Preliminary Results of Searches for Long-Term Microwave Radiation of a Thunderstorm Atmosphere at a Wavelength of 1.35 cm

全文:

ВВЕДЕНИЕ

В последние десятилетия в атмосфере Земли было обнаружено импульсное электромагнитное излучение с частотным спектром от нулевых до частот гамма-диапазона. Это открытие связано с исследованиями из космоса и подтверждено наземными наблюдениями. Одним из первых систематических измерений являются работы на Тянь-Шаньской высокогорной станции космических лучей (Антонова и др., 2007), где проводились измерения потоков частиц и электромагнитных излучений в широком диапазоне частот, в том числе мегагерцовом (0.1–30 МГц) и на частоте УКВ диапазона (250 МГц). Обнаруженные импульсные излучения были объяснены возникновением лавин “убегающих” электронов (Гуревич, Зыбин, 2001), которые первоначально порождаются космическими частицами, а затем ускоряются в электрических полях атмосферы, не испытывая торможения, до энергий порядка МэВ. При последующем торможении образовавшихся лавин электронов, возникают интенсивные потоки гамма-излучения. На первом этапе исследований полагали, что области генерации излучений расположены на высотах мезосферы и стратосферы, однако в последующих работах было установлено их расположение в тропосфере в грозовых облаках. Были также обнаружены сверхмощные вспышки, на 12 порядков превышающие мощность излучения, чем это представлялось ранее.

Для объяснения возникновения столь мощных излучений в атмосфере был предложен механизм умножения электронов, названный “релятивистской моделью обратной связи” (Dwyer et al., 2012). При напряженности электрического поля выше порогового (0.284 МВ/м) при давлении 0.1 МПа число вторичных электронов экспоненциально возрастает и затравочные электроны ускоряются до энергии в десятки МэВ. При взаимодействии таких электронов с ядрами возникают фотоны гамма-излучения, которые приводят к фотоядерным реакциям. Подтверждение возникновения фотоядерных реакций было получено из спектральных измерений гамма-излучения, в частности, для наблюдавшихся фотонов с энергией 0.511 МэВ, соответствующей электрон-позитронной аннигиляции (Enoto, 2017).

Кроме кратковременных гамма-всплесков, были также обнаружены длительные свечения, названные TGE (Thunderstorm Ground Enhancements), продолжающиеся от нескольких секунд до десятков минут (Dwyer et al., 2012). Причем гамма-свечение может предшествовать молнии или прекращаться после молниевого разряда, которое обычно совпадает с прохождением грозовых туч. Такая самоподдерживающаяся фотоядерная реакция является своеобразным ядерным “реактором” в атмосфере.

Для изучения высокоэнергетических атмосферных событий в 2018 году была начата Миссия монитора взаимодействия атмосферы и космоса (ASIM), осуществляемая Европейским космическим агентством (Neubert et al., 2019). Приборы миссии были установлены на Международную космическую станцию для измерений рентгеновского и гамма-излучений с энергией до 20 МэВ, трех фотометров и двух камер в диапазонах 180–250 нм, 337 нм и 777.4 нм.

В работе (Бабич, 2019) представлен обзор высокоэнергетических событий в земной атмосфере, вызванных космическими лучами. Механизмы TGE остаются еще плохо изученными. Это связано со значительным затуханием гамма-излучения в грозовой атмосфере, что затрудняет регистрацию свечения на расстояниях, превышающих 1 км. Поэтому в работах (Wada et al., 2019; Wada et al., 2021) для регистрации свечения использовали зимние грозы в Японии, для которых типичная высота электризации облаков (~1 км) значительно ниже обычной, что позволяло наблюдать гамма-свечение на уровне моря. Таким образом, имеется порог по интенсивности излучения, ниже которого невозможно регистрировать процесс возникновения области с фотоядерной реакцией на значительном удалении от него (за пределами нескольких километров). Поэтому представляет интерес разработка методик регистрации событий на удалении от их возникновения на десятки-сотни километров и более. Следует отметить отсутствие исследований импульсных излучений и свечений грозовой атмосферы в микроволновом диапазоне. Ранее считалось, что при пробое на убегающих электронах кратковременные всплески низкочастотных электромагнитных излучений наиболее выражены только на частотах 3–10 МГц (Антонова и др., 2007). Кроме того, важным является подтверждение представления о существовании длительных фотоядерных превращений, при которых в некоторых областях атмосферы могут возникать широкополосные источники излучения большой мощности.

