Трехмерная модель показывает, как в грозовых облаках формируются молнии. Об исследовании, опубликованном в журнале Atmospheric Research, сообщает пресс-служба Российского научного фонда.
Ученые из Института прикладной физики РАН в Нижнем Новгороде смоделировали процесс зарождения молнии на двух наиболее типичных для этого высотах: шесть и девять км от уровня моря. Моделирование показало, как из неустойчивых холодных разрядов формируется мощный электрический канал, видимый во время грозы.
Давно известно, что в грозовых облаках в результате столкновений заряженных частиц жидкой и твердой воды периодически возникают холодные разряды — стримеры. Как правило, они быстро распадаются, не превращаясь в молнию. Однако при некоторых условиях эти разряды могут дать начало самоподдерживающемуся лидеру молнии. Лидер — горячий плазменный канал, который образует многокилометровый проводящий каркас молнии.
До сих пор оставалось неясным, каким образом в облаке происходит переход от стримеров к лидеру и, соответственно, как формируется молниевый канал. Физики разработали трехмерную численную модель инициации молнии, которая учитывает высоту, напряженность электрического поля облака и частоту появления новых стримеров.
Модельные «зародыши» молнии (выделены оранжевым цветом), возникающие при различных напряженностях электрического поля грозового облака на высотах 6 и 9 километров. Источник: Артем Сысоев, предоставлено пресс-службой Российского научного фонда
Моделирование показало, что ключевую роль в формировании лидера молнии играет объединение множества стримеров в протяженные проводящие кластеры. Когда такой кластер достигает критической длины в несколько десятков метров, он становится «зародышем» молнии — структурой, способной к дальнейшему развитию за счет высокой степени поляризации.
Для формирования таких кластеров необходимо выполнение двух условий. Во-первых, отдельные стримерные системы должны возникнуть не только рядом друг с другом, но и практически одновременно из-за их крайне короткого времени жизни. Во-вторых, необходима относительно высокая напряженность электрического поля в локальных зонах облака.
Интересно, что на больших высотах с разреженным воздухом для образования молнии требуется гораздо более высокая концентрация плазменных каналов.
Примеры «зародышей» молний, образовавшихся на высотах 6 (нижняя панель) и 9 (верхняя панель) километров, а также распределения электрического потенциала (изолинии) и электрического поля (стрелки). Источник: Артем Сысоев, предоставлено пресс-службой Российского научного фонда
В отличие от существующих гипотез формирования молний, предложенная модель не требует экстраординарных условий, например, нереалистично сильных электрических полей или воздействия высокоэнергичных космических частиц. Поэтому теория кажется более правдоподобным объяснением для чрезвычайно распространенного явления.
Удары молний — распространенная причина травм и гибели людей, пожаров, аварийных отключений электричества и даже крупных техногенных катастроф. Ученые считают, что понимание механизма их образования поможет в создании эффективных средств защиты, актуальных в эпоху цифровизации и распространения уязвимой к электромагнитным воздействиям микроэлектроники.
