Физики объяснили «ступенчатость» молний

Ученые выяснили, что наличие локализованных зон повышенной напряженности электрического поля при развитии отрицательных лидеров (каналов) молний обеспечивает их ступенчатое распространение. В случае положительных лидеров таких областей практически нет, поэтому молнии в основном развиваются непрерывно. Понимание того, как распространяются молнии, поможет улучшить методы защиты от них. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда, опубликованы в журнале Atmospheric Research.

Молниевый разряд — это сложно организованная система плазменных каналов, по которым, как вода по трубам, переносится электрический заряд. То, что мы видим с большого расстояния и обычно называем молнией, — это так называемый лидерный канал. Благодаря температуре до 30 000°С он, подобно нити накаливания в лампочке, ярко светится и хорошо проводит ток. Лидерный канал заканчивается головкой, из которой, как струйки воды из насадки для полива, выходят десятки миллионов стримеров. По отдельности каждый стример представляет собой холодный плазменный канал, который затухает, немного отойдя от лидерной головки. Совокупность стримеров образует стримерную корону (зону) перед головкой лидера. Именно в ней «сидит» вся физика, отвечающая за распространение лидерного канала, а значит, и всей молнии.

Молниевый разряд всегда имеет положительно и отрицательно заряженные части, растущие в противоположных направлениях. Каналы положительного и отрицательного лидеров оканчиваются соответственно положительными и отрицательными стримерными зонами. Полярность стримеров важна, поскольку положительные стримеры для поддержания своего роста требуют вдвое меньших электрических полей по сравнению с отрицательными. Благодаря наблюдениям хорошо известно, что отрицательный лидер молнии всегда распространяется скачкообразно, прирастая ступенями длиной от нескольких до сотни метров. В то же время положительный лидер практически всегда растет непрерывно. Каким бы странным это ни казалось, но до сих пор проблема распространения различных типов молниевых разрядов остается нерешенной и занимает второе место в списке десяти наиболее актуальных проблем физики молнии.

Ученые из Института прикладной физики имени А. В. Гапонова-Грехова РАН (Нижний Новгород) разработали численную модель, с помощью которой удалось установить, почему распространение положительных и отрицательных лидеров молнии отличается. Оказалось, что причина — в разнице распределения напряженности электрического поля в объеме стримерных корон. Так, в стримерных зонах отрицательных молний уровень локальных всплесков электрического поля примерно вдвое больше, чем у положительных. Поэтому они содержат множество областей, поле внутри которых превышает порог пробоя воздуха, что обеспечивает их ступенчатое развитие. Положительные молнии имеют низкую вероятность появления таких областей, поэтому в большинстве случаев развиваются непрерывно. Понимание механизмов, лежащих в основе асимметрии распространения лидеров молнии различной полярности, поможет в улучшении методов молниезащиты.

«Наше исследование показывает, как асимметрия полярностей положительных и отрицательных стримеров приводит к различным способам роста положительных и отрицательных лидеров молнии. Это яркий пример того, как свойства большого числа отдельных элементов сложной системы сказываются на ее поведении как целого. В дальнейшем мы планируем развить нашу модель, включив в нее ряд основных химических превращений, проходящих в разрядной плазме», — комментирует основной исполнитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Артем Сысоев, научный сотрудник Института прикладной физики РАН.