излучение является источником затравочных электронов для инициирования ЛРУЭ. С ростом числа УЭ растет ток низкоэнергетичных электронов, в результате чего развивается пробой воздуха. Этот механизм в настоящее время представляется единственным, способным единообразно объяснить всю совокупность наблюдаемых явлений.

С 90-х годов 20-го века уделяется 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 характерного временного t_e и пространственного l_e масштабов ЛРУЭ, характеристик излучений ВАР в радио, оптическом и гамма диапазонах. Выполнены лабораторные эксперименты с целью подтверждения механизма формирования ЛРУЭ.

Актуальность исследований фундаментальных характеристик ЛРУЭ и основанного на этом явлении механизма развития атмосферных разрядов определяется как интересами развития фундаментальной физики атмосферного электричества (новый механизм пробоя с порогом на порядок ниже обычного; дополнительный источник ионизации атмосферы и одно из звеньев глобального электрического контура), так и рядом практических задач, описанных ниже.

Актуальность усиливается тем обстоятельством, что исследование находится на стыке различных областей физики: физики космических лучей и ядерной физики, атмосферных процессов, газового разряда, молекулярной физики и оптики, радиофизики. Малочисленность экспериментальных результатов, слабая изученность атмосферных процессов и неконтролируемые условия эксперимента потребовали надежных данных об основных процессах, лежащих в основе исследуемых явлений, и создания на этой основе самосогласованных моделей.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования являются атмосферные разряды, развивающиеся в режиме генерации лавин релятивистских убегающих электронов и сопровождающие их излучения. Предметом исследования являются скорость развития ЛРУЭ, ее фундаментальные характеристики, динамика развития ВАР, характеристики его оптического, гамма и нейтронного излучений.

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 работ по физике атмосферного электричества, стимулировавших возникновение гипотезы о ЛРУЭ и теории ПУЭ. В этих работах обсуждаются проблемы генерации проникающих излучений грозовой атмосферой, кратко описаны полевые эксперименты по регистрации проникающих излучений и наблюдения высотных оптических явлений над грозовыми облаками. Изложена теория ЛРУЭ и обусловленный ею механизм ПУЭ, приведена хронология работ в этой области. В заключение формулируются проблемы, нерешенные к 1995 г., когда автор приступил к работе над ними.

Во второй главе излагаются методы и обсуждаются результаты расчетов временного t_e и пространственного l_e масштабов усиления ЛРУЭ в воздухе, являющихся фундаментальными в физике ВАР. Приводятся аналитические оценки, выполненные на начальном этапе исследования. Дальнейшее развитие теории ЛРУЭ включало учет влияния упругих столкновений на движение электронов, и совершенствование и развитие численных методик. Обсуждаются достоинства и недостатки различных вычислительных методов: конечно-разностной схемы для решения кинетического уравнения (КУ), описывающего развитие ЛРУЭ, точного метода Монте-Карло (МК), моделирующего транспорт электронов, позитронов и фотонов в веществе с точным описанием всех взаимодействий и упрощенной гибридной техники Монте-Карло (УМК), включающей детерминистический и стохастический подходы к описанию кинетики релятивистских УЭ и их взаимодействий с атомарными частицами. В результате проделанной работы удалось добиться согласия зависимостей t_e и l_e от перенапряжения, полученных по разным методикам, а также согласия с результатами расчетов других авторов.

В Табл.1 приведены значения t_e для трех , представляющих интерес для физики ВАР, полученные с участием автора методом КУ, по программе МК ЭЛИЗА и по методике УМК, а также полученные в Стэн-фордском университете и Лос Аламосской Национальной Лаборатории.

Таблица 1. Характерное время усиления лавины t _e (нс). Воздух, Р = 1 атм.

Расхождение результатов УМК ВНИИЭФ и 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 t_e по КУ приближаются к результатам, полученным методом МК. Результаты зарубежных исследователей подтверждают полученные результаты. Зависимость , рассчитанная по программе ЭЛИЗА, с точностью 5% аппроксимируется выражением .

