ЛомоносовТранзиентные световые явления в атмосфере
Что это?
В верхней атмосфере между облаками и ионосферой (высоты 10-70 км) наблюдаются кратковременные (длительностью от одной до сотен миллисекунд) вспышки электромагнитного излучения в широком спектральном диапазоне (от видимого света до ультрафиолета и даже рентгеновского и гамма излучения. Масштаб пространства, на протяжении которого происходит свечение, десятки и даже сотни км.
Примеры наблюдения транзиентных явлений с помощью видео камер.
Рис. 1. Новая техника быстрой съемки (5000-10000 кадров в сек) позволяет следить за развитием разряда Cummer et al (2006), Submillisecond imaging of sprite development and structure, Geophys. Res. Lett., 33, L04104, doi:10.1029/2005GL024969.
Малая длительность вспышек указывает на их происхождение от электрических разрядов, развивающихся в атмосфере с высокой скоростью, порядка скорости света. Такие высокие скорости развития разряда осуществляются в искровом (стримерном) разряде, в котором фотоны играют роль «лидера». Если в разряде выполняется ряд условий, характерных для верхней атмосферы (с малой плотностью вещества) при наличии всплеска напряженности электрического поля, то в разряде создаются условия для ускорения электронов до релятивистских энергий (более 1 Мэв), и эти электроны становятся «лидером» разряда. Часть ускоренных электронов может быть захвачена геомагнитным полем и оказаться в «ловушке» магнитосферы Земли, балансируя между точкой разряда и «сопряженной» с ней точкой до тех пор, пока энергия электронов не будет потрачена на ионизацию атмосферы. Эффект балансирования электронов в магнитосфере хорошо изучен во внешнем радиационном поясе Земли. В случае разряда с ускорением электронов время жизни электронов в магнитосфере значительно меньше (минуты), чем в радиационном поясе (дни).
Строение атмосферы.
Напомним общие сведения о строении и составе атмосферы и о глобальном электрическом поле в атмосфере. Принято разбивать атмосферу на несколько частей с характерными свойствами. На рис.2 представлена структура атмосферы, зависимость давления и температуры атмосферы от высоты. Полная толщина вещества атмосферы составляет 1000 г/cм2 (давление на уровне моря 1000 мбар), плотность атмосферы падает экспоненциально с ростом высоты. До высот около 100 км состав атмосферы довольно стабилен — это смесь азота (78%) и кислорода (21%) с примесями других газов (более всего представлен аргон- около 1%), паров воды и частиц пыли (аэрозоли). В тропосфере (высоты до 8-9 км) сосредоточена примерно половина масса атмосферы. Здесь присутствуют пары воды и частицы льда, а также большинство аэрозолей, происходящих от выветривания грунта и человеческой деятельности. Пары воды и частицы льда образуют облака и гигантские облачные образования, которые (см. ниже) играют важную роль в электрических процессах в атмосфере. В тропосфере температура быстро падает с высотой (вблизи уровня моря и суши температура атмосферы определяется температурой нагретой Солнцем поверхности Земли). В стратосфере (на высотах 10-50 км) давление атмосферы на 1-2 порядка ниже, чем в тропосфере. При том же основном газовом составе в стратосфере важную роль играет озоновый слой (молекула кислорода О3 ), который отвечает за поглощение солнечного УФ излучения с длиной волны λ<300 нм. Температура стратосферы повышается с высотой благодаря возрастанию интенсивности солнечного УФ. 
