Физические механизмы распространения молниевых разрядов до сих пор вызывают много вопросов. Известно, что в большинстве случаев приближающаяся к земле молния удлиняется ступенчато, сливаясь с возникающими перед ней более короткими разрядными каналами. Чтобы понять природу образования этих вспомогательных каналов, нижегородские физики разработали модель, описывающую возникновение небольших плазменных сгустков, из которых они произрастают.

Результаты моделирования легли в основу фундаментально нового механизма формирования этих плазменных образований. Подробнее с текстом статьи можно ознакомиться в журнале Atmospheric Research. Исследование поддержано грантом Российского научного фонда (РНФ).

Каждую секунду на Земле происходит около 50 молниевых разрядов. В умеренных широтах России за час сильной грозы может произойти до 500 ударов, из которых примерно четверть достигает земли. После контакта с землей канал молнии нагревается примерно до 30 тысяч градусов, что в пять раз горячее видимой поверхности Солнца. При этом существуют научные данные, позволяющие говорить о тенденции к увеличению количества гроз по мере загрязнения воздуха и развития глобального потепления. Ожидается, что к концу XXI века молниевая активность возрастет примерно на 50 процентов.

Каждый год от удара молнией погибает несколько тысяч человек и еще в 5–10 раз больше получают травмы различной степени. Более того, грозы наносят огромный вред за счет возникающих возгораний и нарушений работы электрических сетей. Так, в 1977 году молния стала причиной суточного отключения электричества в Нью-Йорке. За это время в городе начались массовые грабежи и общественные беспорядки, ущерб от которых составил более 300 миллионов долларов. Удар молнии в 2011 году стал причиной серьезного нарушения работы дата-центров компаний Microsoft и Amazon. Восстановление больших объемов данных потребовало около двух суток.

Известно, что до 90 процентов достигающих поверхности земли молниевых разрядов переносит отрицательный заряд. Для данного типа молний механизм распространения горячего плазменного канала, называемого отрицательным лидером, крайне сложен и до сих пор не до конца изучен. Его продвижение к земле состоит из циклов, в каждом из которых происходит скачкообразное приращение канала. В конце каждой ступени вокруг оконечности новой ветви молнии формируется корона, состоящая из миллионов стримеров — холодных плазменных каналов, которые уносят избыточный заряд от новообразованной головки отрицательного лидера.

Особый интерес ученых вызывает процесс образования на периферии стримерной короны небольших веретенообразных плазменных образований — пространственных стемов. Именно из них формируются вспомогательные лидеры, которые позднее прирастают к основному каналу молнии. Основная загадка пространственных стемов заключается в том, что они возникают не вблизи канала отрицательного лидера молнии, а в десятках метров от него в отсутствие непосредственной электрической связи.

Рисунок 1. Схема формирования ступени отрицательного лидера. Полный цикл (А-Е) обычно длится несколько десятков микросекунд. Темно-красный и голубой цвета отвечают положительной и отрицательной полярностям соответственно. Более жирные линии отвечают большим проводимостям каналов. Черные кружки символизируют пространственные стемы. Положительные и отрицательные заряды чехла лидерного канала обозначены темно-красными и голубыми точками соответственно. Источник: Артем Сысоев

Исследователи из Федерального исследовательского центра Института прикладной физики Российской академии наук (Нижний Новгород) разработали численную модель формирования пространственных стемов. Ученые показали, что предшествующие их возникновению центры ионизации появляются в областях, в которые за очень короткое время попадает несколько головок отрицательных стримеров. Их коллективный заряд запускает интенсивную волну ионизации. В точке старта этой волны образуется избыточный положительный заряд, который можно назвать естественным аналогом лабораторного электрода. При удачном стечении обстоятельств данный заряд со временем превращается в пространственный стем. Разработанный подход учитывает коллективные эффекты взаимодействия множества одновременно развивающихся стримеров, что выгодно отличает его от большинства конкурирующих исследований, сосредоточенных на моделировании процессов в канале отдельно взятого стримера.

Рисунок 2. Пример моделирования процесса формирования центра ионизации (предшественника пространственного стема) перед головкой отрицательного лидера. Слева направо показаны пространственные распределения концентрации электронов, полного заряда и электрического поля. Источник: Артем Сысоев

«Наш век, без сомнения, является веком слаботочной микроэлектроники, цепи которой особенно уязвимы к разрядам молний. При этом развитие современных методов молниезащиты ограничено недостаточным пониманием механизмов эволюции молниевых разрядов, в том числе ступенчатых отрицательных лидеров. Это сказывается на качестве защиты, о чем свидетельствуют регулярные перебои с электричеством. Тот же молниеотвод вопреки названию не отводит молнию от защищаемого объекта, а, напротив, притягивает ее. Мы надеемся, что результаты нашей работы поспособствуют развитию теории молниевого разряда, что в перспективе позволит разработать более эффективные методы защиты от молний», — отметил Артем Сысоев, младший научный сотрудник лаборатории нелинейной физики природных процессов ИПФ РАН.

В дальнейшем авторы планируют повторить расчеты в рамках более продвинутой модели, которая позволит воспроизвести все стадии процесса формирования пространственного стема вплоть до момента его превращения в лидерный канал.