В третьей главе изложены результаты исследований ЛРУЭ методом МК. Исследована динамика формирования распределения электронов по энергиям. Показано, что установившаяся средняя энергия электронов слабо зависит от . В широком диапазоне значений существует универсальное распределение электронов по энергиям, практически не зависящее от . Вычислены угловые распределения электронов всех энергий и отдельных энергетических групп. Получены аналитические аппроксимации энергетических и угловых распределений.

Таблица 2. Основные характеристики ЛРУЭ в воздухе в сравнении с классической лавиной.

В результате расчетов найдены спектрально-угловые распределения источника тормозного излучения для установившихся распределений электронов лавины по углам и энергиям. Для фотонов тормозного излучения также существует универсальный спектр. Предложена его аналитическая аппроксимация. Вычислены угловые распределения всей энергии тормозного излучения и угловые распределения отдельных спектральных групп, для которых получены удобные аппроксимирующие формулы. Вычислена скорость генерации фотонов лавиной. Исследовано радиальное расплывание ЛРУЭ. Рассчитаны величины эффективного порога убегания электронов в зависимости от . Итоги исследований ЛРУЭ представлены в Табл.2 в сопоставлении с классической лавиной.

В четвертой главе выполнен анализ эксперимента для исследования лавины релятивистских убегающих электронов, аналогичного классическому эксперименту Таунсенда, но в релятивист-ской области энергий. Для этой цели создано крупномасштабное лабораторное устройство на рабочее напряжение ~ 1 МВ, представляющее собой камеру с плоскими электродами, разделенными секционированным изолятором. Описывается специально разработанный по предложению автора чувствительный коллекторный метод анализа спектров электронов высоких энергий. Метод реализован в детекторах электронов с большой поверхностью сбора. Исследовано размножение релятивистских электронов в воздухе при напряжениях до 1,0 МВ.

Таблица 3. Рассчитанные и измеренные показания коллекторов, нормированные на показания коллектора № 8.

Результаты измерений согласуются с результатами численного моделирования методом МК. Ожидаемые показания коллекторов, полученные в расчетах, практически совпадают с результатами измерений (см. третью и четвертую строки Табл.3). Следовательно, экспериментально реализовано газовое усиление релятивистских электронов в электрическом поле и впервые наблюдалась начальная стадия релятивистской электронной лавины.

В пятой главе сформулирована задача о развитии ВАР в самосогласованном электрическом поле в приближении сплошной среды. За основу взята система уравнений, использованная в работах других авторов, но система была существенно модифицирована, что сделало ее более адекватной природным процессам.

Для эффективного моделирования проникновения ЛРУЭ на большие высоты автором предложено использовать многогрупповое описание потока УЭ, позволяющее повысить точность расчетов, естественно “сшить” область УЭ с областью дрейфующих электронов низких энергий и получить распределение УЭ по энергиям. Этот подход реализован сначала в 1.5D, а затем и 2D приближении. В 1.5D модели описание УЭ реализовано в рамках концепции трубок тока. В расчетах используются полученные автором в гл.2 новые данные для характерного времени усиления лавины t_e, как функции локальных напряженности электрического поля и давления воздуха.

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 (s) и фоновые (b) электроны низких энергий:

, (1)

. (2)

Положительные и отрицательные ионы:

, (3)

. (4)

Здесь источник описывает термализацию УЭ в области слабых полей. Приняты обозначения: частота ионизации молекул электронами, , , и скорости дрейфа вторичных электронов, фоновых электронов, положительных и отрицательных ионов, и коэффициенты рекомбинации электронов с положительными ионами и положительных и отрицательных ионов, коэффициент прилипания электронов к молекулам кислорода, S_b, S _- и S_run - источники фоновых электронов, отрицательных ионов и УЭ. Скорость генерации низкоэнергетичных электронов в соударениях УЭ с молекулами выражена через цену одной электрон - ионной пары . S_b и S _- получены на основании литературных данных о концентрации фоновых электронов, а S_run - на основании данных о потоке высокоэнергетичных электронов в атмосфере. Для , скоростей дрейфа, коэффициентов прилипания и рекомбинации использованы литературные данные. Для скорости наработки УЭ принята следующая аппроксимация