Рис.2. Строение атмосферы. Правая шкала- высота в атмосфере. Левая шкала- давление в мбарах. Выше стратосферы находятся мезосфера и термосфера, где располагаются слои ионосферы (ионы атомов и молекул атмосферы, их происхождение обсуждается ниже), которая играет важнейшую роль в земных электрических процессах. Следует отметить, что ионы ионосферы составляют лишь малую часть (порядка 10-5) массы ионосферы, состоящей из тех же молекул, что и в нижней части атмосферы. На высотах более 100 км (экзосфера) происходит существенное изменение состава атмосферы, см. рис. 3. Начиная с высот 200 км важнейшую роль в составе атмосферы играет атомарный кислород. На еще больших высотах, более 800 км (магнитосфера), главными элементами атмосферы становятся гелий и водород. Если в тропосфере важнейшим солнечным эффектом является нагревание поверхности Земли, то в верхней атмосфере важнейшим эффектом является поглощение атмосферой УФ, рентгена и потока заряженных солнечных частиц. Эти «излучения» Солнца не только нагревают верхнюю атмосферу, но и меняют ее молекулярный и ионный состав. 
Рис. 3. Состав атмосферы на высотах выше 100 км. В верхней атмосфере поток солнечного УФ и рентгеновского излучения ионизует атомы и молекулы. Скорость рекомбинации появляющихся ионов и электронов в разреженной атмосфере невелика и здесь образуется слой ионов в атмосфере (реально несколько слоев ионов с различными зарядами и массами). Сила тяжести и вращение Земли захватывает ионы и в результате заряд ионов вращается в магнитном поле Земли, что приводит к появлению электрического поля с направлением перпендикулярным к магнитным силовым линиям. На экваторе, где магнитные силовые линии параллельны поверхности Земли, электрическое поле направлено по вертикали к Земле. Вместе с Землей на движение ионов оказывает влияние и сила тяжести Луны, так что можно ожидать небольшие «приливные» эффекты в электрическом поле Земли. Потенциал электрического поля Земли составляет от 200 до 400 кВ. В безоблачных районах Земли атмосфера является слабо проводящей и средний ток здесь ~4 10-12 А/ м2 (средний земной ток ~140 КА), так что земной электрический генератор работает, в среднем, с мощностью порядка 105 Мвт. Эффективным источником ионов оказываются грозовые разряды в атмосфере (этот источник, в конечном счете, также получает энергию от Солнца). Глобально в атмосфере Земли непрерывно действуют около 2000 грозовых образований, и частота молний оценивается как ~30 в секунду. На рис. 4 показано распределение на Земле зон активных грозовых явлений в cезон зимы северного полушария (декабрь-февраль), GHCC Lightning Research Overview, 2000. 
Рис.4 Распределение молний по их частоте на Земле. Интенсивность серого цвета повышается с увеличением частоты наблюдения молний. Данные GHCC Lightning Research Overview, 2000 сезон декабрь- февраль. Видно, что основной тенденцией распределения является корреляция частоты молний с материками в тропической зоне Земли Географический максимум активности гроз находится в экваториальном районе Африки, Южной Америки и Индонезии-Автралии. Максимум частоты молний во времени оказывается в 18 час по Гринвичу. Такое неравномерное распределение источника ионов по координатам на Земле и времени, делает в какой- то степени неравномерным и электрическое поле Земли, однако сильные глобальные ветры в верхней атмосфере приводят к быстрому распределению ионов по всей поверхности Земли, так что глобальное электрическое поле оказывается достаточно равномерным и имеет максимум в районе экватора. Количество ионов в ионосфере пополняется и за счет других источников. «Космическим» источником ионов являются галактические космические лучи сравнительно высокой энергии (средняя энергия 10 ГэВ) которые создают ионы по всей глубине атмосферы с максимумом на высотах около 15 км. Еще одним источником являются радиоактивные элементы в коре Земли, которые ионизуют атмосферу вблизи поверхности Земли. Среди них особую роль играет радиоактивный газ радон, максимум ионизации от которого находится на высоте порядка сотен метров. Исторически первыми наблюдениями вспышек (разрядов) в атмосфере были наблюдения молний. Большое внимание этому явлению уделил основатель Московского университета М.В. Ломоносов. Характерным признаком молниевого разряда является его локальность- шнур молнии всегда имеет малый поперечный размер, хотя длина его может достигать нескольких км. Вместе с тем давно было замечено, что как сами молниевые разряды бывают разного типа, так и разряды совсем иного типа возникают в атмосфере. Типичными признаками таких разрядов является их диффузное свечение, занимающее большие размеры в пространстве и отсутствие «грома», то-есть отсутствие быстрого, локального повышения температуры в области разряда («холодный» разряд). Как было показано выше (примеры транзиентных явлений) пространственная форма разрядов и их развитие во времени весьма разнообразны. С помощью детекторов, способных наблюдать цвет свечения или (еще лучше) измерять спектральный состав излучаемого света, получены данные от том, что цвет свечения разряда может изменяться от широкого спектра во всем видимом диапазоне и в области ближнего УФ в нижней части атмосферы (до высот 50 км) к преимущественно красному в верхней атмосфере (высоты более 50 км). Характерным для большинства разрядов является кратковременность вспышек- длительность порядка 1-100 миллисекунд. В некоторых разрядах наблюдается интенсивное ультрафиолетовое излучение (ближний УФ, длины волн 300-400 нм), а также рентгеновское и гамма- излучение.
