Вспышки молнии имеют характерную зигзагообразную форму, и физики давно задавались вопросом, почему. В настоящее время, Джон Лоук и Эндре Сили в Университете Южной Австралии провели расчеты, которые могли бы объяснить такое поведение.
Дуэт создал модель, описывающую необычное распространение «лидеров молний» — каналов ионизированного воздуха, — которые соединяют грозовые облака с землей. Они предполагают, что зигзагообразные ступени связаны с высоковозбужденными метастабильными атомами кислорода, которые значительно облегчают протекание электрического тока через воздух.
Молния, по-видимому, распространяется в виде серии ступеней, в которых участвуют лидеры, которые имеют длину в десятки метров и исходят из грозовых облаков. Лидер загорается примерно на 1 мкс по мере протекания тока, создавая ступеньку. Затем канал будет затемняться на десятки микросекунд с последующим формированием следующей светящейся ступеньки на конце предыдущего лидера, иногда с разветвлением. Этот процесс повторяется, чтобы создать знакомую зубчатую форму молнии. Любопытным аспектом этого процесса является то, что однажды загоревшаяся и затемненная ступенька больше не загорается, несмотря на то, что является частью проводящего столба.
Известно, что этот шаг отвечает за характерные зигзагообразные узоры, обнаруживаемые в полосах молний, но есть несколько оставшихся без ответа вопросов о физике этого явления. В частности, остается загадкой природа темных, но проводящих колонн, соединяющих лидеров с грозовыми облаками.
Синглетный дельта-кислород
В своем исследовании Лоук и Сили подсчитали, что ступенчатое поведение может быть связано с накоплением высоковозбужденных молекул кислорода, называемых «синглетным дельта-метастабильным кислородом». Эти молекулы имеют радиационное время жизни примерно один час и заставляют электроны отрываться от отрицательных ионов кислорода, повышая проводимость окружающего их воздуха.
Физик, укрощающий молнию
Дуэт предполагает, что время между последовательными шагами соответствует времени, необходимому для накопления достаточных концентраций метастабильных молекул на концах лидера. Это увеличивает электрическое поле на кончике, делая возможной дальнейшую ионизацию на следующем этапе. Кроме того, исследователи предполагают, что высокие концентрации синглетного дельта-кислорода должны сохраняться на более ранних этапах, позволяя этим этапам сохранять свою электропроводность даже без поддерживающего электрического поля.
Лоук и Сили надеются, что лучшее понимание этого процесса может привести к новым методам и более строгим правилам защиты зданий от ударов молнии. Это могло бы свести к минимуму экономический и экологический ущерб, причиняемый молнией, при одновременном снижении угрозы для жизни и здоровья.
Исследование описано в Журнал физики D: Прикладная физика.
