Зачем ученые зажигают молнии в лаборатории? Интервью со старшим научным сотрудником ФИАН Егором Паркевичем

Ученые отдела высоких плотностей энергий ФИАН имитируют молнии в лабораторных условиях. Физикам удалось отследить ключевые стадии развития электрического разряда, связанные с генерацией различных видов электромагнитного излучения (рентгеновского, ультрафиолетового, инфракрасного и др.), и установить их локальные источники. Об экспериментальном изучении молний корреспонденту «Научной России» рассказал руководитель научной группы Егор Вадимович Паркевич.

Справка: Егор Вадимович Паркевич ― кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник отдела физики высоких плотностей энергий Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН), участник проекта «Жесткое рентгеновское и широкополосное радиоизлучение лабораторного атмосферного разряда: динамика, источники, механизмы генерации», поддержанного грантом РНФ, руководитель молодежной научной группы «Лазерная диагностика быстро эволюционирующих фазовых объектов со сложной внутренней микроструктурой».

― Что представляют собой молнии, которые вы создаете в лаборатории?

― Правильнее будет сказать, что мы имитируем молнии, а не создаем их, потому что есть большая разница между протеканием этих процессов в грозовых разрядах в природе и лабораторными экспериментами и их довольно сложно сопоставить друг с другом. Возвращаясь к вашему вопросу, я хотел бы рассказать о том, какой именно тип молний мы исследуем здесь в ФИАН. Пожалуй, говоря о молнии, большинство людей представляют их как результат развития разряда от грозового облака до Земли: появление яркого светящегося канала, сопровождаемого мощным громом, вспышкой света и другими сопутствующими процессами. Но есть и более необычные разряды: например, происходящие непосредственно внутри облака, так называемые внутриоблачные компактные разряды, состоящие из очень большого количества стримеров (каналов слабоионизованной плазмы, создающих путь для развития молнии. ― Примеч. ред.); их наблюдение в лабораторных условиях крайне затруднено.

Существуют и более интересные типы разрядов, которые развиваются, например, на внешней стороне облака, в верхних слоях атмосферы: так называемые джеты, спрайты и высотные разряды типа эльфов, которые тянутся на десятки километров вверх.

― То есть они идут не к Земле, как мы привыкли, а от Земли?

― Да, некоторые разряды могут развиваться и в таком направлении. Процессы в них протекают с разной интенсивностью и на разных пространственно-временных масштабах. Некоторые из этих процессов невероятно быстрые и длятся около одной 1 нс (одна миллиардная доля обычной секунды. ― Примеч. ред.): это время, за которое свет в вакууме успевает пройти всего 30 см. Есть еще более быстрые: субнаносекундные.

В своих исследованиях мы пытается определить некий фундаментальный процесс, лежащий в основе образования молнии. В нашем эксперименте они формируются между заряженным электродом и заземленным электродом. По сути, это миниатюра привычной нам молнии, которая идет от грозового облака до поверхности Земли, о чем мы говорили выше.

Безусловно, это не количественное, а качественное сравнение, позволяющее нам тем не менее подойти довольно близко к изучению глубинных механизмов, лежащих в основе формирования молнии.

― В каких именно условиях проходит такая имитация молнии?

― Условия нашего эксперимента достаточно близки к тем, что наблюдаются во время грозовых разрядов в природе.

Наша установка позволяет получать импульсы напряжения до миллиона вольт при токах в единицы килоампер, что близко к финальной стадии развития молнии.

Мы пытаемся проникнуть в эти процессы с высоким временны́м разрешением в пространстве, отследить и посмотреть на сопутствующие им электромагнитные явления. Это и есть предмет наших исследований.

― Вы сказали, что процессы, протекающие в молнии, крайне быстрые и могут длиться всего наносекунды, но обыденный опыт говорит об обратном: мы часто успеваем хорошо рассмотреть молнию, наблюдая ее с расстояния, и даже сфотографировать. Создается ощущение, что она живет не так уж и мало. Это наша иллюзия?

