Российские ученые предложили фундаментально новый механизм зарождения молнии

Российские ученые предложили механизм, согласно которому для зарождения молнии в грозовых облаках достаточно только естественной внутриоблачной динамики. Это фундаментально новая концепция, поскольку ранее существовавшие сценарии предполагали наличие вспомогательных факторов, например высокоэнергичных частиц космических лучей. Кроме того, оказалось, что процесс инициации молний подобен нарастанию снежного кома: на каждом этапе он разворачивается на все больших и больших пространственных и временных масштабах. Открытие позволило найти ответ на вопрос о механизме зарождения молний, который оставался нерешенным более 250 лет. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Scientific Reports.

Молнии привлекают внимание человечества с древнейших времен, когда их появление объясняли действием сверхъестественных сил, например гневом богов. С развитием науки в XVIII веке эти природные явления стали однозначно связывать с атмосферным электричеством. Однако до сих пор процесс зарождения молний в грозовых облаках остается не объясненным и возглавляет список десяти наиболее важных нерешенных проблем физики молнии. Поскольку молнии представляют опасность как для жизни и здоровья людей, так и для работы электронных устройств, необходимо уметь эффективно защищаться от них. Чаще всего используются молниеотводы, которые фактически притягивают электрические разряды, но не предотвращают их. Чтобы разработать более эффективные методы молниезащиты, необходимо выяснить причины возникновения молний и механизмы их распространения.

Рисунок 1. Образование каналов с высокой ионной проводимостью в местах столкновения гидрометеоров. Источник: Iudin et al. / Scientific Reports, 2021.

Исследователи из Института прикладной физики Российской академии наук (Нижний Новгород), Приволжского исследовательского медицинского университета (Нижний Новгород) с коллегами из Университета Флориды (США) и Университета электросвязи (Япония) впервые предложили теоретическую схему, поэтапно объясняющую процесс зарождения молний. Согласно ей, мелкие кристаллы льда и капли воды в грозовых облаках — так называемые гидрометеоры — сталкиваясь, создают «всплески» электрического поля, которые генерируют большое количество разноименно заряженных частиц — ионов. Если таких центров образования ионов в облаке много и они возникают близко друг к другу, их общий электрический заряд постепенно накапливается и создает сильное электрическое поле, превышающее порог пробоя воздуха. Локальное усиление поля на дециметровых масштабах без каких-либо других внешних воздействий приводит к формированию стримеров — холодных слабопроводящих плазменных каналов. В дальнейшем разрозненные стримеры сливаются в более жизнеспособную трехмерную сеть, внутри которой в местах сосредоточения наибольших токов формируется «зародыш» молнии. Удлиняясь вдоль направления электрического поля, он превращается в полноценный молниевый канал. Характерный масштаб процесса на каждом этапе увеличивается: всплески электрического поля возникают на миллиметровых и сантиметровых масштабах, стримеры имеют длину порядка метра, а «зародыш» молнии — от десяти до ста метров. 

«Наша работа помогла решить одну из главных проблем современной физики атмосферного электричества. Предложенный механизм инициации молнии имеет экспериментальные основания и, в отличие от ранее существовавших гипотез, не требует выполнения каких-либо труднодостижимых условий, таких как, например, наличие высокоэнергичных частиц космических лучей. Полученные знания помогут разработать новые методы молниезащиты», — комментирует Дмитрий Иудин, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник ИПФ РАН и заведующий кафедрой медицинской физики и информатики ПИМУ.

Материал предоставлен пресс-службой Российского научного фонда