Андрей Александрович Евтушенко, доктор физико-математических наук, заместитель заведующего отделом геофизической электродинамик Института прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова РАН
Высотные разряды в атмосфере Земли были открыты в ночь с 5 на 6 июля 1989 г. американским физиком Дж. Р. Уинклером, который направил высокочувствительную видеокамеру на область над грозовыми облаками и обнаружил несколько восходящих ярких вспышек, направленных к ионосфере. Наблюдения, организованные 8 июля 1993 г. в Форт-Коллинс (штат Колорадо), позволили исследователям зафиксировать более 200 высотных разрядов. На следующую ночь для уточнения высоты разрядов была задействована специализированная летающая лаборатория на борту самолёта DC-8: разряды с характерными размерами в несколько десятков километров были обнаружены на высотах не менее 50–60 км. В настоящее время общепринятой является классификация, выделяющая 4 основных типа высотных разрядов.
Спрайт представляет собой яркое структурированное свечение горизонтальным размером до 40–50 км, наблюдаемое на высотах 50–90 км. Преимущественный цвет спрайта – красный с синим оттенком в нижней части. Инициация спрайта вызвана мощным тропосферным разрядом между облаком и землёй, создающим в облаке некомпенсированный заряд в несколько десятков или сотен кулон на несколько десятков миллисекунд. Красные спрайты – наиболее объёмные высотные разряды средней яркостью 1,5 МРл. Возникновение спрайтов напрямую связано с образованием в облаке значительного нескомпенсированного заряда после особенно мощных молниевых разрядов между облаком и землёй, называемых родительскими разрядами. Принимая во внимание высокую проводимость земной поверхности, можно представить поле от нескомпенсированного заряда в облаке в дипольном приближении, т. е. спадающим по степенному закону в зависимости от расстояния от диполя. В то же время поле пробоя газа в атмосфере прямо пропорционально атмосферному давлению, т. е. спадает с увеличением высоты по экспоненциальному закону, с характерным масштабом около 6 км. Для особо мощных молниевых разрядов, переносящих заряд в десятки и сотни кулон, возможна ситуация, когда на высоте около 75–80 км электрическое поле нескомпенсированного заряда в облаке будет превышать поле пробоя. Практически всегда родительский разряд несёт положительный электрический заряд, стекающий с облака на землю. Лишь отдельные наблюдения показывают возможность инициации спрайтов от разрядов облако – земля, переносящих отрицательный заряд.
Оптическое излучение во время спрайта наблюдается от нескольких миллисекунд до десятков миллисекунд, но изменения в химическом составе атмосферы и её проводимости длятся существенно дольше. Несмотря на то, что полное название этого вида разряда – красные спрайты, оптическое излучение сосредоточено не только в красной области спектра, соответствующей первой эмиссионной полосе молекулярного азота, но и в синей, соответствующей второй эмиссионной полосе. Соотношение интенсивностей излучения в этих полосах изменяется в зависимости от высоты: в верхней части преобладает излучение в красном диапазоне длин волн, в нижней части спрайта – в синем диапазоне, что связано с существенным изменением атмосферного давления в области развития спрайта.
Гало́ – аморфное красное свечение, возникающее на высоте 75–85 км. Гало выглядит как светящаяся дискообразная область с поперечным масштабом 40–80 км в мезосфере непосредственно над областью тропосферного разряда (молнии). Инициация гало связана с квазистатическим электрическим полем, создаваемым некомпенсированным зарядом в облаке после тропосферного молниевого разряда между облаком и землёй. Напряжённость электрического поля при возникновении гало на 20–50 % меньше величины, необходимой для пробоя газа, т. е. ионизации нейтральных химических компонент атмосферы не происходит. Однако напряжённость электрического поля достаточна для возбуждения молекулярного азота с последующим излучением в первой эмиссионной полосе. Средняя яркость гало составляет 0,3 МРл, частота возникновения в глобальной атмосфере около 1 события в минуту. В отличие от спрайта, область гало почти всегда расположена точно над молниевым разрядом, а время задержки между инициирующим молниевым разрядом и гало не превышает 1,5 мс.
Эльфы имеют форму тора, быстро расширяющегося в радиальном направлении, со средней яркостью 0,17 МРл. Возникают на высоте 80–100 км и вызываются электромагнитным излучением мощного тропосферного разряда (молнии). Эльфы – самые короткоживущие высотные разряды и в то же время наиболее часто встречающиеся (в глобальной атмосфере может наблюдаться до 35 событий в минуту). Название «эльф» – от английской аббревиатуры ELVES (Emission of Light and Very Low Frequency perturbations due to Electromagnetic Pulse Sources – «излучение света и очень низкочастотные возмущения, вызванные импульсом электромагнитного источника»).
Джет – высотный разряд в атмосфере, развивающийся вверх от верхней кромки грозового облака. Является разрядом между облаком и воздухом, имеет преимущественно синий цвет. В зависимости от высоты развития выделяют несколько типов джетов: голубые стартеры, достигающие высоты 25 км, голубые джеты – до 50 км, гигантские джеты – доходящие до нижних слоёв ионосферы (80–90 км). Джеты зарождаются ближе к земле, чем другие высотные разряды, и стартуют с верхней части грозового облака, распространяясь со скоростью около 100 км/с. С увеличением высоты они постепенно расширяются с углом раствора около 15°. Интенсивность их свечения постепенно уменьшается, на высоте 40–50 км развитие джета заканчивается. Особо мощные джеты способны достигать мезосферы. Такие разряды (встречающиеся достаточно редко) называют гигантскими джетами. Их вид отличается от обычного джета: горизонтальный размер на высоте более 50 км резко увеличивается, разряд из стримерного переходит в диффузный, в спектре разряда появляется красное свечение. Разряды, называемые голубыми стартерами и достигающие высоты около 25 км, можно рассматривать как не до конца развившиеся джеты. По современным представлениям, джеты имеют ту же природу, что и обычные молнии. Вероятность инициации джетов тесно коррелирует с ростом высоты развития облака: чем больше высота, на которой в грозовом облаке скапливается заряд, тем выше вероятность возникновения джета. Поэтому джеты наблюдаются обычно в экваториальных областях, где грозовые облака могут достигать высоты 18 км, и практически не наблюдаются на 30-х и более высоких широтах, где тропопауза располагается существенно ниже. По имеющейся статистике, основное количество стартеров и джетов формируется при развитии грозовых систем над сушей, в то время как гигантские джеты обычно формируются при развитии тропических штормов над океаном или в прибрежной зоне. Инициацию джетов и голубых стартеров не удаётся связать с конкретным внутриоблачным разрядом или разрядом облако–земля. Однако серия исследований указывает на возрастание интенсивности обычных молний до инициации высотного разряда и резкое снижение их интенсивности сразу после инициации джета или голубого стартера.
Скорее всего, человечество не сможет использовать напрямую высотные разряды в хозяйственной деятельности, ввиду их редкости и значительной высоты инициации. Тем не менее высотные разряды являются частью Глобальной электрической цепи в атмосфере и интересным геофизическим объектом для исследования. По современным представлениям, наибольшее влияние на атмосферу оказывают спрайты и гигантские джеты. Спрайты локально поддерживают проводимость ночной мезосферы, могут влиять на распространение радиоволн, возможно, связаны с серебристыми облаками и гравитационными волнами. Предпринимаются попытки анализировать свойства мезосферы по характеристикам спрайтов, т. е. использовать их как диагностический инструмент. Гигантские джеты интересны тем, что напрямую соединяют тропосферу и ионосферу и могут вносить значительные возмущения в химический баланс при прохождении озонового слоя.
