Численное моделирование высокоэнергетических электроразрядных процессов в грозовой атмосфере тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.08, кандидат наук Бочков, Евгений Иванович

• Бочков, Евгений Иванович
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Бочков, Евгений Иванович

СОДЕРЖАНИЕ

13

13

13

16

лист

ВВЕДЕНИЕ

1. ИССЛЕДОВАНИЯ ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ГРОЗОВОЙ АТМОСФЕРЕ

1.1 Измерения усиления потоков проникающего излучения в грозовой атмосфере

1.1.1 Наземные эксперименты по регистрации электромагнитных излучений в грозовых условиях

1.1.2 Измерения усиления рентгеновского излучения внутри грозовых облаков

1.1.3 Регистрация гамма-излучения со спутников

1.1.4 Усиление потока нейтронов в грозовой атмосфере

1.2 Узкие биполярные импульсы электромагнитного излучения

1.3 Высотные оптические явления над грозовыми облаками

1.4 Механизм пробоя на убегающих электронах

1.5 Заключение к главе 1

2. МЕТОДИКИ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ КИНЕТИКИ РЕЛЯТИВИСТСКИХ УБЕГАЮЩИХ ЭЛЕКТРОНОВ

2.1 Введение к главе 2

2.2 Диффузионно-дрейфовое уравнение для убегающих электронов

2.2.1 Описание программы Монте-Карло численного моделирования транспорта убегающих электронов

2.2.2 Параметры лавины релятивистских убегающих электронов в однородном электрическом поле

2.3 Система групповых гидродинамических уравнений, описывающих кинетику убегающих электронов

2.4 Выводы по главе 2

40

41

46

60

3. ИСТОЧНИК УБЕГАЮЩИХ ЭЛЕКТРОНОВ, ИНИЦИИРУЕМЫЙ ВТОРИЧНЫМ КОСМИЧЕСКИМ 70 ИЗЛУЧЕНИЕМ

3.1 Модель ядерно-каскадного процесса в атмосфере

3.2 Краткое описание расчетной схемы прохождения ^ космического излучения через атмосферу Земли

3.3 Расчет скорости генерации в атмосфере релятивистских

77

убегающих электронов под действием космического излучения

3.4 Выводы по главе 3

4. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ МЕХАНИЗМА ИНИЦИИРОВАНИЯ МОЛНИИ НА ОСНОВЕ РАЗВИТИЯ

86

ЛАВИН РЕЛЯТИВИСТСКИХ УБЕГАЮЩИХ ЭЛЕКТРОНОВ, ИНИЦИИРУЕМЫХ КОСМИЧЕСКИМ ИЗЛУЧЕНИЕМ.

4.1 Математическая постановка задачи о развитии атмосферного разряда, развивающегося в режиме генерации лавин 87 релятивистских убегающих электронов

4.2 Анализ механизма инициирования молнии широким атмосферным ливнем космических частиц

4.3 Анализ механизма инициирования молнии фоновым космическим излучением

4.4 Выводы по главе 4

5. АНАЛИЗ ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ В

109

ГРОЗОВОЙ АТМОСФЕРЕ

5.1 Источник продолжительных вспышек гамма-излучения высоких энергий, зарегистрированных в грозовой атмосфере на 109 побережье Японского моря

5.1.1 Постановка задачи о численном моделировании гамма-

110

вспышек

5.1.2 Сопоставление результатов расчетов с экспериментом

5.2 Численное моделирование атмосферных вспышек нейтронов

коррелированных с грозовой активностью

5.2.1 Моделирование транспорта нейтронов

5.2.2 Результаты расчета транспорта нейтронов и их анализ

5.3 Импульсы электромагнитного излучения, генерируемые в грозовой атмосфере разрядами с участием лавин релятивистских 130 убегающих электронов

5.3.1 Математическая формулировка задачи

5.3.2 Результаты расчетов. Сравнение с экспериментальными данными

5.4 Численное моделирование люминесценции гало спрайтов

5.4.1 Модель оптического излучения

5.4.2 Результаты расчетов светимости гало спрайтов

5.5 Выводы по главе 5 148 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 151 Список использованных источников

АББРЕВИАТУРЫ И НАИБОЛЕЕ УПОТРЕБИТЕЛЬНЫЕ

ОБОЗНАЧЕНИЯ

CID - compact intracloud discharge (компактный внутриоблачный разряд) NBP - narrow bipolar pulse (узкий биполярный импульс) RFB - relativistic feedback breakdown (пробой за счет релятивистской обратной связи)

TGF - terrestrial gamma-ray flash (миллисекундная вспышка гамма-излучения земного происхождения)

TLE - transient luminous event (кратковременное оптическое явление) КУ - кинетическое уравнение

ЛРУЭ - лавина релятивистских убегающих электронов МК - Монте-Карло

ФКИ - фоновое космическое излучение ФРЭ - функция распределения электронов ШАЛ - широкий атмосферный ливень УЭ - убегающий электрон(ы) ЭМИ - электромагнитный импульс с - скорость света <7е - элементарный заряд те - масса электрона ге - классический радиус электрона Е- вектор напряженности электрического поля Ё

е = -у-щ - единичныи вектор в направлении электрической силы,

действующей на электрон

FB - сила трения электронов (формула Бете)

^B.min - минимальное значение FB

Nat(moi) - концентрация атомов (молекул) воздуха

Zat(moi) - средний заряд атомов (молекул) воздуха

ire ~ время усиления ЛРУЭ (время, за которое число УЭ увеличивается в е раз)

иге - направленная скорость ЛРУЭ

/гс = uK-tK - длина усиления ЛРУЭ

Сге - число длин усиления ЛРУЭ

? - радиус-вектор частицы

v - скорость частицы

р - импульс частицы

P(z) - атмосферное давление на высоте z.

z - высота над уровнем моря

8 = qeE / FB min - перенапряжение электрического поля. (3 = v / с - отношение скорости частицы к скорости света y=WTF - фактор Лоренца

71 - ЧИСЛО ПИ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Численное моделирование высокоэнергетических электроразрядных процессов в грозовой атмосфере»

ВВЕДЕНИЕ

Проблема инициирования разряда молнии и развития ступенчатого лидера остается одной из нерешенных проблем области физики атмосферного электричества, несмотря на долгую историю исследований. Генерация проникающих излучений в поле грозовых облаков вообще и в молнии в частности - еще одна интригующая проблема, связанная с грозовой активностью, которая имеет почти вековую историю. В последние три десятилетия был открыт и исследован целый ряд новых высокоэнергетических процессов, протекающих в условиях грозовой активности. К ним относятся электрические разряды в верхней стратосфере и нижней ионосфере, генерирующие различного вида высотные оптические явления: Blue Jets (Голубые Струи), Red Sprites (Красные Духи), Elves (Эльфы), генерация мощных биполярных импульсов электромагнитного ВЧ-УВЧ излучения NBP (narrow bipolar pulse), усиление потока нейтронов. Имеющиеся экспериментальные данные свидетельствуют о связи указанных процессов с грозовой активностью. Для интерпретации этих явлений в 1992 г. Гуревичем, Милихом и Рюсселем-Дюпре был предложен механизм, который представляется единственным, способным единообразно объяснить всю совокупность наблюдаемых электромагнитных явлений. В основе механизма лежит идея о развитии лавин релятивистских убегающих электронов (ЛРУЭ) с энергетическим спектром в районе минимума энергетических потерь электронов (~1 МэВ), так что электрон оказывается убегающим в слабом грозовом электрическом поле. Источником первичных убегающих электронов (УЭ) является космическое излучение.

Актуальность исследований высокоэнергетических процессов в грозовой атмосфере определяется как интересами развития фундаментальной физики атмосферного электричества, так и рядом практических задач, описанных ниже.

Целью работы являлось создание эффективной численной модели атмосферных разрядов, развивающихся в режиме генерация лавин

электронов высоких энергий, расчет сопутствующих потоков гамма-излучения и нейтронов, генерируемых грозовыми полями и регистрируемых на поверхности Земли и в грозовых облаках, расчет оптического излучения и электромагнитных импульсов, генерируемых разрядом.

Научная значимость и новизна работы.

1. Разработана эффективная методика численного моделирования развития лавины релятивистских убегающих электронов на основе диффузионно-дрейфового уравнения.

2. Рассчитан атмосферный источник убегающих электронов, инициируемый фоновым космическим излучением.

3. Развита математическая модель грозового разряда в самосогласованном электрическом поле, отличающаяся детальным учетом физических процессов с включением кинетики убегающих электронов.

4. Выполнен анализ механизма развития разряда молнии в рамках концепции лавин релятивистских убегающих электронов.

5. Выполнены расчеты генерации в грозовых полях проникающих излучений и узких биполярных электромагнитных импульсов.

Достоверность полученных результатов обоснована согласием рассчитанных характеристик исследуемых явлений с данными натурных наблюдений.

