2.3. ИССЛЕДОВАНИЯ В ЮАР

2.3.1. Введение

Несмотря на отсутствие прямых доказательств, обычно полагают, что первая стадия, предваряющая искровой пробой, заключается в прохождении лавины электронов от катода к аноду. Предполагают, что действительный пробой происходит после прохождения этой лавины и имеет вид распространяющегося от анода к катоду термически ионизированного языка.

Мы получили недавно, по-видимому, весьма четкое доказательство существования этих явлений для вспышки молнии, исследование которой проводилось камерой с вращающимися объективами (типа камеры, изобретенной профессором Бойсом).

Шонланд В.Ф. Дж. и Колленс X., Развитие молниевого удара, Nature, 132, 407—408 (1933).

Так начинается одна из первых статей, в которой приведены результаты, полученные в ЮАР при помощи камеры Бойса и электрических измерений разряда молнии. Эти результаты отражены в 10 основных публикациях [9, 30 - 33, 39, 43-46]. Кроме того, особый интерес представляют обзорная статья Шонланда [41] и книга Малана [29].

В 1933 г. Шонланд и Колленс опубликовали предварительные результаты обработки фотографий 45 импульсов (И вспышек), полученных Колленсом, и 5 импульсов молнии, полученных Холлидеем. Были проанализированы 28 лидеров, движущихся к земле. Большинство из них, если не все, были связаны с неразветвленными возвратными ударами. По-видимому, на фотографиях был стреловидный лидер, т. е.. лидер, который предшествует импульсу, следующему за первым. Шонланд и Колленс первыми представили количественные доказательства того, что возвратный удар развивается по направлению вверх, от земли к облаку. Годом позднее Шонланд и Колленс опубликовали подробные результаты анализа 45 молниевых импульсов (11 вспышек), сфотографированных Колленсом. Средняя прямолинейная скорость, найденная для стреловидного лидера, составляла и для возвратного удара Измеренная длина стрелы не превышала 54 м. В 1935 г. Шонланд, Малан и Колленс впервые обнаружили ступенчатый характер лидера, предшествовавшего первому импульсу во вспышке. Была дана схема вспышки молнии, аналогичная приведенной на рис. 1.3. Наиболее часто встречающаяся величина эффективной скорости ступенчатого лидера составляла Сообщалось о существовании стреловидно-ступенчатого лидера. Было показано, что интенсивность первого импульса во вспышке обычно больше, чем последующих импульсов. В статьях 1933-1935 гг. можно найти данные, которые до сих пор (до того времени, когда писалась эта книга) составляют значительную долю того, что известно о молнии. В этих и последующих статьях из ЮАР были представлены и обсуждены в деталях результаты, полученные при обработке фотографий молний. Ниже мы рассмотрим их.

2.3.2. Ступенчатый лидер

Ступенчатые лидеры могут быть разделены по длине ступени и по средней скорости движения к земле на два класса: [39]. Ступенчатые лидеры типа а имеют низкую и относительно одинаковую среднюю скорость по всему пути от основания облака до земли.

Рис. 2.4. Схема фотографий ступенчатых лидеров типа, полученных с помощью барабанной камеры.

Ступени лидеров типа а обычно короче, Чем ступени - лидеров, и не меняются заметно ни по длине, ни по яркости. Лидеры -типа имеют более слабую светимость, чем лидеры (З-Типа. Шонланд [41] установил, что большинство лидеров, сфотографированных в ЮАР, относятся, по-видимому, к типу а. Однако электрические измерения указывают, что преобладают лидеры -типа. Лидеры -типа имеют относительно длинные довольно яркие ступени и высокую среднюю скорость перемещения к земле (обычно в диапазоне от до Они также характеризуются значительным ветвлением ниже основания облака. Когда лидер -типа приближается к земле, его скорость уменьшается и о становится похожим на лидер -типа. Схемы фотографий лидеров, полученных барабанной камерой, показаны на рис. 2.4. В табл. 2.1 приведены средние скорости движения к земле для ряда -лидеров.

Таблица 2.1 (см. скан) Средние скорости направленных к земле ступенчатых лидеров типа в ЮАР [41]

Имеются два важных видоизменения лидера -типа [39]. Они называются и Лидер отличается от нормального -лидера тем, что его скорость претерпевает заметный разрыв в некоторой точке на пути к земле. Перед разрывом он сильно ветвится и движется со средней скоростью около После разрыва лидер становится по существу лидером -типа с несколькими ветвями, слабо светящимися, со средней скоростью движения около . В табл. 2.2 приведены свойства лидера.