― Я бы сказал, что таково наше психологическое восприятие этой вспышки. На самом деле процесс, конечно, очень короткий. Это микросекунды. В каких-то случаях молния может пройти по некому уже готовому каналу, оставшемуся после первого разряда, и тогда вы можете увидеть повторную вспышку. В реальности все протекает гораздо быстрее, чем нам кажется. Да, вы действительно можете снять молнию на смартфон, хотя это очень тяжело, но для того, чтобы отследить ее динамику, требуется уже специальное оборудование.

― А с помощью какого оборудования вам удается исследовать молнию, учитывая столь короткое время ее жизни?

― В своих экспериментах мы задействуем специальное диагностическое оборудование, в том числе так называемые быстрые камеры, позволяющие вести наносекундную фотосъемку со временем экспозиции кадра порядка 50–60 нс. Две такие камеры дают нам возможность посмотреть динамику молнии. Все это точностью до единиц наносекунд синхронизировано с высоковольтной машиной. По сути, на нашей установке мы имеем один импульс, который длится в течение микросекунд, но внутрь него мы можем заглянуть с очень высоким временны́м разрешением. Мы пользуемся и другими методами диагностики и регистрации излучения, которые также позволяют работать с нано- и даже субнаносекундными процессами. В этом как раз и заключается главный смысл имитации молнии в лабораторных условиях.

Молния — явление спорадическое, и пытаться зарегистрировать и исследовать ее в природе было бы очень тяжело и крайне дорого. К счастью, лабораторные эксперименты позволяют нам не просто поймать молнию, а сделать гораздо больше: приблизиться к фундаментальным физическим процессам, стоящим за ее инициированием и развитием.

― Молния имеет определенные стадии развития. Возможно ли воссоздать их в лаборатории?

― Смотря о каком типе разряда идет речь. Если говорить о молнии, развивающейся от грозового облака, то повторить этот процесс в лабораторных условиях очень сложно, а в некоторых случаях практически нереально, потому что в облаках нет соответствующих условий, то есть наличия массивного высоковольтного электрода. Там, на огромных масштабах, протекают совсем иные фантастические локальные процессы.

― Расскажите, пожалуйста, подробнее об этих процессах. На каком из этапов происходит зажигание молнии?

― Можно поговорить, например, о внутриоблачном разряде. Что представляет собой облако? Это колоссальная динамомашина, то есть генератор постоянного тока. Через облако проносятся разнообразные воздушные потоки, что сопровождается сепарацией заряженных частиц. Таким образом, возникает заряд на частицах и капельках воды или на частичках льда, если мы говорим о более высоких слоях облака. Происходит накопление электрического заряда, причем до уровня кулонов. Это колоссальная энергия, но она распределена на масштабе нескольких километров и начинает стекаться к какому-то общему стоку, из которого пойдет молния. Это первый механизм формирования молнии. Его описывает, например, теория гидрометеоров.

Что касается зажигания молнии, о котором вы спрашиваете, то здесь одну из самых известных и принятых на сегодня теорий предложил наш коллега из ФИАН академик А.В. Гуревич (1930–2023). Согласно его теории космического излучения, высокоэнергетичные частицы, попадая в атмосферу Земли, порождают ливень высокоэнергетичных электронов.

В условиях невысоких электрических полей затравочные электроны обладают высокой энергией, около 100 КэВ. При таких полях лавины затравочных электронов находятся в режиме убегания и начинают тормозиться на ядрах частиц воздуха. Идет генерация рентгеновского излучения, в том числе порождение новых лавин электронов (тоже быстрых), то есть происходит их каскадное размножение. Это ― своеобразные «затравки», по которым фактически далее может начаться формирование общего стока заряда. Если где-то прошла высокоэнергетичная частица, создав лавину электронов, то по этой «затравке» потенциально может начаться уже развитие молнии.

