Ученые разработали численную модель, объясняющую механизм формирования молнии в грозовых облаках. Ключевым элементом этого процесса, как показали расчёты, является слияние множественных стримерных каналов в единую сеть. Такая структура позволяет возникать “зародышу” молнии даже при сравнительно слабых внутриоблачных электрических полях. Исследование, выполненное при поддержке гранта Российского научного фонда, опубликовано в журнале Atmospheric Research.
Процесс зарождения молнии остаётся одной из наиболее важных нерешённых задач физики атмосферного электричества. Известно, что в облаках при столкновениях частиц воды и льда возникают стримеры – короткоживущие холодные разряды. Они быстро исчезают и, как правило, не приводят к образованию молнии. Однако в некоторых случаях стримерные системы могут стать основой для формирования лидера – горячего плазменного канала, который, растягиваясь на километры, служит проводником основного разряда. До сих пор оставалось неясным, как именно происходит переход от стримеров к лидеру.
Модельные “зародыши” молнии (выделены оранжевым цветом),
возникающие при различных напряженностях электрического поля грозового облака на высотах 6 и 9 километров.
Исследователи из Института прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова РАН смоделировали процесс образования зародыша молнии на высотах 6 и 9 км. Под зародышем понимается плазменная структура, нагреваемая токами поляризации в электрическом поле облака и превращающаяся в стабильный длинный канал, наблюдаемый как молния.
Авторы создали трёхмерную численную модель инициации молнии с учётом высоты, напряжённости поля и частоты появления новых стримеров. В рамках моделирования удалось воспроизвести переход от неустойчивых стримерных конфигураций к горячему самоподдерживающемуся лидеру.
Примеры “зародышей” молний, образовавшихся на высотах 6 (нижняя панель) и 9 (верхняя панель) километров,
а также распределения электрического потенциала (изолинии) и электрического поля (стрелки)
Оказалось, что молния может зарождаться за счёт объединения множества одновременных стримерных каналов. Даже при слабом электрическом поле в облаке они могут формировать протяжённые проводящие кластеры. Когда длина такого кластера достигает критической величины – нескольких десятков метров – он становится зародышем молнии и способен развиваться дальше благодаря высокой поляризации.
Для образования такой структуры необходимы два условия. Во-первых, стримеры должны появляться достаточно близко и почти одновременно, так как их существование ограничено долями миллисекунды. Во-вторых, рост каналов возможен только при достаточной напряжённости поля, которая возникает локально вследствие предыдущей разрядной активности. Также отмечается, что на больших высотах, где воздух разрежен, требуется более высокая плотность стримерных каналов для образования зародыша.
Исследователи подчёркивают, что описанный механизм возможен в условиях обычного грозового облака и не требует экзотических факторов – таких как крайне высокие электрические поля или космические частицы. Это выгодно отличает предложенную модель от ряда альтернативных гипотез.
“Молниевые разряды нередко приводят к травмам и гибели людей, пожарам, аварийным отключениям электричества, а иногда и к крупным техногенным катастрофам. Экономический ущерб молниевых разрядов продолжает расти из-за широкого распространения слаботочной микроэлектроники и в связи с тенденцией к цифровизации человеческой деятельности. Результаты нашей работы, улучшающие понимание процесса инициации молниевых разрядов, в перспективе могут быть полезны для усовершенствования существующих средств защиты от молний”, – рассказал Артём Сысоев, научный сотрудник лаборатории нелинейной физики природных процессов ИПФ РАН, участник проекта, поддержанного грантом РНФ.