Практическая ценность исследований высокоэнергетических явлений в грозовой атмосфере связана с необходимостью знания потоков гамма-излучения и нейтронов, генерируемых грозовыми полями, поскольку проникающие излучения могут представлять опасность для электронного оборудования летательных аппаратов, экипажей и пассажиров самолетов, влиять на надежность запуска ракет различного назначения. Необычные гамма-импульсы атмосферного происхождения могут восприниматься системами слежения как следствие несанкционированных ядерных взрывов,

и по этой причине представляют интерес для программ по контролю над нераспространением ядерного оружия.

Личный вклад автора заключается в развитии физических и математических моделей явлений, разработке и тестировании компьютерных программ, выполнении численного моделирования, анализе промежуточных и окончательных результатов, написании и оформлении статей и докладов.

СТРУКТУРА ДИССЕРТАЦИИ

Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы.

В первой главе дан обзор экспериментов по регистрации проникающих излучений в грозовой атмосфере, выполненных в последние десятилетия, описываются результаты наблюдений высотных оптических явлений над грозовыми облаками, приведены результаты экспериментов по регистрации узких биполярных электромагнитных импульсов. Изложен механизм пробоя атмосферы на релятивистских УЭ и его применение к описанию различного рода высокоэнергетических процессов в грозовой атмосфере.

Во второй главе исследуются возможности двух детерминистических методик описания кинетики электронов высоких энергий, как альтернативные стохастическим методикам, требующим больших вычислительных ресурсов в задачах численного моделирования электрических разрядов с участием убегающих электронов. Одна из методик основана на многогрупповых уравнениях для моментов функции распределения электронов, другая на уравнении переноса в диффузионно-дрейфовом приближении. Обсуждаются преимущества и недостатки методик. Приведено описание программы Монте-Карло (МК), разработанной автором для расчета транспорта в электрическом поле электронов высоких энергий. На основе программы вычислены кинетические коэффициенты, входящие в диффузионно-дрейфовое уравнение.

В третьей главе излагается упрощенная физическая модель прохождения космического излучения через атмосферу Земли на основе представлений о ядерно-каскадном процессе. С помощью одномерной программы МК, разработанной для численного моделирования транспорта космического излучения в атмосфере, вычислена зависимость источника убегающих электронов, генерируемых фоновым космическим излучением, от высоты над уровнем моря для различных значений пороговой энергии убегания электронов. Рассчитана линейная концентрация затравочных

убегающих электронов, порождаемых широким атмосферным ливнем космических частиц, инициируемым первичной космической частицей с энергией 1016 эВ.

В четвертой главе приведена формулировка математической модели разряда, включающей описание кинетики убегающих электронов, электронов низких энергий, положительных и отрицательных ионов в самосогласованном электрическом поле. На основе соответствующей компьютерной программы выполнено численное моделирование механизма инициирования разряда молнии вследствие усиления электрического поля в результате поляризации проводящего канала, созданного лавинами релятивистских убегающих электронов. Рассмотрены два возможных источника затравочных убегающих электронов: широкий атмосферный ливень космических частиц (ШАЛ) и фоновое космическое излучение (ФКИ). Показано, что молния не может быть инициирования совместным действием ШАЛ и ЛРУЭ. Напротив, для реалистичных значений параметров грозового облака, в результате поляризации во внешнем электрическом поле ионизованной области, созданной совместным действием ФКИ и ЛРУЭ, реализуются значения напряженности поля, достаточные для старта молнии.

В пятой главе приведены результаты численного моделирования высокоэнергетических процессов в грозовой атмосфере. Численным моделированием методом МК по программе ЭЛИЗА показано, что за усиление потока гамма-излучения, зарегистрированного на побережье Японского моря, отвечает тормозное излучение ЛРУЭ. Выполнено моделирование методом МК транспорта в атмосфере нейтронов, порождаемых фотоядерными реакциями, источником которых является тормозное излучение убегающих электронов. Показано, что потоки нейтронов, сопровождающие гамма-излучение, доступны для регистрации, как на высокогорных станциях, так и на уровне Земли. В рамках представления о ЛРУЭ выполнено численное моделирование внутриоблачного разряда как генератора узких биполярных

электромагнитных импульсов (ЭМИ). Определен диапазон значений перенапряжения поля, высоты, на которой развивается разряд, числа затравочных УЭ, при которых расчетные характеристики ЭМИ согласуются с измеренными параметрами. Выполнено численное моделирование флуоресценции воздуха, возбуждаемой разрядом, развивающимся в нижней ионосфере вслед за ударом положительной молнии на землю. Рассчитанные для реалистичных значений вариации дипольного момента грозового облака в результате разряда молнии на землю яркость и эволюция свечения в пространстве и времени согласуются с данными натурных наблюдений.

В заключении приведены основные результаты, выносимые на защиту, указаны мероприятия, где результаты работы были апробированы.

ГЛАВА 1. ИССЛЕДОВАНИЯ ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ГРОЗОВОЙ АТМОСФЕРЕ

Эксперименты по изучению влияния грозовых электрических полей на уровень проникающего излучения в атмосфере проводились с конца 20-х годов двадцатого столетия. Они никогда не прекращались, хотя их число было невелико, но к концу столетия эта проблема привлекла пристальное внимание ученых разных стран, значительно возросло финансирование работ в этой области, разработаны редакции новых экспериментов. Ниже приведен краткий обзор исследований, выполненных в этом направлении в последние три десятилетия.

1.1 Измерения усиления потоков проникающего излучения в грозовой атмосфере

1.1.1 Наземные эксперименты по регистрации электромагнитных излучений в грозовых условиях

Многие наземные измерения проникающих излучений были выполнены на высокогорных станциях. Причиной тому является пониженная плотность воздуха, что благоприятствует регистрации излучения, низкая высота облачности над уровнем земли и частые грозы. Так группой Гуревича [1] на Тянь-Шане на высоте 3340 м измерения выполнялись одновременно в разных местах на площади с характерным размером 500 м. Были зарегистрированы вспышки излучения длительностью 1-5 мин. с энергией фотонов 50-80 кэВ. В редакции измерений с дискриминацией рентгеновского излучения и электронов удалось выделить импульсы электронов с энергиями 8= 1-30 МэВ, коррелирующие с вариациями электрического поля, которые интерпретировались как проявление влияния полей грозовых облаков на поток вторичных электронов высоких энергий, генерируемых космическим излучением [2]. Вспышки фотонов зарегистрированы в спокойной фазе развития грозы в отсутствии разрядов молнии, осадков и представляли собой

импульсы общей длительностью 15 мин, близкой к длительности вариации напряженности поля [2].

В Баксанской нейтринной лаборатории работы по исследованию влияния гроз на космические лучи ведутся с 1984 г. [3]. Алексеенко с соавторами [4] сообщают о зарегистрированном на высоте 1800 м значительном возрастании мягкой компоненты космических лучей во время гроз в сентябре 2000 г. и 2001 г. Возрастание наблюдалось непосредственно перед разрядами молнии, и резко прекращалось сразу после разряда. Авторы отмечают, что усиление наблюдалось как для положительных, так и отрицательных разрядов, что, по их мнению, может быть следствием различных механизмов ускорения заряженных частиц грозовым полем. Анализ экспериментов 2000-2002 г. по измерению мягкой компоненты космического излучения и электрического поля в грозовой период [5,6] позволил сделать вывод об усилении излучения незадолго до удара молнии, в то же время знак зарегистрированного поля был противоположен ускоряющему. На основании этого авторы делают вывод, что регистрируемые электроны - убегающие. Анализ наиболее значительных событий аномального увеличения интенсивности гамма-излучения во время гроз в Баксанском ущелье в 2003-2007 г. проведен в [7].

На высокогорной геофизической станции на г. Арагац (Армения) на высоте 3200 м над уровнем моря с 2003 г. осуществлялась совместная регистрация потоков электронов, гамма-квантов и нейтронов. Зафиксировано более 100 случаев усиления потока проникающего излучения во время грозы [8]. Характерное время существования повышенного потока высокоэнергичных частиц составляло десятки минут (время разрешения 1 минута). Особенность эксперимента - диапазон энергии регистрируемых гамма-квантов более 10 МэВ.

Флуктуации потока проникающего излучения, связанные с грозами, обнаружены при наблюдениях на горе Фудзи (Япония) [9]. Длительность

самой крупной флуктуации 20 мин. Непрерывный спектр гамма-квантов простирался до энергий более 10 МэВ.

Вспышки гамма излучения, связанные с грозами, наблюдались в Японии и на уровне моря [10,11], что объясняется низким уровнем облачности во время зимних гроз в Японском море. Тори с сотрудниками [10] наблюдал увеличение дозы на территории атомной станции в Монжуи (Мощи) в период, охватывающий вспышки молнии, на величину до 0,1 мЗв. Увеличение дозы отмечено на территории размером нескольких сотен метров, временная протяженность импульсов составляла от 40 до 60 с.

Другая группа японских исследователей под руководством Цучия [11] в районе другой атомной станции КаэЫууагакьКаиууа зафиксировала вспышки гамма-излучения от грозового облака во время зимней грозы. Вспышка предшествовала разряду молнии с облака на землю и ее длительность была около 40 с. Зарегистрированный спектр излучения простирался до энергии 10 МэВ. Эти же авторы [12] сообщают об одновременном детектировании гамма-квантов и электронов в горной обсерватории космических лучей Норикура (]Чопкига) на высоте 2770 м. Обе вспышки длительностью 90 с, скорее всего, были связаны с грозовыми облаками, а не с молнией.

