Изучение особенностей плазмы, возникающей при ударе молнии, провели ученые МФТИ и Объединенного института высоких температур (ОИВТ) РАН, 4 марта сообщает журнал МФТИ «За науку».

Результаты их исследований показали, что плазма возвратного удара молнии является оптически тонкой, ее максимальная температура достигает почти 30 000 K, а почти 90% излучения приходится на вакуумную ультрафиолетовую область спектра.

Результаты исследований ученые представили в статье «Излучение проводящего канала молнии», опубликованной в журнале «Оптика и спектроскопия» 2024. Т. 132, вып. 7. Они будут полезны для развития технологий, основанных на использовании плазмы.

Плазма — это четвертая форма состояния вещества, представляющая собой газ. Но в нем, кроме нейтральных атомов и молекул, содержатся еще и свободные электроны и ионы, сумма зарядов которых равна нулю.

Молния, которая выглядит яркой световой вспышкой, чаще всего зигзагообразной, по сути, представляет собой сложное физическое явление. Она возникает при прохождении искрового электрического разряда по проводящему каналу, предварительно созданному в атмосфере. Получение новых данных о процессах, происходящих в молнии, имеет множество прикладных аспектов.

Возникновение молнии проходит в несколько этапов, из которых важнейшие, это ступенчатый и дротиковый лидер, а также возвратный удар. Ступенчатый лидер — это разряд, в результате которого возникает проводящий канал для движения электрического тока от облака к земле.

Прохождение тока по проводящему каналу у молний средней и высокой интенсивности может повторяться за счет восстановления канала дротиковым лидером, за которым идет возвратный удар — разряд, осуществляющий перенос большей части заряда молнии и характеризующийся самым ярким свечением. При этом скорость распространения электромагнитной волны в атмосфере близка к скорости света.

Именно данный этап появления молнии стал предметом исследования ученых МФТИ и ОИВТ РАН.

Основной вклад в интенсивность свечения при возвратном ударе вносит фоторекомбинационное излучение. Оно возникает, когда ион захватывает пролетающий электрон и в излучение переходит его кинетическая энергия и энергия образующейся химической связи.

Исследователи определили температуру, давление, удельную мощность излучения плазмы молнии и рассчитали зависимость удельной мощности излучения равновесной плазмы от температуры при атмосферном давлении.

Они установили, что плазма возвратного удара молнии оптически тонкая, а ее максимальная температура близка к 30 000 K. При прохождении по каналу молнии максимального тока излучение ограничивает рост температуры плазмы. Около 90% излучения находится в вакуумной ультрафиолетовой области спектра.

Эволюцинизируя, плазма достигает состояния равновесия внутри электронной, атомной и ионной подсистем за время, которое в зависимости от подсистемы составляет микросекунды или десятки микросекунд. При этом состояние каждой подсистемы характеризуется соответствующей температурой, которая у них может отличаться.

Согласно полученным данным, процесс возвратного удара молнии проходит в две стадии. На первой расширение плазмы приводит к падению давления воздуха до атмосферного. На второй стадии, при давлении воздуха близком к атмосферному, параметры плазмы проводящего канала остаются почти стабильными.

Один из авторов статьи, профессор кафедры теоретической физики им. Л. Д. Ландау МФТИ, доктор физико-математических наук Владимир Крайнов пояснил важность полученных ими результатов:

«Одновременная оценка изменений во времени температуры и давления плазмы, которая находится в проводящем канале молнии, и учет мощности излучения позволил нам составить энергетический баланс эволюции плазмы проводящего канала. Считаю, что следует включить классическую теорию излучения в современные компьютерные модели молнии».

Данные, полученные учеными МФТИ и ОИВТ РАН, будут востребованы для развития плазменных технологий, в том числе для усовершенствования криптоновых и ксеноновых ламп и ртутных ламп высокого давления.