Ученые предложили численную модель, объясняющую, как в молниях возникают лидеры отдачи — скоротечные электрические разряды, которые дают вторую жизнь ранее обесточенным молниевым каналам. Оказалось, что их появление становится возможным благодаря перезарядке молниевой сети, которая важна для поддержания молниевого разряда. Полученные данные позволят лучше понять природу молнии и могут использоваться для улучшения систем защиты от грозовых разрядов. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Atmospheric Research.
Молния представляет собой сложную систему проводящих каналов, структура и особенности развития которых до сих пор далеки от полного понимания. Молнии принципиально отличаются от лабораторных лидеров — горячих хорошо проводящих плазменных каналов, которые обязательно несут какой-то один заряд — положительный или отрицательный. Разветвленная сеть молнии способна поддерживать нулевой суммарный заряд благодаря постоянному перераспределению положительных и отрицательных зарядов. Так, в случае доходящих до земли молниевых разрядов отрицательные заряды обычно концентрируются в нижней части канала молнии, направленной к земле, тогда как положительный «полюс» находится в облаке. Между этими зонами находится нейтральная точка или точка реверса — область, где происходит смена положительного заряда на отрицательный или наоборот. Смещение точки реверса в процессе развития молнии меняет распределение электрического потенциала вдоль канала и, как было показано, запускает появление так называемых транзиентов (скоротечных лидерных процессов) молнии.
Наиболее ярким и хорошо изученным примером таких переходных процессов, которые связаны с реактивацией ранее затухших ветвей молнии, являются лидеры отдачи. Они представляют собой биполярные лидерные каналы, возникающие вблизи головки ранее затухшего положительного лидера молнии. Отрицательная часть лидера отдачи прорастает вдоль затухшей ветви к основному (активному) каналу и, если доходит до него, запускает волну оптического света и всплеск тока. После реактивации канал продолжает развиваться как боковая ветвь положительного лидера молнии.
Ученые из Института прикладной физики имени А.В. Гапонова-Грехова РАН (Нижний Новгород) разработали численную модель, которая описывает рост, затухание (охлаждение на этапе нулевого тока) и повторную активацию бокового молниевого канала, в результате которой возникают лидеры отдачи. Основное преимущество представленной модели заключается в том, что она описывает одновременное и самосогласованное изменение термодинамических и электрических параметров молниевого канала.
На начальной стадии роста, продолжающейся примерно 20 миллисекунд, рост канала поддерживается высоким напряжением точки ветвления (стартовой точки бокового канала). Когда это напряжение падает и становится недостаточным для обеспечения роста канала, наступает фаза затухания длительностью 5–75 миллисекунд, когда ток прекращается, а плазма — ионизированный газ — внутри канала постепенно остывает. На заключительном этапе в боковом канале молнии происходит реактивация — возникает резкий рост напряжения в точке ветвления. Он приводит к возникновению волны повторной ионизации, то есть к формированию лидера отдачи, который реактивирует ранее обесточенный канал.
Физики исследовали условия, при которых возможна реактивация обесточенного канала молнии. Оказалось, что лидер отдачи может возникнуть только в том случае, если пауза между электрическими разрядами, протекающими через канал, длится от одного до нескольких десятков миллисекунд, а температура канала не опускается ниже примерно 3500°С. Исследование также показало, что ключевую роль в этом процессе играет смещение точки реверса, которое отвечает за рост потенциала в боковом канале молнии, приводя к его реактивации.
Теоретические предсказания модели подтверждаются экспериментальными данными. Так, расчетные временные интервалы между разрядами в 15–30 миллисекунд, необходимые для реактивации, хорошо согласуются с результатами наблюдений реальных молний. Модель также успешно объясняет положение точки старта лидеров отдачи, зафиксированное в экспериментальных исследованиях.
«В связи с растущим использованием микроэлектроники и тенденцией к цифровизации всех сфер нашей жизни грозовые воздействия становятся все более экономически и социально опасными. Ущерб, причиняемый молниями, трудно переоценить, и, скорее всего, он будет увеличиваться в будущем из-за глобального потепления и аэрозольного загрязнения атмосферы. Результаты, полученные нами в рамках проекта, уникальны и в настоящее время не имеют мировых аналогов, что позволяет нам рассчитывать на достижение прорывных результатов в области физики молнии и развитии методов молниезащиты. В дальнейшем мы планируем усовершенствовать нашу модель и описать серию лидеров отдачи, проходящих по одному каналу, последний из которых доходит до земли, становясь стреловидным лидером. Стреловидные лидеры крайне опасны для слаботочной электроники благодаря чрезвычайно высоким скоростям роста и относительно большим токам, а потому заслуживают дальнейших исследований», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Дмитрий Иудин, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории атмосферного электричества Института прикладной физики имени А.В. Гапонова-Грехова РАН.