Мир полон загадок, и одна из них — как рождается молния — стала чуть менее загадочной. Ответ кроется в модели нижегородских физиков — теперь настала и ваша очередь узнать это.
Молния — явление, которое видел, наверное, каждый. Впечатляет, спору нет, и немного (или много) пугает.
Казалось бы, ну молния и молния, чего там изучать? В школе же рассказывали: тучки потёрлись, заряды накопились — шарахнуло. Плюс-минус, всё понятно.
Как-то так
ifehacker.ru
Но если копнуть глубже, окажется, что сам момент запуска молнии, её зарождение, долгие годы оставался для учёных той еще задачкой.
Даже больше — оказывается, этот вопрос входит в список чуть ли не десяти главных нерешённых проблем физики атмосферного электричества.
Серьёзно.
pinterest.com
И вот недавно исследователи из Нижнего Новгорода, из Института прикладной физики РАН, разработали модель, которая очень толково объясняет, как вообще эти молнии появляются.
Что не так?
Итак, в чем же была основная сложность? Учёные давно знали, что в грозовых облаках, где трутся друг о друга частички льда и воды, время от времени появляются короткие электрические разряды. Их называют стримеры.
Это такие себе предвестники молнии — небольшие, холодные и очень недолговечные. Они вспыхивают буквально на доли миллисекунды и тут же гаснут. Сами по себе они погоды не делают и в полноценную молнию не превращаются.
А то, что мы видим как молнию — горячий плазменный канал — называется лидер. Но как из этих мелких, быстро исчезающих стримеров получается такой мощный и устойчивый лидер? Какой механизм превращает эти отдельные вспышки в единый, самоподдерживающийся разряд?
dzen.ru
Вот этот переход и был главной загадкой.
Нижегородский подход
Нижегородские физики не стали изобретать велосипед. Вместо этого они создали подробную трёхмерную численную модель зарождения молнии для симуляции всяких процессов.
В центре внимания был так называемый «зародыш молнии». Это, по сути, начальная плазменная структура, которая, если уж возникнет, начинает сама себя разогревать за счет токов, протекающих через нее в электрическом поле облака. И в итоге именно из этого «зародыша» и вырастает тот самый многокилометровый канал молнии, который мы наблюдаем.
Модельные «зародыши» молнии (выделены оранжевым цветом), возникающие при различных напряженностях электрического поля грозового облака на высотах 6 и 9 километров.
Артём Сысоев
Исследователи моделировали образование этих зародышей на двух типичных для гроз высотах — 6 и 9 километров. При этом они учитывали ключевые параметры: высоту над уровнем моря, насколько сильное электрическое поле в облаке и как часто там появляются новые стримеры.
И, похоже, им удалось нащупать кое-что важное.
Как это работает?
Если не вдаваться в сложные формулы, то основная идея такая: молния зарождается не из-за какого-то одного супер-стримера, а в результате взаимодействия и объединения множества таких стримерных каналов.
Оказывается, что в облаке, по модели нижегородцев, эти отдельные, короткоживущие разрядные каналы, даже в не самых сильных электрических полях, могут сливаться, образуя протяженные проводящие кластеры. Получается такая своего рода электрическая сеть из стримеров.
Когда такой кластер достигает определенной критической длины — а это, по расчетам, несколько десятков метров, — он и становится тем самым «зародышем молнии».
Примеры «зародышей» молний, образовавшихся на высотах 6 (нижняя панель) и 9 (верхняя панель) километров, а также распределения электрического потенциала (изолинии) и электрического поля (стрелки)
Артём Сысоев
Это уже не просто набор отдельных искр, а структура, которая может развиваться сама. Она уже достаточно заметна для электрического поля облака, чтобы начать активно питаться его энергией и расти дальше и стать той самой молнией, которая может спалить дуб или отключить электричество в целом районе.
Вроде бы всё просто, но как всегда — есть парочка условий.
proidemtes
Во-первых, стримеры должны появиться в нужном месте в нужное время. То есть, очень близко друг к другу и практически одновременно. Учитывая, что жизнь отдельного стримера — это доли миллисекунды, синхронность тут критична. Если один появился, а другой через полсекунды, они просто не успеют объёдиниться.
