Модель описала ветвление и "ступени" молний

Исследователи из Института прикладной физики РАН выяснили, что управляет движением молний через атмосферу и почему появляются своеобразные "ступени", по которым разряд движется на пути к Земле. Об этом пишет пресс-служба Российского научного фонда (РНФ) со ссылкой на статью в журнале Journal of Geophysical Research: Atmospheres.

"Кроме чисто научного интереса, результаты работы критически важны для совершенствования методов молниезащиты. Наша модель впервые позволила детально воспроизвести процесс формирования чехла заряда вокруг лидерного канала, знание структуры которого критически важно на главной стадии развития молнии, начинающейся после контакта ее канала с землей", – рассказал один из авторов работы, ведущий научный сотрудник ИПФ РАН (Нижний Новгород) Дмитрий Иудин.

Природу молний описал еще в 1749 году Бенджамин Франклин, знаменитый политический деятель и естествоиспытатель. Его опыты с громоотводами и воздушными змеями показали, что молнии представляют собой электрические разряды, которые курсируют между грозовыми облаками и поверхностью Земли.

В начале текущего десятилетия благодаря исследованиям российских физиков картина стала сложнее. Оказалось, что в рождении молний участвуют космические лучи, которые выступают своеобразным спусковым крючком для разрядов электричества. Их удары, как недавно выяснили японские ученые, предшествуют вспышкам гамма-излучения, которые можно использовать для точного предсказания того, когда и где возникнет следующая молния.

Иудин и его коллеги заинтересовались тем, как молния "выбирает" путь своего движения по направлению к поверхности Земли, как возникают своеобразные "ступени", по которым электрический заряд путешествует вниз, и почему те заставляют его ветвиться.

Рождение молнии

Как объясняют ученые, эти структуры полностью формируются на первых этапах зарождения молнии – еще до того, как основной разряд их электричества, видимый для глаза, начинает свой путь. Эти "ступени" представляют собой часть плазменного канала, так называемого лидера, который соединяет грозовые облака с поверхностью планеты.

Еще в 1930-х годах физики-экспериментаторы выяснили, что этот  канал формируется ступенчато. Однако теоретически это явление ранее никто не мог объяснить. Чтобы заполнить этот пробел, российские исследователи создали математическую модель, которая описывает процесс рождения новых ступеней молнии и то, как происходит ее ветвление.

Их расчеты показали, что ступенчатость плазменного канала, который соединяет облака с поверхностью Земли, была связана с тем, что его положительная и отрицательная часть увеличиваются с разной скоростью. В свою очередь, ветвление молнии оказалось связано с тем, что в формировании новых "ступеней" часто участвуют несколько обособленных сегментов ионизированного воздуха, которые изначально не соединены с основной частью плазменного канала.

Образование каждой новой ступени молнии заканчивается мощной вспышкой искровых пробоев, причем в этот момент отрицательный заряд распределяется неоднородно. Как показали расчеты Иудина и его коллег, благодаря этим неоднородностям формируются новые, обособленные сегменты лидера. В результате формирование новых ступеней молнии превращается в замкнутый цикл.

Как надеются ученые, их модель поможет точнее предсказывать последствия ударов молний и вероятность их появления в тех или иных случаях, а также позволит экспериментаторам открыть новые феномены, которые связаны с движением этих разрядов электричества.