Другие статьи

 


 

 

ARE PERYTONS SIGNATURES OF BALL LIGHTING?

 

ПЕРИТОНЫ – ВИЗИТНАЯ КАРТОЧКА ШАРОВЫХ МОЛНИЙ?

 

I. Y. Dodin and N. J. Fisch

 

 

 

 

 

The enigmatic downchirped signals, called “perytons”, that are detected by radio telescopes in the GHz frequency range may be produced by an atmospheric phenomenon known as ball lightning. Although this is still a hypothesis, the parallels between perytons and ball lightning are striking.

 

Загадочные сигналы с убывающей ЛЧМ (со «щебетом»), именуемые «перитонами», время от времени обнаруживаемые радиотелескопами в гигагерцевом диапазоне, могут быть порождены шаровыми молниями. Хотя пока это – гипотеза, параллели, которые можно провести между явлениями перитонов и шаровых молний, поражают.

 

1. introduction

 

In the past several years, a number of unusual isolated signals were recorded with the 64-m Parkes Radio Telescope, Australia, in the frequency range f ~ 1.2-1.5GHz (Burke-Spolaor et al. 2011; Bagchi et al. 2012; Kocz et al. 2012; Burke-Spolaor 2011; Kulkarni et al. 2014). These signals, dubbed “perytons”, exhibit a negative chirp f˙ ~ -1GHz/s and last for hundreds of ms. Also notably, perytons are detected in all or most of the 13 telescope beams, which suggests a large angular size of their sources, and correlate with terrestrial settings such as time of day and weather. Hence perytons are commonly believed to have a terrestrial origin.

 

За последние несколько лет радиотелескопом Parkes в Австралии было зафиксировано некоторое количество изолированных сигналов в диапазоне частот 1.2 – 1.5 ГГц. Эти сигналы, прозванные «перитонами», демонстрируют изменение частоты («щебет») от отрицательного значения, f˙ ~ -1ГГц/сек и длятся сотни миллисекунд. Особенно хорошо перитоны воспринимаются телескопами со светосилой 13 и более, что говорит о большом угловом размере их источников и о зависимости от земных факторов, таких, как время суток и погода. Поэтому часто говорят об их земном происхождении.

 

What could be the sources of these signals? It is not entirely impossible that perytons are due to a man-made radiofrequency (RF) emission. However, this seems unlikely, because perytons cross the band 1.4-1.427 GHz, where terrestrial transmitters are legally forbidden to operate (Cohen et al. 2005), and also exhibit amplitude modulation that, perhaps, excludes hardware failures as their origin (Burke-Spolaor et al. 2011). Thus perytons are more likely to be atmospheric phenomena. Yet, a specific mechanism through which the Earth’s atmosphere produces such RF bursts remains elusive. Although perytons do correlate with weather, they are extremely rare compared to weather fluctuations and not necessarily accompanied by strong wind, rain, or thunderstorms (Bagchi et al. 2012). Perytons are therefore not likely to result from common atmospheric phenomena. Rather, they seem to be emitted by structures, perhaps of decimeter size, that can last for about a second and change their geometry on the same time scale (Katz 2014).

 

Что могло бы быть источником этих сигналов? Нельзя считать совершенно невозможным, что перитоны – результат генерации радиоволн людьми. Однако это маловероятно, так как диапазон их проявления пересекает полосу 1.4-1.427 ГГц, официально запрещенную к использованию; кроме того, они демонстрируют амплитудную модуляцию, что совсем не похоже на следствие ошибок передатчиков. Таким образом, наиболее вероятно, что перитоны – атмосферный феномен. Кроме того, специфический механизм, с помощью которого земная атмосфера генерирует подобные импульсные радиосигналы, остается малоизученным. Не смотря на то, что перитоны коррелируют с погодой, их появление крайне редко совпадает с погодными аномалиями и не всегда сопровождаются сильным ветром, дождем или грозой. Поэтому они не похожи на результат обычных атмосферных явлений. Скорее они похожи на продукт жизнедеятельности структур (возможно, дециметрового размера), излучающих около секунды и меняющих свою геометрию на подобных интервалах времени.

 

This paper will point out that, although exotic, such atmospheric structures are not unheard of; they are, in fact, widely known as the curious and equally puzzling phenomena called ball lightnings (BLs). We hence suggest that perytons are signatures of BLs. Although quantitative data on BLs is scarce, certain parallels between them and perytons are striking, with considerable circumstantial evidence linking these two types of effects.

