ЗЕМЛЯ ЯНВАРЬ-ФЕВРАЛЬ, 2021
и 7I5SN0044-3948
космонавтика
астрономия
ВСЕЛЕННАЯгеофизика
ПОДАРОК ОТ «ЛУННОЙ ПРИНЦЕССЫ»
САО РАН ГЛАЗАМИ АСТРОНОМОВ
ТРИ ЗВЕЗДЫ ГЕРОЯ МСТИСЛАВА КЕЛДЫША
ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ, СИНГУЛЯРНОСТИ
И ЦЕНТР ГАЛАКТИКИ
ТРАНЗИЕНТНЫЕ ЭНЕРГИЧНЫЕ ЯВЛЕНИЯ
В АТМОСФЕРЕ И В БЛИЖНЕМ КОСМОСЕ
ФЕНОМЕНОЛОГИЯ АТМОСФЕРНОГО
ЭЛЕКТРИЧЕСТВА
ЗЕМЛЯ №1 (337)
ЯНВАРЬ-ФЕВРАЛЬ, 2021
И
ISSN 0 0 44-3948
космонавтика
астрономия
ВСЕЛЕННАЯгеофизика
Научно-популярный журнал В НОМЕРЕ: 3
Российской академии наук 5
Издается под руководством Колонка главного редактора 23
Президиума РАН 46
Выходит с января 1965 года ПОСТНОВ К.А., ЧЕРЕПАЩУК А.М. Черные дыры, 59
6 раз в год сингулярности и центр Галактики 74
«Наука» ПАНАСЮК М.гГ Быстрые и очень энергичные.
Москва Транзиентные энергичные явления в атмосфере 85
и в ближнем космосе 86
На стр. 1 обложки:
Красный спрайт в небе над СЫСОЕВ А.А., ИУДИН Д.И. Феноменология 101
Кунунаррой, Западная Австралия. атмосферного электричества 110
Автор фотографии (с) Ben Broady
Космонавтика XXI века
ЛИСОВ И.А. Подарок от «Лунной принцессы»
Обсерватории, институты
КУДРЯВЦЕВ Д.О., РОМАНЮК И.И., СЕМЕНКО Е.А.
САО РАН глазами астрономов.
Special Astrophysical Observatory of the Russian
Academy of Sciences as seen by astronomers
In memoriam
Рафаил Львович Аптекарь (27.09.1936-29.12.2020)
Люди науки
ГУБАРЕВ В.С. Три Звезды Героя: знания и страсти.
Несколько страниц из жизни великого ученого
нашей Родины М.В. Келдыша
История науки
СЕЛИВАНОВА О.В. Пионеры ракетной техники.
Документы личных фондов К.Э. Циолковского
в Архиве РАН
Table of Content and Selected Abstracts
© Российская академия наук, 2021
© Редколлегия журнала «Земля и Вселенная» (составитель), 2021
© ФГУП «Издательство «Наука», 2021
Earth&Universe: Astronomy, Geophysics, Cosmonautics
Bimonthly popular scientific magazine of the Russian Academy of Sciences & NAUKA Publishing.
Founded 1965.
Published by NAUKA Publishing, Profsoyuznaya Str., 90,117997, Moscow, Russia.
Редакционная коллегия: Editorial Board:
Editor-in-chief
главный редактор Acad. Dr. Lev M. ZELENYI
академ ик Л.М. ЗЕЛЁНЫЙ, Acad. Dr. A natoly M. CHEREPASCHUK
Dr. K onstantin V. IVANOV
летчик-космонавт P ilot-cosm onaut A lexander Yu. К A LERI
П.В. ВИНОГРАДОВ, Dr. Olga Yu. LAVROVA
Dr. A lexander A. LUTOVINOV
зам.главного редактора Deputy Editor-in-chief
кандидат филолог, наук Dr. Oleg Yu. MALKOV
О.В. ЗАКУТНЯЯ, Dr. Igor G. M ITROFANOV
Acad. Dr. Igor I. MOKHOV
доктор исторических наук RAS Corr.M ember Dr. Igor D. NOVIKOV
К.В. ИВАНОВ, Dr. S tanislav P. PEROV
Dr. K onstantin A. POSTN O V
летчик-космонавт Dr. M ikhail V. RODKIN
А.Ю. КАЛЕРИ, Faina B. RUBLEVA
Dr. V ladislav V. SHEVCHENKO
кандидат физ.-мат. наук RAS Corr. Member Dr. Boris M. SHUSTOV
О.Ю. ЛАВРОВА, RAS Corr. Member Dr. Alexey L. SOBISEVICH
RAS Corr. Member Dr. Olga N. SOLOM INA
доктор физ.-мат. наук RAS Corr. Member Dr. V ladim ir A. SOLOVYEV
А.А. ЛУТОВИНОВ, P ilot-cosm onaut Pavel V. V IN O G RA D OV
Deputy Editor-in-chief
зам.главного редактора Dr. Olga V. Z A КUT N YAYA
доктор физ.-мат. наук
О.Ю. МАЛКОВ,
доктор физ.-мат. наук
И.Г. МИТРОФАНОВ,
ак а д ем и к И.И. МОХОВ,
член-корр. РАН
И.Д. НОВИКОВ,
доктор физ.-мат. наук
С.П. ПЕРОВ,
доктор физ.-мат. наук
К.А. ПОСТНОВ,
доктор физ.-мат. наук
М.В. РОДКИН,
научный директор
Московского планетария
Ф.Б. РУБЛЁВА,
член-корр. РАН
A.Л. СОБИСЕВИЧ,
член-корр. РАН
О.Н. СОЛОМИНА,
член-корр. РАН
B.А. СОЛОВЬЁВ,
академик
A.М. ЧЕРЕПАЩУК,
доктор физ.-мат. наук
B.В. ШЕВЧЕНКО,
член-корр. РАН
Б.М. ШУСТОВ
Колонка главного редактора
Дорогие читатели, коллеги, друзья! на третье, а то и четвертое место в рей-
тинге успешных космических держав.
Завершился, наконец, мучительно дол-
го тянувшийся високосный 2020 год. И с Марсом, к сожалению, ситуация
Многие из нас потеряли коллег и дру- не лучше. Когда Вы читаете эти строки,
зей. Есть потери среди авторов журна- к Марсу уже добралась международ-
ла. Но надо смотреть вперед – и ничего ная флотилия космических аппаратов,
лучшего, чем осторожный оптимизм, о которой мы писали в № 5, 2020 г.,
история нам предложить не может. но российско-европейский аппарат
«ЭкзоМарс‑2022» пока ждет своего
У нашей космической отрасли с 2021 старта, соответственно, осенью 2022 г.
годом связаны большие ожидания. Будем надеяться, что мы не слишком
П осле нескольких отсрочек готовится опоздаем на этот «праздник» поисков
к старту в октябре долгожданная мис- жизни на Марсе.
сия «Луна‑25». Последний раз совет-
ские аппараты садились на Луну 45 лет Но, конечно, есть и хорошие новос
назад в 1976 г. Миссия «Луны‑25» от- ти. Продолжает радовать своими дос
кроет российскую программу иссле- тижениями астрофизическая обсерва-
дований, а затем и освоения Луны. тория «Спектр-РГ», созданная в Рос-
На состоявшемся в декабре заседании сии с участием Германии. Закончен
С овета по космосу РАН удалось наме- уже второй полный рентгеновский об-
тить «дорожную карту» этой програм- зор всего неба, в самом разгаре третий.
мы, в которой исследования на автома- Прекрасные результаты дает россий-
тах будут продолжены пилотируемыми ский телескоп ART-XC, который теперь
полетами на Луну. «ЗиВ» писал об ос- носит имя своего создателя Михаила
новных блоках отечественной лунной Николаевича Павлинского, безвремен-
программы (см. № 4, 2019). но ушедшего из жизни в июле 2020 г.,
совсем скоро после запуска аппарата,
Но жизнь не стоит на месте, и в работе над которым он отдал несчет-
XXI веке в лидеры лунных исследо- ное количество жизненных сил.
ваний стремительно ворвался Китай.
Три (!) мягких посадки на Луну выпол- Наступивший год славен на косми-
нены за последние годы, а последний ческие юбилеи. Главный из них, конеч-
проект «Чанъэ‑5», о котором подроб- но, шестидесятилетие полета первого
но рассказано в статье И.А. Лисова, от- человека в космос. Юбилей будет от-
кровенно говоря, меня потряс. Аппарат мечаться на государственном уровне,
смог сесть и взять пробы грунта в райо предусмотрено множество мероприя
не с «молодой» поверхностью, сформи-
ровавшейся под действием лунного 3
вулканизма. И сценарий миссии, хотя
и кажется на первый взгляд сложным, –
стыковка на окололунной орбите и пе-
регрузка образцов в возвращаемый на
Землю аппарат – представляет собой
еще и отработку основных элементов
пилотируемой экспедиции на Луну, где
без такой стыковки обойтись невоз-
можно. Короче говоря, при имеющихся
темпах финансирования космических
программ, а в особенности научного
космоса, Россия неизбежно откатится
Земля и Вселенная, 1/2021
тий в местах, связанных с жизнью В итоге Ассамблею было решено
Юрия Алексеевича, – Гжатске, Калуге, все-таки провести в январе этого года
Звездном городке. Академия наук со- в т. н. «гибридном» формате: о нлайн
вместно с ГК «Роскосмос» на Общем для всех участников, кроме жителей
собрании РАН в апреле посвятит целый этой страны. К сожалению, попытки
день теме: «Наука для космоса и кос- создать веб-платформу, удобную для
мос для науки». В октябре 2021 г. состо- жителей всех часовых поясов Зем-
ится уже второй форум «Дорога в кос- ли, окончилась провалом. Заранее
мос», посвященный проблемам косми- записанные ролики с выступления-
ческого образования, пропаганде до- ми участников не помогли. Короткие
стижений космических исследований, очные сессии «вопросов и ответов»
в том числе и в космических музеях практически пустовали. Не хочется
(о первом Форуме см. ЗиВ № 6, 2019). обвинять австралийских организато-
ров – они хотели как лучше, но, зада-
В дни, когда я пишу текст этой стра- вая себе тот же вопрос: а как можно
ницы, проходит очередная «гибрид- лучше организовать такие глобаль-
ная» Научная ассамблея Международ- ные конференции? – ответа дать не
ного комитета по космическим иссле- могу. Мы все привыкли к дистан
дованиям (КОСПАР) – пожалуй, самой ционным форматам, и как я знаю,
главной для нас космической органи- многие студенты уже не хотят воз-
зации. После чрезвычайно успешной вращаться в off-line. Но решить зада-
(несмотря на непростой политиче- чу коммуникаций в глобальном кон-
ский климат) 40-й Ассамблеи КОСПАР тексте в этом новом мире, в котором
в Москве в 2014 г. этой организации не мы все неожиданно и надолго (если
очень везет. Ассамблея 2016 г. в Турции не навсегда) оказались, – нам ещё
была отменена из-за попытки государ- предстоит.
ственного переворота незадолго до ее
открытия. Ассамблея 2020 г. в Сиднее Главный редактор журнала
была отложена из-за опасностей пан- «Земля и Вселенная»
демии, которые в Австралии оказались
весьма серьезны. академик Лев Матвеевич Зелёный
4 Земля и Вселенная, 1/2021
Нобелевская премия – 2020
ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ, СИНГУЛЯРНОСТИ
И ЦЕНТР ГАЛАКТИКИ
ПОСТНОВ Константин Александрович,
доктор физико-математических наук, профессор
ЧЕРЕПАЩУК Анатолий Михайлович,
доктор физико-математических наук, академик РАН,
Государственный астрономический институт
имени П.К. Штернберга МГУ им. М.В. Ломоносова
DOI: 10.7868/S0044394821010011
Второй год подряд самая престижная научная Нобелевская премия по физике присуж-
дается за теоретические исследования в области гравитации и космологии и высо-
коклассные астрономические наблюдения. В 2019 г. – Дж. Пиблзу за теоретические
исследования в области физической космологии и астрономам М. Майору и Д. Кело
за открытие экзопланеты вокруг звезды солнечного типа. В 2020 г. половина Нобе-
левской премии по физике присуждена математику Роджеру Пенроузу «за откры-
тие, что образование черных дыр является надежным предсказанием общей теории
относительности». Вторая половина – астрономам Андреа Гез и Райнхарду Генцелю –
«за открытие компактного сверхмассивного объекта в центре нашей Галактики».
ТЕОРЕМЫ О СИНГУЛЯРНОСТЯХ «Картирование»
И ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ пространства-времени
Пенроуз заинтересовался общей теори- Структура пространства-времени наи-
ей относительности (ОТО) А. Эйнштей- более наглядно может быть изучена пу-
на в начале 1960-х годов. Как матема- тем покрытия каждой точки простран-
тику, ему интересно было разобраться ства-времени световыми конусами –
в глобальной структуре простр анства- областями, внутри которых выполня-
времени. ется принцип причинности (никакая
информация между двумя событиями
Фото на заставке: https://eventhorizontelescope.org/press-release-april-10-2019-astronomers-capture-
first-image-black-hole
Земля и Вселенная, 1/2021 5
Биографическая справка
Пенроуз родился 8 августа 1931 г. в Колчес-
тере (Англия) и начал свою научную карье-
ру как специалист в области алгебраической
геометрии (степень доктора философии
в Кембриджском университете в 1957 г.).
С 1973 г. по настоящее время занимает
должность Роузболловского профессора
математики в Оксфордском университете.
◄
Роджер Пенроуз на фоне пола
из «мозаики Пенроуза» – узора,
апериодически заполняющего плоскость
двумя типами ромбов (рис. из Википедии)
Немецкий астрофизик Райнхард Генцель
родился 24 марта 1952 г. в Германии, горо-
де Бад-Хомбург. Учился во Фрайбургском и
Боннском университетах. В 1975 г. окончил
Боннский университет. В 1978 году защи-
тил две диссертации доктора философии в
Боннском университете и в Радиоастроно-
мическом институте Макса Планка. В 1986 г.
стал профессором в Мюнхенском универси-
тете Людвига- Максимилиана. С 1999 г. так-
же преподает в Калифорнийском университе-
те в Беркли. В 2010 г. возглавил институт вне-
земной физики общества Макса Планка. ►
Американский астрофизик Андреа Гез
родилась 16 июня 1965 года в Нью-Йорке
(США). Ее детство прошло в Чикаго, где ее
отец был профессором экономики школы
бизнеса университета Рузвельта, а мать –
директором художественного музея Чи-
кагского университета. Училась вначале по
специальности математика, но потом сме-
нила специализацию на физику. В 1992 г.
получила степень доктора философии в Ка-
лифорнийском технологическом институте.
В настоящее время – профессор кафедры
◄ физики и астрономии в Калифорнийском
университете в Лос-Анджелесе.
6 Земля и Вселенная, 1/2021
в пространстве-времени не может рас- Время В
пространяться со сверхсветовой ско- Свет
ростью). Наиболее проста структура А
пространства-времени Минковского –
пустого плоского пространства, в кото- Пространство
ром отсутствует гравитация. В двумер- Рис. 1. Пространство-время Минковского
ном аналоге (рис. 1), где ось времени t (без гравитации). Свет распространяется
направлена вверх, а пространственная под углом 45 градусов. Причинная
координата x – направо, мировые ли- структура описывается в каждой точке
нии неподвижных объектов являются световым конусом. Угол раствора
прямыми, параллельными оси t. Про- светового конуса 90 градусов. Реальные
странство Минковского – псевдоевкли- тела движутся по времениподобным
дово, т.е. «теорема Пифагора» для ин- траекториям (синяя кривая) – траектория
тервала между двумя событиями, на- в каждой точке лежит внутри светового
ходящимися в точках A(x, t) и B(x + dx, конуса
t + dt), записывается в виде ds2 = –
c2dt2 + dx2. Здесь c – скорость света характеризующая мгновенную скорость
в вакууме, мировая константа. Ника- частицы, имеет угол наклона к оси вре-
кой физический сигнал не может рас- мени t меньше 45 градусов (т.е. скорость
пространяться в пространстве-време- меньше скорости света). Иными слова-
ни и переносить информацию с боль- ми, траектория все время находится
шей, чем с, скоростью. События, для внутри световых конусов, исходящих
которых интервал равен нулю, ds2 = 0, из любой точки под углом 45 градусов
называется светоподобными, а линии, к оси t (см. рис. 1), а ось светового кону-
их соединяющие – это световые лучи са всегда параллельна оси времени.