, (5)

Для вычисления напряженности самосогласованного электрического поля в 2D постановке используется уравнение Пуассона

, (6)

а в 1.5D модели и части 2D расчетов реализован экономичный подход, в котором напряженность вычислялась в квазиэлектростатическом приближении из уравнения непрерывности полного тока

, (7)

где ₀ диэлектрическая проницаемость вакуума; и напряженности поля свободных зарядов и поля, создаваемого зарядами грозового облака и поляризационными зарядами; плотность тока проводимости. Тестовые расчеты показали, что это приближение дает хорошие результаты, существенно сокращая время счета.

Модель электрического поля над грозовым облаком. Согласно общепринятому механизму поле облака 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, которые моделируются равномерно заряженным тонким диском. Выполнялись расчеты в двух вариантах: с переменным радиусом диска, вычисляемым по формуле

(8)

и с постоянным радиусом , где - мгновенное значение заряда диска, Q_max - его максимальная величина; Е_max - напряженность поля, создаваемая зарядами диска в его центре.

Флуоресценция 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 молекулы N₂, = 5701040 нм); система Мейнеля М (переходы иона N⁺₂, = 5002000 нм); вторая положительная 2Р и первая отрицательная система 1N в ультрафиолетовой и синей части спектра (переходы N₂ и N⁺₂, = 290530 нм). Рассчитаны эффективности флуоресценции, подобраны соответствующие коэффициенты тушения. Зависимости от времени яркости флуоресценции, возбуждаемой релаксирующими вторичными электронами, нарабатываемыми непосредственно в процессе развития релятивистских лавин, J_av (t), и флуоресценции, возбуждаемой вторичными и фоновыми электронами, равновесными полю, J_s (t) и J_b (t), вычислялись отдельно. Чтобы иметь возможность сравнивать результаты моделирования с данными натурных наблюдений, выполнялось усреднение по длительности кадра камеры [6 - 8]: <J_av> и <J_s+J_b>.

Результаты моделирования в 1.5D геометрии. Выполнено численное моделирование ВАР для различных конфигураций зарядов в грозовом облаке и разной длительности тока молнии, инициирующей разряд. Результаты расчетов иллюстрируются на рис.1 и 2.

Рис.1. Зависимости компонентов средней яркости свечения <J_av> (сплошная кривая) и <J_s+b> (пунктир) от высоты.

В согласии с наблюдательными данными получены две четко выраженные светящиеся области: на высотах 15-20 км и высотах 60-80 км. Нижний максимум обусловлен J_av, а верхний - J_s (t) и J_b (t). Естественно полагать, что флуоресценция нижней области отвечает Blue Jets, а верхней - Red Sprites. Флуоресценция нижней области обусловлена переходами системы 2P молекул азота, а верхней - переходами систем 1P 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 C³_u, ответственного за синее свечение, намного меньше, чем состояния B³_g, ответственного за красное свечение. Красный цвет флуоресценции верхней области (Red Sprite) объясняется тем, что на больших высотах тушение мало, а эффективность флуоресценции вследствие возбуждения B³_g намного больше, чем за счет возбуждения других состояний, и, кроме того, высвечивание синего фотона в результате переходов сопровождается высвечиванием красного. Свечение в верхней части разряда начинается у границы ионосферы и распространяется вниз.

Рис.2. Зависимости компонентов средней яркости свечения <J_s> и <J_b> от высоты и длительности разряда молнии t_disch для _max = 7.

Сначала вклад в яркость дает свечение, возбуждаемое фоновыми электронами J_b, а затем свечение, возбуждаемое вторичными электронами J_s. Амплитуда яркости нарастает во время разряда молнии и резко падает после его прекращения. Результаты расчетов яркости, спектров и пространственного распределения оптического излучения, возбуждаемого ВАР, согласуются с данными наблюдений флуоресценции воздуха над грозовыми облаками.

