Цивилизация
Сотрудники Института прикладной физики Российской академии наук впервые детально смоделировали возникновение не видимых невооруженным глазом скачков (ступеней) и ветвлений приближающейся к земле молнии. Новая модель позволит лучше понять природу распространения молниевых разрядов, что крайне важно для развития методов молниезащиты. Статья опубликована в журнале Journal of Geophysical Research: Atmospheres. Исследования поддержаны грантом Российского научного фонда (РНФ).
Молния — мощный электрический разряд между облаком и землей (или положительно и отрицательно заряженными частями облака), которые на десятые доли секунды становятся природными аналогами электродов. Основной ущерб от молниевых разрядов связан с нарушением работы электрических сетей. Например, в 2011 году взрыв трансформатора в результате удара молнии в Ирландии стал причиной серьезного сбоя работы дата-центров компаний Microsoft и Amazon. Особенно опасны молнии, ударяющие в склады горючих материалов, и зачастую дело не ограничивается только экономическим ущербом. Так, например, широко известен случай, когда в Люксембурге в 1807 году ударившая в оружейный склад молния стала причиной возгорания бочек с порохом. В результате взрыва и пожаров было разрушено два квартала города, а сотни людей погибли.
Согласно недавней работе авторского коллектива, выполненной в рамках того же гранта РНФ, зарождение молнии в облаке начинается со столкновений гидрометеоров (жидких и твердых водяных частиц), создающих основу для возникновения сперва холодных, слабо проводящих искровых пробоев (так называемых стримеров), а затем и горячего, хорошо проводящего плазменного канала.
Результирующий канал называют лидером молнии, так как именно он прокладывает канал для основного разряда, сопровождающегося большим током, яркой вспышкой света и громом — это главная стадия молнии, называемая также возвратным ударом. Лидер может быть положительным или отрицательным в зависимости от знака заряда «электрода», с которого он стартует. В модели рассматривается наиболее практически значимый случай нисходящего отрицательного лидера молнии. Известно, что из всех достигающих земли молниевых разрядов примерно 90% имеет именно отрицательную полярность.
С 1930-х годов, когда начались первые оптические наблюдения молнии, стало известно, что отрицательные лидеры молнии, в отличие от непрерывно растущих положительных, всегда распространяются скачкообразно (сами скачки достигают десятков метров), резко увеличивая свою длину в моменты образования новых ступеней. Сегодня опубликовано множество исследований, посвященных высокоскоростной съемке отрицательных лидеров молнии, но природа появления его ступеней до сих пор оставалась непонятной. Особый интерес вызывал почти мистический процесс формирования так называемых пространственных лидеров — каналов, отделенных от основного разрядного древа. Они прорастают навстречу основному лидеру и, срастаясь с ним, дают новые ступени.
Физики из ИПФ РАН (Нижний Новгород) разработали численную модель, которая позволила объяснить, почему отрицательный лидер молнии распространяется ступенчато. С ее помощью ученые впервые воспроизвели полный цикл формирования его ступени. Дело в том, что для устойчивого роста разряда отрицательной полярности требуется электрическое поле примерно вдвое больше, чем для положительного. Из-за этого отрицательному лидеру проще «подождать», пока навстречу ему не прорастет положительная часть пространственного лидера, способного развиваться при меньших полях. В момент слияния двух каналов образуется новая ступень, удлиняющая канал отрицательного лидера. Если пространственных лидеров было несколько, канал отрицательного лидера начинает ветвиться. Образование каждой новой ступени заканчивается мощной вспышкой короны отрицательных стримеров, растущих из новообразованной головки отрицательного лидера. В процессе вспышки короны отрицательного лидера перед его головкой отрицательный заряд распределяется неоднородно. Расчеты показали, что возникновение пространственных лидеров вызвано усилением электрического поля, происходящим под влиянием этого распределения. Таким образом, процесс формирования ступени образует замкнутый цикл.
«Кроме чисто научного интереса, результаты работы критически важны для совершенствования методов молниезащиты. Наша модель впервые позволила детально воспроизвести процесс формирования чехла заряда вокруг лидерного канала, знание структуры которого критически важно на главной стадии развития молнии, начинающейся после контакта ее канала с землей. Дело в том, что представляющий особую опасность импульс тока возвратного удара, амплитуда которого может составлять десятки и сотни тысяч ампер, связан именно с разрядкой чехла канала молнии, происходящей за счет стекания сосредоточенного в нем заряда в землю», — комментирует Дмитрий Иудин, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник ИПФ РАН и заведующий кафедрой медицинской физики и информатики ПИМУ.
