Реальная гипотеза зарождения и развития грозовой молнии

На данный момент изучению формирования и развития молнии посвящено огромное количество работ, в которых рассмотрены процессы начиная от зарождения электрических зарядов в облаках кончая формированием грозового разряда – молнии. Процесс зарождения молнии остаётся одной из наиболее важных, нерешенных задач физики атмосферного электричества.

Для объяснения процесса возникновения молниевого разряда в разное время было предложено несколько концепций. Одной из первых гипотез образования молний является теория, разработанная учёными под руководством Александра Гуревича, в которой молнии рождаются под влиянием высокоэнергетических частиц космического излучения 10¹⁶ev [1, с. 1177-1199; 2, с. 452-456]. Однако теория возникновения молний, связанная с космическим излучением сверхвысоких энергий не нашла поддержки в научном сообществе из-за её несостоятельности.

В 1991 году Норвежские учёные открыли «тёмную молнию» [3, с. 8]. Авторы работы утверждают, что гамма-лучи возникают в результате взаимодействия молекул воздуха с электронами, которые двигаются со скоростью, близкую к скорости света. В результате их столкновения с молекулами воздуха возникает гамма-излучение, которое вызывает мощный радиоимпульс. Далее в грозовом облаке возникает электрический разряд – молния. Практическое подтверждение существования «тёмных молний» было опубликовано в работе [4, с. 47-49], в которой экспериментально был доказан механизм образования «тёмной молнии».

Наиболее признанной на сегодняшний день моделью возникновения гамма-вспышек в грозовых облаках является «Релятивистская модель разряда с обратной связью» американского ученого Джозефа Дуайера, выдвинутая им в 2003 году [5]. В грозовом электрическом поле есть электроны, летящие со скоростью света. Сталкиваясь с атомами воздуха, они выбивают новые электроны, и таким образом их количество увеличивается. Один электрон рождает тысячи, получается лавина. Согласно модели, предложенной американским ученым, взаимодействуя с молекулами воздуха, электроны порождают тормозное гамма-излучение, которое позволяет высвободиться позитронам. Они положительно заряжены и движутся в обратную сторону относительно лавины электронов. Позитроны, в свою очередь, также сталкиваются с молекулами воздуха и также выбивают из них электроны, порождая новые лавины. Таким образом реализуется позитронная обратная связь.

В работе [6] в результате многочисленных измерений установлено, что «радиоизлучение каждой молнии начинается с очень короткого биполярного импульса с длительностью первого пика порядка 100 ns. Перед ним в течение, по крайней мере, 500 ms не регистрируется радиоизлучения, отличного от фонового. Форма, ширина и амплитуда начального импульса согласуются со значениями, предсказываемыми теорией совместного действия пробоя на убегающих электронах и широкого атмосферного ливня (ШАЛ), инициированного первичной частицей с энергией порядка 10¹⁶ eV. С помощью фоторегистратора с временной развёрткой было детально изучено развитие разряда молнии от облака до земли. Разряд развивается лавинообразно, сначала в виде ионизованного канала, получившего название лидера молнии, который ступенчато продвигается от облака к земле. Скорость ступенчатого движения лидера к земле равна приблизительно 45·10⁶ м/с, при чем интервал между ступенями составляет около 100 мкс. Длина каждой ступени лидера – около 45 м, так что полное время движения до земли может достигать 0,02 с. Затем по этому ионизованному каналу от земли к облаку движется основной разряд со скоростью от 2·10⁷ м/с до 15·10⁷ м/с. Был обнаружен мощный поток γ-излучения в период ≈ 100 µs перед возвратными ударами молний. Наблюдаемое излучение занимает обширную пространственную область».

Лю и Дуайер [7] предположили, что инициация молнии может начаться с множества мелкомасштабных разрядов, случайным образом возникающих между противоположно заряженными гидрометеорами в локализованной области грозового облака.

