Цивилизация
Ученый из Института прикладной физики РАН сумел объяснить механизм, лежащий в основе структурной асимметрии молнии относительно смены полярности ее электрического тока. Асимметрия электрической полярности является важнейшим аспектом физики молнии, понимание которого необходимо для развития средств защиты инфраструктурных объектов и населения от этого опасного природного явления. Статья опубликована в журнале Atmospheric Research. Исследования поддержаны грантом Российского научного фонда (РНФ).
По статистике в год от грозовых разрядов на Земле гибнет несколько тысяч человек и десятки тысяч получают травмы, что делает молнию вторым по опасности после наводнения природным явлением. Молниевые разряды представляют реальную угрозу не только жизни и здоровью людей, но и штатной работе технических устройств. Последнее особенно актуально в эпоху слаботочной электроники, которая чрезвычайно уязвима к порождаемым молниями индукционным токам. Поэтому основная практическая ценность изучения молниевых разрядов связана с совершенствованием методов молниезащиты.
Структура молниевого разряда представляет собой сеть плазменных каналов положительных и отрицательных лидеров, распространяющихся в противоположных направлениях от точки зарождения молнии. Ранее доминировала симметричная картина развития грозового разряда, которая не учитывала разницу между противоположными концами растущей молнии. Считалось, что скорость роста одинакова на обоих полюсах, и, как следствие, распределение тока однородно, а его значения на концах двунаправленного лидера совпадают. В такой системе точка нулевого заряда чехла лидерного канала — точка реверса — совпадает с точкой инициирования молниевой системы. Однако в природе молния ведет себя не так. Одна из причин хорошо известна: подвижность электронов более чем на два порядка выше подвижности ионов. Электроны оказываются единственным носителем заряда в молнии, и их поведение различается на противоположных концах поляризованной системы. Однако выяснить связь между электрическими процессами на микроскопическом уровне и макромасштабной асимметрией молнии оказалось трудной задачей.
Исследователь из Института прикладной физики РАН (Нижний Новгород) смог доказать, что фундаментальным проявлением асимметрии молнии является смещение ее точки реверса от места зарождения молнии в сторону развития положительного лидера.
«Молнию можно назвать саморазвивающейся транспортной системой. Ее рост связан с высоким значением электрического поля на ее концах. При этом критическая величина поля роста положительных лидеров меньше, чем на отрицательной периферии. Таким образом, молнии легче развиваться в положительном направлении, что и приводит к превышению полного тока на положительной периферии дерева разряда. Именно разница периферийных токов обеспечивает движение точки реверса», — рассказывает Дмитрий Иудин, руководитель проекта по гранту РНФ, доктор физико-математических наук, заведующий кафедрой медицинской физики и информатики Приволжского исследовательского медицинского университета, ведущий научный сотрудник Института прикладной физики РАН.
Понимание асимметричной динамики точки реверса молнии помогает объяснить, почему разряды в землю положительной полярности чаще всего ограничиваются одним ударом, в то время как отрицательные состоят из серии ударов, проходящих по одному каналу. Когда положительный лидер направляется к земле, точка реверса также движется вниз и во время соприкосновения лидера с поверхностью находится на относительно небольшой высоте. В случае отрицательного разряда все наоборот: в момент контакта с землей точка реверса находится высоко в облаке. После достижения лидером земли ионизационная волна обратного удара распространяется вверх и движется к точке реверса. В первом случае время до их «встречи» относительно мало, волна обратного удара несет отрицательный заряд, «захватывает» точку реверса и ускоряет ее движение к земле. В системе устанавливается фаза непрерывного тока, которая сохраняется до тех пор, пока не сравняются между собой потенциалы отрицательного лидера и окружающей его внутриоблачной среды.
Таким образом, положительный разряд приводит к прекращению существования всей молниевой системы сразу. В случае отрицательного волна обратного удара несет на землю положительный заряд, теряет свою силу на многочисленных точках ветвления отрицательного лидера, позднее «захватывает» точку реверса и из последних сил заставляет ее двигаться в обратном направлении, то есть к земле. При таком возвратном движении точки реверса запускается множество событий, среди которых потеря гальванической связи молнии с землей, реинкарнация недавно обесточенных боковых ветвей положительного лидера и запуск нового отрицательного лидера по старому каналу молнии.
Проведенное исследование не только раскрывает тайны физики молнии, но и расширяет горизонты геофизических исследований. Интерес для дальнейшего изучения представляют вопросы асимметричной динамики генераторов глобальной электрической цепи, проблемы плазмохимии канала молнии и перезарядки чехла лидера при движении точки реверса. Кроме того, молнии есть и на других планетах Солнечной системы — их тоже важно изучать.
