Том 37, номер 04, статья № 5

Аннотация:

Исследуется свечение плазменных диффузных струй (ПДС), которые позволяют моделировать в атмосферном воздухе низкого давления некоторые свойства красных спрайтов – импульсных разрядов, наблюдаемых в верхних слоях атмосферы Земли на высотах 40–100 км. ПДС инициировались плазмой импульсно-периодического емкостного разряда, создаваемой в кварцевой трубке между двумя внешними электродами, и распространялись одновременно в противоположные стороны. Для формирования ПДС, которые двигались навстречу друг другу, использовались две пары кольцевых электродов, установленных на расстоянии 66 см. При подаче от генераторов на каждую пару кольцевых электродов однополярных импульсов напряжения с задержкой в сотни наносекунд было обнаружено появление ярких областей (ЯО) свечения, подобных наблюдаемым в нижней области «столбчатых» спрайтов. Установлено, что при напряжении генераторов 7 кВ оптимальным для появления ЯО является давление воздуха 1–2 торр. Показано, что ЯО возникают благодаря взаимодействию стримеров, из которых состоят ПДС. Измерена скорость распространения фронта ПДС при положительной полярности импульсов напряжения, подаваемых на кольцевые электроды. Получены фотографии и спектры излучения ПДС, а также ЯО в ПДС. С помощью программы SPECAIR проведены расчеты параметров плазмы в разных областях ПДС. Установлено, что в области появления ЯО среднее значение температуры электронов уменьшается. Полученные результаты будут полезны при изучении свойств красных спрайтов.

Ключевые слова:

плазменные диффузные струи, разряд в воздухе низкого давления, взаимодействие стримеров, яркие области свечения, спектры излучения

Иллюстрации:

Список литературы:

