Мониторинг гроз: российские учёные сгенерировали и изучили молнии в лабораторных условиях
Угроза для авиации и энергетики: российские физики впервые создали детальную временну́ю карту излучений молнии. В ходе лабораторного эксперимента, имитирующего натуральный грозовой разряд, учёные ФИАН выяснили, на каких стадиях возникают рентгеновские вспышки, гигагерцевое радиоизлучение и инфракрасные импульсы. Это открытие может кардинально изменить подходы к грозопеленгации и защите критически важных объектов инфраструктуры.
Лабораторная вспышка как ключ к пониманию природных катаклизмов
Физики из Физического института имени П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) при поддержке Российского научного фонда провели серию экспериментов на уникальной высоковольтной установке. Устройство способно генерировать разряды длиной до одного метра при напряжении в 1 миллион вольт и токе порядка 1 кА. Такие параметры, по словам исследователей, максимально приближены к реальным грозовым условиям, что позволяет моделировать процессы, которые ранее было невозможно изучить в естественной среде.
Исследователи сосредоточились на феномене, который до сих пор оставался «белым пятном» в науке: молния генерирует не только видимую вспышку, но и широкий спектр электромагнитных волн — от инфракрасного до жёсткого рентгеновского излучения. Проблема в том, что в природных условиях зафиксировать точную последовательность и источники этих волн крайне сложно из-за хаотичности процесса и помех.
Как стримеры создают «радиошторм»
В ходе эксперимента учёные воспроизвели ключевые этапы развития молниевого разряда. На первом этапе формируется так называемая корона из стримеров — волн ионизированной плазмы. В этот момент, как показали замеры, генерируется интенсивное излучение в ближнем ультрафиолетовом спектре и менее выраженное — в инфракрасном. Одновременно фиксируется маломощное радиоизлучение на мегагерцевых частотах.
Кардинальные изменения происходят на второй стадии, когда от заземлённого анода к катоду устремляются встречные стримеры. Их скорость достигает колоссальных 10 тысяч километров в секунду. При столкновении с катодом формируется разветвлённая сеть плазменных каналов. Именно в этот момент, как выяснили физики, происходит резкий скачок мощности: начинается генерация сверхвысокочастотного гигагерцевого радиоизлучения, а мощность мегагерцевых волн многократно возрастает. Всё это сопровождается короткой, но мощной вспышкой инфракрасного излучения и импульсами жёсткого рентгеновского излучения.
Практическая ценность: от систем грозопеленгации до защиты электроники
На основе полученных данных авторы работы построили подробную временну́ю карту электромагнитных излучений, привязанную к конкретным фазам развития разряда. Это позволяет не просто констатировать факт наличия излучения, а предсказывать его тип и интенсивность в зависимости от стадии молнии.
Как пояснил руководитель научной группы, старший научный сотрудник отдела физики высоких плотностей энергии ФИАН РАН Егор Паркевич, результаты открывают путь к созданию многофункциональных систем молниезащиты. В частности, понимание природы рентгеновских и широкополосных радиоизлучений критически важно для подавления электромагнитных помех на борту самолётов и для защиты чувствительной радиоаппаратуры. Кроме того, на основе этой временно́й карты можно разработать новые алгоритмы для систем грозопеленгации, которые смогут не просто фиксировать разряд, но и идентифицировать его потенциальную опасность по спектру излучения.
Долгое время изучение молний ограничивалось наблюдениями с земли и спутников, которые давали лишь общую картину. Лабораторное моделирование позволило заглянуть в «микромир» разряда, где за микросекунды происходят сложные физические процессы. Теперь, когда учёные знают точную «хронологию» электромагнитного шторма, инженеры смогут проектировать более эффективные системы защиты для авиации, надводных кораблей и энергообъектов, которые ежегодно несут колоссальные убытки от ударов молний и вызванных ими помех.
