Физические процессы в грозовом облаке и их воздействие на оптические линии

Физические процессы в грозовом облаке и их воздействие на оптические линии

Ключевые слова: молния, ступенчатый лидер, рентгеновское излучение, гамма-излучение, оптическое волокно.

За последние годы вначале со спутников, а потом и с помощью приборов, установленных на поверхности земли, сделаны удивительные открытия в исследовании молнии. Молния представляет собой очень яркое зрелище, сопровождаемое световыми и звуковыми эффектами и протеканием большого тока. Это наблюдаемое явление является лишь небольшой частью всего процесса молниевого разряда. Ввиду его яркости, исследования были сосредоточены на изучении именно этой части. Изучение длится уже около 300 лет, если начинать с Франклина и Ломоносова, но и до сих пор в процессе образования разрядов молнии многое остается неясным. В последние годы были сделаны поразительные открытия, которые могут иметь серьезные последствия для развития науки. Установлено, что в процессе развития грозового разряда на высоте 6-8 км над поверхностью земли возникают мощные импульсы рентгеновского и у-излучения, а также генерируются электрон-позитронные пары. Эти излучения, в особенности у-излучение, могут представлять опасность не только для людей, но и для оптических волокон, в частности для волоконных линий, расположенных в горах, вблизи молниеотводов, высоких сооружений и в летательных аппаратах.

Соколов С.А.,

д.т.н., Профессор кафедры"Направляющие телекоммуникационные среды"МТУСИ, slanislava,sokolov@gmail.com

Краткая история вопроса

В последние годы были сделаны поразительные открытия, которые могут иметь серьезные последствия для развития науки. Было обнаружено рентгеновское и у-излучение, возникающее при грозовых разрядах в землю и между облаками. Обнаружение рентгеновского и у-излучения, сопровождающего грозы, напоминает детективную историю. Еще в 1991 г. при изучении у-излучения нейтронных звезд со спутников было замечено яркое миллисекундное у-излучение со стороны земли. Это было принято за ошибку измерения. Однако уже в 2001 г. Моор (C.B.Moore [1]) заметил, что во время грозы происходит излучение с большой энергией, но у него не было соответствующих приборов для идентификации излучений. В 2002 г. NASA запустила солнечный спектральный телескоп RHESSI для исследования излучений Солнца. Он неожиданно начал фиксировать вспышки у-излуче-ния со стороны Земли. В 2003 г. астрофизик Джозеф Двайер и его сотрудники засекли мощный всплеск у-излучения из грозового облака продолжительностью 0,3 миллисекунды. С августа 2008 г. по декабрь 2010 г. космическим телескопом Ферми было зафиксировано примерно 150 всплесков у-излучения, возникавшего где-то поблизости, причем всегда во время сильных гроз на Земле. В дальнейшем телескоп фиксировал до 500 вспышек в год. В 2011 г. телескопом Ферми были открыты кругосветные потоки позитронов, идущих вокруг силовых линий магнитного поля Земли. Последовавшими исследованиями было установлено, что в процессах образования грозовых разрядов внутри облака одновременно возникают рентгеновское, у-излучение и электрон-позитронные пары. Энергия излучаемых квантов может достигать величины 100 МэВ.

Образование грозового разряда

Молния представляет собой очень яркое зрелище, сопровождаемое световыми и звуковыми эффектами. Однако эта наблюдаемое явление является лишь небольшой частью всего процесса молниевого разряда. Ввиду его яркости, исследования были сосредоточены на изучении именно этой части, тем более, что она сопровождается большим электрическим током. Изучение длится уже около 300 лет, если начинать с Франклина и Ломоносова, но и до сих пор в процессе образования разрядов молнии многое остается не-

ясным. Однако в последние годы были сделаны поразительные открытия, которые могут иметь серьезные последствия для развития науки. Было обнаружено рентгеновское и у-излучение, возникающее при грозовых разрядах в землю и между облаками.