1. Xu C., Qie X., Sun Z., Yang J., Zhang H., Chen A.B.C. Transient luminous events and their relationship to lightning strokes over the Tibetan Plateau and its comparison regions // J. Geophys. Res.: Atmos. 2023. V. 128. P. e2022JD037292. DOI: 10.1029/2022JD037292.
2. Kuo C.-L., Huang T.-Y., Hsu C.-M., Sato M., Lee L.-C., Lin N.-H. Resolving elve, halo and sprite halo images at 10,000 Fps in the Taiwan 2020 campaign // Atmosphere. 2021. V. 12, N 8. P. 1000. DOI: 10.3390/atmos12081000.
3. Huang A., Lu G., Yue J., Lyons W., Lucena F., Lyu F., Cummer S.A., Zhang W., Xu L., Xue X., Xu S. Observations of red sprites above Hurricane Matthew // Geophys. Res. Lett. 2018. V. 45. P. 13. DOI: 10.1029/2018GL079576.
4. Pasko V.P., Yair Y., Kuo C.L. Lightning related transient luminous events at high altitude in the Earth’s atmosphere: Phenomenology, mechanisms and effects // Space Sci. Rev. 2012. V. 168, N 1. P. 475–516. DOI: 10.1007/s11214-011-9813-9.
5. Stenbaek-Nielsen H.C., Haaland R., McHarg M.G., Hensley B.A., Kanmae T. Sprite initiation altitude measured by triangulation // J. Geophys. Res.: Space Phys. 2010. V. 115, N A8. P. A00E12. DOI: 10.1029/2009JA014850.
6. Jehl A., Farges T., Blanc E. Color pictures of sprites from non-dedicated observation on board the International Space Station // J. Geophys. Res.: Space Phys. 2013. V. 118. P. 454–461. DOI: 10.1029/2012JA018144.
7. Pasko V.P., Qin J., Celestin S. Toward better understanding of sprite streamers: Initiation, morphology, and polarity asymmetry // Surv. Geophys. 2013. V. 34, N 6. P. 797–830. DOI: 10.1007/s10712-013-9246-y.
8. Qin J., Celestin S., Pasko V.P., Cummer S.A., McHarg M.G., Stenbaek-Nielsen H.C. Mechanism of column and carrot sprites derived from optical and radio observations // Geophys. Res. Lett. 2013. V. 40, N 17. P. 4777–4782. DOI: 10.1002/grl.50910.
9. Kanmae T., Stenbaek-Nielsen H.C., McHarg M.G., Haaland R.K. Diameter-speed relation of sprite streamers // J. Phys. D: Appl. Phys. 2012. V. 45, N 27. P. 275203. DOI: 10.1088/0022-3727/45/27/275203.
10. Malagon-Romero A., Teunissen J., Stenbaek-Nielsen H.C., McHarg M.G., Ebert U., Luque A. On the emergence mechanism of carrot sprites // Geophys. Res. Lett. 2020. V. 47. P. e2019GL085776. DOI: 10.1029/2019GL085776.
11. Singh M., Sharma P.K., Pathak P.P. Radiation phenomenon due to streamers of sprites // J. Electromag. Anal. Appl. 2022. V. 14, N 3. P. 31–37. DOI: 10.4236/jemaa.2022.143003.
12. Tarasenko V., Vinogradov N., Baksht E., Sorokin D. Ionization waves, propagating in opposite directions, as in red sprites // J. Atmos. Sci. Res. 2022. V. 5, N 4. P. 26–36. DOI: 10.24018/ejgeo.2022.3.6.322.
13. Бакшт Е.Х., Виноградов Н.П., Тарасенко В.Ф. Формирование стримеров в неоднородном электрическом поле при низких давлениях воздуха // Оптика атмосф. и океана. 2022. Т. 35. № 9. С. 777–781; Baksht E.K., Vinogradov N.P., Tarasenko V.F. Generation of streamers in an inhomogeneous electric field under low air pressure // Atmos. Ocean. Opt. 2022. V. 35, N S1. P. S159–S164. DOI: 10.1134/S1024856023010025.
14. Тарасенко В.Ф., Бакшт Е.Х., Панарин В.А., Виноградов Н.П. Стримеры, инициируемые емкостным разрядом при давлениях воздуха 0,2–6 торр // Физика плазмы. 2023. Т. 49, № 6. С. 590–599. DOI: 10.31857/S0367292123700245, EDN: WYLTGE.
15. Sorokin D.A., Tarasenko V.F., Baksht E.K., Vinogradov N.P. Analogs of columnar sprites initiated in low-pressure air and nitrogen // Phys. Plasmas. 2023. V. 30. P. 083515. DOI: 10.1063/5.0153509.
16. Luque A., Stenbaek-Nielsen H.C., McHarg M.G., Haaland R.K. Sprite beads and glows arising from the attachment instability in streamer channels // J. Geophys. Res.: Space Phys. 2016. V. 121. P. 2431–2449. DOI: 10.1002/2015JA022234.
17. Stenbaek-Nielsen H.C., McHarg M.G., Haaland R., Luque A. Optical spectra of small-scale sprite features observed at 10.000 fps // J. Geophys. Res.: Atmos. 2020. V. 125. P. e2020JD033170. DOI: 10.1029/2020JD033170.
