Исследование коллектива учёных под руководством Дмитрия Иудина из Института прикладной физики имени А.В. Гапонова-Грехова РАН, проведённое при поддержке гранта Российского научного фонда (РНФ), знаменует новую веху в понимании природных электрофизических явлений. Впервые удалось смоделировать процесс “возрождения” затухших каналов молнии — явление, которое долгое время оставалось загадкой для мирового научного сообщества. Полученные результаты открывают двери для свежих идей в области изучения атмосферных разрядов и повышают оптимизм относительно возможности их предсказания и управления.
Молния: загадочная система разветвлённых каналов
Молния — это намного больше, чем просто яркая вспышка в небе. Она представляет собой сложнейшую сеть тончайших плазменных каналов, развитие и взаимодействие которых ещё не полностью изучены. В отличие от лабораторных электрических разрядов, молния отличается многополярностью и постоянной динамикой распределения зарядов. Благодаря уникальному процессу перераспределения положительных и отрицательных зарядов, вся разветвлённая система молнии может оставаться электрически нейтральной, что выделяет её среди других природных явлений.
В тех случаях, когда молния достигает поверхности земли, отрицательные заряды концентрируются у основания молнии, а положительный “полюс” располагается в облаках. Между ними образуется своеобразная нейтральная зона, известная как точка реверса, где происходит смена полярности зарядов. Перемещения этой точки во время развития молнии существенно влияют на распределение электрического потенциала вдоль всего канала и именно они становятся “спусковым крючком” для появления быстрых лидерных процессов, называемых транзиентами.
Лидеры отдачи: ключ к возрождению каналов молнии
Ярким примером уникальных переходных процессов является так называемое «возрождение» каналов, или появление лидеров отдачи. Эти биполярные лидерные каналы формируются в области головки затухшего положительного лидера. Так называемый отрицательный лидер отдачи прорастает вдоль “мертвой” ветви, стремясь соединиться с основным активно функционирующим каналом разряда. Если процесс завершается успешно, то вдоль реактивированного участка проходит волна света и мощный импульс электрического тока, и весь сегмент начинает развиваться как самостоятельная боковая ветвь молнии. Такие реакции свидетельствуют о высокой “живучести” структуры разветвлённых молний и позволяют по-новому взглянуть на множество наблюдаемых всплесков и особенностей молниевых разрядов.
Прорывная численная модель от российских физиков
Достижение специалистов из Института прикладной физики имени А.В. Гапонова-Грехова РАН под руководством Дмитрия Иудина стало возможным благодаря разрабатываемой ими новой численной модели. Эта модель способна не только описывать рост и остывание (затухание) боковых каналов молнии на этапе нулевого тока, но и прогнозировать их неожиданную повторную активацию — ключевой фактор для появления лидеров отдачи. Важнейшим плюсом данной разработки является её уникальная способность учитывать одновременно термодинамические и электрические характеристики в молниевых каналах. Такой интегрированный подход позволяет на порядок повысить точность моделирования, а значит, приближает учёных к созданию более надёжных технологических и погодных прогнозов.
Новые горизонты молниеведения и энергетики
Открытие, сделанное с поддержкой Российского научного фонда, несёт в себе большую ценность не только для фундаментальной науки, но и для прикладных областей. Глубокое понимание механизмов развития и восстановления молниевых каналов способствует повышению безопасности электроэнергетических сетей, улучшает системы молниезащиты, а также открывает пути к новым “зелёным” технологиям управления атмосферным электричеством. Российские учёные вновь доказали свою способность решать сложнейшие природные задачи и вносить весомый вклад в мировую науку. Работа Дмитрия Иудина и его группы, выполненная при поддержке РНФ и на базе ИФП имени А.В. Гапонова-Грехова РАН, даёт основания с оптимизмом смотреть в будущее молниеведения и вдохновляет новые поколения исследователей на смелые эксперименты и открытия.
Молния — одно из самых увлекательных и загадочных явлений природы, чьи тайны продолжают открываться перед учёными. В последние годы интерес к этому явлению только возрастает, чему способствует развитие микроэлектроники и стремительная цифровизация общества. Именно поэтому новые исследования, направленные на изучение механизмов формирования и реактивации каналов молнии, вызывают столь пристальное внимание и становятся ключевыми для современного мира.
Этапы развития канала молнии: динамика и особенности
Формирование бокового канала молнии начинается с мгновенного этапа быстрого роста, продолжающегося около 20 миллисекунд. На этом этапе критическую роль играет высокое напряжение в точке ветвления — так называемой стартовой точке, где энергия для распространения канала максимально. Но этот энергетический подъём недолговечен: как только напряжение снижается до определённого порога, наступает фаза затухания. Продолжительность этой стадии варьируется от 5 до 75 миллисекунд, за время которой ток в канале полностью замирает, а плазма — пламенно-светящийся ионизированный газ — постепенно теряет температуру. Этот переход важен для последующих процессов, ведь именно охлаждение плазмы создаёт уникальные условия для возможной будущей реактивации канала.
