Введение
Глава 1. Литературный обзор
1.1 Пробой на убегающих электронах
1.2 Модель Дваера
Глава 2. Методология
2.1 Инструментарий
2.2 Параметры симуляции
2.3 Анализ модели Дваера
2.4 Задача о развороте электрона
2.5 Расчёт коэффициента обратной связи
Глава 3. Результаты
Заключение
Список литературы
На сегодняшний день в физике атмосферного разряда остаётся множество нерешённых вопросов. Одним из них является вопрос о том, каким образом в грозовых облаках формируется среда, необходимая для образования молнии.
Существует множество моделей о том, как накапливается электрический заряд в облаках и как он там распределяется. Но при этом до сих пор экспериментально не проверено, каким именно образом устроено электрическое поле внутри тучи. Единственное, что на сегодняшний день измерено достоверно, это величина электрического поля по модулю. Оказывается, что она на порядок меньше поля, необходимого для пробоя воздуха [1][2][3]. В связи с этим в природе должен существовать механизм ионизации внутри грозовых облаков.
Также помимо разряда молнии во время грозы наблюдается множество интересных природных явлений. Например, грозовые облака - естественный источник радиации: в экспериментах по регистрации атмосферных ливней космических лучей поток их частиц увеличивается во время грозы. Вдобавок существуют такие явления, как TGE и TGF, природа которых на сегодняшний день до конца не изучена. TGE или Terrestrial Gamma-ray Enhancement наблюдается в экспериментах на горе Арагац в Армении [4]. Это явление заключается в том, что во время грозы со временем растёт поток регистрируемых гамма квантов. Этот поток растёт до некоторого максимума, затем начинает спадать, а спустя некоторое время происходит разряд молнии. Этот процесс длится в течении нескольких минут. TGF или Terrestrial Gamma-ray Flashes наблюдается из космоса со спутников [5][6]. Это природное явление заключается в том, что спутники регистрируют резкую вспышку гамма квантов с энергией в несколько МэВ от Земли в течении нескольких микросекунд. TGF происходят редко, при-мерно на 3 порядка реже, чем грозы. Наблюдается в экваториальных широтах.
Что может быть источником радиации в грозовых облаках? Внутри туч существует довольно сильное электрическое поле, которое достигает 200 киловольт на метр [1][2][3]. Следовательно, внутри грозовых облаков заряженные частицы атмосферных ливней могут ускоряться. А. В. Гуревич показал [7], что в электрическом поле релятивистские заряженные частицы рождают интенсивные релятивистские электронные лавины. Также тормозное излучение электронных лавин приводит к большему потоку гамма квантов. Это означает, что грозовые облака умножают поток космических лучей. Поэтому вполне вероятно, что именно космические лучи ответственны за ионизацию туч, за TGF и TGE.
Однако оказывается, что потока частиц в атмосферных ливнях не достаточно для того, чтобы модель релятивистских электронных лавин Гуревича давала необходимое количество ионизации в грозовых облаках для образования молнии. Поскольку источников ионизации сильнее, чем космические лучи, не наблюдается, то логично предположить, что поток частиц в электронных лавинах каким-то образом усиливается. Модель усиления электронных лавин предложил Д. Р. Дваер [8]. На сегодняшний день модель Дваера считается наиболее достоверной. Следует отметить, что до сих пор ни одна модель рассмотренных выше явлений не получила прямого экспериментального подтверждения.
Механизм Дваера для усиления релятивистских электронных лавин в электрическом поле заключается в следующем. Дваер исследовал воздушный цилиндр длиной в несколько сотен метров с однородным электрическим полем. Электронная лавина распространяется против электрического поля и излучает тормозные гамма кванты. Эти гамма кванты рождают электрон-позитронные пары в конце цилиндра. Заряд позитрона противоположен заряду электрона, следовательно, позитроны далее движутся по направлению к началу цилиндра. Там за счёт ионизации они рождают электроны, которые, развернувшись, способны образовать вторичную электронную лавину. Таким образом, в электрическом поле реализуется обратная связь, которая позволяет электронным лавин репродуцироваться в начале ячейки. Также возможна обратная связь не за счёт позитронов, а за счёт гамма-квантов, которые могут прилететь в начало ячейки и родить вторичную лавину. На рисунке1 представлена симуляция Geant4, демонстрирующая механизм обратной связи Дваера. Из этой симуляции видно, что в больших электрических полях обратная связь приводит к возникновению вторичных лавин убегающих электронов.
