Молния под микроскопом: что показало моделирование высоковольтного разряда

Ученые из Физического института имени П. Н. Лебедева РАН (ФИАН) и Московского физико-технического института (МФТИ) провели серию экспериментов, раскрывающих механизмы генерации рентгеновского излучения в искусственных молниях. Исследование, опубликованное в Journal of Applied Physics, позволило впервые с высокой точностью зафиксировать временные и угловые характеристики этого явления, что открывает новые возможности для изучения природных молний и разработки технологий защиты от них.

Источник изображения сгенерировано нейросетью Sora

В ходе экспериментов ученые использовали высоковольтную установку, создающую импульсы напряжением до 1 мегавольта в воздушном промежутке длиной 55 см. Для регистрации рентгеновского излучения применялась система из 10 сцинтилляционных детекторов, расположенных по дуге с шагом 10 градусов. Это позволило не только зафиксировать вспышки, но и определить их направленность.

Полярные карты, иллюстрирующие пространственно-временные особенности эмиссий высокоэнергетичных фотонов во время разряда. Радиус карты – временная ось, угловая ось представлена десятью позициями рентгеновских детекторов с шагом 10 градусов, отдельные лучи соответствует угловой позиции рентгеновского детектора. Данные с детекторов – временные сигналы вспышек излучения, – соотнесены с временными лучами, направленными к угловым позициям детекторов. В угловых секторах данные интерполируются линейно. Интенсивность полярной карты описывает динамику амплитуды сигналов. На рисунке приведены данные для серий измерений с алюминиевым фильтром толщиной 3 мм (энергия отсечки Ev≈17 кэВ), свинцовым фильтром толщиной 3 мм (Ev≈170 кэВ) и свинцовым фильтром толщиной 10 мм (Ev≈300⁠кэВ).
Источник изображения Naked Science

Главное открытие заключалось в том, что рентгеновское излучение появляется еще до самой вспышки молнии, в момент, когда напряжение достигает максимального значения. При этом ученые обнаружили два разных типа излучения. Первый тип распространяется во всех направлениях, но при высоких энергиях излучение направлено к отрицательному электроду (аноду). Второй тип оказался более загадочным - это высокоэнергетические лучи, которые появляются на периферии от основного разряда, что пока не находит полного объяснения.

Статистические карты, иллюстрирующие все зарегистрированные рентгеновские вспышки с точки зрения их количества наблюдений (полученных при усреднении по временным интервалам в 1 нс) и суммарной мощности (сумма квадратов амплитуд всех полезных сигналов выше уровня шума). На рисунке приведены данные для серий измерений с алюминиевым фильтром толщиной 3 мм (энергия отсечки Ev≈17 кэВ), свинцовым фильтром толщиной 3 мм (Ev≈170 кэВ) и свинцовым фильтром толщиной 10 мм (Ev ≈ 300 ⁠кэВ).
Источник изображения Naked Science

(a) Область разрядного промежутка, выбранная для моделирования напряженности электрического поля. (b) Визуализация напряженности электрического поля (кВ/см) при напряжении 1 МВ с масштабной сеткой в миллиметрах. Приведены распределения поля для трех контрольных сечений, выделенных на картах.
Источник изображения Journal of Applied Physics

Физики установили, что причина появления рентгеновского излучения кроется в поведении электронов. Под действием огромного напряжения электроны разгоняются до чрезвычайно высоких скоростей и сталкиваются с молекулами воздуха, что и приводит к возникновению рентгеновского излучения.

Наши результаты показывают, что жесткое рентгеновское излучение в атмосферных разрядах связано со сверхбыстрыми процессами ионизации. Это открывает путь к более точному моделированию природных электрических разрядов, таких как молнии.

Ярослав Болотов, ассистент Физтех-кластера академической и научной карьеры МФТИ

Это открытие поможет точнее моделировать молнии и разрабатывать методы защиты от них.

Проведенные исследования впервые с высокой временной и пространственной точностью установили временные рамки и угловые характеристики рентгеновского излучения в разрядах. Это позволяет пересмотреть механизмы его генерации и учесть влияние сложных плазменных структур. Данные открытия имеют важное значение для понимания физических процессов, происходящих в грозовых облаках, а также могут найти применение в технологических разработках.

Александр Огинов, исполняющий обязанности заведующего Отделом физики высоких плотностей энергии Физического института имени П. Н. Лебедева

Ученые планируют изучить влияние других конфигураций электродов и параметров среды, а также повысить временное разрешение измерений. Эти исследования могут найти применение не только в атмосферной физике, но и в плазменных технологиях.

Читайте ещё материалы по теме:

Тайну зарождения молнии раскрыли российские учёные: новая модель объясняет ключевой этап формирования разряда

Мыслить со скоростью света: учёные МФТИ разрабатывают фотонный мозг, задействуя нанолазеры

В МФТИ нашли способ ускорить разработку борных термоядерных реакторов