При образовании облака его нижняя часть обычно имеет отрицательный заряд. В верхней части облака и на поверхности земли под облаком индуцируется положительный заряд, а возникающая напряженность электрического поля внутри облака и между облаком и землей, может достигать величины 100 миллионов Вольт.

При достижении большой напряженности поля в нижней части облака начинается ионизация, и возникают лавины зарядов, которые, объединяясь, порождают стримеры, направленные в сторону земли. Образуется канал лидера, движущийся по направлению к земле. Характерной особенностью лидера является его прерывистость. Продвинувшись на несколько десятков метров, лидер останавливается, и только по прошествии нескольких десятков микросекунд движение вновь восстанавливается. Развитие последующих ступеней происходит аналогично, почему он получил название ступенчатого лидера. В развитии лидера участвуют ударная и термоионизация молекул, поэтому лидер продвигается к земле ступенями. Иногда от основного канала ответвляются в стороны новые ветви, которые в дальнейшем могут послужить основой для разветвленного удара молнии одновременно в несколько различных точек (обычно два-три, но бывает и больше) на поверхности земли. В канале лидера образуется плазма, и из облака в канал начинает стекать отрицательный заряд. Вследствие ступенчатости и относительно медленного продвижения лидера к земле (средняя скорость ступенчатого лидера примерно равна 0,15 м/мкс) величина тока в канале невелика и составляет всего несколько десятков ампер. Свечение канала в видимом диапазоне в это время очень мало. При достижении лидером земли происходит короткое замыкание с положительным зарядом на поверхности и начинается главная стадия разряда молнии, заключающаяся в нейтрализации отрицательных зарядов лидера и примыкающих частей облака. Эта часть молнии характеризуется большим током, достигающим величины десятков и даже сотен ки-лоампер, и сопровождается сильным магнитным полем, ярким свечением канала вследствие его нагрева и звуковыми эффектами расширяющихся нагретых газов. Скорость развития главного разряда достигает величины порядка сотни м/мкс, так что длительность главного разряда составляет всего несколько десятков микросекунд, тогда как длительность лидерной стадии может составлять тысячи микросекунд. После протекания главного разряда канал молнии остается еще некоторое время ионизированным и проводящим, и по не-

му могут развиваться повторные разряды с неразрядившихся частей облака. Период угасания может длиться несколько десятков миллисекунд. В это время по каналу протекают длительные остаточные токи порядка нескольких десятков ампер. Разветвленность разряда может возникать уже на лидерной стадии, но иногда к моменту повторного разряда канал в своей нижней части может развалиться, и дальнейшее развитие разряда пойдет по другому пути. Как видим из общей длительности молнии в несколько десятков и даже сотен миллисекунд главная стадия, сопровождаемая большим током, занимает всего пару сотен микросекунд, но, как уже говорилось, именно она привлекала наибольшее внимание исследователей вследствие возможных серьезных последствий при протекании большого тока. Однако в последние годы в изучении молнии были сделаны удивительные открытия, связанные с обнаружением рентгеновского и гамма излучения.

Образование лавин убегающих электронов

Чтобы объяснить появление квантов излучения, А. Гуревич и К.Зыбин из Физического ин-та РАН им. Лебедева создали теорию образования быстрьх лавин "убегающих электронов", которые могут приводить к возникновению квантов большой энергии, но предположили, что они образуются в спрайтах на высоте 60-70 км над землей. Впоследствии выяснилось, что быстрые убегающие электроны, столкновение которых с атомам и приводит к образованию х- и у-лучей, возникают не в спрайтах, а в грозовых облаках на высоте 6-8 км. А спрайты (призраки) — это распределенные на площади в несколько квадратных километров заряды, образующиеся при разрядах между облаком и ионосферой, которые кстати тоже были открыты только в самом конце ХХ в. Но выяснилось, что именно электрические поля в верхних слоях облака способны вызвать подобный лавинный разряд электронов высокой энергии, которые, столкнувшись с атомами, вызывают испускание высокоэнергичных фотонов излучения. Было обнаружено, что рентгеновское излучение возникает в виде дискретных интенсивных всплесков синхронно с образованием шагов лидера, однозначно демонстрируя, что источник рентгеновского излучения тесно связан со ступенчатым процессом. Когда выяснилось, что в процессе развития лидерной стадии молния генерирует рентгеновское и у-излучение, процессы лидерной стадии пришлось пересмотреть.