В ходе исследования японских ученых в декабре 2009 - феврале 2010г. выявлен мигрирующий источник проникающего излучения, порожденный грозовой активностью [13]. Продолжительность излучения составила несколько минут. Связь с грозовыми процессами установлена путем измерения радиации, электрического поля и отраженных сигналов метеорологического радара в нескольких точках. Полученные данные свидетельствуют, что проникающее излучение в отсутствии молнии излучается непрерывно с обращенной вниз поверхности полусферы, чья нижняя точка расположена на высоте 300 м над уровнем моря. Этот источник излучения в течение времени наблюдения двигался с севера на юг со скоростью 7 м^с. Возможно, источник излучения перемещался вместе с

отрицательным зарядом облака, расположенным на высоте 1 км, поскольку перемещение источника радиации коррелированно с вариациями электрического поля в наземных пунктах наблюдения и направлением ветра на высоте 1 км. Перемещение наводит на мысль, что сильное электрическое поля заряженной области облака генерирует источник излучения. Эти результаты подтверждают отсутствие связи источника радиации на малых высотах с разрядом молнии. Диапазон энергий регистрируемых гамма-квантов составлял 0,2-30 МэВ.

Результаты многолетнего цикла исследований гамма-вспышек в зимних грозах представлены в статье [14]. В ходе наблюдений зафиксировано 7 гамма-вспышек большой длительности, связанных с зимними грозами. В работе описаны два события, имевшие место зимой 2007-2008 г. В обоих случаях были зафиксированы значительные сигналы, длящиеся более 1 минуты с энергией гамма-квантов до 10 МэВ. Ни одно из событий не было связано с молнией. В предположении, что начальный спектр гамма-квантов в источнике описывается степенной функцией, авторы [14] оценили расстояние до источника в одном случае 290-560 м, в другом -110-690 м.

1.1.2 Измерения усиления рентгеновского излучения внутри грозовых облаков

В летных экспериментах, выполненных с борта самолетов и с воздушных шаров, получены интересные результаты по характеристикам проникающих излучений в грозовых облаках. Большим преимуществом таких исследований по сравнению с наземными измерениями является максимальная приближенность к предполагаемому источнику излучения, что позволяет уменьшить влияние поглощения излучения в атмосфере.

Первые измерения с борта самолета внутри грозовых облаков были выполнены в 1980 г. группой Паркса [15]. В этой серии экспериментов измерения велись по шести энергетическим каналам в диапазоне от 3 кэВ до

более 12 кэВ. Усиление от За до 8а относительно средней фоновой скорости счета было зарегистрировано на высоте 4600 м, когда самолет входил в облака в их активные периоды. Наиболее заметно реагировал энергетический канал >12 кэВ. Максимальное отклонение 8а было записано одновременно с большим возвратным ударом по самолету. Импульс состоял из цуга импульсов длительностью порядка нескольких секунд. Во время полета на высоте 10 км зафиксированы множественные отклонения над средним значением фоновой скорости счета. Несколько сильно выраженных всплесков проникающей радиации коррелировали с ударами молнии по самолету. Парке с соавторами попытались "...связать появление энергетичных электронов со структурой разрядов молнии...", а именно с возможными двойными слоями [15]. Можно утверждать, что в работе [15] надежно установлено действие некоторого механизма, ответственного за генерацию коротких импульсов проникающего излучения в грозовых облаках над постоянным фоном в энергетическом интервале от 3 кэВ до более 12 кэВ.

Редакция измерений МакКарти и Паркса [16] отличалась использованием пассивного спектрометра без сцинтиллятора. Измерительный комплекс работал в диапазоне от 5 до 110 кэВ. На высоте около 3000 м внутри грозовых формирований активный спектрометр время от времени регистрировал кратковременные усиления скорости счета над фоном по всем каналам, тогда как пассивный спектрометр постоянно записывал только тепловой шум фотоэлектронного умножителя. Поэтому каждое усиление следует связывать со всплесками радиации, генерируемой в грозовых облаках. В целом, наблюдалось более 20 событий с повышенным рентгеновским потоком. Обычно скорость счета увеличивалась над фоном в десятки раз, но иногда - до 3 порядков. На рисунке 1.1 показана временная зависимость скорости счета фотонов, записанная МакКарти и Парксом в одном из полетов в июле 1983 г. на высоте ~ 9 км. Можно различить три области усиления скорости счета фотонов. Левая вспышка с амплитудой, в -

80 раз превосходящей фоновое значение, заканчивается с началом разряда молнии. Для центрального пика характерно практически экспоненциальное возрастание скорости счета до максимума в 20-25 раз от фонового значения с характерным временем ~ 1,5 с. Этот пик намного шире предыдущего, его длительность составляет ~ 7 с, заканчивается он одновременно с ударом молнии по самолету. Третий пик почти на порядок слабее двух предыдущих, и с ним не связано никаких разрядов молнии.

МакКарти и Парке отмечают связь периодов усиленной скорости счета и молниевой активности, но указывают на "отсутствие однозначного соотношения между наблюдениями повышенного потока радиации и разрядами молнии". В целом группой Паркса получены надежные свидетельства в пользу образования в грозовых облачных формированиях обширных областей, способных генерировать импульсы электронов высоких энергий с длительностью порядка секунд, которые затухали согласованно с началом разрядов молнии [15,16].

Л'-лучи

: 40 :50 20: 15 :00 : 10 : 20 :30 :40

Время

Рисунок 1.1- Временная зависимость скорости счета рентгеновских фотонов [16]. Стрелки Ь фиксируют вспышки молнии.

Скорость счета, с

19 июля 1983 г.

Следующая серия исследований была выполнена группой Ика в 1995 г. с использованием воздушных шаров [17-19]. Использован спектрометр с тремя энергетическими каналами в интервалах 30-60, 60-90 и 90-120 кэВ, предназначенный для баллонных измерений рентгеновского излучения в условиях грозовых облаков. Измерения проникающего излучения велись в крупномасштабных системах слоистых грозовых облаков согласованно с измерениями напряженности электрического поля [18,19]. В целом результаты эксперимента подтвердили результаты, полученные группой Паркса. Во время измерений в мае 1995 г. зарегистрировано увеличение интенсивности излучения на два порядка относительно фона. Событие длилось приблизительно 1 мин., причем с началом вспышки молнии, уменьшавшей напряженность поля, интенсивность излучения возвращалась к фоновому уровню, а затем быстро возрастала до уровня, предшествовавшего удару [18]. В июне 1995 г. на высоте 15 км были зарегистрированы три импульса рентгеновского излучения с интенсивностью, от 10 до 100 раз превышавшей фоновую величину [20]. Длительность импульсов составляла 1-2 с.

1.1.3 Регистрация гамма-излучения со спутников

Эксперименты по регистрации проникающего излучения с помощью детекторов, размещенных на искусственных спутниках Земли (ИСЗ), представляют большой интерес, так как дают возможность изучать грозовые явления в другом масштабе и в корреляции с наземными наблюдениями. В ходе выполнения эксперимента BATSE (Burst and Transient Source Experiment) на базе CGRO (Compton Gamma ray Observatory) в 1993 г. Фишманом с соавторами [21] были зарегистрированы вспышки необычайно жесткого гамма-излучения крайне малой длительности, получившие название в литературе terrestrial gamma-ray flashes (TGF). Обнаруженные импульсы гамма-излучения отличаются очень крутыми фронтами (время нарастания порядка 0,1 мс) и более продолжительным временем затухания ~

2 мс. В некоторых событиях регистрировались цуги импульсов с разновременностью импульсов, составляющих цуг, длительностью 1-4 мс. Длительность отдельных гамма-импульсов находится в интервале Aty ~ 13 мс. Скорость генерации и энергия фотонов оцениваются авторами сообщения соответственно величинами dNJdt ~ 10 ООО у/с и 1 МэВ.

Немиров, Боннел и Норрис, выполнив анализ большого числа атмосферных гамма-вспышек, зарегистрированных BATSE, делают следующие выводы [22]. Минимальный характерный масштаб времени изменения вспышек лежит в интервале 25-250 мкс при типичном значении 50 мкс. Излучение атмосферных гамма-вспышек гораздо жестче излучения вспышек космических гамма-лучей. Атмосферные гамма-вспышки имеют разные спектры, причем излучение во вспышке становится мягче со временем. В диапазоне энергий 25-500 кэВ спектр фотонов атмосферных гамма-вспышек аппроксимируется степенным законом, а не спектральной кривой черного тела. Минимальный масштаб времени изменения вспышек коррелирует с показателем степени в спектре, причем спектр быстро меняющихся вспышек мягче.

