Изучение молнии даже в рамках научного подхода имеет очень долгую историю. Начиная с самых первых попыток ее изучения и заканчивая современным состоянием этой области научного знания, экспериментальные данные о молнии опираются, главным образом, на наблюдения ее проявлений в собственном излучении в видимом диапазоне  электромагнитных волн. При этом начальный этап развития молнии, протекающий внутри грозового облака, – зарождение лидера и формирование сети разрядных каналов, обеспечивающих сбор заряда с большого объема облака в канал молнии, был и остается недоступным для наблюдений, поскольку электромагнитное излучение видимого диапазона сильно рассеивается в облачной среде. Значительная часть информации о физическом механизме молниевого разряда была получена лабораторным путем, и вся она относится к той его части, который протекает снаружи грозового облака. Процессы же, происходящие внутри облака, для таких исследований оставались, по-прежнему, недоступными.

В настоящее время развивается техника регистрации разрядов внутри грозовых облаков по импульсам их электромагнитного излучения в дециметровом диапазоне длин волн, для которого облачная среда прозрачна. Но эта диагностика пока не дает ясного понимания источников регистрируемого излучения и их связи с основными элементами молниевого разряда (лидером, стримерной короной и чехлом лидера).  

Последние три десятилетия ведутся исследования разрядов, возникающих в искусственном заряженном облаке водного аэрозоля, призванном промоделировать среду грозового облака. В таких экспериментах удалось наблюдать некоторые разрядные процессы, происходящие вне облака, свойственные естественной молнии и отсутствующие в электродных искровых разрядах. Но развитие разряда внутри искусственного облака оставалось до настоящего времени не изученным по той же причине, что и в естественных грозовых облаках, - из-за сильного рассеяния излучения видимого диапазона в облаке.

Одна из установок с искусственным заряженным аэрозольным облаком (рис.1) была создана на высоковольтном стенде Истринского филиала Всероссийского энергетического института (ВЭИ) В.С.Сысоевым, Л.М.Макальским и Д.И.Сухаревским. На этой установке искусственное заряженное облако водного аэрозоля генерируется посредством конденсации в расширяющейся струе водяного пара, проходящей через коронный разряд. Средний диаметр капель в этом облаке ~ 1 мкм. Такие капли сильно рассеивают электромагнитное излучение видимого диапазона, но имеют сравнительно небольшое сечение рассеяния для инфракрасного излучения, длина волны которого намного превышает размер капель. Это обстоятельство мы использовали в недавних совместных экспериментах ИПФ РАН и ВЭИ (с участием также В.А.Ракова - профессора Университета Флорида, США, являющегося в настоящее время научным руководителем выполняемого в ИПФ РАН мега-гранта "Молнии и грозы: физика и эффекты", и А.Ю.Костинского из ВШЭ), чтобы увидеть разряды внутри искусственного заряженного облака водного аэрозоля. Мы применили ИК видеокамеру, чувствительную к электромагнитному излучению с длинами волн в диапазоне 5 – 7 мкм. Для такого излучения искусственное облако было серым телом. Контраст изображения разрядов на фоне теплового излучения облака был невысоким, но большой динамический диапазон камеры в сочетании с обработкой изображений (вычитание предыдущего кадра и усиление контраста) позволили нам получить довольно качественные детальные изображения внутриоблачных разрядов. Заметим, что размер капель в натурных облаках составляет в среднем десятки микрометров, и облака должны быть непрозрачны во всем ИК диапазоне.

 

 

 

Рис.1. Генератор заряженного облака водного аэрозоля на высоковольтном стенде в г. Истра.

  

 

Рис.2. Отрицательно заряженное облако. Справа внизу - верхняя часть канала восходящего положительного лидера, стартовавшего от заземленного металлического шарика. Слева вверху - множество сталкеров в виде метлы. Лидер и сталкеры взаимодействуют посредством множества стримеров.

 

На изображениях обычных (возникающих вне облака) стримерных и лидерных разрядов, получаемых с помощью ИК камеры, хорошо видны система нагретых каналов ветвящихся лидеров, их стримерные зоны  и пучки стримерных вспышек от электродов. Внутри облака в ИК изображениях помимо положительных и отрицательных лидеров с их стримерными зонами, подобных обычным (вне облака) лидерным разрядам, наблюдаются разрядные каналы, отличающиеся  по форме и свойствам от обычных лидерных и стримерных разрядов. Мы назвали этот новый вид разрядов – сталкеры. Естественно ожидать, что так же как лабораторный искровой разряд во многих своих свойствах подобен молнии, так и сталкеры – разряды, появляющиеся внутри искусственного заряженного облака, - подобны разрядам, генерируемым внутри грозовых облаков. На рис.2 приведен один кадр ИК камеры, на котором

 

 

 

Рис.3. 1 – центральный плазменный канал (сталкер), 2  – отрицательный лидер, 3 – ветвящейся вниз сталкер, 4 – нисходящий положительный лидер, 5 – положительная стримерная корона.

Большая часть разряда находится внутри облака и не фиксируется в видимом диапазоне.

 

 

запечатлена находящаяся внутри облака верхняя часть канала положительного лидера, восходящего от заземленного металлического шарика, сеть сталкеров ближе к центру облака и слабосветящиеся потоки стримеров, соединяющих сталкеры с искровым каналом. В этом эпизоде появление сталкеров в облаке было инициировано приближением к облаку восходящего лидера, хотясталкеры могут рождаться и в отсутствие лидерных разрядов. Более того, сталкеры способны порождать лидерные разряды. Пример такого события показан на рис.3. Сталкер, появившийся внутри положительно заряженного облака, дает начало положительному  и отрицательному лидерам, формирующимся на противоположных концах сталкера. Отрицательный лидер уходит вверх, к вершине облака, а положительный - вниз, к земле, и выходит из облака. В тех случаях, когда положительный лидер достигает земли, происходит обратный удар и формируется завершенный искровой разряд, снимающий значительную часть заряда облака. Очень вероятно, что подобным образом начинаются и молниевые разряды в грозовых облаках.

Исследование сталкеров может дать ответ на многие нерешенные до настоящего времени вопросы, касающиеся инициации и формирования молниевого разряда в грозовом облаке на его ранней стадии -  до того момента, когда уже сформировавшийся лидер молнии выйдет из облака и станет доступен традиционным наблюдениям. 

Обнаружение разрядов нового типа внутри искусственного облака заряженного водного аэрозоля, регистрация их структуры и установление их связи с формированием лидерных разрядов было признано одним из лучших научных результатов ИПФ РАН в 2014 году.

 

Научный сотрудник отдела

геофизической электродинамики ИПФ РАН

Н. А. Богатов.