В лаборатории получены аналоги загадочных атмосферных разрядов

Ученые описали открытое и воспроизведенное ими в лабораторных условиях явление апокампа — формирование голубых и красных струй плазмы, возникающих на изгибе разряда в газах. Открытое явление можно использовать для исследования световых явлений, наблюдаемых в верхних слоях атмосферы на высотах в десятки километров над областями с грозовой активностью. Подробнее результаты исследований сотрудников Института сильноточной электроники СО РАН описаны в журнале Physics of Plasmas. Исследование диффузных разрядов атмосферного давления и их применений было поддержано Российским научным фондом (РНФ).

Ученые впервые наблюдали новое явление во время экспериментов по созданию диффузной плазмы атмосферного давления. Они заметили, 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 этого феномена нужны два электрода и импульсно-периодический генератор, формирующий импульсы высокого напряжения. 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 (ионизированного канала в газе), фронт которого движется со скоростью 100 — 220 километров в секунду. Температура плазмы апокампа в разных его частях колеблется от 100 до 1300 °С.

Открытое явление можно использовать для исследования голубых струй (джетов) и красных спрайтов — естественных электрических процессов в верхних слоях атмосферы, сопровождающихся свечением. 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. На данный момент о природе этих явлений известно достаточно мало.

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, светится белым, как и отросток в апокампе. 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, — добавил один из авторов работы Виктор Тарасенко. — Это значительно проще, чем в естественных условиях».

Пресс-релизы о научных исследованиях, информацию о последних вышедших научных статьях и анонсы конференций, а также данные о выигранных грантах и премиях присылайте на адрес science@indicator.ru.