Юдин и соавторы [8] показали, как практически непроводящее грозовое облако засеивается областями повышенной ионной проводимости, пространственной протяжённостью 0,1–1 м и временем жизни 1–10 с. В работе показано, что электрическое поле на поверхности областей повышенной ионной проводимости в как минимум в 3 раза выше, чем у окружающей среды. Для максимального окружающего электрического поля 100 кВ/м, обычно измеряемого в грозовых облаках, такого усиления поля достаточно для инициации положительных стримеров и их распространения на расстояния порядка дециметров, и это будет происходить естественным образом, без каких-либо внешних агентов (например, сверхэнергетических частиц космических лучей). При условии, что каждая область повышенной ионной проводимости сгенерирует хотя бы один стример в течение своего жизненного цикла, стримеры сформируют 3D-сеть, некоторые части которой будут содержать сегменты горячих каналов, созданные за счёт кумулятивного нагрева и/или термоионизационной нестабильности. Эти же исследователи [9] 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 разноимённо 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 создаёт 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».

В работе [10, с. 867-894] для объяснения процесса возникновения молниевого разряда учёные разработали численную модель, объясняющую механизм формирования молнии в грозовых облаках, в которой за счёт слияния множественных стримерных каналов в единую сеть возникает «зародыш» молнии даже при сравнительно слабых внутриоблачных электрических полях. Даже при слабом электрическом поле в облаке они могут формировать протяжённые проводящие кластеры. Когда длина такого кластера достигает критической величины – нескольких десятков метров – он становится зародышем молнии и способен развиваться дальше благодаря высокой поляризации. Для образования такой структуры необходимы два условия. Во-первых, стримеры должны появляться достаточно близко и почти одновременно, так как их существование ограничено долями миллисекунды. Во-вторых, рост каналов возможен только при достаточной напряжённости поля, которая возникает локально вследствие предыдущей разрядной активности.

При исследовании импульсного электрического разряда амплитудой до 6 МВ генерируемого генератором Маркса [11] был зафиксирован сверхширокополосный электромагнитный импульс, который возникал примерно за 1 мкс до того, как напряжение на высоковольтном электроде достигнет своего максимального значения, и может рассматриваться как новое физическое явление.

Анализируя все предложенные теории, используя новейшие достижения и расчёты ведущих учёных в области изучения молниевого разряда, то теорию его развития можно описать следующим образом. Грозовое облако представляет собой локализованную область с резко выраженной конвективной и электрической активностью [12]. Оно может состоять из одной или нескольких ячеек. Напряжённость электрического поля в таких облаках может достигать нескольких тысяч вольт на метр. Исследования показали, что на фоне относительно малых объёмных зарядов в облаке случайным образом располагаются отрицательные и положительные объёмные заряды высокой плотности. В среднем зоны экстремальных нагрузок имеют размеры от десяти до ста метров. Однако в грозовом облаке, особенно в стадии его развития, существуют сильные турбулентные потоки, которые создают существование хаотически расположенных по облаку зарядов, способные формировать значительные электрические поля, характерные для активных зон грозовых облаков. По мере развития облаков зоны неоднородностей становятся существенно больше, возрастая с 50–100 м до 200–400 м в стадии зрелости [13, с. 3-8]. Ракетные зондирования грозовых облаков [14; 15, с. 359-370] позволили уточнить раннее полученные результаты, значения величин напряжённости электрического поля, характерные для активной зоны грозовых облаков, и они оказались равными (100–200) кВ/м и более.