Лидеры типа (32 отличаются от обычных -лидеров тем, что во время второй медленной стадии около земли канал -лидера освещается стреловидным лидером, быстро проходящим от основания облака к вершине лидера. Обширное ветвление лидера наблюдается на направленном к земле конце стрелы, Несколько таких стреловидных

Таблица 2.1 (см. скан) Свойства -лидеров Средняя скорость движения лидера к земле на Первой стадии, около облака, обозначена на второй стадии, около земли,

лидеров могут догнать медленно движущийся ступенчатый лидер, как это схематически показано на рис. 2.5. Время между отдельными лидерами, так же как и время между

Рис. 2.5. Схема фотографии ступенчатого лидера -типа, полученной с помощью барабанной камеры,

возникновением первой стадии -лидера и первой стрелой, равно примерно 0,01 с. Вторая стадия -лидера является самой медленной стадией, обладающей наименьшей светимостью из всего лидерного процесса. Скорость лидера существенно не изменяется до и после появления стрелы. В табл. 2.3 приведены примеры свойств -лидера. Воркман и др. [52], по-видимому, сфотографировали лидер типа который сопровождался за время своего прохождения к земле четырьмя последовательными большими стрелами. На фотографии не обнаруживалось разрешение ступеней лидера.

Таблица 2.3 (см. скан) Свойства -лидеров

Средняя скорость движения лидера к земле на первой стадии, около облака, обозначена на второй стадии, около земли перед прохождением стреловидного лидера, после прохождения стреловидного лидера .

Определенные вариации в длине ступеней, измеренной фотографическим способом, совершенно неизбежны из-за изменения проекции ступеней на плоскость наблюдения. Измеренные длины ступеней лежат в пределах от 10 до 200 м. Найдено, что из первых 21 лидера, фотографии которых были пригодны для измерения длины ступеней, 15 имели длину ступеней между 20 и 85 м [41]. Обычно находят, что длина ступени и яркость ступени увеличивается с возрастанием средней скорости лидера. Как для так и для -лидеров наблюдается увеличение средней скорости яркости ступеней в непосредственной близости к земле.

Время между ступенями для первых 21 лидера заключено в интервале между 37 и 124 мкс [41]. Для 19 из 21 лидера время между ступенями заключено в интервале 37-92 мкс. Средняя скорость движения ступенчатого лидера к земле определялась делением длины ступени на интервал времени между ступенями, поскольку ступень становится освещенной на более короткое время, чем интервал между ступенями. Для первых 21 лидера, которые рассматривались выше, средняя скорость изменялась от до Вообще, самые длинные ступени связаны с самыми большими интервалами между ступенями.

Скорость распространения освещенности вдоль ступени не может быть измерена при помощи камеры Бойса, так как длина ступени невелика, а время разрешения камеру в лучшем случае порядка 1 мкс. Ступени, по-видимому, становятся освещенными за время, меньшее 1 мкс. Так, для -метровой ступени скорость распространения освещенности вдоль ступени, вероятно, превышает Шонланд и др. [45] отметили, что на фотографиях, полученных с помощью камеры Бойса, верхняя часть ступени лидера расширена, и предположили, что этот эффект свидетельствует о распространении освещенности в направлении к земле.

Разряды молнии, которые ослабевают при Достижении земли, как известно, являются разрядами в атмосфере. Большинство разрядов в атмосфере представляют собой широко разветвленный лидерный процесс -типа. Эти разряды в атмосфере и лидеры -типа приведены в одной и той же колонке табл. 2.1. Некоторые разряды в атмосфере являются лидернйми процессами -типа, и, как предположил Сурдильон [47], они тождественны ракетообразным молниям (разд. 1.9).

Как сообщил Шонланд [40], радиусы светимости ступенчатого лидера заключены в интервале 0,5 - 5,0 м. Эти измерения были сделаны по фотографиям, полученным камерой Бойса, и, следовательно, движение изображения лидера относительно пленки, возможно, приводит к увеличению изображения. Шонланд [40] доказывает, что дело обстоит не так, поскольку, как было установлена, ни один ступенчатый лидер не имел радиус меньше 0,5 м,

даже в тех случаях, когда направление движения пленки было параллельно ступени. Маловероятно, чтобы фотографические измерения радиуса ступенчатого лидера приводили к недооценке этого радиуса [10].

2.3.3. Стреловидный и стреловидно-ступенчатый лидеры

На фотографиях, полученных камерой с быстрым движением затвора, стреловидный лидер представляет собой тонкую светящуюся линию, распространяющуюся вниз от основания облака, с яркой вершиной длиной около 50 м. Из фотографий, сделанных камерой Бойса, следует, что стреловидный лидер равномерно движется к земле, обычно без разветвлений. На рис. 2.6 представлена комбинация стреловидного лидера с возвратным ударом, полученная при помощи камеры Бойса. Измеренные скорости стреловидного лидера заключены в интервале от до с наиболее часто встречающимся значением (табл. 2.4).