Цель исследования. Идея методики регистрации самоподдерживающейся фотоядерной реакции по длительному электромагнитному излучению предложена в (Бордонский, 2020). Она заключается в измерениях возрастания интенсивности микроволнового излучения вблизи линий вращательного спектра молекул атмосферных газов. При выполнении определенных требований (достаточной заселенности верхних уровней энергии молекул, геометрии возбужденной области) в среде может возникнуть интенсивное излучение по механизму сверхизлучения (Меньшиков, 1999). В случае самофокусировки и просветления среды излучение может распространяться на значительные расстояния. В настоящей работе представлена реализация возможного варианта такой методики и осуществлен поиск микроволнового свечения грозовой атмосферы на линии вращательного спектра водяного пара.

МЕТОДИКА

Еще в 1981 г. П. Л. Капица высказал гипотезу о существовании мощного микроволнового излучения дециметрового диапазона в грозовой атмосфере (Капица, 1981). Такое излучение могло бы порождать светящиеся объекты – шаровые молнии. Однако проведенные исследования не выявили существования достаточно мощных излучений в этом диапазоне длин волн. Тем не менее мощные излучения не искали на значительно более коротких длинах волн в узких спектральных интервалах. Такие длины волн могут соответствовать линиям вращательного спектра атмосферных газов, в среде которых, например, происходят фотоядерные реакции с выделением энергии. Наиболее длинноволновые линии распространенных молекул газовых сред соответствуют гидроксилу 18 см (частота ~1.65 ГГц), водяному пару 1.35 см (частота 22.2 ГГц) и кислороду ~5 мм (полоса в области 60 ГГц). Если мощное излучение генерируется активными областями атмосферы, насыщенной водой, то линия водяного пара в тропосфере может наблюдаться на больших расстояниях от источника. Это связано не только с меньшим значением погонного затухания на большей длине волны, но и с различием концентрации двух веществ по трассе распространения сигнала. Особенность заключается в том, что вне грозовой облачности концентрация водяного пара в единице объема существенно ниже. Погонное затухание на частоте 22.2 ГГц в стандартной атмосфере при влажности 7.5 г/м³ относительно невелико и составляет значение ~0.1 дБ/км (www.itu.int, 2019). В случае линии кислорода на частоте 60 ГГц затухание составляет ~10 дБ/км.

В эксперименте для регистрации интенсивности излучения при грозе использованы радиометры на частоты 22.2 и 13 ГГц в полосе частот 0.6 и 0.8 ГГц соответственно. Измерение на 13 ГГц использовано для оценки состояния облачности. Чувствительность радиометров при постоянной времени 0.1 с – 0.1 K (для 22.2 ГГц) и 0.3 K (для 13 ГГц). Ширина диаграмм направленности антенн ~20°. В качестве приемника гамма-излучения использовали дозиметр ДРГЗ-02, регистрирующий рентгеновские и гамма-фотоны с энергией до 3 МэВ, имеющий постоянную времени отклика ~1 с. Основа дозиметра сцинтилляционный счетчик с фотоэлектронным умножителем и изотропной пространственной характеристикой детектора излучения. Кроме того, для регистрации молниевого разряда использовали низкочастотный приемник электромагнитного излучения (на частоты 300–400 кГц) с амплитудным детектором и постоянной времени 0.5 с. Запись сигналов производили при помощи системы сбора информации с интервалом времени 0.17 с. Схема измерительной установки по предлагаемой методике представлена на рис. 1.

 

Рис. 1. Схема установки для регистрации предполагаемого электромагнитного излучения, при фотоядерных реакциях. 1 – низкочастотный регистратор молниевого разряда; 2, 3 – микроволновые радиометры; 4 – гамма-дозиметр.

 

Установка для исследования размещалась в здании ИПРЭК СО РАН в г. Чита, на высоте 650 м над уровнем моря. Оси антенн радиометров ориентировали в юго-восточном направлении под углом 30° к горизонту. Измерения были выполнены в летнее время с июня по сентябрь 2022 г.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ

За четыре с лишним месяца наблюдений зарегистрировано большое число гамма-вспышек с интенсивностью превышающей 10σ (σ – стандартное отклонение интенсивности фонового излучения). Из них – два эпизода длительного, порядка нескольких минут, возрастания микроволнового излучения на длине волны 1.35 см, сопровождающегося мощной гамма-вспышкой. Гамма-свечения в эксперименте не наблюдали.

4 августа около 0h30m по местному времени возникла вспышка гамма-излучения, превышающая фоновое излучение, как минимум в 150 раз, что вызвало перегрузку и запирание электронного тракта дозиметра и системы регистрации сигналов на время 2 с. При этом наблюдали особенность – возрастание микроволнового излучения на длине волны 1.35 см с максимумом в момент вспышки гамма-излучения с последующим его уменьшением – рис. 2а, б. Выделение возрастания микроволнового излучения на 1.35 см на фоне изменения собственного радиотеплового излучения облаков (рис. 2б) выполнено из сравнения с изменением излучения на волне 2.3 см.