Кстати, на больших высотах (например, 9 км), где воздух более разрежен, стримерам нужно быть ещё гуще, чтобы образовать жизнеспособный кластер.
Ну а во-вторых, стримерам нужна подпитка для роста. Чтобы каналы могли удлиняться и сливаться, необходимо, чтобы в этой конкретной зоне облака было достаточно сильное электрическое поле. Не какое-то экстремально мощное, как предполагали некоторые старые теории, а просто локально усиленное.
Такое усиление, к слову, может быть результатом предыдущей разрядной активности в том же районе облака.
pinterest.com
Почему это убедительно?
Ну ладно, теперь вот у нас есть ещё одна модель для молний… чем она лучше других? Дело в том, что предложенный нижегородскими физиками механизм не требует каких-то экзотических или маловероятных условий.
Например, раньше одни предполагали, что для молнии необходимо нереально сильное электрическое поле внутри облака — такое, какое в обычных условиях и не встретишь.
Другие кивали на космос, мол, нужны высокоэнергичные космические частицы, которые влетают в атмосферу, ионизируют воздух и дают старт разряду. Звучит, конечно, эпично, но как-то слишком сложно.
Minecraft
Модель же учёных из ИПФ РАН подкупает своей элегантной простотой и реалистичностью. Ей не нужно чего-то экстраординарного или какой-то помощи извне. Всё происходит в условиях типичного грозового облака.
Просто нужна, так сказать, критическая масса стримеров, которые собрались в нужном месте и в нужное время. Это как раз тот случай, когда «чем проще — тем лучше».
А самое главное, что всё это можно проверить как в лаборатории на мощных установках, так и дополнительно привязать к метеорологии в реальных условиях.
Почему это важно
Ладно, всё это здорово и интересно само по себе, но практическая польза-то какая от этого? Завтра на даче шашлыки жарить безопаснее станет? Ну, прямо завтра, может, и не станет. Но вот в перспективе — очень даже!
pinterest.com
Давайте не будем забывать, что молния — это не только красиво, но и травмоопасно. Каждый год от ударов молний гибнут и получают травмы люди. Статистика тут, увы, не врёт.
Молниевые разряды нередко приводят к травмам и гибели людей, пожарам, аварийным отключениям электричества, а иногда и к крупным техногенным катастрофам. Экономический ущерб молниевых разрядов продолжает расти из-за широкого распространения слаботочной микроэлектроники и в связи с тенденцией к цифровизации человеческой деятельности.
Артём Сысоев
научный сотрудник лаборатории нелинейной физики природных процессов ИПФ РАН
Проще говоря, вся наша современная электроника, от смартфонов до сложных промышленных систем, очень уязвима перед ударами молний. Скачки напряжения — это прямая дорога в сервисный центр для ваших любимых (и дорогих) гаджетов (у меня самого как-то раз из-за грозы сгорела сетевая карта на ПК, кстати).
Так вот, чем лучше мы понимаем, как именно запускаются разряды молний, тем больше у нас шансов придумать более умные и эффективные средства защиты. Если мы знаем слабые места в механизме рождения молнии, может, получится как-то на этот процесс влиять?
Говорят, что молния не бьёт два раза в одно и то же место. А вот в Останкинскую башню молнии попадают 30-40 раз в год
Большая российская энциклопедия
Или, как минимум, точнее прогнозировать особо опасные зоны и вовремя эвакуировать оттуда всё ценное, включая себя любимых. Так что результаты этой работы в перспективе могут быть очень даже полезны для усовершенствования существующих систем молниезащиты.
В итоге
А в итоге получается, что даже такие, казалось бы, хорошо известные явления, как молния, всё ещё хранят свои секреты. Однако загадка, над которой десятилетиями учёные ломали головы, стала гораздо проще.
Теперь, когда за окном разразится гроза, знайте: где-то там, высоко в облаках, только что произошёл невероятно сложный и красивый процесс коллективного запуска из мириадов крошечных искр.
Ну а то, что мы теперь немного лучше понимаем всё это, — во многом заслуга ребят из Нижнего Новгорода.
ferra.ru
И это не просто ещё одна галочка в списке научных достижений. Это шаг к более безопасному и технологически продвинутому будущему.
Такие дела.