При высоких энергиях электроны движутся по почти прямым линиям в лавине, получая под действием электрического поля б?льшую энергию, чем теряют при столкновениях. Эти убегающие электроны ускоряются почти до скорости света и могут пролететь даже несколько сот метров до столкновения. Сталкиваясь с молекулой газа в воздухе, они выбивает другие электроны. Возникает экспоненциально возрастающая лавина электронов высокой энергии. Мощность рентгеновского и у-излучения сильно возрастает. Продолжительность излучения достигает 0,3 мс и буквально освещает местность. Если бы наш глаз мог видеть в этом спектре частот и за короткие промежутки времени, то излучение молнии возможно казалось нам более ярким и длительным, чем то, что мы наблюдаем сейчас. Внутри грозового облака на большой высоте выделяется огромная энергия, приводящая к возникновению у-излучения. В свою очередь у-кванты, взаимодействуя с ядрами атомов, могут рождать электрон-пози-тронные пары, причем эта реакция может произойти на значительном расстоянии от места возникновения молнии. Фотоны у-излучения, направляющиеся вверх, на высоте порядка 40 км, могут сталкиваться с молекулами воздуха, образуя электрон-позитронные пары, которые в дальнейшем захватываются силовыми линиями магнитного поля Земли. И действительно, с помощью приборов зафиксированы пучки позитронов на большой высоте. Электрические поля в

верхних слоях облака способны вызвать лавинный разряд электронов высокой энергии, которые, столкнувшись с атомами, вызывают испускание высокоэнергичных фотонов излучения.

Обнаружение рентгеновского излучения

Исследования Моора и Двайера, проведенные в 2001-2003 гг., обнаружили, что во время лидерной стадии возникает радиация с большой энергией, а в 2004 г. Двайер показал, что это излучение является рентгеновским излучением с энергией, достигающей в некоторых случаях сотен кэВ. Процесс эмиссии рентгеновских квантов кратковременен и не превышает 1 мкс и всегда связан с лидерной стадией. Почему поле вырастает до весьма больших величин и точный механизм быстрого пробоя с возникновением радиации с большой энергией, несмотря на теорию Гуревича-Зыбина, к сожалению пока полностью не ясен. Рентгеновское излучение возникает за время порядка 0,9-1,2 миллисекунды до главного разряда и заканчивается близко к началу возвратного удара. Это время начала последней ступени лидера.

Обнаружение у-излучения грозового облака

Поскольку естественные грозовые разряды не возникают по заказу, и происходят недостаточно часто, изучение процессов продолжается не только в виде наблюдений естественной молнии, но и с помощью инициированных разрядов с земли. С целью вызвать электрический разряд молнии из облака в землю, в направлении к облаку запускается ракета, к которой прикреплен тонкий проводник. При приближении ракеты к облаку с верхушки ракеты начинает развиваться положительный стреловидный лидер. При достижении облака происходит электрический разряд, тонкая проволока моментально испаряется и дальнейшее развитие процесса происходит как и в естественной молнии. Такие искусственно вызванные инициированные разряды получили в западной литературе название триггерных молний.