Дальнейшим шагом в теоретическом исследовании ВАР стала 2D численная модель в рамках последовательно гидродинамического подхода, позволяющая лучше понять особенности высотных оптических явлений и пригодная для получения количественных результатов, адекватных натурным наблюдениям. При ее развитии сделаны следующие усовершенствования.

Использованы точные данные о времени усиления ЛРУЭ.

Приняты более адекватные модели включения поля над грозовым облаком.

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.

Система многогрупповых уравнений для УЭ в 2D модели. Популяция УЭ разбивается на N энергетических групп в диапазоне , где - порог убегания. Использована редуцированная форма строгой системы групповых уравнений неразрывности, баланса энергии и движения [19]. Уравнения неразрывности, движения и энергии для n-й группы УЭ записываются следующим образом:

,(9)

,(10)

,(11)

Операторы и , отвечающие за отток электронов из группы n в группу n - 1 или n + 1 и за приток электронов в группу n из соседних групп, имеют следующий вид:

, . (12)

Приняты обозначения: - концентрация, - направленная скорость и - скорость УЭ, - внешний источник УЭ n-ой группы (практически ), - сила трения, действующая на электроны группы n.

Результаты моделирования в 2D геометрии. Исследовано несколько конфигураций, генерирующих поле над грозовым облаком, отличающихся зарядом диска Q_max и его высотой H. Моделировался случай разряда молнии на землю, длительностью t_disch = 1 мс. Расчеты выполнены для двух вариантов включения поля поляризационных зарядов разрядом молнии.

В первом варианте радиус диска изменялся согласно формуле (8), так что плотность заряда оставалась постоянной.

Во втором варианте радиус диска полагался постоянным, а плотность заряда менялась согласно .

Способ включения практически не влияет на распределение яркости и ее величину на больших высотах. Вблизи облака излучающая область и величина яркости существенно больше в случае постоянного радиуса диска.

Результаты расчетов по 2D модели качественно близки к результатам 1.5 D модели. Количественное различие объясняется занижением поперечного сечения разряда в 1.5 D модели, а также более широким спектральным диапазоном и более точным описанием релаксации поля на периферии разряда в 2D модели. Результаты сравнения результатов, полученных при одинаковых заданных условиях, использованы для объяснения большой длительности свечения Blue Jets ~ 100 мс [7, 8].2D моделирование разрядов длительностью более нескольких миллисекунд невозможно на доступной нам вычислительной технике, но введение поправочного множителя, компенсирующего недостатки 1.5D модели, позволило приблизить ее результаты к данным наблюдений.

Альтернативным объяснением большой длительность свечения Blue Jets является рекомбинации положительных и отрицательных ионов в распадающейся ионной плазме после прохождения ЛРУЭ. На основании пространственно-временных распределений положительных и отрицательных ионов выполнены расчеты яркости флуоресценции рекомбинационного излучения (рис.3), амплитуда которой оказалась близкой к результатам наблюдений.

Рис.3. Амплитуда яркости рекомбинационного излучения.

Для высоты 20 км характерное время рекомбинации равно 100 мс, что согласуется с длительностью Blue Jets.

В шестой главе представлена простая полуаналитическая модель ВАР с учетом изгибания траекторий УЭ геомагнитным полем. Показано, что в рамках разумных предположений о пространственной форме ВАР для реальных зарядов грозового облака предложенная модель предсказывает спектр и число фотонов, близкие к зарегистрированным детектором с борта ИСЗ [10].

