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.
Рис.1. Фотографии стримерных вспышек скачков лидеров длинных искровых разрядов. Слева - положительный лидер, справа - отрицательный лидер.
Руководитель отделения геофизических исследований ИПФ РАН, член-корреспондент РАН
Е. А. Мареев