При исследовании триггерных молний Двайером на уровне поверхности земли были обнаружены сильные излучения в виде у-квантов с энергией, превышающей 10 МэВ. Начало у-вспышки происходит, когда восходящий положительный стреловидный лидер, связанный с верхушкой ракеты и с вытянутой проволокой, достигает заряда облака в нескольких километрах над землей, то-есть источник излучения находился в облаке на высоте в несколько километров. Энергия квантов превышала несколько мегаэлектронвольт. Если учесть, что у-излучение очень сильно ослабляется атмосферой, то можно представить, какой большой величины могли быть у-кван-ты в точке возникновения. Вспышки излучения наблюдались и через 20 миллисекунд после испарения поджигающей проволоки и не только в связи с инициированным каналом, но и на расстоянии в несколько сот метров от него, то-есть происходили вероятно под воздействием убегающих электронов в соседнем облаке. Наблюдались вспышки, состоящие из нескольких сотен квантов с периодом порядка 300 мкс. На рис.1 показана примерная форма вспышки Г-излу-чения, которое записывалось системой сбора данных во время триг-герного разряда, а на рис. 2 приведен спектр энергии у-лучей, зафиксированный в этих опытах.

Начало вспышек обычно происходило примерно в то же время, что и возникал положительный лидер, связанный с верхушкой ракеты и поджигающей проволокой в нескольких километрах над землей. Поскольку поглощение фотонов у-излучения в атмосфере велико, а возникает оно на высоте 6-8 км, энергия отдельных фотонов в источнике может быть очень велика, порядка 100 МэВ, правда зарегистрированная плотность потока фотонов на уровне земли невелика, составляя всего единицы фотонов (с энергией в несколько МэВ) на квадратный сантиметр (рис. 2).

136

Т-Сотт, #8-2013

Рис. 1. Общая форма вспышки Y-излучения

РИс. 2. Спектр энергии фотонов Y-излучения

Направленные вверх разряды от высоких заземленных объектов (например, высоких предметов, башен, молниеотводов) также имеют начальную стадию, подобную триггерной молнии, и вспышки у-лучей возможно случаются во время молниевых разрядов с высоких структур. Возникновение рентгеновских и у-излучений наблюдались также вблизи облаков и на вершинах гор.

Исследование триггерных молний имеет большое практическое значение, поскольку действие защитных сооружений и молниеотводов, а также развитие молниевых разрядов в высотные сооружения и в горах начинается как в триггерной молнии с развития положительного лидера к облаку, и вспышки у-лучей возможно случаются во время молниевых разрядов с высоких структур, что подтверждается практикой, поскольку возникновение рентгеновских и у-излуче-ний наблюдались близко к облакам и на вершинах гор.

Воздействие излучений на оптический кабель

Известно, что ионизирующие излучения оказывают серьезное влияние на оптические кабели, ухудшая их свойства. В настоящее время магистральная связь практически полностью осуществляется с помощью оптических кабелей. Проложенные в грунте или подвешенные на опорах оптические кабели могут подвергаться воздействию грозовых разрядов, и, как следствие, в некоторых случаях подвергаться рентгеновскому и у-облучению. В некоторых случаях и летательные аппараты могу оказаться вблизи заряженных облаков. Хотя длина оптических кабелей внутри аппарата небольшая, но амплитуда воздействия вследствие близости к источнику может быть велика. До последнего времени о таких воздействиях ничего не было известно, но последние открытия в области исследования молнии заставляют обратить внимание на эту проблему

Основные эффекты, производимые рентгеновским и у-излучени-ем в волокне — это смещение атомов из нормального положения в кристаллической решетке и ионизация. Радиация приводит к нарушению имеющихся в основе материала оптического волокна связей и к появлению свободных связей, которые служат ловушками зарядов. При этом возникают дефекты в структуре решетки. Эффект усиливается, если в структуре решетки уже имеются дефекты или примеси. При облучении вещества фотонами с энергией менее 1 МэВ возникающие дефекты относительно незначительны и могут иметь тенденцию к восстановлению исходного состояния. В некоторых случаях при наличии примесей и дефектов и при относительно малых энергиях фотонов могут возникать более сложные не восстанавливающиеся повреждения структуры, которые приводят к появлению уровней в запрещенной зоне. При более высоких энергиях нарушения будут носить необрати-