Как объясняем явление транзиентов сегодня.
Механизмы разрядов в верхней атмосфере были предложены еще до открытия самих разрядов. Первоначально природа разрядов в атмосфере была рассмотрена на основе тех знаний о газовом разряде, которые были получены в лаборатории- в газоразрядных трубках. В таком классическом случае разряд начинается с порогового значения электрического поля Епор, которое пропорционально давлению газа (атмосферы). В предположении, что при молниевом разряде к постоянному вертикально направленному электрическому полю добавляется всплеск поля, связанный с перераспределением заряда между облаком и поверхностью Земли возникают условия для пробоя промежутка между облаком и ионосферой, где давление атмосферы мало. В расчетах развития электрического разряда в атмосфере задают определенную модель распределения электрического поля в атмосфере, заряд и размер облака (диска), высоту его расположения, длительность молниевого разряда. В процессе расчета вычисляются характеристики лавины электронов и характеристики оптического излучения, связанного с возбуждением молекул и атомов атмосферы. В разреженной верхней атмосфере вторичные электроны небольшой энергии (десятки и сотни эВ), с одной стороны, гибнут в столкновениях с молекулами и атомами атмосферы, но с другой стороны ускоряются электрическим полем так, что энергия электрического поля эффективно переходит в энергию свечения атмосферы. Расчеты показали, что энергия электрического поля созданного молниевым разрядом эффективно тратится на ионизацию и высвечивание в верхней атмосфере (на высотах Н~60-70 км). 
Рис.5. Распределение по высоте усредненной яркости разряда. Из диссертации Кудрявцева Ю.А. Саров, 2005 г.. Рассчитанный спектр излучения на этих высотах показан на рис.6. 
Рис.6 . Спектр излучения в разряде типа спрайт, расчет Milikh et al, 1998. Spectrum of Red Sprites , J. Atm. Terr. Phys., 69, 907-11. Реально регистрируемый цвет излучения разряда зависит от спектральной чувствительности применяемого детектора. В большинстве использовавшихся видео камер диапазон регистрируемого света был λ=430-850 нм, что не позволяло регистрировать существенную часть излучаемого света- ближний ультрафиолет (300-400 нм). В опытах на спутниках МГУ «Университетский- Татьяна» и «Университетский- Татьяна-2» регистрировался ближний ультрафиолет и получено согласие со спектром рис.6
Новые детекторы спутника «Михаил Ломоносов».
Насколько верны предположения о начале развития лавины электронов и роли различных факторов- это открытый вопрос, так как до сих пор нет экспериментальных сведений о начальной стадии разряда. Детектор ТУС на спутнике «Михаил Ломоносов» впервые даст возможность наблюдать свечение на самой ранней стадии благодаря огромной светосиле прибора (2 кв. метра, в тысячи раз больше светосилы видео камер) с достаточным пространственным разрешением (4-5 км). Вместе с тем большая светосила детектора ТУС не позволяет наблюдать свечение на стадии максимума свечения (фотоприемник прибора насыщается), поэтому в состав аппаратуры спутника добавлена 2 видео-камеры с простой оптикой точечного отверстия (камера обскура), которые будут регистрировать свечение в максимуме. Камеры имеют разные фокусные расстояния- для того, чтобы получать изображение объекта свечения в двух масштабах, рис.7. 