(нулевые геодезические). Они идут
под углом 45 градусов к оси x (или t). Однако в реальном мире, заполнен-
Если интервал между событиями по- ном веществом и физическими объек-
ложителен, ds2 > 0, события не могут тами, из-за действия всемирной гра-
быть связаны причинно (на диаграм- витации ситуация меняется. Траекто-
ме Минковского линия AB между дву- рии тел по-прежнему времениподобны
мя событиями составляет угол меньше (принцип причинности), а вот световой
45 градусов к оси х, интервал простран- конус в каждой точке будет изменять-
ственно-подобен). Если интервал от- ся из-за эффекта искривления траек-
рицателен, ds2 < 0, события могут быть торий света в поле тяготения – свето-
связаны причинно, интервал времени- вые лучи, его составляющие, будут от-
подобен. Движение массивных физиче- клоняться от угла 45 градусов к оси t.
ских тел в пространстве-времени может Более того, в различных координатах
происходить только по времениподоб- полный угол раствора светового конуса
ным (причинно-связанным) траектори-
ям, а безмассовые частицы (например, 7
фотоны) движутся только по нулевым
геодезическим.
Пока пространство-время пустое (нет
гравитации), на диаграмме Минковско-
го для любого разрешенного движения
по времениподобным траекториями
касательная в любой точке траектории,
Земля и Вселенная, 1/2021
(90 градусов в пространстве Минков- вырождался в линию на радиусе Шварц-
ского) может изменяться. Например, шильда, однако там его угол уменьшал-
в сферически-симметричных коорди- ся до 45 градусов и продолжал умень-
натах Шварцшильда вокруг точечной шаться по мере приближения к коор-
массы M, по мере приближения к тяго- динате r = 0 (сингулярности, см. ниже).
теющему центру угол светового кону- Образующая светового конуса, соответ-
са уменьшается, и вообще формально ствующая направленным к тяготеюще-
«схлопывается» при достижении ко- му центру (входящим) световым лучам,
ординаты rg = 2GM/c2 (радиус Шварц- в этих координатах всегда направлена
шильда, на котором возникает коор- поду углом 45 градусов к оси време-
динатная особенность), а сам свето- ни. Образующая светового конуса, ка-
вой конус превращается в линию, па- сательная световым лучам, выходя-
раллельную оси t (рис. 2). щим наружу, в координатах Эддингто-
на-Финкельштейна на Шварцшильдов-
Ситуация с изображением структу- ском радиусе становится вертикальной
ры пространства-времени на плоскос (см. рис. 2 справа). Это означает, что
ти в координатах Шварцшильда мо- внешний наблюдатель никогда не по-
жет быть проиллюстрирована попыт- лучит световой сигнал, испущенный
кой изобразить видимую часть сферы с поверхности Шварцшильда.
(например, глобуса Земли) на плоской
карте. Все объекты и структуры на ви- Теперь нужно определить математи-
димой половине (аналог простран- чески, что же происходит с коллапси-
ства-времени в координатах Шварц- рующим телом при r стремящимся
шильда при r > rg) с увеличивающими- к нулю. Формально, в этой точке воз-
ся искажениями однозначно проеци- никает физическая особенность – об-
руются на круг, а невидимая половина ращаются в бесконечность компонен-
глобуса треб ует второй карты, кото- ты тензора Римана, описывающего
рую составляет наблюдатель, смотря- в ОТО структуру пространства-време-
щий на глобус с противоположной ни, в том числе характеризующие плот-
стороны (аналог пространства-време- ность и другие физические величины.
ни в координатах Шварцшильда при (В отсутствие гравитации – в пространст
r < rg). Граница глобуса (r = rg в коор- ве-времени Минковского – все компо-
динатах Шварцшильда) является «го- ненты тензора Римана тождественно
ризонтом» для внешнего наблюдателя, равны нулю). Математически коррект
за которым он ничего не видит, но за но можно определить сингулярность
которым н аходится вторая половина как совокупность точек, в которых за-
пространства-времени. канчиваются геодезические – траекто-
рии движения тел и света в простран-
Неудобство координат Шварцшиль- стве-времени. В пространстве-времени
да для отображения пространственно- Минковского (без гравитации) все гео-
временной структуры было сразу же дезические – или времениподобные, со-
отмечено физиками, и были предло- ответствующие движению физических
жены координатные преобразования, тел, или светоподобные (нулевые) –
его устраняющие. Совершенно оче- продолжаются в прошлое или будущее
видно, что физическая суть явлений бесконечно. При наличии гравитации
не зависит от выбора координат. Так, геодезические становятся либо замкну-
уже в 1924 г. А.С. Эддингтон и поз- тыми кривыми, либо уходят на беско-
же – независимо от него – Д. Фин- нечность (конические сечения вокруг
кельштейн (1958) предложили коор- тяготеющего центра в н ьютоновской
динаты, в которых световой конус не
Земля и Вселенная, 1/2021
8
E E D
D В С
Время
Время
ВА
С
А АВ
АВ rg Пространство
rg Пространство
Рис. 2. Пространство-время в координатах Шварцшильда (слева) и Эддингтона-
Финкельштейна (справа). В координатах Шварцшильда возникает особенность на радиусе
rg = 2GM/c2 (вертикальная пунктирная кривая) – лучи света, идущие к тяготеющему центру
(красные пунктирные кривые A и B), испытывают разрыв на rg. Световой конус в каждой точке,
образованный входящими (красные пунктирные кривые) и выходящими (синие сплошные кривые
C и D) световыми траекториями, «сжимается» по мере приближения к rg и вырождается
в вертикальную линию на rg. Внутри rg световой конус направлен вдоль пространственной
координаты, а траектории тел становятся пространственно-подобными. Эта особенность
координат Шварцшильда отсутствует в координатах Эддингтона-Финкельштейна (справа).
Входящие лучи (пунктирные красные прямые) всегда направлены под углом 45 градусов.
По мере приближения к r = 0 световой конус сжимается, однако при r = rg имеет полный
угол раствора 45 градусов. При r = rg выходящие лучи идут параллельно оси t – внешний
наблюдатель никогда не получит сигнал из области r ≤ rg. Внутри Шварцшильдовского
радиуса входящие и выходящие лучи (A, B, E) обрываются в сингулярности при r = 0
гравитации), либо обрываются при ко- под действием только гравитационных
нечном значении собственной длины. сил сжимается за конечное собственное
Если продолжить пространственно-вре- время под Шварцшильдовский радиус.
менное многообразие за такую конеч- Бесконечная плотность, которая возни-
ную точку нельзя (например, потому кает при r = 0, смущала многих физи-
что там возникает бесконечная кривиз- ков – так, Эйнштейн полагал, что неиз-
на – расходится тензор Римана), то та- бежные в реальном мире отклонения от
кая конечная точка и все близлежащие строго сферической симметрии, пред-
конечные точки геодезических и будут полагавшиеся в расчетах Оппенгей-
называться сингулярностью. мера и Снайдера, приведут к останов-
ке гравитационного коллапса (напри-
Ловушечные поверхности мер, к движению частиц вокруг плот-
и гравитационный коллапс ного центра по орбитам с конечным
значением момента импульса). Грави-
Впервые гравитационный коллапс пы- тационный коллапс реальных физиче-
левидного (т. е. холодного, без давле- ских тел таким образом мог быть след-
ния) вещества в рамках ОТО был рас- ствем только специально подобранных
считан в 1939 г. в работе Р. Оппенгей- начальных условий, а значит – скорее
мера и его ученика Х. Снайдера. Впер- умозрительным процессом. Посл е кон-
вые было показано, что массивное тело чины А. Эйнштейна, в 1955 г. индий-
Земля и Вселенная, 1/2021 9
ский физик-теоретик Райчаудури до- неполно относительно продолжения
казал важную теорему о «притяжении световых лучей. Важно, что эта теорема
геодезических» – под действием гра- не опирается на предположение о сфе-
витации близкие геодезические не уда- рической симметрии и имеет большую
ляются, а сближаются. Однако остава- общность. Например, она проверяет-
лось неясным, чем же закончится гра- ся для метрики Керра, описывающей
витационный коллапс физического тела пространство-время снаружи вращаю-
при произвольных начальных условиях. щегося тела.
Одним из важных понятий, введен- При гравитационном коллапсе воз-
ным Пенроузом для изучения струк- никновение ловушечных поверхно-
туры пространства-времени, является стей сигнализируют об образовании
понятие замкнутой «ловушечной по- черной дыры, а граница заполняемых
верхности» (trapped surface). Это такая ими области асимптотически стре-
двумерная поверхность внутри гори- мится к горизонту событий. Гори-
зонта геометрии Шварцшильда, в каж зонт событий – важнейшее понятие,
дой точке которой как «исходящие» также введенное Пенроузом. Для ге-
световые лучи (нулевые геодезические, ометрии Шварцшильда поверхность
идущие наружу перпендикулярно этой с r = rg = 2GM/c2 является горизонтом
поверхности), так и «входящие» свето- событий (рис. 3).
вые лучи (идущие внутрь перпенди-
кулярно этой поверхности) неизбеж- Рис. 3 иллюстрирует процесс обра-
но попадают в сингулярность. Образно зования невращающейся черной дыры
говоря, как входящие, так и выходящие в координатах Эддингтона-Финкель-
лучи с ловушечной поверхности «заса- штейна (упрощенная двумерная схема
сываются» в сингулярность из-за силь- из работы Пенроуза 1965 г.) Коллапси-
ного действия гравитации. рующая поверхность звезды (нижний
эллипс) сжимается. В момент време-
Пенроуз (1965) использовал понятие ни ti в пространстве-времени образу-
ловушечной поверхности для доказа- ется ловушечная поверхность, а зна-
тельства неизбежности образования чит, и горизонт событий. Важно отме-
сингулярности при гравитационном тить, что это происходит еще «внутри»
коллапсе при любых (необязательно коллапсирующей звезды, до момента
сферически-симметричных) начальных te, когда ее поверхность оказывается
условиях. Теорема Пенроуза утвержда- внутри ловушечной поверхности (под
ет, что если пространство-время об- горизонтом).
ладает поверхностью Коши (такой, из
которой, двигаясь по геодезическим, После работы Пенроуза 1965 г. С. Хо-
можно попасть в любую точку в буду- кинг распространил идеи Пенроу-
щем, т. е. пространство-время облада- за на космологическую сингулярность
ет «предсказуемостью») и имеет зам- и сформулировал ряд новых теорем
кнутую ловушечную поверхность, то о сингулярностях, которые могут при-
при выполнении положительного энер- меняться и к гравитационному кол-
гетического условия1 это пространство лапсу, и к космологическим моделям.
1 Положительное энергетическое условие всегда для обычного вещества, но
означает, что сумма плотности энергии может нарушаться в экзотических
вещества и трех главных значений дав- о бстоятельствах, например, на стадии
ления (одинаковы в случае идеальной инфляции в ранней Вселенной, или для
жидкости) больше нуля. Выполняется гипотетической «темной энергии», от-
ветственной в рамках ОТО за наблюда-
10 емое ускоренное расширение Вселенной.
Земля и Вселенная, 1/2021
Далекий Сингулярность удаленные точки в прошлом и буду-
наблюдатель Горизонт событий щем, сингулярности и скрывающие их
горизонты событий.
teВремя Повезвврехзндоысть
Принцип «космической цензуры»
ti и процесс Пенроуза
Пространство В 1968 г. Пенроуз доказал теорему о го-
ризонтах, которую Хокинг использовал
Рис. 3. Двумерная иллюстрация коллапса для доказательства неубывания пло-
звезды в черную дыру в координатах щади поверхности горизонта событий
Эддингтона-Финкельштейна (схема из черных дыр при аккреции вещества,
оригинальной работы Пенроуза 1965 г.). процессах слияния и распада черных
Красные пунктирные линии, идущие под дыр. Было доказано, что вращающая-
углом 45 градусов к оси времени – входящие ся Керровская черная дыра не может
световые лучи. Синие кривые со стрелками – распасться на части, а процесс слия-
выходящие световые лучи. Одна ния черных дыр возможен и должен
из ловушечных двумерных поверхностей сопровождаться потерей массы на гра-
обозначена красным пунктирным эллипсом. витационное излучение. Наблюдения
Ловушечные поверхности возникают гравитационного излучения от слива-
в момент времени ti. Ловушечные ющихся двойных черных дыр лазер-
поверхности заполняют пространство- ными интерферометрами LIGO/Virgo
время внутри rg и асимптотически блестяще подтвердили эти теоретичес
формируют горизонт событий кие предсказания.
(на rg в геометрии Шврцшильда). Черная
дыра формируется в момент времени Пенроуз также выдвинул важную
te > ti, когда поверхность звезды пересекает гипотезу – принцип космической цен-
Шварцшильдовский радиус. Красная зуры (1970). Согласно этому принци-
волнистая линия при r = 0 – сингулярность пу, любые сингулярности простран-
внутри черной дыры ства-времени должны быть скрыты
горизонтом событий от внешнего на-
В своих совместных работах Хокинг блюдателя («природа не терпит голой
и Пенроуз привлекали новые мето- сингулярности»). Эта гипотеза остает-
ды дифференциальной геометрии и ся математически строго не доказан-
т опологии. Пенроуз ввел понятие о кон- ной, и интерпретация сингулярных ре-
формной бесконечности и предложил шений в ОТО по-прежнему является
так называемые «диаграммы Пероуза», актуальной теоретической задачей.
которые позволяют наглядно изобра-
жать причинную структуру всего прост Важным вкладом Пенроуза в изу-
ранства-времени, включая бесконечно чение черных дыр явился мысленный
эксперимент (1969), который показал,
Земля и Вселенная, 1/2021 что из вращающихся черных дыр мож-
но извлекать энергию. Суть его схемати-
чески заключается в следующем. Пусть
некоторая частица А влетает внутрь
эргос феры вращающейся черной дыры
(в область пространства-времени над
горизонтом событий, внутри которой
невозможно существование статических
наблюдателей – пространство-время
11
внутри эргосферы вовлечено во «враще- зованы С. Хокингом при доказатель-
ние» черной дыры с угловой скоростью, стве возможности квантового испаре-
пропорциональной моменту вращения ния черных дыр. В 1977 г. Р. Бландфорд
черной дыры). Пусть эта частица распа- и Р. Знаек предложили использовать
дается на две, A –> B + C, одна из кото- электромагнитное поле вокруг враща-
рых (скажем, B) попадает под горизонт ющихся черных дыр для извлечения их
событий и таким образом теряет связь энергии вращения. Сейчас механизм
с внешними наблюдателями, а вторая Блэндфорда-Знаека признается одним
(С) – вылетает из эргосферы (рис. 4). из лучших объяснений образования ре-
В таком процессе энергия вылетевшей лятивистских джетов в активных ядрах
частицы С будет больше, чем началь- галактик и квазаров и в космических
ная энергия частицы А. Образно гово- гамма-всплесках.