Следующий космический эксперимент по изучению TGF начался в 2002 г. с запуском спутника NASA, на борту которого размещался детектор RHESSI (Reuven Ramaty High Energy Solar Spectroscopic Imager) [23]. Высота орбиты спутника была 600 км; он проходил над большинством зон

повышенной грозовой активности на поверхности Земли. Спектр фотонов,

«

регистрируемых RHESSI, простиравшийся от 20 кэВ до 20 МэВ, значительно шире спектра, зарегистрированного BATSE. В статье Смита с соавторами [23] приведены первые результаты, полученные после обработки экспериментальных данных. За 6 месяцев работы детектора было зафиксировано 86 TGF-событий, длительностью от 0,2 до 3,5 мс. Количество зарегистрированных фотонов на одну вспышку варьировалось от 17 до 101. Благодаря широкому энергетическому диапазону и хорошему разрешению высокоэнергетичной части спектра стало возможным детальное

исследование спектра TGF. Измерено энергетическое распределение фотонов. Представлена зависимость частоты вспышек от средней энергии фотонов во вспышке. Диапазон изменения средней энергии составил 0,25-4,5 МэВ; наиболее часто регистрировались вспышки со средней энергией 1-3 МэВ. По частоте регистрации вспышек была выполнена оценка частоты их появления на наблюдаемой территории: ~ 50 событий в день, что составляет лишь ~ 0,1% от частоты регистрации вспышек молний - 44 1/с.

Еще одним шагом в исследовании TGF стал запуск 23 апреля 2007 г. спутника AGILE (Astro-rivelatore Gamma a Immagini Leggero), на борту которого установлен рентгеновский детектор, разработанный итальянской группой исследователей и предназначенный для астрофизических исследований. Диапазон регистрируемых детектором гамма-квантов от 30 МэВ до 50 ГэВ, кроме того, предусмотрено окно в рентгеновской области I860 кэВ. Один из находящихся на борту детекторов, миникалориметр, был специально разработан для регистрации вспышек с энергией 0,33-100 МэВ. Миникалориметр регистрировал события очень короткой длительности, порядка нескольких мс, которые по временным и спектральным характеристикам отличались от галактического космического излучения. Эти события подобны событиям TGF, зарегистрированным ранее детекторами BATSE и RHESSI. В сообщении [24] представлены характеристики зарегистрированных вспышек и их географическое распределение. С декабря 2007 по март 2008 зафиксировано 20 событий длительностью от 0,4 до 3 мс. В жесткой области спектра зарегистрированы фотоны с энергией >3 МэВ. В некоторых событиях можно выделить последовательность отдельных импульсов. В работе [25] представлены новые данные наблюдений TGF, полученных с помощью AGILE. Анализ 130 гамма-вспышек зарегистрированных с июня 2008 по январь 2010 показал, что их энергетический спектр простирается до 100 МэВ, и в диапазоне энергий от 10 до 100 МэВ он следует степенному закону с показателем -2,7.

В статье [26] сообщается о первых результатах работы Gamma-ray Burst Monitor (GBM) на борту спутника Fermi Gamma-ray Space Telescope, стартовавшего 11 июля 2008 г.. За первый год работы было зарегистрировано 12 гамма-вспышек. Типичная максимальная энергия фотонов -30 МэВ, в одной из вспышек зарегистрирован гамма-квант с энергией 38 МэВ. Два события имеют более мягкий энергетический спектр и большую длительность, чем остальные. Флюенс фотонов в одной из ярких вспышек оценивается величиной -0,7 у/см . Импульсы либо симметричны, либо время нарастания короче времени спада. Наименьшее время нарастания 7 мкс. Часть вспышек состоит из нескольких частично перекрывающихся импульсов. Для 4 вспышек обнаружена корреляция со вспышкой молнии. В пределах временного разрешения детектора одна вспышка произошла раньше удара молнии, две - одновременно, а одна после удара.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Бочков, Евгений Иванович, 2013 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Chubenko А.Р., Antonova V.P., Kryukov S.P., Piskal V.V., Ptitsyn M.O., Shepetov A.L., Vildanova L.I., Zybin K.P., Gurevich A.V. Intensive X-ray emission bursts during thunderstorms. // Phys. Lett. A. Vol. 275. P. 90-100. 2000.

2. Chubenko A.P., Amurina I.V., Antonova V.P., Kokobaev M.M., Kryukov S.V., Nam R.A., Nesterova N.M., Oskomov V.V., Piskal V.V., Ptitsyn M.O., Sadykov T.Kh., Shepetov A.L., Vildanova L.I., Zybin K.P., Gurevich A.V. Effective growth of a number of cosmic ray electrons inside thunderclouds. // Phys. Lett. A. Vol. 309. P. 90-100. 2003.

3. Алексеенко B.B., Сборщиков В.Г., Чудаков A.E. Микровариации интенсивности космических лучей и электрическое поле атмосферы // Изв. АН СССР Сер. Физ. Т.48. №11. С.2152. 1984.

4. Алексеенко В.В., Лидванский А.С., Петков В.Б., Хаердинов Н.С. О разных типах возрастания интенсивности космических лучей перед разрядами молнии. //Известия Академии наук. Т. 66. С. 1581 -1384. 2002.

5. Alexeenko V.V., Khaerdinov N.S., Lidvansky A.S., and Petkov V.B. Transient variations of secondary cosmic rays due to atmospheric electric field and evidence for pre-lightning particle acceleration. // Physics Lett. A. Vol. 301 P. 299-306. 2002.

6. Khaerdinov N.S., Lidvansky A.S., and Petkov V.B. Cosmic rays and the electric field of thunderclouds: evidence for acceleration of particles (runaway electrons). // Atmospheric Research. Vol.76. P.246-354. 2005.

7. Лидванский A.C., Хаердинов Н.С. Параметры потока частиц, генерированных ГКЛ в грозовых электрических полях. // Известия РАН. Серия физическая. Т. 73. №3. С. 415 -4172. 2009.

8. Chilingarian A., Daryan A., Arakelyan К. et al. Ground-based observations of thunderstorm-correlated fluxes of high-energy electrons, gamma rays, and neutrons. // Phys. Rev. D. Vol.82. 043009. 2010.

9. Torii T., Sugita T., Tanabe S. et al. Gradual increase of energetic radiation associated with thunderstorm activity at the top of Mt. Fuji. // Geophysical Research Letters. Vol.36. L13804. doi:10.1029/2008GL037105. 2009.

10. Torii T., Takeishi M, Hosono T. Observation of gamma-ray dose increase associated with winter thunderstorm and lightning activity. // J. Geophys. Res. 107(D17). 4324. doi:10.1029/2001JD000938. 2002.

11. Tsuchiya H., Enoto T., Yamada S., Yuasa T., Kawaharada M., Kitaguchi T., Kokubun M., Kato H., Okano M., Nakamura S„ Makishima K. Detection of High-Energy Gamma Rays from Winter Thunderclouds. // Phys. Rev. Lett. Vol. 99. 165002. week ending 19 October 2007.

12. Tsuchiya H., Enoto T., Torii T„ Nakazawa K., Yuasa T., Torii S., Fukuyama T., Yamaguchi T., Kato H., Okano M., Takita M., Makishima K. Observation of an Energetic Radiation Burst from Mountain-Top Thunderclouds. // Phys. Rev. Lett. Vol. 102. 255003. week ending 26 June 2009.

13. Torii T., Sugita T., Kamogawa M. et al. Migrating source of energetic radiation generated by thunderstorm activity. // Geophys. Res. Lett. Vol. 38. L24801. doi: 10.1029/2011GL049731. 2011.

14. Tsuchiya H., Enoto T., Yamada S. et al. Long-duration gamma-ray emission from 2007 and 2008 winter thunderclouds. // J. Geophys. Res. Vol. 116. D09113. doi: 10.1029/2010JD015161. 2011.

15. Parks G. E., Mauk B. H., Spiger R., and Chin J. X-ray enhancements detected during thunderstorm and lightning activities. // Geophys. Res. Lett. Vol. 8. P. 1176-1179. 1981.

16. McCarthy M., Parks G.K. Further observations of x-rays inside thunderstorms. // Geophys. Res. Lett. Vol. 12. № 6. P. 393-396. 1985.

17. Eack K.B. Balloon-borne X-ray spectrometer for detection of X rays produced by thunderstorms. // Geophys. Res. Lett. Vol. 23. P. 2915-2918. 1996.

18. Eack K.B., Beasley W.H., Rust D.W., Marshall T.C. and Stolzenberg M. Initial results from simultaneous observation of x rays and electric fields in a thunderstorm. //J. Geophys. Res. Vol. 101. P. 29637. 1996.

19. 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. Vol. 23. P. 2915-2918. 1996.

20. 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. Vol.27. P. 185-188. 2000.

21. 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. Vol. 264. P 1313-1316. 1994.

22. Nemiroff R.J., Bonnell J.T., and Norris J.P. Temporal and spectral characteristics of terrestrial gamma flashes. // J. Geophys. Res. Vol.102. P. 96599665. 1997.

23. Smith D.M., Lopez L.I., Lin R.P. and Barrington-Leigh C.P. Terrestrial gamma-ray flashes observed up to 20 MeV. // Science. Vol. 307. NO. D4. P. 10851088. 2005.

24. Fuschino F., Longo F., Marisaldi M., Labanti C. et al . AGILE View of TGFs. Proceedings of the Workshop "Coupling of thunderstorms and lightning discharges to near-earth space." Corte, France. 23-27 June 2008. P.46-51.