Рис.7. Камеры обскура с разными фокусными расстояниями. Фотоприемник- 64 анодный фотоэлектронный умножитель. Оба типа приборов (ТУС и камеры обскура) работают в области ближнего ультрафиолета (300-400 нм). Ожидаемые сигналы в основном приборе ТУС и в камере обскура показаны на рис.8 
Рис.8 Сигналы в детекторе ТУС. Слева- временная развертка сигнала в отдельных каналах фотоприемника. Справа- карта сработавших каналов. Начало развития электрического разряда (красные линии) происходит после развития ШАЛ, заканчивающегося в течение 100 мксек.
0.3 ms, 0.4 ms, 0.5 ms, 1 ms
Рис.9 Сигналы разряда в камере обскура, на более поздней стадии по сравнию с сигналом в ТУС-е.
Почему это важно?
Современные экспериментальные данные о разрядах в верхней атмосфере показывают, что само явление разрядов в верхней атмосфере имеет глобальный характер, число разрядов и энергия, выделяемая в этих разрядах так велико, что мы вправе ожидать определенной связи между явлением разрядов и другими геофизическими явлениями. Из механизмов, объясняющих появление разрядов следует, что разряды в верхней атмосфере, электрическое поле Земли и ее ионосфера безусловно взаимосвязаны. Все факторы, влияющие на электрическое поле Земли и ионосферу (состояние магнитосферы, количество гроз, «приливные» силы Земли и Луны) могут влиять и на частоту разрядов, и, возможно, на спектр разрядов по яркости, на спектральный состав электромагнитного излучения в разрядах. Интересным вопросом является возможность выхода части высокоэнергичных электронов разряда в радиационные пояса Земли и, наоборот, высыпания электронов из радиационного пояса при нарушениях электромагнитного поля Земли в момент разряда в верхней атмосфере. Современные оценки энергии, выделяемой в разрядах в верхней атмосфере –порядка 1012 Дж в день (несколько микроватт на м2 ) малы по сравнению с общей кинетической энергией в мезосфере, но и они могут влиять на состояние мезосферы, так как создают мощные локальные эффекты. Разряды в верхней атмосфере могут существенно влиять на химический состав верхней атмосферы. До исследований разрядов в верхней атмосфере считалось, что основной причиной диссоциации молекул азота в верхней атмосфере и появления оксида азота NO являются космические лучи. Присутствие химических комплексов NO и NO2 в верхней атмосфере важно, так как эти соединения генерируют озон (О3). Этот процесс имеет жизненно важное значение, так как компенсирует убыль озона при поглощении солнечного УФ. С учетом большой энергии, вносимой в верхнюю атмосферу электронами разрядов, возможно главным источником диоксида азота являются эти разряды. Электроны разрядов в верхней атмосфере, вообще говоря, могут существенно изменить соотношение между молекулярным и атомным составом всех элементов верхней атмосферы. Экспериментальные данные не исключают влияние выделения радиоактивного радона (в распадах атомов которого появляются электроны, необходимые для начала электрического разряда) на частоту разрядов в заданном районе. Известно, что количество выделяемого радона зависит от сейсмической активности изучаемого района, так что частота транзиентных событий может быть признаком повышенной сейсмической активности. Изучение транзиентных событий важно и с точки зрения оценки безопасности полетов в стратосфере. В редких случаях особенно мощных электрических разрядов интенсивность электронов с энергией, достаточной для проникновения через оболочку самолета, может вызывать ионизацию внутри самолета, опасную как для аппаратуры, так и для здоровья людей.