Замыкание искрового разряда на землю

Процесс замыкания молнии на землю с давних пор (первые исследования на эту тему начались более века тому назад) и по настоящее время представляет большой интерес для исследователей как с точки зрения фундаментальной науки – понимания физических механизмов природного явления, – так и с точки зрения практической молниезащиты.

Учёными и фотографами – как профессионалами, так и любителями – собрано огромное количество интегральных фотографий каналов молниевых разрядов. Часто на этих фотографиях по направлению ответвлений от основного канала можно выделить канал нисходящего из облака лидера (как правило, отрицательного) и канал восходящего (как правило, положительного) лидера. Нередко в области встречи нисходящего и восходящего лидеров канал разделяется на несколько (как правило, на две) ветвей, образуя петли. Для объяснения наблюдаемого эффекта образования петель разрядного канала молнии была предложена и в настоящее время разделяется большинством исследователей следующая модель встречи лидеров: лидеры, двигаясь приблизительно навстречу друг другу, тем не менее, не встречаются и проходят мимо друг друга, а затем ветви лидеров одновременно (или почти одновременно) встречаются с каналами противоположных лидеров.

Регистрация процесса встречи лидеров молнии и восходящего к ней с земли лидера затруднена скоротечностью этого процесса и удаленностью молниевого разряда от точки регистрации, а также сравнительной редкостью возможности регистрации молнии в целом.

В наших экспериментах с искусственным облаком заряженных водяных капель (см. рис. 1) мы имели возможность воспроизводить лидерные разряды из облака на землю с частотой один разряд в несколько секунд и приблизить регистрирующие фотокамеры на расстояние 3 м от разрядов. Регистрация осуществлялась с помощью скоростной фотокамеры 4Picos, которая позволяет делать два последовательных кадра с малой экспозицией и большим усилением света. В результате многочисленных экспериментов было получено несколько десятков регистраций процесса встречи положительного и отрицательного лидеров (один из них шёл из облака, другой поднимался с земли) и один эпизод, когда оба кадра скоростной камеры по времени оказались внутри процесса встречи лидеров.

Полученные нами скоростные фотографии (см. рис. 2) впервые демонстрируют неизвестный ранее эффект ветвления лидеров (как положительного, так и отрицательного) в сквозной фазе (то есть в фазе, когда лидеры имеют общую стримерную зону, – положительные стримеры, выходя из головки положительного лидера, замыкаются на головку отрицательного лидера). Этот эффект, очевидно, является в части случаев причиной появления петель в каналах длинных искровых разрядов и молний.

Ещё одним эффектом, обнаруженным в настоящих экспериментах, было замыкание нисходящего лидера на канал восходящего посредством канала-перемычки, который с резким изломом соединялся с обоими лидерными каналами. Подобные формы разрядного канала нередко наблюдаются и в молниевых разрядах. Частным случаем такого эффекта можно рассматривать замыкание молнии на боковую поверхность молниеотводов и башен. Наиболее естественной причиной такого эффекта представляется замыкание через боковую ветвь одного из лидеров (в случае с замыканием молнии на башню – лидера молнии).

Регистрация двух кадров (рис. 2) сквозной фазы встречающихся и ветвящихся положительного и отрицательного лидеров (на две головки каждый) позволила измерить скорость движения каждой лидерной головки – все скорости оказались близкими по величине и равными (5–5,5) • 104 м/с. Такого рода измерения до настоящего времени отсутствовали.

Н. А. Богатов, научный сотрудник ИПФ РАН