Нижегородские физики разработали численную модель, объясняющую, как в грозовых облаках формируется молния. Ключевую роль в этом процессе играет объединение множества плазменных каналов в единую сеть, это позволяет создать условия для появления «зародыша» молнии даже в относительно слабых внутриоблачных электрических полях. Полученные данные могут пригодиться при разработке новых методов защиты от молний.
Процесс «зарождения» молнии уже много лет возглавляет список десяти основных нерешенных проблем физики атмосферного электричества. Известно, что в грозовых облаках в результате столкновений заряженных частиц жидкой и твердой воды периодически возникают недолгоживущие холодные разряды — стримеры.
Сами по себе они быстро распадаются, не превращаясь в молнию. Однако при некоторых условиях стримерные системы могут дать начало самоподдерживающемуся лидеру молнии. Лидер — это горячий плазменный канал, который формируется за счет стримеров и образует многокилометровый проводящий каркас молнии. Однако до сих пор не понятно, каким образом в облаке происходит переход от стримеров к лидеру и, соответственно, как формируется молниевый канал.
Ученые из Института прикладной физики имени А. В. Гапонова-Грехова РАН (Нижний Новгород) смоделировали процесс образования «зародыша» молнии на двух наиболее типичных для этого высотах — на шести и девяти километрах, сообщила пресс-служба Российского научного фонда. «Зародышем» молнии исследователи назвали плазменную структуру, нагревающуюся за счет токов поляризации, протекающих по разрядным каналам в электрическом поле облака и превращающуюся в многокилометровый канал, который мы видим во время грозы.
Физики разработали трехмерную численную модель процесса инициации молнии, основными параметрами которой были высота над уровнем моря, напряженность электрического поля облака и частота появления новых стримеров. В рамках моделирования физики воспроизвели процесс перехода от нестабильных стримерных систем к горячему самоподдерживающемуся лидеру молнии.
Исследователи смогли выяснить детали этого превращения: оказалось, что молния зарождается в результате взаимодействия множества одновременно существующих разрядных (стримерных) каналов. Даже в слабых электрических полях, характерных для грозовых облаков, эти каналы могут сливаться в протяженные проводящие кластеры. Когда такой кластер достигает критической длины (несколько десятков метров), он становится «зародышем» молнии — структурой, способной к самостоятельному дальнейшему развитию за счет высокой степени поляризации.
При этом должны выполняться два условия. Во-первых, отдельные стримерные системы, случайным образом возникающие достаточно близко друг к другу, должны объединиться. Поскольку характерное время их жизни очень короткое — доли миллисекунды, — для их слияния необходимо, чтобы они появились не только рядом друг с другом, но и практически одновременно. Интересно, что на больших высотах, где воздух сильно разрежен, для образования молнии требуется гораздо более высокая концентрация плазменных каналов.
Во-вторых, стримерные каналы могут расти, а это становится возможным только при относительно большой напряженности электрического поля, которая возникает в ограниченных (локальных) зонах как результат предшествующей разрядной активности.
Ученые подчеркивают, что промоделированный процесс возможен в условиях типичного грозового облака и, в отличие от других гипотез, не требует выполнения каких-либо экстраординарных условий, таких как нереалистично большие напряженности внутриоблачного электрического поля или наличие высокоэнергичных космических частиц, ионизирующих облачную среду. Это выгодно отличает предложенный механизм от альтернативных подходов.
Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда, опубликованы в журнале Atmospheric Research.