ря, эргосфера вращающейся черной
дыры работает как «праща», а энергия Теоретические работы Пенроуза
вылетающих из эргосферы частиц чер- были выполнены в первой половине
пается из энергии вращения черной 1960-х годов и считаются крупнейшим
дыры. В 1971 г. эта важная идея привела вкладом в развитие ОТО после А. Эйн-
Я.Б. Зельдовича к пониманию, что вра- штена. В это же время появились новые
щающийся объект, поглощающий элек- астрономические наблюдения, в первую
тромагнитные волны (например, метал- очередь – открытие квазаров Мартином
лический цилиндр) может усиливать па- Шмидтом в 1963 г., которые стали ука-
дающее на него излучение, в том числе зывать на существование массивных
и квантовые флуктуации. В 1974 г. идеи компактных образований в ядрах галак-
Пенроуза и Зельдовича были исполь- тик. Эти наблюдения вдохновили заме-
чательных теоретиков – Дж.А. Уиллера,
Рис. 4. Иллюстрация процесса Пенроуза. Частица А влетает и распадается в эргосфере
вращающейся черной дыры (красная граница) на две частицы, A+B. Частица B попадает
внутрь горизонта, а вторая (С) – вылетает из эргосферы. Энергия частицы С может
быть больше начальной энергии частицы А
С
Горизонт
Эргосфера
В
А Земля и Вселенная, 1/2021
12
Я.Б. Зельдовича, И.Д. Новикова, Р. Пен- работах Н.И. Шакуры и Р.А. Сюняева,
роуза, С. Хокинга, К. Торна и других – Дж. Прингла и М. Риса, И.Д. Новико-
на исследования процессов гравитаци- ва и К.С. Торна в 1972–1973 гг. Эта тео
онного коллапса и возможные астрофи- рия позволила быстро понять природу
зические проявления коллапсирующих компактных рентгеновских источни-
звезд – черных дыр (термин, приду- ков, открытых с борта американской
манный Дж.А. Уиллером в 1968 г.). О за- рентгеновской обсерватории Uhuru,
мечательных высокоточных наблюде- как а ккрецирующих НЗ и ЧД в тесных
ниях звезд в окрестностях центральной двойных системах. Оптические про-
черной дыры в нашей Галактике пойдет явления рентгеновских двойных сис
речь дальше. тем, состоящих из нормальной опти-
ческой звезды и НЗ или ЧД, были от-
НАБЛЮДЕНИЯ ЧЕРНЫХ ДЫР крыты и исследованы в 1972–1975 гг.
в работах Н.Е. Курочкина, В.М. Люто-
Очень важно то, что Нобелевская пре- го, А.М. Черепащука, Ю.Н. Ефремо-
мия 2020 года присуждена не только за ва, Р.А. Сюняева, Н.И. Шакуры, а также
теоретические, но и наблюдательные в работах Дж. и Н. Бакал (США). На базе
исследования черных дыр (ЧД). Лауреа этих исследований были развиты на-
тами стали проф. Райнхард Гентцель дежные методы определения масс ЧД
(Калифорнийский университет Берк- в рентгеновских двойных системах, ко-
ли, США, и Институт внеземной физи- торые описаны, например, в моногра-
ки общества Макса Планка, Германия) фии (Черепащук А.М., Тесные двойные
и Андреа Гез (Калифорнийский универ- звезды, М.: Физматлит, 2013). В работе
ситет Лос-Анжелеса, США) – «за откры- В.М. Лютого, Р.А. Сюняева и А.М. Чере-
тие сверхмассивного компактного объ- пащука в 1973 году была дана одна из
екта в центре нашей Галактики». первых оценок массы ЧД в рентгенов-
ской двойной системе Cyg X‑1.
Краткая история наблюдений
астрофизических черных дыр За полвека исследований рентгенов-
ских двойных систем рядом научных
Наблюдения ЧД начались в рентгенов- групп, включая отечественные науч-
ском диапазоне электромагнитного ные коллективы, было открыто свыше
спектра примерно с конца 1960-х годов трех десятков надежных кандидатов
после замечательных работ Я.Б. Зельдо- в звездные ЧД, массы которых превы-
вича и Е.Е. Салпитера (1964), в которых шают 3М – абсолютный верхний пре-
было показано, что при несферической дел массы НЗ, предсказываемый ОТО
аккреции вещества (т.е. выпадения ве- А. Эйнштейна.
щества на тяготеющий центр) на ЧД
может выделяться огромная энергия, В 2002 г. Риккардо Джиаккони, руко-
в десятки раз превышающая энергию, водитель космического эксперимента
высвобождающуюся при термоядер- UHURU, был удостоен Нобелевской пре-
ных реакциях. Таким образом, была мии за развитие рентгеновской астро-
обоснована возможность наблюдений номии и открытие источника Cyg X‑1 –
ЧД (точнее, их окрестностей) в рентге- кандидата № 1 в ЧД.
новском диапазоне спектра.
Открытие в 2015 году гравитаци-
Теория дисковой аккреции вещест онных волн от слияния ЧД в двойных
ва на нейтронные звезды (НЗ) и ЧД системах поставило проблему иссле-
в двойных системах была развита в дования звездных ЧД на качественно
новый уровень. В работах А.В. Туту-
Земля и Вселенная, 1/2021 кова и Л.Р. Юнгельсона (1993) и неза-
13
висимо В.М. Липунова, К.А. Постнова сивную ЧД. По оценкам, выполненным
и М.Е. Прохорова (1997) было предска- в 1964 году Я.Б. Зельдовичем и И.Д. Но-
зано, что первыми в лазерном грави- виковым, столь высокие светимости
тационно-волновом (ГВ) эксперимен- квазаров соответствуют огромным
те LIGO должны быть открыты слияния массам ЧД, порядка 108М.
ЧД, а не НЗ, что подтвердилось на прак-
тике. ГВ астрономия окончательно ут- Систематические определения масс
вердила современную астрономию не сверхмассивных компактных объек-
только как всеволновую, но и много- тов в ядрах активных галактик (Сей-
канальную науку. Определены массы фертовского типа) были проведены
многих десятков ЧД в ГВ двойных сис в 1980-х годах Э.А. Дибаем, который
темах, даны оценки их угловых мо- совместно с В.Ф. Есиповым на Крым-
ментов, изучены тонкие эффекты ОТО ской станции ГАИШ получил высоко-
при слиянии ЧД. Можно утверждать, качественные спектры ядер многих
что «пальма первенства» в исследо- Сейфертовских галактик (с примене-
ваниях звездных ЧД в настоящее вре- нием электронно-оптических преоб-
мя перешла от рентгеновских двойных разователей).
сист ем к ГВ системам.
Чтобы определить массу объекта
В 2017 г. открытие ГВ было удостое достаточно знать скорость «пробно-
но Нобелевской премии (Кип Торн, го тела», вращающегося вокруг него,
Райнер Вайс, Барри Бариш). а также расстояние этого тела до ис-
следуемого объекта. По ширине мощ-
Сверхмассивные черные дыры ных линий излучения водорода в спек-
тре галактического ядра определялась
В начале 1990-х годов началось мас- средняя скорость движения «пробных
совое открытие сверхмассивных ЧД тел» – газовых облаков, двигающих-
в ядрах галактик. Следует отметить, ся в окрестностях центрального ком-
что на необычные и нестационарные пактного объекта, а по полной интен-
процессы, происходящие в ядрах га- сивности этих линий определялся ха-
лактик впервые указал В.А. Амбарцу- рактерный объем излучающего газа
мян (1950-е годы). Длительное время и, как следствие, оценивалось по по-
природа ядер галактик казалась зага- рядку величины характерное расстоя
дочной. Ситуацию прояснило откры- ние газовых облаков от центрального
тие в 1963 году Мартином Шмидтом компактного объекта. На этой осно-
квазаров – очень активных ядер га- ве Э.А. Дибаем были получены оцен-
лактик. Эти активные ядра излучают ки масс сверхмассивных компактных
больше энергии, чем их родитель- объектов в ядрах ряда Сейфертовских
ские галактики. Быстрая перемен- галактик, которые оказались поряд-
ность квазаров (как следовало из от- ка 108М.
крытия А.С. Шаровым и Ю.Н. Ефре-
мовым переменности квазара 3C 273) В 1971 году В.М. Лютый и А.М. Че-
свидетельствовала, что эта громадная репащук открыли эффект запаздыва-
энергия выделяется в весьма малом ния переменности эмиссионных ли-
объеме, размером менее 0.01 парсека. ний в спектрах активных ядер галак-
Поэтому феномен квазара с середи- тик относительно переменности не-
ны 1960-х годов стал рассматриваться прерывного спектра (континуума).
как следствие несферической (диско- Времена этого запаздывания состав-
вой) аккреции вещества на сверхмас- ляли порядка недель и месяцев. Изме-
ряя время запаздывания, можно дать
14 надежную оценку расстояния газовых
Земля и Вселенная, 1/2021
облаков – «пробных тел», излучающих ЧД удается измерить непосредственно
в линиях, от центрального сверхмас- с помощью крупнейших наземных те-
сивного компактного объекта. При из- лескопов, а также космического теле-
вестной скорости движения газовых скопа Хаббла.
облаков, определяемой по ширинам
эмиссионных линий, таким способом Первое определение массы сверхмас-
можно определить массу компактного сивной ЧД методом разрешенной кине-
о бъекта. матики было сделано группой Х. Фор-
да (США) в 1994 году для галактики
Эффект запаздывания был поло- М87. С помощью космического телеско-
жен в основу метода определения масс па Хаббла была открыта дискообразная
сверхмассивных ЧД, называемого ме- спиральная структура – газопылевая
тодом эхокартирования. К настояще- оболочка, окружающая центр галакти-
му времени методом эхокартирования ки. Радиус оболочки 73 парсека. Спек-
измерены массы сотен сверхмассивных тры, полученные в разных частях этой
ЧД в активных ядрах галактик. структуры, показали, что она вращается
по кеплеровскому закону. Отсюда была
Надежность этих измерений прове- определена масса центральной сверх-
рена независимыми измерениями, сде- массивной ЧД (3.2+/–0.9)109М (совре-
ланными другими методами. Посколь- менное значение этой массы, оценен-
ку скорости и расстояния «пробных ное по кинематике звезд, вдвое больше
тел» в методе эхокартирования оце- ~ 6.6 · 109М).
ниваются опосредованно, этот метод
применим к удаленным галактикам Группа Дж. Морана (США) с помощью
(которых большинство), для которых техники межконтинентальной радио-
разрешающей способности телескопов интерферометрии с угловым разреше-
недостаточно, чтобы непосредствен- нием в 200 миллисекунд и спектраль-
но увидеть индивидуальные «пробные ным разрешением 0.1 км/с по допле-
тела» вблизи сверхмассивной ЧД. ровским смещениям мазерных линий
водяного пара открыла дискообраз-
В последние годы в работах Ю.Н. Гне- ную оболочку около сверхмассивной
дина и В.Л. Афанасьева с сотрудниками ЧД в ядре галактики NGC4258 радиу-
метод эхокартирования был обобщен сом ~ 1017 см. По движению отдельных
на случай спектрополяриметрических уплотнений в этой оболочке дана на-
наблюдений ядер активных галактик. дежная оценка массы ЧД 3.5 · 107 М.
Привлечение поляризации излучения
в линиях позволяет оценить геометрию Помимо наиболее надежных мето-
излучающей области вблизи сверхмас- дов эхокартирования и разрешенной
сивной ЧД, что позволяет лучше прока- кинематики существуют более кос-
либровать результаты, полученные ме- венные и менее точные оценки масс
тодом эхокартирования. сверхмассивных ЧД, которые исполь-
зуются для быстрых определений
В случае достаточно близких галак- масс ЧД.
тик применяется весьма надежный
метод определения масс сверхмассив- К настоящему времени разными на-
ных ЧД, называемый методом «раз- учными группами измерены массы ты-
решенной кинематики». Именно этот сяч сверхмассивных ЧД, которые лежат
метод применяли нобелевские лауре- в пределах 106 ÷ 1010М. Родилась но-
аты Генцель и Гез. В этом методе ско- вая наука – демография ЧД, которая
рости и расстояния отдельных «проб- изучает рождение, рост ЧД и их связь
ных тел» (звезд, газовых дисков, газо- с классическими объектами Вселенной
вых облаков) вокруг сверхмассивной (звездами, галактиками и т.п.).
Земля и Вселенная, 1/2021 15
Сверхмассивный компактный объект Галактики, с которым был отождест-
в центре Галактики. влен компактный радиоисточник Sgr A*.
Ими была обнаружена сильная концен-
Центр нашей Галактики расположен трация звезд к центру Галактики, отку-
очень близко к Земле, «всего» на рас- да следовало, что здесь располагается
стоянии ~ 8 килопарсек (примерно очень массивный и компактный объ-
25 тыс. световых лет). Поэтому изуче- ект, скорее всего, ЧД.
нию ядра нашей Галактики всегда уде-
лялось большое внимание. Еще в 1978 Систематические наблюдения за дви-
году английский астрофизик Мартин жениями индивидуальных звезд вбли-
Рис подчеркивал, что можно считать зи Sgr A* были начаты в 1992–1995 гг.
почти неизбежным коллапс централь- д вумя научными группами под руко-
ных частей Галактики и формирова- водством Райнхарда Генцеля и Андреа
ние там ЧД. В работах Оорта, а также Гез. Нынешние нобелевские лауреаты
Генцеля и Таунса, выполненных в 1977– взялись за решение очень трудной за-
1987 гг., было исследовано распреде- дачи. Центр Галактики испытывает гро-
ление звездных масс вблизи центра мадное межзвездное поглощение га-
зово-пылевой средой, расположенной
Рис. 5. Телескопы VLT Южной европейской обсерватории La Silla (Чили)
16 Земля и Вселенная, 1/2021
в плоскости Галактики. Поэтому наб верхность главного зеркала телескопа
людения должны вестись не в оптичес при наблюдениях звезды с высоким вре-
ком, а в ИК-диапазоне, где влияние менным разрешением разбивается на
межзвездного поглощения значитель- небольшие элементы порядка 1 м, кото-
но уменьшается. Кроме того, угловой рые быстро меняют свои положения на
размер ближайших окрестностей сверх- зеркале ввиду турбулентных движений
массивной ЧД, где звезды центрально- воздуха в атмосфере. Интерференция
го звездного скопления подвержены излучения звезды, отраженного от раз-
значительному влиянию центральной личных элементов (внутри которых ис-
ЧД, весьма мал, менее 1 секунды (одна кажающее действие земной атмосферы
секунда дуги на расстоянии до центра незначительно) приводит к формирова-
Галактики 8 килопарсек соответствует нию быстропеременных изображений
0.04 парсека или ~ 8000 астрономиче- звезды в фокальной плоскости телеско-
ских единиц). Поэтому исследователям па. Угловые размеры этих изображений
необходимо было использовать самые (спеклов) соответствуют теоретической
передовые технологии наблюдений на разрешающей способности большого
крупнейших наземных телескопах. Ис- зеркала телескопа (для 8.2-метрового
пользование космического телескопа телескопа VLT оно в ИК-области состав-
Хаббла было нереалистично ввиду того, ляет 0.05 секунды дуги).
что для наблюдений медленных пере-
мещений звезд требовались годы наб Использование техники спекл-ин-
людательного времени. терферометрии позволило группе Ген-
целя открыть перемещения индивиду-
Профессор Райнхард Генцель к тому альных звезд вблизи источника Sgr A.
времени уже имел большой опыт раз- Скорости этих перемещений оказались
работки различных уникальных при- громадными и в ряде случаев достига-
боров, поскольку он ранее занимался ли 1000 км/с.
созданием приборов для ИК и субмил-
лиметровой астрономии и участво- Профессор Андреа Гез в 1995 г. на
вал в разработке VLT – очень боль- 10-метровом телескопе Keck II, рас-
шого телескопа Южно-Европейской положенном на Гавайских островах
обсерватории (ESO), состоящего из (США) (рис. 6) начала высокоточные
четырех 8.2-метровых телескопов. Об- наблюдения собственных движений
серватория расположена на горе Пара-
нал в Чили (рис. 5). Рис. 6. Два 10-метровых телескопа им. У. Кека
на вершине Мауна Кеа на Гавайских островах
Он стал применять технику спекл-
интерферометрии сначала на 3.5-мет 17
ровом телескопе NTT (телескоп но-
вых технологий), расположенном в об-
серватории Ла-Силья в Чили, а затем
на одном из 8.2-метровых телеско-
пов Южно-Европейской обсерватории.
