Физика

Физики засняли столкновение положительного лидера молнии с отрицательным

Физики засняли столкновение положительного лидера молнии с отрицательным

Финальные кадры удара молнии перед основным разрядом

Rubin Jiang et al. / Geophysical Research Letters, 2021 / AGU

Геофизики из Китая и Индии засняли молнию, которая ударила из облака по стоящей на земле метеорологической башне, на видео с частотой 380 тысяч кадров в секунду. Полученные кадры показали, как именно перед основной вспышкой образуется единый канал с ионизированным воздухом, в котором затем происходит основной разряд. Объединение двух лидерных каналов: отрицательного — со стороны облака на землю, и положительного — в обратном направлении — начинается, когда расстояние между их концами составляет около двадцати метров, пишут ученые в Geophysical Research Letters.

Удар молнии, которая бьет из облака по стоящим на земле объектам, состоит из нескольких стадий. Сначала в результате атмосферной конвекции во время грозы происходит разделение зарядов и в облаке возникают сильно заряженные области. После этого из облака по направлению к земле начинают ветвиться стримеры — тонкие тусклые слабо проводящие каналы, заполненные ионизированным газом и отщепленными от атомов электронами. Когда отрицательный стример, растущий из облака вниз, подбирается довольно близко к земле, навстречу ему со стороны земли начинает расти ответный положительный канал. В какой-то момент два этих канала встречаются и сливаются, образуя общую стримерную зону. Одновременно с ростом стримерных каналов по ним ступенями по несколько десятков метров начинают распространяться лидеры молнии — сильно проводящие термоионизированные каналы, ток в которых составляет порядка 1–2 килоампер. Заканчивается весь процесс встречей положительного и отрицательного лидеров и последующим обратным разрядом — самым ярким разрядом во время молнии с током в несколько десятков килоампер, который движется снизу вверх.

Несмотря на то, что общая последовательность стадий во время удара молнии известна довольно хорошо, многие важные детали все еще плохо изучены — в первую очередь, из-за технических сложностей: удар молнии — очень быстрый процесс, который при этом происходит на больших расстояниях, и в среде с очень высокими температурой, разницей потенциалов и током. В частности, далеко не все понятно про заключительные стадии этого процесса: когда зарождается ответный лидер на земле, в какой момент формируется единая стримерная зона молнии и как именно происходит столкновение двух лидерных каналов.

Изучить тонкую структуру стримерных и лидерных каналов на финальных этапах удара молнии удалось геофизикам из Китая и Индии под руководством Жубинь Цзяна (Rubin Jiang) и Абхая Сриваставы (Abhay Srivastava) из Института физики атмосферы Китайской академии наук. Для этого ученые засняли удар молнии в стоящую на земле 235-метровую метеорологическую башню в Пекине. Чтобы разглядеть непосредственное объединение двух стримерных зон и столкновение положительного и отрицательного лидеров, которое произошло на высоте 145 метров над вершиной башни, ученые провели съемку с частотой 380 тысяч кадров в секунду.

Последовательные кадры столкновения двух лидерных каналов во время сквозной фазы молнии. Снизу — цветовые карты последовательных стадий объединения лидерных каналов

Rubin Jiang et al. / Geophysical Research Letters, 2021

В результате авторам работы удалось получить два последовательных кадра, которые разделяет между собой всего одна 380-тысячная секунды, — на первом из них два лидера еще не столкнулись, а на втором — уже произошла вспышка и зародился обратный разряд. По этим кадрам, слияние положительной и отрицательной стримерных зон и формирование общего стримерного канала произошло, когда концы положительного и отрицательного лидерных каналов находились на расстоянии более 23 метров друг от друга.

Существует две основных гипотезы, как после образования общей стримерной зоны протекает стадия сквозной фазы (breakthrough phase), когда положительный и отрицательный лидеры находятся уже очень близко друг к другу. Первая гипотеза предполагает возникновение нескольких тонких стримерных каналов, соединяющих положительный и отрицательный лидеры, которые затем сливаются в общий канал. По второй гипотезе, из концов обоих лидерных каналов начинают ветвиться тонкие канальчики, два из которых встречаются и расширяются, а остальные после этого — затухают.

Две основные гипотезы о механизме столкновения двух лидеров молнии: слева — сценарий слияния нескольких параллельных стримерных каналов, справа — отбор одной из веточек лидерного канала

Rubin Jiang et al. / Geophysical Research Letters, 2021

По словам ученых, данные их съемки подтверждает второй сценарий. В сквозной фазе лидерные каналы расширились (скорость расширения составила около тысячи километров в секунду) и стали намного ярче. В результате этого сократился зазор между лидерами: на последнем кадре, предшествующем вспышке обратного разряда, концы двух лидерных каналов разделяли всего 16 метров. Ученые считают, что траектория столкновения двух лидеров молнии определилась уже в тот момент, когда возникла общая высоко-импедансная стримерная зона, а при самом столкновении по намеченной траектории в этой зоне формируется канал горячей плазмы.

Ученые отмечают, что полученные ими результаты явно демонстрируют механизм формирования канала, в котором происходит основной разряд молнии. Тем не менее, по словам геофизиков, одной видеосъемки недостаточно, чтобы делать общие выводы, поэтому для подтверждения этих выводов необходимы дальнейшие наблюдения и эксперименты.

Вероятность ударов молнии по объектам на поверхности земли или моря зависит не только от их формы, но и от свойств и состава воздуха. Например, несколько лет назад геофизики обнаружили, что из-за высокой концентрации аэрозольных частиц в выхлопах кораблей частота ударов океанских молний примерно в два раза выше в тех областях, через которые проходят судоходные линии.

А посмотреть на фотографии других удивительных явлений, которые в результате электрических разрядов происходят в атмосфере, вы можете в нашем материале «Спрайты, эльфы и синие струи».

Источник

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»
Закрыть
Закрыть