Нижегородские ученые открыли, как зарождается молния

Исследователи ИПФ РАН разработали модель, объясняющую процесс формирования молнии в грозовых облаках.

Полученные ими данные могут послужить основой для разработки новых методов защиты от молний. Результаты этого исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), были опубликованы в журнале Atmospheric Research.

Процесс зарождения молнии долгое время оставался одной из десяти главных нерешенных проблем физики атмосферного электричества. В грозовых облаках, как известно, в результате столкновений заряженных частиц жидкой и твердой воды возникают короткоживущие холодные разряды, называемые стримерами. Эти явления играют ключевую роль в формировании молнии.

Исследование позволило более детально понять механизмы, лежащие в основе образования молнии, и выявить факторы, способствующие ее возникновению. Новые методы защиты от молний, основанные на этих данных, могут значительно повысить безопасность людей и объектов во время грозы.

Ученые из Института прикладной физики (ИПФ) имени А проводят исследования, направленные на понимание процессов образования молнии. Стримерные системы, которые обычно быстро распадаются, могут при определенных условиях создать основу для возникновения лидера молнии. Лидер представляет собой горячий плазменный канал, который формируется благодаря стримерам и создает проводящий каркас молнии.

Однако, до сих пор остается загадкой, как происходит переход от стримеров к лидеру в облаке и как точно формируется молниевый канал. Ученые стремятся раскрыть эту тайну, чтобы лучше понять физические процессы, лежащие в основе молнии. Возможно, их открытия помогут предсказывать и предотвращать молниевые разряды в будущем, что важно для безопасности людей и техники.

Исследователи из Института прикладной физики РАН в Нижнем Новгороде, под руководством В. Гапоновой-Греховой, провели моделирование процесса формирования зародыша молнии на различных высотах - на шести и девяти километрах. Зародышем молнии была названа плазменная структура, которая нагревается за счет токов поляризации, протекающих по разрядным каналам в электрическом поле облака, и превращается в многокилометровый канал, видимый во время грозы.

В ходе исследования была разработана трехмерная численная модель процесса инициации молнии, в которой основными параметрами стали высота над уровнем моря, напряженность электрического поля облака и частота появления новых стримеров. Эта модель позволила более детально изучить механизмы образования молнии и предсказать ее возможное поведение в различных условиях атмосферы.

Дальнейшие исследования в этой области могут привести к разработке новых методов предотвращения ударов молнии и повышению безопасности людей и объектов во время грозы. Кроме того, углубленное понимание процессов образования молнии может привести к развитию более эффективных систем мониторинга и прогнозирования погоды.

Исследования, проведенные физиками с использованием методов математического моделирования, позволили воссоздать процесс перехода от нестабильных стримерных систем к горячему самоподдерживающемуся лидеру молнии. Это открытие открывает новые горизонты в понимании феномена молнии и ее возникновения.

Опираясь на результаты исследований, ученые выяснили подробности этого превращения: молния формируется в результате взаимодействия множества одновременно существующих разрядных (стримерных) каналов. Этот процесс имеет сложную динамику и требует точного математического описания.

Важным выводом исследования стало то, что даже в слабых электрических полях, характерных для грозовых облаков, эти каналы могут сливаться в протяженные проводящие кластеры. Это является ключом к пониманию механизмов, лежащих в основе образования молнии и ее характеристик.

В процессе формирования молнии, когда кластер достигает определенной длины, он превращается в зародыш молнии, способный к самостоятельному развитию за счет высокой поляризации. Об этом рассказал Артем Сысоев, научный сотрудник лаборатории нелинейной физики природных процессов ИПФ РАН. Он отметил, что для этого необходимо выполнение двух условий. Во-первых, отдельные стримерные системы, возникающие близко друг к другу, должны объединиться.

Интересно, что на больших высотах, где воздух сильно разрежен, для образования молнии требуется гораздо более высокая концентрация плазменных каналов. Это связано с тем, что характерное время жизни этих каналов очень короткое, всего доли миллисекунды. Для их слияния необходимо, чтобы они появились не только рядом друг с другом, но и практически одновременно.

Во-первых, стоит отметить, что формирование молнии на больших высотах является процессом, требующим особой концентрации плазменных каналов. Эти каналы могут возникать и расти лишь при наличии высокой напряженности электрического поля, формируемого в ограниченных зонах в результате предшествующей разрядной активности.

Во-вторых, необходимо понимать, что электрические разряды и молнии на больших высотах имеют свои особенности, связанные с атмосферными условиями. Например, на больших высотах воздух становится более разреженным, что требует более высокой концентрации плазменных каналов для образования молнии.

Молнии - это явление, которое не только впечатляет, но и представляет опасность для жизни и имущества. Ученые подчеркивают, что смоделированный процесс возможен в условиях типичного грозового облака и не требует выполнения каких-либо экстраординарных условий. Они отмечают, что молнии могут привести к травмам и гибели людей, пожарам, аварийным отключениям электричества, а иногда и к крупным техногенным катастрофам.

По мнению ученых, важно отметить, что предложенный механизм молниевых разрядов отличается от альтернативных подходов и не требует наличия нереалистично больших напряженностей внутриоблачного электрического поля или высокоэнергичных космических частиц, ионизирующих облачную среду. Экономический ущерб от молниевых разрядов продолжает расти из-за широкого распространения слаботочной микроэлектроники и цифровизации человеческой деятельности, подчеркнул Сысоев.

Исследование, которое было проведено, позволило лучше понять процесс инициации молниевых разрядов. Это открытие может стать основой для улучшения средств защиты от молний. Важно отметить, что результаты исследования могут принести значительную пользу в области обеспечения безопасности от неблагоприятных погодных явлений.

Он подчеркнул, что новые знания о механизмах возникновения молний могут привести к разработке более эффективных методов предотвращения ущерба от молнии. Это открывает новые перспективы для инженеров и специалистов по безопасности.

Таким образом, дальнейшее изучение процесса инициации молниевых разрядов может привести к созданию инновационных технологий и средств защиты, что повысит уровень безопасности людей и имущества в условиях грозовой активности.

Источник и фото - ria.ru