Спекл-интерферометрия предполага-
ет многократную и быструю (пример-
но раз в сотую долю секунды) регистра-
цию излучения звездного участка неба
на крупном телескопе. Поскольку ха-
рактерный размер неоднородностей
в З емной атмосфере порядка 1 м, по-
Земля и Вселенная, 1/2021
индивидуальных звезд в области 5′′×5′′, В работе группы Генцеля была из-
окружающей объект Sgr A. Наблюдения мерена дисперсия скоростей собствен-
проводились в ближнем ИК-диапазоне ных движений у 90 звезд как функция
(длина волны ~ 2.2 микрон) с исполь- расстояний до Галактического цен-
зованием адаптивной оптики. Система тра, которая монотонно нарастает по
адаптивной оптики телескопа KeckII мере приближения к центру вплоть
содержит быстро деформируемое зер- до нескольких сотен км/с. Независи-
кало, опирающееся на 349 активных мые спектральные наблюдения этих
разгрузочных элементов. Использова- звезд позволили по доплеровским
ние контрольной звезды и применение смещениям линий измерить распре-
системы обратной связи, реализующей деление дисперсии лучевых скорос
быструю деформацию поверхности тей, которое оказалось прекрасно со-
зеркала, позволяет скомпенсировать гласующимся с распределением дис-
атмосферные искажения и достичь персии собственных движений. Срав-
дифракционного предела разрешения нение наблюдаемого распределения
для 10-метрового телескопа (~0.05 се- дисперсий скоростей звезд с теорети-
кунды дуги для ИК-диапазона). Специ- ческим распределением, рассчитанны-
альная обработка изображений звезд ми методами звездной динамики, по-
позволяет получить точность опреде- зволило оценить массу центрального
ления их положений ~0.003 секунды компактного объекта 2.6 · 106М. При
дуги. Такая же точность была реализо- этом некоторые звезды вблизи центра
(на расстоянии ~ 0.01 парсека) двига-
вана и Генцелем с помощью спекл-ин-
терферометрии. ются со скоростями, превышающими
В 1996–1998 гг. группы Генцеля и Гез 1000 км/с (рис. 7).
сообщили о результатах наблюдений Дальнейшие наблюдения наиболее
Галактического центра. За три года на- близких к Галактическому центру звезд
блюдений авторы смогли надежно из- позволили установить их регулярные
мерить собственные движения многих траектории движения около центра,
звезд на картинной плоскости вблизи которые оказались криволинейны-
Галактического центра. Соответствую- ми. В 2000 г. группа под руководством
щие проекции скоростей звезд на кар- Гез опубликовала результаты наблю-
тинную плоскость составляли многие дений на 10-метровом телескопе Кека
сотни км/с. с адаптивной оптикой, которые были
R(GC) = 8,0 kpc начаты в 1995 г. Для трех
наиболее близких к цен-
тру Галактики звезд на
Velocity dispersion, km s–1 200 M(0) = 2,4 (±0,4) × 106 Mʘ расстояниях 0.005 ÷ 0.01
парсека были измерены
не только скорости, но
и ускорения по кривизне
100 траекторий их движения.
50 Proper motions Рис. 7. Дисперсия скоростей
0,1 1 звезд вблизи центра
18 Галактики. Из работы
Projected distance from Sgr A* (pc) Eckart A. & Genzel R., Nature
383, 415 (1996)
Земля и Вселенная, 1/2021
Соответствующие уско-
рения оказались сравни- 0,4
мыми с ускорением, кото-
рое испытывает Земля на
орбите, вращаясь вокруг ∆dec. from Sgr A* (arcsec) 0,2 S0–2
Солнца: 0.3 ÷ 0.6 см/с2,
а скорости составляют
570 ÷ 1350 км/с. Соот- 0 S0–1
ветствующие расстоя-
ния этих звезд до Галак- Sgr A*
тического центра для S0–4
эпохи 1995 года состави- –0,2
ли 0.004 ÷ 0.013 парсека.
При этом векторы ускоре-
ний пересекаются в точ-
ке, которая с точностью –0,4
0.05 секунды дуги совпа-
дает с динамическим цен- 0,4 0,2 0 –0,2 –0,4
тром Галактики (источни-
ком Sgr A*). Это доказыва- ∆RA from Sgr A* (arcsec)
ет, что сверхмассивная ЧД Рис. 8. Восстановленные орбиты трех
лежит точно в Галактическом центре. звезд вокруг центра Галактики (источник
С использованием проекций радиус- Sgr A*, отмечен звездочкой), по ускорениям
векторов звезд и векторов их ускоре- которых была оценена масса центрального
ний на картинную плоскость была не- компактного объекта. Рис. из работы
зависимо определена масса централь- Ghez A. et al., Nature 407, 349 (2000)
ного сверхмассивного объекта, кото-
рая составила 3 · 106М. Это значение ные размеры большой полуоси. При
прекрасно согласуется с величиной
(2.3 ÷ 3.3)106М, найденной с исполь- известных значениях большой полу
зованием проекций скоростей этих оси орбиты а и орбитального периода P
звезд на картинную плоскость Звезды по третьему закону Кеплера находится
S1, S2 и S4 – члены звездного скопле- сумма масс компонент двойной систе-
ния, расположенного в Галактическом мы (центральная, сверхмассивная ЧД,
центре (рис. 8). плюс двигающееся вокруг нее по эл-
Дальнейший детальный многолет- липтической орбите «пробное тело» –
ний мониторинг астрометрических пе- звезда S2). Поскольку масса звезды S2
ремещений многих звезд этого скоп порядка 10М, таким способом с боль-
ления, выполненный группами Генце- шой точностью и надежностью нахо-
ля и Гез, позволил пронаблюдать отрез- дится масса сверхмассивной ЧД в цент
ки эллиптических орбит многих звезд, ре Галактики. По данным на 2009 г., это
а для звезды S2 авторам удалось по- значение составляло (4.31 ± 0.36)106М.
строить полную орбиту, у которой пе- Таким образом, значение массы ЧД
риод оказался равным 15.6 лет. в Галактическом центре получено с точ-
Зная угловые размеры большой по- ностью лучше 10%. Это значение под-
луоси орбиты звезды S2 при известном тверждается наблюдениями орбит дру-
расстоянии до Галактического центра, гих звезд центрального Галактического
можно определить абсолютные линей- скопления (всего около трех десятков
Земля и Вселенная, 1/2021 19
S31 скую. Наблюдения показа-
0,4 S27 S12 S19 ли, что это не так. Прецес-
сия орбиты звезды S2 для
известной массы сверх-
S5 S29 массивной ЧД 4.3 · 106М
строго согласуется с ОТО
0,2 S14 S17 S2
S4 Эйнштейна.
S6
Недавно в центре Га-
Dec (")
0 лактики была открыта еще
S38 одна, более слабая звезда
S21 S62, которая расположена
–0,2 S8 S1 S13 S18 ближе к сверхмассивной
–0,4 S9 S24 S33 ЧД и у которой орбиталь-
ный период равен 9.9 лет.
Звезда S4711 массой 2М
имеет еще более корот-
кий орбитальный пери-
0,4 0,2 0 –0,2 –0,4 од 7.6 лет. Совсем недавно
была открыта звезда под
R.A. (") номером S4714, которая
Рис. 9. Орбиты 26 звезд вокруг центра обращается вокруг сверхмассивной ЧД
Галактики, использованные для определения в центре Галактики с релятивистской
массы центрального компактного объекта. скоростью 24 000 км/с. Дальнейшие
Из работы Gillesen et al., Astrophysical J. 692, наблюдения этих очень близко распо-
1075 (2009) ложенных к ЧД звезд позволят, с одной
стороны, проверить ОТО, с другой – да-
дут возможность оценить вклад веще-
звезд, см. рис. 9). Таким образом, авто- ства (в том числе загадочной темной
рами (Генцель и Гез) получена наиболее материи) вблизи центральной ЧД.
точная, наиболее надежная и, главное, Поскольку к настоящему времени
наиболее убедительная оценка массы измерены орбитальные движения мно-
сверхмассивного компактного объекта гих десятков звезд вблизи сверхмас-
в центре нашей Галактики. сивной ЧД в центре нашей Галактики,
К настоящему времени (2020 г.) уда- ученые, изучив ориентацию орбит этих
лось пронаблюдать у звезды S2 поч- звезд в пространстве, дали оценку без-
ти два орбитальных периода (рис. 10). размерного углового момента враще-
Измерено релятивистское смещение ния этой ЧД a = 0.1. Это означает, что
периастра орбиты звезды S2, к оторое ЧД в центре нашей Галактики вращает-
в точности согласуется с теоретичес ся медленно.
ким значением этого смещения, пред- Таким образом, центр нашей Галак-
сказанным в рамках ОТО Эйнштейна тики представляет собой уникальную
(при найденной массе ЧД). Высказы- физическую лабораторию, данную нам
вались гипотезы о том, что ввиду силь- природой. Можно быть уверенным,
ной концентрации гипотетической что в ближайшем будущем (лет через
темной материи вблизи сверхмассив- 10–20) эта лаборатория позволит уче-
ной ЧД, у звезды S2 может наблюдаться ным получить уникальные результаты
ньютоновская прецессия орбиты, зна- по проверке фундаментальных физи-
чительно превышающая релятивист- ческих теорий.
20 Земля и Вселенная, 1/2021
0,20 NACO & SHARP 0,050
GRAVITY 0,025
NACO flares RA ["] 0,000
–0,025
0,15 –0,050
–0,075
1995 2000 2005 2010 2015 2020 2025
Dec ["] 0,15Dec ["]
0,10 0,10
0,05
0,00
0,05 1995 2000 2005 2010 2015 2020 2025
4000 SINFONI
Keck
vLSR [km/s]
2000
0,00
0
0,04 0,02 0,00 –0,02 –0,04 –0,06 –2000 1995 2000 2005 2010 2015 2020 2025
RA ["] Time [yrs]
Рис. 10. Орбита звезды S2 по наблюдениям 1992–2019 (VLT). Красные кресты – положение
ИК-источника, совпадающего с центральным источником Sgr A*. Из работы GRAVITY
collaboration (Abuter R. et al.), Astronomy & Astrophysics 636, L5 (2020)
В этом состоит огромная ценность Есть две возможности для объясне-
для науки многолетних и высокотехно- ния такой осторожной формулировки.
логичных исследований, выполненных
Нобелевскими лауреатами Райнхардом Во-первых, авторы дали наибо-
Генцелем и Андреа Гез. Эти результаты лее точное, надежное и убедительное
увенчали большим успехом описанную определение лишь массы сверхмас-
выше полувековую программу поиска сивного компактного объекта, но не
и исследования ЧД во Вселенной. его размеров, что необходимо, чтобы
окончательно идентифицировать этот
Отметим, что формулировка Но- о бъект с ЧД.
белевского Комитета в отношении
этих авторов звучит так: «За открытие Во-вторых, под словами «компакт-
сверхмассивного компактного объекта ный объект» можно понимать не толь-
в центре Галактики». Подчеркнем, что ко ЧД, но и «кротовую нору». В отли-
за открытие не черной дыры, а ком- чие от черных дыр, кротовые норы не
пактного объекта. имеют горизонта событий и сингуляр-
ностей. Это топологические структуры,
Земля и Вселенная, 1/2021
21
соединяющие разные части простран- метр из 8 субмиллиметровых радио
ства-времени. Идея кротовых нор телескопов с максимальной базой око-
в центрах некоторых галактик в по- ло 10 000 км, получила с разрешением
следнее время активно развивает- ~ 2 · 10–5 секунды дуги изображение
ся в нашей стране в работах клас- ближайших окрестностей и тени сверх-
сика релятивистской астрофизики массивной (M = 6.6 · 109М) черной
И.Д. Новикова и его сотрудников. По- дыры в ядре галактики М87. Размеры
иск кротовых нор был включен в про- тени прекрасно согласуются с предска-
грамму космического радиоинтерфе- занием ОТО Эйнштейна, что позволи-
рометра «Радиоастрон» (руководи- ло значительно ограничить класс тео-
тель – Н.С. Кардашев). Поиск кротовых рий гравитации, обобщающих ОТО.
нор запланирован также на будущем
космическом радиоинтерферометре В настоящее время научная группа
«Миллиметрон». EHT работает над проблемой построе-
ния изображения ближайших окрест-
Что касается определения радиуса ностей, а также тени сверхмассивной
сверхмассивного компактного объек- ЧД в центре нашей Галактики. Пожела-
та в центре нашей Галактики, то здесь ем им успехов!
эстафету подхватили другие научные
группы. Например, недавно ученым Интересно отметить, что за послед-
из консорциума европейских инсти- ние 10 лет были получены четыре Но-
тутов, входящих в Южно-Европейскую белевские премии по астрономии: за
обсерваторию, удалось наблюдать вра- открытие ускоренного расширения
щение газовых облаков вокруг сверх- Вселенной (2011), за открытие гравита-
массивной ЧД в центре нашей Галак- ционных волн (2017), за открытие экзо-
тики с угловым разрешением поряд- планет (2019) и за наблюдения черных
ка 10–3 секунды дуги на расстоянии дыр (2020). Это свидетельствует о бур-
около 3.5 Шварцшильдовских радиу- ном прогрессе в современной астро-
сов со скоростями ~ 0.3 скорости све- номии, который обещает привести нас
та. Использовался комплекс из четы- к новым выдающимся открытиям.
рех 8.2-метровых телескопов, кото-
рые с помощью приемной системы Работа выполнена при поддержке
GRAVITY связаны в единый интерфе- Междисциплинарной научно-образова-
рометр с базой около 130 метров, ра- тельной школы Московского универси-
ботающий в ближнем инфракрас- тета «Фундаментальные и прикладные
ном диапазоне. Таким образом, уче- исследования космоса».
ным удалось прямыми наблюдениями
убедиться в наличии очень быстрых Литература
(р елятивистских) движений газа вблизи для дополнительного чтения
последней устойчивой орбиты вокруг
«нашей» ЧД. 1. Х окинг С., Пенроуз Р. Природа пространства
и времени (пер. с англ.) / ОГИЗ Издательство
Также нельзя не отметить недавние АСТ, 2018.
огромные успехи в построении прямых
изображений сверхмассивных черных 2. Н овиков И.Д., Фролов В. Физика черных дыр.
дыр (точнее, теней или силуэтов чер- М.: Наука, 1986.
ных дыр на фоне излучения аккреци-
онных дисков). В 2019 году междуна- 3. З асов А.В., Постнов К.А. Общая астрофи
родная научная группа Event Horizon зика. Фрязино: Век‑2, 2015.
Telescope (EHT), используя интерферо-
4. Ч ерепащук А.М. Тесные двойные звезды. М.:
22 Физматлит, 2013.
5. М ногоканальная астрономия / под ред.
А.М. Черепащука. Фрязино: Век‑2, 2019.
Земля и Вселенная, 1/2021
С новыми книгами
Издательства “Наука”
вы можете ознакомиться на сайте
naukabooks.ru
Капанадзе А.Л.
Опытным путем:
Эксперименты, изменившие мир.
М.: Наука, 2019. - 319 с.
В книге рассказывается об основных вехах в развитии экспе-
риментальных методов в самых разных областях наук о
природе, человеке и обществе – физике, химии, астрономии,
биологии, физиологии, медицине, археологии, социологии,
психологии, экономике. Охвачен период с античных времен до
наших дней. Читатель узнает о знаменитых и малоизвестных
опытах, оказавших огромное влияние на формирование наших
представлений о мире и о нас самих. Большое внимание автор
уделяет не только истории приборов и технологий, но и
истории идей. Затрагиваются проблемы отличия классическо-
го эксперимента от наблюдения (когда опыт «ставит» сама
природа), преемственности технических инноваций, влияния
общественного климата на работу экспериментатора, роли
случайности в этой работе.