Дваер показал, что в области с однородным электрическим полем порядка одного мегавольта на метр с воздухом при нормальных условиях возможно бесконечное усиление релятивистских электронных лавин. Это означает, что за счёт позитронной обратной связи лавина гарантированно репродуцируется. Значит, если модель Дваера работает в грозовых облаках, то облако должно гореть подобно свече вплоть до разряда молнии. Следовательно, многие наблюдаемые во время грозы явления могут быть объяснены.
Как бы то ни было, на эксперименте внутри грозовых облаков наблюдаются электрические поля на порядок меньшие, чем рассматривал Дваер [1][2][3]. Также облака находятся на высоте в несколько километров над землёй, поэтому плотность воздуха там примерно в 2 раза меньше, чем при нормальных условиях. Целью настоящей дипломной работы было проверить, работает ли модель Дваера в таких условиях, а именно выяснить, возможна ли позитронная и гамма обратная связь, а также вычислить коэффициенты обратной связи для различных электрических полей. Под коэффициентом обратной связи понимается среднее количество вторичных электронных лавин на одну первичную. Вычисления проводились с помощью Geant4 [9].
В первой главе данной дипломной работы представлен литературный обзор. В нём представлена модель Гуревича пробоя на убегающих электронах и модель Дваера усиления лавины убегающих электронов. Во второй главе описана методология расчёта коэффициента обратной связи Дваера в условиях, экспериментально наблюдаемых в грозовых облаках. Наконец, в третьей главе представлены результаты расчётов в виде зависимости коэффициента обратной связи от величины электрического поля.
Целью работы было проверить, как работает механизм Дваера [8] усиления релятивистской электронной лавины в условиях, экспериментально наблюдаемых в грозовых облаках. Был вычислен коэффициент позитронной обратной связи, который равен количеству вторичных электронных лавин рождённых первичной лавиной за счёт позитронной обратной связи. Коэффициент был вычислен для ячейки длиной 400 метров, с плотностью воздуха 0.5 килограмм на метр в кубе с электрическими полями в диапазоне от 100 до 200 киловольт на метр. Плотность воздуха соответствует плотности атмосферы на высоте образования облаков: 5-8 километров. Электрические поля соответствуют наблюдаемым в грозовых облаках в экспериментах [1][2][3]. Длина ячейки была взята 400 метров, так как в статье Дваера рассматривается ячейка длиной 200 метров, а 400 метров - эквивалентный размер в смысле нарастания лавины убегающих электронов при уменьшении плотности воздуха в 2 раза [8]. Вычисления были проведены с помощью Geant4 [9]. Оказалось, что в таких условиях коэффициент позитронной обратной связи меньше 10-2. Это означает, что на 100 электронных лавин рождается не более одной вторичной электронной лавины за счёт позитронной обратной связи. Также было получено, что коэффициент гамма обратной связи ещё как минимум на порядок меньше позитронного.
На основе этих результатов можно предположить, что в грозовых облаках механизм обратной связи Дваера реализуется слишком слабо, чтобы существенно влиять на динамику электронных лавин. Однако экспериментальные данные свидетельствуют о том, что в грозовых облаках реализуется некоторый механизм обратной связи. Поэтому возможным путём продолжения исследований в данной области является поиск новых механизмов усиления электронных лавин.
Настоящая работа выполнена в группе методики ядерно-физических экспериментов при ИЯИ РАН и МФТИ. Автор благодарит своего научного руководителя Нозика А. А. за постановку задачи и методические рекомендации, оказанные в ходе выполнения работы. Автор благодарен Зелёному М. Е. за ценные советы по работе с Geant) и поддержку. Автор выражает личную благодарность Долгоносову М. С.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