25. Tavani M. et al. Terrestrial gamma-ray flashes as powerful particle accelerators. // Phys. Rev. Lett. Vol. 106. 018501. doi:10.1103. 2011.

26. Briggs M.S., Fishman G.J., Connaughton V., Bhat P.N. et al. First results on terrestrial gamma ray flashes from the Fermi Gamma-ray burst Monitor. // J. Geophys. Res. Vol. 115. A07323. doi: 10.1029/2009JA015242. 2010.

27. Wilson C.T.R. The acceleration of P-particles in Strong Electric Fields such as those of Thunderclouds. // Proc. Cambridge Phil. Soc. Vol.22. P. 534-538. 1924.

28. Fleisher R.L. Search for Neutron Generation by Lightning. // J. Geophys. Res. Vol. 80. P. 5005-5009. 1975.

29. Babich L.P. High-energy phenomena in electric discharges in dense gases: theory, experiment and natural phenomena. Futurepast Inc. Arlington. Virginia. USA. 2003.

30. Shah G.N., Razdan H., Bhat C.L. Ali Q.M. Neutrons generation in lightning bolts. //Letters to Nature. Vol. 313. P.773-775. 1985.

31. Bratolyubova-Tsulukidze L.S., Grachev E.A., Grigoryan O.R. Kunitsyn V.E., Kuzhevskij B.M., Lysakov D.S., Nechaev O.Yu., Usanova M. E. Thunderstorms as the probable reason of high background neutron fluxes at L<1.2. // Advances in Space Research. Vol. 34. P. 1815-1818. 2004.

32. Gurevich A.V., Antonova V.P., Chubenko A.P., Karashtin A.N., Mitko G.G., Ptitsyn M.O., Ryabov V.A., Shepetov A.L., Shlyugaev Yu.V., Vildanova L.I., Zybin K.P. Strong Flux of Low-Energy Neutrons Produced by Thunderstorms. // Phys. Rev. Lett. Vol.108. 125001. week ending 23 March 2012.

33. Shyam A. and Kaushik T.C. Observation of neutron bursts associated with atmospheric lightning discharge. // J. Geophys. Res. Vol. 104. P. 6867-6869. 1999.

34. Кужевский Б.М. Генерация нейтронов в молниях. // Вестник московского университета. Серия 3. Физика. Астрономия. Т.5. С. 14-16. 2004.

35. Martin I.M. and Alves М.А. Observation of a possible neutron burst associated with a lightning discharge? // J. Geophys. Res. Vol. 115. A00E11. doi: 10.1029/2009JAO14498. 2010.

36. Стародубцев C.A., Козлов В.И., Торопов A.A., Муллаяров В.А., Григорьев В.Г., Моисеев А.В. Первые экспериментальные наблюдения всплесков нейтронов под грозовыми облаками вблизи уровня моря. // Письма в ЖЭТФ. Т.96. №3. С.201-204. 2012.

37. Бабич Л.П. Генерация нейтронов в гигантских восходящих атмосферных разрядах. // Письма в ЖЭТФ. Т. 84. С. 345-348. 2006.

38. Бабич Л.П. Механизм генерации нейтронов, коррелированных с разрядами молнии. И Геомагнетизм и аэрономия. Т. 47. №5. С.702-708. 2007.

39. Babich L.P., Roussel-Dupre R.A. Origin of neutron flux increases observed in correlation with lightning. // J.Geophys. Res. Vol. 112. D13303. doi: 10.1029/2006JD008340. 2007.

40. Le Vine D.M. Sources of the strongest RF radiation from lightning. // J. Geophys. Res. Vol.85. P.4091-4095. 1980.

41. Willett J.C., Bailey J.C. and Krider E.P. A class of unusual lightning electric field waveforms with very strong high - frequency radiation. // J. Geophys. Res. Vol. 94. P.255. 1989.

42. Nag A., Rakov V.A., Tsalikis D., and Cramer J.A. On phenomenology of compact intracloud lightning discharges. // J. Geophys. Res. Vol. 115. D14115. doi: 10.1029/2009JD012957. 2010.

43. Medelius P.J., Thomson E.M. and Pierce J.S. E and dE/dT wave shapes for narrow bipolar pulses in intracloud lightning. // Proceedings of the International Aerospace and Ground Conference on Lightning and Static Electricity. NASA Conf. Publ. 3106. P. 12-1 to 12-10. 1991.

44. Smith D. A., Shao X.M., Holden D.N., Rhodes C.T., Brook M., Krehbiel P.R., Stanley M., Rison W., and Thomas R.J. A distinct class of isolated intracloud discharges and their associated radio emissions. // J. Geophys. Res. Vol. 104. P. 4189-4212. 1999.

45. Franz R.C., Nemzek R.J. and Winckler J.R. Television image of a large upward electric discharge above a thunderstorm system. // Science. Vol. 249. P.48-51. 1990.

46. Pasko V.P. Recent advances in theory of transient luminous events. // J. Geophys. Res. Vol. 115. A00E35. doi:10.1029/2009JA014860. 2010.

47. Boeck W.L., Vaughan O.H., Blakeslee R.J., Vonnegut B. and Brook M. Lightning induced brightening in the airglow layer. // Geophys. Res. Lett. Vol.19. P.99-102. 1992.

48. Inan U. S., Bell T. F. and Rodriguez J. V. Heating and ionization of the lower ionosphere by lightning. // Geophys. Res. Lett. Vol. 18(4). P.705-708. 1991.

49. Sentman D.D. and Wescott E.M. Red Sprites and Blue Jets: Thunderstorm -exited optical emissions in the stratosphere, mesosphere, and ionosphere. // Phys. Plasmas. Vol. 2. P. 2514-2522. 1995.

50. Lyons W.A. Sprite observations above the U.S. high plains in relation to their parent thunderstorm systems. // J. Geophys. Res. Vol. 101. P.641. 1996.

51. Stanley M., Krehbiel P., Brook M., Moore C., Rison W. and Abrahams B. High speed video of initial sprite development. // Geophys. Res. Lett. Vol.26. P.3201-3204. 1999.

52. Barrington-Leigh C.P., Inan U.S., Stanley M. Identification of sprites and elves with intensified video and broadband array photometry. // J. Geophys. Res. Vol. 106. P.1741. 2001.

53. Frey H.U. et al. Halos generated by negative cloud-to-ground lightning. // Geophys. Res. Lett. Vol.34. L18801. doi:10.1029/2007GL030908. 2007.

54. Wescott E. M., Sentman D., Osborne D., Hampton D. and Heavner M. Preliminary results from the Sprites94 aircraft campaign: 2. Blue jets. // Geophys. Res. Lett. Vol. 22. P.1209-1212. 1995.

55. Lyons W.A., Nelson T.E., Armstrong R.A., Pasko V.P. and Stanley M.A. Upward electrical discharges from thunderstorm tops. // Bull. Am. Meteorol. Soc. Vol.84(4). P.445^54. doi:10.1175/BAMS-84-4-445. 2003.

56. Pasko V.P., Stanley M.A., Matthews J.D., Inan U.S. and Wood T.G. Electrical discharge from a thundercloud top to the lower ionosphere. // Nature. Vol. 416. P. 152-154. doi: 10.1038/416152. 2002.

57. Su H.T., Hsu R.R., Chen A.B., Wang Y.C., Hsiao W.S., Lai W.C., Lee L.C., Sato M. and Fukunishi H. Gigantic jets between a thundercloud and the ionosphere. //Nature. Vol.423. P.974-976. doi:10.1038/nature01759. 2003.

58. Sentman D.D. and Wescott E.M. Observations of Upper Atmospheric Optical Flashes Recorded from an Aircraft. // Geophys. Res. Lett. Vol. 20. P. 2857- 2860. 1993.

59. Sentman D.D., Wescott E.M., Osborne D.L., Hampton D.L. and Heavner M.J. Preliminary results from the Sprites 94 campaign: l.Red Sprites. // Geophys. Res. Lett. Vol.22. P. 1205-1208. 1995.

60. Mende S.B., Rairden R.L., Swenson G.R., and Lyons W.A. Sprite Spectra; N2 1 PG band identification. // Geophys. Res. Lett. Vol. 22. P. 2633-2636. 1995.

61. Rairden R.L., Mende S.B. Time resolved sprite imagery. // Geophys. Res. Lett. Vol. 22. P. 3465-3468. 1995.

62. Gerken E.A., Inan U.S., Barrington-Leigh C.P. Telescopic imaging of Sprites. // Geophys. Res. Lett. Vol. 27. P. 3201- 3204. 2000.

63. Stanley M., Krehbiel P., Brook M., Moore C., Rison W. and Abrahams B. High speed video of initial sprite development. // Geophys. Res. Lett. Vol.26. P.3201-3204. 1999.

64. Boccippio D.J., Williams E.R., Heckman S.J., Lyons W.A., Baker I.T. and Boldi R. Sprites, ELF transients, and positive ground strokes. // Science. Vol. 269. P.1088-1091. 1995.