18. Robledo-Martinez A., Garcia-Villarreal A., Sobral H. Comparison between low-pressure laboratory discharges and atmospheric sprites // J. Geophys. Res.: Space Phys. 2017. V. 122. P. 948–962. DOI: 10.1002/2016JA023519.
19. Goto Y., Ohba Y., Narita K. Optical and spectral characteristics of low pressure air discharges as sprite models // J. Atmos. Electr. 2007. V. 27, N 2. P. 105–112. DOI: 10.1541/jae.27.105.
20. Соснин Э.А., Бабаева Н.Ю., Кожевников В.Ю., Козырев А.В., Найдис Г.В., Панарин В.А., Скакун В.С., Тарасенко В.Ф. Моделирование транзиентных световых явлений средней атмосферы Земли c помощью апокампического разряда // Успехи физ. наук. 2021. Т. 191, № 2. С. 199–219. DOI: 10.3367/UFNr.2020.03.038735.
21. Kanmae T., Stenbaek-Nielsen H.C., McHarg M.G., Haaland R.K. Observation of blue sprite spectra at 10,000 fps // Geophys. Res. Lett. 2010. V. 37. P. L13808. DOI: 10.1029/2010GL043739.
22. Shishpanov A.I., Ivanov D.O., Kalinin S.A. Collision of ionization waves in long discharge tubes // Plasma Res. Express. 2019. V. 1. P. 025004. DOI: 10.1088/2516-1067/ab1b8d.
23. Britun N., Gaillard M., Ricard A., Kim Y.M., Kim K.S., Han J.G. Determination of the vibrational, rotational and electron temperatures in N₂ and Ar–N₂ RF discharge // J. Phys. D: Appl. Phys. 2007. V. 40. P. 1022–1029. DOI: 10.1088/0022-3727/40/4/016.
24. Paris P., Aints M., Valk F., Plank T., Haljaste A., Kozlov K.V., Wagner H.-E. Intensity ratio of spectral bands of nitrogen as a measure of electric field strength in plasmas // J. Phys. D: Appl. Phys. 2005. V. 38. P. 3894–3899. DOI: 10.1088/0022-3727/38/ 21/010.
25. Laux C.O. Radiation and Nonequilibrium Collisional-Radiative Models, Physico-Chemical of High Enthalpy and Plasma Flows. Belgium: von Karman Institute Lecture, 2002.
26. Starikovskaia S.M., Anikin N.B., Pancheshnyi S.V., Starikovskii A.Yu. Time-resolved emission spectroscopy and its applications to the study of pulsed nanosecond high-voltage discharges // Proc. SPIE. V. 2002. N 4460. P. 63–72. DOI:10.1117/12.459416.
1. Xu C., Qie X., Sun Z., Yang J., Zhang H., Chen A.B.C. Transient luminous events and their relationship to lightning strokes over the Tibetan Plateau and its comparison regions // J. Geophys. Res.: Atmos. 2023. V. 128. P. e2022JD037292. DOI: 10.1029/2022JD037292.
2. Kuo C.-L., Huang T.-Y., Hsu C.-M., Sato M., Lee L.-C., Lin N.-H. Resolving elve, halo and sprite halo images at 10,000 Fps in the Taiwan 2020 campaign // Atmosphere. 2021. V. 12, N 8. P. 1000. DOI: 10.3390/atmos12081000.
3. Huang A., Lu G., Yue J., Lyons W., Lucena F., Lyu F., Cummer S.A., Zhang W., Xu L., Xue X., Xu S. Observations of red sprites above Hurricane Matthew // Geophys. Res. Lett. 2018. V. 45. P. 13. DOI: 10.1029/2018GL079576.
4. Pasko V.P., Yair Y., Kuo C.L. Lightning related transient luminous events at high altitude in the Earth’s atmosphere: Phenomenology, mechanisms and effects // Space Sci. Rev. 2012. V. 168, N 1. P. 475–516. DOI: 10.1007/s11214-011-9813-9.
5. Stenbaek-Nielsen H.C., Haaland R., McHarg M.G., Hensley B.A., Kanmae T. Sprite initiation altitude measured by triangulation // J. Geophys. Res.: Space Phys. 2010. V. 115, N A8. P. A00E12. DOI: 10.1029/2009JA014850.
6. Jehl A., Farges T., Blanc E. Color pictures of sprites from non-dedicated observation on board the International Space Station // J. Geophys. Res.: Space Phys. 2013. V. 118. P. 454–461. DOI: 10.1029/2012JA018144.
7. Pasko V.P., Qin J., Celestin S. Toward better understanding of sprite streamers: Initiation, morphology, and polarity asymmetry // Surv. Geophys. 2013. V. 34, N 6. P. 797–830. DOI: 10.1007/s10712-013-9246-y.
8. Qin J., Celestin S., Pasko V.P., Cummer S.A., McHarg M.G., Stenbaek-Nielsen H.C. Mechanism of column and carrot sprites derived from optical and radio observations // Geophys. Res. Lett. 2013. V. 40, N 17. P. 4777–4782. DOI: 10.1002/grl.50910.
9. Kanmae T., Stenbaek-Nielsen H.C., McHarg M.G., Haaland R.K. Diameter-speed relation of sprite streamers // J. Phys. D: Appl. Phys. 2012. V. 45, N 27. P. 275203. DOI: 10.1088/0022-3727/45/27/275203.
