Ученые из МИЭМ НИУ ВШЭ приблизились к разгадке тайны движения молнии в облаках

© Коллекция Signature/ iStock

На общем собрании РАН, состоявшемся 23 апреля, работы Александра Костинского, Владимира Ракова и >Михаила Андреева по исследованию и моделированию развития молний, выполненные вместе с коллегами из академических институтов, были отмечены как одно из важнейших достижений российских ученых в 2018 году.

Доклад об основных достижениях российской науки представил 23 апреля на общем собрании РАН президент академии Александр Сергеев. Он, в частности, отметил результаты, полученные заместителем директора МИЭМ НИУ ВШЭ Александром Костинским, профессором Флоридского университета, ведущим научным сотрудником МИЭМ Владимиром Раковым и инженером факультета физики Михаилом Андреевым, которые совместно с коллегами из Института прикладной физики РАН, Высоковольтного центра ВНИИТФ и Китайской академии метеорологии, провели цикл исследований развития лидеров молний. (Полученные ими результаты представлены в публикациях Kostinskiy et al., 2018, JGR Atmospheres, v.123, 10* и Rakov et, al. 2018, IEEJ, v.138, 5 **).

Как отметил президент РАН, молнии давно являются объектом интенсивных исследований, но, поскольку их крайне тяжело изучать в естественных условиях, эти исследования до сих пор не давали детальной картины развития ступеней и скачков лидеров молнии. Представление о них можно получить изучая длинную искру с помощью высоковольтных генераторов.

Известно, что в природе 90% молний — отрицательные, то есть они рождаются в преимущественно отрицательно заряженной части грозового облака. Скоростные камеры фиксируют, как из облака выходят и движутся яркими ступенями к земле горячие отрицательно заряженные плазменные каналы, которые называют отрицательными лидерами. Когда отрицательный лидер подходит вплотную к земле, он инициирует положительные восходящие лидеры, которые стартуют к нему с высоких сооружений и деревьев.  При встрече нисходящего отрицательного лидера и восходящего к нему положительного лидера  возникает единый яркий канал между облаком и землей, который мы и воспринимаем, как разряд молнии. От точки встречи волна потенциала идет вверх и вниз. Канал молнии нагревается до 40 тысяч градусов, быстро расширяется и порождает гром.

Но 10% разрядов, которые доходят до земли — положительные, и они более опасны, так как приводят к более длительному разряду с высоким энерговкладом и от них очень плохо защищают молниеотводы. Большинство ученых считало, что положительные лидеры молнии движутся непрерывно или очень маленькими скачками (ступеньками), несравнимыми с большими ступенями отрицательного лидера.

При моделировании молниевых вспышек на высоковольтном (6 МВ) стенде впервые в мире были получены детальные изображения с высоким пространственным разрешением скачков положительных лидеров и ступеней отрицательных  лидеров с наносекундными экспозициями. Была сформулирована новая гипотеза формирования больших скачков положительного лидера в стримерной короне молнии и измерены потоки рентгеновского излучения из этой области.

Эти результаты позволяют гораздо лучше интерпретировать результаты радиоизмерений движения плазмы лидерных каналов молнии на больших высотах, которые невозможно зафиксировать скоростными камерами,  и таким образом лучше понять природу распространения молнии внутри грозовых облаков.

* Kostinskiy, A.Yu., V. S. Syssoev,  N. A. Bogatov, E. A. Mareev, M. G. Andreev, M. U. Bulatov, D. I. Sukharevsky, and  Rakov V. Abrupt Elongation (Stepping) of Negative and Positive Leaders Culminating in an Intense Corona Streamer Burst: Observations in Long Sparks and Implications for Lightning,  Journal of Geophysical Research-Atmospheres, 2018, vol. 123.  No. 10. P. 5360-5375, doi: 10.1029/2017JD027997

** Rakov, V. A.,  E. A. Mareev, M. D. Tran, Y. Zhu, N. A. Bogatov, A. Yu. Kostinskiy, V. S. Syssoev, W. Lyu. High-Speed Optical Imaging of Lightning and Sparks: Some Recent Results, IEEJ Transactions on Power and Energy. 2018, vol.138, no.5, pp.321-326, doi: 10.1541/ieejpes.138.321