Нижегородцы вывели "формулу" молнии

Коллектив ученых под руководством доктора физико-математических наук, ведущего научного сотрудника Института прикладной физики Российской академии наук (ИПФ РАН) Дмитрия Иудина разработал математическую модель, которая объясняет, как и почему образуются и распространяются ступени молнии около поверхности земли.

Соответствующая статья опубликована в Journal of Geophysical Research, исследования поддержал Российский научный фонд (РНФ).

Наш век - век слаботочной электроники, которая легко может быть превращена в кучу бесполезного хлама индукционными токами, наводимыми молниевым разрядом. Именно поэтому так важно понимание природы их распространения. На основе новых знаний инженеры смогут построить более совершенные методы защиты от молний.

Иудин и его коллеги заинтересовались тем, как молния "выбирает" путь своего движения по направлению к поверхности Земли, как возникают своеобразные "ступени", по которым электрический заряд спускается вниз, и почему те заставляют его ветвиться.

Физики из ИПФ РАН разработали численную модель, которая позволила объяснить, почему отрицательный лидер молнии распространяется ступенями. С ее помощью ученые впервые воспроизвели полный цикл их формирования. Образование каждой новой ступени заканчивается мощной вспышкой искровых пробоев, причем в этот момент отрицательный заряд распределяется неоднородно. Как показали расчеты Иудина и его коллег, благодаря этим неоднородностям формируются новые, обособленные сегменты лидера.

- Из всех грозовых разрядов так называемые отрицательные молнии, в которых основной носитель тока - отрицательно заряженный электрон, составляют большинство - около 90 процентов, - рассказывает Дмитрий Иудин. - Именно их мы исследовали в нашей работе.

Молниевые разряды являются и в прямом, и переносном смысле яркими примерами объектов с фрактальной или самоподобной структурой. В окружающем нас мире очень широко распространены системы, поведение которых демонстрирует самоподобие: деревья являются увеличенными копиями своих ветвей, крупные реки воспроизводят на больших масштабах структуру своих притоков, паутина кровеносной системы повторяет рисунки капилляров. Рост деревьев и дренажные системы речных бассейнов, растительный покров и лесные пожары, просачивание жидкости сквозь грунты и сейсмичность, эволюция популяций и динамика финансовых кризисов - все это примеры активного проявления фракталов в природе. Не являются исключениями и грозовые электрические разряды. В частности, несущие к земле отрицательные заряды так называемые лидеры (основные части молний), ступени которых были зарегистрированы почти сто лет назад.

По словам ученого, именно принцип самоподобия подтолкнул коллектив к изучению молний на основе простой степенной функции - фрактальной размерности Мандельброта (французский и американский математик, автор книги "Фрактальная геометрия природы". - Прим. ред.).

Прямая речь

Дмитрий Иудин,доктор физико-математических наук:

- Фракталы помогли нам связать форму с содержанием, и уже в 2017 году мы создали весьма достойную численную модель развития молнии. Но модель 2017 года не учитывала такого важного феномена, как асимметрия заряда. Она обусловлена тем, что основным носителем тока является отрицательно заряженный электрон, поскольку ионы слишком инертны для такой работы. Сейчас мы смогли объяснить появление ступеней отрицательного лидера на основе новой численной модели, которая реализует более высокое пространственно-временное разрешение и учитывает асимметрию заряда. В общем, она более точная.