Приложение А. Возможности дальнейших исследований молнии

Большинство проведенных измерений разряда молнии может быть отнесено к одной из пяти основных категорий: 1) фотографические измерения (гл. 2); 2) измерения электрических и магнитных полей (гл. 3); 3) измерения тока молнии (гл. 4); 4) спектроскопические измерения (гл 5) и 5) акустические измерения . В каждой из этих областей необходимо получение большего количества данных и лучшего качества. Ниже даны конкретные предложения по дальнейшему исследованию молнии. Ссылки на литературу, цитируемую в приложении, приведены в библиографии к соответствующим главам.

1. Фотографические измерения Снимки молнии на фотопленке должны быть дополнены получением изображений молнии при помощи фотоэлементов, электронно-оптических преобразователей и усилителей изображения, вследствие чего будут превзойдены чувствительность и время разрешения, достигнутые в ранее проведенных работах. Целесообразно получить данные по абсолютной величине светового излучения из каналов ступенчатого лидера, стреловидного лидера и возвратного удара за общее время продолжительности этих разрядов. Наиболее ценными должны быть измерения светимости ступеней ступенчатого лидера и распространения свечения, связанного с -компонентами. Необходимо большее количество фотографических данных о движущихся вниз лидерах, несущих положительный заряд, как и о движущихся вверх лидерах, переносящих заряд обоих знаков.

2. Измерения электрического и магнитного полей Необходимы дальнейшие измерения изменений полей, связанных со ступенчатым лидером, а также анализ этих измерений. Отправной точкой для этих исследований будут детальные исследования изменения поля перед импульсом, проведенные Кларенсом и Маланом [141 и обоз наченные ими через (разд. 3.7.2).

Среди исследователей имеются разногласия как относительно наблюдаемых изменений полей между импульсами, так и относительно их интерпретации (разд. 3.7.5). Например, Малан [49] сообщил, что в ЮАР было зарегистрировано медленное отрицательное изменение поля в промежутке между импульсами на расстояниях от 25 до 100 км. Другие исследователи не сообщали о медленных отрицательных изменениях поля между импульсами наблюдавшимися на значительных расстояниях. Здесь необходимы дальнейшие измерения. Результаты измерения электрического поля при внутриоблачном разряде, полученные различными исследователями, противоречивы (разд. 3.8). В первой работе в этой области Воркман и др, [91] показали, что облачные разряды были практически горизонтальными. Позднее Рейнольде и Нейл [67] сообщили, что облачные разряды обычно наклонены к вертикали примерно на 45° и сопровождаются изменениями момента заряда на Аналогичные изменения момента нашли Тамура и др. [82]. С другой стороны, большая часть исследований изменения поля, вызванного облачным разрядом, свидетельствует, что изменение момента составляет около . Большинство исследователей согласны с тем, что при облачных разрядах центр положительного заряда обычно расположен над центром отрицательного заряда. Смит [78] установил, что обычно отрицательный заряд поднимается во время разряда. Такаги [80] и Огава и Брук [60] считают, что обычно снижается положительный заряд. Имеются другие многочисленные и противоречащие друг другу данные относительно облачного разряда, и нет сомнений, что необходимы дополнительные данные.

Измерения магнитных полей разрядов были проведены Хатакиямой [22], Мисом и Эвансом [54] и Вильямсом и Бруком [87] (разд. 3.9). Вильяме и Брук [87] привели

данные о непрерывных токах и токах ступенчатых лидеров, полученные с помощью измерения магнитных полей. Дополнительные измерения этого типа были бы весьма желательны. Из магнитных измерений Мис и Эванс [54] получили значения заряда, переносимого за вспышку, которые примерно на порядок больше величин, обычно выводимых из данных по изменению электрического поля. Было бы весьма желательно разрешение этого явного противоречия.

При расчетах энергии электрических и магнитных полей, излучаемой при различных молниевых процессах, почти всегда используется дипольное приближение (разд. 3.4). Желательна проверка справедливости этого приближения, особенно в случае применения к движению заряда внутри облака -изменение) [3] и к явлениям ступенчатого лидера [26, 70].

Дополнительные радиолокационные исследования внутриоблачных молниевых процессов, аналогичные проведенным Хьюитом [24], могут дать необходимую информацию об облачных разрядах и о процессах, протекающих в облаке в период между импульсами облако — земля.

Для определения свойств импульсов необходимо проанализировать радиационные поля молнии.

3. Измерения электрического тока Весьма точные осциллографические данные, полученные недавно Бергером и др. [4] в Швейцарии, значительно расширили наши знания о токах молнии. Нужны более детальные данные о токах импульса и их временах нарастания.

