Российские физики создали в лаборатории миниатюрные голубые струи и красные спрайты
Сотрудники Института сильноточной электроники СО РАН описали открытое и воспроизведенное ими в лабораторных условиях явление апокампа — формирование голубых и красных струй плазмы, возникающих на изгибе канала импульсно-периодического электрического разряда в различных газах. Открытое явление можно использовать для исследования голубых струй (джетов) и красных спрайтов — световых явлений, наблюдаемых в верхних слоях атмосферы на высотах в десятки километров и образующихся естественным путем над областями с грозовой активностью. Подробнее результаты исследований ученых описаны в журналах Physics of Plasmas и «Письма в ЖЭТФ», а также в книге из серии Horizons in World Physics. Исследование диффузных разрядов атмосферного давления и их применений было поддержано Российским научным фондом (РНФ).
Новое явление ученые впервые наблюдали во время экспериментов по созданию диффузной плазмы атмосферного давления, проводимых в рамках проекта РНФ. Было замечено, что перпендикулярно к середине канала разряда появлялись струи плазмы. Повторив эксперименты, ученые установили место, в котором возникает струя — область изгиба плазменного канала, и явление получило название апокампа от греческих слов από — «от» и κάμπη — «изгиб».
Для возникновения апокампа нужны два электрода и импульсно-периодический генератор, формирующий импульсы высокого напряжения. На электроды подается напряжение. При этом канал электрического разряда должен изгибаться, например, за счет наклона электродов. Плазменная струя формируется от места этого изгиба. Апокамп появляется с бóльшей вероятностью, если в используемом газе или смеси газов есть электроотрицательные компоненты, такие как кислород.
Плазма апокампа состоит из двух частей: отростка, который одной стороной контактирует с каналом импульсно-периодического разряда, и струи — стримера, фронт которого движется со скоростью 100-220 километров в секунду. Температура плазмы апокампа в разных его частях колеблется от 100 °С до 1300 °С.
Открытое явление можно использовать для исследования голубых струй (джетов) и красных спрайтов — световых явлений, наблюдаемых в верхних слоях атмосферы на высотах в десятки километров и образующихся естественным путем над областями с грозовой активностью. Интерес к их изучению существенно возрос в последние годы благодаря появлению все более совершенных технических средств наблюдения: как космических станций, так и специальных самолетов-лабораторий.
Эксперименты, проведенные в лаборатории оптических излучений Института сильноточной электроники (ИСЭ) СО РАН, показали, что многие свойства голубых джетов и красных спрайтов совпадают со свойствами апокампов при соответствующих давлениях. Так, фронты голубой струи и апокампа движутся с одинаковой скоростью, а спектральные характеристики голубых струй и красных спрайтов совпадают со спектральными характеристиками апокампа. Кроме того, апокампы, голубые струи и красные спрайты схожи по цвету и форме. Например, голубые струи также состоят из двух частей. Нижняя, примыкающая к грозовому облаку, имеет, как и отросток в апокампе, белый цвет. Верхняя часть имеет форму голубой струи и является стримером.
«Так как высотные атмосферные разряды изучать очень сложно и эти работы связаны с большими материальными затратами, благодаря открытию режима разряда с апокампом часть этих исследований можно проводить в лабораториях, создавая миниатюрные голубые струи и красные спрайты. Это значительно проще, чем в естественных условиях», ‒ добавил один из авторов работы, руководитель гранта и лаборатории оптических излучений ИСЭ Виктор Тарасенко.