 

Несмотря на экзотичность, подобные атмосферные объекты давно известны – это необычный и столь же загадочный феномен под названием шаровая молния (ШМ). Мы будем предполагать, что перитоны – это автограф шаровых молний. Хотя объем данных наблюдений за ШМ невелик, четкие параллели между этим явлением и перитонами поразительны, особенно – после подробного рассмотрения связей между этим двумя феноменами.

 

 

 

2. perytons vs bls

Перитоны vs ШМ

 

2.1. Observation patterns

Рассматриваемые свойства

 

First, note that BLs are correlated with weather and time of day (Smirnov 1993) similarly to perytons. In particular, both BLs and perytons are observed primarily around midday. Perytons are also known to occur most likely during rainy weather. This is not exactly typical for BLs, which are more common during thunderstorms rather than just rain. But keep in mind that the observed perytons properties are subject to a selection bias. Specifically, peryton observations were performed with a radio telescope that needs to be stowed during local storms and thus cannot perform measurements when the appearance of BLs is most probable. At the same time, BLs are known to be not entirely restricted to foul weather (Smirnov 1993), just like perytons (Bagchi et al. 2012).

 

Во-первых, отметим, что появление ШМ, как и появление перитонов, связано с погодой и временем суток. В частности, и те, и другие чаще наблюдаются в районе полудня. Также известно, что перитоны больше любят дождливую погоду. То же самое можно сказать и о ШМ, обычно появляющихся скорее при грозе, чем при простом дожде. Однако надо иметь в виду, что наблюдаемые свойства перитонов содержат систематическую ошибку. А именно, данные наблюдения сделаны с помощью радиотелескопов, работа которых прекращается во время гроз и, следовательно, измерения не могут быть проведены в наиболее благоприятных для ШМ условиях. В то же время, ШМ, как и перитоны, не обязательно связаны с плохой погодой.

 

Also note that the presence of large conducting surfaces (and, supposedly, powerful electric transformers) on a radio telescope should significantly increase the probability of the BL appearance in its immediate vicinity (Smirnov 1993). That may explain why perytons are observed in many of the telescope beams simultaneously: the RF signals may actually be produced on-site or nearby, so the angular size of the peryton source is large indeed. Moreover, both perytons and BLs have in common also that they remain rare events even under these favorable conditions.

Надо также отметить, что наличие больших проводящих поверхностей (или, может быть, мощных трансформаторов) в радиотелескопах способно значительно повышать вероятность появления ШМ в непосредственной близости от них. Вероятно, поэтому часто перитоны наблюдаются одновременно при разных световых отверстиях: радиосигналы могут в действительности возникать на месте или по близости, поэтому угловой размер его источника в действительности является большим. Еще одна общая особенность ШМ и перитонов – и те, и другие остаются редко наблюдаемыми явлениями даже при благоприятных условиях.

 

 

2.2. Frequency range

 

Частотный диапазон

 

BLs are commonly (although not unanimously) believed to be accompanied by RF activity in just the frequency range where perytons are observed. Indeed, it has been suggested that a BL can serve as a natural electromagnetic cavity. The lowest eigenmode of such a cavity has frequency

fc c/D,     (1)

where D is the BL diameter, and c is the speed of light. Even if the radiation were well-trapped inside the cavity, one can still expect it to somewhat radiate at frequency fc. Typically, D 20 cm, so fc 1.5GHz, which is close to peryton frequencies.

 

Как правило (хотя не всегда), считается, что появление шаровых молний сопровождается повышенной активностью радиоволн в диапазоне, в котором наблюдаются перитоны. Действительно, ведь таким образом подтверждается представление о ШМ как об электромагнитном резонаторе. Нижнее собственное значение частоты такого резонатора:

 

fc c/D,     (1)

 

где D – диаметр ШМ, c – скорость света. Даже если излучение хорошо изолировано внутри ШМ, что-то все же будет излучаться наружу с частотой fc. Обычно D 20 см, то есть fc 1.5ГГц, что близко к частотам перитонов.

 

What also supports the theory that BLs represent cavity phenomena are measurements of the RF emission generated naturally at thunderstorms. As shown in, the spectral density of this emission (measured at discrete frequencies) increases with frequency at f > ~ 1.0-1.3GHz, in striking contrast with the spectral density in the sub-GHz range, which decreases with f. It was suggested that this GHz radiation may be associated with BLs (Kosarev et al. 1968, 1970). Note also that the signals in individual frequency channels recorded in those studies are similar to the corresponding signals recorded for perytons.