 

Рис. 2. а – запись интенсивности микроволнового излучения и импульса гамма-излучения (в единицах напряжения на выходе приборов) в ночь с 3 на 4 августа 2022 в г. Чита, б – график для выделенного участка с мощным гамма-излучением (γ).

 

Как следует из полученных данных, экстремум микроволнового излучения совпал с импульсом гамма-излучения в пределах ошибки измерений 0.2 с – рис. 2б. Время свечения в микроволновом диапазоне приблизительно 40 с. Кроме того, после первого эпизода свечения наблюдали второе возрастание микроволнового излучения на время ~3 мин. При втором возрастании микроволнового излучения повышение гамма-излучения не было зарегистрировано.

На рис. 3а, б, в приведены результаты измерений ночью 3 августа 2022 г. Для более четкого выделения изменений на графиках для микроволновых данных выполнено усреднение по 10 точкам. В этом эпизоде перегрузки гамма дозиметра не наблюдали и зарегистрированная интенсивность гамма-вспышки превышала фоновое значение в 4 раза (рис. 3а). Учитывая, что ожидаемая длительность вспышки порядка 0.1 мс, а время отклика дозиметра ~1 с, истинное значение интенсивности гамма-излучения может быть на три-четыре порядка выше.

 

Рис. 3. Запись интенсивности микроволнового излучения и импульса гамма-излучения в ночь со 2 на 3 августа 2022 в г. Чита: а – для длины волны 1.35 см; б – для длины волны 2.3 см; в – приращение сигнала на 1.35 см, вызванное высокоэнергетическими событиями в атмосфере (в единицах напряжения на выходе радиометра).

 

На рис. 3б приведены результаты измерений на длине волны 2.3 см, показывающие изменение собственного радиотеплового излучения облака. На основании этих данных на рис. 3а проведена штриховая линия тренда, определяемая только радиотепловым излучением в случае, если отсутствует возбуждение газа на спектральной линии при неравновесном процессе.

Для определения особенностей излучения в грозовом облаке на рис. 3в представлена разность значений интенсивности излучения на 1.35 см и на линии тренда (по результатам, представленным на рис. 3а). По полученным данным длительность первой фазы микроволнового свечения на волне 1.35 см составляла 4 минуты (рис. 3а). Максимум первой фазы повышения микроволнового излучения совпал с гамма-вспышкой. Так же, как и для свечения, представленного на рис. 2, обнаружено второе возрастание микроволнового излучения с длительностью ~3 минут без повышения интенсивности гамма-излучения.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Выполненные исследования по поиску длительных микроволновых свечений на линии вращательного спектра водяного пара 1.35 см подтвердили его существование на время порядка минуты в грозовой атмосфере. При этом свечение достигало максимума с возникновением гамма-вспышки, после которой наблюдали падение интенсивности микроволнового излучения с последующим его возрастанием, но без гамма-излучения, превышающего фоновое. Повторное возрастание активности среды в виде микроволнового свечения можно объяснить восстановлением электризации активной области с меньшим значением напряженности электрического поля в ней. Одно из предположений о характере обнаруженного эффекта можно связать с восстановлением значительной электризации, которая создает активную среду для микроволнового излучения и возникновения механизма сверхизлучения (Меньшиков, 1999). Такое излучение может распространяться широкими пучками в направлении большей протяженности области возбужденной газовой среды и, при высокой интенсивности, самофокусироваться. В случае, если электрическое поле превышает пороговое значение ~0.3 МВ/м, может возникать лавина убегающих электронов с релятивистской обратной связью и появляться область с самоподдерживающейся фотоядерной реакцией. Такая ситуация будет проявляться относительно длительным гамма-свечением. В этом случае можно ожидать появление мощных пучков микроволнового излучения.

В наших измерениях гамма-свечение не было обнаружено. Возможно, это связано с влиянием затухания при уменьшении мощности гамма-излучения из-за смещения активной области облака при ветре и вариациям направленности излучения (в отличие от микроволнового излучения). Кроме того, в выполненном эксперименте было зарегистрировано малое число наблюдений аномалий в районе проведения эксперимента на одном пункте, что не позволило накопить статистику событий. К примеру, в статье (Wada, 2021 сообщалось, что за 4 года наблюдений в Японии на 10 наземных мониторах в области с активной зимней грозовой деятельностью и низкой облачностью было зарегистрировано 70 длительных свечений в гамма-диапазоне. Использовали чувствительные детекторы с размерами кристаллов 30 × 5 × 5 см и при анализе отбирали данные с уровнем сигналов выше 5σ. При этом соответствующая вероятность регистрации гамма-свечения составляла приблизительно два события, длительностью порядка одной минуты, на детектор за сезон измерений.