Таблица 2.4 (см. скан) Распределение скоростей стреловидного лидера [45]

При приближении стреловидного лидера к земле его скорость часто уменьшается. Кроме того, скорость стреловидного лидера связана с интервалом времени между предыдущим разрядом и появлением стреловидного лидера.

Рис. 2.6. (см. скан) Фотография, полученная с помощью камеры Бойса, на которой запечатлены стреловидный лидер, возвратный удар и -компонент (фотография получена Кридером около Тачсона, Аризона).

Высокие скорости связаны с короткими интервалами, а низкие скорости — с длинными интервалами. Было высказано предположение [45], что этот эффект обусловлен уменьшением

проводимости канала со временем, причем низкие проводимости приводят к медленным стреловидным лидерам. Изменение радиуса канала во времени и увеличение плотности с уменьшением температуры также могут внести свой вклад в этот эффект (разд. 7.5 и 7.7). Вообще, чем больше интервалы между импульсами, тем больше интенсивность возвратного удара. Эти результаты отражены в табл. 2.5. Данные, полученные Бруком и Китагава о взаимосвязи между скоростью стреловидного лидера и временем между импульсами, рассматриваются в разд. 2.5.3 (рис. 2.10).

Таблица 2.5 (см. скан) Свойства стреловидных лидеров и последующих возвратных ударов. Интенсивность первого удара принята за единицу [41, 45].

Когда время между импульсами велико, стреловидный лидер может переходить от непрерывно движущегося лидера к ступенчатому лидеру, имеющему высокую скорость, малую длину ступени и короткие интервалы между ступенями. Быстрый ступенчатый лидер следует по каналу предыдущего импульса. Свойства стреловидных лидеров приведены в табл. 2.6. Иногда стреловидный или стреловидно-ступенчатый лидеры снова могут перейти в обычный ступенчатый лидер. В этом случае лидер не обязательно следует по каналу предыдущего разряда.

Таблица 2.6 (см. скан) Средняя скорость, средняя длина ступени и среднее время между ступенями для стреловидно-ступенчатых лидеров, предшествующих второму возвратному удару в многоимпульсной вспышке [41]

2.3.4. Первые возвратные удары

Ступенчатые лидеры ветвятся книзу, и первый возвратный удар освещает эти ветви так же, как и главный Канал. Освещенность первого возвратного удара распространяется вверх от земли, резко уменьшаясь в интенсивности при достижении каждой точки ветвления. Скорость возвратного удара вдоль главного канала обычно также уменьшается при достижении каждой точки ветвления. Скорость как функция от высоты канала для одного из возвратных ударов приведена в табл. 2.7.

Таблица 2.7 (см. скан) Распределение скоростей по каналу первого возвратного удара Величины скоростей определены с точностью до 20% [45]

Типичная скорость возвратного удара у основания канала порядка а у вершины канала порядка Возвратный удар распространяется вдоль ветвей со скоростями, которые заключены в интервале от до Скорость движения возвратного удара вдоль ветви обычно превышает скорость распространения по главному каналу у точки разветвления.

Шонланд [38] измерил по фотографиям радиусы канала возвратного удара и нашел, что они лежат в интервале от 7,5 до 11,5 см. Радиусы ветвей, как он установил, заключены в интервале от 5,5 до 8,5 см. Измерения проводились по фотографии близкой молнии, полученной с помощью барабанной камеры, на которой различные импульсы многоимпульсной вспышки разделены в пространстве ветром (ленточная молния). Маловероятно, чтобы измерения радиуса канала, выполненные по фотографиям, привели бы к недооценке его величины [10]. Результаты измерений радиуса канала, выполненные в Аризоне на основании фотографий с хорошим разрешением, будут приведены в разд. 2.5.2.

2.3.5. Последующие возвратные удары

Стреловидный лидер, предшествующий второму удару, распространяется вниз по бездействующему уже каналу первого удара, освещая только наиболее яркие ветви первого импульса. Зачастую не освещается ни одной ветви. Таким образом, сначала главный канал подготавливается для поддержания второго возвратного удара в его прохождении от земли к облаку. Следовательно, возвратные удары, следующие за первым, обычно слабо разветвлены. Ветви, присутствующие во втором разряде, почти всегда будут исчезать в третьем импульсе. Скорость распространения возвратного удара, следующего за первым, относительно одинакова на пути прохождения от земли к облаку. Величины скоростей распространения возвратных ударов, следующих за первым, заключены в интервале от до Если удар распространяется вверх, освещенность последующих возвратных ударов уменьшается, но эта тенденция к уменьшению выражена не резко.

2.3.6. Световые компоненты, связанные с ответвлениями, и M-компоненты

Свойства компонентов, связанных с ответвлениями, и -компонентов были рассмотрены Маланом и Колленсом [30] и Маланом и Шонландом [31]. В этих работах содержится много интересных фотографий и рисунков.

