Нижегородские ученые открыли, как зарождается молния

Исследователи Института прикладной физики РАН разработали модель, которая объясняет процесс формирования молнии в грозовых облаках.

Эти данные могут быть ключом к разработке новых методов защиты от молний. Результаты исследования, финансируемого Российским научным фондом (РНФ), были опубликованы в журнале Atmospheric Research.

В течение многих лет процесс зарождения молнии оставался одной из десяти основных нерешенных проблем физики атмосферного электричества. В грозовых облаках, как известно, при столкновениях заряженных частиц жидкой и твердой воды возникают короткоживущие холодные разряды (стримеры).

Понимание механизмов образования молний в атмосфере имеет важное практическое значение, поскольку позволяет разработать эффективные методы предотвращения и защиты от молний. Новая модель, предложенная исследователями, может стать основой для разработки инновационных технологий, способных уменьшить риски, связанные с молниями.

Ученые из Института прикладной физики (ИПФ) имени А проводят исследования, направленные на понимание процессов образования молнии. Сами по себе стримеры быстро распадаются, не превращаясь в молнию, однако при определенных условиях стримерные системы могут дать начало самоподдерживающемуся лидеру молнии. Лидер представляет собой горячий плазменный канал, который формируется за счет стримеров и создает проводящий каркас молнии на многие километры. Однако до сих пор остается загадкой, как происходит переход от стримеров к лидеру в облаке и как точно формируется молниевый канал.

Исследователи из Института прикладной физики Российской академии наук в Нижнем Новгороде провели моделирование процесса образования зародыша молнии на различных высотах, включая шесть и девять километров. Зародыш молнии представляет собой плазменную структуру, которая нагревается за счет токов поляризации, протекающих в разрядных каналах в электрическом поле облака, и превращается в многокилометровый канал, видимый во время грозы.

Новый подход к изучению молнии представляет собой трехмерную численную модель процесса инициации молнии. Основными параметрами модели стали высота над уровнем моря, напряженность электрического поля облака и частота появления новых стримеров. Это позволяет более детально и точно описывать формирование молнии и понимать механизмы ее возникновения.

Изучение зародышей молнии на различных высотах поможет расширить наши знания о физических процессах, происходящих в атмосфере, и улучшить прогнозирование погоды. Результаты исследования могут также привести к разработке новых методов защиты от молнии и повышению безопасности людей и объектов во время грозовой активности.

Исследования, проведенные с использованием методов математического моделирования, позволили физикам реконструировать процесс перехода от нестабильных стримерных систем к формированию горячего самоподдерживающегося лидера молнии. Этот уникальный процесс детально изучен и раскрыт благодаря усилиям ученых.

Молния, как оказалось, возникает в результате взаимодействия множества одновременно существующих разрядных (стримерных) каналов. Это открытие позволяет лучше понять, как формируются электрические разряды в атмосфере и какие процессы лежат в их основе.

Даже в слабых электрических полях, присущих грозовым облакам, эти стримерные каналы способны объединяться в протяженные проводящие кластеры, что является ключевым моментом в формировании молнии. Это открытие открывает новые перспективы для изучения и прогнозирования атмосферных явлений, связанных с электричеством и молниями.

Для возникновения молнии необходимо, чтобы кластер достиг критической длины в несколько десятков метров, превращаясь в зародыш молнии, который обладает способностью к самостоятельному развитию за счет высокой поляризации. Об этом рассказывает Артем Сысоев, участник проекта и научный сотрудник лаборатории нелинейной физики природных процессов ИПФ РАН. При этом, как отмечает он, существуют два важных условия, которые должны быть выполнены. Во-первых, отдельные стримерные системы, возникающие случайным образом достаточно 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 явление связано с особенностями физики атмосферных разрядов и требует определенных условий для своего возникновения. Поскольку характерное время их жизни очень короткое (доли миллисекунды), для их слияния необходимо, чтобы они появились не только рядом друг с другом, но и практически одновременно.

Во-первых, стоит отметить, что процесс образования молнии на больших высотах представляет собой сложную цепь физических и химических реакций. Эти реакции зависят от множества факторов, включая температуру, влажность и электрическое поле в атмосфере.

Во-вторых, стримерные каналы могут расти, а это становится возможным только при относительно большой напряженности электрического поля, которая возникает в ограниченных зонах как результат предшествующей разрядной активности. Этот процесс требует определенных условий для своего развития и может быть исследован с помощью современных методов наблюдения и анализа атмосферных явлений.

Изучение процессов, происходящих в грозовых облаках, позволяет ученым предположить, что механизм формирования молнии может быть более простым, чем предполагалось ранее. В отличие от других теорий, новая гипотеза не требует наличия экстремальных условий, таких как высокие электрические поля внутри облака или воздействие космических частиц. Это открывает новые перспективы для понимания природы молнии и ее воздействия на окружающую среду.

Согласно ученым, молнии часто приводят к серьезным последствиям, включая травмы, пожары, отключения электроэнергии и даже техногенные катастрофы. С учетом широкого использования микроэлектроники и цифровизации общества, экономический ущерб от молниевых разрядов продолжает увеличиваться. Исследования в области молнии и ее влияния на нашу жизнь становятся все более актуальными и важными.

Осознание потенциальной опасности молнии и поиск новых методов предотвращения ее негативных последствий становятся ключевыми задачами для научного сообщества и специалистов в области безопасности. Развитие новых технологий и подходов к прогнозированию и предотвращению молниевых разрядов может значительно снизить ущерб, который они могут причинить.

Исследование, проведенное им, позволило значительно углубить наше знание о процессе инициирования молниевых разрядов. Эти новые данные могут стать основой для улучшения существующих методов защиты от молний. Кроме того, он отметил, что результаты исследования могут привести к разработке более эффективных средств предотвращения возможных повреждений от молнии.

Он подчеркнул, что понимание механизмов молниевых разрядов имеет важное значение для безопасности людей и имущества.

В долгосрочной перспективе данные исследования могут стать отправной точкой для создания новых технологий, способных предотвратить разрушительные последствия молнии.

Источник и фото - ria.ru