Для широкого круга читателей.
Реклама
Образцов П.А.
Высокие широты.
М.: Наука, 2018. - 192 с. - (Научно-популярная литература)
Книга повествует об открытии и освоении Арктики и Антарктики,
этих двух полюсов холода и мужества, об отважных героях,
благодаря которым человечество узнало о природе, животном
мире самых северных и самых южных земель, а также о том, какая
непростая и вместе с тем увлекательная жизнь идет сегодня
в этих суровых, таинственных и манящих краях.
Для широкого круга читателей.
Верещагин Г.В., Аксенов А.Г.
Релятивистская кинетическая теория
с приложениями в астрофизике и космологии.
М.: Наука, 2018. — 471 с.
Релятивистская кинетика широко применяется в астрофизике
и космологии. В последние годы интерес к этой теории вырос,
поскольку появилась возможность ставить эксперименты
при таких условиях, где релятивистские эффекты становятся
существенными. Настоящая монография состоит из трех частей.
В первой части представлены основные идеи и концепции,
уравнения и методы теории, включая вывод кинетических
уравнений из релятивистской цепочки Боголюбова, а также
соотношение кинетического и гидродинамического описаний.
Вторая часть — это введение в вычислительную физику, причем
особое внимание уделяется численному интегрированию
уравнений Больцмана и смежным вопросам, а также
многокомпонентной гидродинамике. В третьей части дан обзор
приложений, который охватывает вопросы ковариантной теории
отклика, термализации плазмы, комптонизации в статических
и динамических средах, кинетики самогравитирующих систем,
образования структуры в космологии и излучения нейтрино
при гравитационном коллапсе.
Для студентов старших курсов университетов,
аспирантов и исследователей, специализирующихся
в области теоретической физики, астрофизики и космологии.
naukabooks.ru Реклама
Атмосфера Земли
БЫСТРЫЕ И ОЧЕНЬ ЭНЕРГИЧНЫЕ.
ТРАНЗИЕНТНЫЕ ЭНЕРГИЧНЫЕ ЯВЛЕНИЯ
В АТМОСФЕРЕ И В БЛИЖНЕМ КОСМОСЕ*
ПАНАСЮК Михаил Игоревич ,
доктор физико-математических наук
Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д.В. Скобельцына
МГУ им. М.В. Ломоносова
DOI: 10.7868/S0044394821010023
Транзиентными, то есть быстропреходящими, энергичными явлениями в контексте
д анной статьи называются земные гамма-всплески (Terrestrial Gamma Flashes – TGF),
некоторые типы так называемых «транзиентных световых явлений» (Transient Luminous
Events – TLE), «быстрые грозовые земные возрастания» (Fast Thunderstorm Ground
Enhancements – FTGE). Они появляются как в нижних слоях атмосферы, так и верхней ее
области, вплоть до мезосферных (около десятков км) высот в виде кратковременных
потоков электронов, позитронов, гамма-квантов и нейтронов, а также всплесков опти-
ческого излучения от ультрафиолетового до инфракрасного. Одна из вероятных моде-
лей их объяснения использует как ключевой элемент генерацию лавин субрелятивистских
и релятивистских электронов, природа которой может быть связана с быстрыми изме-
нениями атмосферных электрических полей во время проявлений грозовых эффектов
(это так называемая модель «снизу-вверх»). Но можно предположить, что электроны
меньших энергий могут высыпаться из радиационных поясов Земли в атмосферу (эта
модель, соответственно, называется «сверху-вниз»). Именно лавины электронов, про-
никающие в атмосферу снизу, вкупе с пучками электронов сверху, могут быть ответ-
ственны за весь комплекс явлений со значительным выделением энергии и в нижней, и в
верхней атмосфере. Не исключено, что все рассматриваемые транзиентные энергичные
явления развиваются на примерно одинаковой временной шкале. Предполагается, что
аналогичным механизмом можно объяснить и появление потоков транз иентных лавин
гамма-квантов в области под грозовыми облаками (феномен FTGE). Ниже излагаем экс-
периментальные аргументы, подтверждающие предложенные модели, и обсуждаем ряд
1нерешенных проблем и направления дальнейших целевых экспериментальных исследо-
ваний в этой области физики экстремальной атмосферы.
* С татья поступила в редакцию в июне 2020 г., а ее отредактированную версию М.И. Панасюк
прислал 11 октября, менее чем за месяц до ухода из жизни. Публикуем ее в авторской версии,
с незначительными корректорскими изменениями. – Прим. ред.
Фото на заставке: Gemini Observatory / Association of Universities for Research in Astronomy (AURA)
Земля и Вселенная, 1/2021 23
К онец прошлого века принес уди- ГАММА-ВСПЛЕСКИ ЗЕМНОГО
вительные открытия в той области ПРОИСХОЖДЕНИЯ И ИХ
физики атмосферы, которая, казалось ГРОЗОВАЯ ПРИРОДА
бы, к тому времени была детально ис-
следована. Американский исследова- Вслед за экспериментом Фишмана изу-
тель Р. Фишман в 1994 г. в эксперимен- чение TGF продолжалось и другими ис-
те BATSE (Burst and Transient Source следователями. Современные их наб
Experiment – «Эксперимент по им- людения (например, на космическом
пульсным и быстрым источникам») на
борту астрофизической космической аппарате Fermi) показывают, что часто-
обсерватории CGRO (Compton Gamma- та таких транзиентов невелика: поряд-
Ray Observatory – Гамма-обсервато- ка 500 TGF за сутки. Однако, вероятно,
рия им. Комптона) с помощью детек- это лишь нижняя граница, так как ма-
тора гамма-излучения, направленно- лоинтенсивные TGF зарегистрировать
го вниз, в атмосферу, обнаружил очень довольно сложно – необходимы прибо-
короткие, длительностью от долей до ры большой чувствительности.
нескольких миллисекунд, всплески Приблизиться к пониманию приро-
гамма-излучения1. ды TGF помогла идея связать эти явле-
Это было открытие: Р. Фишман по- ния с атмосферным электричеством.
казал, что атмосфера нашей планеты Очень скоро после эксперименталь-
может быть источником транзиент- ного обнаружения была выявлена их
ных всплесков гамма-излучения, очень связь с разрядами молний, при кото-
п охожих на гамма-вспле- Р. Фишман показал, рых усиливаются элект
ски космической природы что атмосфера нашей рические поля в нижних
(известны под аббревиату- слоях а тмосферы.
рой GRB, открыты в 1960-х планеты может
годах). Но если GRB рож- быть источником «Генетическая связь»
даются где-то в ходе мощ- между всплесками и гро-
ных астрофизических ка- транзиентных зовой активностью дейст
таклизмов на окраинах всплесков гамма- вительно подтверждается
излучения, очень экспериментальными дан-
похожих на гамма-
Вселенной и на самой ран- всплески космической ными: на спутниках TGF
ней фазе ее зарождения, природы (известны регистрируются преиму-
то каково происхождение под аббревиатурой щественно над областями
земных гамма-всплесков? GRB, открыты с проявлениями грозовой
в 1960-х годах). активности. Это видно при
Эти гамма-вспышки по-
лучили название «земные сравнении карт, на кото-
гамма-вспышки» – (Terrestrial Gamma рых обозначены, с одной стороны, мес
Flashes, или TGF). Их максимальная та – наблюдений TGF и, с другой сторо-
энергия оказалась очень большой, до ны, наиболее активные области грозо-
десятков мегаэлектрон-вольт (МэВ) образования. И молнии, и гамма-всплес
и даже выше. Достаточно упомянуть, ки наблюдаются преимущественно над
что электроны с энергией 10 МэВ спо- континентами и на низких и средних
собны преодолеть слой, например, алю- широтах. Была даже обнаружена сезон-
миния в 20 мм, а воздуха – около 400 м. ная зависимость их появления: зимой
они наблюдаются, в основном, над об-
1 С татья была опубликована в журнале лачным покровом, расположенным
Science в 1994 г.: Fishman et al. Science ниже над землей, чем летом, когда гро-
264 1313 (1994). зовые облака расположены выше.
24 Земля и Вселенная, 1/2021
а 80 c
70 5 мсек
TGF 60
b Молнии 50 24 475 579,40 24 475 579,60
40 d
30
20
10
0
24 475 579,20
1000
J, counts/MeV100
10
1 10 100 E, keV 1000 10000
Рис. 1. Вверху – земные гамма-всплески (TGFs – Terrestrial Gamma Flashes): а – географическое
распределение по данным на спутнике CGRO; с – типичный временной профиль и энергетический
спектр по данным спутника «Вернов». Внизу – результаты наблюдений разрядов молний
на спутнике TRMM (Tropical Rainfall Measuring Mission) c 1995 по 2002 г. Компиляция из:
(1а) Briggs M.S. et al. Geophys. Res. Lett. 38 L02808 (2011); (1b) https://gpm.nasa.gov/missions/trmm;
(1c; 1d) M. Panasyuk et al., Cosmic Research, 2016, Vol. 54, No. 5, pp. 343–350
Результаты ряда наблюдений де- Вслед за обнаружением TGF появи-
монстрировали, что TGF должны быть лась и первая модель, позволяющая
созданы высоковольтными электри- приблизиться к пониманию их меха-
ческими полями непосредственно пе- низма генерации. Оказалось, что имен-
ред ударом молнии в грозовом облаке, но в районе скопления грозовых обла-
происходящим через миллисекунды ков, благодаря мощным электрическим
после наступления ее первоначальной полям, создаются условия для ускорения
фазы – появления ее лидера2, но до ос- электронов окружающей среды. Более
новной вспышки. Большинство совре- того, было показано (здесь мы ссыла
менных исследователей склоняются емся на первые модели 1990-х годов
к модели генерации TGF как результа- А.В. Гуревича и его коллег3), что этот
та межоблачных и (или) внутриоблач- процесс носит лавинообразный харак-
ных разрядов на высотах в несколько тер. Восходящие потоки электронов
километров. покидают область грозовой активнос
ти, рождая «лавину убегающих элек-
2 Л идер молнии – узкий канал ионизи- тронов», направленную вверх от по-
рованного воздуха, электрический ток верхности Земли вдоль силовых линий
в котором распространяется сверху вниз,
причем ступенчато. Он может развет- 3 Например, статьи Gurevich, Milikh,
вляться, формируя своеобразную фрак- Roussel-Dupre Phys. Lett. A 165 463 (1992);
тальную структуру. См. Bogomolov V.V., Гуревич А.В., Зыбин К.П. УФН, 171 1177–
Iyudin A.F., Maximov I.A., Panasyuk M.I., 1199 (2001).
and Svertilov S.I. Phys. Rev. D99.
25
Земля и Вселенная, 1/2021
м агнитного поля. Их энергия – от десят- ядерных реакций рождают новые час
ков кэВ до 1 МэВ и более. Возникает про- тицы – электроны, позитроны и нейт
бой воздуха, причем величина порого- роны. Электроны лавины замедляют-
вого значения электрического поля ока- ся в атмосферной среде, рождая фото-
зывается меньше его типичной величи- ны, которые, в свою очередь, в резуль-
ны. Получается, что грозовая активность тате фотоядерных реакций с атомами
«приводит в действие» импульсный воздуха генерируют поля нейтронов, а
ускоритель с очень короткой длительно- также пары электронов и позитронов.
стью пучков электронов. Такую модель Последним предназначена дополни-
можно назвать «моделью снизу-вверх». тельная и важная роль.
Энергичные электроны лавины в ре- Положительно заряженные позитро-
зультате столкновений с атомами возду- ны, в отличие от отрицательных элект
ха могут создавать в атмосфере вспыш- ронов, в электрическом поле должны
ки гамма-квантов – так называемое лететь в противоположном направле-
тормозное излучение. Это и есть TGF. нии, к Земле, и могут вызвать новую
Именно они были обнаружены Фиш- порцию гамма-излучения. Получается
маном в ходе анализа данных со спут- эффект усиления TGF – своеобразная
ника. В свою очередь, TGF посредств ом положительная обратная связь.
Рис. 2. Модель («снизу-вверх») генерации TGF и транзиентных световых событий TLE
в верхних слоях атмосферы над районами грозовой активности: лавина убегающих
электронов, ускоренная электрическим полем и направленная вверх, создает атмосферный
пробой выше грозовой облачности, вызывая кратковременное флуоресцентное свечение
атмосферы и всплески гамма-излучения – TGF. Последние ответственны за рождение
нейтронов и электрон-позитронных пар (e+, e–). Потоки позитронов, направленные вниз,
генерируют дополнительные потоки гамма-излучения, тем самым увеличивая яркость TGF.
Эти транзиентные энергичные явления в нижней и верхней атмосфере могут быть опасными
для авиалайнеров на типичных высотах в несколько км и для будущих суборбитальных
летательных аппаратов в стратосфере, а также способны нарушать условия
распространения радиоволн
100 Термосфра е– ЭЛЬВ
Высота, км Радиоволны Гало
спрайта
Мезосфера Нейтроны
Спрайты
50 TGF Голубой Гигантский
ШАЛ/ГКЛ джет джет
Стратосфера е+ TGF Лавина
убегающих
0 Тропосфера
е–
26 Земля и Вселенная, 1/2021
Формирование нейтронных полей Частота молний, отн. ед. 30 a 12
в районе появления TGF не представ- 25
ляется чем-то удивительным. Чтобы 20 11 Потоки ионов, отн. ед.
фотоядерные реакции осуществились, 15
необходима пороговая энергия гам- Ионизация 10
ма-квантов около 10 МэВ в воздухе.
Такие гамма-кванты в TGF, очевидно, Молнии 9
есть. Тем не менее следует упомянуть,
что обсуждается еще одна возможность 10 1992 1996 8
рождения нейтронов – в результате 1988 Год 2000
ядерного синтеза.
Числа Вольфа, b Солнечная
Принимая во внимание всю сово- отн. ед. активность
купность явлений: лавины электронов,
гамма-излучения и вторичного излу- Поток ГКЛ, c1
чения в виде электронов, позитронов отн. ед. ГКЛ
и нейтронов, стоит задуматься о радиа
ционной опасности таких явлений. 2
К физической модели генерации 1990 1995 2000
TGF, подразумевающей активную роль
заряженных частиц (электроны лавины), Рис. 3. Сверху вниз: а – частота разрядов
можно добавить идею о механизме ге- молний, уровень ионизации атмосферы;
нерации самих молний. В ряде работ b – изменение уровня солнечной активности
было показано, что молниевый разряд по числам Вольфа; c – поток галактических
может возникать при проникновении космических лучей по наземным
в область грозового облака огромного наблюдениям нейтронных мониторов
количества вторичных частиц – широ- в высоких (1) и низких (2) широтах.
ких атмосферных ливней (ШАЛ), воз- Компиляция из: Stozhkov Y.I., 2003,
никающих при взаимодействии галак- J. Phys. G: Nucl. Part. Phys. 29 913
тических космических лучей (ГКЛ) с ат-
мосферой и увеличивающих локальную с тороны, частота молний действитель-
ионизацию воздуха. Это должно спо- но коррелирует с изменением иониза-
собствовать электрическому пробою ции воздуха. В ряде работ отмечалось,
и появлению электрических разрядов. что ионизация воздуха и рост частоты
Однако есть много скептиков, отвер- молниевых разрядов совпадают с ми-
гающих такую возможность. Их мне- нимумом цикла солнечной активнос
ние основано на том, что до сих пор не ти. Именно в этот период потоки ГКЛ
было достоверных одновременных на- достигают своей максимальной вели-
блюдений молний и ШАЛ на наземных чины. Возрастание фоновой иониза-
установках космических лучей. ции не отвергается в качестве причи-
ны появления стримеров (плазменного
Тем не менее существуют стати-
стические наблюдательные данные, 27
в пользу значительной положитель-
ной корреляции между изменениями
плотности ионизации воздуха и об-
лачного покрова Земли. Чем плотнее
облака, тем более вероятным стано-
вится проявление грозовой активно-
сти и молниевых разрядов. С другой
Земля и Вселенная, 1/2021
канала) молниевого разряда. Эти фак- физическим характеристикам в опти-
ты позволяют не отвергать, а рассма- ческом диапазоне различают спрайты,
тривать возможность существования эльвы, голубые джеты и др.
