Спалахи блискавок мають характерні зигзагоподібні форми, і фізики довго не дивувалися, чому. тепер, Джон Лоук та Ендре Сілі в Університеті Південної Австралії зробили розрахунки, які могли б пояснити таку поведінку.
Дует створив модель, яка описує незвичайне поширення «лідерів блискавок» – каналів іонізованого повітря – які з’єднують грозові хмари з землею. Вони припускають, що зигзагоподібні сходинки пов’язані з високозбудженими метастабільними атомами кисню, що значно полегшує протікання електричного струму в повітрі.
Схоже, що блискавка поширюється серією кроків, які включають лідери, які мають довжину десятки метрів і походять із грозових хмар. Лідер буде світитися приблизно на 1 мкс, коли протікає струм, створюючи сходинку. Потім канал темніє на десятки мікросекунд, після чого наприкінці попереднього лідера утворюється наступна світлова сходинка – іноді з розгалуженням. Цей процес повторюється для створення знайомої зубчастої форми блискавки. Цікавим аспектом цього процесу є те, що після того, як сходинка засвітилася і потемніла, вона більше не загоряється, незважаючи на те, що вона є частиною провідної колони.
Відомо, що цей крок відповідає за характерні зигзагоподібні візерунки, виявлені в смугах блискавки, але є кілька питань без відповіді щодо фізики цього явища. Зокрема, природа темних, але провідних колон, що з’єднують лідерів із грозовими хмарами, здебільшого залишалася загадкою.
Синглетний дельта кисень
У своєму дослідженні Лоуке та Сілі підрахували, що крокова поведінка може бути пов’язана з накопиченням високозбуджених молекул кисню, які називаються «синглетним дельта-метастабільним киснем». Ці молекули мають час випромінювання приблизно одну годину та змушують електрони відриватися від негативних іонів кисню, підвищуючи провідність повітря, що їх оточує.
Фізик, який приборкує блискавку
Дует припускає, що час між послідовними кроками відповідає часу, необхідному для накопичення достатніх концентрацій метастабільних молекул на кінчиках лідерів. Це збільшує електричне поле на кінчику, що робить можливою подальшу іонізацію на наступному етапі. Крім того, дослідники припускають, що високі концентрації синглетного дельта-кисню повинні витримуватися на попередніх етапах, дозволяючи цим крокам зберігати свою електропровідність навіть без підтримки електричного поля.
Лоуке та Сілі сподіваються, що краще розуміння цього процесу може призвести до нових методів і жорсткіших правил захисту будівель від ударів блискавки. Це може мінімізувати економічні та екологічні збитки, спричинені блискавкою, одночасно зменшуючи загрозу життю та здоров’ю.
Дослідження описано в Журнал фізики D: Прикладна фізика.
