Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В течение первого года реализации Проекта был разработан комплекс программ, направленных на моделирование процессов инициации и распространения молниевого разряда с учетом макромасштабной асимметрии развития его положительной и отрицательной частей, а также на создание математической модели заземляющего устройства при действии импульсного напряжения молниевого разряда, что важно с точки зрения совершенствования методов молниезащиты. Одним из направлений работ по Проекту является уточнение различных аспектов авторского сценария инициации молнии в грозовом облаке. На мелкомасштабном уровне, соответствующем подготовительной стадии зарождения молнии, было проведено теоретическое исследование распада плазмы и возможности отрыва электронов от отрицательных ионов, образованных в бесстримерной отрицательной короне около гидрометеоров. Была построена обширная схема плазмохимических реакций с соответствующими константами скорости в условиях сильных флуктуаций мезомасштабного электрического поля. Были выявлены доминирующие типы отрицательных ионов в дрейфовой зоне короны и на поздней стадии распада разрядной плазмы и получены константы скорости их образования и разрушения в сильных электрических полях. Было показано, что для отрыва электронов от отрицательных ионов в условиях грозового облака достаточно допробойных приведенных электрических полей на уровне 65 Тд. Из расчетов следует, что при наложении сильного электрического поля электроны освобождаются не за счет прямого отрыва от кластерных ионов, а многоступенчато в последовательности, обратной той, что наблюдается в отсутствие сильного электрического поля при образовании кластерных ионов. На крупномасштабном уровне для исследования процесса формирования трехмерной иерархической сети плазменных каналов в крупномасштабном электрическом поле грозового облака была разработана численная модель, воспроизводящая стадию перехода от отдельных стримерных разрядов к объемной сети плазменных каналов. Была показана возможность формирования данной сети в условиях относительно небольших значений напряженности внешнего электрического поля, которое может быть ниже порога поддержания роста положительных стримеров. Основным механизмом, обеспечивающим формирование сети плазменных каналов в грозовом облаке, является объединение отдельных стримерных систем в проводящие кластеры посредством взаимодействия положительных и отрицательных стримеров двух достаточно близко расположенных разрядов. Формирование сети плазменных каналов становится возможным, если пространственно-временная частота появления стримерных систем превышает критическое значение на уровне десятка событий в кубическом метре в секунду. Показано, что объединение отдельных стримерных систем в плазменную сеть можно рассматривать как фазовый переход от непроводящего состояния среды (когда перманентно возникающие и гибнущие связи изолированы друг от друга) к проводящему (когда возникающие в системе «островки проводимости» объединяются в связный кластер). При этом существует положительная обратная связь между размером проводящего кластера и скоростью его роста, что говорит о самоускоряющемся (взрывном) характере возникновения плазменной сети. Благодаря поляризации проводящих элементов сети в электрическом поле облака появляется выделенное направление пространственной ориентации связей. Это делает структуру перколяционного кластера гораздо более компактной по сравнению с предсказаниями теории перколяции для случая однородного распределения связей в пространстве. Другим важнейшим направлением работ по Проекту является развитие концепции дрейфа точки реверса молниевого разряда (точка, в которой заряд чехла лидера меняет знак), которая позволяет объяснить ряд явлений макромасштабной асимметрии развития положительной и отрицательной частей молнии. На базе иерархической схемы Хортона–Штролера было построено описание пространственной структуры разноимённых полюсов биполярного древа молнии с учетом их морфологической асимметрии, обусловленной двукратным различием пороговых полей поддержания роста положительных и отрицательных стримеров. Выведены масштабно инвариантные соотношения для распределённых ёмкости, индуктивности и активного сопротивления сети плазменных каналов. Получена зависимость времени изменения конфигурации разряда от его пространственного масштаба и показано, что на малых масштабах оно определяется установлением/спадом тока в лидерных ветвях, а на больших – процессами зарядки/перезарядки чехла заряда лидера. Установлено, что на масштабах порядка сотни метров и меньше токи молнии определяются волновым сопротивлением, а на больших масштабах – активным. В целях численного исследования динамики дрейфа точки реверса в процессе развития внутриоблачной молнии была разработана трехмерная численная модель, учитывающая асимметрию пороговых полей распространения разрядных каналов положительной и отрицательной полярностей и зависимость коэффициента данной асимметрии от разности высот фронтов роста положительной и отрицательной частей молнии. В рамках модели были подтверждены гипотезы о том, что развитие биполярного разряда молнии сопровождается смещением точки реверса в сторону доминирующего по току полюса молнии и что в подавляющем большинстве случаев доминирующей является положительная часть молниевого разряда. Была представлена трехмерная модель, позволяющая рассчитать распределение напряжённости электростатического поля внутри и на периферии стримерных зон положительного и отрицательного лидеров молнии. Показано, что стримерные короны положительных и отрицательных лидеров могут содержать локализованные зоны с электрическими полями, превышающими разрядную напряженность воздуха, существующие на фоне существенно подпробойных средних полей. Данные области могут быть названы квазиэлектродами и, вероятно, являются потенциальными местами появления пространственных стемов, тем самым играя ключевую роль в процессе формирования ступеней лидера. Вследствие двукратного отличия пороговых полей распространения положительных и отрицательных стримеров, максимальные значения напряженности электрического поля и число областей надпробойного поля значительно выше в случае отрицательной полярности. Установлено, что образованию зон надпробойного электрического поля способствует наличие в стримерной короне горизонтальных (почти горизонтальных) каналов, отклоняющихся от ожидаемого направления роста. Показано, что вероятность возникновения зон надпробойного электрического поля и, следовательно, ступеней быстро падает с ростом высоты из-за того, что электрические поля внутри стримерной зоны убывают быстрее, чем поле пробоя воздуха. Объяснено, что формирование ступеней лабораторных положительных лидеров, наблюдаемое в условиях высокой плотности водяных паров, связано с тем, что пороговое поле распространения положительных стримеров растет с увеличением абсолютной влажности воздуха. Была решена задача создания математической модели заземляющего устройства (ЗУ), соответствующей полученным с использованием специально изготовленного генератора импульсного напряжения экспериментальным зависимостям тока и напряжения на ЗУ. С помощью специально разработанной программы был выполнен параметрический синтез электрической схемы замещения ЗУ, имеющей близкое к нему переходное сопротивление. Построенная информационно-компактная модель заземлителя может быть легко использована всеми существующими средствами анализа грозовых перенапряжений, ориентированных на модели данного типа. Это важно для решения прикладных задач, связанных с молниезащитой объектов, ограничением перенапряжения и обеспечением электробезопасности. Дополнительные материалы доступны на сайте Проекта: https://lightning-science.com/rscf-23-11-00245/.