С помощью
уникального высоковольтного оборудования (генератор импульсных напряжений
мультимегавольтного уровня) и скоростной камеры с высоким пространственным
разрешением и наносекундной экспозицией сотрудники Лаборатории физики молний
Института прикладной физики РАН совместно с коллегами из Высоковольтного центра
НИИТФ в Истре впервые получили детальные изображения стримерных вспышек скачков
положительного и отрицательного лидеров молниевой искры. В противоположность
существовавшим ранее представлениям обнаружено сходство формы и структуры
стримерных вспышек лидеров обеих полярностей и схожесть формы канала скачка
положительного лидера с каналами длинных стримеров. Полученный результат
является важным шагом для понимания физики молнии и построения её прогностической
модели.
Молния – опасное природное явление, которое нередко угрожает жизни
человека, создает угрозу авиации, объектам энергетики и связи, является
причиной пожаров. Проблема оперативного прогноза молниевой активности и
снижения риска ее поражающего воздействия остается одной из наиболее актуальных
и сложных междисциплинарных проблем. Она затрагивает, с одной стороны,
недостаточно изученные вопросы динамической метеорологии, связанные с возникновением,
эволюцией и электрической активностью мощных конвективных облаков и
мезомасштабных систем. С другой стороны, ее решение невозможно без исследования
проблем инициации молнии, взаимoдействия молниевого канала с поражаемым
объектом, учета особенностей построения и функционирования систем грозолокации
и молниезащиты. Изучением этих актуальных проблем в Институте прикладной физики
Российской академии наук (ИПФ РАН) занимается Лаборатория физики молний,
созданная в 2013 году в рамках мегагранта Правительства РФ под руководством
известного специалиста в области физики молнии и молниезащиты – профессора Университета
Флориды и почетного доктора ИПФ РАН В. А. Ракова.
Известно, что молния представляет собой электрический разряд между заряженным облаком и землей или разноименно
заряженными частями облака, которые играют роль распределенных электродов.
Возможны разряды и между соседними облаками. Молнии начинаются с
прорастания плазменного канала от одного из «электродов» к другому. Этот
плазменный канал называется лидером. После замыкания лидером промежутка между
электродами наступает главная стадия разряда, сопровождающаяся большим током,
ярким оптическим (молния) и сильным акустическим (гром) излучением. В
зависимости от знака заряда того «электрода», от которого стартует лидер, он
может быть положительным или отрицательным. Свойства положительных и
отрицательных лидеров различны. Основная часть
всех молний облако-земля являются отрицательными, они изучены более
детально. Известно, что отрицательные лидеры (как молний, так и длинных
искровых разрядов) всегда движутся скачкообразно (ступенчато). В главных чертах
понятен и механизм формирования скачков отрицательного лидера, в отличие от
нисходящего положительно заряженного лидера, представляющего наибольшую опасность
для земли за счет возникновения достаточно продолжительной стадии непрерывного тока.
Ранее считалось, что положительные лидеры, как правило, движутся
непрерывно, без скачков в отличие от отрицательных лидеров, но в лабораторных исследованиях
наблюдались и исследовались скачки и положительного лидера тоже. В частности,
было установлено, что скачки положительного лидера бывают только при высокой
влажности воздуха или при плавном подъеме напряжения на потенциальном электроде.
Механизм этих скачков неясен до сих пор. Недавно с помощью уникального
высоковольтного оборудования (мультимегавольтный генератор импульсных
напряжений) в сочетании с современной диагностической аппаратурой (скоростная
камера с наносекундной экспозицией) специалистам Лаборатории физики молний
совместно с коллегами из Высоковольтного центра НИИТФ в Истре удалось получить
детальные изображения стримерных вспышек, происходящих в моменты скачков
лидеров, как в положительном, так и в отрицательном длинных искровых разрядах
(см. рисунок). Оказалось, что форма и структура стримерных вспышек у скачков
положительного и отрицательного лидеров одинаковая, близкая к сферической, но величина
заряда новообразованного положительного лидерного канала значительно превышает
поле зарядов отрицательного лидера.
Факт наличия в стримерной вспышке стримеров, распространяющихся в
направлении, противоположном направлению движения лидера, установлен впервые и
существенно меняет сложившееся представление о форме стримерных вспышек,
которые предполагались сосредоточенными в конусе с углом раскрытия порядка 900.
В результате этих исследований установлена такая особенность скачков
положительного лидера в отличие от скачков отрицательного лидера, как
прямолинейность канала, образующегося в месте скачка. Плазменный канал скачка
отрицательного лидера формируется в процессе движения положительного и
отрицательного концов пространственного лидера и имеет характерную для движения
лидеров извилистую форму. Прямолинейность канала в скачках положительного
лидера, очевидно, указывает на иную природу формирования канала в этом случае.
Схожесть формы канала скачков положительного лидера с траекториями длинных
стримеров (между точками ветвления) позволила ученым выдвинуть гипотезу о
формировании канала скачка положительного лидера в канале положительного
стримера, хотя детали этого процесса остаются пока непонятными. Полученный
результат является важным шагом для понимания сходства и различия
положительного и отрицательного лидера на пути построения прогностической модели
молнии. Исследования в области
физики молнии продолжаются.
Руководитель отделения геофизических исследований ИПФ
РАН член-корреспондент РАН Е. А. Мареев
Рис.1. Фотографии стримерных вспышек скачков лидеров длинных искровых разрядов.
Слева - положительный лидер, справа - отрицательный лидер. Источник ТАСС