механизма генерации молний с учас
тием ШАЛ ГКЛ. Спектральные измерения TLE в раз-
ных диапазонах могут быть использо-
Основываясь на имеющихся экспе- ваны для того, чтобы отличить их от
риментальных данных по TGF и пред- молниевых разрядов. В спектральном
лагаемой для их объяснения модели, составе TLE – преимущественно ли-
в основе которой – лавина убегающих нии излучения вибрационных перехо-
электронов, получается довольно при- дов молекулярного атмосферного азота
влекательная глобальная картина, свя- в красной и инфракрасной частях спек-
зывающая воедино процессы, проис- тра видимого излучения.
ходящие в космическом пространстве
и вблизи поверхности Земли. TLE типа «спрайтов» обычно появ-
ляются на высотах мезосферы и имеют
Однако открытием TGF – мощных сложную структуру с пространствен-
транзиентных явлений в атмосфере ным горизонтальным масштабом в де-
Земли, давшим, по сути, начало физи- сятки километров. Обычно спрайты
ке экстремальной атмосферы, развитие возникают одновременно с ореолами:
этого направления не ограничилось. своеобразным диффузным свечением
над спрайтом. Длительность таких оп-
СВЕТОВЫЕ СПОЛОХИ тических вспышек – от десятков до со-
тен миллисекунд, они происходят на
В 1990 г., немного раньше открытия высотах от десятков до 100 км и, воз-
TGF, с помощью скоростных и высоко- можно, несколько выше. Важной осо-
чувствительных телевизионных камер бенностью спрайтов является одно-
было обнаружено еще одно интересное временное развитие нескольких лавин:
явление в высотной атмосфере – чрез- вначале – нисходящие разряды, сосед-
вычайно быстрые, длительностью по- ствующие с основным разрядом. Раз-
рядка 30 миллисекунд, вспышки све- ница цветов у спрайта объясняется раз-
та, похожие на струи или фонтаны, над личным давлением и составом атмо
грозовыми облаками на высоте 14 км и сферы на разных высотах. На высоте
простирающиеся вверх, как минимум около 70 км красное свечение дает азот.
до 20 км. Чем ближе к земле, тем больше давле-
ние и количество кислорода, и цвета
Авторы этих наблюдений4 уже тогда меняются соответственно на синий, го-
отметили их возможную связь с усиле- лубой и белый. Так называемые «синие
нием грозовой активности. Затем нача- струи» и «синие стартеры» – это самые
лись спутниковые наблюдения. Изме- низковысотные TLE, которые распро-
рения из космоса оказались более ин- страняются вверх от вершин облаков
формативными для изучения глобаль- до высот около 40 км.
ных свойств этих явлений.
В эксперименте на спутнике «Вер-
Теперь мы знаем, что TLE (сокра- нов» (2014 г.) было показано, что сла-
щение от Transient Luminous Events) – бые по своей светимости TLE встреча-
«транзиентные световые явления» – это ются на более обширной «территории»
общее название различных феноменов, по сравнению с более мощными. Реги-
разнообразных по своей природе. По страция последних схожа с картиной
пространственного распределения TGF.
4 Frantz et al., Science, 249, 48–51 (1990). Это наводит на мысль об их единой
28 Земля и Вселенная, 1/2021
природе, связанной с гро- 90 180 90 0 90 180
зовой активностью в ниж-
них слоях атмосферы. 60 60 180
180
Однако если это так, 30 30Широта
то опираясь на модель
«с низу-вверх» – модель ла- 00
вины убегающих электро-
нов, следует предположить, –30 30
что поток релятивистских –60 60
электронов может участво-
вать в генерации и ультра- События –90
фиолетового излучения, 180 100
наряду с гамма-эмиссией.
События 80
Этому есть теоретиче-
ские и экспериментальные 60
подтверждения. В штате
Юта (США) существует 40
ускоритель электронов с
энергией 40 МэВ, кото- 20
рый используется для ка-
либровки флуоресцентных 0
детекторов космических –180 –120 –60 0 60 120
лучей предельно высоких Долгота
энергий на установке по их 90 0 90
изучению Telescope Array,
расположенной там же. Широта 60 90 < 3 Дж 1400 180
Его импульсный пучок ре- 30 1200
лятивистских электронов, 0 0
взаимодействуя с атомами –30 d1000
воздуха, генерирует столб
флуоресцентого света. –60 c 800
600
Численные модели флуо 180 400
ресцентных излучений 200
для электронно-фотонной
компоненты ШАЛ косми- 0 15 45 75 105
ческих лучей были впер-
вые представлены еще 60 > 3 Дж 300
в середине 1960-х годов.
Количество испускаемых 30 Долгота b250
флуоресцентных фотонов
пропорционально энер- 0 200
гии, теряемой электрона- 150
ми в атмосфере. Именно –30 100
поэ тому гипотеза о связи 50
лавины убегающих элек- –60 a
тронов с генерацией опти- 0 15 45 75 105
ческого излучения не ли-
шена оснований. Лавины Рис. 4. Вверху – распределение TLE на карте. Внизу – TLE
различной природы:
a, b – длительные, наблюдающиеся только в ультрафиолете
по данным эксперимента на спутнике «Вернов» и
c, d – более короткие, зарегистрированные в более широком
спектральном диапазоне, вплоть до инфракрасного. Первые,
в отличие от вторых, наблюдаются в основном над сушей,
над районами преимущественного грозообразования.
Компиляция из: Garipov G.K., Khrenov B.A., Klimov P.A. et al., 2013.
J. Geophys. Res. 118 (2), 370–379; Extreme Events in Geospace.
Garipov G. et al., Elsevier, 2018. 625 p.
Земля и Вселенная, 1/2021 29
энергичных электронов могут создать Обратимся вновь к спрайтам, а имен-
светящиеся в ультрафиолете транзиен- но к их динамике. В ряде работ отмеча-
ты над грозовыми облаками – TLE. Тог- лось, что начальный этап их развития
да встает вопрос: какие именно типы начинается в нижних слоях мезосферы
TLE могут рождаться в рамках такой (см. кадры 1–3 на рис. 5) в течение ко-
модели? роткого времени < 2 мс. Лишь на втором
этапе начинают развиваться его струк-
Если предполагаемые импульсные туры (стримеры), направленные вниз.
лавины убегающих электронов дейст
вительно существуют, то, вероятно, Последовательность такой динамики
они должны генерировать TLE пре развития спрайта потребовала и моди-
имущественно в нижних слоях атмос- фикации стандартной модели лавины
феры, в районе над грозовыми обла- убегающих электронов, предполагаю-
ками, где плотность воздуха больше, щей существование двух стадий. Пер-
чем на больших высотах. Поэтому та- вая, мощная, связана с сильноточным
кой механизм скорее ответственен разрядом на высотах в десятки км. Она
за генерацию струй – джетов, нежели вызывает пространное диффузное све-
спрайтов и эльвов (название последних чение, и затем появляются спорадиче-
от английской аббревиатуры ELVES – ские пробои около вершин грозовых
Emission of Light and Very Low Frequency облаков на относительно малой высо-
perturbations due to Electromagnetic те и простирающиеся вверх, вплоть до
Pulse Sources, «световая эмиссия и очень таких значительных высот, как 90 км.
низкочастотные возмущения, по- Но не исключается модель появления
рожденные источниками электромаг- стримеров, направленных вниз. Имен-
нитного импульса»), возникающих на но вторую стадию процесса связывают
гораздо больших высотах. Тем не ме- с молниевым разрядом, замыкающим
нее исключать возможность «участия» электрический потенциал между обла-
лавин убегающих электронов в генера- ком и землей. Можно отметить, что та-
ции транзиентов и на больших высотах, кая картина двухстадийного развития
по-видимому, нельзя. Согласно выше спрайта наводит на мысль, что наблю-
упомянутой модели, они могут служить даемые нами мощные и сложные по
триггером возникновения электриче- своей структуре TLE над сушей, в боль-
ского пробоя на больших высотах. Как шинстве наблюдаемых событий и яв-
следствие такого пробоя также можно ляются именно этим классом световых
ожидать и генерацию вспышек в опти- транзиентов. В пользу такой интерпре-
ческом диапазоне. тации свидетельствуют и наблюдения
Рис. 5. Динамика развития спрайта в миллисекундном диапазонe.
Источник: Cummer S.A., Jaugey N., Li J., Lyons W.A. et al., 2006. Geophys. Res. Lett. 33, L04104
80 km
70 km
t = 1,66 ms t = 2,06 ms t = 2,26 ms t = 2,46 ms t = 2,66 ms t = 3,06 ms 60 km
50 km
40 km
30 Земля и Вселенная, 1/2021
множественных разрядов молний с пе- кольцо этого гигантского атмосферно-
риодом в десятки – сотни миллисекунд, го явления, расширяясь, распространя-
часто наблюдающихся в районах грозо- ется со световой скоростью на боль-
вой активности. шие расстояния. Это очень напомина-
ет взрывной процесс с «эпицентром»
Принципиально другие, на наш в точке зарождения эльва. Интересно,
взгляд, по своей физической приро- что иногда наблюдается парное рожде-
де – эльвы – своеобразные кольцевые ние световых колец. После их перво-
структуры красноватого цвета (что ука- го наблюдения с борта американско-
зывает на высвечивание кислорода), го шаттла Discovery в 1989 г. появи-
наблюдающиеся в нижней ионосфере лась идея объяснения их генерации
(высоты около 80–100 км) в течение электромагнитным импульсом (ЭМИ),
< 1 мс, принципиально отличны от дру- связанным с разрядом молнии. ЭМИ,
гих световых транзиентов. Возникнув, распространяясь вверх, разогрева-
они быстро расширяются и достигают ет свободные электроны на мезосфер-
огромного горизонтального размера – ных высотах. Последние, в результа-
до 500 км. те столкновений с молекулами возду-
ха (в основном – азота), возбуждают их.
На спутнике «Ломоносов» нам уда- Затем, в процессе их релаксации, про-
лось исследовать динамику этих явле- исходит эмиссия флуоресцентного све-
ний с помощью быстрого ультрафио- та в УФ-диапазоне.
летового телескопа ТУС на его борту,
смотрящего вниз, на Землю. Светящееся
На спутнике «Ломоносов» (2016–2018) для регистрации УФ-транзиентов был уста-
новлен телескоп ТУС («Трековая УСтановка» с диаметром зеркала около 1,5 м).
Фотоприемник телескопа состоял из 256 фотоумножителей – пикселей и быстрой
считывающей электроники, обеспечивающей измерения полезных сигналов в раз-
личных временных диапазонах. Это позволило исследовать световые явления
в атмосфере различной природы: вспышки УФ-света, возникающие от взаимо-
действия космических лучей с атмосферой, события типа TLE, полярные сияния,
антропогенные свечения и даже следы от метеоров. Разнообразие транзиентных
световых событий, регистрируемых телескопом TУС в УФ-диапазоне длин волн,
значительно улучшило наши знания об атмосферных явлениях, полученных в бо-
лее ранних космических экспериментах МГУ на спутниках «Татьяна», «Татьяна-2»
и «Вернов». ТУС – наиболее чувствительный прибор из применявшихся до сих пор
в космосе для изучения световых транзиентов. Так, например, оценка полного
числа УФ-фотонов, испускаемых эльвами, оказалась > 1018, что на четыре порядка
меньше, чем было измерено с помощью прибора в эксперименте ISUAL (> 1022)
на спутнике FORMOSAT-2.
Итак, «лавина убегающих электро- Прямых наблюдений восходящих по-
нов» может быть триггером к развитию токов электронов на высотах выше об-
таких процессов, как некоторые классы лачного покрова нет. Впрочем, это –
TLE и TGF. Однако встает вопрос: есть следствие трудностей осуществле-
ли прямые наблюдения таких лавин ния экспериментов на таких высотах.
как подтверждение данной модели? Вообще, область атмосферы от 10 до
Ответ на этот вопрос неоднозначен. 100 км по-прежнему остается мало-
Земля и Вселенная, 1/2021 31
Внешняя ЭЛЬВ (ELVE)
«световая волна»
эльва
16 1000 16 1000 16 1000
14 800 14 800 14
12 600 12 600 12 800
10 400 10 400
8 200 8 200 10 600
6 6 8
4 4 6 400 Изображение
2 2 4 световой волны
2 200 на фотоприемнике
1 3 5 7 9 11 13 15 1 3 5 7 9 11 13 15 ТУС («Ломоносов»)
1 3 5 7 9 11 13 15
136 µs 168 µs 200 µs
Рис. 6. Вверху – событие TLE типа эльв (ELVE) в представлении художника.
Внизу – динамическое отображение его фронта в фотоприемнике ультрафиолетового
телескопа ТУС на борту спутника «Ломоносов». Движущийся световой внешний фронт эльва
распространяется со световой скоростью на расстояния в десятки-сотни км.
Компиляция из: Klimov P. et al., Remote Sens. 2019, 11, 2449
изученной – единственной платфор- грозовой активности. Это подтвержда-
мой для экспериментов здесь остаются ет их возможную «генетическую» связь
аэростаты. Именно поэтому модель ла- с проявлениями атмосферного элек-
вин убегающих электронов продолжает тричества в нижних слоях атмосферы,
оставаться рабочей гипотезой. но, конечно, не обязательно между со-
бой. Тем не менее и ее, как рабочую ги-
Тем не менее есть косвенные экспе- потезу, отвергать нельзя.
риментальные данные – наблюдения
вторичных излучений в виде электрон- Можно ли рассмотреть альтернатив-
но-позитронных пар, которые должны ный вариант – модель «сверху – вниз»?
быть следствием развития электрон- Иными словами, «запустить» пучок
ных лавин, а также нейтронов, рожда- электронов из космоса в атмосферу?
ющихся в результате ядерных реакций
с участием гамма-квантов. Эти наблю- ЭЛЕКТРОННЫЕ ТРАНЗИЕНТЫ
дательные факты могут быть косвен- И МОДЕЛЬ «СВЕРХУ-ВНИЗ»
ным, но довольно сильным аргументом ГЕНЕРАЦИИ TLE
в пользу существования лавин реляти-
вистских электронов, генерируемых В рамках такой модели следует пред-
в сильных электрических полях в рай- положить существование нисходя-
онах грозовой активности. щих транзиентных пучков электронов
в окружающем нас околоземном кос-
При этом видно, что качественно мическом пространстве, в направлении
географические распределения TGF к поверхности Земли. В пользу т акого
и мощных TLE схожи: большая их часть
регистрируется именно над районами Земля и Вселенная, 1/2021
32
варианта свидетельствуют хорошо из- Чтобы попытаться ответить на этот
вестные полярные сияния, создавае- вопрос, напомним еще об одном клас-
мые потоками электронов энергией се энергичных транзиентов в около-
несколько кэВ, которые вторгаются из земном космическом пространстве,
магнитосферы в плотные слои атмос- детальное исследование которых так-
феры и вызывают свечения, в том чис- же началось в 1990-х годах и интен-
ле и в УФ-диапазоне. сивно продолжается до сих пор. Речь
идет о высыпающихся из радиацион-
Но можно заметить, что основная ных поясов энергичных электронах
доля TLE регистрируется совсем в дру- (Transient Electron Precipitation или
гом месте – на средних широтах и бли- TEP). Такие ТЕР радиационных поясов
же к экватору. Кроме этого, сама тополо- Земли наблюдаются не только в ав-
гия магнитного поля Земли в аврораль- роральных широтах, но и на средних
ных и полярных широтах способству- и низких.