65. Winckler J.R., Lyons W.A., Nelson T.E. and Nemzek R.J. New Highresolution Ground-Based Studies of Sprites. // J. Geophys. Res. Vol. 101. P. 6997 -7004. 1996.

66. Fullekrug M., Reising S.C. Excitation of Earth - ionosphere cavity resonances by sprite-associated lightning flashes. // Geophys. Res. Lett. Vol. 25. P. 4145 -4148. 1998.

67. Wescott E.M., Sentman D.D., Heavner M.J., and Vaughan O.H., Jr. Blue Jets: Their relationship to lightning and very large hailfall, and their physical mechanisms for their production. // J. of Atmospheric and Solar - Terrestrial Phys. Vol. 60. P. 713 -724. 1998.

68. Wescott E.M. et al. New evidence for brightness and ionization of blue starters and blue Jets. //J. Geophys. Res. Vol. 106. P. 21549 - 21554. 2001.

69. Chen J.L., Hsu R.R., Su H.T., Mende S.B., Fukunishi H., Takahashi Y. and Lee L.C. Global survey of upper atmospheric transient luminous events on the

ROCSAT-2 satellite. // J. Atmos. Sol. Terr. Phys. Vol. 65. P.647-659. doi: 10.1016/S 1364-6826(02)00317-6. 2003.

70. Mende S.B., Frey H.U., Hsu R.R., Su H.T., Chen A.B., L.C. Lee L.C., Sentman D.D., Takahashi Y. and Fukunishi H. D region ionization by lightning-induced electromagnetic pulses. // J. Geophys. Res. Vol. 110. A11312. doi: 10.1029/2005J AO 11064. 2005.

71. Kuo C.L., Chen A.B., Chou J.K., Tsai L.Y., Hsu R.R., Su H.T., Frey H.U., Mende S.B., Takahashi Y. and Lee L.C. Radiative emission and energy deposition in transient luminous events. // J. Phys. D Appl. Phys. Vol. 41. 234014. 2008.

72. Гарипов Г.К., Панасюк П.И., Тулупов В.И., Хренов Б.А., Широков А.В., Яшин И.В., Салазар У. Вспышки ультрафиолетового излучения в экваториальном районе Земли. // Письма в ЖЭТФ. Т.82. №4. С.204-206. 2005.

73. Garipov G.K., Panasyuk M.I., Rubinshtein I.A., Tulupov V.I., Khrenov B.A., Shirokov A.V., Yashin I.V., and Salazar H. Ultraviolet radiation detector of the MSU research educational microsatellite. // Instrum. Exp. Tech. Vol. 49. P. 126132. 2006.

74. Milikh G.M., Shneider M.N. Model of UV flashes due to gigantic blue jets. // J.Phys.D: Appl.Phys. Vol. 41. doi:10.1088/0022-3727/41/23/234013. 2008.

75. Eddington A.S The origin of stellar energy. // Supplement to Nature. № 2948. P.25. 1926.

76. Williams E.R. Origin and context of C.T.R. Wilson's ideas on electron runaway in thunderclouds. // J. Geophys. Res. Vol. 115. A00E50. doi: 10.1029/2009/2009JA014581.

77. 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. Vol. 165. P.463-468. 1992.

78. Babich L.P, Donskoi E.N., Kutsyk I.M., Kudryavtsev A.Yu. New data on space and time scales of relativistic runaway electron avalanche for thunderstorm environment: Monte Carlo calculations. // Physics Letters A. Vol. 245. P. 460-470. 1998.

79. Бабич Л.П., Донской Е.Н., Илькаев Р.И., Куцык И.М., Рюссель-Дюпре Р.А. Фундаментальные характеристики лавины релятивистских убегающих электронов в воздухе. // Физика плазмы. Т. 30. С. 666-674. 2004.

80. 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. Vol. 104. P. 24. 1999.

81. Dwyer J.R. A fundamental limit on electric fields in air. // Geophys.Res. Lett. Vol. 30. № 20. 2055. doi:10.1029/2003GL017781. 2003.

82. Roussel-Dupre R.A., Gurevich A.V., Tunnel Т., and Milikh G.M. Kinetic theory of runaway air breakdown and the implications for lightning initiation. Los Alamos Nat. Lab. Report. Los Alamos, NM. LA - 12601 - MS. 1993.

83. Roussel-Dupre R.A., Gurevich A.V., Tunnell Т., Milikh G.M. Kinetic theory of runaway air breakdown. // Phys. Rev. E. Vol. 49. P. 2257-2271. 1994.

84. Symbalisty E.M.D., Roussel-Dupre R.A., Yukhimuk V. Finite Volume Solution of the Relativistic Boltzmann Equation for Electron Avalanche Studies // IEEE Transactions on Plasma Sciences. Vol.26. P. 1575-1582. 1998.

85. Babich L.P, Donskoi E.N., Kutsyk I.M., Kudryavtsev A.Yu., Shamraev B.N., Roussel-Dupre R.A., 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. Vol. 29. № 3. P. 430-438.2001.

86. Solovyev A.A., Terekhin V.A., Tikhonchuk V.T., Altgilbers L.L. Electron kinetic effects in atmosphere breakdown by an intense electromagnetic pulse. // Phys. Rev. E. Vol. 60. P. 7360. 1999.

87. Coleman L.M. and Dwyer J.R. Propagation speed of runaway electron avalanches. // Geophys. Res. Lett. Vol. 33. LI 1810. doi:10.1029/2006GL025863. 2006.

88. Babich L.P., Donskoi E.N., Kutsyk I.M., Roussel-Dupre R.A. The feedback mechanism of runaway air breakdown. // Geophysical Research Letters. Vol. 32. L09809. doi:10.1029/2004GL021744. 2005.

89. Dwyer J.R. Relativistic breakdown in planetary atmospheres. // Physics of Plasmas. Vol. 14. 042901. 2007.

90. Dwyer J.R., and Smith D.M. A comparison between Monte Carlo simulations of runaway breakdown and terrestrial gamma-ray flash observations. // Geophys. Res. Lett. Vol. 32. L22804. doi:10.1029/2005GL023848. 2005.

91. Carlson B.E, Lehtinen N.G. and Uman U.S. Constraints on terrestrial gamma ray flash production from satellite observation. // Geophys. Res. Lett. Vol. 34. L08809. doi: 10.1029/2006GL029229. 2007.

92. Бабич Л.П., Донской E.H., Куцык И.М. Анализ атмосферных вспышек гамма-излучения, зарегистрированных в ближнем космосе, с учетом транспорта фотонов в атмосфере. // ЖЭТФ. Т.134. Вып.1. С.65-79. 2008.

93. Marshall Т.С., Stolzenburg М., Maggio С. R., Coleman L. М., Krehbiel P. R., Hamlin Т., Thomas R. J., Rison W. Observed electric fields associated with lightning initiation. // Geophys. Res. Lett Vol.32. L03813. doi: 10.1029/2004GL021802. 2005.

94. Gurevich A.V., Milikh G.M., and Valdivia J.A. Model of X- ray emission and fast preconditioning during thunderstorm. // Phys. Lett. A. V. 231. P. 402-408. 1997.

95. Gurevich A.V., Zybin K.P., Roussel-Dupre R.A. Lightning initiation by simultaneous effect of runaway breakdown and cosmic ray showers. // Phys. Lett. A. Vol. 254. P. 79-87. 1999.

96. Dwyer J.R. The initiation of lightning by runaway air breakdown. // Geophys. Res. Lett. Vol. 32. L20808. doi: 10.1029/2005GL023975. 2005.

97. Solomon R., Schroeder V., Baker M.B. Lightning initiation - Conventional and runaway-breakdown hypothesis // Q.J.R. Meteorol. Soc. Vol. 127. P. 2683-2704. 2001.

98. Бабич Л.П., Кудрявцев А.Ю., Кудрявцева М.Л., Куцык И.М. Расчет гигантского атмосферного разряда, сопутствующих оптических явлений и излучений. I Численная модель. // Геомагнетизм и аэрономия. Т.48. С.381-391. 2008.

99. Бабич Л.П., Кудрявцев А.Ю., Кудрявцева М.Л., Куцык И.М. Расчет гигантского атмосферного разряда, сопутствующих оптических явлений и излучений. II Результаты численного моделирования. // Геомагнетизм и аэрономия. Т.48. С.392-406. 2008.

100. Bell T.F., Pasko V.P., Inan U.S. Runaway electrons as a source of Red Sprites in the mesosphere. // Geophys. Res. Lett. Vol.22. P.2127-2130. 1995.

101. Бабич Л.П., Лойко T.B., Цукерман В.А. Высоковольтный наносекундный разряд в плотных газах при больших перенапряжениях, развивающийся в режиме убегания электронов. УФН. Т. 160. С. 49-82. 1990.

102. Бабич Л.П. Анализ нового механизма убегания электронов и рекордных токов убегающих электронов, достигнутых в новых экспериментах с разрядами в плотных газах. //УФН. Т. 175. № 10. С. 1069-1091. 2005.

