Ученые из Института прикладной физики РАН впервые смогли построить детальную модель возникновения не видимых невооруженным глазом ступеней и ветвлений молнии. Алгоритм позволит лучше понять это природное явление и разработать улучшенные способы защиты от него. Статья опубликована в журнале Journal of Geophysical Research: Atmospheres.

Молния — это мощный электрический разряд, возникающий между облаками и землей. Основной ущерб от таких разрядов приходится на электросети. Например, в 2011 году взрыв трансформатора в результате удара молнии в Ирландии стал причиной сбоя в работе дата-центров Microsoft и Amazon. Огромный ущерб, как в плане человеческих жертв, так и в экономическом, молнии наносят, когда попадают в склады горючих материалов. Чтобы уберечься от столь страшного природного явления, необходимы способы защиты от них. Для их разработки необходимо лучше понять динамику молниевых разрядов и их физические характеристики.

Ранее российские исследователи выяснили, что зарождение молнии в облаке начинается со столкновений гидрометеоров (жидких и твердых частиц воды), которые создают основу для возникновения сначала холодных, слабо проводящих искровых пробоев — стримеров, — а потом горячего, хорошо проводящего плазменного канала. Создавшийся таким образом канал называется лидером молнии. Он может быть положительным или отрицательным в зависимости от заряда облаков, из которых он исходит. В природе примерно в 90% случаев лидеры имеют отрицательный заряд.

Согласно наблюдениям, отрицательные лидеры молнии, в отличие от непрерывно растущих положительных, всегда распространяются скачкообразно, резко увеличивая свою длину в моменты образования новых ступеней. Сегодня опубликовано множество исследований, посвященных высокоскоростной съемке отрицательных лидеров молнии, но природа появления его ступеней до сих пор оставалась непонятной. Непонятно также было формирование пространственных лидеров — каналов, которые срастаются с основным, исходя из разных областей пространства, как будто из ниоткуда.

Поддержанные грантом Российского научного фонда исследователи из ИПФ РАН в Нижнем Новгороде создали численную модель, которая смогла объяснить, почему отрицательный лидер молнии распространяется ступенчато. Эта модель позволила исследователям впервые воссоздать полный цикл формирования его ступени. Для роста отрицательного разряда молнии необходима в два раза большая мощность электрического поля, чем для положительного. Из-за этого отрицательному лидеру проще «подождать», пока навстречу ему не прорастет положительная часть пространственного лидера, способного развиваться при меньших полях.

При слиянии двух каналов создается новая ступень, которая увеличивает канал отрицательного лидера. Несколько пространственных лидеров заставляют основной канал ветвиться. При этом создание каждой новой ступени заканчивается мощной вспышкой короны отрицательных стримеров, которые растут из «головы» отрицательного лидера. В процессе вспышки короны основного лидера перед его «головой» наблюдается неравномерное распределение отрицательного заряда. Согласно расчетам российских исследователей, возникновение пространственных лидеров вызвано усилением электрического поля, которое происходит под влиянием этого распределения. Таким образом, процесс формирования ступени замыкается в цикл.

«Кроме чисто научного интереса, результаты нашей работы помогут усовершенствовать методы молниезащиты. Наша модель первая, которая смогла детально воспроизвести процесс формирования чехла заряда вокруг лидера. А знание его структуры критически важно на главной стадии развития молнии, которая начинается после контакта ее канала с землей. Дело в том, что представляющий особую опасность импульс тока возвратного удара, амплитуда которого может составлять десятки и сотни тысяч ампер, связан именно с разрядкой чехла канала молнии, которая происходит из-за "стекания" сосредоточенного в нем заряда в землю», — рассказывает о своем исследовании ведущий научный сотрудник ИПФ РАН Дмитрий Иудин.