Таким образом, это совокупность разных процессов, триггером которых, согласно теории А.В. Гуревича, выступают космические лучи. Этот вопрос исследуется до сих пор. На текущий момент по-прежнему точно неизвестно, что служит зажиганием молнии.

― Эксперименты по имитации молнии в лаборатории приближают нас к решению этой проблемы?

― Это, опять же, сложный вопрос масштабирования природных процессов. Какие-то из стадий развития молниевого разряда мы действительно можем повторить в лаборатории, а другие, к сожалению, пока так и остаются для нас недоступными.

Мы пытаемся увидеть общую картину, собирая ее из отдельных малых пазлов: тех знаний, что нам удалось добыть в эксперименте.

― Вы говорили о том, что есть разные типы молниевых разрядов. Как вы думаете, их возникновение, то самое зажигание, обусловлено какой-то единой причиной и имеет идентичную природу или за каждым разрядом стоит своя индивидуальная история?

― Я бы скорее согласился со вторым утверждением о разных причинах зажигания у разных разрядов. В этой области, как я уже говорил, очень много неизвестного. Выше мы обсуждали некие общепринятые концепции возникновения молнии и привычные сценарии, когда молния идет от грозового облака к Земле. Но генерация более высотных разрядов, например, по-прежнему остается для нас загадкой. Более того, исследовать такие разряды можно только в натурных условиях, что, как вы понимаете, далеко не каждый может себе позволить. Это чрезвычайно тяжело и очень дорого. Сейчас идут попытки исследовать это явление, например, с борта самолета с помощью сложного дорогостоящего оборудования.

― Известно ли приблизительно, сколько всего может существовать разных типов молниевых разрядов?

― Я думаю, их бесчисленное множество. Появление того или иного разряда зависит от условий окружающей среды. Мы с вами говорили только про нашу планету. Но известно, что молнии есть также на Венере с ее кислотной атмосферой.

― И на газовых гигантах Юпитере и Сатурне.

― Да, и мы не знаем, какие типы молниевых разрядов существуют там и сколько их. Тем не менее я думаю, что механизмы образования молнии на Земле и на других планетах Солнечной системы могут быть схожими. Хотя, честно сказать, мы пока и со своей планетой-то не можем толком разобраться. Изучение этого вопроса происходит постепенно, поэтапно. Возможно, в будущем, объединив данные, полученные от натурных наблюдений и от лабораторных экспериментов, мы сможем узнать еще больше нового о молниях.

― Возвращаясь к вашим экспериментам в ФИАН, какие наиболее интересные результаты вы могли бы отметить?

― Подавая высоковольтный импульс на длинный разрядный промежуток, мы смогли наблюдать формирование первичных стримерных корон: начального процесса, создающего путь для развития молнии. Пожалуй, это можно назвать некой имитацией роста отрицательных или положительных лидерных каналов, которые развиваются от облака к Земле. Стримеров очень много, и их можно рассматривать как волны ионизации, прокладывающие слабо ионизованные плазменные каналы. Они вспышечно выстреливают и, образно говоря, ищут путь, по которому первый прогретый лидерный канал (основа молнии) начнет развиваться.

Молния, которую мы видим, — это финальная стадия явления, а образование стримеров ― это как раз то, что происходит до нее. Нам удалось наблюдать в лаборатории примерно те же стадии развитии молнии, что и в природных условиях.

Более того, мы смогли повторить в эксперименте генерацию различных видов электромагнитного излучения (широкополосного радиоизлучения, рентгеновского, ультрафиолетового и др.) в молнии, определить их источники и построить карту корреляции между всеми этими типами излучения.

По сути, мы получили в лаборатории разные виды электромагнитного излучения, создав молнию. Более того, мы зарегистрировали даже новый тип источников такого излучения. В ближайшее время нам предстоит выяснить, как то, что мы обнаружили, соотносится с наблюдаемым в натурных условиях и с общепринятыми научными концепциями молнии.

― Насколько опасно такое излучение?