10. Malagon-Romero A., Teunissen J., Stenbaek-Nielsen H.C., McHarg M.G., Ebert U., Luque A. On the emergence mechanism of carrot sprites // Geophys. Res. Lett. 2020. V. 47. P. e2019GL085776. DOI: 10.1029/2019GL085776.
11. Singh M., Sharma P.K., Pathak P.P. Radiation phenomenon due to streamers of sprites // J. Electromag. Anal. Appl. 2022. V. 14, N 3. P. 31–37. DOI: 10.4236/jemaa.2022.143003.
12. Tarasenko V., Vinogradov N., Baksht E., Sorokin D. Ionization waves, propagating in opposite directions, as in red sprites // J. Atmos. Sci. Res. 2022. V. 5, N 4. P. 26–36. DOI: 10.24018/ejgeo.2022.3.6.322.
13. Baksht E.Kh., Vinogradov N.P., Tarasenko V.F. Formirovanie strimerov v neodnorodnom elektricheskom pole pri nizkikh davleniyakh vozdukha // Optika atmosf. i okeana. 2022. V. 35. N 9. P. 777–781; Baksht E.K., Vinogradov N.P., Tarasenko V.F. Generation of streamers in an inhomogeneous electric field under low air pressure // Atmos. Ocean. Opt. 2022. V. 35, N S1. P. S159–S164. DOI: 10.1134/S1024856023010025.
14. Tarasenko V.F., Baksht E.Kh., Panarin V.A., Vinogradov N.P. Strimery, initsiiruemye emkostnym razryadom pri davleniyakh vozdukha 0,2–6 torr // Fizika plazmy. 2023. V. 49, N 6. P. 590–599. DOI: 10.31857/S0367292123700245, EDN: WYLTGE.
15. Sorokin D.A., Tarasenko V.F., Baksht E.K., Vinogradov N.P. Analogs of columnar sprites initiated in low-pressure air and nitrogen // Phys. Plasmas. 2023. V. 30. P. 083515. DOI: 10.1063/5.0153509.
16. Luque A., Stenbaek-Nielsen H.C., McHarg M.G., Haaland R.K. Sprite beads and glows arising from the attachment instability in streamer channels // J. Geophys. Res.: Space Phys. 2016. V. 121. P. 2431–2449. DOI: 10.1002/2015JA022234.
17. Stenbaek-Nielsen H.C., McHarg M.G., Haaland R., Luque A. Optical spectra of small-scale sprite features observed at 10.000 fps // J. Geophys. Res.: Atmos. 2020. V. 125. P. e2020JD033170. DOI: 10.1029/2020JD033170.
18. Robledo-Martinez A., Garcia-Villarreal A., Sobral H. Comparison between low-pressure laboratory discharges and atmospheric sprites // J. Geophys. Res.: Space Phys. 2017. V. 122. P. 948–962. DOI: 10.1002/2016JA023519.
19. Goto Y., Ohba Y., Narita K. Optical and spectral characteristics of low pressure air discharges as sprite models // J. Atmos. Electr. 2007. V. 27, N 2. P. 105–112. DOI: 10.1541/jae.27.105.
20. Sosnin E.A., Babaeva N.YU., Kozhevnikov V.Yu., Kozyrev A.V., Naidis G.V., Panarin V.A., Skakun V.S., Tarasenko V.F. Modelirovanie tranzientnykh svetovykh yavlenii srednei atmosfery Zemli c pomoshch'yu apokampicheskogo razryada // Uspekhi fiz. nauk. 2021. V. 191, N 2. P. 199–219. DOI: 10.3367/UFNr.2020.03.038735.
21. Kanmae T., Stenbaek-Nielsen H.C., McHarg M.G., Haaland R.K. Observation of blue sprite spectra at 10,000 fps // Geophys. Res. Lett. 2010. V. 37. P. L13808. DOI: 10.1029/2010GL043739.
22. Shishpanov A.I., Ivanov D.O., Kalinin S.A. Collision of ionization waves in long discharge tubes // Plasma Res. Express. 2019. V. 1. P. 025004. DOI: 10.1088/2516-1067/ab1b8d.
23. Britun N., Gaillard M., Ricard A., Kim Y.M., Kim K.S., Han J.G. Determination of the vibrational, rotational and electron temperatures in N₂ and Ar–N₂ RF discharge // J. Phys. D: Appl. Phys. 2007. V. 40. P. 1022–1029. DOI: 10.1088/0022-3727/40/4/016.
24. Paris P., Aints M., Valk F., Plank T., Haljaste A., Kozlov K.V., Wagner H.-E. Intensity ratio of spectral bands of nitrogen as a measure of electric field strength in plasmas // J. Phys. D: Appl. Phys. 2005. V. 38. P. 3894–3899. DOI: 10.1088/0022-3727/38/ 21/010.
25. Laux C.O. Radiation and Nonequilibrium Collisional-Radiative Models, Physico-Chemical of High Enthalpy and Plasma Flows. Belgium: von Karman Institute Lecture, 2002.
26. Starikovskaia S.M., Anikin N.B., Pancheshnyi S.V., Starikovskii A.Yu. Time-resolved emission spectroscopy and its applications to the study of pulsed nanosecond high-voltage discharges // Proc. SPIE. V. 2002. N 4460. P. 63–72. DOI:10.1117/12.459416.