ет формированию потоков электронов,
направленных вниз. Откуда могут поя- Возникает вопрос, какова природа
виться потоки электронов «сверху» на микровсплесков и какое воздействие
средних и низких широтах? на атмосферу они могут оказать?
Ларморовское
вращение частицы
Точка отражения
Дрейф Дрейф А Магнитная
протонов электронов силовая линия,
L-оболочка
Кинематика движения захваченных частиц в магнитном поле связана с тремя основ-
ными видами их движения: ларморовское – вращательное вокруг силовой линии;
колебательное – вдоль нее между точками отражения и азимутальное – вокруг
Земли. Для описания такого движения удобно пользоваться понятием дрейфовой
оболочки – так называемой дрейфовой «L -оболочки», по сути, расстоянием в радиу-
сах Земли до магнитной силовой линии, по которой дрейфует заряженная частица.
Основной механизм, который может ного взаимодействия могут передавать
привести к высыпанию частиц из радиа- часть своей энергии частицы, изменяя
ционных поясов, известен давно, по направление ее преимущественного
сути, сразу после их открытия в конце движения – дрейфа в магнитном поле
1950-х годов. Это взаимодействия «вол- Земли.
на-частица». Электромагнитные волны,
частота которых близка к частоте лар- Для большей части электронов ра-
моровского вращения частицы в маг- диационных поясов эти частоты соот-
нитном поле, в результате резонанс- ветствуют диапазону очень низкочас-
тотных волн (ОНЧ) в килогерцовом
Земля и Вселенная, 1/2021
33
Природное воздействие на электроны
Волны типа «вистлер» Ионно-циклотронные волны
ab
Расстояние
от Земли Время
Высыпающиеся электроны
c
Наземный
НЧ-радиопередатчик
Техногенное воздействие на электроны
Рис. 7. Процессы, обусловленные взаимодействием типа «волна-частица» природного
происхождения (а, b) и техногенного происхождения (c). Оба эти механизма приводят
к высыпанию частиц из радиационных поясов в атмосферу
диапазоне. Оказывается, что именно активности, которые «истощают» за
в этом диапазоне частот находятся так хваченные в магнитном поле потоки
называемые «свистящие атмосфери- частиц. Это явление наводит на мысль
ки», или вистлеры, – волны, генерируе о том, не могут ли пучки высыпающих-
мые во время молниевых разрядов ся электронов на средних широтах вы-
в районах грозовой активности. У них зывать в верхней атмосфере явления
широкий частотный спектр с макси- типа TLE? На первый взгляд, это соот-
мумом в район е 1–10 кГц. Эти волны ветствует действительности: вистлеры
распространяются преимуществен- распространяются в виде коротких им-
но вдоль магнитных силовых линий пульсов, длительность которых долж-
и, «встречая» на своем пути захвачен- на соответствовать времени развития
ные электроны, «заставляют» их поки- разрядного процесса в грозовом обла-
нуть область устойчивого захвата – на- ке, формируя тем самым сопоставимые
править их движение в верхние слои по длительности пучки высыпающихся
атмосферы. частиц и вспышек света.
Рис. 7а иллюстрирует механизм вза- Высыпания частиц типа ТЕР с энер-
имодействия вистлеров с электрона- гией в десятки – сотни кэВ также мо-
ми радиационных поясов. Считается, гут приводить к увеличению проводи-
что зазор между внешним и внутрен- мости D-слоя ионосферы над грозо-
ним радиационным поясом электро- вой областью или в сопряженной точке
нов на 2 < L < 3 – следствие именно та- и, как следствие, к изменению порога
кого механизма взаимодействия час локального электрического пробоя ат-
тиц с волнами. Именно здесь, на сред- мосферы.
них широтах, происходит интенсивная
генерация вистлеров во время грозовой В 1995 г. был осуществлен экспери-
мент EuroSprite по генерации и мпульсов
34
Земля и Вселенная, 1/2021
Спутник
TLE B TEP
TEP TLE
Вестлер
100 км
Молния
Рис. 8. Возможный механизм высыпания транзиентных потоков электронов (ТЕР)
при взаимодействии с низкочастотными пакетами электромагнитных волн типа «вистлер»
и, как следствие, генерация флуоресцентного света (TLE) при взаимодействии частиц
с атмосферой
ОНЧ-волн в диапазоне 3–30 кГц – по ной широтной области околоземного
сути, имитации воздействия вистлера пространства на малых высотах: от ав-
на атмосферу. Оказалось, что в широ- роральной области и внешнего радиа-
кой пространственной области на вы- ционного пояса и до экваториальных
соте около 100 км происходит измене- областей, где существование стабиль-
ние проводимости D-слоя ионосферы но захваченных частиц исключено.
и генерируются оптические вспышки
типа спрайтов. Можно предположить, что часть ре-
гистрируемых на спутнике электронов
В подтверждение этой модели при- (на высоте 600 км) могла появиться
ведем более подробные данные о пото- и за счет инжекции восходящих лавин
ках электронов как в области внутрен- убегающих электронов. Однако такой
него радиационного пояса, так и под механизм представляется малоэффек-
поясами, полученными на спутнике тивным в силу энергетических потерь
«Вернов». Этот спутник летал на орби- электронов в процессе их транспорта
те высотой около 600 км, и поэтому на из нижних слоев атмосферы до высот
столь малых высотах он мог регистри- орбиты спутника в несколько сот км.
ровать высыпающиеся и квазизахва- Действительно, в наших эксперимен-
ченные (т.е. совершающие не более од- тах на спутниках «Татьяна» и «Вернов»
ного оборота вокруг Земли) частицы – нам не удалось обнаружить такие спо-
кратковременные всплески электронов радические потоки электронов.
длительностью с энергией более 50 кэВ.
Остается возможность появления
Полная картина пространственно- электронов как вторичных, возникаю-
го распределения частоты наблюдений щих в процессе комптоновского рассея-
таких всплесков показана на рис. 9. ния и генерации, электрон-позитронных
Они наблюдаются в довольно обшир- пар при взаимодействии г амма-квантов
Земля и Вселенная, 1/2021 35
40 «Вернов», 2014 г.
35
Частота всплесков, отн. ед. 30 Низкие высоты
под радиационными
поясами
25
Внутренний Внешний Авроральная
20 радиационный пояс Область радиационный область
зазора
пояс
15
10
5
0 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2 2,2 2,4 2,6 2,8 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8
L-оболочка (радиусы Земли)
Рис. 9. Глобальное распределение и частота появления всплесков, высыпающихся
и квазизахваченных электронов на разных L-оболочках на малых высотах (около 600 км)
TGF с атомами атмосферы на высотах широтах за счет их рассеяния на элек-
около 40 км (рис. 2). Действительно, тромагнитных волнах типа грозовых
такие вторичные частицы наблюда- вистлеров представляется более пред-
лись в эксперименте BATSE на спутни- почтительной.
ке CGRO, RHESSI и Fermi. Эти вторич-
ные энергичные электроны и позитро- Электромагнитные волны внутри ра-
ны могли быть инжектированы вдоль диационных поясов могут появиться не
магнитного поля во внутреннюю маг- только вследствие грозовой активнос
нитосферу как результат развития TGF. ти. Человек в этом плане также вно-
Они обнаруживаются на низкой около- сит свою лепту. В прошлом веке начала
земной орбите: либо непосредственно развиваться дальняя радиосвязь в ки-
над местом генерации TGF или в со- логерцовом диапазоне. На земле были
пряженной точке на расстоянии не- сооружены мощные радиопередатчи-
скольких тысяч километров. Более ки, работа которых, как оказалось, на-
того, был отмечен их дрейф в магнит- прямую оказывает воздействие на час
ном поле после выхода в космическое тицы, захваченные магнитным полем.
пространство из атмосферы. Однако, По аналогии с воздействием грозовых
насколько это явление может быть ти- вистлеров, наземные радиопередатчи-
пичным и масштабным, предстоит еще ки «заставляют» электроны покидать
выяснить. Нельзя исключить и альтер- область устойчивого захвата и втор-
нативный вариант объяснения их при- гаться в атмосферу (рис. 7с). Это еще
роды за счет и высыпания электронов один из возможных механизмов появ-
и позитронов из радиационных поя- ления электронных транзиентов на ма-
сов. Поэтому гипотеза о происхожде- лых высотах.
нии таких электронных транзиентов
на малых высотах в средних и низких Очевидное «присутствие» транзиент-
ных потоков высыпающихся электро-
36 нов в широкой области п ространств а
Земля и Вселенная, 1/2021
(рис. 9) хорошо согласуется с простран- Чтобы детально исследовать воз-
ственной картиной слабых TLE, и по можные механизмы генерации ТЕР,
этому они могут быть рассмотрены мы недавно осуществили специальный
в качестве частиц, вызывающих флуо- эксперимент. Два спутника: «Ломоно-
ресцентные свечения в атмосфере, что сов» на низкой высоте и «Электро‑2»
и наблюдается в эксперименте (рис. 3с). на геостационарной орбите – одновре-
менно регистрировали потоки высы-
Обратимся вновь к данным на рис. 9. пающихся электронов в одной и той же
Определенная доля ТЕР регистрирует- магнитной силовой трубке. Одновре-
ся и в районе внешней границы радиа менно с измерениями на спутниках ев-
ционных поясов и в авроральной обла- ропейские коллеги осуществили запуск
сти. На этих широтах, очевидно, ника- аэростата на высоту около 40 км из Ки-
кой грозовой активности нет. Какова руны (Швеция) с измерительной аппа-
же может быть природа этих электрон- ратурой, также позволяющей регистри-
ных высыпаний? ровать энергичные электроны (рис. 10).
Мы заметили одновременное появле-
Опять-таки, во всем могут быть «ви- ние всплесков электронов и на спутни-
новаты» волны. Но в этой области они ках, и на аэростате, что подтверждает
не связаны с атмосферным электричест картину их высыпания вдоль магнит-
вом – грозы на севере и на юге в авро- ной силовой трубки в атмосферу.
ральной зоне, как правило, не наблю-
даются. Сразу следует отметить, что до Оказалось, что во время наблюдения
конца механизм генерации ТЕР на вы- ТЕР фиксировалась интересная динами-
соких широтах неясен, но представле- ка различных плазменных о бразований
ния о нем есть.
Рис. 10. Эксперимент по синхронным измерениям процесса высыпания энергичных электронов
из радиационных поясов: спутник «Электро‑2» на геостационарной орбите (36 000 км)
регистрировал изменения параметров плазмы, спутник «Ломоносов» на низкой орбите
(600 км) – потоки электронов, а на аэростате, запущенном из Кируны, Швеция – тормозное
излучение высыпающихся электронов (эксперимент BARREL)
«Электро-2» В
36 000 км Высыпающиеся
энергичные
«Ломоносов» Электроны
600 км (ТЕР)
BARREL Кируна
(высота 30 км)
37
Земля и Вселенная, 1/2021
повышенной концентра-
5000 ции холодной плазмы
X-ray (BARREL) с ночной стороны магни-
1000 тосферы во время неболь-
500
шого геомагнитного воз-
15000 мущения (рис. 11).
Именно этот эффект мо-
20:00 00:00 жет быть ответственным за
108 генерацию так называемых
ионно-циклотронных волн,
Иньенсивность, отн. ед. которые и рассеивают элек-
троны радиационных поя-
107 сов (рис. 7b). Так могли поя-
виться ТЕР на высоких ши-
ротах. Вторгаясь в атмосфе-
106 ру, они инициируют, в свою
очередь, транзиентные све-
Плазма («Электро-2») чения в т. ч. и в УФ-диапазо-
Ионы: 40 эВ-11 кэВ
не, известные как дискрет-
105 ные полярные сияния –
очень короткие пульсации
1000 (до мсек) на фоне квазиста-
Энергичные ционарного свечения. Та-
Электроны: кие дискретные авроры на-
100 10–300 кэВ блюдаются и наземными
(«Ломоносов»)
быстрыми фотометрами,
и приборами на спутниках.
10 Полярные сияния – ре-
зультат воздействия на ат-
мосферу в основном элек-
1 тронов с энергией около
10 кэВ. Именно они ответ-
ственны за возбуждение
0,1 3 10 L молекул и атомов воздуха
1 на высотах порядка 100 км
и несколько ниже. Проводя
Рис. 11. Результаты синхронных измерений аналогию со средне- и низ-
в рентгеновском диапазоне (тормозное коширотными TLE, можно предполо-
излучение электронов) на аэростатах над жить, что и последние инициируются
Кируной, Швеция (эксперимент BARRELL), электронами таких же энергий. В этом
плазмы на геостационарной орбите их отличие от более мощных TLE, ко-
(эксперимент на спутнике «Электро‑2») торые связаны с грозовым электриче-
и измерения энергичных электронов ством над континентами и обусловле-
на спутнике «Ломоносов» ны существованием лавин электронов
значительно больших энергий.
в этой области пространства: взаи- Подразумевая возможность альтер-
модействие горячей плазмы из плаз- нативной реализации моделей гене-
менного слоя, набегающей на область рации «снизу-вверх» и «сверху-вниз»,
38 Земля и Вселенная, 1/2021
a b
1580
ADC code 530 ADC code 111555246000
520 11458000
510 11446400
500 11442000
490
480 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6
470 Time, c
460
450 ISS d
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6
Time, c
c 100 0,00
11111111245678312509364 90
Channel 80 0,00
1 2 3 4 5 6 7 8 910111213141516 70
60 0,00 –60 30 90
50
40 –30 60
30 0 30
20
10 –30
Рис. 12. Пример регистрации дискретного полярного сияния. а, b – Временные профили
потока УФ-излучения во время пролета спутника «Ломоносов» над овалом полярного сияния;
с – пиксельная карта события в том же пролете; d – плотность потока низкоэнергичных
электронов, вызывающих полярное сияние. Источник: Klimov P. et al., Remote Sens. 2019, 11, 2449
н ельзя исключить и их совместное воз- убег ающих электронов, а ТЕР «сверху» –
действие на атмосферу на высотах ме- высыпания электронов из радиацион-
зосферы в несколько десятков км. ных поясов под воздействием электро-
В этом случае можно говорить о синер- магнитных низкочастотных волн.
гии их воздействия на область, где ге-
нерируются TLE типа спрайтов, эльвов ТРАНЗИЕНТЫ ПОД ОБЛАКАМИ
и джетов. Лавины убегающих электро-
нов и TEP могут способствовать разви- В рамках такой «симбиозной» моде-
тию электрического пробоя на высотах ли генерации энергичных транзиен-
в десятки км и, как следствие, вызвать тов в гамма- и оптическом диапазонах
свечения азота и кислорода. Нельзя ис- на атмосферных высотах в десятки км,
ключить и прямого воздействия ТЕР на можно попытаться объяснить и появ-
атомы атмосферы посредством, скажем, ление гамма-излучения и на высотах
ударной ионизации. В основе такого со- ниже облачного покрова во время уси-
вместного действия двух механизмов ления грозовой активности.