Требуется большее количество статистических данных о непрерывных межимпульсных токах. Важно не путать непрерывные межимпульсные токи с токами, вызванными направленными вверх разрядами. Последние были первоначально названы «непрерывными токами» Хагенгусом и Андерсоном [16], которые собрали статистические данные относительно этих токов.

Протекают ли слабые токи в канале молнии между импульсами в отсутствие непрерывных токов? Мак-Кан [21] сообщил, что в большинстве исследованных им многоимпульсных вспышек ток в канале между импульсами падал ниже 0,1 А. Бергер [4] отметил, что ток между

импульсами составлял менее 1 А. Были бы ценными данные, подтверждающие эти результаты.

Токи лидеров обычно оценивают по перемещению заряда и времени движения заряда, которые получаются путем регистрации изменений электрического поля. Токи движущихся вверх лидеров были зарегистрированы Бергером и Фогельзангером [5]; Вильяме и Брук [39] по измерениям магнитного поля определили токи для нескольких движущихся вниз ступенчатых лидеров. Необходимо большее количество данных о токах в движущихся вниз и вверх ступенчатых лидерах и в стреловидных лидерах.

Почти все определения изменений тока молнии во времени, за исключением работы Нориндера и др. [27], проведены близ поверхности земли и соответствуют току, текущему у основания канала молнии. Далеко не очевидно, что ток в канале молнии на произвольной высоте над землей должен быть одинаков или хотя бы близок к току, измеренному на уровне земли (разд. 4.1). Конечно, имело бы смысл изучить волновую форму тока молнии для точек в канале, находящихся выше контакта канала с землей. Вероятно, подходящая теория возвратного удара дала бы возможность рассчитать ток в канале.

По-видимому, не было проведено никаких исследований токов, связанных с -компонентами; такие исследования были бы весьма интересны.

4. Спектроскопические измерения Спектроскопические исследования возвратного удара молнии облако—земля с разрешением по длинам волн около 10 А недавно дали возможность получить значения температуры в разряде и другие характеристики с разрешением от 2 до 5 мкс [33, 34, 36]. Было бы весьма желательно получить аналогичную информацию с большим разрешением во времени и по длинам волн. Лучшее разрешение по времени позволило бы детальнее определить изменение температуры и более точно определить максимальную температуру. Лучшее разрешение по длинам волн дало бы возможность точнее оценить непрозрачность канала, а также найти концентрацию электронов по измерениям штарковского уширения некоторых линий ионизированного

азота. Данные, соответствующие измерениям в видимой области спектра, следует получить в интервале спектра молнии, расширенном, насколько это возможно, в ультрафиолетовую и инфракрасную области. Еще нужнее получить спектроскопические данные, которые корродировались бы с данными об изменениях электрического тока и электрического поля. Такие сведения позволили бы установить соответствие между термодинамическими характеристиками канала (скажем, температурой) и электрическими, (током и переносимым зарядом).

Важно получить спектры ступенчатого и стреловидного лидеров, что необходимо для построения реалистических теорий лидеров. О получении первого спектра ступенчатого лидера см. приложение Г.

Для получения разрешенных по времени спектральных данных спектрометр должен быть объединен с регистрирующим прибором. В большинстве спектроскопических исследований молнии, осуществленных с разверткой по времени, регистрация производилась на фотографическую пленку, которая двигалась с высокой скоростью. Лучшие время разрешения и чувствительность можно получить при регистрации спектра с помощью электронно-оптического преобразователя или усилителя изображения. Кроме того, для исследования некоторых спектральных характеристик с хорошим разрешением по времени и в интервале светимости, охватывающем много порядков, можно воспользоваться системами фотоумножителей.

5. Акустические измерения Теория грома, данная Фью и др. [18], должна быть проверена дополнительными экспериментами. В частности, необходимо провести акустические измерения по возможности ближе к каналу молнии, а также исследовать частотный спектр удаленного грома. Необходима проверка инфразвукового спектра, опубликованного Бартенду [8] (рис. 6.7). Имело бы смысл определить, существует ли разница между акустическими спектрами облачных разрядов и разрядов на землю. Такая информация могла бы дать возможность теоретической оценки отношения исходных энергий облачного разряда и разряда на землю.

Нужно выполнить коррелированные измерения продолжительности грома и длины канала молнии для того,

чтобы определить, вызвана ли продолжительность грома разницей во времени, за которую звук достигает наблюдателя с противоположных концов канала, как это вытекает из данных Лесома [24], или продолжительность грома больше, чем это следует из обычной длины канала, как показал Ремилард [34].

Понадобятся трехмикрофонные акустические измерения и коррелированные стереофотографии, чтобы идентифицировать те характеристики канала молнии, которые ответственны за удары и грохот, и подтвердить или отвергнуть гипотезы об их происхождении, описанные в разд. 6.3.2.