3.9. МАГНИТОСТАТИЧЕСКИЕ ПОЛЯ МОЛНИИ

Магнитостатические поля (разд. 3.3), возникающие в период разряда молнии, прямо пропорциональны току разряда. Таким образом, измерения магнитостатического поля можно использовать для определения тока разряда. В этом разделе мы рассмотрим магнитные измерения, проведенные на расстояниях от канала разряда, больших нескольких метров. Магнитные измерения, проведенные непосредственно вблизи канала, будут рассмотрены в гл. 4.

Хатакияма [22] и Мис и Эванс [54] использовали баллистический магнетометр для измерения интегрального тока молнии, т. е. количества перенесенного электричества. Баллистический магнетометр — это по существу магнит, Цодвешенный на проволоке. Магнитное поле разряда молнии сообщает магниту крутящий момент. После уменьшения магнитного поля до нуля магнит будет совершать затухающие гармонические колебания около положения равновесия. Если продолжительность воздействия магнитного поля короче периода колебаний магнетометра, то начальный крутящий момент будет пропорционален интегралу по времени от приложенного магнитного поля. Следовательно, максимальный угол отклонения может быть связан с переносимым зарядом. Если продолжительность воздействия магнитного поля, обусловленного разрядом молнии, меньше периода колебаний магнетометра, то, согласно [54], вычисленная величина переносимого заряда будет занижена по сравнению с истинной.

Мис и Эванс [54], используя магнетометр с периодом колебаний около 2 с, определили перенос заряда для 16 вспышек вблизи Таксона, Аризона. Величины переносимого за вспышку заряда, найденные ими, лежали в интервале от 23 до 1065 Кл. Средний заряд за все вспышки составлял 256 Кл. Если пренебречь двумя вспышками с максимальными зарядами, то средний заряд составит 143 Кл. Как отметил Пайерс, перенос заряда для данной вспышки в измерениях Миса и Эванса тесно связан с расстоянием до разряда, а именно больший перенос заряда был найден для более удаленных разрядов. В связи с этим фактом возникают сомнения в правильности измерений. Хатакияма [22] в Японии определил перенос заряда для 5 неизвестных

типов разрядов молнии, расстояние до которых было приблизительно известно. Данные были проанализированы в предположении, что все разряды являются либо разрядами облако—земля, либо внутриоблачными, либо горизонтальными. Для разрядов облако — земля переносимый заряд в четырех вспышках лежал в интервале от 20 до 100 Кл, а в пятой — от 100 до 200 Кл. Если вспышки считались вертикальными внутриоблачными, то переносимый заряд был в 1,5-2 раза больше, чем для разряда облако — земля. Для горизонтальных разрядов длиной от 3 до 10 км переносился заряд в интервале от 19 до 254 Кл.

Вильяме и Брук [87] сообщили об измерениях непрерывных токов молнии и двух ступенчатых лидеров. Измерения проводились с помощью индукционного магнетометра с временем установления 20 мс. Средняя величина 14 интервалов непрерывного тока средней продолжительностью 174 мс была 184 А. Средний отрицательный заряд, снижающийся за интервал непрерывного тока, составлял 31 Кл. Эти величины тока и заряда примерно в 2—3 раза больше величин, найденных по изменениям электрического поля Бруком и др. [8]. Вильяме и Брук [87] для двух ступенчатых лидеров получили ток 50 и 63 А; продолжительность магнитного воздействия для них была больше 20 мс - времени установления магнетометра. В большинстве записей магнитные эффекты, вызванные ступенчатыми лидерами, не проявляются. Это отсутствие магнитных эффектов может означать, что ток в ступенчатом лидере обычно меньше 50 А.

Нориндер с сотрудниками провели в Швеции большие исследования магнитных полей, связанных с молнией, используя рамочную антенну с осциллографом. Одной из основных задач этих исследований было определение временных вариаций тока молнии. Мы рассмотрим эти данные в следующей главе. Нориндер и Кнудсен [58] сообщили, что определенная с помощью фотографических измерений длина молниевого разряда между основанием облака и землей в Швеции составляет в среднем 1,4 км, что несколько меньше величин, полученных в средних и тропических широтах. Из 1135 молниевых вспышек 79% представляли разряды облако — земля, что больше приведенных данных для средних и тропических широт.