В наших измерениях было зарегистрировано 2 проявления длительных микроволновых свечений около нескольких минут при уровнях их регистрации >30σ, сопровождавшихся интенсивными гамма-вспышками. Интересно отметить, что, согласно обзору в (Wada, 2021), гамма-свечение сопровождает сильные электрические поля внутри грозовых облаков и не связано непосредственно с молниевыми разрядами. Они также часто гасятся близлежащими разрядами, так как токи молнии могут уменьшить электрические поля. Эти выводы согласуются с нашими результатами.

Также ранее было показано, что низкоэнергетическая часть TGE обусловлена эманацией радона (Rn²²²) из горных пород, которая в конечном итоге создает гамма-свечение грозовых облаков (Bogomolov et al., 2019). В любом случае, предварительные данные дают основание считать, что предлагаемая методика может существенно расширить круг регистрируемых явлений, если понизить порог уверенной регистрации для нетеплового микроволнового излучения, например, до значения 5σ. Для этого следует улучшить выделение сигнала на линии 22.2 ГГц на фоне вариаций радиотеплового излучения атмосферы при изменении характеристик аэрозоля облака. Это можно сделать, например, путем измерений в центре линии и на максимально близком отдалении от него, где сверхизлучение не возникает, с последующим вычислением разности двух сигналов.

Для получения более полной информации можно дополнительно проводить измерения на сильной линии водяного пара на частоте 183.3 ГГц, а также линии гидроксила и других возможных линиях вращательного спектра, появляющихся при ионизации газов и возникновений ионных комплексов (озона и других).

В плане развития методик измерений представляет значительный интерес установка аппаратуры высоко в горах или на ИСЗ, что существенно расширит горизонт обзора как нижней тропосферы, так и более высоких областей атмосферы. В случае установки аппаратуры на ИСЗ при углах наблюдения около 45 градусов для излучения на частотах вблизи 22 ГГц ожидаемые дополнительные потери по трассе распространения сигнала могут иметь значение не более 10 децибел. В случае положения излучателя в верхней тропосфере регистрация источника более благоприятна. Микроволновые измерения можно использовать и для дистанционных исследований электрической активности грозовых планетных атмосфер в случае возникновения в них лавин убегающих электронов.

Исследование кратковременных и продолжительных от секунд до десятков минут излучений высокой мощности представляет как научный интерес, так и практическое значение при разработке более эффективных мероприятий по грозозащите промышленных объектов и разнообразных технических систем (связи, навигации, передачи энергии, транспорта). Их регистрация из космоса позволит более оперативно решать вопросы безопасности природных и технических объектов и эксплуатации инженерных сооружений.

ВЫВОДЫ

1. Измерения микроволнового излучения грозовой атмосферы на длине волны 1.35 см за летний период в г. Чита выявили несколько эпизодов повышения радиояркости на время порядка нескольких минут, которые можно связать с возникновением повышенной электризации облаков. Повышенная электризация проявилась в виде вспышек гамма-излучения (и молниевого разряда), которые обычно связывают с появлением ускоренных лавин убегающих электронов.
2. Эпизоды наблюдения длительного микроволнового свечения и их совпадения с интенсивными гамма-вспышками указывают на возможную связь наблюдавшегося эффекта с возникновением самоподдерживающихся фотоядерных реакций.
3. Предварительное исследование показало перспективность выполнения измерений длительного микроволнового свечения по предлагаемой методике, например, при наблюдениях на нескольких линиях вращательного спектра молекул (H₂O, O₂, OH). Установка аппаратуры на ИСЗ для регистрации оптических, рентгеновских и гамма-излучений, включающей микроволновые радиометры, позволит эффективно исследовать высокоэнергетические события также и в нижней тропосфере.

作者简介

G. Bordonskiy

Institute of Natural Resources, Ecology and Cryology, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

编辑信件的主要联系方式.
Email: lgc255@mail.ru
俄罗斯联邦, Chita

A. Gurulev

Institute of Natural Resources, Ecology and Cryology, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: lgc255@mail.ru
俄罗斯联邦, Chita

A. Orlov

Institute of Natural Resources, Ecology and Cryology, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: lgc255@mail.ru
俄罗斯联邦, Chita

参考

补充文件