Физики создали подробную карту электромагнитных излучений молниевого разряда

Физики в лабораторных условиях смоделировали возникновение в воздухе электрических разрядов, которые в природе наблюдаются во время грозы. Авторам удалось отследить ключевые стадии развития разряда, связанные с генерацией рентгеновского, ультрафиолетового, инфракрасного и широкополосного радиоизлучения, а также установить «локальные источники» данных излучений. Отслеживать, как и когда появляются разные типы электромагнитного излучения, важно, потому что они позволяют лучше понять механизмы возникновения и развития электрических разрядов. Это, в свою очередь, необходимо знать для развития новых методов молниезащиты и мониторинга грозовых явлений. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в Journal of Applied Physics.

Во время грозы в атмосфере возникает большое количество электрических разрядов, которые становятся источниками различных типов электромагнитного излучения. Разряды в атмосфере представляют большую опасность для авиации, надводных кораблей и многочисленных энергообъектов, а возникающее при их появлении радиоизлучение ухудшает работу различных электронных устройств и радиоаппаратуры, создавая дополнительные «шумы». При этом механизмы возникновения электромагнитных излучений в газоразрядной среде до сих пор представляют предмет интенсивных исследований.

Ученые из Физического института имени П.Н. Лебедева РАН (Москва) в лабораторных условиях сымитировали развитие молниевого разряда, который служит источником разных типов электромагнитного излучения в атмосфере. Авторы провели исследования на экспериментальной установке, способной генерировать электрические разряды длиной до одного метра при напряжениях в миллион вольт и токах порядка килоампер. Такие параметры установки позволяют достигать физических условий, близких к натурным грозовым явлениям. Рабочие элементы установки представляли собой два металлических электрода (элементы, проводящие ток) — отрицательно заряженный катод и заземленный анод. Электроды располагались друг напротив друга на расстоянии 55 сантиметров. Когда на катод подавали высокое напряжение, в воздухе в промежутке между электродами возникал электрический разряд, похожий на разряд реальной молнии. Исследователи отслеживали процесс возникновения разряда с помощью сверхбыстрых электронно-оптических камер, с высокой чувствительностью регистрирующих изображения светящейся плазмы в течение порядка 60 наносекунд. Различными детекторами электромагнитного излучения авторы с наносекундным временным разрешением регистрировали рентгеновское, радиочастотное и оптическое излучение в ближнем ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах длин волн.

Наблюдения показали, что в самые первые моменты существования разряд развивается в виде обширной стримерной короны — слабоионизованной плазмы (ионизованных молекул воздуха), формируемой первичными стримерными головками, распространяющимися от катода навстречу заземленному аноду. Эти условия, по всей видимости, оказываются оптимальными для интенсивного излучения в диапазоне ближнего ультрафиолета и менее интенсивного в области ближнего инфракрасного диапазона. Примерно на этой же стадии развития разряда наблюдается генерация маломощного высокочастотного (МГц) радиоизлучения. Ситуация кардинально меняется, когда с анода стартуют встречные стримеры. Распространяясь с колоссальной скоростью — порядка десятка тысяч километров в секунду — эти стримеры за десятки наносекунд пересекают весь разрядный промежуток и формируют сложную разветвленную структуру плазменных каналов между противоположными электродами. В этот момент резко повышается мощность как высокочастотного (МГц), так и сверхвысокочастотного (ГГц) радиоизлучения. Данный процесс, в свою очередь, сопровождается короткой по времени вспышкой ближнего инфракрасного излучения, а также появлением жесткого рентгеновского излучения.

На основе полученных результатов авторам исследования удалось построить подробную карту, описывающую временные корреляции между различными типами излучений.

«Исследования в этом направлении позволят лучше понять природу источников рентгеновского и микроволнового излучений во время молниевых разрядов в атмосфере. Мы также предполагаем, что на основе полученных результатов по локализации источников излучений можно разработать новые подходы к мониторингу электромагнитных излучений во время грозовых явлений в атмосфере Земли», — рассказывает участник проекта, поддержанного грантом РНФ, Егор Паркевич, кандидат физико-математических наук, руководитель научной группы, старший научный сотрудник Отдела физики высоких плотностей энергии ФИАН РАН. «В дальнейшем мы планируем детально исследовать влияния ключевых условий эксперимента на возникновение различных излучений, чтобы определить возможные пороги в их генерации. Впоследствии это позволит создать более состоятельные модели, описывающие механизм генерации электромагнитных излучений в грозовых облаках», — подводит итог Егор Паркевич.