Когда первый возвратный удар достигает ветви, происходит увеличение яркости всего канала от начала до точки разветвления. Скорость распространения освещенности, возникающей за счет светового компонента, связанного с ветвлением, превышает По-видимому, невозможно точно определить скорость и направление распространения освещенности: для компонентов, связанных с короткими ветвями, время разрешения камеры Бойса недостаточно, а для компонентов, связанных с длинными ветвями, край светимости так размыт, что невозможно провести какие-либо измерения.

После того как возвратный удар проникает в облако, может наблюдаться дополнительное увеличение яркости канала вдоль всей видимой его длины. Этот световой компонент называется -компонентом. Часть его может быть связана с ветвлением канала внутри облака; большая же часть не связана. -компоненты имеют место при слабо освещенном канале, когда, по-видимому, он еще проводит ток. По измерениям Малана и Шонланда интервал времени между -компонентами составляет обычно Теми же авторами было установлено, что для данного разряда продолжительность -компо-нентов увеличивается с каждым новым -компонентом.

Работая в Нью-Мексико (разд. 2.5.3), Китагава и др. 122] установили, что время между -компонентами обычно составляло 6 мс и во время первых 15 мс после возвратного удара интервал между -компонентами имел тенденцию к увеличению с течением времени. Самые ранние компоненты были разделены временем менее 1 мс. После 40 мс интервалы не зависели от прошедшего времени. Данные Китагава др. [22] относятся, по-видимому, преимущественно к -компонентам, появляющимся во время непрерывной токовой фазы, которая следует за некоторыми разрядами, в то время как данные Малана и

Шонланда [31] относятся преимущественно к -компо-нентам, появляющимся во время слаботочного «хвоста», который следует за большинством импульсов. -компо-нент виден на фотографии рис. 2.6, которая получена с помощью камеры Бойса.

2.3.7. Разное

Малан [28, 29] сконструировал специальную камеру для фотографирования явлений светимости, которые создают общее диффузное освещение облака. При помощи камеры Малана регистрировалось на пленке свечение только небольшой части облака. Таким образом, решался вопрос разделения перекрывающихся изображений от большого источника. Камера, кроме того, регистрировала область между облаком и землей. Малан установил, что светимость имеет место внутри облака в течение времени между импульсами облако — земля (факт, свидетельствующий в пользу идеи -процесса). Он также исследовал внутриоблачные молнии и нашел, что наиболее часто встречающееся. время протекания внутриоблачного разряда равно 0,25 с. Было установлено, что внутриоблачные разряды имеют непрерывную светимость, сопровождающуюся ритмичным увеличением интенсивности с интервалами времени, аналогичными интервалам между импульсами облако — земля. Фотоэлектрические измерения светимости облачного разряда будут рассмотрены в разд. 3.8.

Иногда наблюдался фронт светимости, который распространялся от концов ответвлений к главному каналу возвратного удара или разряда в атмосфере. Это было названо стримером отдачи. В возвратных ударах светимость отдачи наблюдается после того, как возвратный удар достигает конца ветви. Скорость его распространения относительно мала, порядка [41]. Фотографии стримеров отдачи разрядов в атмосфере приводятся Огава и Бруком [37]. Связь между стримерами отдачи и внутриоблачным разрядом рассматривается в разд. 3.8.

Шонланд и Малан, как сообщил Шонланд [41], определили в ЮАР число импульсов на вспышку для 1800 вспышек. Эти данные приведены на рис. 2,7. 50% вспышек имели четыре и более разрядов, девять и больше.

Рис. 2.7. Частотное распределение числа импульсов на вспышку в ЮАР [41]

Рис. 2.8. Частотное распределение общей продолжительности вспышек на землю в ЮАР. Кривая для всех вспышек включает одноимпульсные вспышки. 1 — вспышки, состоящие из 2 импульсов; 2 — из 3 импульсов; 3 — из 4 импульсов; 4 — все вспышки; 5 — вспышки, состоящие из 5—12 импульсов [27].

Согласно Шонланду [41], вспышки с многими импульсами более обычны в больших фронтальных грозах, чем в слабых конвективных. Вормель [54] сообщил, что преобладающее число вспышек, исследование которых было проведено в Англии, состояло только из одного импульса.

Данные относительно общей продолжительности вспышек на землю в ЮАР, опубликованные Маланом [27], приведены на рис. 2.8. 50% вспышек имели продолжительность, равную 0,2 с или больше. Согласно Шонланду [41 ], после 20% всех вспышек в ЮАР, содержавших один или более импульсов, следовал непрерывный ток, продолжительность которого могла достигать 200 мс. Численные данные, касающиеся этого явления, приведены Маланом [27]. Аналогичные наблюдения, относящиеся к непрерывному току во вспышках с разрядом на землю в Нью-Мексико, обсуждаются в разд. 2.5.3.