На основе результатов 2D моделирования вычислена концентрация УЭ для различных конфигураций заряда облака и в приближении “прямопробежных" фотонов без учета рассеяния в атмосфере вычислено число фотонов со средней энергией в i-м энергетическом канале детектора:

. (13)

Здесь скорость генерации фотонов тормозного излучения ЛРУЭ при Р = 1 атм., отнесенная к одному электрону, и угловое распределение фотонов, полученное главе 3; косинус угла между направлением локальной электрической силы - еЕ и направлением на детектор из точки эмиссии фотона, доля фотонов, излученных в диапазоне i-го канала детектора, вычисляемая интегрированием энергетического распределения фотонов тормозного излучения ЛРУЭ; оптическая толщина слоя воздуха между высотами z, где развивается ВАР и высотой орбиты станции H_sat 500 км длина свободного пробега фотона с энергией при Р = 1 атм. Расстояние до спутника (без учета кривизны поверхности Земли). Суммарное число фотонов по всем каналам детектора приведено в Табл.4 для разных конфигураций.

Число фотонов в некоторых вариантах расчета близко к эксперименту. Наилучшее согласие энергетического распределения для Q =200 Кл и . Для учета вклада фотонов, испытавших рассеяние, методом МК исследован транспорт фотонов через атмосферу от источника, локализованного на высоте z над поверхностью Земли, до детектора на ИСЗ.

Из численных расчетов, выполненных по программе ЭЛИЗА, получены функции удельного тока “зарегистрированных" фотонов (в расчете на один электрон) и углового распределения , где угол между вертикалью, проходящей через источник, и направлением на ИСЗ из центра Земли.

Таблица 4. “Зарегистрированные" со спутника числа фотонов, рассчитанные в интервале 1-4 каналов детектора [10] (20 - 1000 кэВ) и числа нейтронов для различных конфигураций.

С учетом рассеяния число фотонов на детекторе, расположенном под углом , равно

, (14)

где , а пределы интегрирования определяются размерами расчетной области и временем счета. В Таблице 4 приведены результаты расчетов числа фотонов на детекторе ИСЗ для 3-х моделируемых конфигураций и разного углового положения детектора относительно оси разряда. Учет рассеяния фотонов привел к превышению результатов наблюдений для всех рассмотренных случаев, откуда последовал вывод о том, что наблюдаемые вспышки гамма-излучения могли быть связаны с ВАР, которые запускались внутриоблачными разрядами молнии, переносившими заряды, меньшие, чем приняты в выполненных расчетах. Показано, что угловое распределение фотонов определяется не источником, а рассеянием в атмосфере. Исследовано энергетическое распределение фотонов с учетом рассеяния (см. рис.4). Сравнение результатов измерений и расчетов средней энергии регистрируемых фотонов привело к выводу о том, что их источник находился ниже 20 км. Уточненная оценка высоты 12,5 км. Анализ спектра фотонов показал наилучшее согласие с экспериментом [11] для высот источника 15-20 км. Исследовано влияние на угловое и энергетическое распределение фотонов разнонаправленности векторов средней скорости УЭ в разных точках источника в предположении равномерного распределения косинуса угла между направлением средней скорости и вертикалью в интервале . Учет этого эффекта приводит к сближению вычисленного и измеренного спектров фотонов (см. рис.4).

Рис.4. Энергетические распределения фотонов на детекторе в зависимости от угла, под которым виден спутник.

Расчеты показали, что при угле максимального отклонения направления средней скорости УЭ от вертикали угловое распределение фотонов не слишком отличается от полученного без учета разнонаправленности движения электронов.

Для рассмотренных конфигураций вычислен выход нейтронов из объема ВАР в результате фотоядерных реакций (см. Табл.4), который оказывается очень большим, 10¹⁴-10¹⁵, вполне доступным для регистрации на больших высотах.

В заключении приведены основные результаты и положения, выносимые на защиту, указаны мероприятия, где результаты диссертации были апробированы.

Основные результаты диссертационной работы

1. Вычислена зависимость характерного времени усиления лавины релятивистских убегающих электронов от перенапряжения. По трем независимым методикам получены близкие результаты.

2. Рассчитаны зависимости от перенапряжения фундаментальных характеристик лавины: пороговой энергии убегания, средней скорости направленного движения электронов, средней энергии электронов, скорости генерации тормозных фотонов, угловых распределений электронов и фотонов. Показана инвариантность энергетических распределений электронов и фотонов в широком диапазоне перенапряжений.