103. Babich L.P, Donskoi E.N., Kudryavtsev A.Yu., Kutsyk I.M., Roussel-Dupre R.A., Symlalisty E.M.D. Re-evaluation of electron avalanche rates for runaway and upper atmospheric discharge phenomena. // Eos Transaction of American Geophysical Union. Vol. 78. P. 4760. 1997.

104. Babich L.P, Bakhov K.I., Kutsyk I.M. Temporal characteristics of runaway electrons in electron-neutral collision dominated plasma of dense gases. Monte Carlo calculations. // IEEE Transactions on Plasma Science. Vol. 28. № 4. P. 1254-1262. 2001.

105. Бабич Л.П., Донской E.H., Илькаев P.M., Кудрявцев А.Ю., Куцык И.М., Шамраев Б.Н. Скорость развития лавины релятивистских убегающих электронов для нормальных условий. // ДАН. Т. 379. С. 606-608. 2001.

106. Бабич Л.П., Донской Е.Н., Куцык И.М., Рюссель-Дюпре Р.А. Характеристики лавины релятивистских электронов в воздухе. // ДАН. №. 394. № 3. С. 320-323. 2004.

107. Бабич Л.П., Куцык И.М., Донской Е.Н., Рюссель-Дюпре Р.А. Тормозное излучение лавин релятивистских убегающих электронов в атмосфере. // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 44. № 5. С. 1-7. 2004.

108. Бабич Л.П., Донской Е.Н., Рюссель-Дюпре Р.А. Исследование усиления лавины релятивистских электронов в атмосфере при малых перенапряжениях за счет собственного тормозного излучения. // Геомагнетизм и аэрономия. Т.47. № 4. С. 548-558. 2007.

109. Babich L.P., Dwyer J.R. Low-energy electron production by relativistic runaway electron avalanches in air. // Journal of Geophysical Research. Vol. 116. A0931. doi: 10.1029/ 2011JA016494. 2011.

110. Бабич Л.П. и др. Наблюдение начальной стадии лавины релятивистских убегающих электронов при нормальных условиях. // ДАН. Т. 382. № 1. С. 3133. 2002.

111. Бабич Л.П. и др. Экспериментальное исследование лавины релятивистских убегающих электронов при нормальных условиях. // ТВТ. Т. 42. № 1.С. 5-15. 2004.

112. Babich L.P, Kutsyk I.M. Spatial structure of optical emissions in the model of gigantic upward atmospheric discharges with participation of runaway electrons. // Physics Letters A. Vol. 253. P. 75-82. 1999.

113. Бабич Л.П., Илькаев Р.И., Куцык И.М., Бахов К.И., Рюссель-Дюпре Р.А. Самосогласованный расчет восходящего атмосферного разряда, развивающегося в режиме лавин релятивистских убегающих электронов. // Геомагнетизм и аэрономия. Т.44. №2. С.254-265. 2004.

114. Babich L.P., Haldoupis С., Kudryavtsev A.Yu., Kutsyk I.M. The effect of charge density in tropospheric thunderclouds on production of sprites and terrestrial gamma ray flashes. // J. Geophys. Res. Vol.116. A09313. doi: 10.1029/2011JA016726. 2011.

115. Бабич Л.П., Илькаев Р.И., Кудрявцев А.Ю., Куцык И.М., Рюссель-Дюпре Р.А. Анализ гамма-импульсов атмосферного происхождения, зарегистрированных орбитальной станцией. // ДАН. Т. 381. №2. С. 247-250. 2001.

116. Бабич Л.П., Илькаев Р.И., Кудрявцев А.Ю., Куцык И.М., Рюссель-Дюпре Р.А., Цимбалистый Е.М.Д. Анализ гамма - импульсов атмосферного

происхождения на основе механизма генераций лавин релятивистских электронов. // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 44. № 2 С. 266-275. 2004.

117. Бабич Л.П., Донской Е.Н., Куцык И.М. Самоподдерживающиеся лавины релятивистских убегающих электронов в поперечном поле лидера молнии как источник атмосферных вспышек гамма-излучения. // Письма в ЖЭТФ. Т. 94. №. 8. С. 647. 2011.

118. Babich L.P., Kudryavtsev A.Yu., Kudryavtsev M.L., Kutsyk I.M. Terrestrial gamma-ray flashes and neutron pulses from direct simulations of gigantic upward atmospheric discharge. // Pis'ma v Journal Experimental and Theoretical Physics. Vol. 85. № 10. P. 589-593. 2007.

119. Babich L.P., Donskoi E.N., Kudryavtsev A.Yu., Kutsyk I.M. Analysis of Terrestrial y-Ray Flashes Correlated with Small Variations in the Dipole Momentum of a Thunderstorm Cloud. // Doklady Earth Sciences. Vol. 421 A. P.1004-1008. 2008.

120. Babich L.P., Donskoi E.N., Kutsyk I.M. Analysis of Atmospheric Gamma-Ray Flashes Detected in Near Space with Allowance for the Transport of Photons in the Atmosphere. // Journal of Experimental and Theoretical Physics. Vol. 107. P.49-60. 2008.

121. Babich L.P., Bochkov E.I., Donskoi E.N., Kutsyk I.M. Source of prolonged bursts of high-energy gamma rays detected in thunderstorm atmosphere in Japan at the coastal area of the Sea of Japan and on high mountaintop // Journal of Geophysical Research. Vol. 115. A09317. doi:10.1029/2009JA015017. 2010.

122. Бочков Е.И., Бабич Л.П., Куцык И.М. Численное моделирование узких биполярных импульсов, генерируемых грозовыми разрядами. //ЖЭТФ. 2013. В печати.

123. Бабич Л.П., Бочков Е.И., Куцык И.М. Численное моделирование проводящего канала, инициированного широким атмосферным ливнем в грозовом электрическом поле. // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 49. № 2. с. 247-253. 2009.

124. Бабич Л.П., Бочков Е.И., Куцык И.М. Механизм инициирования молнии, основанный на развитии лавин релятивистских убегающих электронов, инициируемых фоновым космическим излучением. Численное моделирование. //ЖЭТФ. Т. 139. № 5. с. 1028-1038. 2011.

125. Babich L.P., Bochkov E.I., Dwyer J.R., Kutsyk I.M. Numerical simulations of local enhancement of thundercloud field capable of lightning initiation trigger, allowing for the runaway electron avalanches seeded by cosmic rays. // Journal of Geophysical Research, doi: 10.1029/2012JA017799. 2012.

126. Babich L.P., Bochkov E.I., Kutsyk I.M., Roussel-Dupre R.A. Localization of the source of terrestrial neutron bursts detected in thunderstorm atmosphere // Journal of Geophysical Research. Vol. 115. A00E28. doi: 10.1029/2009JA014750. 2010.

127. Бабич Л.П., Бочков Е.И., Залялов А.Н., Куцык И.М. Об усилении потока фотоядерных нейтронов в грозовой атмосфере и возможности его регистрации. // Письма в ЖЭТФ. Т.96. В печати.

128. Babich L.P., Dwyer J.R., Kutsyk I.M., Zalyalov A.N. Numerical analysis of 2010 high-mountain (Tien-Shan) experiment on observations of thunderstorm -related low-energy neutron emissions. // Journal of Geophysical Research. In press.

129. Бабич Л.П., Кудрявцев А.Ю., Кудрявцева М.Л., Куцык И.М. Генерация нейтронов гигантскими восходящими атмосферными разрядами. // ДАН. Т. 415 № 3. С. 394-398. 2007.

130. Babich L.P., Kudryavtsev A.Yu., Kudryavtsev M.L., Kutsyk I.M. Atmospheric Gamma-Ray and Neutron Flashes. // ZhETF. Vol. 133. №. 1. P. 8094. 2008.

131. Бабич Л.П., Кудрявцева М.Л. Групповые уравнения для моментов функции распределения релятивистских электронов в холодном газе нейтральных атомарных частиц во внешнем электрическом поле. // ЖЭТФ. Т.125. С.808-818. 2004.

132. Бабич Л.П., Бочков Е.И., Кудрявцева М.Л. Групповые уравнения для моментов функции распределения релятивистских электронов в холодном

газе нейтральных атомарных частиц во внешнем электрическом поле. // Труды РФЯЦ-ВНИИЭФ. Вып. 16. С.194-2005. 2011.

133. Бете Г.А., Ашкин Ю. Прохождение излучения через вещество // В книге: Экспериментальная ядерная физика / Ред. Э. Сегре. М.: Изд-во иностранной литературы. С. 141-298. 1955.

134. Nigam В.Р., Sundaresan М.К., Wu Та-You. Theory of Multiple Scattering: Second Born Approximation and Corrections to Moliere's Work. // Phys. Rev. Vol. 115. No. 3. P. 491-502. 1959.

135. Motz J.W., Olsen H., Koch H.W. Electron scattering with atomic or nuclear excitation. //Rev.Mod.Phys. Vol.36. No. 4. P.881-928. 1964.

136. Moller C. Passage of hard P-rays through matter // Ann. Phys. Vol. 14. №5. P. 531-585. 1932.

137. Roussel-Dupre R.A., Gurevich A.V., Tunnell Т., Milikh G.M. Kinetic theory of runaway air breakdown. // Phys. Rev. E. Vol. 49. P. 2257-2271. 1994.

