Обычно проводимость, например проводимость грозового облака, подразумевает наличие проводящего канала, по которому идет ток. По умолчанию считается, что если в непроводящей среде отсутствует такой канал, «закорачивающий» некую разность потенциалов, то никакого тока быть не может. Однако группа нижегородских ученых из Института прикладной физики РАН и Приволжского исследовательского медицинского университета предложила и численно исследовала альтернативный механизм переноса заряда, который может развиваться даже при отсутствии крупномасштабного проводящего канала. Он опирается на стохастическую динамику системы, состоящей из относительно небольшого числа постоянно возникающих и затухающих проводящих плазменных образований. Несмотря на то что разрозненные мелкие кластеры не контактируют на мгновенных трехмерных снимках системы, они оказываются связанными в четырехмерном пространственно-временном континууме. Данный механизм транспорта заряда был назван «эстафетным». Подобно тому, как бегуны передают друг другу эстафетную палочку, пространственные заряды (аналог эстафетной палочки), некогда разделенные уже затухшими проводящими структурами (аналог передающего бегуна), «подхватываются» и переносятся вновь возникающими кластерами (аналог спортсмена, принимающего палочку).
Рис. 1. Процесс инициации молнии с точки зрения кластер-кластерной агрегации. Пространственно-однородная мода эстафетного переноса заряда на базе слабо проводящих стримерных каналов (a) постепенно перетекает в стадию, когда хорошо проводящие сегменты (красные лидерные каналы) быстро сливаются вдоль направления внешнего поля, образуя канал хорошо поляризованного самоподдерживающегося лидера молнии (d). Возникновение доминирующего кластера, «поглощающего» более мелкие элементы и «закорачивающего» зону сильного внутриоблачного поля, знаменует переход от эстафетной проводимости к обычной
Чтобы исследовать разделение точечных зарядов вдоль направления внешнего электрического поля в результате стохастической динамики системы идеально проводящих кластеров, ученые разработали специальную численную модель. Оказалось, что описанный механизм переноса заряда имеет прямое отношение к проблеме инициации молнии, которая является главной загадкой физики атмосферного электричества. При этом эстафетный транспорт заряда проявляет себя в двух последовательных режимах. На начальном, продолжительном и пространственно-однородном, этапе заряд переносится за счет недавно открытых (см. https://www.nature.com/articles/s41612-019-0102-8) постоянно возникающих и затухающих областей повышенной ионной проводимости. Они представляют собой ионные пятна с характерными размерами 0,1-1 м и временами жизни 1-10 с, образующиеся за счет коронных разрядов, сопровождающих соударения или сближения частичек воды и льда. Поскольку проводимость данных ионных пятен на несколько порядков больше проводимости воздуха внутри грозового облака, за время своего существования они успевают поляризоваться, что позволяет рассматривать их как проводники, помещенные внутрь диэлектрика. Динамика областей повышенной ионной проводимости создает флуктуации электрического поля с постоянно нарастающими амплитудами, что, в конце концов, приводит к инициации сначала стримеров (несамостоятельная слабо проводящая форма искрового разряда), а затем и лидеров (самоподдерживающаяся форма искрового разряда, обладающая хорошо проводящим каналом).
На последующей стримерной/лидерной стадии эффективность эстафетного переноса заряда резко возрастает за счет того, что стримеры и лидеры (в отличие от неспособных к самостоятельному распространению ионных пятен) способны расти и сливаться друг с другом в результате электростатического притяжения (рис. 1). Ускоряющееся во времени объединение самоорганизующихся разрядных систем в конце концов оканчивается тем, что формируется доминирующий кластер. Он включает в себя подавляющее большинство элементов системы, перекрывает внутриоблачную зону сильного электрического поля и может быть ассоциирован с самоподдерживающимся «зародышем» молнии.
Статья опубликована в журнале Scientific Reports и доступна по ссылке https://www.nature.com/articles/s41598-022-10722-x.
Информация и фото предоставлены пресс-службой ИПФ РАН
Источник фото: ИПФ РАН