Условия реактивации и роль физических параметров
Исследования учёных показали, что реактивация ранее обесточенного электрического канала может произойти лишь при определённых условиях. Особое значение имеют время между разрядами и температурный режим плазмы внутри канала. Если временной интервал между разрядами составляет от одной до нескольких десятков миллисекунд, а температура не падает ниже 3500°С, возможна активация повторной ионизационной волны. Это приводит к появлению лидера отдачи — фронта разряда, который возрождает деятельность электрического канала. Ключевую роль в данном процессе играет смещение так называемой точки реверса: именно её перемещение обеспечивает накопление потенциала, необходимого для возрождения бокового канала молнии.
Теория и эксперименты: единство подходов
Математические и физические модели, разработанные для описания механизмов развития молнии, были проверены на практике и показали впечатляющие результаты. Экспериментальные и расчетные данные совпадают удивительно точно: например, интервал между разрядами, необходимый для повторного возникновения лидера (от 15 до 30 миллисекунд), наблюдается в реальных атмосферных явлениях. Более того, модель позволяет с высокой точностью определять места образования новых участков электрических разрядов — эти сведения подтверждаются лабораторными экспериментами и визуализацией молний в природе. Такой синтез теории и эмпирики открывает новые возможности для понимания природы электрических разрядов и развития средств молниезащиты.
Современные вызовы и перспективы молниезащиты
В условиях растущей зависимости от электронных устройств и цифровых систем влияние грозовых явлений приобретает всё большее значение. Экономические и социальные последствия молний становятся заметнее в современном мире, а потенциальный ущерб может увеличиваться из-за глобальных климатических изменений и нарастания уровня загрязнения атмосферы. В то же время, полученные в современных исследованиях результаты являются уникальными в мировом масштабе: они не только углубляют наше понимание природы молний, но и создают прочную научную платформу для разработки эффективных технологий молниезащиты. Благодаря новым открытиям становится возможным разработать инновационные решения, которые помогут снизить риски и обеспечить большую безопасность инфраструктуры в будущем.
Молния перестаёт быть непредсказуемой загадкой природы — теперь она становится объектом системного и успешного исследования. Каждый новый шаг в изучении её физических процессов приближает нас к созданию современной эффективной защиты и к построению безопасного цифрового будущего!
В будущем наша команда намерена продолжить развитие разработанной модели, благодаря которой удастся детально описать целую цепочку лидеров отдачи, движущихся по единому каналу. Особое внимание мы уделяем финальному этапу этого процесса, когда последний из лидеров достигает поверхности Земли и превращается в так называемый стреловидный лидер. Подобные явления представляют особую опасность для систем и устройств низковольтной электроники из-за впечатляющих скоростей распространения и значительных электрических токов, что крайне актуально для современного мира, насыщенного чувствительной техникой. Именно поэтому вопрос дополнительного изучения стреловидных лидеров остается столь важным и интригующим для специалистов.
Новые горизонты в исследовании атмосферного электричества
Руководитель проекта, доктор физико-математических наук Дмитрий Иудин, уверенно заявляет: «Указанные процессы пока изучены недостаточно, однако мы убеждены, что наши дальнейшие исследования позволят не только лучше понять природу стреловидных лидеров, но и помогут повысить надежность электронной аппаратуры в сложных метеоусловиях». В лаборатории атмосферного электричества Института прикладной физики продолжается работа, направленная на раскрытие тайн электрических разрядов в атмосфере. Специалисты отмечают, насколько важно своевременно изучать опасные феномены, ведь развитие технологий напрямую связано с безопасностью их эксплуатации.
Безопасность современных технологий
В современных условиях, когда электронные устройства прочно вошли в повседневную жизнь, актуальность подобных исследований трудно переоценить. Защита техники от воздействий атмосферного электричества требует инновационных решений, основанных на глубоком понимании процессов, происходящих в природе. Исследования команды направлены не только на теоретические открытия, но и на практические рекомендации для разработки устойчивых к атмосферным разрядам систем.
Безусловно, грядущие достижения в этой сфере помогут минимизировать риски выхода из строя чувствительного оборудовании и создать новые технологии защиты. Каждый шаг на пути к пониманию атмосферных явлений наполняет исследователей энтузиазмом и желанием двигаться дальше, открывая перед отечественной и мировой наукой новые перспективы в области безопасности и инноваций.
Источник: naked-science.ru