Видимо, высокий процент разрядов облако — земля в Швеции должен быть связан с малыми высотами нижней границы облаков.

Приводятся данные [56, 58] о числе импульсов на вспышку в Швеции, полученные из измерений магнитного поля. В раннем исследовании (125 вспышек) наиболее часто число импульсов на вспышку составляло 3 или 4; по последним данным (169 вспышек), наиболее часто число импульсов на вспышку равнялось двум. В этих исследованиях была определена относительная величина магнитной индукции, связанной с различными импульсами вспышки. Магнитная индукция по крайней мере приблизительно пропорциональна току, так как измерения проводились не далее чем в 20 км от разрядов. Сообщают [58], что для двухимпульсных вспышек магнитная индукция от первого импульса была в 2,5 раза больше, чем от второго. Для трехимпульсных вспышек магнитная индукция от первого импульса была примерно в 3,5 раза больше, чем от второго и третьего, причем для второго и третьего импульсов магнитные индукции примерно были равны. Для четырехимпульсных вспышек магнитная индукция от первого импульса была примерно в 3,5 раза больше, чем от второго, и примерно в 14 раз больше, чем от третьего и четвертого. Ранее [56] приводились аналогичные данные для двух- и трехимпульсных вспышек, но во вспышках, содержащих от четырех до семи импульсов, второй или третий импульсы имели наибольшую магнитную индукцию и, вероятно, наибольший ток. Чаще всего интервал между импульсами в многоимпульсной вспышке в Швеции составлял 30 мс [59].

Нориндер и Кнудсен [58] записали магнитные поля, связанные с процессом пробоя, предшествовавшим 300 первым импульсам. Кроме того, они записали магнитные поля 200 предразрядов, за которыми не следовали возвратные удары. Время регистрации в лучшем случае составляло 10 мс перед возвратным ударом, что короче обычной продолжительности предразрядного изменения электрического поля (разд. 3.7.2). Было установлено, что за несколько миллисекунд до возвратного удара появляются импульсы магнитного поля с наиболее часто встречающимся интервалом 50 - 100 мкс. Эти импульсы Нориндер и Кнудсен

связали с движением ступенчатого лидера вне облака, хотя продолжительность в несколько миллисекунд слишком мала для ожидаемых эффектов. Перед этой «конечной» предразрядной фазой существует период в несколько миллисекунд, характеризующийся медленными пульсациями магнитного поля. В «начальной» предразрядной фазе наблюдаются импульсы с интервалами обычно более 100 мкс, хотя наиболее часто интервалы составляют около 100 мкс. «Начальная» предразрядная фаза имеет по существу одинаковые характеристики независимо от того, следовали за ней «конечная» фаза и возвратный удар или нет.

В 40% исследованных случаев в период между начальными импульсами магнитное поле отсутствовало, в то время как в остальных случаях в этот период на относительно постоянное магнитное поле накладывались малые импульсы. Они были похожи на импульсы, появляющиеся как раз перед возвратным ударом. Из больших измеренных начальных импульсов около 60% были преимущественно отрицательными, вероятно, магнитостатическими импульсами, связанными с движением вниз отрицательного заряда. Многие импульсы имели биполярный характер. В этих импульсах радиационный компонент магнитного поля должен быть значительным. При сравнении максимальных величин больших начальных предразрядных импульсов с максимальными магнитостатическими полями возвратных ударов было установлено, что амплитуды предразрядных импульсов наиболее часто составляют около 15% амплитуд возвратного удара. Если магнитные поля больших начальных импульсов связаны с током в канале через те же константы пропорциональности, что и поля возвратного удара, и если волновая форма импульсов и возвратного удара регистрируется однозначно, то большие начальные предразрядные импульсы свидетельствуют о протекании тока в несколько тысяч ампер.