 

Также взгляд на ШМ как на эффект, порожденный резонатором, подтверждают измерения радиоизлучения, возникающего при грозах. Показано, что спектральная плотность такого излучения (измеренная на дискретном наборе частот) возрастает на частотах f > ~ 1.0-1.3ГГц, что контрастирует с ее поведением в субгигагерцевом диапазоне – в этом случае наблюдается уменьшение  спектральной плотности с ростом частоты. Отсюда можно сделать вывод, что такое гигагерцевое излучение можно ассоциировать с ШМ. Заметим также, что сигналы в частотных каналах, записанные при грозах, похожи на соответствующие сигналы, полученные для перитонов.

 

 

2.3. Frequency chirping

 

Щебет

 

The only quantitative observation of a natural BL available today (Cen et al. 2014) shows that the BL size can evolve significantly on a fraction of a second. During the quasistationary phase of the BL, this size, in fact, increased at the rate D' / D 0.5 s−1. The value of D itself cannot be inferred directly from the observations in (Cen et al. 2014), which were performed from a large distance (0.9 km) and, as the authors pointed out, gave only the “apparent” diameter (in the several-meter range) rather than the actual diameter of the BL. But if one estimates D to be 20 cm, as usual, this leads to f˙BL −0.75GHz/s. Again, this value is consistent with what is seen for perytons.

 

Единственное измерение природной ШМ, известное сегодня (Cen и другие, 2014), показывает, что размер ШМ может сильно изменяться за доли секунды. ШМ в квазистационарной фазе меняет свой диаметр с темпом D' / D 0.5 сек-1. Истинное значение D не могло быть распознано непосредственно с помощью наблюдений (Cen и другие, 2014), проведенных с большого расстояния (0.9 км) и, как указывают авторы, фиксировался лишь «видимый» диаметр (в диапазоне нескольких метров), отличающийся от реального. Но если считать D равным 20 см, как обычно, то мы получим f˙шм ~ −0.75 ГГц/сек. И снова мы получаем значение, характерное для перитонов.

 

But can the expanding-BL model explain the characteristic shape of f(t) observed for perytons? To answer this, a brief excursion into the history of peryton studies is needed. Originally, perytons were discovered during an archival data survey (Burke-Spolaor et al. 2011) inspired by the discovery of the so-called Lorimer burst (LB), a similarly-shaped chirped GHz signal reported in (Lorimer et al. 2007). As opposed to perytons, the LB was observed in only three beams of the Parkes telescope and thus was identified as a signature of a distant, extraterrestrial event associated with a few-ms RF emission. Such an RF signal undergoes dispersive spreading when propagating in space plasma. Specifically, its instantaneous frequency, as detected after time t at a given distance ℓ from the source, satisfies (Katz 2014)

 

[f -2(t)] = C(l),         (2)

 

where the time-independent C(ℓ) is determined by the plasma density integrated along the signal trajectory (also known as the “dispersion measure”). Choosing the value of C(ℓ) to fit the observations places the LB origin outside our galaxy. This motivated the search for other signals that would be similar to the LB, and, through that, perytons were discovered accidentally.

 

Но дает ли модель «дышащей ШМ» такой же вид f(t), который мы наблюдаем у перитонов? Чтобы ответить на этот вопрос, необходим небольшой экскурс в историю наблюдения за перитонами. Первоначально перитоны исследовались при изучении архивных данных, проводимом для выявления быстрых импульсов Лоримера, также имеющих вид гигагерцевого «щебета». В отличие от перитонов, импульсы Лоримера наблюдались только при световых отверстиях радиотелескопа Parkes до трех единиц и, таким образом, были идентифицированы как сигналы от удаленного внеземного события, посылающего радиоимпульсы длительностью в несколько миллисекунд. Подобные радиосигналы, проходя через космическую плазму, приобретают свойство дисперсного распространения. А именно, их мгновенная частота, измеренная через время t на расстоянии l от источника, удовлетворяет

 

[f -2(t)] = C(l),         (2)

 

где независимая от времени функция C(l) определяется плотностью плазмы, суммированной по траектории прохождения сигнала (известной как «мера рассеивания»). Подобрав значение C(l), соответствующее наблюдениям, исследователи определили, что их источник находится вне нашей галактики. Это подвигло к поиску других сигналов, похожих на импульсы Лоримера; таким образом, перитоны были обнаружены случайно.

 

But do we know for sure that all perytons, whatever they are, satisfy Eq. (2)? Certainly not. First of all, the very procedure of automatically searching for perytons in archival data introduced a selection bias; e.g., signals corresponding to vanishingly small C and others that were not similar enough to the LB were simply ignored. (One may find this ironic, considering that the similarity between perytons and the LB was later hypothesized to be accidental.) Therefore, Eq. (2) may, in fact, reflect properties of the selection algorithm rather than an objective pattern determined by a specific physical effect. Second, even among those perytons that were identified as such, there are some that do not quite satisfy Eq. (2). That includes, for example, Peryton 06 in (Burke-Spolaor et al. 2011) and also some of the more recent observations of peryton-like signals at Bleien Observatory, Switzerland (Saint-Hilaire et al. 2014). This is particularly notable considering that surveys of GHz bursts cover only a narrow frequency band (f/f . 0.25), thus leaving a lot of freedom for fitting.