138. Бабич Л.П. Оператор столкновений релятивистских электронов в холодном газе атомарных частиц. // ЖЭТФ. Т. 125. Вып. 4. С.808-820. 2004.

139. Бабич Л.П., Куцык И.М. Численное моделирование наносекундного разряда в гелии при атмосферном давлении, развивающегося в режиме убегания электронов. // ТВТ Т. 33. С. 191-199. 1995.

140. Babich L.P, Kutsyk I.M. // Proc. XXII Int. Conf. Phenomena in Ionized Gases. Hoboken. USA. Contributed papers. Vol. II. P. 149. 1995.

141. Бабич Л.П., Илькаев P.M., Куцык И.М., Бахов К.И., Рюссель-Дюпре Р.А. Расчет высотных оптических явлений над облаками на основе механизма с участием лавины релятивистских электронов. // ДАН. Т. 388. С. 383-386. 2003.

142. Zalesak S.T. Fully multidimensional flux-corrected transport algorithms for fluids //J. Comp.Phys. Vol. 31. P.335-365. 1979.

143. Leonard B.P. The ULTIMATE conservative difference scheme applied to unsteady one-dimensional advection. // Сотр. Math. In: Applied Mech. and Eng. Vol. 88. P. 17-74. 1991.

144. Мурзин B.C. Введение в физику космических лучей. М.: Атомиздат. 1988.

145. Крымский Г.Ф. Лекции по физике космических лучей. http://www.ysn.ru/krymsky/FKR/index.html

146. Мухин К.Н. Экспериментальная ядерная физика т.2. Физика элементарных частиц. М: Энергатомиздат. 1983.

147. Фраунгофер Г., Хенли Э. Субатомная физика. М: Мир. 1979.

148. Беленький С.З. Лавинные процессы в космических лучах. М.: Огиз -Гостехиздат. 1948.

149. Таблицы физических величин. Справочник под редакцией И.К.Кикоина. М: Атомиздат. 1976.

150. Дорман И.В. Космические лучи. М: Наука. 1981.

151. Daniel R.R., Stephens S.A. Cosmic-Ray-Produced Electrons and Gamma Rays in the Atmosphere. // Reviews of Geophysics and Space Physics. Vol.12. №2. P.233-258. 1974.

152. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. М.: Наука. 1992.

153. Yukhimuk V., Roussel-Dupre R.A., Symbalisty E.M.D., Taranenko Y.J. Optical characteristics of Red Sprites produced by runaway air breakdown. // J. Geophys. Res. Vol. 103. P. 11,473-11,482. 1998.

154. Yukhimuk V., Roussel-Dupre R.A., Symbalisty E.M.D., Taranenko Y.J. Optical characteristics of Blue Jets produced by runaway air breakdown, simulation results. // Geophys. Res. Lett. Vol. 25. P. 3289 - 3292. 1998.

155. Kutsyk I.M., Babich L.P. Spatial structure of optical emissions in the model of gigantic upward atmospheric discharges with participation of runaway electrons. // Phys. Lett. A. Vol. 253. P. 75-82. 1999.

156. Taranenko Yu.N., Roussel-Dupre R.A. High altitude discharges and gamma-ray flashes: a manifestation of runaway air breakdown. // Geophys. Res. Lett. Vol. 23. P. 571-574. 1996.

157. Roussel-Dupre R.A. and Gurevich A.V. On Runaway Breakdown and Upward Propagating Discharges. // J. Geophys. Res. Vol. 101. N A2. P. 2297. 1996.

158. Александров H.JI., Высикайло Ф.И., Исламов Р.Ш. и др. Расчетная модель разряда в смеси N2:02 = 4:1. //ТВТ. Т. 19. № 3. С.485-490. 1981.

159. Александров Н.Л., Базелян А.Э., Базелян Э.М., Кочетов И.В. Моделирование длинных стримеров в газе атмосферного давления. // Физика плазмы. Т. 21. № 1. с. 60-80. 1995.

160. Kossyi I.A., Kostinsky F.Yu., Matveyev A.A. and Silakov V.P. Kinetic Scheme of the Non-Equilibrium Discharge in Nitrogen-Oxygen Mixtures. // Plasma Sources Sci. Technol., Vol. 1. №3. P. 207-220. 1992.

161. Morrow R., Lowke J J. Streamer propagation in air. // J. Phys. D: Appl. Phys. Vol. 30. P.614-627. 1997.

162. Голубев А.И., Ивановский A.B., Соловьев A.A., Терехин В.А., Шморин И.Т. Одномерная модель для описания быстрых волн пробоя в длинных разрядных трубках. // ВАНТ. Сер. Теоретическая и прикладная физика. Вып. 2. С. 17-27. 1985.

163. Pasko V.P., Stenbaek-Nielsen Н.С. Diffuse and streamer regions of sprites. // J. Geophys. Res. Vol. 29. doi: 10.1029/2001GL014241. 2002.

164. Taranenko Yu.N., Inan U.S., Bell T.F. The interaction with the lower ionosphere of electromagnetic pulses from lightning: excitation of optical emissions. // Geophys. Res. Lett. Vol.20. №23. P.2675-2678. 1993.

165. MacGorman D. R. and Rust W. D. The Electrical Nature of Storms. Oxford Univ. Press. New York. 1998.

166. Berezinskii V. S., et al. Astrophysics of Cosmic Rays. Elsevier. New York. 1990.

167. Юман M. Молния. M: Мир. 1972.

168. Torii Т., Nashijima Т., Kawasaki Z., Sugita T. Downward emission of runaway electrons and bremsstruhlung photons in thunderstorm electric fields. // Geophys. Res. Lett. 31. L05113. doi:10.1029/2003GL019067. 2004.

169. Krehbiel P.R. The electrical structure of thunderstorm, in: The Earth's Electrical Environment. National Academy Press. Washington. 1986.

170. Dietrich S.S., Berman B.L. Atlas of photoneutron cross sections obtained with monoenergetic photons. Atomic data and nuclear tables 38. P. 199-338. 1988.

171. http://www.nndc.bnl.gov/exfor/ENDF00.jsp.

172. Gurevich A.V., Zybin K. P. High energy cosmic ray particles and the most powerful discharges in thunderstorm atmosphere. // Phys. Lett. A. Vol. 329. P. 341-347. 2004.

173. Gurevich A.V., Medvedev Y. V. and Zybin K. P. New type discharge generated in thunderclouds by joint action of runaway break-down and extensive atmospheric shower. //Phys. Lett. A. Vol. 329. P. 348-361. 2004.

174. Smith D. A., Eack K. B., Harlin J., Heavner M. J., Jacobson A. R., Massey R. S., Shao X. M., and Wiens K. C. The Los Alamos Sferic Array: A research tool for lightning investigations. // J. Geophys. Res. Vol. 107. NO. D13. P.4183. 10.1029/2001JD000502. 2002.

175. Babich L.P., Donskoi E.N., Dwyer J.R., Kutsyk I.M. Analysis of the experiment on the registration of x-rays of the stepped leader of the lightning discharge to the ground. // J. Geophys. Res. 2012JA018382. In press.

176. Wilson C.T.R. The electric field of a thundercloud and some of its effects. // Proc. Phys. Soc., Vol. 37. 32D. 1925.

177. Pasko V.P., Inan U.S., Bell T.F. Spatial structure of sprites. // Geophys. Res. Lett. Vol. 25. P. 2123- 2126. 1998.

178. Adachi T., et al. Electric fields and electron energies in sprites and temporal evolutions of lightning charge moment measurements. // J. Phys. D Appl. Phys. Vol.41 (23). 234010. 2008.

179. Pasko V.P., Inan U.S., T.F. Bell, Taranenko Y.N. Sprites produced by quasi-electrostatic heating and ionization in the lower ionosphere. // Journal of Geophysical Research. Vol. 102. P. 4529-4561. 1997.

180. Williams E. et al. Lightning flashes conducive to the production and escape of gamma radiation to space. // Journal of Geophysical Research. Vol. 111. D16209. doi: 10.1029/2005JD006447. 2006.

181. Huang E., Williams E., Boldi R., Heckman S., Lyons W., Taylor M., Nelson T., Wong C. Criteria for sprites and elves based on Schumann resonance observations. //J. Geophys. Res. Vol. 104. P. 16,943-16,964. 1999.

182. Hu W., Cummer S.A., Lyons W.A., Nelson T.E. Lightning charge moment changes for the initiation of sprites. // Geophys. Res. Lett. Vol.29(8). P. 1279. doi:10.1029/2001GL014593. 2002.

183. Cummer S.A. and Lyons W.A. Implications of lightning charge moment changes for sprite initiation (2005). // J. Geophys. Res. Vol. 110. A04304. doi: 10.1029/2004JA010812. 2005.

184. Cummer S.A., Zhai Y., Hu W., Smith D.M., Lopez L.I., Stanley M.A. Measurements and implications of the relationship between lightning and terrestrial gamma ray flashes. // Geophys. Res. Lett. Vol.32. L08811. doi: 10.1029/2005GL022778. 2005.