3. Предложен и выполнен эксперимент по наблюдению начальной стадии лавины убегающих электронов высокой энергии. Результаты эксперимента и численного моделирования лавины согласуются между собой.

4. Развита модель атмосферного разряда, развивающегося в режиме лавин релятивистских убегающих электронов в самосогласованном электрическом поле, реализующая приближение сплошной среды и отличающаяся многогрупповым описанием электронов высоких энергий. Результаты численного моделирования согласуются с данными наблюдений высотных оптических явлений над грозовыми облаками. Показано, что на разных высотах флуоресценция обусловлена возбуждением молекул азота электронами различных диапазонов энергии и различного происхождения.

5. Исследован перенос тормозного излучения лавины релятивистских электронов в атмосфере. Вычислены удельный ток и угловое распределение фотонов в ближнем космосе на высоте искусственных спутников Земли, с борта которых наблюдались вспышки гамма-излучения земного происхождения. Показана необходимость учета вклада рассеянных фотонов в показания детектора. Установлен диапазон высот источника гамма-излучения над уровнем моря, при котором рассчитанная средняя энергия фотонов на высоте орбиты совпадает с измеренной. Численным моделированием различных конфигураций зарядов грозовых облаков подтверждены результаты анализа представительной совокупности экспериментальных данных, согласно которому наблюдавшиеся импульсы гамма-излучения коррелированны с внутриоблачными разрядами молнии, приводящими к малым изменениям дипольного момента грозового облака.

6. Показано, что разряды, развивающиеся в режиме лавин релятивистских электронов, сопровождаются генерацией интенсивных потоков фотоядерных нейтронов. Исследование усиления потока нейтронов в грозовой атмосфере на больших высотах может стать интересным направлением физики атмосферного электричества. Вычисленное количество нейтронов, генерируемых одним разрядом, вполне доступно для регистрации в летных экспериментах.

Список цитированной литературы

1. 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.

2. Wilson C.T.R. The acceleration of в-particles in Strong Electric Fields such as those of Thunderclouds. // Proc. Cambridge Phil. Soc. V.22. P.534.1924.

3. Eddington A.S. The origin of stellar energy. // Supplement to Nature. No 2948 P.25.1926.

4. Dwyer J.R., Rassoul H.K., Al-Dayeh M., Caraway L., Wright B., Chrest A., Uman M.A., Rakov V.A., Rambo K. J., Jordan D.M., Jerauld J., Smyth C. A ground level gamma-ray burst observed in association with rocket-triggered lightning. // Geophys. Res. Lett. V.31, L05119, doi: 10.1029/2003GL018771.2004.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. Massey R.S., Holden D.N. Phenomenology of Transionospheric Pulse Pairs // Radio Sci. V.30. P.1645.1995.

10. Fishman G.J., Bhat P.N., Mallozzi R., Horack J.M., Koshut T., 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.

11. Smith D.M., Lopez L.I., Lin R.P. and Barrington-Leigh C. P. Terrestrial gamma-ray flashes observed up to 20 MeV. Science V.307. P.1085.2005.

12. 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.

13. 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.185.2000.

14. 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.

15. Roussel - Duprй R.A., Gurevich A.V., Tunnell T., Milikh G.M. Kinetic theory of runaway air breakdown. // Phys. Rev. E. V.49. P.2257.1994.

16. Гуревич А.В., Зыбин К.П. Пробой на убегающих электронах и электрические разряды во время грозы. // УФН. Т.171. С.1177.2001.

17. 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.

18. Babich L.P., Donskoy E.N., Kutsyk I.M., Kudryavtsev A.Yu., Roussel-Dupre R.A., Shamraev B.N., Symbalisty 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. P.430-438.2001.

19. Бабич Л.П. Оператор столкновений релятивистских электронов в холодном газе атомарных частиц. // ЖЭТФ. Т.125. С.808-820.2004.

Работы, опубликованные автором по теме диссертации.