― Это очень сильное по мощности сверхвысокочастотное (СВЧ) излучение, измеряемое в единицах гигагерц и способное влиять, например, на системы спутниковой связи, бортовую электронику, лидары и т.д. Вопрос подавления таких высокочастотных помех на сегодня очень актуален. На эту тему было опубликовано достаточно много работ: такое СВЧ-излучение наблюдалось как в натурных условиях, так и в лаборатории.

Если говорить о нашей научной группе, то успех исследования заключается в том, что нам удалось локально установить зоны генерации этого СВЧ-излучения с сантиметровой точностью. Откуда она начинается, на какой стадии? Пока что наше открытие не согласуется принятыми научными концепциями молнии.

Мы видим, что некая зона генерации СВЧ-излучения может быть предвестником того, что через несколько наносекунд в этой области можно будет наблюдать определенную интенсивность стримерообразования; или, наоборот, она может уже присутствовать в этой плазменной среде. Пока что у нас нет однозначного ответа, это нечто новое. Обсудив этот вопрос со многими коллегами, мы пришли к выводу, что это может быть развитием пучковых неустойчивостей в плазме по типу черенковских.

― Плазма ведь считается самым малоизученным состоянием вещества?

― Если говорить о проявлениях в определенных условиях и сопутствующих явлениях, то да. Спектр физических процессов, которые могут происходить в плазме, колоссальный. Мы можем исследовать и повторить в эксперименте только некую часть из них, но для этого необходимо использовать оборудование высочайшего класса с очень высоким пространственно-временным разрешением. Требуется наличие высоковольтной установки, то есть системы синхронизации, причем на уровне единиц наносекунд, а также диагностического оборудования, позволяющего вести наблюдения. Кстати, у нас такое оборудование есть. Оно как раз и позволило получить наиболее полную картину излучений разряда, которая вылилась во временную карту электромагнитного излучения молниеподобного разряда.

― Что нам дает в практическом смысле изучение молний и различных видов электромагнитного излучения?

― В первую очередь это, конечно, создание новых систем молниезащиты, подавления электромагнитных помех и усовершенствование системы мониторинга грозовых явлений в атмосфере. Из-за климатических изменений, происходящих на планете, количество гроз ежегодно увеличивается. При этом особенно большую опасность представляют так называемые сухие грозы, тем более на обширных территориях, как в случае нашей страны. Их необходимо как-то идентифицировать, важно понять, где они начнут возникать, с какой интенсивностью и т.д. Следующий момент связан с безопасностью на различных открытых энергообъектах, промышленных предприятиях, где важно учитывать информацию о том, может ли здесь через какое-то время произойти молниевая вспышка и нужно ли прекращать работу в связи с этим. Это опять же системы мониторинга. Безопасность гражданского населения ― еще одна важная часть этой проблемы, особенно если это касается жителей горной местности и альпинистов: если молния ударила в гору, она не может быстро стечь, а будет долго идти по поверхности, представляя большую угрозу. Нельзя пренебрегать грозой, это действительно может быть губительно для человека, относиться к этому надо очень серьезно. В то же время, когда молния бьет, скажем, в различные породы, происходит формирование различных сложных минералов, которые было бы очень тяжело создать в лабораторных условиях.

― С использованием рукотворной молнии удавалось даже создать аминокислоты.

― Да. Это очень интересный эксперимент, проведенный в 1953 г. Стэнли Миллером и Гарольдом Юри. Они попытались воспроизвести условия, существовавшие на древней Земле, и им удалось синтезировать аминокислоты, пропуская электрический разряд через смесь газов и паров воды при температуре 80 ℃. Конечно, к этой работе было очень много вопросов: могла ли жизнь развиваться именно по такому сценарию и насколько все это близко к тому, что в действительности происходило на древней Земле?

Это направление исследований представляет большой интерес для науки, и роль молний в возникновении жизни на нашей планете действительно могла быть колоссальной.