 

Но знаем ли мы наверняка, что все перитоны удовлетворяют уравнению (2)? Конечно, нет. Во-первых, сама процедура автоматического поиска перитонов в архивных данных содержит систематическую ошибку; например, в случае сигнала, соответствующего исчезающе малой C и в других случаях, которые для импульсов Лоримера просто игнорируются. (Будет смешно, если сходство между перитонами и импульсами Лоримера будет признано случайным.) Поэтому уравнение (2) может, в сущности, отражать свойства алгоритма отбора, а не модель физического эффекта. Во-вторых, даже среди сигналов, распознанных как перитоны, встречаются н вполне удовлетворяющие уравнению (2). Например, Peryton 06 (Burke-Spolaor и др., 2011) и еще несколько недавних наблюдений перитоноподобных сигналов в обсерватории Bleien, Швейцария (Saint-Hilaire и др. 2014). Примечательно также, что при рассмотрении гигагерцевых импульсов используются только узкие полосы частот (∆f/f < ~ 0.25); таким образом, теряется свобода подбора.

 

In summary then, we may not actually have enough evidence to conclude whether the frequency of perytons, whatever those are, follows a power scaling like Eq. (2) or, for that matter, any other universal scaling. In this sense, the model of a BL as a nonstationary electromagnetic cavity seems to be generally consistent with the peryton frequency chirps that are observed.

 

В заключение отметим, что пока нельзя точно сказать, удовлетворяют ли частоты перитонов уравнению (2) или, если на то пошло, какому-то другому универсальному закону. В этом смысле, модель шаровой молнии как нестационарного электромагнитного резонатора, выглядит наиболее подходящей для наблюдаемого «щебета» перитонов.

 

 

2.4. RF emission mechanism

 

Механизм излучения радиоволн

 

But can this model explain also how the RF energy is produced or confined long enough within the BL cavity? The existing RF models of BL (Kapitsa 1955; Watson 1960; Tonks 1960; Silberg 1961; Dawson & Jones 1969; Jennison 1973; Endean 1976; Muldrew 1990; Zheng 1990; Wessel-Berg 2003) are too sketchy to answer this question, so it may be premature to speculate on specifics. On the other hand, there is a growing experimental and theoretical evidence that most of the BL energy may be accumulated in a non-RF form, namely, in the form of internal molecular excitations or chemical energy (Paiva et al. 2007; Dikhtyar & Jerby 2006; Alexeff et al. 2004; Bychkov 2002; Abrahamson & Dinniss 2000; Brandenburg & Kline 1998; Zhil’tsov et al. 1995; Golka 1994; Ohtsuki & Ofuruton 1991). Thus, a hybrid mechanism may be in effect, such that the RF power does not produce a BL but is generated as a byproduct through a “plasma maser” mechanism akin to that in (Handel & Leitner 1994). Specifically, this could work as follows.

 

Может ли наша модель объяснить, как генерируется энергия радиосигналов и как она сохраняется достаточно долго внутри ШМ? Существующие модели ШМ (Kapitsa 1955; Watson 1960; Tonks 1960; Silberg 1961; Dawson & Jones 1969; Jennison 1973; Endean 1976; Muldrew 1990; Zheng 1990; Wessel-Berg 2003) слишком лаконично отвечают на этот вопрос, что обсуждать на их базе детали преждевременно. С другой стороны, рост теоретической и экспериментальной базы становится очевидным, что большая часть энергии ШМ может быть сосредоточена не в виде радиоволн, а в виде внутреннего молекулярного возбуждения или химической энергии (Paiva et al. 2007; Dikhtyar & Jerby 2006; Alexeff et al. 2004; Bychkov 2002; Abrahamson & Dinniss 2000; Brandenburg & Kline 1998; Zhiltsov et al. 1995; Golka 1994; Ohtsuki & Ofuruton 1991). Таким образом, может иметь место гибридный механизм, заключающийся в том, что энергия радиоволн не формирует ШМ, а является побочным продуктом механизма плазменного мазера, как в работе (Handel & Leitner 1994). А именно, все это может работать следующим образом.

 

 

(Переведено не до конца)

 

 

 

ЧИТАТЬ СТАТЬЮ ПОЛНОСТЬЮ