лежат процессы в нижней атмосфере,
связанные с генерацией атмосферного Эмиссия гамма-излучения с энергия
электричества и молниевого разряда. Но ми до 50 МэВ во время гроз была заре-
пучки электронов «снизу» – это лавины гистрирована в ряде экспериментов
Земля и Вселенная, 1/2021 39
TLE Высыпающиеся
электроны (TEP)
100 км е– Вистлеры
Область (ОНЧ-волны)
электрического е– В
пробоя TGF Молниевые разряды
облако–Земля
50 км FTGE
е–
Межоблачные
молниевые
разряды
5 км
TLE
Рис. 13. Возможный сценарий развития транзиентных электромагнитных явлений
в оптическом (события типа TLE) и гамма-диапазонах (события типа TGF и FTGE), в которых
лавины электронов, генерируемые в районах грозовой активности, а также пучки электронов,
высыпающихся из радиационных поясов, играют ключевую роль
на поверхности Земли и в горах. Дли- гает, как указывалось, десятки минут
тельность таких событий достигает и даже часы. Возрастания интенсивно-
нескольких часов, и они затухают по- сти потоков TGE прерываются и дости-
сле окончания грозы. Гамма-излуче- гают фонового уровня в момент мол-
ние, наблюдающееся на высотах гор ниевого разряда. Более того, было до-
во время усиления грозовых электри- казано, что низкоэнергичная часть
ческих полей, получило название TGE (< 3 МэВ) т. н. TGE обусловлена эмана-
(сокращение от Thunderstorm Ground цией радона (Rn222) из горных пород,
Enhancements, «грозовые наземные продукты распада которого, распро-
возрастания») или гамма-свечения5. страняясь вместе с аэрозольными час
Их происхождение может быть связано тицами или выпадая в виде осадков
с фоновыми электронами от ШАЛ кос- с дождевой водой, создают поля гам-
мических лучей, ускоренных электри- ма-излучения с характерными для про-
ческим полем, но потоками, направ- дуктов распада радона моноэнергети-
ленными вниз, к поверхности Земли. ческими структурами без формирова-
ния самой лавины электронов – ключе-
Однако такие явления не могут быть вого агента энергичных транз иентов6.
отнесены к транзиентным процессам,
которые рассматриваются в данной Для предмета этой статьи интерес-
статье, генетически связанным с са- но появление действительно транзи-
мим молниевым разрядом. В отличие ентных всплесков гамма-излучения на
от последних, их длительность дости-
6 Bogomolov V.V., Iyudin A.F., Maximov I.A.,
5 Chilingarian A.A. et al. Phys. Rev. Panasyuk M.I., and Svertilov S.I. Phys. Rev.
D82043009 (2010). D99.
40 Земля и Вселенная, 1/2021
35 TGE (<3 MэВ)
30
Интенсивность, произв. ед. 25 14:40 15:20 16:00 16:40 17:20 18:00
20
15 FTGE 16:09
10
5 16:04 3–5 МэВ 5–7 МэВ
0
–5 14:30 15:00 15:30 Время, ч 16:30 17:00 17:20 18:00
14:00
1,4
1,2
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0
14:00
Рис. 14. Регистрация быстрого всплеска гамма-излучения (FTGE) с более жестким
энергетическим спектром на фоне более медленного (TGE) на установке на горе Арагац
(3200 м) во время грозовой активности. Компиляция из: Bogomolov V. et al. Phys. Rev. D99
фоне более медленного процесса эмис- Такие выводы хорошо подтвержда-
сий типа TGE. Такие транзиенты име- ются и результатами экспериментов на
ют более жесткий спектр по сравне- установке Telescope Array в США, в ко-
нию с TGE. Именно импульсная карти- торых были зарегистрированы транзи-
на этих явлений, связанная с быстры- ентные (в миллисекундном диапазо-
ми вариациями электрических полей, не) потоки гамма-излучения во время
дает основания объяснять их генера- гроз, связанные с появлением лидера
цией на малых высотах, под облачным молниевого разряда на высоте в не-
покровом, лавин убегающих электро- сколько км. Проведенное моделирова-
нов, направленных к Земле, в отличие ние показало, что они могут быть вы-
от процесса генерации «медленных» званы электронными лавинами элек-
явлений типа TGE. Эти события можно тронов с энергией > 100 эВ. Могут ли
назвать «быстрыми приземными воз- FTGE быть связаны с оптическим из-
растаниями» (Fast Terrestrial Ground лучением? В пользу этого предположе-
Enhancement, FTGE). В рамках рассма- ния свидетельствуют результаты друго-
триваемой модели с участием лавин го эксперимента, проведенного в горах
электронов FTGE это – те же TGF, гене- Тянь-Шаня6. С помощью быстрых, ра-
рируемые на больших высотах, но на- ботающих вплоть до м икросекундного
правленные вниз. диапазона, детекторов электрических
Земля и Вселенная, 1/2021 41
полей, гамма-излучения, а также уль- УГРОЗА ТРАНЗИЕНТОВ?
трафиолета и инфракрасного света
были действительно зарегистрирова- Представляют ли описанные выше
ны оптические вспышки практичес энергичные транзиентные явления
ки одновременно со всплесками гам- в атмосфере Земли какую-либо опас-
ма-квантов (FTGE) и сильных вариаций ность для летательных аппаратов?
электрических полей. Эти результаты Если рассматривать TLE только в пла-
не противоречат модели «лавины убе- не высвобождения световой энергии,
гающих электронов» как инициатора то, несмотря на их огромную энергети-
комплекса транзиентных энергичных ку (энергия излучения в импульсе для
явлений во время грозовой активности. них может достигать сотен мегаджоу
лей), существенной опасности пред-
Дальнейшие эксперименты с быс ставлять они не могут, т. к. ультрафио
трыми гамма- и электронными детек- лет поглощается в достаточно тонком
торами и с большей чувствительнос слое материала. Тем не менее для от-
тью, чем используемые в настоящее крытых сенсоров на борту космических
время, могут подтвердить эти резуль- аппаратов воздействие ультрафиолета
таты и предоставить больше экспери- может стать губительным.
ментальных аргументов в пользу об-
суждаемой модели. В этом случае кар- Другое дело – транзиентные лавины
тина транзиентных явлений в нижней убегающих электронов, которые созда-
и верхней атмосфере типа ТGF, TLE ют радиационные поля нейтронов, гам-
и FTGE найдет объяснение в рамках ма-квантов, электронов и позитронов.
единой модельной концепции.
Рис. 15. Регистрация транзиентных всплесков ультрафиолетового (240–380 нм)
и инфракрасного (610–800 нм) излучений во время быстрых вариаций электрических
полей (слева) и аналогичное оптическое событие (справа), связанное с генерацией гамма-
излучения (FTGE). Измерения на высокогорной станции ФИАН на Тянь-Шане во время грозовой
активности. Адаптировано из статьи: Gurevich A., Garipov G., Almenova A. et al., Atmospheric
Research, 211, 73–84 (2018)
20 июля 2016 г. 315000 26 июля 2016 г.
50 Электрическое поле Инфракрасное
Иньенсивность, произв. ед. k, кВ/м0 310500 Ультрафиолетовое
Иньенсивность, произв. ед.
–50 12 гамма>80 кэВ
800 Инфракрасное 6
8
излучение 4 гамма>330 кэВ
400
8 гамма>950 кэВ
0 46 гамма>1900 кэВ
800 Ультрафиолетовое 3
4
излучение 2 гамма>2400 кэВ
400
4 гамма>3200 кэВ
0 2
Время, ч 4
2 гамма>3800 кэВ
–30 –20 –10 0 10 20 30
Время от начала, X 0,001 с
42 Земля и Вселенная, 1/2021
Оценки радиационных доз, которые окружающей плазмы, в первую очередь,
были сделаны на основе модельных со- за счет воздействия на среду либо лави-
ображений, дают значения, которые ны убегающих электронов, либо пучков,
считаются безопасными для организма высыпающихся из радиационного поя-
человека. Но такие расчеты носят весь- са. Эти факторы должны, к тому же, из-
ма приблизительный характер. Необхо- менить проводимость мезосферы на вы-
димы прямые измерения вблизи «эпи- сотах в десятки километров, что не мо-
центра» события типа TLE или TGF. жет не отразиться и на распространении
радиоволн, а значит, возможны пробле-
Прямые измерения были проведены мы для телекоммуникаций.
американским исследователем Дж. Дай-
ером (J. Dwyer) на самолете вблизи гро- На таких высотах самолеты пока не
зового облака. Они дали относительно летают. Но мы уже видим единичные
небольшие, неопасные величины доз запуски стратосферных летательных
радиации. Но какие дозы могут быть на- аппаратов, и можно быть уверенными,
верху, значительно выше грозовых об- что число их будет расти. Поэтому этот
лаков, где развиваются активные про- фактор природных потенциальных
цессы, связанные с электромагнитными угроз сбрасывать со счета не следует.
транзиентами, пока непонятно.
Транзиентные электромагнитные
Есть еще один, потенциально опас- процессы в атмосфере должны влиять
ный фактор – он связан с электромаг- на ее химический состав. Потоки элек-
нитным излучением, сопровождающим тронов, сопровождающие такие яв-
такие явления как TLE или TGF. В районе ления как TLE, TGF и FTGF, могут вы-
их генерации должны возникать мощ- звать диссоциацию молекул азота и по-
ные флуктуации электрических полей, явление его оксидов – NO, NO2, наря-
обусловленные изменением параметров ду с космическими лучами. Оксиды
Рис. 16. Необычное мощное транзиентное световое явление, наблюдавшееся на спутнике
«Ломоносов» над Средиземным морем в безоблачную погоду (горизонтальный размер
около 80 км, длительность до 150 мксек). Слева – его изображение в фотодетекторе
ультрафиолетового телескопа ТУС; справа – временные профили яркости свечения
в разных пикселях. Источник: P. Klimov et al., Remote Sens. 2019, 11, 2449
2016-06-27 18:15:51Z. TLE. Max = 32736. Frame 001 32768 1200 [10,4]
28672 800 [10,5]
16 24576 600 [10,6]
14 20480 400 [10,7]
12 16384 200
10 12288 150 мксек
8 8192 0 20 60 100 140 180
6 4096
4 0 Time, c
2
2 4 6 8 10 12 14 16
80 км
PMTs
ADC code
Земля и Вселенная, 1/2021 43
Рис. 17. Атмосферное
электричество как
результат взаимодействия
восходящих и нисходящих
потоков воздуха по
М.В. Ломоносову
азота ответственны за образование ний, а также более слабых
озона (О3). Этот процесс может иметь по своей энергетике TLE
компенсирующий эффект на естествен- и, как это подчеркивалось
ную убыль озона в результате воздей- выше, не связанных с гро-
ствия на него солнечного ультрафио зовым электричеством.
лета или антропогенных источников. Эта модель основана на
Транзиенты также могут привести предположении существо-
к изменениям концентрации парнико- вания заряженных облас
вых газов. тей в мезосфере разме-
ром в 10–15 км на высотах 60–70 км
ВМЕСТО ЗАКЛЮЧЕНИЯ при определенных метеорологических
условиях. Эти области отличаются от
Возможные сценарии генерации све- обычных грозовых облаков меньшей
товых транзиентов, описанные выше, плотностью пространственного заря-
в настоящее время не исчерпывают да и меньшим порогом пробоя возду-
новые экспериментальные данные по ха. Модель предсказывает генерацию
их наблюдениям. Свидетельством это- «мезосферных разрядов» длительно-
му являются необычные события TLE, стью в несколько миллисекунд и мощ-
наблюдавшиеся на спутнике «Ломоно- ностью до нескольких мегаджоулей. Ве-
сов» заведомо вдали от областей гро- роятно, можно предположить, что вы-
зовой активности. Их мощность была сыпания электронов типа ТЕР (в рам-
чрезвычайно велика, и пока не удалось ках данной модели) могут играть роль
связать их появление с определенным дополнительного фактора, уменьшаю-
геофизическим или антропогенным щего величину электрического пробоя
явлением. воздуха за счет его ионизации.
Еще одна проблема имеет фунда-
Недавно появилась модель7, кото- ментальный характер и может быть ре-
рая, возможно, приблизит нас к вы- шена в ходе дальнейших эксперимен-
яснению природы подобных явле- тов. Могут ли явления типа TLE быть
связаны единым физическим процес-
7 Surkov V.V. Journal of Atmospheric and сом с TGF? Это вопрос для будущих
Solar–Terrestrial Physics, 210 (2020). исследований. До сих пор экспери-
ментаторы не получили объективных
44 доказательств такой связи. Впрочем,
следует упомянуть недавно опублико-
ванный результат, полученный с помо-
щью прибора ASIM (Atmosphere-Space
Interactions Monitor) на Международ-
ной космической станции. Авторы
показали, что TGF возникает в тече-
ние первоначальной фазы межоблач-
Земля и Вселенная, 1/2021
ного разряда молнии, а TLE типа че и быстрее поднимается вверх. Если
ELVE возникает через 10 мксек после электрическая сила простирается до са-
г амма-всплеска. Однако это результат мой земли, то даже при наличии грозо-
пока единичного синхронного наблю- вой тучи молнии и грома нет; если же
дения этих явлений, и он относится электричество до земли не доходит, то
только к событиям типа ELVE. Необхо- облако передает его земле круто – мол-
димы более детальные исследования. нией и громом». Трансформация меха-
нических движений атмосферных масс
Остается много вопросов и в области в электрическую энергию не подверга-
теоретических моделей. Именно поэ- ется сегодня сомнению.
тому исследования и световых и гам-
ма-транзиентов активно развиваются. Практически одновременно с Ломо-
Пока невозможно дать окончательный носовым американский ученый Бен-
ответ в пользу той или иной модели. джамин Франклин в 1752 г. сделал вы-
Мы находимся на стадии интенсивно- вод о природе молнии как разряда
го исследования этих необычных явле- между облаком и землей.
ний в атмосфере нашей планеты. И ко-
нечный ответ м ожет о тличаться от рас- Уместно вспомнить ранние работы
суждений, приведенных выше. Нобелевского лауреата Чарльза Виль-
сона, который в начале XX в. выдвинул
Что касается самих электрических идею о связи остаточного тока в элек-
полей в атмосфере, то наш великий со- троскопе с ускоренными в электриче-
отечественник Михайло Ломоносов еще ских полях грозовых облаков электро-
в 1753 г. описал механизм их появления нами (чем не «лавина убегающих элек-
в своей речи «Слово о явлениях воздуш- тронов», положенная в основу ряда
ных, от электрической силы происходя- современных моделей!). И хотя эта ин-
щих»: «…восходящие и нисходящие по- терпретация не была применена к обна-
токи, вследствие трения частиц паров руженному им явлению, сама идея че-
друг о друга, могут дать электричество. рез много лет получила свое развития
Грозы бывают чаще в 3–4 часа дня, так в транзиентах типа TGF и TLE, о ткрытых
как именно в это время приземная часть в конце XX века! Таков извилистый путь
атмосферы сильнее всего нагрета и лег- науки.
Физика атмосферы
ФЕНОМЕНОЛОГИЯ АТМОСФЕРНОГО
ЭЛЕКТРИЧЕСТВА
СЫСОЕВ Артем Андреевич,
ИУДИН Дмитрий Игоревич1,
доктор физико-математических наук
Институт прикладной физики РАН
Приволжский исследовательский медицинский университет
DOI: 10.7868/S0044394821010035
В статье представлены основы современных представлений о физике атмосферного
электричества в целом и многообразии форм молниевых разрядов в частности.
Освещаются основные проблемы, методы исследований и прикладная значимость
данной области науки. Кратко обсуждаются возможные причины, отвечающие за
многообразие типов атмосферных разрядов.
ВВЕДЕНИЕ 1 Молния, будучи самым известным
из проявлений атмосферного элек-
Вероятно, молнии на Земле существо- тричества, с незапамятных времен
вали на протяжении большей части будоражила воображение людей. На
ее истории, возникнув примерно три заре человечества красота и вели-
миллиарда лет назад. Возможно так- чие молниевых разрядов без сомне-
же, что именно они сыграли ключевую ния вызывали у наших предков бла-
роль в появлении первых органичес- гоговейный страх. Религиозные ве-
ких молекул, а следовательно, и са- рования всех без исключения древ-
мой жизни. них цивилизаций включали в себя
молнию. Молния является атрибу-
1 Также Национальный исследователь- том древнегреческого Зевса, древне-
ский университет «Высшая школа эко- римского Юпитера, древнеегипетско-
номики» го Сета, древнеиндийского Индры,
46 Земля и Вселенная, 1/2021
The words you are searching are inside this book. To get more targeted content, please make full-text search by clicking here.
2021_01
Discover the best professional documents and content resources in AnyFlip Document Base.
Search