мый характер. При облучении в результате захвата структурными и примесными дефектами электронов и дырок возникают так называемые центры! окраски, которые поглошрют свет в некоторых частях спектра, что и приводит к дополнительному затуханию. В результате облучения изменяются первичные параметры оптического волокна — коэффициент преломления и величина затухания. Легирующие добавки, остаточные механические напряжения, примеси, малое содержание гидроксильной группы! ОН снижают радиационную стойкость волокна. В этой связи, волокна с отсутствием водяного пика могут оказаться более чувствительны к радиационным воздействиям. При импульсном облучении оптические потери достигают более высоких значений чем при стационарном. В случае полимеров ионизирующее излучение существенно изменяет их макроскопические свойства, нарушая связи полимерных цепочек. При энергии квантов порядка 1 Мэв действие излучения сводится к эффектам, создаваемым вторичными быстрыми электронами. Вторичные электроны! эффективно взаимодействуют с атомными электронами, вызывая ионизационные потери. При очень больших энергиях Y-квантов (порядка десятков и сотен МэВ) возможно непосредственное взаимодействие с ядрами атомов как в случае нейтронных потоков. Тогда возможно изменение фазового состояния и плотности стекла и образование объемных и точечных дефектов, вызывающих образование внутренних напряжений и деформаций. Возможно выбивание атомов из положения равновесия на сравнительно большие расстояния, образование дефектов на границе между сердцевиной и оболочкой. Конечными продуктами такого рода физических процессов будет появление свободных радикалов, изменение положения некоторых атомов, вакансий и т.п.

Заключение

Таким образом, констатируя, можем заключить, что в результате последних исследований молнии открыты удивительные новые явления, в возникновении которых еще не все ясно, и которые нуждаются в дополнительном изучении, чтобы определить, насколько это опасно для волоконно-оптических линий связи, а также в необходимости возможных защитных мер. Энергия квантов излучений у поверхности земли имеет величину порядка 100 кэВ —10 МэВ и их количество не превышает нескольких единиц на квадратный сантиметр площади, то-есты находится как раз на границе воздействия на оптическое волокно. Но уже вблизи высоких сооружений, молниеотводов и в горах энергия и количество воздействующих квантов может быть существенно больше. Необходима дальнейшая работа в этой области. В последующие несколько лет США, Европа и Россия планируют запуск специальных зондов для исследования этих процессов.

Литература

1. C.B.Moore et al. Energetic radiation associated with lightning stepped leader. J.Geophis. Res., 102, 9659-9666, 2001.

2. J.R.Dwyer et al. X-ray bursts associated with leader steps in cloud-to-ground lightning. Geophysical Research Letters, vol.32, L01803, 2005.

3. J.R.Dwyer et al. A ground level gamma-ray burst observed with rocket-triggered lightning. Geophysical Research Letters, vol.31, L05119, 2004.

4. Ларин Ю.Т. Оптические кабели. — М. :Престиж, 2006. — 304 с.

5. Гроднев И.И. Волоконно-оптические линии связи. — М.: Радио и связь, 1990. —224 с.

6. AV. Gurevich, K.RZybin. Runaway breakdown and electric discharges in thunderstorms. Phys.Usp. 44, 1119-1140.

Abshact

Physical processes in a thundercloud, and their impact on the optical line

Sokolov SA, MTUCI

The surprising discoveries in lightning research have been made recently initially by satellite and then by devices on ground surface. It is determined that during lightning development process powerful x-rays and Y-rays appear at a height 6-8 km over ground surface, and there are electron-positron beams. These radiations can be of great danger especially Y-rays for people and for optical fiber, particularly for situated optical lines near lightning protectors, tall buildings and aircraft. Keywords: lightning, stepped leader stroke, x-ray, Y-ray, optical fiber.