Рис.1 Схема образования и развития грозовой молнии

Исследователи Д. И. Юдин и др. [16] 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. Возникает первичный электрический разряд. Согласно открытию, опубликованным в работе [17, с. 46-51], при резком уменьшении радиуса электрода (в данном случае уменьшении площади заряженной области облака) происходит скачок напряжённости электрического поля:

, (1)

При условии, что напряжение составляет 100 В, а радиус зарождения разряда 1 мкм, то возникающая при этом напряжённость достигает 10¹² В/м. Под действием такой напряжённости происходит ионизация областей вокруг первичного разряда с последующим образованием стримера. Каждый образовавшийся стример порождает как минимум один, а то и больше новых стримеров. Объединяясь в замкнутую цепь, они создают все условия для образования лидера, при этом выполняются все моменты отражённые в работе [10, с. 867-894], а именно - стримеры появляются достаточно близко и почти одновременно, а рост каналов обеспечен достаточной напряжённостью поля, которая возникает локально вследствие предыдущей разрядной активности. Образовавшийся лидер (лидеры) ступенчато продвигается (продвигаются) от облака к земле, образуя ветвистую структуру разряда. Каждая ступень лидера излучает радиоимпульс, а при достижении определённой энергии разряда и достижения напряженности электрического поля более 10¹⁶ В/м, каждая последующая ступень порождает гамма-излучение. Впервые всплески рентгеновского излучения с энергиями в десятки мегаэлектронвольт были обнаружены в 1994 году обсерваторией Комптона, при изучении грозовой активности в атмосфере Земли [18, с. 1313-1316]. Эти излучения подтверждаются результатами работы [6], в которой экспериментально установлено, что грозовые облака изучают «сотни или тысячи» коротких мощных радиоимпульсов непосредственно перед ударом молнии.

Рис. 2. Схема образования и развития грозовой молнии из облака на землю (на снимке)

Их форма, как отмечают исследователи, соответствует модели убегающих электронов. Такая напряжённость электрического поля (более 10¹⁶ В/м) порождает все условия для образования сильно разветвлённого «проводящего дерева». Авторами работы [19] установлено, что «внутриоблачные разряды почти всегда возникают либо сами по себе, либо в начале вспышки молнии, это убедительно свидетельствует о том, что они являются инициирующими формированиями для образования грозовых электрических разрядов». В результате моделирования развития внутриоблачных молний [20, с. 50-71] получена гипотеза, что импульс тока внутриоблачной молнии протекает как чисто стримерный пробой (гигантская лавина стримеров), развивающийся без формирования лидерного канала.

Рис. 3. Схема образования и развития грозовой молнии от земли к облаку (на снимке)

Каждый лидер при образовании новой ступени своего развития образует импульс высокой напряжённости 10¹⁶ В/м, преимущественно распространяющийся в направлении электрического поля грозового облака, так и во всех остальных направлениях. В результате происходит ионизация окружающего пространства, образование новой ступени развития лидера и разрастание «ветвей проводящего дерева». Ранее в работе [21, с. 9‐15] было показано, что каждая часть молнии является поджигающим разрядом для формирования следующей «черной молнии» при чем, чем мощнее поджигающий разряд, тем мощнее «темная молния», тем ниже пробивные градиенты для развития длинной молнии. В образовавшийся основной канал молнии происходит вливание боковых каналов молнии, которые и образуют видимую древовидную структуру образовавшейся молнии. Наиболее мощные «темные молнии» создают более мощные гамма и рентгеновское излучения, основная мощность которых направлена вдоль молнии.

В результате работы [22, с. 6‐9] была предложена гипотеза развития молнии, которая в свете дополнения достижениями новых научных исследований получила практически полную концепцию образования и развития грозового разряда – молнии, изложенную в данной работе. В подтверждение данной модели доказывают результаты работы [23, с. 8165-8171] в которой исследователи наблюдали так называемые необычные плазменные образования в искусственных облаках отрицательно заряженных капель воды. Эти образования появились в виде сетей стримеров дециметрового масштаба со встроенными сегментами горячих каналов, сложным образом взаимодействующими друг с другом.

Таким образом, образовавшаяся молния между облаком и землёй похожа на «дерево» (рис. 1–3) с тем лишь отличием, что все внутриоблачные заряды стекаются по ветвям к стволу «дерева» (основному каналу разряда молнии), увеличивая его (её) диаметр и мощность разряда.